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1、1,电工仪表与测量,第一讲：指针式电工仪表,2,问题的提出,1、一般电工仪表能测量多大电流？多高电压？2、5KHZ的正弦交流用什么表测量？非正弦呢？3、绝缘电阻如何测量？4、指针式表如何测量误差最小？5、指针式三用表内部的电池起什么作用？6、数字表能否测量非正弦量？7、指针式表与数字式表相比较，各有何特点？8、什么叫智能仪表？相关技术说明书能否看懂？,3,第一章 电工仪表 的分类和指针式电工仪表,1.1 电工测量与电工仪表 1.1.1 电工测量 所谓测量，是指用实验的方法，将被测量（未知量）与已知的标准量进行比较，以得到被测量大小的过程；是对被测量定量认识的过程。电工测量是用被测的未知电量与同
2、类标准电量进行比较的过程。电工测量的对象是电阻、电流、电压、功率、功率因数、电能等。电工仪表具有测量迅速、构造简单、准确可靠等优点。常用电工仪表的分类1指针式仪表 指针式仪表简称为指针表，常见的有直流表、交流表、交直流两用表等。,4,2数字式仪表 数字式仪表简称为数字表，主要通过摸拟量/数字量（A/D）的转换来测量随时间连续变化的摸拟量。数字表目前又有数字表和智能表之分。数字表的分类常按被测量物理量和其“位数”或“字”来分。3较量式仪表 较量式仪表与指针式仪表的测量原理不同，进行测量时，将被 测量与已知 标准量进 行比较，但最终确定被测量的大小不依 靠指针表读数。其测 量误差很容易 做到低于万
3、 分之一。如电桥。,5,1.2 指针式电工仪表的组成和工作原理 1.2.1 组成：指针式仪表=测量机构+测量线路+读数装置1 测量机构 测量机构大都由固定部分（磁铁或线圈）和可动部分（线圈或软磁铁片）两大部分组成，这两部分通过电磁力的相互作用来产生转动力矩带动指针偏转指示电量，故常称这类仪表为机电式电工仪表。,6,2 测量线路 测量线路是把被测量x（如电流、电压、相位、功率等）转换为测量机构可以直接接受的过渡量y（如电流），并保持一定变换比例的组合部分。3 读数装置 读数装置由指示器和标尺（又称刻度盘）组成。指示器有指针式和光标式两种。指针式指针用铝或玻璃纤维制成，重量极轻。指针又分刀形和矛形
4、。刀形指针要近观细看，多用于便携式仪表中，以利取得精确读数。矛形指针远看醒目，用于大、中型安装式仪表中，便于一定距离之外读取指示值。光标式结构比较复杂。标尺是画有刻度的表盘，0.5级以上在标尺下安装反光镜。,7,。,指针表的测量原理：,指针表测量机构的基本工作原理 测量机构=固定部分+可动部分 固定部分是以表盘、支架和较重的磁电系统为主；可动部分以转轴、指针和磁电系统为主。两者通过电磁力的相互作用来产生作用力矩，构成驱动机构，给出偏转指示。,8,1.转矩装置 为了使可动部分的偏转角反映被测电量的大小，测量机构必须具有产生转动力矩的装置。不同类型的仪表，产生转动力矩的原理和方式也不相同。转动力矩
5、M的大小与被测量X(或过渡量y)及偏转角之间必须满足某种函数关系即有 M f（x,）2.反作用力矩装置 在可动部分的转轴上必须装有反作用力矩装置。其产生的反作用力矩（也称为控制力矩）用于控制可动部分的偏转。反作用力矩装置一般用游丝、张丝、吊丝等组成而产生。,9,用游丝产生反作用力矩的装置：当被测量一定时，测量机构的转动力矩M也是一定的，可动部分在这个力矩的作用下开始偏转。随着偏转角的增大，反作用力矩M也不断增大，直到反作用力矩M与 转动力矩M平衡即 M M,1指针 2轴 3平衡锤 4游丝 5调零器,用游丝产生反作用力矩的装置示意图,10,当被测量增大时，测量机构的转动力矩M也随之增大，上式力矩
6、平衡关系被破坏，可动部分又开始转动而使偏转角继续增大，于是反作用力矩见也随之增大，直到力矩达到新的平衡状态为止。3.阻尼装置 仪表通电后由于有惯性，当偏转到M M的平衡位置时不能马上停下来，而要继续偏转。要经过一段时间才能稳定在平衡位置上。为了减少可动部分摆动的时间以利尽快读数，仪表中必还必须有阻尼装置，用来消耗可动部分的动能，即限制可动部分的摆动。常用的仪表阻尼装置，有空气阻尼器和磁感应阻尼器两种，如图1-3所示。,11,图1-3 阻尼器（a）空气阻尼器（b）磁感应阻尼器 1阻尼器盒 2、3阻尼片 4永久磁铁,图1-4 磁感应阻尼器工作原理,12,1.2.3 指针式仪表表盘上常用的符号及意义
7、,13,14,1.3 指针式仪表的主要技术要求*足够的准确度*适当的灵敏度*较少的功率损耗*良好的标尺特性*较小的阻尼时间*较强的过载能力*频率范围宽*绝缘耐压能力强*环境和使用条件适应性强 1.3.1 指针式仪表的准确度 指针式仪表准确度，通常就是指仪表的准确度级别。它表示仪表在正确和正常使用下所具有的最大引用误差。选用仪表的准确度要与测量所要求的准确度相适应。,15,1.3.2 指针式仪表的灵敏度和仪表常数 将指针式仪表的指针或光点偏转角的变化量与被测量的变化量之比称为仪表的灵敏度，其表达式为 S d/dX 格/伏式中：S为仪表灵敏度，为偏转角 X为被测量。它是单位被测量的偏转角。常将灵敏
8、度的倒数称为仪表常数，用C表示，即C 1/S 如将1A电流通入微安表，若偏转10格，则其灵敏度S为10格/A。仪表的偏转角范围为0 90或0 110。在有限的偏转范围内，灵敏度越高就意味着量限越小。不同类型仪表其灵敏度有时相差很大。仪表灵敏度反映了仪表所能测量的最小被测量。,16,1.3.3 指针式仪表的功耗 当指针式仪表接入被测电路时，经测量线路和测量机构会消耗一些功率，这称为仪表功耗。它由仪表的类型和结构决定。仪表消耗的功率对电路的影响，通常可通过仪表内阻来表示：电流表用它们的满标电压降，电压表用满标的电流或每伏欧姆数表示。选择仪表时仪表的内阻也是要考虑的一个主要因素：对于电流表应有尽可能
9、小的内阻抗，对于电压表应有尽可能大的内阻抗；功率表应具有以上两者的有利因素才能使功耗尽可能小。1.3.4 指针式仪表的标尺特性 由于各种系列的仪表结构和工作原理不同，指针式仪表的标尺刻度特性也不相同。标尺刻度有线性和非线性(或均匀和不均匀)两大类。标尺刻度的不均匀性，使得某些仪表刻度的起始部分无法准确读数,在这些部分往往成了无效区，打一个小圆点以示分界。下图所示为几种指示仪表的标尺特性。,17,图15 指示仪表的标尺特性 图16 指示仪表的均匀标尺读数精度（a）均匀刻度标尺（b）、（c）不均匀刻度标尺,18,1.3.5 指针式仪表的阻尼时间 阻尼时间是指仪表的指针或光点从被测量加入或去掉时的初
10、始位置到最终稳定位置所需的时间。一般仪表为了读数迅速，其阻尼时间越短越好，通常规定不超过4s，较好的仪表约为l.5s左右。1.4 磁电系仪表 1.4.1 磁电系仪表测量机构的结构及工作原理1.结构 磁电系仪表测量机由固定的磁路系统和可动部分组成，其结构如下图所示。,19,磁电系测量机构,1永久磁铁2极掌 3圆柱形铁芯4可动线圈5游丝 6指针,20,磁电系测量机构阻尼装置,利用铝框架的电磁感应作用来实现阻尼，见下图。,21,2工作原理 磁电系测量机构是利用通电线圈在磁场中受到电磁力作用的原理制成的。设气隙中磁感应强度为B，线圈电流为I，在气隙场中的每边长度为L，每匝边受力为F，则 FB I L（
11、11）若通电线圈另两边每边长度各为a，线圈匝数为n，活动线圈所受的转动力矩M为 M nFa n B l L a（13）游丝所产生的反力矩M为 M D（14）两者平衡时 M M（15）,22,即 D n B l L a 于是 n B l L a/D 对于某一种型号仪表的n、B、L、a、D都是常数，故N B L a/D 也是常数，令 Sin B a L/D 则 Si I（19）就有 Si/I Si称为磁电系仪表的灵敏度，它表示单位被测量所对应的偏转角。,23,1.4.2 磁电系仪表测量机构的特点及和应用1.特点（1）刻度均匀：由式(1-9)可见（2）准确度、灵敏度高：电流量限量小到可达1微安。（3
12、）功率消耗小：由于测量机构内部通过的电流很小。（4）过载能力小：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，所以过裁时很容易引起游丝的弹性发生变化和烧毁线圈。（5）只能测量直流电：因为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。,24,2.应用(1)作直流电流表：(2)作直流电压表：(3)作为常用仪表的测量机构：如万用表、欧姆表、兆欧表、热偶系仪表、整流系仪表、电子系仪表等的测量机构都是磁电系的。(4)作检测微电流的微安表或作为指零仪表：(5)作交流电压表：但测得的是交流量的平均值响应，而且只对正弦交流有效，误差也较大。,25,图19 吸引型测量机构 图1
13、10吸引型测量机构工作原理1固定线圈 2-可动铁片 3指针4阻尼片 5游丝 6阻尼器 7磁屏,1.5 电磁系仪表1.5.1 电磁系仪表测量机构的结构及工作原理 电磁系仪表根据结构形式的不同分为吸引型和排斥型两种,26,2吸引型测量机构的工作原理 吸引型测量机构是利用线圈通入交（直流）电流时，产生一定方向的转矩带动指针偏转而指示被测量。其电磁力矩是通电线圈与被磁化的铁片相互作用产生的。线圈内的磁场强度与线圈电流的平方成正比，即瞬时力矩由电流i的平方决定。活动部分在被测电流变化一个周期内的平均力矩则决定于电流i的平方在一个周期内的平均值(也即被测电流的有效值I)的平方。由线圈内的线圈磁势IN（安匝
14、数）越大，则线圈的磁场也越强，吸力就越大。转矩为 M Ki(IN)2(110)式中Ki是一个与线圈、铁片尺寸和形状 及它们间的相对位置有关的系数，N为线圈匝数，I可以是直流电流，也可以是交流电流的有效值。,27,电磁系仪表测量机构转矩与游丝的反作用力矩平衡时，M M 即 Ki（IN）2 D 则 Ki（IN）2/D 或 K（IN）2（112）式中 K Ki/D 是一个常系数，D是游丝的反作用力矩系数。式（112）说明电磁系测量机构的偏转角与被测电流I的平方成正比，故可以用其指针的偏转角来表示被测量的大小。,28,1.5.2 电磁系仪表测量机构的特点及的应用1特点（1）过载力强；（2）交直流两用；
15、（3）标尺刻度不均匀；（4）受外磁场影响大；2应用（1）作交流电流表、电压表较多，一般只能用于800Hz以下的电路。（2）测量直流参数及问题：电磁系测量机构线圈内部有动铁片(铁磁物质)，所以有磁滞和涡流现象，这就造成直流读数由于正负端不同而不完全一致。,29,应用,（a）线圈串联（b）线圈并联 图111 双量程电磁系交流电流表,图112 电磁系交流电压表原理,30,图111电动系测量机构,1.6 电动系仪表1.6.1 电动系仪表测量机构的结构及工作原理1.结构,1固定线圈 2可动线圈 3指针 4阻尼片 5游丝 6阻尼盒,31,2.工作原理 当定圈和动圈分别通入电流i1、i2时，动圈受到定圈的磁
16、场对它的作用力而产生偏转。设：ilI1m sint i2I2m sin(t-)则动圈受到的瞬时转动力矩 MK（）i1*i2 K（）I 1m sint*I2m sin（t-)K（）I 1 I2 cos K（）I 1 I2 cos（2t-)式中第二项在一个周期内平均值为零，故 MK（）I1I2 cos,32,由式（15）M M D 可知：K（）I1I2 cos/D K（）I1I2 cos（113）1.6.2 电动系仪表测量机构的特点及工作应用1特点（1）准确度高 电动系测量机构内部没有铁磁物质，不产生磁滞误差，因此它的准确度可以达级。（2）测量范围广 不仅可交直流两用，而且可以测量非正弦电流的有效
17、值；工作频率为152500HZ。(3)标尺刻度均匀 电动系测量机构标尺刻度均匀。(4)读数易受外磁场影响 因固定线圈内部是空气，磁阻大，故工作磁场很弱。为了消除外磁场的影响，线圈系统要采用磁屏蔽方式。(5)过载能力小 进入可动线圈的电流要经过游丝，如果电流过大，游丝将变质或烧断。,33,2应用和注意事项（1）作交流电压表、电流表:将动圈和定圈串联，其时流经线圈的电流 i1=i2,且0（同相），由式（1-13）可知，此时=K()I1 I2 可见偏转角与电流由成平方律关系。但刻度特性与电磁系表一样，仍是非线性的。起始部分刻度很密而不易读准确。因此与磁电系仪表一样，在电动系仪表标尺的起始端常标有一黑
18、点，表明黑点以外的部分不宜使用。（2）作功率表:应将电动系测量机构的定圈和负载串联；动圈和附加电阻R串联后再与负载并联，如图1-12和图1-13所示，i1I,i2u/R活动部分偏转角=k UI COS,34,图1-12 电压端纽前接 图1-13电压端纽后接,用电动系测量机构来测量的功率时要下面几点：a.接线时要注意端纽的极性。功率表有两对端纽，一对定圈引出端纽是电流端纽；一对动圈引出端纽（是动圈串联附加电阻后的端纽）是电压端纽。两对端纽各有一个端纽上标有(或*)的符号它的发电机端可接在电源侧（称电压端前接）如图112 也可接在负载侧（称电压端后接）如图113。,35,b.功率表的指示值是电流线
19、圈的电流量限和电压线圈电压量限的乘积。由功率表的指示是按照UIcos表征的，所以当电压电流间的相位差较大时仪表的指示值可能很小，而电压电流的有效值却可能很大。但是功率表的电压、电流线圈也和一般的电压表、电流表一样有一定的允许范围，使用时要注意即使仪表指示值不大(甚至接近零值)，但电压、电流线圈还是有可能过已过载，因此通常要用电压表和电流表进行监视。c.若测量中出现反偏转而无法读数，则有可能是负载发出功率，此时可将电流线圈发电机端接于负载端，此时恢复正常偏转。但测量的功率为应记为负（表明是负载发出功率）。,36,1.7 整流系仪表（设计三用表时讲）1.8 兆欧表1.8.1 兆欧表的结构和工作原理
20、 兆欧表又称为摇表，用于测量电气设备的绝缘电阻。由于绝缘电阻阻值很大，因此标尺分度用“兆欧”作单位而称为兆欧表。1.结构=电动系比率表测量机构+直流手摇发电 近年来兆欧表也有采用于电池给振荡器供电，经过倍压整流等半导体电路来代替手摇发电机的。但手摇发电机简单可靠而广泛使用。发电机电压一般为5005000V。,37,图119 兆欧表的结构示意图 1动圈 2动圈 3永久磁铁 4极掌,如图119所示，兆欧表有两个相互位置固定而安装在同一转轴上的可动线圈，其中之一产生转矩，另一线圈产生反作用力矩。动圈的电流由柔软的无反抗力矩的金属导流丝作为引流，因此动圈位置是任意的。,38,图120兆欧表的原理电路
21、Rc1、Rc2-动圈电阻 G手摇发电机 Rc、Rv-附加电阻 Rx待测电阻,I1U/(Rc1 RC Rx)I2U/(Rc2 RV),39,两个动圈在I1和I2作用下所产生方向相反的力矩均与动圈位置有关，即有 M1B1 S1 1 I1 I1 fl()M2B2 S2 2 I2 I2 f2()式中，Sl、S2和1、2均为常数；气隙中B是位置的函数。当力矩平衡时M1M2，线圈停止转动，此时有 I1 fl()I2 f2()即 I1/I2 f2()/fl()f()取反函数 F（I1/I2）F（R02 RV）/(R01 RC Rx)兆欧表也称为比率表或流比计。,40,1.8.2 兆欧表的特点（1）指针的随意
22、性（2）工作电压高（3）比一般仪表多了一个“G”接线端。1.8.3 兆欧表的使用(1)用兆欧表测量设备的绝缘电阻时，必须先切断电源。对具有较大电容的设备(如电容器、变压器、电机、电缆线路等)，必须先进行放电。(2)兆欧表应放在水平位置，在未接线之前，先摇动兆欧表手柄看指针是否在“”处，再将“L”和“B”两个接线柱短路，慢慢地摇动兆欧表，看指针是否在“0”处。,41,(3)测量电容器、电缆、大容量变压器和电机的绝缘电阻时，被测对象要有一定的充电时间，电容量越大；充电时间应越长，一般以兆欧表转动一分钟后测出的读数为准。(4)在摇测绝缘时，应使兆欧表保持额定转速，一般为120rmin 20%。当被测
23、设备电容量较大时，为了避免指针摆动，可将转速提高到l30rmin。(5)测量时三个接线端钮中分别标有L（线路）、E（接地）（或被测物的接地外壳）、G（屏蔽）。其中“L”接在被测物和大地绝缘的导体部分，“E”接在被测物的外壳或大地，“G”接在被测物的屏蔽环上。（6）根据电气设备额定电压来选表。例如，500V以下的设备一般用500V摇表；高压瓷瓶、母线、刀闸一般用25005000V摇表。,42,1.9 指针式万用表。指针式万用表的结构和工作原理 1.结构=测量机构+测量线路+量程转换开关（1）测量机构：测量机构采用高灵敏度的磁电系测量机构，其满偏电流为几微安到几十微安，准确度在05级以上。（2）测
24、量线路：测量线路能将各种待测电量,转换为磁电系测量机构能接受的直流电流。（3）转换开关：转换开关是万用表实现多种电量、多种量程切换的元件，通常将活动触头称为“刀”，固定触头称为“掷”，万用表需切换的线路较多，因此采用多刀掷转换开关。,43,2.工作原理（1）直流电流的测量：万用表测量直流电流采用分流的方法，原理线路见图114。（2）直流电压的测量：万用表直流电压测量线路，采用分流的方法，原理线路见图115。,图114,图115,44,（3）交流电压的测量 由于万用表测量机构采用磁电系测量机构，测量交流电压必须采用AC/DC转换装置。原理线路见图116。（4）交流电流的测量 万用表测量交流电流除
25、用AC/DC整流式转换装置外，,图116 交流电压测量电路,45,（5）电阻的测量 万用表电阻测量线路，通常采用被测电阻与表头及内附电池串联的电路，如图117 所示。在该电路中流过表头的电流为：IX E/(Rr)a.当Rx0(S置于位置1)b.当Rx(S置于位置2),图117 电阻测量原理图,46,欧姆刻度与电流、电压刻度是相反的，而且是不均匀的，如图1-18所示。,c.如果Rx r 则 Im E/2r 1/2 I0 即仪表电路的总电流等于满偏电流I。的一半。,图118 欧姆表刻度标尺,47,只有在被测电阻等于欧姆中心值时误差才最小。只有在一般被测电阻的0.110倍欧姆中心值范围内读数才较准确
26、。否则将造成很大的读数误差。为此万用表的电阻测量线路都做成多量程电路，为了共用一条标尺，一般都以R1档为基础，按10的倍数来扩大量程。如R1，R10，及100，及1k，及10k等。而各量程档的欧姆中心值Rt(即仪表总内阻)也按10的倍数扩大。当增大仪表总内阻后，流过表头的电流势必减少，在R0时，不能使指针指到欧姆零刻度。为此在扩大量程同时还需增大表头电流。增大表头电流常用的方法是在高阻档另接入一个电压较高的电池。,48,指针式万用表的特点（1）多用途多量限 万用表测量交、直流电流、电压；测量电阻；大部分表还附有测量晶体管参数等功能。（2）灵敏度高。灵敏度是万用表主要特性之一,它表示万用表在电压
27、测量满度值时取自被测电路的电流值。显然满量程电流愈小的测量机构灵敏度愈高，测量电压时表的内阻愈大，对被测电路的正常工作状态影响愈小。万用表的灵敏度用每伏电压的内阻V表示。（3）准确度较低。的测量机构准确度较高，在0.5级以上，但组成万用表后由于测量线路等综合误差，准确度降低为级。,49,注意事项：（1）万用表是多用途多量限的仪表。在测量之前一定要检查所测电量与量限是对应；量程是否足够大，看清该读哪条标尺。(2)电阻挡在使用之前先要进行调零。（3）在使用电阻档时要注意万用表的“”端是接内附电他的负极，即对被测电阻而言，“”端是电流流入仪表的端纽，这点在测量有极性元件时要特别注意。（4）在测电阻时要注意不要两手同时握住待测元件的两端，以免人体的电阻并联到被测电阻上引起误差，尤其在测高阻元件时其所引起的误差可能很大。,50,#附：常见的各种指针式仪表参数比较表：,#附：常见的各种指针式仪表参数比较表：,
