电工技术（西电第二版）第12章电工仪表

第 12 章电工仪表第 12 章 电 工 仪 表12.1电工仪表的分类12.2常用指示仪表的工作原理12.3电工测量技术12.4万用电表12.5兆欧表12.6电桥本章小结 第 12 章电工仪表12.1 电工仪表的分类12.1.1 按被测量的种类分类电工仪表按被测量的种类分类， 有电流表（又分为安培表， 毫安表， 微安表等）、 电压表（又分为伏特表、 毫伏表等）、 功率表、 电度表、 功率因数表、 欧姆表、 兆欧表等。 如表12-1所示。 第 12 章电工仪表 第 12 章电工仪表 第 12 章电工仪表12.1.2 按工作原理分类电工仪表按工作原理可分为磁电式仪表、 电磁式仪表、 电动式仪表和整流式仪表， 如表12-2所示。 第 12 章电工仪表 第 12 章电工仪表12.1.3 按被测电流种类分类电工仪表按被测电流的种类分为直流仪表、 交流仪表和交直流两用仪表， 如表12-3所示。 第 12 章电工仪表 第 12 章电工仪表12.1.4 按准确度分类电工仪表的准确度是根据仪表的最大引用误差来分级的。 所谓最大引用误差， 就是指仪表在正常工作条件下进行测量可能产生的最大绝对误差A（测量值与实际值之差）与仪表的最大量程Am之比， 如以百分数表示， 则为 %100m AA 第 12 章电工仪表例如有一准确度为2.5级的电压表， 其最大量程为250V， 则该量程下可能产生的最大绝对误差为A=Am=2.5%250 V=6.25 V 如果换用100 V量程， 则该量程下可能产生的最大绝对误差为A=A m=2.5%100 V=2.5 V 因此， 一个精度已定的仪表， 测量某一个物理量时， 选择的量程越大， 带来的绝对误差就越大。 第 12 章电工仪表应用相对误差（绝对误差与实际值的百分比）可以分析用同一量程测量不同大小物理量时的精度比较问题。 例如用250 V量程， 分别测量200 V、 50 V两个电压： 测量200 V电压时的相对误差： %125.3%10020025.6 1 测量50 V电压时的相对误差： %5.12%1005025.62 第 12 章电工仪表仪表标注的准确度数值越大， 引用误差就越大， 该仪表的精度就越低。 0.1、 0.2级的仪表一般用于进行精密测量或校正其他仪表， 0.5级、 1.0级仪表一般用于实验室， 2.5级、 5.0级仪表一般用于工程测量。 在仪表的表面上通常都标有仪表类型、 准确度等级、 电流种类以及仪表的绝缘耐压强度和放置位置符号等， 几种常见符号的含义如表12-4所示。 第 12 章电工仪表 第 12 章电工仪表12.2 常用指示仪表的工作原理12.2.1 电工指示仪表的基本结构测量装置由驱动装置、 反作用装置和阻尼装置三部分组成。 (1) 驱动装置。 驱动装置是利用仪表中通过电流后在磁场中产生的电磁作用， 使可动部分受到驱动转矩的作用而发生转动。 第 12 章电工仪表(2) 反作用装置。 仪表的可动部分在驱动转矩作用下产生偏转时， 应在测量机构中设计与指针偏转角成正比的起弹簧作用的反作用力矩， 其方向和驱动力矩的方向相反， 以平衡驱动转矩， 避免指针偏转时冲击过大。 当驱动力矩与反作用力矩完全相等时， 由于力矩平衡作用， 可动部分停留在一定位置， 这样， 与可动部分一起偏转的指针的偏转角的大小就能反映被测电量的大小。 实用的仪表反作用装置一般采用游丝。 第 12 章电工仪表（3） 阻尼装置。 当仪表的可动部分达到平衡位置时， 由于惯性作用， 不会立即停下来，而是在平衡位置附近来回摆动振荡一段时间后才能稳定。 为了能够尽快读数， 减少可动部分摆动的时间， 仪表中必须装有阻尼装置， 用来消耗可动部分的动能， 以限制可动部分的摆动。常用仪表的阻尼装置有空气阻尼器和电磁感应阻尼器两种， 分别如图12-1（a）、 （b）所示。 第 12 章电工仪表图12-1 仪表轴上的阻尼器（a） 空气阻尼器; （b） 电磁感应阻尼器 第 12 章电工仪表12.2.2 磁电系仪表磁电系仪表的结构如图12-2所示， 它的测量机构是由固定的磁路系统和可动的线圈部分组成。 第 12 章电工仪表 图12-2 磁电系仪表 第 12 章电工仪表仪表的固定部分是磁路系统， 磁路系统包括永久磁铁、 固定在磁铁两极的极掌以及处于两个极掌之间的圆柱形铁芯， 圆柱形铁芯固定在仪表支架上， 采用这种结构是为了减少磁阻， 并使极掌和铁芯间的空气隙中产生均匀的辐射形磁场。 这个磁场的特点是沿着圆柱形铁芯的表面， 磁感应强度处处相等， 而方向则和圆柱形表面垂直。 圆柱形铁芯与极掌间留有一定的气隙， 使可动线圈在气隙中转动。 第 12 章电工仪表当线圈通有电流 I 时， 线圈的两个有效边受到大小相等、 方向相反的电磁力F， 其方向如图12-3所示， 其电磁力矩大小为T=F b=BIlN b=K1I （12-1）式中B为空气隙中的磁感应强度； l为线圈在磁场内的有效长度； N为线圈的匝数； b为线圈的宽度； K 1为比例常数。 第 12 章电工仪表在这个电磁力矩的作用下， 线圈和指针便转动起来， 同时游丝被扭紧而产生反作用力矩，也称为阻力矩。 游丝的反作用力矩与指针偏转角成正比， 即Tf = K2 （12-2）当游丝的反作用力矩与电磁力矩达到平衡时， 可动部分停止转动， 这时T=T f （12-3） 第 12 章电工仪表于是， 偏转角为KIIKK 21（12-4） 由上式可知， 指针偏转的角度与流经线圈的电流成正比， 按此即可在标度尺上作均匀刻度。 当线圈中无电流时， 指针应指在零的位置。 第 12 章电工仪表磁电系仪表只能用来测量直流， 由于永久磁铁产生的磁场方向不能改变， 所以只有通入直流电流才能产生稳定的偏转。 如果线圈中通入的是交流电流， 由于交流电流的方向不断改变， 转动力矩也是交变的， 故可动部分由于惯性作用， 还来不及转过去， 又得转回来。 结果只能左右摇摆无法测得读数。 要测量交流可以在此机构的基础上附加整流器， 构成整流系仪表， 即可进行交直流测量。 第 12 章电工仪表磁电系仪表的优点是刻度均匀； 灵敏度和准确度高； 消耗电能量少； 由于仪表本身的磁场强， 所以受外磁场影响小。 它的缺点是只能测量直流； 过载能力小， 主要是由于其被测电流是通过游丝导入和导出的， 线圈导线又很细， 所以过载时容易使游丝弹性发生变化或使线圈烧毁。 磁电系仪表常用来测量直流电压、 直流电流和电阻等。 第 12 章电工仪表12.2.3 电磁系仪表电磁系仪表有吸引型和排斥型两种， 这里只介绍排斥型电磁系仪表的工作原理。 排斥型电磁系仪表的结构如图12-4所示。 它的固定部分包括固定圆线圈和固定在线圈内的固定铁片。 可动部分由固定在转轴上的可动铁片、 游丝、 指针、 阻尼片组成。 第 12 章电工仪表 图12-4 排斥型电磁系仪表 第 12 章电工仪表圆型线圈通电后， 固定铁片和可动铁片同时被磁化， 而且两铁片的极性相同， 互相排斥，使可动铁片转动， 因而使指针发生偏转， 所以这种结构叫圆线圈排斥型。 当圆线圈中的电流方向改变时， 固定铁片和可动铁片被磁化的极性也同时改变， 但仍然互相排斥， 可动铁片的受力和转动方向不变， 如图12-5所示。 第 12 章电工仪表图12-5 排斥型电磁系仪表工作原理 第 12 章电工仪表在磁路没有饱和的情况下， 铁片被磁化后的磁场与线圈的磁动势NI成正比， 参考第6章电磁铁的吸引力计算结论， 可知电磁吸力与磁场的二次方有关， 所以， 电磁力矩为T=K1 (NI)2=K1I2 （12-5）式中， NI为固定线圈的磁动势， I 为交流电流的有效值。 第 12 章电工仪表将这个电磁力矩T与游丝的反作用力矩Tf = K2相平衡， 得 K1I2=K2 （12-6） 电磁式仪表的指针偏转的角度与被测电流的平方成正比， 所以刻度是不均匀的。 2221 KIIKK 第 12 章电工仪表12.2.4 电动式仪表电动式仪表是利用两个通电线圈之间的电动力来产生转动力矩的。 其结构如图12-6所示。 它的固定线圈分为平行排列、 在指针两侧互相对称的两部分， 中间留有空隙， 以便使转轴可以穿过， 这种结构可获得均匀的工作磁场。 改变固定线圈两部分之间的串、 并联关系， 可以得到两种不同的电流量程。 可动线圈与转轴相连， 转轴上还装有指针、 游丝和空气阻尼器的阻尼铝片。 第 12 章电工仪表 图12-6 电动式仪表 第 12 章电工仪表电动式仪表测量机构的基本原理和电磁式测量机构工作原理类似， 如图12-7(a)所示。 当固定线圈通有直流电流I1时， 固定线圈就产生了一个磁场。 此时如果可动线圈通过的电流为I2， 由于可动线圈处于固定线圈的磁场中， 必将受到电磁力F的作用， （其方向可由左手定则确定）使仪表可动部分在转动力矩作用下发生偏转， 直到与游丝产生的反作用力矩相平衡为止。 第 12 章电工仪表图12-7 电动式仪表的转矩 第 12 章电工仪表指针停在某一刻度上， 即可读出指示值。 当电流I1和I2同时改变方向时，如图12-7（b）所示， 电磁力F的方向不会改变， 因而可动线圈所受到的转动力矩的方向也不会改变。 因此， 电动式仪表可以测量直流电量， 也可以测量交流电量。 电动式仪表用在直流电路中时， 其转动力矩T与相互作用的固定线圈和可动线圈中的电流乘积成正比， 即T=K 1I1I2 （12-7）式中， K1为与结构有关的系数。 第 12 章电工仪表当转动力矩T与游丝产生的反作用力矩Tf = K2相平衡时， 偏转角2121 21 IKIIIKK （12-8）该式表明， 电动式仪表在测量直流电流或电压时， 偏转角与两个线圈中的电流的积成正比， 利用这个结论， 电动式仪表可以测量直流电路的电功率。 第 12 章电工仪表若电动式仪表测量交流电流或交流电压时， I1和I2分别是通过固定线圈和可动线圈的电流的有效值， j为两个电流之间的相位差， 可以证明转动力矩的平均值为T=K1I1I2 cos j （12-9）同上可得偏转角jj coscos 212121 IKIIIKK （12-10） 第 12 章电工仪表该式表明， 电动式仪表可以测量交流电路的电功率。 电动式仪表的优点是交直流都能适用， 准确度高； 缺点是受外界磁场影响大， 不能承受较大的过载。 另外需要注意的是， 电动式功率表， 标尺刻度均匀； 而电动式电压表、 电流表， 由于其偏转角与两个线圈中电流的积成正比， 故标尺刻度是不均匀的。 第 12 章电工仪表 12.3 电工测量技术12.3.1 电流的测量测量电流时应把电流表串接在被测电路中， 如图12-8(a)所示。 为了使电流表的串入不影响电路原有的工作状态， 电流表的内阻应远远小于电路的负载电阻。 一般电流表的内阻越小越好， 因此使用时绝不允许电流表并接于负载两端， 否则会损坏仪表。 第 12 章电工仪表 图12-8 电流表和分流器 第 12 章电工仪表1 直流电流的测量测量直流电流通常使用磁电式电流表， 这种仪表的测量机构（即表头）所允许通过的电流很小， 一般只有几微安到几十毫安， 不能直接测量较大的电流。 为了扩大它的量程， 就需要在表头两端并联一个称为分流器的电阻R A， 如图12-8(b)所示。 第 12 章电工仪表图中被测电流 I 经表头电阻R0和分流器RA分流后， 流经表头的电流为 I0， 通过分流公式可得 AARR RII 00（12-11）通过上式即可求得RA 11 00 0 nRIIRRA（12-1）式中， n为扩程倍数。 第 12 章电工仪表由式（12-12）可知， 需要扩大的量程愈大， 则分流器的电阻RA应愈小。 多量程电流表具有几个标有不同量程的接头， 这些接头可分别与相应阻值的分流器并联。 例如实验室常用的CA19-A型5 A、 10 A是双量程电流表， 内部电路如图12-9所示， 它的分流电阻分别为R A1和RA1+RA2。 第 12 章电工仪表 图12-9 CA19-A型双量程电流表内部电路 第 12 章电工仪表例12-1 有一磁电式电流表， 当无分流器时， 表头的满标值电流为5 mA。 表头电阻为20 ， 今欲使其量程（满标值）为1 A， 问分流器的电阻应为多大？解 先求扩程倍数n， 即200105 1 30 IIn再求分流电阻， 有1.012002010 nRRA 第 12 章电工仪表2 交流电流的测量图12-10为TA型5 A、 10 A双量程电流表的内部接线图， 串联接法时为5 A挡， 并联时为10 A挡。 第 12 章电工仪表图12-10 TA型双量程电流表的内部接线图 第 12 章电工仪表12.3.2 电压的测量1 直流电压的测量直流电压的测量一般使用磁电式仪表， 磁电式表头通过的电流很小， 内阻也很小， 因此必须在表头上串联一个称为倍压器的高值电阻R V， 如图12-11所示， 这样既扩大了量程又增加了电压表的内阻。 第 12 章电工仪表图12-11 电压表与倍压器 第 12 章电工仪表对图12-11的电路， 应用分压公式可得VRR RUU 0 00（12-13）可求得 000 )1()1( RmRUURV （12-1）式中, R0为表头内阻， m为电压表量程扩大倍数。 第 12 章电工仪表由式（12-14）可知， 需要扩大的量程越大， 则倍压器的电阻值应越高。 对于多量程电压表， 其内部可由表头分别是相应阻值的倍压器串联构成。 图12-12为一个三量程电压表的内部电路。 第 12 章电工仪表 图12-12 三量程式电压表内部电路 第 12 章电工仪表例12-2有一电压表， 其量程为5 V， 内阻为1000 。 现要使其量程扩大到500 V， 问需要串联多大电阻的倍压器？解 根据式（12-14）， 需要串联的电阻阻值为5050)15500()1( 00 RUURV k 第 12 章电工仪表2 交流电压的测量测量交流电压一般使用电磁式仪表， 其表头内固定线圈是由细导线绕制的， 匝数很多，电阻值很大， 电感的影响可以忽略， 因此常用与磁电式仪表一样的方法通过串联附加电阻RV来扩大量程。 测量600 V以上的交流电压时， 为了安全， 一般采用电压互感器降压后进行测量。 第 12 章电工仪表12.3.3 电功率的测量功率表的量程分为电流量程和电压量程， 使用时电流和电压线圈都不允许超过量程。 电流量程的变换通过改变固定线圈的串、 并联接法来实现； 电压量程的变换则通过改变串接在可动线圈上的附加电阻来实现。 功率表的内、 外部接线和电路符号如图12-13所示。 第 12 章电工仪表 图12-13 功率表及接线方法（a） 内部接线; （b） 电气符号; （c） 测量电路 第 12 章电工仪表1 直流电功率的测量直流电功率可以用电压表和电流表间接测量； 也可以用功率表直接测量。 功率表的接法如图12-13(c)所示， 电流线圈与负载串联， 电压线圈与负载并联， 不能接错， 使用中还要注意电流线圈和电压线圈的电源端标记“*”， 应把标有“*”的始端接在电源的同一侧， 否则指针将反转。 第 12 章电工仪表由电动式仪表的原理知， 指针偏转角与两个线圈的电流乘积成正比。 功率表电流线圈的电流就是负载电流 I， 通过电压线圈的电流与负载电压U成正比， 因此功率表的的指针偏转角与电压和电流的乘积成正比， 即与负载功率成正比。 =KUI=KP （12-15）一般安装式功率表为直读单量程式， 表上示数即为功率数。 但便携式功率表一般为多量程式， 在表和标度尺上不直接标注功率大小， 只标注分格数 m。 第 12 章电工仪表在选好不同的电流与电压量程后， 每一分格才可以表示具体的功率数。 在读数前， 应先选择合适的电压量程Um、 电流量程Im， 两者的乘积为满刻度功率数， 除以分格数m可得到每格功率数（又称功率表常数） mmmIUC （12-16）测量后， 用每格功率数C乘以指针偏转的格数， 计算得到所测功率PP=C （12-17） 第 12 章电工仪表例12-3 有一只电压量程为250 V， 电流量程为3 A， 标尺分格数为75格的功率表，现用它来测量负载的功率， 当指针偏转50格时负载功率为多少？解 先计算功率表常数C 1075 3250 mmmIUC （W/格）故被测功率为P=C=1050=500 （W） 第 12 章电工仪表2 单相交流电功率的测量单相交流负载的有功功率为P=UI cosj （12-18）式中， U、 I 分别为负载电压和电流的有效值， j为电压电流的相位差， cosj为负载的功率因数。 第 12 章电工仪表由电动式仪表测量交流时的原理可知， 其指针的偏转角不但正比于两个线圈电流有效值的乘积， 而且正比于两电流相位差的余弦。 =KI1I2 cosj 功率表的电压线圈本身电阻大， 又串接有较大的附加电阻， 其线圈感抗与电阻相比可以忽略不计， 故可以认为电压线圈的电流与负载电压同相， 而流过电流线圈的电流即为负载电流。 第 12 章电工仪表3 三相功率的测量（1） 一表法测量。 所谓一表法， 就是使用一只单相有功功率表测量三相对称负载电路的有功功率。 在对称的三相系统中， 三相负载是对称的， 故三相负载功率相等； 因而可以用一只单相有功功率表测量其中一相负载的功率P 1， 其接线如图12-14所示，乘以3得到总功率。 第 12 章电工仪表图12-14 一表法测量三相有功功率 第 12 章电工仪表总功率为P=3P1 （12-19）（2） 三表法测量。 三表法是用三只单相有功功率表测量不对称三相四线制电路的功率。 三相四线制供电系统中用电负载多数情况是不对称的， 这时可以用3只单相有功功率表分别测量三相的功率， 三相电路的总功率为3只单相有功功率表之和。P=P U+PV+PW （12-20）其接线方法如图12-15所示。 第 12 章电工仪表 图12-15 三表法测量三相有功功率 第 12 章电工仪表（3） 两表法测量。两表法是有两只单相有功功率表测量三相三线制电路的有功功率。 三相三线制电路， 无论负载对称与否， 都可用两只有功功率表来测量三相有功功率， 并且三相电路总的有功功率P等于两表读数之和。 即P=P1+P2 （12-21） 两表法测量三相有功功率的接线如图12-16所示， 为了分析方便， 取三相星形负载电路来计算功率。 第 12 章电工仪表 图12-16 两表法测量三相有功功率 第 12 章电工仪表对于三相三线制电路有 iU+iV+iW=0 （12-22）三相瞬时功率为 p=uUiU+uViV+uWiW =u UiU+uViV+uW(iUiV) =(uUuW)iU+(uVuW)iV =uUWiU+uVWiV （12-23） 第 12 章电工仪表则三相有功功率为 T UUWT tiuiuTtpTP 0 VVW0 d)(1d1 2VVW1UUW coscos jj IUIU 式中， UUW、UVW分别为两个功率表电压线圈的电压有效值， IU、IV分别为两个功率表电流线圈的电流有效值， j1为功率表1上的电压与电流的相位差， j1为功率表2上的电压与电流的相位差。 第 12 章电工仪表因此 P=P1+P2 （12-25） 可见， 使用两表法可以测量三相电路的总功率， 但要注意在实际负载中， 负载功率因数较低时， 线电压与线电流的相位差可能大于90， 其中一只功率表的指针会反偏， 这时应将电流线圈反接才能正常读数， 此时总功率应为正接功率表的读数与反接功率表的读数之差， 即对被反接电流线圈的功率表读数取负值。 第 12 章电工仪表 12.4 万用电表12.4.1 模拟式万用表模拟式万用表的外形如图12-17所示。 第 12 章电工仪表 图12-17 模拟式万用电表（a） 模拟式万用表示意图; （b） MF64型万用表外形 第 12 章电工仪表1. 直流电流的测量 测量直流电流时， 首先将转换开关置于直流电流挡位上， 再将万用电表串联在电路中，使得电流由红表笔（接于万用电表电池的“+”端）流入， 由黑表笔（接于万用电表电池的“”端）流出。 由于表头只能测量微小的直流电流， 所以测量直流电流时， 在表头两端并联一个适当阻值的电阻（称为分流电阻）， 对被测电流进行分流。 第 12 章电工仪表万用电表采用闭路式分流器来完成分流电阻的转换， 如图12-18所示。 当转换开关置于某一量程位置时， 对应的分流电阻接入测量电路中， 完成对被测电流的分流。 当被测电流的大小无法确定时， 应先采用最大量程进行测量， 再根据指针的偏转选择适合的量程， 以减小测量误差。 必须注意， 不可以带电转换量程。 第 12 章电工仪表 图12-18 测量直流电流的原理电路 第 12 章电工仪表2. 直流电压的测量测量直流电压时， 首先将转换开关置于直流电压挡位上， 再将万用电表并联在被测电压的两端， 使红表笔（“+”端）接在电位较高的一端， 黑表笔（“”端）接在电位较低的一端。 第 12 章电工仪表由于表头只能通过微小的直流电流， 所以测量直流电压时， 在表头一端会串联适当阻值的电阻（称为降压电阻）， 对被测电压进行分压。 降压电阻扩展了被测电压的量程。 如果改变降压电阻的阻值， 就改变了测量电压的量程。 也就是说， 每一个量程对应相应的降压电阻。 万用电表常采用“公用式”电阻来完成降压电阻的转换， 如图12-19所示。 当转换开关置于某一量程时， 对应的降压电阻接入电路中， 完成对被测电压的降压。 第 12 章电工仪表 图12-19 测量直流电压的原理电路 第 12 章电工仪表3 交流电压的测量当转换开关置于交流电压挡时， 其测量电路如图12-20所示。 由于表头只能测量直流电流， 所以必须将交流电压整流成直流电压才能进行测量。 当被测交流电压处于正半周时， 二极管VD1导通、 VD2截止， 此时的电路与测量直流电压的电路相同； 当被测交流电压处于负半周时， 二极管VD 2导通、 VD1截止， 表头被短路了， 没有电流流过。 第 12 章电工仪表 图12-20 测量交流电压的原理电路 第 12 章电工仪表4 电阻的测量测量电阻时， 将转换开关置于欧姆挡， 将待测电阻接在万用电表的红表笔（万用电表的“+”端）和黑表笔（万用电表的“”端）。 其测量电路如图12-21所示。 第 12 章电工仪表 图12-21 测量电阻的原理电路 第 12 章电工仪表测量时， 待测电阻（未知）、 调节电阻（已知）、 内部电池和表头形成闭合回路， 产生电流， 指针偏转， 指示对应的数值。 待测电阻的阻值越大， 产生的电流会越小， 表头指针的偏转会越小。 可见， 电阻值的刻度与电压、 电流的刻度方向是相反的。 在读数时， 须将指针指示数值乘以对应的量程， 才能得到电阻阻值。 比如指针指示为10， 量程为10， 则待测电阻的阻值为10 。 第 12 章电工仪表在实际测量之前， 需要对万用电表进行调零。 方法是将红、 黑两个表笔相接， 旋转调节电阻器， 使指针指向“0”。 须注意， 每一次转换欧姆挡的量程后， 都需要重新调零。 如果调零时指针始终无法指向“0”， 则可能是电池电量不足或接触不良造成的， 可以根据情况更换电池或进行维修。 在选择量程时， 应尽量使被测电阻值处于量程标尺弧长的中心部位， 这样测量精度会高一些。 第 12 章电工仪表12.4.2 数字式万用表数字式万用表内部由转换开关、 测量转换电路、 模拟/数字量转换电路、 显示逻辑电路、 显示器组成， 其中模/数转换、 显示逻辑和显示器部分采用独立的逻辑器件替代了模拟式万用表简单的表头。 数字式万用表外形如图12-22所示。 第 12 章电工仪表 图12-22 数字万用表 第 12 章电工仪表手持式数字万用表的显示器已普遍采用字高为26 mm的大屏幕LCD（液晶显示器）； 台式数字万用表的显示器常采用七段LED数码管或荧光数码管。 模拟式万用表是从直流电流表扩展而来的， 而数字万用表是从直流数字电压表扩展而来的。 所以被测量在表内须先通过测量转换电路转换成直流电压信号， 才能进行测量； 多挡转换开关的作用与模拟万用表相同。 第 12 章电工仪表12.5 兆 欧 表兆欧表俗称摇表， 是用于测量各种电气设备绝缘电阻的仪表， 如图12-23所示。 绝缘电阻是指用绝缘材料隔开的两个导体之间的电阻， 是衡量电气设备绝缘性能好坏的重要参数。 绝缘材料发热、 受潮、 老化、 被污染后， 其绝缘电阻会下降， 进而造成电气设备产生短路或漏电事故。 第 12 章电工仪表12.5.1 兆欧表的结构图12-23是兆欧表的外形图。 常见的兆欧表内部由高压手摇发电机、 磁电系比率表和测量线路三部分组成。 第 12 章电工仪表 图12-23 兆欧表 第 12 章电工仪表高压手摇发电机在标准转速（12 r/min）下即可产生较高的电压。 常用的电压等级包括100 V、 250 V、 500 V、 1000 V、 2500 V、 5000 V等。 选择兆欧表的原则是： 额定电压在500 V或以下的电气设备， 选用500 V或1000 V的兆欧表； 500 V以上的电气设备， 选用2500 V的兆欧表； 高压设备选用2500 V或5000 V的兆欧表。 第 12 章电工仪表磁电系比率表由磁路部分、 电路部分和指针组成， 如图12-24所示。 磁路部分包括了外侧的永久磁铁和内部铁芯； 内部铁芯分两类， 一类是带缺口的圆柱形铁芯， 一类是椭圆形铁芯。 永久磁铁和内部铁芯之间形成的磁场是不均匀的。 电路部分包括了两个可动线圈。 两个线圈相交成固定的交角， 连同指针固定在同一转轴上。 兆欧表刻度的基本单位是兆欧（M）。 第 12 章电工仪表 图12-24 磁电式比率表结构示意图(a) 带缺口的铁芯; (b) 椭圆形铁芯 第 12 章电工仪表12.5.2 工作原理兆欧表的电路图如图12-25所示。 兆欧表有三个接线端： “线”端、 “地”端和“屏”端。 第 12 章电工仪表 图12-25 兆欧表电路图 第 12 章电工仪表测量时， 将被测电阻Rx接在线端和地端之间， 形成两个电流回路。 一个电流回路是从发电机电源正端， 经被测电阻Rx、 限流电阻RA、 可动线圈 1 回到电源负端。 此电流回路电流为 I1， 即 AX RR UI 1（12-26） 在磁场中， 电流 I1产生电磁转矩T1。 第 12 章电工仪表另一个回路是从发电机电源正端， 经限流电阻RV、 可动线圈2回到电源负端的。 此电路的电流为 I2， 即 vRUI 2（12-27）可动线圈2也产生电磁转矩T2。 第 12 章电工仪表可动线圈1和2绕制时， 使其转矩T1和T2方向相反。 一个作为转动力矩， 另一个作为反作用力矩， 且不均匀的磁场分布使得转矩达到平衡时， 指针偏转角由两个可动线圈中的电流比所决定， 这是磁电式比率表的基本原理。 由 21IIK（12-28）可知Ax vv Ax RR RKRU RRUK （12-30） 第 12 章电工仪表12.5.3 兆欧表的使用1. 兆欧表的选择测量时应根据电气设备的电压等级和绝缘电阻的测量范围来进行兆欧表的选择。 如果电气设备的电压等级低于兆欧表的电压等级， 兆欧表的高电压有可能损坏电气设备的绝缘。 如果电气设备的电压等级高于兆欧表的电压等级， 则测量出的阻值将无法反映高压时真实的绝缘电阻值。 第 12 章电工仪表应保证电气设备的绝缘电阻值落在兆欧表的测量范围以内。 比如， 额定电压为380 V的笼型异步电动机的对地绝缘电阻最低值为0.5 M， 应选择以0 M为起始刻度的兆欧表，不可以选择起始刻度为1 M的兆欧表， 否则无法测量出正确的绝缘电阻值。 第 12 章电工仪表2 兆欧表的用前检查在使用兆欧表之前须对兆欧表进行检查。 首先， 检查兆欧表的外观是否完好， 端子、 摇柄、 表头是否完好， 测试用的导线是否完好。 其次， 对兆欧表进行开路试验。 将线端和地端开路， 摇动手柄， 使发电机的转速达到标准转速120 r/min， 指针应指在处。 第 12 章电工仪表3 测量过程中的注意事项 （1） 绝缘电阻的测量必须在电气设备不带电的情况下进行。 对于大电感或含有大电容的设备， 断电后需充分放电后方可测量。 第 12 章电工仪表（2） 如果测量电路中的绝缘电阻， 须将被测电阻接在线端与地端之间。 如果测量电机某一相的绝缘电阻， 须将线端接被测相， 地端接电机的机座。 如果测量电缆的绝缘电阻， 须将线端接电缆的缆芯， 地端接电缆外皮， 屏端接电缆内层绝缘物。 （3） 兆欧表须水平放置， 进行手摇测量， 一般使转速达到120 r/min， 等待1 min后读数。如果被测物的电容较大， 应等到指针稳定不变时读数。 第 12 章电工仪表12.6 电 桥直流单臂电桥适合测量中值电阻， 测量范围为1106 ； 直流双臂电桥适合测量低值电阻， 测量范围为106101 。 交流电桥常用来精确测量电容、 电感和电阻等电参数。 12.6.1 直流单臂电桥 直流单臂电桥又称为惠斯登电桥， 其外形如图12-26所示。 第 12 章电工仪表 图12-26 直流电桥（a） 面板图; （b） 外形图 第 12 章电工仪表1 工作原理直流单臂电桥的原理图如图12-27所示。 被测电阻Rx与已知电阻R2、 R3、R4连接成四边形， 称为电桥的四个桥臂。 在电桥的一个对角线上接入一个检流计， 称为“桥”， 在电桥的另一个对角线上接入直流电源和限流电阻R， 称为电桥的“电源对角线”。 第 12 章电工仪表 图12-27 惠斯登电桥原理图 第 12 章电工仪表当电源接通后， 调节桥臂电阻R2、R3、R4的阻值。 当c、d两点的电位不相等时，桥路中的电流 Ig0， 检流计指针偏转。 当c、d两点的电位相等时， Ucd=0， 检流桥路中的电流 Ig=0， 检流计指针不偏转， 电桥处于平衡状态， 有 342 RRRRx 第 12 章电工仪表即4432 KRRRRRx （12-30）式中， 电阻R2、 R3是电桥的比率臂， R4是比较臂， Rx是待测臂。 可见， 待测电阻的阻值由比率值K和电阻R4决定。 比率值K常为10 n， 电阻R4常为从零连续可调的电阻。 实际电桥中， 已将比率值K和电阻R4作成了读数盘， 方便使用。 第 12 章电工仪表2 测量过程（1） 测量前， 首先将检流计的锁扣打开， 并调节调零旋钮， 使指针指在零位； 将被测电阻接入电桥的测量端钮。 （2） 根据万用表粗测的结果， 选择比率臂和比较臂。 原则是尽可能地将比较臂的四个可调电阻全部利用起来， 这样可以提高测量精度。 （3） 按下电源按钮， 接通电源。 第 12 章电工仪表（4） 轻按检流计的粗调按钮， 观察检流计指针的偏转方向和幅度。 如果偏转幅度超出允许范围， 应立即松开粗调按钮。 如果偏转幅度在允许范围内， 则根据检流计指针的偏转方向调节比较臂的电阻。 如果指针向“+”方向偏转， 应增加比较臂的电阻； 反之， 减小比较臂的电阻。 反复调节比较臂电阻， 直至检流计指针指向零位。 调节比较臂时， 应每调节一次电阻值， 按一次粗调按钮， 检测一次； 直到检流计的偏转较小时， 才可按死粗调按钮。 第 12 章电工仪表（5） 轻按检流计的细调按钮。 反复调节比较臂电阻， 直至检流计指针指向零位。 方法与步骤（4）相同。 当电桥处于平衡状态时， 读出比率臂和比较臂的数值， 求得被测电阻Rx=比率臂读数比较臂读数之和。 （6） 读数完毕后， 依次松开细调按钮、 粗调按钮、 电源按钮， 再拆下被测电阻， 最后将检流计锁扣锁上。 如果检流计没有锁扣， 需将G按钮松开， 以保护检流计不受振动而损坏。 第 12 章电工仪表12.6.2 直流双臂电桥电气测量中常需要测量阻值在1 以下的小电阻， 比如电机绕组电阻、 变压器的绕组电阻和分流器电阻等。 如果使用直流单臂电桥进行测量， 引线电阻和接触电阻会对测量产生影响， 造成较大的测量误差。 直流双臂电桥的电路结构可以减小引线和接触电阻引起的误差。所以， 这种电桥常用于测量小电阻。 直流双臂电桥又称为凯尔文电桥， 如图12-28所示。 第 12 章电工仪表 图12-28 QJ44型直流双臂电桥外形 第 12 章电工仪表1 工作原理直流双臂电桥的原理电路如图12-29所示。 其中RP3、 RP3、 RP4、 RP4是桥臂电阻；RP3和RP3、 RP4和RP4是机械联动的， 在调节过程中。 R是跨接电阻， 阻值很小。 Rx和RN分别是被测电阻和标准电阻， 这两个电阻都为四个引出端的电阻。 图中， P 1、P2和P3、P4分别为这两个电阻的电位端子。 /44/33 RPRPRPRP RRRR 第 12 章电工仪表C1、C2和C3、C4分别为这两个电阻的电流端子。 双臂电桥将电位端子的接线电阻和引线电阻接到电阻值较高的RP3、 RP4和 RP3、 RP4的支路中； 将电流端子的接线电阻和引线电阻接入电源支路和跨线电阻支路中， 从而利用对称连接消除了接线电阻和引线电阻对测量的影响。 第 12 章电工仪表 图12-29 凯尔文电桥的原理电路 第 12 章电工仪表直流双臂电桥的平衡条件为XNRPRP RRRR 43被测电阻为NRPRPX RRRR 34（12-31） 第 12 章电工仪表2. 注意事项 （1） 直流双臂电桥的测量过程与直流单臂电桥基本相同。 （2） 被测电阻为四端电阻， 一般电阻外侧的两个引线为电流端， 电阻内侧的两条引线为电位端。 如果电阻自身没有电位端和电流端， 需自行引出， 如图12-30所示。（3） 由于直流双臂电桥电路中的电阻都是小电阻， 所以工作电流很大， 需用大容量的电源。 如果使用电池供电， 操作速度要快； 测量结束时要立即关闭电源开关， 以防电池耗尽。 第 12 章电工仪表 图12-30 电位端子和电流端子示意图 第 12 章电工仪表12.6.3 交流电桥交流电桥常用来测量电阻、 电容和电感等参数， 又称为万能电桥， 外形如图12-31所示。 工作原理与直流电桥的工作原理相同， 交流电桥也将被测参数与标准参数（电容、 电感、 电阻）接入电桥进行比较， 调整标准参数使电桥处于平衡状态， 根据此时标准参数的数值求出被测参数的数值。 第 12 章电工仪表 图12-31 QS18A万能电桥外形 第 12 章电工仪表交流电桥由三部分组成： 桥体、 电源和指零仪。 桥体由可调电阻RA、 RB、 Rs、 固定电阻Rc（100 ）和固定标准电容Cs（0.1 F）组成。 RA对应面板上的“量程选择”旋钮， RB对应面板上的“读数”旋钮， Rs对应面板上的“损耗平衡”旋钮。 交流电桥采用两种电源： 一种是测量高阻值电阻时使用的9 V直流电源； 一种是测量电容和电感时使用的1 kHz交流电源。 指零计大多采用配备晶体管放大器的磁电式仪表。 第 12 章电工仪表1 电容的测量电容的测量电路如图12-32所示， 此电路称为维恩电桥。 图12-32 维恩电桥的原理电路 第 12 章电工仪表维恩电桥的平衡条件为AssBxx RCRRCR )1j()1j( 被测电容量 sBBx CRRC （12-32） 第 12 章电工仪表被测电容的内部电阻sBAx RRRR （12-33）电容的损耗因数 D = tan=CsRs （12-34） 电容测量方法如下： 测量电容时， 将测量选择开关置于“C”位置。 接入被测电容。 首先调整“量程”开关， 将它置于合适的位置。 第 12 章电工仪表然后设置损耗倍率开关。 如果测量一般电容器， “损耗倍率”开关置于D0.01挡； 如果测量电解电容， “损耗倍率”开关置于D1挡。 “损耗平衡”开关置于1左右的位置， 将“损耗微调”旋钮逆时针旋转到底。 将“灵敏度旋钮”顺时针旋转， 逐步增大， 使得表针的偏转略小于满刻度。 然后反复调整“读数”、 “损耗平衡”和“灵敏度”旋钮至电桥处于平衡状态。 电容值=量程开关指示值读数盘指示值； 电容的损耗值D=损耗倍率开关指示值损耗平衡盘指示值。 第 12 章电工仪表2 电感的测量电感的测量电路如图12-33所示。 此电路称为麦克斯威电桥。 图12-33 麦克斯威电桥的原理电路 第 12 章电工仪表利用同样的推导过程可写出平衡条件表达式， 并求得待测电感参数如下： 被测电感量Lx=RARBCs （12-35）被测电感的内部电阻为 s BAx RRRR （12-36）电感的品质因数为ssxx RCRLQ （12-37） 第 12 章电工仪表电感的测量方法如下： 测量电感时， 将测量选择开关置于“L”位置， 接入被测电感。 首先选择合适的量程，然后根据电感的不同种类， 选择合适的损耗倍率， 空芯线圈选择Q1， 高Q值滤波线圈选择D0.01。 叠片芯线圈应放在D1位置。 将“损耗平衡”开关置于1左右的位置， 将“损耗微调”旋钮逆时针旋转到底。 将“灵敏度”旋钮顺时针旋转， 逐步增大， 使得表针的偏转略小于满刻度。 第 12 章电工仪表然后反复调整“读数”、 “损耗平衡”和“灵敏度”旋钮至电桥处于平衡状态。 电感值=量程开关指示值电桥的“读数”值； 电感的品质因数Q=损耗倍率开关指示值损耗平衡盘指示值。 第 12 章电工仪表3 电阻的测量测量电阻的原理电路如图12-34所示， 此测量电路为惠斯登电桥。 图12-34 交流电桥测电阻的惠斯登电桥 第 12 章电工仪表电桥平衡时， 有BCAx RRRR （12-38）测量方法如下： 测量电阻时， 首先选择适合的量程； 如果选择1 和10 的量程， 交流电桥使用内部的1 kHz交流电源； 如果选择10010 M的量程， 交流电桥使用内部9 V直流电源。 再将测量选择开关置于“R10”或“R10”挡。 反复调节“读数”、 “灵敏度”旋钮， 直至电桥平衡。 被测电阻=量程开关指示值读数盘指示值。 第 12 章电工仪表本 章 小 结电工仪表按被测量的种类分为电流表、 电压表、 功率表、 电度表、 功率因数表、 欧姆表、兆欧表等， 按工作原理可分为磁电式仪表、 电磁式仪表、 电动式仪表和整流式仪表。 按被测电流的种类分为直流仪表、 交流仪表和交直流两用仪表。 电工仪表的准确度是根据仪表的最大引用误差来分级的， 仪表标注的准确度数值越大， 其精度就越低。 第 12 章电工仪表电工仪表由测量装置和测量电路两部分组成。 测量电路的作用是将被测电量以合适的比例转换成的适当的电磁信号（电流、 磁场等），提供给测量装置。 测量装置由驱动装置、 反作用装置和阻尼装置三部分组成。 第 12 章电工仪表磁电式仪表由永久磁铁产生磁场， 线圈通入被测直流电流， 指针受力产生稳定的偏转。优点是刻度均匀， 灵敏度和准确度高， 消耗电能量少。 缺点是只能测量直流电压、 直流电流和电阻等， 过载能力小。 第 12 章电工仪表电磁式仪表的线圈通电后， 固定铁片和可动铁片同时被磁化， 铁片间的相互作用力使可动铁片转动， 指针偏转与被测电流的平方成正比。 优点是结构简单， 价格低廉， 能测量较大的电流， 既可测量交流， 也能测量直流。 缺点是刻度不均匀， 易受外界磁场的影响， 准确度不高。 第 12 章电工仪表电动式仪表是利用两个通电线圈之间的电动力来产生转动力矩的。 在直流电路中时， 其偏转角度与相互作用的固定线圈和可动线圈中的电流乘积成正比； 在交流电路中时， 其偏转角度与两个电流有效值乘积成正比， 还与电流间的夹角余弦成正比。 电动式仪表刻度不均匀，适用于精密测量， 可以做成功率表、 交流电流或电压表、 相位、 频率表。 第 12 章电工仪表测量电流时应把电流表串接在被测电路中， 测量电压时应将电压表并接于被测电路两端。 使用功率表时电流和电压线圈都不允许超过量程， 还要注意把标有“”的电流线圈和电压线圈接在电源的同一侧。 测量三相交流电路的功率可以采用一表法、 两表法和三表法。 第 12 章电工仪表万用电表是一种多用途、 多量程的便携式仪表。 万用电表由测量机构（称为表头）、 测量电路和转换开关组成。 万用电表可分为模拟式万用电表和数字式万用电表， 可以测量直流电流、 直流电压、 交流电压、 电阻、 晶体管的放大倍数、 电容、 电感、 频率等。 兆欧表是用于测量各种电气设备绝缘电阻的仪表， 由高压手摇发电机、 磁电系比率表和测量线路和组成。 第 12 章电工仪表电桥是用来测量电阻、 电容和电感的仪器， 常分为直流电桥和交流电桥。 直流电桥又分为直流单臂电桥和直流双臂电桥。 直流单臂电桥适合测量中值电阻； 直流双臂电桥适合测量低值电阻。 交流电桥由桥臂（常为电阻或电容）、 检流计和电源组成， 常用来精确测量电容、 电感和电阻等参数。