第三章 直流电压和电流的测量

——磁电系仪表一、磁电系仪表结构(1)固定部分马蹄形永久磁铁、极掌NS及圆柱形铁心等。(2)可动部分铝框及线圈，两根半轴，螺旋弹簧及指针。极掌与铁心之间的空气隙的长度是均匀的，其中产生均匀的辐射方向的磁场。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仪表的标度尺上作均匀刻度。结论:指针偏转的角度与流经线圈的电流成正比。几种常见的指针式仪表的标尺特性a)均匀刻度标尺b)、c)不均匀刻度标尺3.阻尼作用的产生当线圈由于外电路通入的电流而发生偏转时，铝框切割磁力线，在框内感应出电流（右手定则判断电流方向），该电流再与磁场作用，产生与转动方向相反的制动力（电磁感应，左手定则判断该安培力的方向），于是可转动部分受到阻尼作用，快速停止在平衡位置。4.用途5.优点：刻度均匀；灵敏度和准确度高；阻尼强；消耗电能量小；受外界磁场影响小;工作稳定可靠；制成多量程仪表较容易实现缺点：过载能力小；只能测量直流；结构复杂，成本高。测量直流电压、直流电流及电阻。三、磁电系仪表的主要技术特性1．只能测量直流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。2．刻度均匀磁电系仪表测量机构指针的偏转角与被测电流I的大小成正比，因此仪表的刻度均匀，给准确读数带来了方便。3．准确度,灵敏度高：磁电系仪表测量机构的磁场由永久磁铁提供，工作气隙小，气隙中磁感应强度B很大，即使通入的电流较小，也能产生较大的转矩。4．功耗小（内阻小）由于测量机构内部通过的电流很小，所以仪表消耗的功率也很小。5．过载能力差因为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。四、磁电系直流电流表(一)单量程磁电系直流电流表1．结构：表头与分流电阻并联2．原理1）电工测量原理2）扩大量程原理（分流原理)3.分流器(分流电阻)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。分流电阻一般采用电阻率较大、电阻温度系数很小的锰铜制成。外附分流器：它有两对接线端钮，粗的一对（在外边）“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。规格为75mV,100A的分流器应和额定电压为75mV仪表并联，并联后仪表量程扩大为100AgsRnR11分流器电路其中被称为分流系数。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Rs要越小。sgsgRRRIIn11n多量程分流器电路分流器实物图外附分流器及其接线目前，国家标准规定外附分流器在通入额定电流时，对应的额定电压为30mV、45mV、75mV、100mV、150mV和300mV共六种规格。例如，有一磁电系测量机构的电压量程为100mV，要将其改装成100A的电流表，只要选择额定电压为100mV、额定电流为100A的外附分流器与测量机构并联，就能组成100A的电流表，标度尺也按100A来刻度。外附分流器的使用多量程电流表多量程电流表通常用采用“闭路式分流电路”而不采用“开路式分流电路”扩大量程。如图所示。IgRgR1R2R3I1I2I3K+-图1开路式分流电路图2闭路式分流电路IgRgr1r2r3rmR1R2R3RmI1I2I3Im+-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闭路式分流电路的优缺点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挡都采用了这种分流电路。直流电流表使用方法1．正确选择1）满足仪表的工作条件要求（位置，环境温度和湿度，电磁场条件，零位要求（机械和电气）2）尽量选择低内阻的电流表3）合理选择量程各准确度等级2．正确接线1）注意极性2）应串联在电路中3．正确操作1）换档应停电2）顺序测量4．正确读数1）正对；2）物象重合；3）估算一位五、磁电系直流电压表根据欧姆定律可知，一只内阻为、满刻度电流为的磁电系测量机构，本身就是一只量程为的直流电压表，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。1.直流电压表的组成CCCUIRCRCI串联适当分压电阻后，可使电压量程扩大为此时，通过测量机构的电流仍为，且与被测电压成正比。所以，可以用仪表指针偏转角的大小来反映被测电压的数值。CCCUIR分压电阻的计算设磁电系测量机构的额定电压为VRUCICIU分流电阻的计算公式根据串联电路的特点若令为电压量程扩大倍数，则整理得VCCCCRRURUICVCVCCRRRRRUUm1CVRmR)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的（m－1）倍。CR一只内阻为500Ω、满刻度电流为100μA的磁电系测量机构，要改制成50V量程的直流电压表，应串联多大的分压电阻？该电压表的总内阻是多少？解：先求出测量机构的额定电压UC＝IcRc＝100×10－6×500＝0.05V再求出电压量程扩大倍数100005.050CUUm例题：应串联的分压电阻为Rv=（m－1)Rc＝（1000－1）×500=499500Ω该电压表的总电阻为R＝Rc+Rv＝500＋499500＝500000Ω＝500kΩ分压电阻•分压电阻一般应采用电阻率大、电阻温度系数小的锰铜丝绕制而成。分压电阻也分为内附式和外附式两种。通常量程低于600V时可采用内附式的，以便安装在表壳内部；量程高于600V时，应采用外附式的。外附式分压电阻是单独制造的，并且要与仪表配套使用。2.多量程直流电压表•多量程直流电压表由磁电系测量机构与不同阻值的分压电阻串联组成。•通常采用共用式分压电路。这种电路的优点是高量程分压电阻共用了低量程的分压电阻，达到了节约材料的目的。缺点是一旦低量程分压电阻损坏，高量程电压挡就不能使用。电压灵敏度实际上，电压表的内阻应为测量机构的内阻与分压电阻之和。显然，电压表内阻的大小与电压量程有关。对同一块电压表来讲，其电压量程越高，则电压表内阻越大。但是，各量程内阻与相应电压量程的比值却为一常数，该常数是电压表的一个重要参数，通常在电压表面板的显著位置上标出，称为电压灵敏度，单位是“Ω／V”。电压灵敏度的用途1.表示电压表指针偏转至满刻度时取自被测电路的电流值；2.能方便地计算出该电压表各量程的内阻。例如，一直流电压表的电压灵敏度为20kΩ／V。它表示测量直流电压，当指针偏转至满刻度时，取自被测电路的电流为1V／20000Ω=50μA，在10V挡时电压表内阻为10×20000=200kΩ。可见，电压灵敏度的意义是：电压灵敏度越高，相同量程下电压表的内阻越大，取用被测电路的电流越小，对被测电路的影响越小，测量准确度也越高。使用直流电压表的步骤和方法1．根据实际电路情况合理选择直流电压表（准确度等级,量程，内阻）并机械调零1）合理选择准确度等级（根据测量结果的误差要求选择）2）合理选择量程，如一时无法确定，可先把电压表的量程置于最大挡位进行测量，然后逐步减小量程。3）尽量选择内阻大的电压表（电压表的内阻应远远大于被测负载电阻）4）机械调零（防零误差）2．正确接线1）注意直流电压表连接极性（防反偏损坏指针）2）直流电压表应并联在电阻两端（不能串联）3．正确操作1）注意高压测量时的绝缘（安全距离，监护人，测量人）2）测量高电压时切换量程应断开电路（防触头电弧）4．正确读数(数字式仪表读数方便)1）根据量程和刻度计算分格常数（量程/总格数）2）读数时视线应垂直刻度尺或有镜面时应在物象重合处读数3）有效数字（读数时应估算一位）