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電流表設計以及直流電計量電路

來源：上海自動化儀表有限公司作者：發表時間：2017-12-19 10:14:11【小中大】

 電流表設計以及直流電計量電路

    設計用于測量電流的儀表通常被稱為“電流表”，因為測量單位是“安培”。在電流表設計中，為了擴展運動的可用范圍而添加的外部電阻與運動并聯連接，而不是象電壓計那樣串聯連接。這是因為我們想要分割測量的電流，而不是測量的電壓，進行移動，并且因為分壓器電路總是由并聯電阻形成的。
    如同電壓表的例子一樣，我們可以看到，它將自己做一個非常有限的儀器，只發生1mA的滿量程變化：
    與延長儀表運動的電壓測量能力一樣，我們必須相應地重新標記運動的比例尺，以便在擴大的電流范圍內對其進行不同的讀取。例如，如果我們想要設計一個電流表，使用與以前相同的儀表運動（具有只有1mA的固有滿量程范圍），具有5安培的滿量程范圍，那么我們將不得不重新標記運動的刻度讀取最左邊的0 A和最右邊的5 A，而不像以前那樣讀取0 mA到1 mA。無論并聯連接的電阻器提供的擴展范圍如何，我們都必須以圖形方式表示流量計的運動表面。
圖1.jpg
    使用5安培作為我們樣品移動的擴展范圍，讓我們確定“分流”或旁路大部分電流所需的并聯電阻量，以便總電流為5 A時只有1 mA通過移動：
圖2.jpg
    根據我們給定的運動電流值，運動電阻值和總電路電流（測量值），我們可以確定儀表運動的電壓（應用于中心列的歐姆定律，E = IR）：
圖3.jpg
    知道由運動和分流器形成的電路是并聯配置的，我們知道運動，分流和測試引線（總）上的電壓必須是相同的：
圖5.jpg
    我們也知道，通過分流器的電流必須是總電流（5安培）和通過運動的電流（1毫安）之間的差值，因為分支電流以并聯配置添加：
圖6.jpg
    然后，使用右列中的歐姆定律（R = E / I），我們可以確定必要的分流電阻：
圖7.jpg
    當然，通過計算總電阻（R = E / I; 0.5伏特/ 5安培= 100mΩ），我們可以計算出分流器剛好超過100毫歐姆（100mΩ）的相同值，阻力公式倒退，但算術會更具挑戰性：
圖8.jpg
    在現實生活中，電流表的分流電阻通常裝在儀表單元的保護金屬外殼內，不可見。請注意以下照片中電流表的結構：
圖9.jpg
    這個特定的電流表是由Stewart-Warner制造的汽車單元。雖然D'Arsonval流量計本身可能在毫安級范圍內滿量程，但整個流量計的范圍是+/- 60安培。提供這種高電流范圍的分流電阻被封裝在儀表的金屬外殼內。還要注意，在這個特定的儀表中，針的中心位置為零安培，可以指示“正”電流或“負”電流。連接到汽車的電池充電電路，該儀表能夠指示充電狀況（電子從發電機流向電池）或放電狀態（電子從電池流向車輛負載的其余部分）。
    與多量程電壓表一樣，通過并入多個與多極開關切換的分流電阻器，可以給電流表多于一個可用范圍：
圖10.jpg
    請注意，量程電阻器通過開關連接，以便與電表運動并行，而不是像在電壓表設計中那樣串聯。當然，五位開關一次只能接觸一個電阻。根據儀表移動的特定額定值（1 mA，500Ω），每個電阻器的尺寸都相應地適用于不同的滿量程范圍。
    采用這樣的電表設計，每個電阻值都是通過相同的技術，使用已知的總電流，運動滿量程偏轉額定值和運動阻力來確定的。對于范圍為100mA，1A，10A和100A的電流表，分流電阻將如此：
圖11.jpg
    請注意，這些分流電阻值非常低！ 5.00005mΩ是5.00005毫歐姆，或0.00500005歐姆！為了達到這些低電阻，電流表分流電阻器通常必須由相對較大直徑的導線或固體金屬片定制。
    電表分流電阻的大小需要注意的一點是功耗的因素。與電壓表不同，電流表的量程電阻必須承載大量的電流。如果這些分流電阻沒有相應的尺寸，它們可能會過熱并遭受損壞，或者至少由于過熱而失去準確性。對于上面的示例儀表，滿量程指示的功率消耗是（雙曲線在數學上表示“近似等于”）：
圖12.jpg
    一個1/8瓦的電阻器對于R4來說工作得很好，一個1/2瓦的電阻器可以滿足R3和5瓦的R2（盡管電阻器如果不能在其額定功耗附近工作，它們往往會保持更好的長期精度，所以你可能想要過高的電阻R2和R3），但精確的50瓦電阻是罕見的和昂貴的組件。為了滿足低電阻和高額定功率的要求，可以為R1構造由金屬股線或粗導線制成的定制電阻器。
    有時，分流電阻與高輸入電阻的電壓表一起使用來測量電流。在這種情況下，通過電壓表運動的電流足夠小，可以忽略不計，分流電阻的大小可以根據每安培電流產生多少伏特或幾伏的電壓下降來實現：
 
    例如，如果上述電路中的分流電阻的大小精確到1Ω，那么通過它的每個放大器的電流就會有1V的下降。然后可以將電壓表指示作為通過分流器的電流的直接指示。為了測量非常小的電流，可以使用較高的分流電阻值來產生每個給定單位電流更多的電壓降，從而將電壓表的可用范圍向下延伸到較低的電流量。在電流測量中使用電壓表和低值分流電阻是工業應用中常見的情況。
    使用分流電阻器和電壓表來測量電流對于簡化電路中頻繁的電流測量任務是一個有用的技巧。通常情況下，為了用電流表測量通過電路的電流，電路必須被斷開（中斷），并將電流表插入分開的導線端部之間，如下所示：
圖12.jpg
    如果我們有一個需要經常測量電流的電路，或者我們只是希望使電流測量過程更加方便，那么可以在這些點之間放置一個分流電阻，并永久保留，根據需要用電壓表讀取電流讀數不中斷電路的連續性：
圖13.jpg
    當然，必須注意分流電阻的大小要足夠小，以免對電路的正常工作產生不利影響，但這通常不是難事。這種技術也可能在計算機電路分析中很有用，我們可能希望計算機通過一個電壓顯示電流（使用SPICE，這樣可以避免讀取負電流值的特性）：
圖14.jpg
    分流電阻示例電路v1 1 0 rshunt 1 2 1 rload 2 0 15k .dc v1 12 12 1 .print dc v（1,2）.end
v1 v（1,2）1.200E + 01 7.999E-04
    我們將解釋分流電阻（在SPICE模擬中的電路節點1和2之間）的電壓讀數直接作為放大器，7.999E-04為0.7999 mA或799.9μA。理想情況下，直接通過15kΩ施加12伏電壓會給我們0.8毫安的電流，但分流電阻會減少電流（就像在現實生活中那樣）。然而，對于仿真或實際電路來說，這樣的微小誤差通常在準確度的可接受范圍內，因此分流電阻器可以用于除精確電流測量的要求最嚴格的應用之外的所有應用。
評論：
    電流表量程是通過在運動電路中增加并聯的“分流”電阻來實現的，從而提供精確的電流分配。
    （1）分流電阻的功耗可能很高，所以在選擇這類儀表的零件時要小心！
    （2）*分流電阻可以與高阻電壓表和低電阻電流表一起使用，對給定的電流量產生精確的電壓降。應盡可能選擇并聯電阻，盡量降低其對被測電路的影響。