《电工仪表及应用.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工仪表及应用.ppt（56页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第13章 电工测量,13.4 电压的测量,13.1 电工测量仪表的分类,13.2 电工测量仪表的型式,13.3 电流的测量,13.6 功率的测量,13.7 兆欧表,13.5 万用表,13.8 用电桥测量电阻、电容与电感,13.9 非电量的电测法,本章要求：1.了解常用电工测量仪表的结构和工作原理。2.掌握常用电工测量仪表的使用方法。3.了解电桥测量电阻、电容和电感的方法。4.了解常用非电量的电测法。,第13章 电工测量,电路中的各个物理量（如电压、电流、功率、电能及电路参数等）的大小，除用分析与计算的方法外，常用电工测量仪表去测量。,电工测量技术的应用主要有以下优点：,第13章 电工测量,1.
2、电工测量仪表的结构简单，使用方便，并有足够的精确度。,2.电工测量仪表可以灵活地安装在需要进行测量的地方，并可实现自动记录。,3.电工测量仪表可实现远距离的测量问题。,4.能利用电工测量的方法对非电量进行测量。,13.1 电工测量仪表的分类,1.按照被测量的种类分类,2.按照工作原理分类,3.按照电流的种类分类（见上表）,4.按照准确度分类,最大基本误差,仪表的最大量程（满标值）,目前我国直读式电工测量仪表按照准确度分为0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七级。,准确度是电工测量仪表的主要特性之一。,准确度较高（0.1，0.2，0.5）的仪表常用来进行精密测量或校正其他仪表。
3、,相对额定误差,准确度是电工测量仪表的主要特性之一。仪表的准确度是根据仪表的相对额定误差来分级的。,例：一准确度为2.5级的电压表，其最大量程为50V，,正常情况下,可认为最大基本误差是不变的,所以被测量值比满标值愈小，则相对测量误差就愈大。,如用上述电压表来测量实际值为10V的电压时，相对误差为,测量实际值为40V的电压时，相对误差为,在选用仪表的量程时，一般应使被测量的值超过仪表满标值的一半以上。,则可能产生的最大基本误差为,电工测量仪表上的几种符号,134.2 电工测量仪表的型式,直读式仪表测量各种电量的基本原理 利用仪表中通入电流后产生电磁作用，使可动部分受到转矩而发生转动。转动转矩与
4、通入的电流之间有,T=f(I),1）产生转动转矩 T 的部分 使仪表可动部分受到转矩而发生转动。,3）阻尼器 能产生制动力（阻尼力）的装置，使仪表可动部分能迅速静止在平衡位置。,直读式仪表的基本组成部分,2）产生阻转矩TC 的部分 当阻转矩TC等于转动转矩T 时，仪表可动部分平衡在一定的位置。,13.2 电工测量仪表的型式,13.2.1 磁电式仪表,1.结构,螺旋弹簧,(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O和O，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。,2.工作原理,(1)转动转矩T 的产生
5、,(2)阻转矩TC的产生,在线圈和指针转动时，螺旋弹簧被扭紧而产生阻转矩TC。,线圈通入电流 I 电磁力 F,线圈受到的转矩 T=k1I,线圈通入电流 I 电磁力 F 线圈受到转矩 T 线圈和指针转动，,弹簧的TC与指针的偏转角成正比，即 TC=k2,当弹簧的阻转矩T与线圈受到的转矩TC达到平衡时，可动部分停止转动，此时有,T=TC,当弹簧阻转矩与转动转矩达到平衡即TC=T 时，可转动部分便停止转动，T=k1I，TC=k2。,仪表的标度尺上作均匀刻度。,3.阻尼作用的产生,当线圈通入电流而发生偏转时，铝框切割磁通，在框内感应出电流，其电流再与磁场作用，产生与转动方向相反的制动力，于是可转动部分
6、受到阻尼作用，快速停止在平衡位置。,即指针的偏转角,结论:指针偏转的角度与流经线圈的电流成正比。,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。缺点：只能测量直流；价格较高；不能承受较大过载。,测量直流电压、直流电流及电阻。,13.2.2 电磁式仪表,1.结构,主要部分是固定的圆形线圈、线圈内部有固定的铁片、固定在转轴上的可动铁片。,2.工作原理,仪表的转动转矩 T=k I,弹簧的阻转矩 TC=k2,弹簧的阻转矩TC与指针的偏转角 成正比，即,当 T=TC 时，可动部分停止转动，,即指针的偏转角,结论:指针偏转的角度与直流电流或交流电流 有效值的平方
7、成正比。,线圈通入电流 I 磁场,线圈通入电流 I 磁场 固定和可动铁片均被磁化(同一端的极性是相同的),可动片因受斥力而带动指针转动，,交流为有效值,因指针的偏转角度与直流电流或交流有效值平方成正比，所以仪表标度尺上的刻度是不均匀的。,与轴相联的活塞在小室中移动产生阻尼力 空气阻尼器。,3.用途,4.优点：构造简单；价格低廉；可用于交直流；能测量较大的电流；允许较大的过载。缺点：刻度不均匀；易受外界磁场及铁片中磁滞和涡流（测量交流时）的影响，因此准确度不高。,测量交流电压、交流电流。,13.2.3 电动式仪表,1.结构,有两个线圈：固定线圈和可动线圈。可动线圈与指针及空气阻尼器的活塞都固定在
8、轴上。,2.工作原理,固定线圈中的电流 I1(i1)磁场 可动线圈中的电流 I2(i2)与磁场相互作用电磁力 F 线圈受到转矩 T 线圈和指针转动，,仪表的转动转矩通入直流时，T=k1I1I2,通入交流时，T=k1I1I2cos,i1和i2的有效值,i1和i2之间的相位差,弹簧的阻转矩 TC=k2,弹簧的阻转矩TC与指针的偏转角 成正比，即,当 T=TC 时，可动部分停止转动，,即指针的偏转角,结论:指针偏转的角度与两个电流(对交流为有效值)的乘积成正比。,仪表的转动转矩 通入直流时，T=k1I1I2,通入交流时，T=k1I1I2cos,=kI1I2（直流）,=kI1I2 cos（交流）,i1
9、和i2之间的相位差,4.优点：可用于交直流；准确度较高。缺点：受外界磁场影响大；不能承受较大过载。,3.用途 测量交直流电压、电流及功率。,13.3 电流的测量,电流表的内阻要很小。,测量直流电流通常用磁电式电流表，,若要扩大电流表的量程，可在测量机构上并联一个分流电阻 RA。,电流表应串联在电路中，,式中：R0 测量机构的电阻 RA 分流器的电阻,测量直流电流通常用磁电式电流表，测量交流电流通常用电磁式电流表。,由,可得，分流电阻,可知，需扩大的量程愈大，则分流电阻应愈小。,例:有一磁电式电流表，当无分流器时，表头的满标值电流为5mA，表头电阻为20。今欲使其量程（满标值）为1A，问分流器的
10、电阻应为多大？,13.4 电压的测量,表的内阻要很高。,测量直流电压通常用磁电式电压表，,若要扩大电压表的量程，可在测量机构上串联一个倍压电阻 RV。,电压表应并联在被测电路两端，,式中：R0 测量机构的电阻 RV 倍压器的电阻,测量直流电压通常用磁电式电压表，测量交流电流通常用电磁式电压表。,由,可得，串联电阻,可知，需扩大的量程愈大，则串联电阻应愈大。,例:有一电压表，其量程为50V，内阻为2000。今欲使其量程扩大到300V，问还需串联多大电阻的倍压器？,13.5.1 磁电式万用表,用来测量直流电流、直流电压、交流电压和电阻等,1.直流电流的测量,RA1 RA5是分流器电阻，改变转换开关
11、的位置，就改变了分流器的电阻，从而改变了电流的量程。量程愈大，分流器电阻愈小。,13.5 万用表,直流调整电位器,13.5 万用表,13.5.1磁电式万用表,用来测量直流电流、直流电压、交流电压和电阻等,2.直流电压的测量,RV1 RV3构成倍压器电阻，改变转换开关的位置，就改变了倍压器的电阻，从而改变了电压的量程。量程愈大，倍压器电阻愈大。,3.交流电压的测量,磁电式仪表只能测量直流，如果要测量交流，需加整流元件，如图中D1和D2。,正半周时，电流流经D1和部分电流流经微安表流出。,负半周时，电流直接流经D2从“+”端流出。,可见，通过微安表的是半波电流，读数应为该电流的平均值。,可见，通过
12、微安表的是半波电流，读数应为该电流的平均值。为此，加一交流调整电位器（图中600），用来改变表盘刻度；指示读数被折换为正弦电压有效值。,可见，通过微安表的是半波电流，读数应为该电流的平均值。为此，加一交流调整电位器（图中600），用来改变表盘刻度；指示读数被折换为正弦电压有效值。普通万用表只适合测量频率为451000Hz的电压。,4.电阻的测量,测量电阻时，需接入电池，被测电阻愈小，电流愈大，则指针偏转的角度愈大。,注意：(1)测量前应先将“+”、“-”两端短接，看指针是否指在零，否则应调节调零电位器（图中 1.7k电阻）进行校正。,(2)绝对不能在带电线路上测量电阻。用毕应将转换开关转到高电
13、压档。,MF-30型万用表的面板图,13.5 万用表,零欧姆调整,机械零位调整,转换开关,14.5.2数字式万用表,今以DT-830型数字万用表为例来说明它的测量范围和使用方法。,1.测量范围,（1）直流电压分为五档:200mV,2V,20V,200V,1000V。,（2）交流电压分为五档:200mV,2V,20V,200V,750V。,（3）直流电流分为五档:200V,2 mA,20mA,200mA,10A。,（4）交流电流分为五档:200V,2 mA,20mA,200mA,10A。,（5）电阻分为六档:200,2k,20k,200k,2M,20M,13.5.2数字式万用表,DT-830型万
14、用表的面板图,2.面板说明,(2)电源开关：使用时将开关置于“ON”位置；使用完毕置于“OFF”位置。,(3)转换开关：用以选择功能和量程。根据被测的电量(电压、电流、电阻等)选择相应的功能位；按被测量程的大小性选择合适的量程。,(4)输入插座：将黑色测试笔插入“COM”的插座。红色测试笔有如下三种插法，测量电压和电阻时插入“V”插座；测量小于200mA的电流时插入“mA”插座；测量大于200mA的电流时插入“10A”插座。,(1)显示器：显示四位数字，最高位只能显示1或不显 示数字，算半位，故称三位半（）。最大指示为 1999或-1999。当被测量超过最大指示值时，显示“1”或“-1”。,1
15、3.6 功率的测量,13.6.1 单相交流和直流功率的测量,通常用电动式仪表来测量功率,功率表的接线图,负载,固定线圈：匝数少，导线粗，与负载串联，作为电流线圈。,可动线圈：匝数多，导线细，与负载并联，作为电压线圈。,工作原理：,I2正比U，且可认为i2与u同相,所以：,13.6 功率的测量,13.6.2 三相功率的测量,在三相三线制中，广泛采用两功率表来测量三相功率。,两功率表测量三相功率,工作原理：,三相瞬时功率：,所以，p=uA iA+uB iB+uC(iA iB)iC=(uA uC)iA+(uB uC)iB=uAC iA+uBC iB=p1+p2,p=pA+pB+pC=uA iA+uB
16、 iB+uC iC,因为，iA+iB+iC=0,可见，三相功率可用两个功率表来测量。,式中 为uAC和iA之间的相位差。,式中 为uBC和iB之间的相位差。,两功率表读数之和为 P=P1+P2=UAC IA cos+UBC IB cos,当负载对称时，,P1=UAC IA cos,=Ul Il cos(30),P2=UBC IB cos,=Ul Il cos(30+),由相量图可知，两功率表的读数为,两功率表读数之和为 P=P1+P2=Ul Il cos(30)+Ul Il cos(30+),可见，采用两表法可测量三相功率。,当 60时，P1和P2 均为正值，P=P1+P2,当 60时，P1为
17、正值，P2为负值，P=P1 P2,三相功率应是两个功率表读数的代数和，其中任意一个功率表的读数是无意义的。,实用中，常用一个三相功率表（二元功率表）代替两个单相功率表来测量功率，,13.7 兆欧表,兆欧表：用于检查电机、电器及线路的绝缘情况和测量高值电阻。,1.结构,兆欧表构造示意图,两个线圈固定在同一轴上且相互垂直。一个线圈与电阻R串联，另一个线圈与被测电阻Rx串联，两者并联接于直流电源。,永久磁铁,线圈,手摇直流发电机,磁场是不均匀的,2.工作原理,在测量时，通过线圈的电流,线圈受到磁场的作用，产生两个方向相反的转矩，,f1()和 f2()分别为两个线圈所在处的磁感应强度与偏转角之间的函数
18、关系。,T1=k1 I1 f1(),T2=k2 I2 f2(),仪表的可动部分在转矩的作用下发生偏转，直到两个线圈产生的转矩平衡。,2.工作原理,当两个线圈产生的转矩平衡时，有 T1=T2,即 k1 I1 f1()=k2 I2 f2(),上式表明，偏转角 与两线圈中电流之比有关，故称为流比计。,因,所以,结论：1.偏转角与被测电阻Rx有一定的函数关系，所以角可以反映出被测电阻的大小。,2.仪表的偏转角与电源电压U无关，所以手摇发电机转动的快慢不影响读数。,13.8 用电桥测量电阻、电容和电感,13.8.1直流电桥,2.工作原理,1.电路,最常用的单臂直流电桥(惠斯登电桥）用来测量约 1 到0.
19、1M电阻。,当检流计G中无电流流过时，电桥达到平衡。,电桥平衡的条件为,R1 R4=R2 R3,设R1=Rx 为被测电阻，则,测量时，先将比臂调到一定比值，然后再调节较臂直到电桥平衡为止。,13.8.2 交流电桥,1.电路,交流电桥用来测量电容和电感。,交流电桥平衡的条件为,2.工作原理,Z1 Z4=Z2 Z3,即|Z1|Z4|=|Z2|Z3|,1+4=2+3,为使平衡容易调节，常将两个桥臂设计为纯电阻。,（1）当选Z2和Z4为纯电阻时，则Z1和Z3必须同为电感性或电容性。,（2）当选Z2和Z3为纯电阻时，则Z1和Z4必须一个为电感性，而另一个为电容性。,13.8.2 交流电桥,(1)电容的测
20、量,测量电容的电桥电路,电桥平衡时，有,可得,被测电容器,无损耗的标准电容器和标准电阻,13.8.2 交流电桥,(2)电感的测量,电桥平衡时，有,可得,被测电感元件,无损耗的标准电容器和标准电阻,测量电感的电桥电路,13.9 非电量的电测法,非电量的电测法就是将各种非电量（如温度、压力、速度、位移、应变、流量、液位等）变换为电量，而后进行测量的方法。,非电量的电测仪器，主要由下列几个主要部分组成,(1)传感器：将被测非电量变换为与其成一定比例关系的电量。,(2)测量电路：将传感器输出的电信号进行处理，使之适合于显示、记录及和微型计算机的联接。,(3)测录装置：各种电工测量仪表、示波器、自动记录
21、仪、数据处理器及控制电机等。,13.9.1 应变电阻传感器,1.金属电阻丝应变片,电阻丝由直径为0.020.04mm 的康铜或镍铬合金绕成。,2.工作原理,试件发生的应变通过胶层和纸片传给电阻丝，将电阻丝拉长或缩短，从而改变了它的电阻。就将机械应变变换为电阻的变化。,k为电阻丝应片的灵敏系数，其值约为2。,交流电桥测量电路,输出电压,设测量前电桥平衡，即 R1 R4=R2 R3,应变电阻,测量时应变电阻变化了R1，则,如选R1=R2，R3=R4，并忽略分母中的R1，则有,常用电桥电路（大多采用不平衡电桥），把电阻的相对变化转换为电压或电流变化。,13.9.2 电感传感器,电感传感器能将非电量的
22、变化变换为线圈电感的变化，再由测量电路转换为电压或电流信号。,1.差动电感传感器,两只线圈完全相同，且上下对称排列。,当衔铁在中间位置时，两线圈的电感相同，,当衔铁在中间位置时，两线圈的电感相同，当衔铁受非电量的作用上下移动时，两个线圈的电感一增一减，发生变化，此即为差动。,衔铁处于中间位置，电桥平衡，输出电压,电感传感器常用来测量压力、位移、液位、表面光洁度等。,2.工作原理,当衔铁偏离中间位置上下移动时，电桥不平衡，输出电压的大小与衔铁位移的大小成正比，其相位与衔铁移动的方向有关。,交流电桥测量电路,线圈,标准电阻,13.9.3 电容传感器,电容传感器能将非电量的变化变换为电容器电容的变化
23、。,可见，只要改变，S，d 三者之一，都可使电容改变。,将上极板固定，下极板与被测物体相接触，当运动物体上、下位移（改变d）或左、右位移（改变S）时，将引起电容的改变。,1.平板电容传感器,初始时C1=C2，电桥平衡，输出电压,交流电桥测量电路,当C1变化时，电桥不平衡，输出电压的大小与电容的变化成正比。,可得,带条厚度为，其介电常数为,2.工作原理,13.9.4 热电传感器,热电传感器能将温度的变化变换为电动势或电阻的变化。,1.热电偶,设热电偶冷端的温度t2保持恒定，则热电动势只与热端的温度t1有关。,热电偶由两根不同的金属丝或合金丝组成。,热电偶温度计常用来测量500 1500C的温度。
24、,如果在两根金属丝相联的一端加热，则产生热电动势Et，有,热电偶将温度的变化转换为电动势的变化。,例：热电偶应用于炉温控制系统,热电偶输出电压,参考电压,差值电压,励磁电压,电枢电压,热电偶用来测量炉温，输出电压U2正比于炉温。,工作原理,炉温为给定值时，电路平衡 U1=U2，差值电压U=0，电动机不动。,炉温高于给定值时，U2 U1，差值电压U0。,测量电路是电位计电路，基准电压U1与炉温的给定值相对应。,U经放大后其输出的电压U 加在直流伺服电动机的电枢两端。,电动机通过减速器带动调压器手柄，改变调压器的输出电压，使加热电流减小，炉温下降。使电路重新平衡（U=0），即炉温保持给定值。,2.
25、热电阻,金属电阻丝的电阻随温度变化的关系为,A 和 B为金属丝电阻在工作温度范围内的电阻温度系数的平均值。,热电阻传感器将温度的变化转换为电阻的变化。,电阻温度计中的热电阻传感器是绕在云母、石英或塑料骨架上的金属电阻丝。,tC时的电阻值,Rt=R0(1+At+Bt2),0C时的电阻值,对铜丝：A=410-3(1/C)，B=0；铂丝：A=3.9810-3(1/C)，B=5.84 10-3(1/C)。,3.热敏电阻,热敏电阻将温度的变化转换为电阻的变化。,热敏电阻测温范围约为-50+300C。测温度时采用的也是电桥测量电路。,热敏电阻与补偿电阻并联的电桥测量电路,热敏电阻是半导体元件，其电阻具有负温度系数。,t R,
