電流簡(jiǎn)介
電流是電荷的流動(dòng)。電流的標(biāo)準(zhǔn)單位是安培(A)，它等于每秒內(nèi)一庫(kù)侖電荷的流量。
雖然有多種方法測(cè)量電流，但最常用的方法是進(jìn)行間接測(cè)量，即根據(jù)歐姆定律，通過測(cè)量精密電阻器上的電壓來(lái)測(cè)量流過電阻器的電流。
電流基礎(chǔ)
在固體導(dǎo)電金屬中，有大量的電子是移動(dòng)的或是自由的。當(dāng)金屬導(dǎo)線被連接到直流電壓源（如電池）的兩端時(shí)，電壓源會(huì)在導(dǎo)體的兩端加上一個(gè)電場(chǎng)。一旦連接完成，在電場(chǎng)的作用下，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子會(huì)被迫流向正極端。
因此，在典型的固體導(dǎo)體中，自由電子是電流的載體。對(duì)于1安培的電流率而言，每秒鐘有1庫(kù)侖的電荷（即約6.242 × 1018個(gè)電子）流過假想的導(dǎo)體平面。
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在電學(xué)的早期歷史中，常規(guī)電流被定義為正電荷的流動(dòng)。在固體金屬(如導(dǎo)線)中，正電荷載體是不移動(dòng)的，只有帶負(fù)電荷的電子流動(dòng)。因?yàn)殡娮訑y帶負(fù)電荷，所以電子流動(dòng)的方向與常規(guī)電流的方向是相反的。
在解決電路問題時(shí)，流經(jīng)特定電路元件的實(shí)際電流方向通常是未知的。因此，每個(gè)電路元件被分配一個(gè)電流變量和一個(gè)任意選定的參考方向。當(dāng)電路問題被解決時(shí)，電路元件的電流值可能為正也可能為負(fù)。負(fù)值意味著流經(jīng)電路元件的實(shí)際電流方向與選定的參考方向是相反的。
如何進(jìn)行電流測(cè)量
電流的測(cè)量方法
測(cè)量電流主要有兩種方法：一種是基于電磁學(xué)的，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的。
達(dá)松伐爾電流計(jì)
達(dá)松伐爾電流計(jì)是一種電流表，是用于檢測(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)有電流流過它的線圈時(shí)，它會(huì)在有限的表弧上產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)變形。
今天使用的達(dá)松伐爾電流計(jì)是用小型旋轉(zhuǎn)線圈繞在永磁體外面制成的。線圈被系到繞校正刻度盤旋轉(zhuǎn)的薄指針上。一個(gè)小型的扭轉(zhuǎn)彈簧將線圈和指針拉到零的位置。
當(dāng)有直流電流過線圈時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這個(gè)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)。指針指到顯示當(dāng)前電流值的刻度上。精心設(shè)計(jì)的磁極片使磁場(chǎng)均勻，這樣指針偏轉(zhuǎn)的角度就與電流成比例了。
其它電流表
基本上，今天的大多數(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。現(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)行精確而且具有成本效益的測(cè)量了。
歐姆定律 —— 歐姆定律指出，在電路中，流過導(dǎo)體兩點(diǎn)間的電流與兩點(diǎn)間的電勢(shì)差成正比(或者說，壓降或電壓)，與兩點(diǎn)間的阻抗成反比。
描述這種關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
I = V/R
其中I為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)，它以歐姆為單位(相當(dāng)于伏特每安培)，被稱為電阻。
電流表工作原理—— 今天的電流表通過一個(gè)內(nèi)部電阻來(lái)測(cè)量特定信號(hào)的電流。然而，當(dāng)內(nèi)部的電阻不能測(cè)量更大的電流時(shí)，就需要外部的配置了。
為了測(cè)量更大的電流，可以在電流表上并聯(lián)一個(gè)被稱為分流電阻的精密電阻。大部分電流流過分流電阻，只有一小部分電流經(jīng)過電流表。這就使得電流表可以測(cè)量更大的電流。
只要期望的最大電流乘上電阻的值不會(huì)超過電流表或數(shù)據(jù)采集設(shè)備的輸入范圍，那么任意的電阻都是可以接受的。
在使用這種方法測(cè)量電流時(shí)，你應(yīng)該使用最小的電阻值，因?yàn)檫@對(duì)現(xiàn)有電路造成的干擾最小。然而，阻抗越小，造成的電壓降越小，所以你必須在分辨率和電路干擾間做一個(gè)折中 。
圖1顯示了通常的利用分流電阻的電流測(cè)量原理圖。
圖1. 將分流電阻連接到測(cè)量電路中
使用這種方法，電流不會(huì)被直接輸入給安培表或數(shù)據(jù)采集電路板上，而是要經(jīng)過外部的分流電阻。因而，只要分流電阻上的電壓降不會(huì)超過電流表或數(shù)據(jù)采集電路板的工作電壓范圍，那么理論上可以測(cè)量的電流值是無(wú)限大的。
電流公約
常規(guī)電流
常規(guī)電流是今天的電子電路、傳輸線等中常見的電流測(cè)量度量。它們不符合傳輸標(biāo)準(zhǔn)，而且它們的范圍可以從零到很大的安培數(shù)。
電流環(huán)/4-20mA公約
當(dāng)設(shè)備需要通過一對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)或控制時(shí)，那么需要使用模擬電流環(huán)。在任意的時(shí)刻，只存在有一個(gè)電流級(jí)別。
“4到20毫安的電流環(huán)”或者4-20mA是工業(yè)儀器和通信的模擬電器傳輸標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于電流環(huán)信號(hào)而言，4mA表示沒有信號(hào)存在，20mA表示信號(hào)100%存在[1]。mA是毫安培的縮寫，即千分之一安培。
4毫安的"帶電零位" 允許接收儀器區(qū)分零信號(hào)和損壞的導(dǎo)線或壞的儀器【1】。雖然開發(fā)于20世紀(jì)50年代，今天這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)仍然被廣泛用于工業(yè)。4-20mA公約的好處包括制造商的廣泛使用、相對(duì)較低的實(shí)現(xiàn)成本以及對(duì)抗電氣噪聲的能力。此外，利用帶電零位，你可以直接利用電流環(huán)為低功耗儀器供電，節(jié)省了額外電線的成本。
精確度考慮
分流電阻在電路中的放置位置是很重要的。如果外部電路與帶有電流表或數(shù)據(jù)采集電路板的計(jì)算機(jī)共地，那么你應(yīng)該把分流電阻放置在盡可能接近電路的地端的位置上。如果不這樣的話，由分流電阻產(chǎn)生的共模電壓可能處在電流表或數(shù)據(jù)采集板規(guī)格外，這將導(dǎo)致不精確的讀數(shù)，甚至可能損壞電路板。圖2顯示了分流電阻正確和不正確的放置位置。
圖2 分流電阻放置
數(shù)據(jù)采集設(shè)備測(cè)量
有三種不同的方法用于測(cè)量模擬輸入。請(qǐng)查閱文獻(xiàn)《如何進(jìn)行電壓測(cè)量》來(lái)獲取每種配置的更詳細(xì)信息。
例如，考慮NI CompactDAQ USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖3顯示了一個(gè)NI CompactDAQ機(jī)箱和一個(gè)NI 9203模擬電流輸入模塊。由于NI 9203內(nèi)部有一個(gè)精密電阻，所以不要求外接的分流電阻。
圖3. NI CompactDAQ機(jī)箱和NI 9203模擬電流輸入模塊
圖4顯示了使用NI cDAQ-9172機(jī)箱和NI 9203進(jìn)行參考信號(hào)終端（RSE）電壓測(cè)量的連接圖以及模塊的管腳定義。在圖中，管腳0對(duì)應(yīng)于“模擬輸入0”通道而管腳9對(duì)應(yīng)于共同的地。
圖4. 在RSE配置中的電流測(cè)量
除了NI 9203，通用模擬輸入模塊（如NI 9205）也可以利用外部分流電阻提供電流的輸入功能。
查看你的測(cè)量結(jié)果：NI LabVIEW
一旦你將傳感器連接到測(cè)量?jī)x器上后，就可以使用LabVIEW圖形化編程軟件來(lái)對(duì)所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化和分析了。
圖5. LabVIEW中的電流測(cè)量
參考文獻(xiàn)：
Bolton, William (2004). Instrumentation and Control Systems. Elsevier. ISBN 0750664320.