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电压和电流的测量(电磁系,磁电系,电动系仪表)


Electrical Measure

第二章
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电流与电压的测量
电流与电压的测量方法 磁电系仪表 磁电系检流计 电磁系仪表 电动系仪表 测量用互感器 万用电表 直流电位差计 电流表与电压表的使用 电工仪表识图

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节

第七节 第八节 第九节 第十节

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

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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

F
M ? Ma 2 BlINr ? D? BNs I ? SI I D F 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

N

S

??

BNs BNs U C ?? I? ? SU U C D D R

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。

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

1-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

R sh Rc I c Rc ? I Rsh ? Rc
如用 n 表示比值 I / I C ,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 Rc Rsh ? n ?1

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 Rad Rc Uc 后,可将电压量程扩大为 ,则 与 的关系可由下式求 Uc U U 得

Uc U ? ? Ic Rc ? Rad Rc

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用 m 表示比值U ,其值 c 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 Rad ? (m ? 1) Rc

U

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。 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)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。

§2.4.1 检流计结构原理示意图
(3)检流计结构如图:
1 -吊丝或张丝,2-反 射镜,3-可动线圈, 4-磁 铁,5-铁心。 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。

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。 1 2 dL M? I 2 d?

反作用力矩:采用游丝,设其反作用力矩系数为D。 M a ? 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

? ?

I dL 2 I 2 D d?

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,
M cp 1 1 ? ( 2 T

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。

?

T

0

i 2dt)

dL 1 dL ? I2 d? 2 d?

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电磁系仪表技术性能
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。

改变电压量程

改变电流量程

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

dW dM 12 可动线圈所受的驱动力矩为 M? ? I1I 2 d? d? 1 dM 12 M=Ma ? ? I 1 I 2 cos Ψ D d?
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,

1 2 1 2 W ? L1 I1 ? L2 I 2 ? M 12 I1 I 2 2 2

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
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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 高压部分 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。 低压部分 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。

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。

U1 E1 N1 KU ? ? ? U 2 E2 N 2
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。

I1 N 2 KI ? ? I 2 N1

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
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内部结构示意

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。
模拟部分 输入 电路 A-D 转换器 数字部分

输入

计数器

显示器 电源

辑电路 控制逻

图 直流数字电压表的基本方框图

数字万用表的工作原理
参数转换电路
输入 功 能 量 程 选 择 R/V转换 I/V转换 V/V转换
UIN

LCD显示器
HV

A/D 转 换

LCD 驱 动

被测量

UIN<200mV

2)参数转换电路

电压 电流 电阻 〈200mV) ICL7106

被测参数

(1)直流电压转换电路

0~Ui0

r1
0~U0

r2

数字电压表

(1)直流电压转换电路

0~Ui0

r1
0~U0

r2

数字电压表

(1)直流电压转换电路

0~Ui0

r1
0~U0

r2

数字电压表

(2)交流电压转换电路(以200V档为例)

AC

Ud=0.45UX UREF+

Ud

UIN Ud
ux UIN C4 UINCOM

=

452K 1K Ud 452K 0.45UX 452K 100×0.45 452K

UREFUIN+

UIN = =

=

100mV ≈

(3)直流电流转换电路(I→〈200mV电压)
(200m V ) 200 μ A
IN+ R
数字电压表

I x

Ii

Ui

900 Ω 90 Ω
IN-

(200m V ) 2m A (200m V ) 20m A (200m V ) 200m A (200m V ) 2A



0. 9Ω 0. 1Ω

(4)电阻转换电路(以20k挡为例)
V UREF+ I· RX I· RREF
R13+R12+R11

UIN

I
R20

UREFR02 R03

UREF RX
RREF

= =

N2 1000 N2 1000

Uin+
RX
C4

RREF= R13+R12+R11 Uin-

COM

= 10k RX=0.01N2

若RX= RREF则N2=1000,把小数点点在百位即可

(5)二极管正负极测量电路
V+
I
R20 R12+R11 R02 R03

UREF+ UREF-

V+——COM之间电压 U = 3V I = 3-0.5 2.5k =1mA

Uin+

UREF=1K·1mA=1V UIN = N2 N1

UinCOM

UREF

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:

B ? lg( P dB ? 10 lg( P 1/P 2) 1/P 2) ? 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:
V12 V1 dB ? 10 lg 2 ? 20 lg V2 V2

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1 mW 功率”作为0功率电平参考点。 P ? 功率电平 dBm ? 10 lg 1(mw) ? 电压电平
?

V dBm ? 20 lg 0.775

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 RS 相互补 偿,使 IRS 。

Es ? IRS

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 Es E x ? IRab ? Rab Rs 为已知从 Rab 可求出被测电压值。 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 Ra 和 RS 能 得到一个稳定的压降。
ES RS

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。 E 2.采用高准确度的元件:在式 E X ? S Rab RS 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% 。

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,以求得正确值。

二、选择仪表准确度
要根据测量误差要求,选择仪表的准确度和 相应配套扩程设备的准确度,例如选用互感器的 准确度要比仪表本身的准确度高出2~3倍。

三、选择量程
要根据被测量的大小选择仪表的量程,一般不要 使用标尺的前四分之一段。

四、选择内阻
要根据被测电路的阻抗大小,选择仪表的内阻, 避免接入时影响电路状态。

五、选择工作条件
要根据使用环境,选择适合该环境使用的电压 电流表,如是否要求防尘、防爆。

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第十节

电工仪表识图

电工仪表常见的表面标记符号


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