电气测量第二章

第二章电流与电压的测量•第一节电流与电压的测量方法•第二节磁电系仪表•第三节磁电系检流计•第四节电磁系仪表•第五节电动系仪表•第六节测量用互感器•第七节万用电表•第八节直流电位差计•第九节电流表与电压表的使用ElectricalMeasure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的基本知识。•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。第一节电流与电压的测量方法一、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：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磁电系仪表一、磁电系仪表结构二、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IDBNsDBlINrMMaa2CUCUSRUDBNsIDBNs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1.灵敏度高、准确度高、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，可测到0.1μA。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。得到较大的定位力矩，使摩擦力矩的影响减小。同时内部磁场较大，外磁场的影响被削弱。还因为通过仪表的电流小，能降低表耗功率，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.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。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，更换输入接头，可组成多量程的电流表。多量程分流器电路分流器电路分流器电路加温度补偿电阻1R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cshcshccRRRRIRIcI如用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，可推出按要求的量程扩大倍数n求分流器电阻值的关系式。即1nRRcshCII/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cccadcIRURRUcUcRadRU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cadRmR)1(cUUcUU返回本章首页第三节磁电系检流计一、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、可动部分的运动特性检流计的灵敏度高，动圈不用铝制框架，没有框架的阻尼效果，全靠动圈与外电阻构成的回路产生阻尼。动圈一旦施加了驱动力矩，就会因为惯性冲力摆过平衡点，加上可动部分的重量轻、阻力小，又没有轴承磨擦力，所以在定位力矩作用下，会在平衡点左右摇摆不停，不能很快停在平衡位置上，这种摇摆甚至会延续了几分钟或者几十分钟。根据阻尼大小，可动部分的运动状态可能出现如图所示的三种形式。三、可动部分的运动方程设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。当阻尼系数不同时，方程的解将有三种不同形式，并分别称为过阻尼、欠阻尼和临界阻尼。。DPJMDtPtJ力矩系数为反作用为阻尼系数为转动惯量式中,,dddd2可动线圈运动方程及解的三种形式)1arctg1(sh(11e22022000tt1.欠阻尼状态)1(e0000tt)1tgarc1sin(11e22022000tt2.临界阻尼状态3.过阻尼状态返回本章首页第四节电磁系仪表一、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、电磁系仪表的工作原理驱动力矩：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。可推出仪表偏转角与电流关系为dd212LIMcp2dd2ILDI反作用力矩：采用游丝，设其反作用力矩系数为D，则阻尼力矩：一般采用磁感应阻尼。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，则与瞬时值平方成正比，或交流有效值平方成正比，所以电磁系仪表可用于测量交流，并于直流共用同一标尺。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。改变电流量程改变电压量程返回本章首页第五节电动系仪表一、电动系仪表的结构二、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21122222112121IIMILILW可动线圈所受的驱动力矩为dddd1221MIIWM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ddcos11221MIIDΨ作为电压或电流表使用时，如果两线圈电流都等于被测电流，且互感变化率为常数，则指针偏转角与被测电流平方成正比，或与交流有效值平方成正比。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测量用互感器一、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.可减少指示仪表的规格，可统一使用4A、100V的表芯，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！电流压互感器二次绕组不许开路。212121NNEEUUKU1221NNIIKI三、互感器的误差1.变比误差：由于负载过大互感器输出电压下降，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：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90°，造成相角误差。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。外型内部结构示意返回本章首页第七节万用电表一、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表。除一般测量电压、电流和电阻外，还可测量电子电路的电平，但测量电平实际上就是测量电压，不过是用对数形式表示而已。1212lg20lg10UUSPPS当表示功率电平时，用负载为600Ω，功率为1mW作为0电平。当表示电压电平时，用0.775V作为电压的0电平。500型万用表外形功率电平电压电平二、500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。2111SS、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50µA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。使用红线所示电路第八节直流电位差计直流电位差计由三个回路组成。其中回路Ⅰ称为校准回路回路Ⅱ称为测量回路回路Ⅲ称为工作电流回路。一、直流电位差计工作原理校准回路：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Ⅰ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。SsIRESRSIR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。aRSR测量回路：当开关S合向回路Ⅱ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abssabxRREIRE从可求出被测电压值。abR二、电位差计特点1.利用补偿原理: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.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%。USSXRREE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。返回本章首页第九节电流表与电压表的使用与选择一、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