电流与电压的测量

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。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直流电压和电流的测量1.用磁电系仪表直接测量2.用直流电位差计测量电压交流电压和电流的测量1.用整流式仪表直接测量2.用电磁系仪表直接测量3.用电动系仪表直接测量4.用静电系仪表测量电压5.用交流电位差计测量电压6.测量用互感器一、磁电系测量机构结构:固定部分包括：永久磁铁、极掌、圆柱形铁心等。可动部分包括：游丝、铝框、转轴、指针等。测量机构的结构和磁场分布如图所示。第二节磁电系仪表磁电系仪表的结构磁电系测量机构的磁路系统有三种形式，即外磁式、内磁式和内外磁式。在外磁式结构中，永久磁铁在可动线圈的外部；在内磁式结构中，永久磁铁在可动线圈的内部，这样可以节约磁性材料，而且体积小、成本低、对外磁泄漏少，近年来被广泛使用。因为内外磁式结构中可动线圈的内、外部都有永久磁铁，故磁性更强，结构可以做得更紧凑。图磁电系测量机构的磁路系统a）外磁式b）内磁式c）内外磁式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：二、磁电系仪表工作原理ISIDBNsDBlINrMMIa2CUCUSRUDBNsIDBNsl2rIIBFFFNS磁电系测量机构的工作原理如下图所示。先分析作用于可动部分的力矩。工作原理㈠转动部分的力矩1.转动力矩：驱使指针转动。线圈通电时产生的作用力F=BlI·N产生的驱动力矩M=F·2r=2BlINr令：K1=BSN（S=2lr为线圈面积），则M=K1·I02212TdiF=NBilm=FrBliNriMmdtBlINrT动圈中流过电流为时，线圈与磁场方向垂直的每边导线受到的电磁力为：作用在线圈上的瞬时转动力矩为：若为周期电流，由于活动部分有惯性，来不及随瞬时转动力矩而改变，因此其偏转位置取决于平均转动力矩：2.反作用力矩：与转动力矩平衡而使指针停留在确定位置。力矩的方向与转动力矩方向相反。Mα=Dα可见，反作用力矩与指针的偏转角α成正比。式中：α—指针偏转角度D—由游丝弹性决定的常数。3.阻尼力矩：磁电式仪表的阻尼力矩是利用绕有线圈的铝框产生的。用来使由于惯性的作用而使指针的摆动尽快停止，而稳定在某一位置。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。阻尼力矩由铝框中的感应电流与磁场相互作用而产生的阻尼力矩，如图所示。BFFIPIPFPFP图2-3产生阻尼力矩的示意图阻尼力矩的特点：(1)阻尼力矩只有在指针偏转过程中存在；(2)阻尼力矩不影响转动力矩和反作用力矩的平衡；(3)阻尼力矩过大或过小使指针达到稳定的时间都比较长，只有在临界阻尼使指针达到稳定的时间最短，但临界阻尼点不易确定，因此，一般将阻尼力矩设计在微欠阻尼状态。㈡指针偏转角与线圈电流的关系当反作用力矩与转动力矩平衡时，指针会停留在某一α角处。因此有Dα=K1·IMα=M所以指针偏转角结论：磁电系测量机构的指针偏转角α与通过可动线圈的电流成正比。SI——电流灵敏度11IKISIDKBSN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。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。表耗功率低，对被测电路的影响小。所以磁电系仪表应用广泛三、特点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。因为内部永久磁铁产生的磁场方向恒定，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量，则由于电流方向不断改变，转动力矩也是在交变，可动的机械部分来不及反应，指针只能在零位附近摆动而得不到正确读数。若在交流范围使用，必须配整流器。4.过载能力弱被测电流是通过游丝导入和导出的，又加上动圈的导线很细，所以过载时很容易引起游丝的弹性发生变化和烧毁可动线圈。磁电系仪表的应用1.磁电系直流电流表由于磁电系直流电流表测量机构的灵敏度高，用它可以制成测量微弱信号的微安表和毫安表，配上合适的分流电阻(测量电路)，它也可以制成大到测量几十安培电流的安培表。2.磁电系直流电压表磁电系仪表测量机构串联上适当的附加电阻就将被测的电压量转换成与之成比例的小电流，这个电流通过测量机构的可动线圈就能指示被测的电压量。由于磁电系仪表测量机构有比较高的灵敏度，所以用它组装成的电压表也有比较高的内阻。3.磁电系直流微安表或指零仪表磁电系仪表测量机构构成的直流微安表及指零仪表常用于电位差计和电桥的检流计。4.作为其他常用仪表的测量机构磁电系仪表测量机构可作为其他常用仪表的测量机构，如电阻表、绝缘电阻表、热偶系仪表，尤其在万用表、整流系仪表等中被广泛采用。四、磁电系电流表及其扩程方法磁电系电流表的构成量限的扩大和分流器的计算1、磁电系电流表的构成直接用磁电式测量机构测量电流的最简单电路如所示。（1）用电磁系测量机构测电流的简单电路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。表头只能作微安表或毫安表，因为线圈的导线很细，电流又要流过游丝，过大的电流会因发热而烧坏线圈的绝缘或使游丝过热而变质、失去弹性。所以，要测量毫安以上电流时，需采用分流电阻扩大量程。（2）单量程磁电系电流表RcIshIcRsh单量程电流表的基本电路I如图所示，在表头上并联一个分流电阻Rsh，测量时，被测电流大部分都通过分流电阻，只有小部分通过表头。它们的关系是：或当电流扩大为I=nIc时，其中被称为量程扩大倍数。可见欲将表头量程扩大到n倍,分流电阻应为表头内阻的。量程I越大,分流电阻Rsh要越小。shcccshcRRIRIRRshcshcRIIRR11shcRRnshccshRRInIR11n例：一磁电系测量机构，满刻度电流为200μA，可动线圈内阻为300Ω，若要把满刻度电流扩大到0.5A，应并联多大的分流电阻？解：60.52500200103000.12125001ccshInIRRn2、量限的扩大和分流电阻的计算多量程磁电系电流表的分流电阻计算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R1IgRgR1R2R3I1I2I3K+-图(a)独立分流电阻电路(1)开、闭路式分流电路图(b)闭路式分流电路IgRgr1r2r3R1R2R3I1I2I3+-开路式分流电路的优点是各量程间相互独立、互不影响，分流电阻计算方便，调整也方便。缺点是其转换开关的接触电阻包含在分流电阻中，可能引起较大的测量误差。特别是当转换开关触头接触不良，导致分流电路断开时，被测电流将全部流过测量机构使之烧毁。开路式分流电路的优缺点IgRgR1R2R3I1I2I3K+-图(a)独立分流电阻电路(1)开、闭路式分流电路图(b)闭路式分流电路IgRgr1r2r3R1R2R3I1I2I3+-闭路式分流电路的缺点是各个量程之间相互影响，计算分流电阻较复杂。但其转换开关的接触电阻处在被测电路中，而不在测量机构与分流电阻的电路里，因此对分流准确度没有影响。特别是当转换开关触头接触不良而导致被测电路断开时，保证不会烧坏测量机构。目前绝大多数模拟式万用表的直流电流档都采用了这种分流电路。闭路式分流电路的优缺点图（b）中的电阻r1、r2、r3与表头串联接成闭合回路，最大量程为I1，最小量程为I3，并用R1、R2、R3分别表示不同量程时的分流电阻，则最低量程的总分流电阻为式中，Ic是表头灵敏度，是最低量程的分流系数。33gIIn(2)分流电阻的计算3331ccccIRRRIIn33cIIn图(b)闭路式分流电路IcRcr1r2r3R1R2R3I1I2I3+-量程为I1时有：R1（I1-Ic）=（R3-R1+Rc）Ic整理得：R1I1=（R3+Rc）Ic量程为I2时有：R2（I2-Ic）=（R3–R2+Rc）Ic整理得：R2I2=（R3+Rc）Ic量程为I3时有：R3（I3-Ic）=RcIc整理得：R3I3=（R3+Rc）Ic可见：各量程电流与该量程的分流电阻乘积相等。(3)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。分流器接线法使用电流表应注意的事项（1）电流表必须串入电路；（2）注意电流表的极性，要求电流从电流表的“+”端流入，从“-”端流出；（3）正确选择仪表的量程，测量时尽量使指针在半偏以上，以减小测量误差；（4）选择内阻合适的仪表，希望电流表内阻越小越好。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UUadUcRcIcRadR▲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。mm1madcadccadccccadadcccadcUIRUUUUURRIIRRRUURRRR＋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。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，应并联多大的附加电阻？解：3000.0660m10000.06(1)(10001)300299.7ccccadcUIRVUURmRk-6先求出测量机构的压降＝=20010▲电压表各量限的内阻与相应电压量限的比值为一常数，通常称为电压灵敏度SU，单位为“Ω/V”，其实，它就是表头满偏电流的倒数，即它是电压表的一个重要参数，常常在电压表的刻度盘上标明。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。如量程