电流表设计以及直流电计量电路

来源：上海自动化仪表有限公司作者：发表时间：2017-12-19 10:14:11【小中大】

电流表设计以及直流电计量电路

设计用于测量电流的仪表通常被称为“电流表”，因为测量单位是“安培”。在电流表设计中，为了扩展运动的可用范围而添加的外部电阻与运动并联连接，而不是象电压计那样串联连接。这是因为我们想要分割测量的电流，而不是测量的电压，进行移动，并且因为分压器电路总是由并联电阻形成的。

如同电压表的例子一样，我们可以看到，它将自己做一个非常有限的仪器，只发生1mA的满量程变化：

与延长仪表运动的电压测量能力一样，我们必须相应地重新标记运动的比例尺，以便在扩大的电流范围内对其进行不同的读取。例如，如果我们想要设计一个电流表，使用与以前相同的仪表运动（具有只有1mA的固有满量程范围），具有5安培的满量程范围，那么我们将不得不重新标记运动的刻度读取最左边的0 A和最右边的5 A，而不像以前那样读取0 mA到1 mA。无论并联连接的电阻器提供的扩展范围如何，我们都必须以图形方式表示流量计的运动表面。

使用5安培作为我们样品移动的扩展范围，让我们确定“分流”或旁路大部分电流所需的并联电阻量，以便总电流为5 A时只有1 mA通过移动：

根据我们给定的运动电流值，运动电阻值和总电路电流（测量值），我们可以确定仪表运动的电压（应用于中心列的欧姆定律，E = IR）：

知道由运动和分流器形成的电路是并联配置的，我们知道运动，分流和测试引线（总）上的电压必须是相同的：

我们也知道，通过分流器的电流必须是总电流（5安培）和通过运动的电流（1毫安）之间的差值，因为分支电流以并联配置添加：

然后，使用右列中的欧姆定律（R = E / I），我们可以确定必要的分流电阻：

当然，通过计算总电阻（R = E / I; 0.5伏特/ 5安培= 100mΩ），我们可以计算出分流器刚好超过100毫欧姆（100mΩ）的相同值，阻力公式倒退，但算术会更具挑战性：

在现实生活中，电流表的分流电阻通常装在仪表单元的保护金属外壳内，不可见。请注意以下照片中电流表的结构：

这个特定的电流表是由Stewart-Warner制造的汽车单元。虽然D'Arsonval流量计本身可能在毫安级范围内满量程，但整个流量计的范围是+/- 60安培。提供这种高电流范围的分流电阻被封装在仪表的金属外壳内。还要注意，在这个特定的仪表中，针的中心位置为零安培，可以指示“正”电流或“负”电流。连接到汽车的电池充电电路，该仪表能够指示充电状况（电子从发电机流向电池）或放电状态（电子从电池流向车辆负载的其余部分）。

与多量程电压表一样，通过并入多个与多极开关切换的分流电阻器，可以给电流表多于一个可用范围：

请注意，量程电阻器通过开关连接，以便与电表运动并行，而不是像在电压表设计中那样串联。当然，五位开关一次只能接触一个电阻。根据仪表移动的特定额定值（1 mA，500Ω），每个电阻器的尺寸都相应地适用于不同的满量程范围。

采用这样的电表设计，每个电阻值都是通过相同的技术，使用已知的总电流，运动满量程偏转额定值和运动阻力来确定的。对于范围为100mA，1A，10A和100A的电流表，分流电阻将如此：

请注意，这些分流电阻值非常低！ 5.00005mΩ是5.00005毫欧姆，或0.00500005欧姆！为了达到这些低电阻，电流表分流电阻器通常必须由相对较大直径的导线或固体金属片定制。

电表分流电阻的大小需要注意的一点是功耗的因素。与电压表不同，电流表的量程电阻必须承载大量的电流。如果这些分流电阻没有相应的尺寸，它们可能会过热并遭受损坏，或者至少由于过热而失去准确性。对于上面的示例仪表，满量程指示的功率消耗是（双曲线在数学上表示“近似等于”）：

一个1/8瓦的电阻器对于R4来说工作得很好，一个1/2瓦的电阻器可以满足R3和5瓦的R2（尽管电阻器如果不能在其额定功耗附近工作，它们往往会保持更好的长期精度，所以你可能想要过高的电阻R2和R3），但精确的50瓦电阻是罕见的和昂贵的组件。为了满足低电阻和高额定功率的要求，可以为R1构造由金属股线或粗导线制成的定制电阻器。

有时，分流电阻与高输入电阻的电压表一起使用来测量电流。在这种情况下，通过电压表运动的电流足够小，可以忽略不计，分流电阻的大小可以根据每安培电流产生多少伏特或几伏的电压下降来实现：

例如，如果上述电路中的分流电阻的大小精确到1Ω，那么通过它的每个放大器的电流就会有1V的下降。然后可以将电压表指示作为通过分流器的电流的直接指示。为了测量非常小的电流，可以使用较高的分流电阻值来产生每个给定单位电流更多的电压降，从而将电压表的可用范围向下延伸到较低的电流量。在电流测量中使用电压表和低值分流电阻是工业应用中常见的情况。

使用分流电阻器和电压表来测量电流对于简化电路中频繁的电流测量任务是一个有用的技巧。通常情况下，为了用电流表测量通过电路的电流，电路必须被断开（中断），并将电流表插入分开的导线端部之间，如下所示：

如果我们有一个需要经常测量电流的电路，或者我们只是希望使电流测量过程更加方便，那么可以在这些点之间放置一个分流电阻，并永久保留，根据需要用电压表读取电流读数不中断电路的连续性：

当然，必须注意分流电阻的大小要足够小，以免对电路的正常工作产生不利影响，但这通常不是难事。这种技术也可能在计算机电路分析中很有用，我们可能希望计算机通过一个电压显示电流（使用SPICE，这样可以避免读取负电流值的特性）：

分流电阻示例电路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

我们将解释分流电阻（在SPICE模拟中的电路节点1和2之间）的电压读数直接作为放大器，7.999E-04为0.7999 mA或799.9μA。理想情况下，直接通过15kΩ施加12伏电压会给我们0.8毫安的电流，但分流电阻会减少电流（就像在现实生活中那样）。然而，对于仿真或实际电路来说，这样的微小误差通常在准确度的可接受范围内，因此分流电阻器可以用于除精确电流测量的要求最严格的应用之外的所有应用。

评论：

电流表量程是通过在运动电路中增加并联的“分流”电阻来实现的，从而提供精确的电流分配。

（1）分流电阻的功耗可能很高，所以在选择这类仪表的零件时要小心！

（2）*分流电阻可以与高阻电压表和低电阻电流表一起使用，对给定的电流量产生精确的电压降。应尽可能选择并联电阻，尽量降低其对被测电路的影响。

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