高电流测量新突破：借助铜进行温度补偿

在电子测量领域，准确测量大电流一直是一个具有挑战性的任务，尤其是在需要考虑温度影响的情况下。传统的大电流测量方法，如使用笨重的分流器或昂贵的磁性测量方法，存在诸多局限性。而本文将介绍一种利用铜进行高电流测量温度补偿的创新方法，为解决这一问题提供了新的思路。

传统测量方法的局限性

可以使用沿电缆的电压降来测量在一段电缆中流动的大电流，这种方法无需笨重的分流器或昂贵的磁性测量方法，具有一定的优势。然而，由于铜的温度系数为 +0.39%/°C，这使得测量精度受到了限制。虽然温度传感器可以促进补偿，但它属于点测量设备，其在整个电缆长度上的相关性值得怀疑。考虑到电缆温度仅 2.5° 的误差或差异就会引入 1% 的误差。

利用现代零漂移放大器进行测量

如果电流下降至少 10mV，我们可以使用现代零漂移放大器（如自动调零、斩波器等）轻松测量它。这些放大器提供超低失调性能，能够准确感测低满量程压降。但此时还需要解决如何处理温度系数的问题。

创新的温度补偿解决方案

本设计理念中提出的解决方案利用了大电流电缆由许多细绞线组成的事实。此处的示例将基于具有 1,050 股 AWG 34 电线的 AWG 4 电缆。

在图 1 所示的电路中，运算放大器同相输入感测电缆负载端的电缆压降。MOSFET 位于输出 / 反馈路径中，该路径继续通过温度传感线（通常是用于设置增益的电阻器），终到达电源。该电路迫使增益设置元件上的压降恰好等于主电缆压降。在这种情况下，增益设置元件是嵌入定制绝缘电缆组件（包括高电流电缆）中的单根 34 号绝缘线（涂漆，例如漆包线）。

例如，#4 的 0.474 ft. = 117.6 μO；10 mV 降 @ I in = 85A；I 输出 = 80mA。由于电缆由 1,050 根绞线组成，这种布置将导致 MOSFET 和增益元件中流过电流，该电流与总电流除以 1,050 成正比。由于增益元件和电缆均由铜制成，并且热接触紧密，因此可以消除随温度变化的输出变化。反馈电流从 MOSFET 漏极通过 R Load 流至地，提供以地为参考的输出电压。

使用绞线解决了其他温度传感器的两个主要问题：

该电线是一个 “分布式” 传感器，沿着电缆的长度延伸，可以更好地感知整体温度影响。
由于电线与主电缆一样是铜质的，因此温度补偿是完美的。
实际测试情况

我们的设置使用了四英尺的 JSC 1666 AWG 4 电缆。绝缘体沿其长度被切开，并将 34 号漆包线插入绝缘体下方。电路中使用了 NCS333 运算放大器。由于运算放大器的共模电压等于其电源轨，因此它必须具有轨到轨输入能力（或使用更高的电源）。此外，它应该是一个零漂移（斩波）放大器，因为标准轨到轨运算放大器在正轨附近的性能通常较差。

测量值如下：

R 负载 = 50Ω 1%

无负载时，V 输出读数为 94 μV。

在 10A 负载下，V out = 454.6 mV（5.85% 误差）。

在 58A 负载下，V out = 2.604 V（5.7% 误差）。

然后将该装置放入温度室中并在室温至 100°C 的温度范围内进行测试。结果显示附加误差小于 0.1%。有几个因素可能会导致该误差，例如运算放大器失调漂移，以及电缆端子中的电阻和热电偶效应。

线容差对错误的影响

为了了解实用电缆可以实现的效果，我们找到了以下电线数据，显示 34 号电线的公差为 2%。人们预计 4 号规格的总体公差类似。这表明，仅由于电缆的原因，按照标准公差构建的商业电线将产生 4% 的精度限制。电子设备会增加一些，但当然可以由用户修剪，或与提供的电缆匹配。