關(guān)于溫度測(cè)量的方式，大家知道幾種呢？

在測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，有眾多測(cè)量?jī)x器，例如電磁流量計(jì)、渦街流量計(jì)、差壓流量計(jì)、磁翻板液位計(jì)等等。這些測(cè)量?jī)x器都能輸出電流信號(hào)，使得工業(yè)生產(chǎn)的測(cè)試測(cè)量更加便捷。那么為何要選擇電流信號(hào)輸出呢？而且為什么都是4-20mA電流信號(hào)呢？如何進(jìn)行電流測(cè)量？電流環(huán)路是怎樣構(gòu)成的？NI的電流測(cè)量是如何進(jìn)行的？這些問(wèn)題都將在這篇文章中獲得解答。

本文分享：

電流測(cè)量的基本知識(shí)及NI的測(cè)量

一、 為什么要選擇電流信號(hào)

工業(yè)級(jí)傳感器通常使用電流信號(hào)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。而大多數(shù)其他傳感器（如熱電偶和電阻式應(yīng)變計(jì)）則使用電壓信號(hào)。雖然基于電壓的傳感器足夠應(yīng)對(duì)許多環(huán)境，但在某些情況下基于電流的傳感器會(huì)更合適。在工業(yè)環(huán)境中通過(guò)電壓傳輸信號(hào)具有幾個(gè)缺點(diǎn)：由于導(dǎo)線存在電阻，在通過(guò)長(zhǎng)線纜時(shí)會(huì)造成電壓降低，可以使用高輸入阻抗設(shè)備來(lái)規(guī)避信號(hào)損失。然而，這些設(shè)備對(duì)附近的電機(jī)、傳送帶和無(wú)線電傳輸引發(fā)的噪聲很敏感。

根據(jù)基爾霍夫電流定律(KCL)，流入某一節(jié)點(diǎn)的電流之和等于流出該節(jié)點(diǎn)的電流之和。從理論上來(lái)說(shuō)，環(huán)路起點(diǎn)的所有電流都必然會(huì)到達(dá)終點(diǎn)，如下圖所示。

這是電流環(huán)路運(yùn)作的基本原理。在單個(gè)環(huán)路的任意位置測(cè)量電流都會(huì)得到相同的結(jié)果。通過(guò)使用電流信號(hào)和低阻抗數(shù)據(jù)采集設(shè)備，工業(yè)應(yīng)用將會(huì)獲得更好的抗噪能力，也可采用更長(zhǎng)的傳輸線纜。

二、測(cè)量?jī)x表為什么要用4-20mA電流信號(hào)

工業(yè)上最廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn)模擬量電信號(hào)是用4~20mA直流電流來(lái)傳輸模擬量。

采用電流信號(hào)的原因是不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無(wú)窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。上限取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒(méi)有取0mA的原因是為了能檢測(cè)斷線：正常工作時(shí)不會(huì)低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報(bào)警值。

4-20mA標(biāo)準(zhǔn)是為2線制傳感器設(shè)定的，其中0-4mA的電流是為了供應(yīng)傳感器自身較小工作電流的需要，如果采用0-20mA，當(dāng)信號(hào)很小時(shí)，傳感器將無(wú)法取得足夠的工作能量。事實(shí)上，對(duì)于4~20MA信號(hào),一般DCS系統(tǒng)把大于20.2mA小于3.8mA才算作故障。

三、 電流測(cè)量基礎(chǔ)

電流是電荷的流動(dòng)。電流的國(guó)際單位是安培(A)，等于每秒通過(guò)一庫(kù)侖的電量。

雖然有多種方法可以測(cè)量電流，但最常見(jiàn)的方法是間接測(cè)量，即先測(cè)量精密電阻上的電壓，然后使用歐姆定律來(lái)計(jì)算出流經(jīng)電阻的電流。

在固體導(dǎo)電金屬中，有大量的電子是移動(dòng)或自由的。當(dāng)金屬導(dǎo)線連接到直流電壓源（例如電池）的兩端時(shí)，電壓源會(huì)在導(dǎo)體的兩端施加一個(gè)電場(chǎng)。一旦連接完成，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子會(huì)在電場(chǎng)的作用下被迫流向正極端。因此，在典型固體導(dǎo)體中，自由電子是電流的載體。當(dāng)電流為1安培率時(shí)，每秒鐘會(huì)有1庫(kù)侖的電荷（即約6.242 × 10^18個(gè)電子）流過(guò)假想的導(dǎo)體平面。

四、 電流測(cè)量回路

電流環(huán)路的主要組成部分包括直流電源、傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和將它們串聯(lián)在一起的導(dǎo)線，如圖下圖所示。

直流電源為該系統(tǒng)供電。傳感器控制電流以4至20 mA的大小流經(jīng)導(dǎo)線，其中4 mA代表非零最小輸出，20 mA代表最大信號(hào)。0 mA信號(hào)表示環(huán)路中存在斷點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備測(cè)量受控的電流。一個(gè)有效而準(zhǔn)確的電流測(cè)量方法是在數(shù)據(jù)采集設(shè)備放大器的導(dǎo)線之間放置一個(gè)精密的分流電阻（如上圖所示），將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓測(cè)量，最終再與傳感器的原始測(cè)量相關(guān)聯(lián)。

五、 如何進(jìn)行電流測(cè)量

測(cè)量電流主要有兩種方法：一種是基于電磁學(xué)，與早期的動(dòng)圈式（達(dá)松伐爾）儀表有關(guān)。另一種是基于電學(xué)的主要理論-歐姆定律。雖然有多種方法可以測(cè)量電流，但最常見(jiàn)的方法是間接測(cè)量，即先測(cè)量精密電阻上的電壓，然后使用歐姆定律來(lái)計(jì)算出流經(jīng)電阻的電流。

1.達(dá)松伐爾電流計(jì)

達(dá)松伐爾電流計(jì)是一種電流表，即用于檢測(cè)和測(cè)量電流的儀器。它是一個(gè)模擬機(jī)電傳感器，當(dāng)電流流經(jīng)其線圈時(shí)，會(huì)通過(guò)有限的電弧產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。

現(xiàn)在使用的達(dá)松伐爾電流計(jì)是使用小型旋轉(zhuǎn)線圈繞在永磁體外面制作而成。線圈與指向刻度盤的細(xì)指針相連。一個(gè)小型的扭轉(zhuǎn)彈簧將線圈和指針拉至零位。

當(dāng)有直流電流過(guò)線圈時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)與永磁體的磁場(chǎng)方向相反。線圈發(fā)生扭曲，推動(dòng)彈簧，使指針發(fā)生移動(dòng)。指針?biāo)傅目潭染褪钱?dāng)前的電流值。精心設(shè)計(jì)的磁極片使磁場(chǎng)均勻分布，這樣指針偏轉(zhuǎn)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(xiàn)在大多數(shù)安培表都是根據(jù)電學(xué)基本理論歐姆定律設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)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(jìn)行精確的測(cè)量，顯然對(duì)比復(fù)雜的磁線圈測(cè)量方式，這種方法非常的經(jīng)濟(jì)高效。 大家都知道歐姆定律吧，在電路中，流過(guò)導(dǎo)體兩點(diǎn)間的電流與兩點(diǎn)間的電勢(shì)差（或者說(shuō)，壓降或電壓）成正比，與兩點(diǎn)間的阻抗成反比。也就是電學(xué)中耳熟能詳?shù)墓剑篒 = V/R。I是以安培為單位的電流，V是以伏特為單位的兩點(diǎn)間的電勢(shì)差，R是電路參數(shù)，以歐姆為單位（相當(dāng)于伏特每安培），稱為電阻。通過(guò)這個(gè)公式，就可以得出電流表的工作原理： 通過(guò)內(nèi)部電阻來(lái)測(cè)量特定信號(hào)的電流。 如果要測(cè)量大電流，可以在電流表上并聯(lián)一個(gè)精密電阻，該電阻稱為分流電阻。大部分電流流經(jīng)分流電阻，只有一小部分電流流經(jīng)儀表。這樣電流表便可測(cè)量更大的電流。只要期望的最大電流乘以電阻的值不超過(guò)電流表或數(shù)據(jù)采集設(shè)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(gè)十分小巧的已知阻抗，串聯(lián)進(jìn)被測(cè)電路中，測(cè)量電流流經(jīng)分流器兩段所產(chǎn)生的壓降，可按照I=U/R的計(jì)算公式，運(yùn)算得出該電路中的電流。分流器屬于接觸式測(cè)量方法，通常應(yīng)用在電壓不高、電流相對(duì)較小的場(chǎng)合中。

使用這種方法，實(shí)際上并未將電流引導(dǎo)到電流表或數(shù)據(jù)采集板中，而是通過(guò)外部電阻進(jìn)行分流。因此理論上，可以測(cè)量的最大電流是無(wú)限的，只要分流電阻的電壓降不超過(guò)電流表或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的工作電壓范圍就可以。

六、 有源與無(wú)源

電流傳感器的有源和無(wú)源的區(qū)別是什么？

有源和無(wú)源是相對(duì)于變送器、開(kāi)關(guān)傳感器來(lái)說(shuō)的，變送器提供24V的為有源（四線制），變送器不提供24V的為無(wú)源（兩線制）。

有源是指各類變送器或都信號(hào)源等設(shè)備已經(jīng)有一組供電回路給它供電。直接輸出一組4-20mA正負(fù)兩線的信號(hào)回路，給采集設(shè)備直接測(cè)量或應(yīng)用。

無(wú)源是指各類變送器或者信號(hào)源等設(shè)備沒(méi)有供電回路給它供電。必須要有采集設(shè)備供給它工作電源，才可以輸出一組4-20mA正負(fù)兩線的信號(hào)回傳給采集設(shè)備直接測(cè)量。

故而，三線制儀表、四線制儀表的輸出信號(hào)為有源信號(hào)，二線制儀表輸出為無(wú)源信號(hào)。

七、 NI的電流測(cè)量

NI的電流測(cè)量板卡一般都是以分流電阻為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量的。

1.有內(nèi)置電阻

以NI CompactDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例。下圖顯示的是NI 9203模擬電流輸入模塊。由于NI9203內(nèi)部有一個(gè)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(jìn)行參考單端(RSE)電流測(cè)量的連接圖以及該模塊的引腳分布。在圖中，引腳0對(duì)應(yīng)“模擬輸入0”通道，引腳9對(duì)應(yīng)公共地。

2.無(wú)內(nèi)置電阻

相比NI 9203的內(nèi)置電阻，NI還有一批板卡是內(nèi)部沒(méi)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(cè)量±20mA模擬電路。

如果需要測(cè)試沒(méi)有內(nèi)置電阻的電流卡，則可以連接外部電阻，搭一個(gè)簡(jiǎn)易的歐姆定律電路，并在測(cè)試面板設(shè)置分流電阻的阻值。

3.有源及無(wú)源的測(cè)量 電流傳感器分為有源及無(wú)源，故對(duì)于不同傳感器的測(cè)量，NI的數(shù)據(jù)采集設(shè)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(dāng)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(qū)動(dòng)。由此可以形成傳感器的電源回路。 下圖為NI 9208的內(nèi)部電路圖。

有源是指各類變送器或者信號(hào)源等設(shè)備已經(jīng)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(fù)兩線的信號(hào)回路給采集設(shè)備直接測(cè)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(shù)據(jù)采集設(shè)備。NI 9208的有源信號(hào)（三線制傳感器）測(cè)量方法如下圖所示。

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

同時(shí)，9208還可以進(jìn)行無(wú)源電流的測(cè)試。

無(wú)源電流源為二線制設(shè)備，兩線制儀表只有兩根線，是沒(méi)有接電源線的，即它們沒(méi)有獨(dú)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(hào)，它們輸出的信號(hào)稱為無(wú)源信號(hào)。這個(gè)電源可以是獨(dú)立電源，也可以是無(wú)源信號(hào)采集設(shè)備配電功能提供的。

對(duì)于二線制設(shè)備，Vsup端要與AI端形成回路，儀表內(nèi)回路擁有工作電壓后，才會(huì)有電流的無(wú)源信號(hào)產(chǎn)生，即從板卡的AI端流入板卡進(jìn)行無(wú)源電流信號(hào)的測(cè)量。NI 9208的無(wú)源信號(hào)（二線制傳感器）測(cè)量方法如下圖所示。

以上就是基于電流測(cè)量的基本知識(shí)及NI測(cè)量方式的知識(shí)分享啦。

審核編輯：湯梓紅