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常用电工仪表


常用电工仪表
主讲人:

常用电工仪表

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内容提要
本章对万用表的工作原理、操作使用方法 进行重点介绍;对电流表、电压表、钳形电流 表、兆欧表、接地电阻测定仪、功率表、电度 表等的测量原理及使用方法逐一分析和介绍。

1.1

常用电工仪

表知识

? 测量电流、电压、功率等电量的指示仪表,称为电工测量仪表。 ? 1.1.1 电工仪表的基本组成和工作原理 ? 基本组成框图如图3.1所示:

图3.1 电工指示仪表基本组成框图

? 基本工作原理:测量线路将被测电量或非电量转换成测量机构能 直接测量的电量时,测量机构活动部分在偏转力矩的作用下偏转。 同时,测量机构产生反作用力矩的部件所产生的反作用力矩也作 用在活动部件上,当转动力矩与反作用力矩相等时,可动部分便 停止下来。指出被测量的大小。

1.1.2 常用电工仪表的分类
? 按仪表的工作原理不同,可分为磁电式、电磁式、电 动式、感应式等; ? 按测量对象不同,可分为电流表(安培表)、电压表 (伏特表)、功率表(瓦特表)、电度表(千瓦时 表)、欧姆表以及多用途的万用表等; ? 按测量电流种类的不同,可分为单相交流表、直流表、 交直流两用表、三相交流表等; ? 按使用性质和装置方法的不同,可分为固定式(开关 板式)、携带式; ? 按测量准确度不同,可分为0.1、0.2、0.5、1.0、 1.5、2.5、5.0共七个等级。

1.1.3 电工仪表的精确度
? 指在规定条件下使用时,可能产生的基本误差占满刻 度的百分数。 ? 测量准确度的七个等级中,数字越小,仪表精确度越 高,基本误差越小。 ? 0.1级到0.5级的仪表,精确度较高,常用于实验室 作校检仪表。 ? 1.5级以下的仪表,精确度较低,通常用作工程上的 检测与计量。

1.2 电流表与电压表
? 电流表又称为安培表,用于测量电路中的电流。 ? 电压表又称为伏特表,用于测量电路中的电压。 ? 按其工作原理的不同,分为磁电式、电磁式、电动式三种类型, 其原理与结构分别如图3.2(a)、(b)、(c)所示。

图3.2 电流表、电压表的原理与结构 (a)磁电式 (b)电磁式 (c)电动式

1.2.1 结构与工作原理
? 1.磁电式仪表的结构与工作原理 结构:主要由永久磁铁、极靴、铁心、活动线圈、游丝、指针等 组成。 工作原理:当被测电流流过线圈时,线圈受到磁场力的作用产生 电磁转矩绕中心轴转动,带动指针偏转,游丝也发生弹性形变。当 线圈偏转的电磁力矩与游丝形变的反作用力矩相平衡时,指针便停 在相应位置,在面板刻度标尺上指示出被测数据。 2.电磁式仪表的结构与工作原理 结构:主要由固定部分和可动部分组成。以排斥型结构为例,固 定部分包括圆形的固定线圈和固定于线圈内壁的铁片,可动部分包 括固定在转轴上的可动铁片、游丝、指针、阻尼片和零位调整装置。

仪表的结构与工作原理
工作原理:当固定线圈中有被测电流通过时,线圈电流的磁 场使定铁片和动铁片同时被磁化,且极性相同而互相排斥,产生 转动力矩。定铁片推动动铁片运动,动铁片通过传动轴带动指针 偏转。当电磁偏转力矩与游丝形变的反作用力矩相等时,指针停 转,面板上指示值即为所测数值。 ? 3.电动式仪表的结构与工作原理 结构:由固定线圈、可动线圈、指针、游丝和空气阻尼器等 组成。 工作原理:当被测电流流过固定线圈时,该电流变化的磁通 在可动线圈中产生电磁感应,从而产生感应电流。可动线圈受固 定线圈磁场力的作用产生电磁转矩而发生转动,通过转轴带动指 针偏转,在刻度板上指出被测数值。

1.2.2 电流的测量
? ? ? ? ? 测量电流时,电流表必须与被测电路串联。 1. 交流电流的测量 通常采用电磁式电流表。 在测量量程范围内将电流表串入被测电路即可,如图3.3所示。 测量较大电流时,必须扩大电流表的量程。可在表头上并联分流 电阻或加接电流互感器,其接法如图3.4所示。

图3.3 交流电流的测量

图3.4 用互感器扩大交流电流表量程

2.直流电流的测量
? 通常采用磁电式电流表。 ? 直流电流表有正、负极性,测量时,必须将电流表的正端钮接被 测电路的高电位端,负端钮接被测电路的低电位端,如图3.5所 示。 ? 被测电流超过电流表允许量程时,须采取措施扩大量程。对磁电 式电流表,可在表头上并联低阻值电阻制成的分流器,如图3.6 所示。 ? 对电磁式电流表,可通过加大固定线圈线径来扩大量程。也可将 固定线圈接成串、并联形式做成多量程表,如图3.7所示。

图3.5 直流电流的测量

图3.6 用分流器扩大量程

电磁式电流表扩大量程

图3.7 电磁式电流表扩大量程

1.2.3 电压的测量
? ? ? ? 测量电压时,电压表必须与被测电路并联。 1.交流电压的测量 测量交流电压通常采用电磁式电压表。 在测量量程范围内将电压表直接并入被测电路即可,如图3.8所 示。 ? 用电压互感器来扩大交流电压表的量程,如图3.9所示。

图3.8

交流电压的测量

图3.9

用互感器扩大交流电压表量程

2. 直流电压的测量
? 通常采用磁电式电压表。 ? 直流电压表有正、负极性,测量时,必须将电压表的正端钮接被 测电路的高电位端,负端钮接被测电路的低电位端,如图3.10所 示。 ? 在电压表外串联分压电阻扩大量程 ,如图3.11所示。

图3.10 直流电压的测量

图3.11 串分压电阻扩大量程

1.3 万用表
? 以MF30型指针式万用表和DT840型数字式万用表为例,了解其结 构和性能,学会使用万用表正确测量电压、电流、电阻等基本电 量的方法,熟悉有关使用的注意事项。 ? 3.3.1 指针式万用表 ? 1.指针式万用表的结构 ? 主要由表头、测量线路、转换开关三部分组成。外形结构如图 3.12所示。 ? 使用指针式万用表,主要注意下面几点: ? (1)使用前,应将表头指针调零。 ? (2)测量前,应根据被测电量的项目和大小,将转换开关拨到合适 的位置。 ? (3)测量完毕,应将转换开关拨到最高交流电压档,有的万用表 (如500型)应将转换开关拨到标有“.”的空档位置。

MF30型万用表的外形结构

图3.12 MF30型万用表的外形结构

2. 交流电压的测量
? (1)测量前,将转换开关拨到对应的交流电压量程档。 如果事先不知道被测电压大小,量程宜放在最高档, 以免损坏表头。 ? (2)测量时,将表笔并联在被测电路或被测元器件两 端。严禁在测量中拨动转换开关选择量程。 ? (3)测电压时,要养成单手操作习惯,且注意力要高 度集中。 ? (4)由于表盘上交流电压刻度是按正弦交流电标定的, 如果被测电量不是正弦量,误差会较大。 ? (5)可测交流电压的频率范围一般为45HZ∽1000HZ, 如果超过范围,误差会增大。

3. 直流电压的测量
? 测量方法与交流电压基本相同,但要注意下面二点: ? (1)与测量交流电压一样,测量前要将转换开关拨到 直流电压的档位上,在事先不清楚被测电压高低的情 况下,量程宜大不宜小;测量时,表笔要与被测电路 并联,测量中不允许拨动转换开关。 ? (2)测量时,必须注意表笔的正负极性。红表笔接被 测电路的高电位端,黑表笔接低电位端。若表笔接反 了,表头指针会反打,容易打弯指针。如果不知道被 测点电位高低,可将表笔轻轻地试触一下被测点。若 指针反偏,说明表笔极性反了,交换表笔即可。

直流电流、电阻的测量
? 4. 直流电流的测量 ? (1)测量时,万用表必须串入被测电路,不能并联。 ? (2)必须注意表笔的正、负极性。测量时,红表笔接电路断口高 电位端,黑表笔接低电位端。 ? (3)在不清楚被测电流大小情况下,量程宜大不宜小。严禁在测 量中拨动转换开关选择量程。 ? 5. 电阻的测量 ? (1)正确选择电阻倍率档,使指针尽可能接近标度尺的几何中心, 可提高测量数据的准确性。 ? (2)严禁在被测电路带电的情况下测量电阻。 ? (3)测量时,直接将表笔跨接在被测电阻或电路的两端,注意不 能用手同时触及电阻两端,以避免人体电阻对读数的影响。 ? (4)测量热敏电阻时,应注意电流热效应会改变热敏电阻的阻值。

1.3.2 数字式万用表
? 1.数字式万用表的结构 ? DT840型数字式万用表的 面板结构如图3.13所示。

图3.13 DT840型数字式万用表的面板结构

数字万用表的使用
? 2.直流电压、交流电压的测量 ? 先将黑表笔插入COM插孔,红表笔插入V/Ω 插孔,然后将功能 开关置于DCV(直流)或ACV(交流)量程,并将测试表笔连接 到被测源两端,显示器将显示被测电压值。 ? 如果显示器只显示“1”,表示超量程,应将功能开关置于更高的 量程(下同)。 ? 3.直流电流、交流电流的测量 ? 先将黑表笔插入COM插孔,红表笔需视被测电流的大小而定。如 果被测电流最大为2A,应将红表笔插入A孔;如果被测电流最大 为20A,应将红表笔插入20A插孔。再将功能开关置于DCA或 ACA量程,将测试表笔串联接入被测电路,显示器即显示被测电 流值。

数字万用表的使用
? 4.电阻的测量 ? 先将黑表笔插入COM插孔,红表笔插入V/Ω 插孔(注意:红表 笔极性此时为“+”,与指针式万用表相反),然后将功能开关 置于OHM量程,将两表笔连接到被测电路上,显示器将显示出被 测电阻值。 ? 5.二极管的测试 ? 先将黑表笔插入COM插孔,红表笔插入V/Ω 插孔,然后将功能 开关置于二极管档,将两表笔连接到被测二极管两端,显示器将 显示二极管正向压降的mV值。当二极管反向时则过载。 ? 根据万用表的显示,可检查二极管的质量及鉴别所测量的管子是 硅管还是锗管 。 ? (1)测量结果若在1V以下,红表笔所接为二极管正极,黑表笔 为负极; ? (2)测量显示若为550∽700mV者为硅管;150∽300mV者为锗管。

数字万用表的使用
? (3)如果两个方向均显示超量程,则二极管开路;若两个方向均 显示“0”V,则二极管击穿、短路。 ? 6.晶体管放大系数hFE的测试 ? 将功能开关置于hFE档,然后确定晶体管是NPN型还是PNP型,并 将发射极、基极、集电极分别插入相应的插孔。此时,显示器将 显示出晶体管的放大系数hFE值 。 ? (1)基极判别 ? 将红表笔接某极,黑表笔分别接其它两极,若都出现超量程或 电压都小,则红表笔所接为基极;若一个超量程,一个电压小, 则红表笔所接不是基极,应换脚重测。 ? (2)管型判别 ? 在上面测量中,若显示都超量程,为PNP管;若电压都小 (0.5∽0.7V),则为NPN管。

数字万用表的使用
? (3)集电极、发射极判别 ? 用hFE档判别。在已知管子类型的情况下(此处设为NPN管), 将基极插入B孔,其它两极分别插入C、E孔。若结果为hFE= 1∽10(或十几),则三极管接反了;若hFE=10∽100(或更大), 则接法正确。 ? 7.带声响的通断测试 ? 先将黑表笔插入COM插孔,红表笔插入V/Ω 插孔,然后将功 能开关置于通断测试档(与二极管测试量程相同),将测试表笔 连接到被测导体两端。如果表笔之间的阻值低于约30Ω ,蜂鸣器 会发出声音。

1.4 钳形电流表
? 通常, 当用电流表测量负载电流时, 必须把电流表串联在电路中。 但当在施工 现场需要临时检查电气设备的负载情况或线路流过的电流时, 如果先把线路断开, 然后把电流表串联到电路中, 就会很不方便。 此时应采用钳形电流表测量电流, 这样就不必把线路断开, 可以直接测量负载电流的大小了。

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3.4.1 结构和工作原理 外形结构如图3.14所示。测量部分主要由一只电磁式电流表和穿心式电 流互感器组成。穿心式电流互感器铁心做成活动开口,且成钳形,。

图3.14 钳形电流表的外形结构

钳形电流表
? 原理:当被测载流导线中有交变电流通过时,交流电流的磁通在 互感器副绕组中感应出电流,使电磁式电流表的指针发生偏转, 在表盘上可读出被测电流值。 ? 3.4.2 使用方法 ? 1.测量前,应检查指针是否在零位,否则,应进行机械调零。 ? 2.测量时,量程选择旋钮应置于适当位置,以便测量时指针处于 刻度盘中间区域,减少测量误差。 ? 3. 如果被测电路电流太小,可将被测载流导线在钳口部分的铁心 上缠绕几圈再测量,然后将读数除以穿入钳口内导线的根数即为 实际电流值。 ? 4. 测量时,将被测导线置于钳口内中心位置,可减小测量误差。 ? 5. 钳形表用完后,应将量程选择旋钮放至最高档.

1.5 兆欧表
? ? ? ? 一种测量电器设备及电路绝缘电阻的仪表。 3.5.1 结构和工作原理 外形如图3.15(a)所示。主要包括三个部分:手摇直流发电机(或交 流发电机加整流器)、磁电式流比计、接线桩(L、E、G)。 工作原理可用图3.15(b)来说明。

图3.15 兆欧表的外形和工作原理示意图 (a)外形 (b)工作原理

1.5.2 使用方法 ? 1. 测量前的检查 ? (1)检查兆欧表是否正常。 ? (2)检查被测电气设备和电路,看是否 已切断电源。 ? (3)测量前应对设备和线路进行放电, 减少测量误差。 ?

2.使用方法
?

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1.选择兆欧表 通常兆欧表按其额定电压分为500、1000、2500、5000V几种。应根据 被试设备的额定电压来选择兆欧表,兆欧表的额定电压过高,可能在测 试中损坏被试设备绝缘。一般来说,额定电压为1000V以下的设备,选 用1000V的兆欧表; 额定电压为1000V及以上的设备, 则用2500V兆欧表。 2.检查兆欧表 使用前应检查兆欧表是否完好。检查的方法是:先将兆欧表的接线端 子间开路,按兆欧表额定转速(约每分钟120转)摇动兆欧表手柄,观察表 计指针,应该指“∞”;然后将线路和地端子短路,摇动手柄,指针应 该指“o”。如果兆欧表的指示不对,则需调换或修理后再使用。 3.对被试设备断电和放电 对运行中的设备进行试验前,应确证该设备已断电,而后还应对地充 分放电。对电容量较大的被试设备(如发电机、电缆、大中型变压器、 电容器等), 放电时间不少于2 min。

?

接线
? ? ? 4. 按前述的接线方法进行接线。接线中, 由兆欧表到被试物的 连线应尽量短,线路与地端子的连线间应相互绝缘良好。 5.摇测绝缘电阻和吸收比 保持兆欧表额定转速,均匀摇转其手柄,观察兆欧表指针的指示, 同时记录时间。分别读取摇转15s和60s时的绝缘电阻R15"和R60"。 如前所述, R60"/R15"的比值即为被试物的吸收比。通常以R60" 作为被试物的绝缘电阻值。读数完毕以后,应先将兆欧表线路端子 的接线与被试物断开,然后再停止摇转;若线路端子接线尚未与被 试物断开就停止摇转,有可能由于被试物电容电流反充电而损坏兆 欧表。在试验大容量设备时更要注意这一点。 6.对被试物放电 测量结束后,被试物对地还应进行充分放电,对电容量较大的被 试设备,其放电时间同样不应少于2min。 7.记录 记录的内容包括被试设备的名称、编号、铭牌规范、运行位置, 验现场的湿度以及摇测被试设备所得的绝缘电阻值和吸收比值等。

? ? ? ? ?

1.5.2 使用方法
? 4.注意事项 ? (1)禁止在雷电时或高压设备附近测绝缘电阻,只能 在设备不带电,也没有感应电的情况下测量。 ? (2)摇测过程中,被测设备上不能有人工作。 ? (3)摇表线不能绞在一起,要分开。 ? (4)摇表未停止转动之前或被测设备未放电之前,严 禁用手触及。拆线时,也不要触及引线的金属部分。 ? (5)测量结束时,对于大电容设备要放电。 ? (6)要定期校验其准确度。

1.5.3 兆欧表的选用
? 选用兆欧表主要考虑它的输出电压及测量范围。
? 被测对象 表3-1 兆欧表选择举例 被测设备或线路额定电压(V) 500V以下 线圈的绝缘电阻 电机绕组绝缘电阻 变压器、电机绕组 绝缘电阻 电器设备和电路绝缘 500V以上 500V以下 500V以上 选用的摇表(V) 500 1000 1000 1000∽2500

500V以下
500V以上

500∽1000
2500∽5000

1.6 接地电阻测定仪
? 又称接地摇表,主要用于测量电气系统、避雷系统等接地装置的 接地电阻和土壤电阻率。 ? 以ZC-8型接地电阻测定仪为例介绍其结构、工作原理、使用方法. ? 外形及附件如图3.16所示。

图3.16 ZC-8型接地电阻测定仪外形及附件

1.6.1 结构和工作原理
? 结构:ZC-8型接地电阻测定仪由高灵敏度的检流计G、交流发电 机M、电流互感器LH及调节电位器RP、测量用接地极E、电压辅 助电极P、电流辅助电极C等组成。 ? 原理:交流发电机M以120r/min 的速度转动时,产生90HZ∽98HZ 的交变电流i,通过互感器LH的 原边、接地极E、电流辅助电极 C形成回路。在接地电阻RX上产 生电压降i RX,其电位分布如图 3.17中EP段曲线所示。通过PC 之间地电阻RC产生的电压降i RC 的电位分布如图3.17中曲线PC 所示。
图3.17 ZC-8型接地电阻测定仪原理电路

接地电阻测量
?

设电流互感器比率为k,则副绕组中电流为k i,在调节 电位器RP上产生电压k i RP。由图3.17 可看出,检流 计G所测电压实际是k i RP和i Rx之间的电位差。调节 RP,使检流计指示为零,则有 k i RP=i RX RX=k RP (3.4) 可见,所测得的接地电阻值,就是互感器比率与 调节电位器RP阻值的乘积。

1.6.2 使用方法
? ZC-8型接地电阻测定仪测量连接如图3.18所示。

图3.18 接地电阻测量连接示意图

接地电阻测量
? 测量方法: ? 1. 将仪表水平放置,对指针机械调零,使其指在标度尺红线上。 ? 2. 将量程(倍率)选择开关置于最大量程位置,缓慢摇动发电 机摇柄,同时调整“测量标度盘”,使检流计指针始终指在红线 上,这时,仪表内部电路工作在平衡状态。当指针接近红线时, 加快发电机摇柄转速,使其达到额定转速(120r/min),再次调 节“测量标度盘”,使指针稳定在红线上,所测接地电阻值即为 “测量标度盘”读数(RP)乘以倍率标度。 若“测量标度盘”读数小于1,应将量程选择开关置于较小一 档,重新测量。 ? 3. 可用ZC-8型接地电阻测定仪测量导体电阻:先用导线将P1、 C1接线桩短接,再将被测导体接于E(或P2、C2短接的公共点)与 P1之间,其余步骤与测量接地电阻相同。 4. 用ZC-8型接地电阻测定仪还可测土壤电阻率,具体操作见仪 器说明书。

电桥
? 电桥在电磁测量中应用广泛, 其特点是灵 敏度和准确度都比较高。 在需要精确测量 中值电阻和低值电阻时往往采用电桥。 ? 1) 电桥的种类及用途 ? 电桥可分为交流电桥和直流电桥。 ? 2) 直流单臂电桥 ? (1) 直流单臂电桥的工作原理。

c

直流单臂电桥的电路原 理如图所示。 它由四个 电阻连接成一个封闭的 环形电路, 每个电阻支 a 路均称为桥臂。 电桥的 两个顶点a、 b为输入端, 接供桥直流电源; 另两 个顶点c、 d为输出端, 接电流检流计(指零 仪)。

(R1) Rx

I1 P

R2 Ig I2 b I3

R4

I4

R3 d

I

R

E

直流单臂电桥的电路原理

? (2) 直流单臂电桥的使用方法。 ? 直流单臂电桥的型号很多, 但使用方法 基本相同。 下面以常用的QJ23型直流单臂电桥 为例, 讲述直流单臂电桥的使用方法。 ? QJ23型直流单臂电桥的电路如图2.24所示, 其比例桥臂由八个电阻组成, 一般有七个挡位, 分别为×0.001、 ×0.01、 ×0.1、 ×1、 ×10、 ×100、 ×1000七种比率, 由倍率开关切换。

0.999 ?
-3 10

8.902 ? SB 1 Rx 81.009 ?
-1 10 -2 10

409.09 ? 9× ? 1 9× ? 10 R4 9× 100 ? 9× 1000? P 409.09 ? 10 81.009 ?
2 10

1

8.902 ?
3 10

0.999 ?

4.5 V

10?

SB 2

QJ23型直流单臂电桥电路

使用QJ23型直流单臂电桥测量电阻的步骤如下:

① 使用前先将检流计锁扣打开, 并调节其调零装置使指 针指示在零位。 ② 用万用表粗测一下被测电阻, 先估计一下它的大约数 值。 ③ 选择适当的倍率。 ④ 用短粗导线将被测电阻Rx接在测量接线柱上, 连接处 要拧紧。 ⑤ 读数, 计算电阻值, 被测电阻值=比较桥臂读数盘电 阻之和×倍率。 ⑥ 测量完毕, 先松开检流计按钮, 再松开电源按钮。

(3) 使用直流单臂电桥时的注意事项如下: ① 为了测量准确, 在测量时选择的倍率应使比较桥臂电 阻的四个读数盘都有读数。 ② 测量时, 电桥必须放置平稳; 被测电阻应单独测量, 不能带电测试。 ③ 由于接头处接触电阻和连接导线电阻的影响, 直流单 臂电桥不宜测量电阻值小于 1 Ω的电阻。

④ 测量时, 连接导线应尽量用截面较大、 较短的导线, 以减小误差; 接线必须拧紧,如有松脱, 电桥会极端 不平衡, 使检流计损坏。 ⑤ 电池电压不足会影响电桥的灵敏度, 当发现电池不足 时应调换。 ⑥ 测量完毕, 应先打开检流计按钮, 再打开电源按钮, 特别当被测电阻具有电感时, 一定要遵守上述规则, 否则会损坏检流计。 ⑦ 测量结束不再使用时, 应将检流计锁扣锁上, 以免检 流计受震损坏。

3) 直流双臂电桥 直流双臂电桥又称为凯尔文电桥, 它主要 用于测量1 Ω以下的小电阻, 如测量电流表的 分流器电阻、 电动机或变压器绕组的电阻以 及其他不能用单臂直流电桥测量的小电阻。 它可以消除接线电阻和接触电阻的影响。 (1) 直流双臂电桥的工作原理。 (2) 直流双臂电桥的使用方法。

R1 Ⅰ I1
? R1

a

R2 Ig Ⅱ ? R2 I1

I3 Rs Cs1 Ps1 Is P s2 Cs2

b Ⅲ Is-I3 R0

I3 Rx C1 P1 Is P 2 C2

I

E

R

直流双臂电桥电路原理

双臂电桥测量电阻的步骤如下: ① 先将被测电阻的电流接头和电位接头分别与 接线柱C1、 C2和P1、 P2连接, 其连接导线应 尽量短而粗, 以减小接触电阻。 ② 根据被测电阻范围, 选择适当的倍率挡, 然后接通电源和检流计。 ③ 调节读数盘, 使检流计指示为零, 则电桥 处于平衡状态, 此时即可读取被测电阻值。

(3) 使用直流双臂电桥时的注意事项如下: ① 被测电阻的每一端必须有两个接头线, 电位接头应比 电流接头更靠近电阻本身, 且两对接头线不能绞在一 起。 ② 测量时, 接线头要除尽污物并接紧, 尽量减少接触电 阻, 以提高测量准确度。 ③ 直流双臂电桥的工作电流很大, 如使用电池测量时操 作速度要快, 以免耗电过多。 测量结束后, 应立即切 断电源。

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