第3章比较仪表

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章 比较仪表,3.1,概述,在精密测量领域中，以及高准确度指示仪表的检定和校准时，经常使用比较测量法和比较仪器来测量。,（,1,）比较测量法：将被测量与度量器（即标准量）置于比较仪器上进行比较，从而求得被测量的数据的一种测量方法。,（,2,）比较仪表：仪表本身带有标准量，测量时将其与同类被测量进行比较，这种仪器称为比较仪表，如,直流电位差计,和,电桥,。,定流变阻式电位差计的原理电路如图,2-1-2,所示,图中,E,是标准电池或直流稳 压电源的电动势,E,n,为标准电池,R,n,为标准电阻,U,x,为被测电压,P,为检流计。,直流电位差计是一种比较仪器，用它来测量电压，误差可小于,0.005%,甚至更小。直流电位差计分为,定阻变 流式,和,定流变阻式,两种。,3.1,直流电位差计,图中,回路,I,为校准回路,回路,II,为测量回路，回路,为工作电流回路。,工作电流回路,校准回路,测量回路,1,、,工作原理,工作电流回路,校准回路,测量回路,回路,称为工作电流回路，它包括工作电源,E,工作电流调节电阻,R,0,标准电阻,R,N,，,测量电阻,R,。,它的作用是提供一个稳定的工作电流,I,0,。,校准回路,由标准电池,E,n,，,检流计,P,和,标准电阻,R,n,组成。,测量回路由,测量电阻,R,、,检流计,P,和转换开关,S,等构成。,R,是,R,的一部分,可以按十进制数连续可调。,测量,：,把开关置于位置,2,，调节电阻,R,使检流计,P,再次指零,，表明,U,x,与,U,S,互相补偿，即,2,、测量步骤,定工作电流：,测量时,先将开关,S,拨在,1,位置,调节可,变电阻,R,0,，调整工作电流,I,0,，,使检流计,P,指零,，则说明标准,电池,E,n,与标准电阻,R,n,上的,压降相互补偿。,工作电流回路,校准回路,测量回路,I,0,R,N,=E,N,I,0,=E,N,/R,N,从,上述原理可以得出电位差计的两个特点：,电位差计的平衡是利用电位互相补偿的原理制成的,测量回路不从被测量,U,X,中取用电流,(,检流计,P,指零,),消除了对被测量的影响。,被测量数值由标准量,R,N,、,E,N,等决定,因此,电位差计,准确度很高。,测量回路,校准回路,工作电流回路,检流计,标准电池,实用直流电位差计举例,（,1,）、测量较高电压时,：,原理电路如图,2-1-4,所示,。,R,1,和,R,2,构成分压器，先用电位差计测得,U,x,后,再用分压公式推算出,U,x,：,U,x,=(R,1,+R,2,)U,x,/R,2,3,、电位差计的应用,（,4,）,测量电阻,（间接）,：,也分两步进行,先测出流过电阻的电流,I,x,再测出其两端的电压,U,x,则,R,x,=,U,x,/I,x,用直流电位差计测量电流的原理电路如图,2-1-5,所示,在被测电流支路串入数值已知的标准电阻,R,n,作取样电阻,用直流电位差计测得,R,n,两端的,电压,U,x,则被测电流为：,I,x,=,U,x,/,R,n,（,3,）,功,率测量,：,只要按上述测量电压、电流的方法测出,U,x,与,I,x,则功率为,P=,U,x,I,x,（,2,）,测量电流,（间接）：,直流电桥分两种,即,单电桥,和,双电桥,。,单电桥又称惠斯登,(Wheatstone),电桥,用于测量阻值为,10,10,9,W,的电阻,(,保证高精度测量时,范围为,1,10,4,W,),；,直流双电桥又称凯尔文,(Kelvin),电桥,主要用于测量阻值,10,W,以下,的电阻。,直流电桥是精确测量电阻等电路参数的一种比较仪表,它 通过被测电阻与标准电阻的比较实现测量,其准确度可达十万分之几,仪表准确度不难达到,0.1,、,0.2,级。,3.2,直流电桥,直流单电桥的原理电路如图,2-2-1,所示,图中,R,1,、,R,2,、,R,3,和,R,4,构成四个桥臂,直流电源,E,和指零仪,(,如检流计,),分别接在电阻桥体的,ab,与,cd,对角线上。,测量电阻时,被测电阻作一个桥臂,(,如,R,1,),另外三个桥臂由标准电阻构成,阻值已知且可调节改变。当调节电桥的某个桥臂使,I,g,=0,时,即,U,cd,=0,称此状态为“,电桥平衡,”。,一、直流单电桥,上式说明：,电桥平衡时,电桥对臂电阻,（,阻抗）之积相等。,“电桥平衡”,即检流计,P,指零,则,I,p,=0,U,bd,=0,。故有：,I,1,R,1,=I,3,R,3,I,2,R,2,=I,4,R,4,由于,I,p,=0,按基尔霍夫定律可得,I,1,=I,2,和,I,3,=I,4,并将两式相除可得：,被测电阻,R,x,=R,1,R,4,R,3,（,2-2-1,）,1,、电桥平衡,R,3,R,x,=R,1,R,4,从式,2-2-1,可见,电桥平衡时,被测电阻的数值与电源,E,无关,。,在灵敏度足够的情况下,电源电压波动对测量结果没有影响,电桥的准确度主要由比例臂和比较臂的准确度决定,此两臂皆可用标准电阻,因此准确度很高。,在实际电桥线路中,常把比值,R,2,/R,3,做成,10,n,型,提供一个准确的比值,因此,R,1,、,R,3,又称,比例臂,。,R,4,具有多档十进制结构,可由零值起连续调节,称作,比较臂,它的数值位数反映电桥的测量准确度。,2,、,电桥准确度,3,、实用直流单电桥,（,QJ23a,型）,2.3.1,交流电桥的工作原理,经典交流电桥，简称经典电桥。原理电路如图,2-3-1,所示，,2.3,交流电桥,图中,Z,1,、,Z,2,、,Z,3,和,Z,4,为交流阻抗，电源为正弦交流电压源，其频率范围可能很宽，,D,为交流平衡指示器。,图,2-3-1,交流电桥原理电路,在正弦稳态条件下,经典电桥的四个臂的阻抗,Z,1,、,Z,2,、,Z,3,和,Z,4,可表示为：,分析,Z,1,=R,1,+jX,1,=z,1,1,；,Z,2,=R,2,+jX,2,=z,2,2,；,Z,3,=R,3,+jX,3,=z,3,3,；,Z,4,=R,4,+jX,4,=z,4,4,；,式中 为阻抗的模,j,i,=,arctan(X,i,/R,i,),为阻抗的相位角,R,i,=,z,i,cos,j,i,X,i,=,z,i,sin,j,i,i=1,2,3,4;,容性阻抗的,j,i,0,。,S,S,S,bd,U,Z,Z,Z,Z,Z,Z,Z,Z,Z,Z,U,Z,Z,Z,U,Z,U,.,),)(,(,4,3,2,1,4,1,3,2,4,3,4,2,1,2,+,+,-,=,+,-,+,=,.,.,.,式（,2-3-1,）为,辐度平衡,条件，式（,2-3-2,）为,相角平衡,条件。,讨论交流电桥的平衡条件时,只考虑指零仪两端的电压,U,bd,=,U,bc,U,cd,由图可知：,.,即,z,2,z,3,=z,1,z,4,（,2-3-1,）,j,2,+j,3,=j,1,+j,4,（,2-3-2,）,Z,2,Z,3,=Z,1,Z,4,平衡条件,对臂阻抗乘积相等,对臂阻抗模的乘积相等,对臂阻抗辐角之和相等,电桥平衡时，可见，交流电桥,的平衡条件是：,即,Z,2,Z,3,Z,1,Z,4,=0,在调节交流电桥平衡以实现对被测阻抗的测量时，至少应设置,两个独立可变参数,，满足两个方程。,也就是说，交流四臂电桥平衡时，,两相对电臂阻抗的模的乘积相等，相角之和也要相等。,若在,Z,4,的位置上接被测阻抗,Z,x,=,z,x,j,x,=,R,x,+jX,x,，,则,即,z,x,=z,3,z,2,/z,1,（,2-3-3,）,j,x,=j,2,+j,3,-j,1,（,2-3-4,）,参数调节,有关电桥调平衡的事项,（,1,）交流电桥四个桥臂阻抗配置不当,电桥就不能平衡。例如两相邻桥臂为纯电阻时,余下的两个桥臂必须配备性质相同的阻抗；若两相对桥臂都是纯电阻,则余下的两个桥臂必须是性质相反的阻抗。,（,2,）尽量使电桥的平衡条件与电源频率无关。,（,3,）桥臂尽量不要用电感作已知的度量器。因为电感在制造上难以把电阻分开。,（,4,）至少要设置两个独立可调的元件,才能调平衡。被测量只和一个可调元件有关的称“可分别读数”。实用的电桥能够分别读数。,交流电桥计算例题,例,1,如图所示电桥又称为串联电容电桥,用于测量电容器,试计算,C,x,R,x,。,解：当电桥平衡时,可得,即,根据实部、虚部分别相等,整理可得：,当,选定,R,2,R,4,为可调,C,x,是可分别读数的。而且与电源的频率无关,。,交流电桥计算例题,例,2,有一交流电桥如图所示,试问：,（,1,）该电桥能否平衡？如果能平衡,写出其平衡方程式。,（,2,）若调节,R,2,和,R,4,能否平衡,为什么？,解：（,1,）可以平衡,因为,(,1,+,3,),可以调到零。,（,2,）只调节,R,2,、,R,4,不能满足方程组,故不能平衡,.,第,3,章 习题,2-2,为什么用直流电位差计测量电压可以达到较高的测量准确度？,2-6,为什么不能用单电桥测量小电阻？,2-10,为什么交流电桥平衡的调节至少要设置两个参数，而且要反复调节？,答：因为交流四臂电桥平衡时，两相对电臂阻抗的模的乘积相等，相角之和也要相等,二互相影响，因此调节平衡要反复调试。,答：（,1,）被测量与标准量直接比较，（,2,）电位差计测量时不从被测电路取用电流。,答：单电桥接触电阻和小电阻接近,将影响测量精度，使误差很大,所以不能使用。,1,、什么是比较式仪表，电气测量中常用的有哪几种？,2,、为什么用直流电位差计测量电压可以达到较高的,测量准确度？,3,、为什么不能用单电桥测量小电阻？,4,、交流电桥的电桥平衡方程及其应用（如课件例题）。,5,、为什么交流电桥平衡的调节至少要设置两个参数，,而且要反复调节？,6,、交流电桥若要平衡，当两相邻（或相对）桥臂为纯电,阻时,对余下的两个桥臂阻抗性质有何要求？,7,、说明定流变阻式直流电位差计的工作步骤。,本章课后复习题,