第三讲 电流与电压的测量(2.1-2.5).

第三讲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第九节电流表与电压表的使用本章要点掌握磁电系、电磁系和电动系三种仪表的结构和工作原理。了解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。了解电流表和电压表的选用原则电压、电流、功率——表征电信号能量的三个基本参数电流是电子设备消耗功率的主要参数，也是衡量电路和电子设备工作安全情况的主要参数。电压测量是电测量与非电测量的基础；电测量中，许多电量的测量可以转化为电压测量：电路工作状态：饱和与截止，线性度、失真度——〉电压表征非电测量中，物理量——〉电压信号，再进行测量如：温度、压力、振动、（加）速度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。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测量电流和电压的仪器按工作原理：磁电系：通电线圈在磁场中受电磁力矩的作用产生偏转，测直流电磁系：通电线圈产生磁场形成转动力矩使指针产生偏转，测交流电动系：利用通电的固定线圈和可动线圈之间的d电动力产生转动力矩使指针产生偏转，测交流第二节磁电系仪表一、磁电系仪表结构磁电系测量机构的磁路系统分为三种形式，外磁式、内磁式和内外磁式。1.外磁式磁电系仪表的结构二、工作原理1.磁电系仪表的驱动力矩BlINrM22.磁电系仪表的反作用力矩由游丝产生，与驱动力矩平衡而使指针停留在确定位置，方向与驱动力矩方向相反。DM式中：α—指针偏转角度D—由游丝弹性决定的常数。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，指针停在某一ɑ角处：ISIDBNsDBlINrMMIa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3.磁电系仪表的阻尼力矩绕有线圈的铝框中的感应电流与磁场相互作用而产生的。用来使得由于惯性作用而使指针的摆动尽快停止，稳定在某一位置。4.摩擦力矩：摩擦力矩主要产生在活动部分的转轴与轴承之间。它使仪表产生测量误差。三、技术性能1.灵敏度高、准确度高、表耗功率低永久磁铁与铁心间的气隙小，气隙间的磁感应强度比较强，故有比较高的灵敏度。磁感应强度较强，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，可获得较高的准确度。流过表头的电流小，故仪表功耗小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。3.只能用于直流电路通交流电：频率小于可动部分的固有振动频率时，指针随电流方向的变化左右摆动；频率大于固有振动频率时，指针偏转角指示直流分量。若在交流范围使用，必须配整流器。4.过载能力弱被测电流通过游丝导入导出，可动线圈的导线很细，过载时容易烧毁。磁电式仪表的应用磁电系直流电流表微安表或毫安表磁电系直流电压表具有较高电阻磁电系直流微安表或指零仪表检流计1、磁电系电流表的构成直接测量的电流只能是微安级或毫安级用电流表测电流的简单电路+-RRcIcRc—表头的内阻,它包括线圈和游丝（引线）的电阻；Ic—是满刻度电流，即量程，也称灵敏度。量程越小，其灵敏度越高。这就是我们通常所说的表头。四、磁电系电流表及其扩程方法在表头上并联一个分流电阻，被测电流大部分通过分流器，其电流的关系为cshcshccRRRRIRI当电流扩大n倍cnII1nRRcshRcIshIcRsh单量程电流表的基本电路I2.量程扩展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。分流器电路多量程分流器电路分流器电路加温度补偿电阻R1外附分流器外附分流器：它有两对接线端钮，粗的一对（在外边）叫“电流接头”,串接于被测的大电流电路中；细的一对（靠里边）叫“电位接头”与表头并联。分流器接线法将磁电式仪表与被测电压并联，磁电系仪表偏转角α与被测电压的关系：根据欧姆定律可知，一只内阻为Rc、满刻度电流为Ic的磁电系测量机构，本身就是一只量程为Uc＝IcRc的直流电压表，只是其电压量程太小。如果需要测量更高的电压，就必须扩大其电压量程。根据串联电阻具有分压作用的原理.磁电系直流电压表是由磁电系测量机构与分压电阻串联组成的。五、磁电系电压表CUCUSRUDBNsIDBNs▲直接测量上限：Uc=IcRc，一般只有毫伏级；▲扩程改装，如图所示，Rad叫附加电阻，也叫扩程电阻。电压表的基本电路UUadUcRcIcRadRmm1madcadccadccccadadcccadcUIRUUUUURRIIRRRUURRRR＋令＝，则＝＝＋则（－1)上式说明，要使电压表量程扩大m倍，需要串联的分压电阻应是测量机构内阻Rc的（m－1）倍。cccadcIRURRU▲多量限电压表：串联不同的附加电阻即可构成多量限电压表。例：一磁电系测量机构，满刻度电流为200μA，可动线圈内阻为300Ω，若要改装成60V量程的电压表，应串联多大的附加电阻？该电压表的总内阻是多少？解：3000.0660m10000.06(1)(10001)300299.7ccccadcUIRVUURmRk-6先求出测量机构的压降＝=20010kRRRCadV300由此可见磁电系电压的内阻与量程有关。▲电压表各量限的内阻与相应电压量限的比值称为电压灵敏度SU，单位为“Ω/V”，由电压灵敏度可以计算出仪表某一量程下的内阻及表头灵敏度Ic。在相同的电压量程下，电压灵敏度越高，内阻越大，对被测电路的影响越小，测量准确度也越高。电压灵敏度：CSIURS1电磁系仪表是测量交流电压和交流电流的最常用的一种仪表。具有结构简单、过载能力强、价格便宜、可以交直流两用等一系列优点，在实验室、工业测量中应用十分广泛。第四节电磁系仪表电磁系测量机构用被测电流通过一固定线圈，线圈产生的磁场磁化铁心，铁心与线圈或者铁心与铁心相互作用而产生转矩。区别:电磁系仪表：测量机构的磁场由通电的固定线圈产生，磁电系仪表：测量机构的磁场由永久磁铁产生。电磁系仪表结构有吸引型、推斥型和吸引－推斥型三种形式。吸引型推斥型一、电磁系仪表的结构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。线圈中的磁场能量为：线圈对铁心的吸引力造成的力矩为：二、电磁系仪表的工作原理21d2ddWLMIdIL被测电流值线圈自感212WLI反作用力矩：由游丝产生，设其反作用力矩系数为D。可动部分平衡时，指针停止转动，此时：DMa221dd2d2dLILIDID2kI电磁系测量机构的读数方程阻尼力矩：一般采用磁感应阻尼。利用阻尼翼片切割永久磁铁的磁场，使翼片中形成涡流，涡流与磁场Ｂ相互作用产生阻尼力矩。因为电磁系仪表的测量线圈磁场很弱，故阻尼磁铁必须用软磁材料屏蔽。电磁系仪表即可测量直流，也可以测量交流量的有效值。如果通以交流电，由于两铁片的极性同时改变，所以仍然产生推斥力。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，三、电磁系仪表技术性能1、使用范围dd21dd)1(21202LILdtiTMTcp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。2、刻度特性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。3、防干扰性能线圈磁场的工作气隙大，磁场相对较弱，受外磁场影响比较明显。磁屏蔽无定位结构特性总结：1．结构简单，价格低廉，过载能力强；3．灵敏度低，准确度低，最高为0.5级，功耗大；4．交直流两用；5．刻度不均匀；6．频率误差大，主要用于工频测量；7．由于本身磁场较弱，抗干扰能力差；磁滞效应：磁场可以将铁块磁化，之后即使磁场消失，铁块的磁力不会回到原来的七点三、电磁系电流表电磁系测量机构可直接作为电流表，只要将被测电流接入固定线圈中即可，可测较大的电流。①单量程电流表：多为开关板式（安装式）。直接接入电路的电磁系电流表，其最大量限不超过200A。测量200A以上的交流电流时，应与电流互感器配合使用，相应电流表的量限均为5A。②双量限表：是将固定线圈分成两段绕制，用金属连接片使其改变两段线圈的连接方式，以达到改变量限的目的。串联，量程为I；并联量程为2I；测量机构的总安匝数为2NI。量程扩大一倍。改变量程：将固定线圈分段，利用各段线圈的串联或并联来改变电流量程。量限的改变用开关来完成。三量程电流表改变量程的原理电路四段串联两两并联再串联四段并联量程为I量程为2I量程为4I电磁系仪表与被测电路并联即可作为电压表测量电压，若要扩大量程，可采用由固定线圈串联附加电阻。电磁式电压表安装式：单量程最大：750V最小：几伏可携式：多量程线圈分段法串并联换接法附加电阻分段法四、电磁系电压表改变电压量程，可改变线圈的附加电阻。但是附加电阻不宜过大，否则通过固定线圈的电流很小，需要增加固定线圈的匝数，使误差增大。改变电压量程第五节电动系仪表用于交流精密测量——交流标准表与电磁系仪表的区别：由可动线圈代替可动铁心。可以消除磁滞和涡流的影响，使准确度提高电动系测仪表具有固定和可动两套线圈可以测量功率、电能一、电动系仪表的结构１、固定线圈分为二段，目的是为了获得较均匀的磁场分布，也便于改换电流量程。可动部分包括:可动线圈、指针、阻尼翼片等。它们均固定在转轴上。游丝既作为产生反作用力矩又作为引导电流的元件。阻尼力矩由空气阻尼装置产生。电动系仪表的结构电动系仪表的结构若把固定线圈绕在铁心上，就构成铁磁电动系仪表。这种仪表优点是：磁场强、转矩大。但由于铁磁材料的磁滞和涡流损耗，会造成误差。铁磁材料因为存在非线性影响故对铁心材料要求较高，多用于安装式仪表。二、电动系仪表的工作原理固定线圈通入直流电I1，产生磁场，磁感应强度为B可动线圈通入直流电I2，可动线圈在磁场中受到电磁力F，并产生偏转。由固定、可动两组线圈所构成的系统，通电后的磁场能量为：间的互感固定线圈与可动线圈之可动线圈的电感固定线圈的电感1221MLL21122222112121IIMILILW二、电动系仪表的工作原理1、可动线圈受到的转动力矩：ddMIIddLIddLIddWM12212221212121磁场能量对可动线圈偏转角度α的导数。即：可动线圈在该力的作用下偏转角度α所做的功等于磁场的能量ddWM由于电动系仪表在结构上进行了处理，可动线圈偏转时L1和L2保持不变。ddMIIM1221二、电动系仪表的工作原理2、反作用力矩：由游丝等产生，设其反作用力矩系数为D有关的电流和与流过两个线圈可动线圈偏转的角度ddMddMIIDDddMIIMMa12122112211DMa考虑交流情况：有关相位差的余弦和的电流有效值、两电流与流过两个线圈角度交流：可动线圈偏转的值矩在一个周期内的平均偏转角度决定于瞬时力瞬时力矩：圈分别通交流电流设：固定线圈和活动线ddMddMIIDddMIIdtddMtItITdtddMiiTdtmTMcpddMiimtItIitItIi