资源描述
本章要点本章要点 本章主要介绍磁电系、电磁系和电动系三种仪表，以及用它测量电压、电流的方法。这三种仪表不仅可以用来测量电压、电流。而且在配置某些变换电路之后，还可以用于测量其他电磁量或作为指示器件。是从事电气技术的人员应具备有关仪表知识的最基本内容。电压表和电流表的附属装置，包括分流器、附加电阻和互感器的结构原理及其计算方法。也是测量电压和电流必须掌握的技术。本章还介绍万用表、检流计和电位差计。万用表是现场工作最常用的工具之一，检流计和电位差计则是校准和精密测量中常用的仪器。其内容可根据教学时数和专业需要选择讲授或布置学生自学。第一节第一节电流与电压的测量方法电流与电压的测量方法一、直接测量一、直接测量：测量电流、电压一般都用直接测量，即用直读式模拟或数字的电流、电压表。测电流时与被测电路串联，测电压时与被测电路并联，但应注意连接在电路中的位置，如图所示。电流表线圈应接在低电位端电压表接地标志应接在低电位端二、间接测量二、间接测量：在特殊情况下，可以用间接法测量。例如在已焊好元件的印制板上，通过测量某电阻两端电压求得电流，或测量通过电阻的电流，求出电阻两端的压降。在不断开电路的状态下测量电流返回本章首页 第二节第二节 磁电系仪表磁电系仪表一、磁电系仪表结构一、磁电系仪表结构 二、磁电系仪表工作原理二、磁电系仪表工作原理 可动线圈通电后，由于线圈在磁场中受到电磁力矩的作用使指针产生偏转，当可动线圈稳定后，可认为驱动力矩等于反作用力矩，并推出仪表偏转角与电流关系为 若与被测电压并联，仪表的内阻为 R ，则仪表偏转角与电压关系为 三、技术性能三、技术性能 1.灵敏度高灵敏度高、准确度高、准确度高、表耗功率低表耗功率低 由于永久磁铁与铁心间的气隙小，气隙间的磁感应强度比较强，所以磁电系仪表有比较高的灵敏度。且磁感应强度较强时，驱动力矩大，可采用反作用力矩系数比较大的游丝。有较大的定位力矩，使摩擦力矩的影响减小。内部磁场强度大，外磁场影响相对弱，可获得较高的准确度。且表耗功率低，对被测电路的影响小。所以磁电系仪表是一种应用广泛具有高灵敏度、高准确度、低表耗功率的仪表。2.2.具有均匀等分的刻度具有均匀等分的刻度 磁电系仪表的指针偏转角与可动线圈的电流成正比，标尺的刻度均匀等分，易于标尺的制作。3,3,只能用于直流电路只能用于直流电路 若在交流范围使用，必须配整流器。四、电流表分流器四、电流表分流器 磁电系仪表可以通过分流器扩大其量程，也可以并联若干个电阻，通过更换输入接头，可组成多量程的电流表。多量程分流器电路多量程分流器电路分流器电路分流器电路分流器电路加温度补偿电阻分流器电路加温度补偿电阻 分流器电阻的计算分流器电阻的计算 按分流器的电路结构，被测电流只有一部分通过 电流表线圈，其余则通过分流器，可以证明通过电流表线圈的电流与被测电流的关系为 如用 n n 表示比值 ，它的数值代表电流表并联分流器之后的量程扩大倍数。将上式移项，可推出按量程扩大倍数 n n 求得分流器电阻阻值的关系式。即五、电压表的附加电阻五、电压表的附加电阻 扩大电压表量程可以串联附加电阻，设直接测量的量程为 ，测量机构内阻为 ，串联附加电阻 后，可将电压量程扩大为 ，则 与 的关系可由下式求得 用 m 表示比值 ，其值代表串联附加电阻后电压表量程扩大的倍数，可按m 值求得串联的附加电阻值返回本章首页第三节第三节磁电系检流计磁电系检流计一、结构一、结构 检流计是一种具有极高灵敏度的电流表，为提高检流计的灵敏度，动圈采用无骨架结构，减少厚度，既减轻动圈重量，又缩短磁路的工作气隙。使气隙中的磁感应强度增大。可动部分不用轴和轴承的支撑方式，改用张丝或吊丝悬挂动圈，以消除因轴尖所产生的摩擦，使之可在很小的力矩下都能工作。对非便携式的检流计，还可以用光标代替指针。光标指示和指针指示的示意图光标式指针式二、可动部分的运动方程二、可动部分的运动方程 检流计的可动线圈通电后产生力矩为M，并在M作用下绕轴运动，根据牛顿第二定律，力矩M随时要与阻力矩、阻尼力矩以及惯性力矩相平衡，或用转角的运动方程表示为。三、动圈从静止至稳定过程、动圈从静止至稳定过程 动圈从静止到稳定过程所需时间决定于阻尼，动圈无铝制框架，全靠动圈与外电阻所构成的回路产生阻尼。加上可动部分的重量轻、阻力小、没有轴承磨擦力，一旦施加驱动力矩，因惯性冲力会越过平衡点。超过后又会在弹簧游丝定位力矩作用下返回，使动圈左右摇摆不停，不能快速停在平衡位置上，甚至会延续了几分钟或者几十分钟。但如果动圈与外电阻所构成的回路电阻较小，能产生足够大的阻尼，就能避免这种振荡发生。根据阻尼大小，可动部分的运动状态可能出现过阻尼、欠阻尼和临界阻尼等三种形式。可动线圈运动方程可动线圈运动方程及解的三种形式及解的三种形式1.欠阻尼状态欠阻尼状态2.临界阻尼状态临界阻尼状态3.过阻尼状态过阻尼状态可动线圈可动线圈三种运动形式所对应的运动曲线三种运动形式所对应的运动曲线曲线1：欠阻尼状态曲线2：过阻尼状态曲线3：临界阻尼状态返回本章首页稳定后动稳定后动圈的转角圈的转角第四节第四节 电磁系仪表电磁系仪表 一、电磁系仪表的结构一、电磁系仪表的结构 电磁系仪表结构有吸引型和推斥型两种形式吸引型推斥型 二、二、电磁系仪表的工作原理电磁系仪表的工作原理 驱动力矩：驱动力矩：吸引型的驱动力矩是利用线圈通电后，对可动铁心产生吸引力，使指针偏转。推斥型则靠线圈同时对固定、可动铁心进行磁化，由于磁化的极性相同，产生互斥而形成驱动力矩。反作用力矩反作用力矩：采用游丝，设其反作用力矩系数为D。当驱动力矩与反作用力矩相等时，指针停止转动，可推出，不同电流产生的驱动力矩与仪表偏转角关系为 阻尼力矩：阻尼力矩：一般采用磁感应阻尼。三、电磁系仪表技术性能三、电磁系仪表技术性能 1.由于指针偏转角与被测电流的平方成正比，所以标尺呈平方律特性，前密后疏。2.如果通以交流电，则指针偏转角与被测电流瞬时值平方成正比，当瞬时值变化很快时，由于可动部分惯性，指针偏转角将决定于瞬时力矩在一个周期内的平均值，即指针偏转角与交流有效值平方成正比，所以电磁系仪表可用于测量交流，并可与直流共用同一标尺。返回本章首页 电磁系仪表技术性能电磁系仪表技术性能改变电压量程改变电流量程3.改变电流量程，可改变线圈的安匝数。改变电压量程，可改变线圈的附加电阻。第五节第五节电动系仪表电动系仪表一、电动系仪表的结构一、电动系仪表的结构二、电动系仪表的工作原理二、电动系仪表的工作原理 由固定、可动两组线圈所构成的系统，通电后的磁场能量为可动线圈所受的驱动力矩为根据指针稳定时驱动力矩等于反作用力矩，可求得指针偏转角 作为电流或电压表使用时，如果两线圈通以同一电流，或被测电流的一部分，且互感变化率为常数，则指针偏转角与被测电流平方或被测电压平方成正比，或与交流电流或电压有效值平方成正比。如作为功率表使用，指针偏转角正比于被测功率。三、电动系仪表的技术性能三、电动系仪表的技术性能 1.和电磁系一样刻度呈平方律特性，可用于测量直流也可以测量交流，或交直流两用。准确度高于电磁系。2.作为小量程电流表使用时，固定线圈与可动线圈串联，但作为大量程使用时，由于可动线圈不允许通过大电流，故可动线圈只能与固定线圈并联。3.作为电压表使用时，可以根据量程大小，串联不同的附加电阻。小量程电流表，固定线圈可与可动线圈串联大量程电流表，固定线圈可与可动线圈并联电压表根据量程串联不同的附加电阻返回本章首页第六节第六节测量用互感器测量用互感器一、互感器的用途一、互感器的用途互感器主要用于扩大交流电 流表、电压表、功率表和电能表的量程，而且具有如下特点1.隔离高压。2.降低表耗。3.节省设备投资。4.可统一使用5A、100V的标准表芯，配上不同的互感器，可组成各种不同量程的电压、电流表。高压部分低压部分 二、工作原理工作原理 电压互感器相当于空载变压器，与电压表联用。被测电压等于接在二次绕组的电压表读数乘以电压互感器的电压变比。注意！电压互感器二次绕组不许短路。电流互感器相当于短路的变压器，与电流表联用被测电流等于接在二次绕组的电流表读数乘以电流互感器电流变比。注意！电流互感器二次绕组不许开路。三、互感器的误差三、互感器的误差 1.变比误差：变比误差：由于负载过大，互感器内压降加大，引起输出电压下降，使得电压比不等于匝数比。或电流互感器二次绕组磁化电流过大，使得电流比不等于匝数比所造成的变比误差。2.相角误差：相角误差：由于绕组内阻抗过大，或铁心材料和气隙的影响，使得磁化电流过大，电压互感器的一、二次绕组的电压相位差，或电流互感器的一、二次绕组的电流相位差不等于180，造成相角误差。四、互感器的连接四、互感器的连接电压互感器在供电系统中的连接电流互感器在供电系统中的连接 五、钳式电流表五、钳式电流表 钳式电流表是电流互感器和电流表的组合，可以在不断开交流电路，并在设备仍运行的条件下，测量交流电流。1、钳式电流表的结构、钳式电流表的结构外型内部结构示意2、钳式电流表的工作原理、钳式电流表的工作原理 电流互感器的铁心在捏紧扳手时可以张开；被测电流所通过的导线可以不必切断就可穿过铁心张开的缺口，当放开扳手后铁心闭合。穿过铁心的被测电路导线就成为电流互感器的一次线圈，其中通过电流便在二次线圈中感应出电流。从而使二次线圈相连接的电流表便有指示测出被测线路的电流。返回本章首页第七节第七节万用电表万用电表一、万用电表的结构一、万用电表的结构 万用表是利用多刀多投转换开关，改变电路连接方式，测量不同量程的电压、电流或电阻，是电气维修中常用的工具。除一般测量电压、电流和电阻外，还可测量电子电路的电平，测量电平实际上就是测量电压，不过是被测值与标准值之比的对数形式表示。当表示功率电平时，可用负载为600、1mW作为功率的 0电平。当表示电压电平时，可用0.775V作为 电压的 0电平。500型万用表外形功率电平功率电平电压电平电压电平n万用表的组成：测量机构、测量电路和转换装置组成。n外观组成：外壳、表头、表盘、机械调零旋钮、电阻挡调零电位器、转换开关、专用插座、表笔及其插孔。n内部组成：电池及电阻、电容、二极管、三极管、集成电路等元器件。二、二、500500型万用表电路型万用表电路 500 型万用表的面板设两个多刀多投转换开关，分别为 ，改变开关位置可以选择测量对象和量程，包括交直流电流和电压、电阻和信号电平，下面仅分析几个电路，其余读者可自行分析。三、直流电流测量电路三、直流电流测量电路 测量直流电流左边多投开关置于A档，右边置于50A档，作为直流电流测量电路的基本量程，改变右边开关位置，选用不同分流器，可改变量程为10、100、500mA，分流器采用闭路式，不因开关接触不良而损坏仪表。使用红线所示电路图 500型万用表直流电流测量电路 四、直流电压测量电路四、直流电压测量电路 测量直流电压右边多投开关置于V档，左边置于 2.5V档，作为直流电压的最小量程，改变左边开关位置，选用不同附加电阻，可改变量程为 10、50、250、500V，附加电阻采用共用式，可减少线绕电阻数量。使用红线所示电路返回本章首页图 500型万用表的直流电压测量电路 五、直流电阻测量电路五、直流电阻测量电路 测量直流电阻右边多投开关置于乘1至乘10k档，左边置于 档，其中乘1至乘1k档使用1.5V电池为电源，乘10k档用10.5V积层电池作电源。直流电阻测量电路原理直流电阻测量电路原理从简化图可推出通过表头电流 六、注意事项六、注意事项n量程转换开关必须正确选择被测量电量的挡位，不能放错;禁止带电转换量程开关;切忌用电流挡或电阻挡测量电压。n 在测量电流或电压时，如果对于被测量电流、电压的大小心中无数，则应先选最大量程，然后再换到合适的量程上测量。n测量直流电压或直流电流时，必须注意极性。n测量电流时，应特别注意必须把电路断开，将表串接于电路之中。n测量电阻时不可带电测量，必须将被测电阻与电路断开;使用欧姆挡时换挡后要重新调零。n每次使用完后，应将转换开关拨到空挡或交流电压最高挡，以免造成仪表损坏；长期不使用时，应将万用表中的电池取出。第八节第八节直流电位差计直流电位差计一、直流电位差计工一、直流电位差计工作原理作原理 直流电位差计由三个回路组成。其中 回路称为校准回路 回路称为测量回路 回路称为工作电流回路。校准回路：利用回路中的标准电池用来校准工作电流，当开关 S 合向回路时，调节R改变工作电流，若检流计指零，则说明标准电池的电动势与工作电流在电阻 上的压降 相互补偿，使 。工作电流回路：包括辅助电源，调节工作电流用的可变电阻、测量电阻和工作调定电阻。工作回路主要任务是提供一个稳定的工作电流，使电阻 和 能得到一个稳定的压降。测量回路：当开关S合向回路时，调节测量电阻，以改变左端ab二点间的压降（注意：此时不能再调节R，否则工作电流将发生变化），若检流计指零，则表明 、为已知从 可求出被测电压值。二、电位差计特点二、电位差计特点 1.1.利利用用补补偿偿原原理理:电位差计的平衡是利用电动势互相补偿的原理，因此平衡时不从测量回路的被测电源取用电流，从而消除被测电源的内阻、导线电阻、接触电阻对测量的影响。校准回路也一样，不从标准电池取用电流，保持了标准电池电动势的稳定。2.2.采用高准确度的元件：采用高准确度的元件：在式 中，由于标准电池的电动势比较稳定，调定电阻和测量电阻的左端ab部分选用高准确度和高稳定度的电阻，所以测量准确度可以达到 0.001%。三、实用电位差计的结构三、实用电位差计的结构 1.要考虑标准电池的电动势受温度的影响:实用电位差计的工作调定电阻通常由两部分电阻构成，一部分为固定，一部分为可调，可调部分作为温度补偿电阻，以补偿标准电池因温度而发生的变化。2.要根据测量结果所需要的准确度，选择合适的测量线路和有足够灵敏度的检流计。以保证电路未完全补偿时，能为观察者所觉察。3.测量电阻应在很宽的范围内变化，而且能够准确读数，例如要读出五位数或六位数，一般可采用十进电阻盘，以便能读出多位读数，但也有用滑线电阻盘的。UJ36型携带式直流电位差计型携带式直流电位差计UJ31型箱式直流电位差计型箱式直流电位差计 四、直流电位差计的技术特性和分类四、直流电位差计的技术特性和分类1.测量范围：接在电位差计“被测”端钮之间的电位差所允许的范围。1）高电位差计：“V”级到“V”级，最高量限为2V；2）低电位差计：“0.1V”级到“mV”级；最高量限为20mV；2.准确度：直流电位差计的准确度等级有0.005、0.01、0.02、0.05、0.1和0.2六个等级。在保证准确度的环境条件下，允许基本误差：|K%Ux+bU式中 K准确度等级；Ux 电位差计的读数值；U最小步进值或分度值；b 附加误差系数，不同的电位差计取0.20.5之间的数值；3.稳定性 五、电位差计的应用五、电位差计的应用1.测量电压直流电位差计主要用于测量标准电池的电动势，其测量范围一般不超过2V。用直流电位差计还可以鉴定高准确度（0.5级及以上）的电压表。当被检电压表的量程大于电位差计的量程上限时，也要用精密分压器（R1、R2）将电压表两端的电压U分压，经分压后减小到电位差计的量程范围之内，再进行测量。FJ10型分压箱型分压箱用电位差计测量电压用电位差计测量电压2.测量电流测量电流是通过测量已知电阻Rn上的电压降，再间接计算出被测电流选用标准电阻时要注意下两点：1）标准电阻的额定电流应大于被测电流；2）标准电阻上的压降不能超过电位差计的测量上限。用电位差计测量电流用电位差计测量电流3.测量电阻电阻Rx和标准电阻Rn串联。当开关S倒向Rn一边时，测得Rn上的电压为Un，保持电流I不变，将开关S倒向Rx一边时，用电位差计测量出Rx上的电压为Ux，则被测电阻Rx为：测量时，尽量使标准电阻Rn接近被测电阻Rx，这样能使调试容易些，并且测量时更准确。用电位差计测量电阻用电位差计测量电阻返回本章首页第九节第九节 电流表与电压表的使用与选择电流表与电压表的使用与选择一、仪表仪器一、仪表仪器1.磁电系仪表磁电系仪表1）工作原理：永久磁铁的磁场与通有直流电流的可动线圈相互作用而产生驱动力矩，使可动线圈发生偏转。2）磁电系仪表的优点：具有较高的灵敏度和准确度，刻度均匀便于读数。测量直流电压、电流的直读式仪表几乎都是这种类型。它即可做成配电盘式表和便携式表，又可做成0.1级和0.2级的标准表。3）磁电系仪表的缺点：表头本身只能用来测量直流量（当采用整流装置后也可用来测量交流量），过载能力差，结构较复杂。4）注意事项：测量直流时注意正负接头，不得接反。2.电磁系仪表电磁系仪表1）工作原理：当被测电流通过线圈时，在线圈的周围产生磁场，该磁场使偏心铁片磁化；铁片在线圈磁场中受力，产生转矩带动轴上的指针转动。2）电磁系仪表的优点：适用于交直流测量,过载能力强,可无需辅助设备而直接测量大电流，可用来测量非正弦量的有效值。3）电磁系仪表的缺点：标度不均匀,准确度不高,读数受外磁场影响。当所测交流电频率较高时，由于铁片中涡流和线圈电抗的变化使误差增大，故一般只用于工频。3.电动系仪表电动系仪表1）工作原理：仪表由固定线圈（电流线圈与负载串联，以反映负载电流）和可动线圈（电压线圈串联一定的附加电阻后与负载并联，以反映负载电压）所组成，当它们通有电流后，由于载流导体磁场间的相互作用而产生转动力矩使可动线圈偏转，当转动力矩与弹簧反作用力矩平衡时,便获得读数。2）电动系仪表的优点：适用于交直流测量,灵敏度和准确度比用于交流的其他仪表高,可用来测量非正弦量的有效值。3）电动系仪表的缺点：标度不均匀,过载能力差,读数受外磁场影响大。4.直流电位差计直流电位差计1）电位差计是比较式仪器，用直流补偿原理制成。2）直流电位差计的优点：用它测量电压可以有很高的准确度，又不需要从被测电路中取用电流。主要用于标准直流标准表和一些不希望从被测电路中取用电流的测量；3）直流电位差计的缺点：使用设备较多，价格较贵，操作也比较麻烦。（二）使用与选择（二）使用与选择 1、选择仪表类型、选择仪表类型 要根据被测电流、电压的性质，是交流还是直流，是否正弦波、波形是否对称选择合适的仪表。若测量对象是非正弦波，而使用按正弦波刻度的电流、电压表，一般还需要将测量结果作必要的换算，以求得正确值。2、选择仪表准确度、选择仪表准确度 要根据测量误差要求，选择仪表的准确度和相应配套扩程设备的准确度，例如选用互感器的准确度要比仪表本身的准确度高出23倍。3、选择量程、选择量程 要根据被测量的大小选择仪表的量程，一般不要使用标尺的前四分之一段。4、选择内阻、选择内阻 要根据被测电路的阻抗大小，选择仪表的内阻，避免接入时影响电路状态。5、选择工作条件、选择工作条件 要根据使用环境，选择适合该环境使用的电压电流表，如是否要求防尘、防爆。返回本章首页小小 结结1、磁电系、电磁系和电动系仪表的结构、工作原理及扩大量程的方法。、磁电系、电磁系和电动系仪表的结构、工作原理及扩大量程的方法。2、测量用互感器的结构原理、误差分析及连接方式。、测量用互感器的结构原理、误差分析及连接方式。3、钳式电流表的构造原理及使用。、钳式电流表的构造原理及使用。4、模拟式万用表的结构、原理、使用与维修知识等。、模拟式万用表的结构、原理、使用与维修知识等。5、直流电位差计的工作原理。、直流电位差计的工作原理。6、电流表与电压表的选择与使用。、电流表与电压表的选择与使用。作 业教材：教材：P294 2-3、2-9、2-16补充题目：补充题目：1、有一个微安表，量限为100A，内阻是500，问：（1）用该表组成一个电压表时，若电压表的量限为10V和100V时，求该电压表的测量电路及附加电阻的阻值；（2）用该表组成一个量限为100、10和1mA的电流表该用什么样的电路？电路的电阻各是多少？2、有一个测量电路如图所示，图中U1是按正弦规律变化的电源，且U1=100sint(V)，式中=314，U2是直流电源，且U2=35V，分别用磁电系、电磁系和电动系电压表测量电压U1+U2，问仪 表的指示各是多少。3、万用表的测量机构是只能测量直流电流的磁电系仪表，它是如何测量交流电压的？4、500型万用表的交流10V挡为什么要专用一根标度尺？5、有一个电势为E的直流电源，内阻为Ri，分别用直流电位差计和内阻是RV的仪表测量，问：测试结果各是多少，相对误差各是多少？
展开阅读全文