關于溫度測量的方式，大家知道幾種呢？

在測試測量領域，有眾多測量儀器，例如電磁流量計、渦街流量計、差壓流量計、磁翻板液位計等等。這些測量儀器都能輸出電流信號，使得工業生產的測試測量更加便捷。那么為何要選擇電流信號輸出呢？而且為什么都是4-20mA電流信號呢？如何進行電流測量？電流環路是怎樣構成的？NI的電流測量是如何進行的？這些問題都將在這篇文章中獲得解答。

本文分享：

電流測量的基本知識及NI的測量

一、 為什么要選擇電流信號

工業級傳感器通常使用電流信號來傳輸數據。而大多數其他傳感器（如熱電偶和電阻式應變計）則使用電壓信號。雖然基于電壓的傳感器足夠應對許多環境，但在某些情況下基于電流的傳感器會更合適。在工業環境中通過電壓傳輸信號具有幾個缺點：由于導線存在電阻，在通過長線纜時會造成電壓降低，可以使用高輸入阻抗設備來規避信號損失。然而，這些設備對附近的電機、傳送帶和無線電傳輸引發的噪聲很敏感。

根據基爾霍夫電流定律(KCL)，流入某一節點的電流之和等于流出該節點的電流之和。從理論上來說，環路起點的所有電流都必然會到達終點，如下圖所示。

這是電流環路運作的基本原理。在單個環路的任意位置測量電流都會得到相同的結果。通過使用電流信號和低阻抗數據采集設備，工業應用將會獲得更好的抗噪能力，也可采用更長的傳輸線纜。

二、測量儀表為什么要用4-20mA電流信號

工業上最廣泛采用的標準模擬量電信號是用4~20mA直流電流來傳輸模擬量。

采用電流信號的原因是不容易受干擾。并且電流源內阻無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數百米。上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于4mA，當傳輸線因故障斷路，環路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。

4-20mA標準是為2線制傳感器設定的，其中0-4mA的電流是為了供應傳感器自身較小工作電流的需要，如果采用0-20mA，當信號很小時，傳感器將無法取得足夠的工作能量。事實上，對于4~20MA信號,一般DCS系統把大于20.2mA小于3.8mA才算作故障。

三、 電流測量基礎

電流是電荷的流動。電流的國際單位是安培(A)，等于每秒通過一庫侖的電量。

雖然有多種方法可以測量電流，但最常見的方法是間接測量，即先測量精密電阻上的電壓，然后使用歐姆定律來計算出流經電阻的電流。

在固體導電金屬中，有大量的電子是移動或自由的。當金屬導線連接到直流電壓源（例如電池）的兩端時，電壓源會在導體的兩端施加一個電場。一旦連接完成，導體內的自由電子會在電場的作用下被迫流向正極端。因此，在典型固體導體中，自由電子是電流的載體。當電流為1安培率時，每秒鐘會有1庫侖的電荷（即約6.242 × 10^18個電子）流過假想的導體平面。

四、 電流測量回路

電流環路的主要組成部分包括直流電源、傳感器、數據采集設備和將它們串聯在一起的導線，如圖下圖所示。

直流電源為該系統供電。傳感器控制電流以4至20 mA的大小流經導線，其中4 mA代表非零最小輸出，20 mA代表最大信號。0 mA信號表示環路中存在斷點。數據采集設備測量受控的電流。一個有效而準確的電流測量方法是在數據采集設備放大器的導線之間放置一個精密的分流電阻（如上圖所示），將電流信號轉換為電壓測量，最終再與傳感器的原始測量相關聯。

五、 如何進行電流測量

測量電流主要有兩種方法：一種是基于電磁學，與早期的動圈式（達松伐爾）儀表有關。另一種是基于電學的主要理論-歐姆定律。雖然有多種方法可以測量電流，但最常見的方法是間接測量，即先測量精密電阻上的電壓，然后使用歐姆定律來計算出流經電阻的電流。

1.達松伐爾電流計

達松伐爾電流計是一種電流表，即用于檢測和測量電流的儀器。它是一個模擬機電傳感器，當電流流經其線圈時，會通過有限的電弧產生偏轉。

現在使用的達松伐爾電流計是使用小型旋轉線圈繞在永磁體外面制作而成。線圈與指向刻度盤的細指針相連。一個小型的扭轉彈簧將線圈和指針拉至零位。

當有直流電流過線圈時，線圈會產生磁場。該磁場與永磁體的磁場方向相反。線圈發生扭曲，推動彈簧，使指針發生移動。指針所指的刻度就是當前的電流值。精心設計的磁極片使磁場均勻分布，這樣指針偏轉的角度便與電流成正比。

2.基于歐姆定律的電流表

基本上，現在大多數安培表都是根據電學基本理論歐姆定律設計的?，F代電流表基本上由電壓表和精密電阻組成，利用歐姆定律，就可以進行精確的測量，顯然對比復雜的磁線圈測量方式，這種方法非常的經濟高效。 大家都知道歐姆定律吧，在電路中，流過導體兩點間的電流與兩點間的電勢差（或者說，壓降或電壓）成正比，與兩點間的阻抗成反比。也就是電學中耳熟能詳的公式：I = V/R。I是以安培為單位的電流，V是以伏特為單位的兩點間的電勢差，R是電路參數，以歐姆為單位（相當于伏特每安培），稱為電阻。通過這個公式，就可以得出電流表的工作原理： 通過內部電阻來測量特定信號的電流。 如果要測量大電流，可以在電流表上并聯一個精密電阻，該電阻稱為分流電阻。大部分電流流經分流電阻，只有一小部分電流流經儀表。這樣電流表便可測量更大的電流。只要期望的最大電流乘以電阻的值不超過電流表或數據采集設備的輸入范圍，便可使用任意電阻器。 分流電阻/采樣電阻(Shunt或CVR)分流器是基于最基本的歐姆定律，其體積是一個十分小巧的已知阻抗，串聯進被測電路中，測量電流流經分流器兩段所產生的壓降，可按照I=U/R的計算公式，運算得出該電路中的電流。分流器屬于接觸式測量方法，通常應用在電壓不高、電流相對較小的場合中。

使用這種方法，實際上并未將電流引導到電流表或數據采集板中，而是通過外部電阻進行分流。因此理論上，可以測量的最大電流是無限的，只要分流電阻的電壓降不超過電流表或數據采集設備的工作電壓范圍就可以。

六、 有源與無源

電流傳感器的有源和無源的區別是什么？

有源和無源是相對于變送器、開關傳感器來說的，變送器提供24V的為有源（四線制），變送器不提供24V的為無源（兩線制）。

有源是指各類變送器或都信號源等設備已經有一組供電回路給它供電。直接輸出一組4-20mA正負兩線的信號回路，給采集設備直接測量或應用。

無源是指各類變送器或者信號源等設備沒有供電回路給它供電。必須要有采集設備供給它工作電源，才可以輸出一組4-20mA正負兩線的信號回傳給采集設備直接測量。

故而，三線制儀表、四線制儀表的輸出信號為有源信號，二線制儀表輸出為無源信號。

七、 NI的電流測量

NI的電流測量板卡一般都是以分流電阻為基礎進行測量的。

1.有內置電阻

以NI CompactDAQ數據采集系統為例。下圖顯示的是NI 9203模擬電流輸入模塊。由于NI9203內部有一個精密電阻，因此不要求外接分流電阻。

下圖顯示了使用NI 9203進行參考單端(RSE)電流測量的連接圖以及該模塊的引腳分布。在圖中，引腳0對應“模擬輸入0”通道，引腳9對應公共地。

2.無內置電阻

相比NI 9203的內置電阻，NI還有一批板卡是內部沒有分流電阻的，比如NI 9218，這就需要外接電流分流適配器NI 9983。下圖所示為NI 9218測量±20mA模擬電路。

如果需要測試沒有內置電阻的電流卡，則可以連接外部電阻，搭一個簡易的歐姆定律電路，并在測試面板設置分流電阻的阻值。

3.有源及無源的測量 電流傳感器分為有源及無源，故對于不同傳感器的測量，NI的數據采集設備也有著不同的接線方式。 以NI 9208為例，9208擁有著18路Vsup端。當其中一路Vsup接入外部電源后，所有Vsup端將輸出電壓供給電流傳感器以提供電源驅動。由此可以形成傳感器的電源回路。 下圖為NI 9208的內部電路圖。

有源是指各類變送器或者信號源等設備已經有一組供電回路給它供電。有源傳感器即可直接輸出一組4～20mA正負兩線的信號回路給采集設備直接測量。

以三線制傳感器為例，三線制傳感器除了電源回路的Vsup端、COM端，還專門引出AI輸出端用以連接數據采集設備。NI 9208的有源信號（三線制傳感器）測量方法如下圖所示。

當然如果該有源傳感器內部已有電源或已連接外部電源，則無需將9208的Vsup端與其連接，只需要將主要的測量回路AI端和COM端與板卡相連即可。

同時，9208還可以進行無源電流的測試。

無源電流源為二線制設備，兩線制儀表只有兩根線，是沒有接電源線的，即它們沒有獨立的工作電源接線，電源需要外部引入。它們的兩根線既要傳輸電源又要傳輸信號，它們輸出的信號稱為無源信號。這個電源可以是獨立電源，也可以是無源信號采集設備配電功能提供的。

對于二線制設備，Vsup端要與AI端形成回路，儀表內回路擁有工作電壓后，才會有電流的無源信號產生，即從板卡的AI端流入板卡進行無源電流信號的測量。NI 9208的無源信號（二線制傳感器）測量方法如下圖所示。

以上就是基于電流測量的基本知識及NI測量方式的知識分享啦。

審核編輯：湯梓紅