电流测量指南－如何测量电流？
概览
电流是电荷的流动，可用电流表测量。测量电流的国际单位(SI)是安培(A)，等于每秒通过一库仑的电量。
虽然有多种方法可以测量电流，但最常见的方法是间接测量精密电阻两端的电压，然后使用欧姆定律来计算出流经电阻的电流。
内容
电流基础知识
在固体导电金属中，大量的电子可自由移动。当金属导线连接到直流电压源（例如电池）的两端时，电压源会在导体的两端施加一个电场。一旦连接完成，导体内的自由电子会在电场的作用下被迫流向正极端。
因此，在典型固体导体中，自由电子是电流的载体。当电流为1安培率时，每秒钟会有1库仑的电荷（即约6.242 × 1018个电子）流过假想的导体平面。
图1. 电流流动示意图
在电学的早期历史中，常规电流被定义为正电荷的流动。在固体金属（如导线）中，正电荷载体是不移动的，只有带负电荷的电子流动。因为电子携带负电荷，所以电子流动的方向与常规电流的方向是相反的。
在求解电路问题时，流经特定电路元件的实际电流方向通常是未知的。因此，每个电路元件被分配一个电流变量和一个任意选定的参考方向。求解后，电路元件的电流值可能为正，也可能为负。负值意味着流经电路元件的实际电流方向与选定的参考方向是相反的。
如何进行电流测量
电流测量方法
测量电流主要有2种方法：一种是基于电磁学，与早期的动圈式（达松伐尔）仪表有关；另一种是基于电学的主要理论－欧姆定律。
达松伐尔电流计
达松伐尔电流计是一种电流表，即用于检测和测量电流的仪器。它是一个模拟机电换能器，当电流流经其线圈时，会通过有限的电弧产生偏转。
现在使用的达松伐尔电流计是使用小型旋转线圈绕在永磁体外面制作而成。线圈与指向刻度盘的细指针相连。一个小型的扭转弹簧将线圈和指针拉至零位。
当有直流电流过线圈时，线圈会产生磁场。该磁场与永磁体的磁场方向相反。线圈发生扭曲，推动弹簧，使指针发生移动。指针所指的刻度就是当前的电流值。精心设计的磁极片使磁场均匀分布，这样指针偏转的角度便与电流成正比。
其他电流表
基本上，现在大多数电流表均根据电学基本理论欧姆定律而设计。现代电流表基本上由电压表和精密电阻组成，利用欧姆定律，就可以进行精确的测量，这种方法也非常经济高效。
欧姆定律 - 欧姆定律指出，在电路中，流过导体两点间的电流与两点间的电势差（或者说，压降或电压）成正比，与两点间的阻抗成反比。
描述这种关系的数学表达式为：
I = V/R
其中，I是以安培为单位的电流，V是以伏特为单位的两点间的电势差，R是电路参数，以欧姆为单位（相当于伏特每安培），称为电阻。
电流表工作原理 - 现在的电流表通过内部电阻来测量特定信号的电流。然而，当电流过大，使用内部的电阻无法测量时，就需要进行外部配置。
如果要测量大电流，可以在电流表上并联一个精密电阻，该电阻称为分流电阻。大部分电流流经分流电阻，只有一小部分电流流经仪表。这样电流表便可测量更大的电流。
只要期望的最大电流乘以电阻的值不超过电流表或数据采集设备的输入范围，便可使用任意电阻器。
使用这种方法测量电流时，应该使用尽可能小的电阻值，因为这样对现有电路的干扰最小。然而，阻抗越小，造成的电压降就会越小，因此您必须在分辨率和电路干扰之间进行折衷。
图2显示了基于分流电阻的电流测量方法的常见示意图。
图2.将分流电阻连接到测量电路
使用这种方法，实际上并未将电流引导到电流表或数据采集板中，而是通过外部电阻进行分流。因此理论上，可以测量无限大的电流，前提是分流电阻的电压降不超过电流表或数据采集板的工作电压范围。
电流公约
常规电流
常规电流是现代电子、电路、传输线等中常用的测量电流。此类电流不符合传输标准，且取值范围可以从零到很大（以安培为单位）。
电流环/4～20 mA公约
当设备需要通过一对导体进行远程监测或控制时，需要使用模拟电流环。在任何时刻，只能存在一个电流级别。
“4到20毫安的电流环”（简称4-20 mA）是一种用于工业仪表和通信的模拟电力传输标准。对于电流环信号而言，4 mA表示没有信号存在，20 mA表示信号100%存在[1]。mA是毫安培的缩写，即千分之一安培。
4毫安的“带电零位”可允许接收仪表区分零信号和损坏的导线或坏的仪器[1]。虽然是20世纪50年代制定的标准，但这个标准仍沿用至今，广泛应用于工业。4-20 mA公约的优势包括：得到制造商的广泛采用，实现成本相对较低，以及抗电气噪声能力较强。此外，借助带电零位，您可以直接利用电流环为低功耗仪器供电，节省了额外电线的成本。
精度考量
分流电阻在电路中的位置至关重要。如果外部电路与带有电流表或数据采集板的计算机共地，则分流电阻应放置在尽可能接近电路地端的位置上。否则，由分流电阻产生的共模电压可能超出电流表或数据采集板的规格，从而导致读数不准确，甚至可能损坏电路板。图3显示了分流电阻正确和不正确的放置位置。
图3.分流电阻的放置
数据采集设备测量
测量模拟输入有3种不同的方法。有关每种配置的更多信息，请参阅如何进行电压测量一文。
以NI CompactDAQUSB数据采集系统为例。图4显示的是NI cDAQ-9178机箱和NI 9203模拟电流输入模块。由于NI 9203内部有一个精密电阻，因此不要求外接分流电阻。
图4.NI cDAQ-9178机箱和NI 9203模拟电流输入模块
图5显示了使用NI cDAQ-9178机箱和NI 9203进行参考单端(RSE)电流测量的连接图以及该模块的引脚分布。在图中，引脚0对应“模拟输入0”通道，引脚9对应公共地。
图5.基于RSE配置的电流测量
除NI 9203外，通用模拟输入模块（例如NI 9205）还可以使用外部分流电阻来提供电流输入功能。
看得见的测量：NI LabVIEW
将传感器连接到测量仪器后，可以根据需要使用LabVIEW图形化编程软件来进行数据可视化和分析。
图6.LabVIEW电流测量
参考文献
Bolton, William (2004).Instrumentation and Control Systems.Elsevier.ISBN 0750664320.