电压和电流的测量(电磁系,磁电系,电动系仪表)

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第十节电工仪表识图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。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FSNF三、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，通过更换输入接头，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1R1-电流端钮；2-电位端钮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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，可推出按量程扩大倍数n求得分流器电阻阻值的关系式。即1nRRcshCII/四、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返回本章首页五、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。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。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。且表耗功率低，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。3,只能用于直流电路若在交流范围使用，必须配整流器。有一磁电系毫伏表，量程为150mv，满偏时的电流为5mA,若将其量程扩大为150v，另若将其改装成3A的电流表，分别该如何做？第三节检流计（1）磁电系检流计是一种高灵敏度仪表，用于测量极微小的电流或电压。（2）磁电系检流计分为动圈式（磁铁固定、线圈可动）和动磁式（永久磁铁可动，线圈绕在固定的铁心上）两种。检流计的标尺不注明电流或电压数值，所以一般只用来检测电流的有无，例如作为电桥或电位差计的指零仪。如需要读出被测量数值，应在实验前测定它的仪表常数。§2.4.1检流计结构原理示意图（3）检流计结构如图：检流计用吊丝代替游丝，动圈3由吊丝1悬挂，吊丝既作为支撑，也产生反作用力矩和引导电流。1－吊丝或张丝，2－反射镜，3－可动线圈，4－磁铁，5－铁心。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。dd212LIM反作用力矩：采用游丝，设其反作用力矩系数为D。当驱动力矩与反作用力矩相等时，指针停止转动，可推出，不同电流产生的驱动力矩与仪表偏转角关系为阻尼力矩：一般采用磁感应阻尼。DMa2dd2ILDI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，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。返回本章首页dd21dd121202LIL)dtiT(MTcp电磁系仪表技术性能改变电压量程改变电流量程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。4.多量程电磁系电压表举例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dddd1221MIIWMM=Madd11221McosIIDΨ作为电流或电压表使用时，如果两线圈通以同一电流，或被测电流的一部分，且互感变化率为常数，则指针偏转角与被测电流平方或被测电压平方成正比，或与交流电流或电压有效值平方成正比。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.可统一使用5A、100V的标准表芯，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，互感器内压降加大，引起输出电压下降，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180°，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、电流电阻，或电平，三极管放大倍数等是电气维修中常用的工具。二、数字万用表的工作原理数字万用表是建立在直流电压的测量基础之上的。图直流数字电压表的基本方框图输入模拟部分数字部分电源输入电路转换器A-D计数器显示器辑电路控制逻功能量程选择输入被测量LCD显示器HVA/D转换LCD驱动V/V转换I/V转换R/V转换参数转换电路UINUIN200mV数字万用表的工作原理电压电流电阻〈200mV)ICL7106被测参数2）参数转换电路数字电压表r1r２０～U0０～Ui0（1）直流电压转换电路数字电压表r1r２０～U0０～Ui0（1）直流电压转换电路数字电压表r1r２０～U0０～Ui0（1）直流电压转换电路（2）交流电压转换电路（以200V档为例）UdUIN=452K1KUIN=Ud452K≈100mV=0.45UX452K=100×0.45452KACuxUIN+UIN-Ud=0.45UXCOMUREF+UREF-C4UINUd数字电压表IN+IN－RUiIiIx900Ω90Ω9Ω0.9Ω0.1Ω(200mV)200μA(200mV)2mA(200mV)20mA(200mV)200mA(200mV)2A（3）直流电流转换电路（I→〈200mV电压）（4）电阻转换电路(以20k挡为例)I·RXI·RREF若RX=RREF则N2=1000，把小数点点在百位即可UREF+UREF-IUin+Uin-C4COMR13+R12+R11R02R03R20RXVUINN2UREF=1000=RXRREFN21000RREF=R13+R12+R11=10kRX=0.01N2（5）二极管正负极测量电路=1mAI=3-0.52.5kV+——COM之间电压U=3VUREF=1K·1mA=1VUINUREF=N2N1V+UREF+UREF-Uin+Uin-COMR12+R11R02R03R20I电压测量的电平表示大家习惯用功率比较的常用对数式，它的电平单位叫做贝尔(Bel)和分贝(dB)，定义如下：在电阻相等的条件下，代入P=V2/R，可得分贝定义的电压电平公式：)/lg(21PPB)/lg(1021PPdB212221lg20lg10VVVVdB由于早期电信用600Ω特性阻抗的架空明线，历史规定“600Ω电阻消耗1mW功率”作为0功率电平参考点。功率电平电压电平)(1lg10mwPdBm775.0lg20VdBm电平表实际就是读数标尺刻写有dBm电压电平的电压表。用电压表的电平档进行测量，刻度为非均匀刻度，（模拟表）0dB对应0.775v第八节直流电位差计一、直流电位差计工作原理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。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。SRSsIRE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为已知从可求出被测电压值。abRSE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的被测电源取用电流，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