电工仪表测量课程设计.doc

电工仪表与测量大 作 业专业名称：电气工程及其自动化 班 级：电气工程及其自动化） 学 号：20160272 姓 名： 指导教师： 日期： 2017年6月1日 目录一、磁电系仪表的结构1二、磁电系仪表的工作原理4三、应用范围6四、测量电路7五、磁电系仪表测量误差的主要来源及补偿方法8六、参考书目、资料10七、总结学习心得1111磁电系仪表磁电系仪表在电气测量指示仪表中找有极其重要的地位，广泛应用于直流电流和电压的测量。如果和整流元件配合，可以用于交流电流和电压的测量；与变换器配合，可以测量交流功率、频率、相位以及温度压力等；此外，它还广泛用作电子仪器中的指示器。采用特殊结构时还可以构成检流计，用来测量极其微小的电流。一、磁电系仪表的结构1、磁电系仪表根据磁路形式的不同，分为内磁式，外磁式和内外结合式三种结构。外磁式的永久磁铁在可动线圈的外面，主要结构如图1（a）所示，它包括固定部分和可动部分：图1 磁电系仪表的结构2、磁电系测量机构根据其磁路系统的结构形式不同，分为外磁式、內磁式和内外磁式三种：固定的磁路由马蹄形永久磁铁、磁轭、极掌和圆柱形铁芯组成，在它们之间的空隙内，形成强辐射状的均匀磁场。安装在气隙中的动框，是一个用绝缘细导线绕制成的矩形线圈。动框上下的侧面固定着带轴尖的轴尖座，轴尖支撑在轴承的凹槽中，使可动部分可以在气隙中转动。两对游丝的盘旋方向相反，内端与轴固定，外端固定的支架上。游丝不仅产生阻尼力矩，而且是电流引入和引出线。轴上的平衡锤可用来调节可动部分的机械平衡，使可动部分的重心在转轴上 。磁铁由硬磁材料做成；而极掌与铁心则用导磁很高的软磁材料做成。铁心放在极掌之间，并与极掌形成一个磁场均匀的环形气隙。可动部分由绕在铝框架上的可动线圈、线圈两端的两个半轴、与转轴相连的指针、平衡锤以及游丝所组成。整个可动部分支承在轴承上，线圈位于环形气隙中。图2 外磁式测量机构（1）外磁式测量机构的结构如图2-1所示.该巩构通常由固定部分的磁路系统和活动部分组成，其固定部分的永久磁铁置于活动部分可动线圈的外面，所以称之为外磁式.测量机构的活动部分，分别由铝框及绕在上面的活动线圈 (简称动圈)、转轴、指针、平衡锤、弹簧游丝、调零螺杆和零位调节器组成.游丝有两盘，成螺旋状，且方向相反地将其中的一端固定在转轴上，另一端固定在支架.上.同时起导流和反作用力矩的作用.当转轴上各零件重量不平衡时，可由平衡锤来调节。当指针偏离原始零位时，可用零位调节器来调整.测量机构的阻尼力矩，山绕制动圈的铝框产生.其原理如图2-2所示。根据磁感应原理，当动圈在磁场中运动时，铝框中将产生感应电流诬。，其方向可由右手定则确定.这个感应电流与空气隙中的磁场相互作用，即可产生阻尼力矩ME，ME的方向根据左手定则确定.从图中可以清楚地看到，ME的方向总是与动圈的运动方向相反，从而阻止了动圈的来回摆动，使指针平稳地停在读数位界上.必须指出，只有动圈转动时才会产生阻尼力矩，当动圈静止下来以后，阻尼力矩便不存在了，因此，它对测量结果没有影响。测量机构的固定部分山永久磁铁1,半例形的极掌2、以及固定在支架上的钢质圆柱铁心3组成。钢质圆柱铁心放在两极掌之中，用来减少磁阻，使之在空气隙中形成均匀的辐射磁场.（2）所谓内磁式，是因为永久磁铁放在活动线圈的内部，为使二作气隙磁场均匀，在磁铁外面嵌装有磁极，级外面还加装了一个闭合的导磁环，以形成一个完全叁的闭合磁路.这样，六仅减小了漏磁，还增大了磁感应强度.内磁式的活动部分与外磁式大致相同.内磁式结构紧凑、尺寸小、重量轻、仪表防御外磁场的能力强，磁性材料消耗少.近年来得到广泛的应用.（3）内外磁式结构则在活动线圈内外面均装有永久磁铁，因此，磁场更强，使空气隙的磁感应强度比内磁式更高，且结构尺寸更加紧凑，与前两种结构形式的仪表相比，性能更好，因此，在精密和高灵敏度的磁电系仪表中，常采用这种结构.3、技术特性和应用（1）准确度高。磁电系测量机构由于采用了永久磁铁，且工作气隙比较小，所以气隙磁场的磁感应强度较大，可以在很小的电流作用下，产生较大的转动力矩。可以减小由于摩擦、外磁场等原因引起的误差，提高了仪表的准确度。磁电系测量机构的准确度可以达到0.10.05级。（2）灵敏度高。仪表消耗的功率很小。（3）表盘标度尺的刻度均匀，便于读数。（4）过载能力小。由于被测电流通过游丝导入可动线圈，所以电流过大容易引起游丝发热使弹性发生变化，产生不允许的误差，甚至可能因过热而烧毁游丝。另外，可动线圈的导线横截面很小，电流过大也会使线圈发热甚至烧毁。（5）只能测量直流。这是因为：如果在磁电系测量机构中直接通入交流电流，则所产生的转动力矩也是交变的，可动部分由于惯性作用而来不及转动。（6）磁电系电压表主要应用于直流电压的测量，可以制成便携式和安装式电压表。4、使用维护方法（1）正确选择磁电系电压表。根据被测电路的性质以及测量的目的，合理选择其准确度等级、量程、内阻和使用条件等技术指标。（2）测量时应将电压表并联接入被测电路。（3）对多量程电压表，当需要变换量程时，应将电压表与被测电路断开后，再改变量程。（4）电压表不使用时，应妥善保管。对量程较小的电压表，不使用时应将其正、负端钮用导线短接，以避免外界电磁信号的干扰。5、优缺点（1）揩确度高。磁电系测量机构由于磁感应强度很强，可以在很小的电流作用下产生较大的转动力矩。因此，可以减小由于摩擦、外磁场等原因引起的误差提高厂仪表的难确度。（2）灵敏度高。磁电系仪表的磁感应强度较大，在很小的电流作用下就能产生较大的转动力。（3）过载能力差。由于被测电流通过游丝导入5f功线圈游丝和动圈的导线都很细所以电流过大，容易引起游丝发热使弹性系数变化或损坏动圈。（4）小能直接测量电流。因磁电系仪表永久 磁铁产生的磁场方向恒定不变如果在磁电系测量机构中直接通入交流则产生的转动力矩 就是交变的，可动部分由于惯性作用顺来不及转动，指针只能在零体左右摆动，无法获得被测量的测量值。（5）表盘到度均匀。磁电系仪表偏转角与被测电流量的大小成正比，因此它的仪表刻度都是均匀的。二、磁电系仪表的工作原理磁电系测量机构的基本原理是利用可动线圈中的电流与气隙中磁场相互作用，产生电磁力，可动线圈在力矩的作用下发生偏转的原理制成。磁电系测量机构产生转动力矩的原理如图3所示。图3磁电系测量机构产生转动力矩的原理1.转动力矩 当可动线圈中有电流流过时，载流导体在磁场中受到力的作用，可动线圈的两个边所受力的方向，由左手定则可以确定为图3所示的方向，每边所受力的大小为F=BLIN式中 B-工作气隙中的磁场磁感应强度 L-线圈有效边长 I-通过线圈的电流 N-线圈的匝数 由于磁力线方向与圆柱面垂直，所以电磁力F的方向与可动线圈平面垂直，可动线圈沿顺时针方向转动，其转动力矩为M=Fr=2BLINr 由于可动线圈平面的面积S=2Lr,所以M=BSIN=KI式中 K-与气隙中磁感应强度、线圈尺寸及匝数有关的常数2.反作用力矩 线圈转动时引起游丝变形，产生反作用力矩Mf，并且有Mf=D当M=Mf时，指针静止。这样有=K/D*I=SII3.阻尼力矩 磁电系仪表的阻尼力矩属于电磁阻尼力矩，它是由铝框中产生的感应电流和磁场相互作用而产生的。阻尼力矩仅在指针偏转过程中存在，不影响测量结果，但对仪表可动部分起保护作用，可以防止各种原因引起的可动部分的快速摆动，以免破坏轴承及指针等。三、应用范围磁电系测量机构主要用于直流仪表，在直流标准表、便携式和安装式仪表中都得到广泛应用。磁电系测量机构的过渡电量是直流电流，只要把被测电量通过测量线路按一定关系变换为直流电流，就可以用它来构成不同功能，不同量程的仪表。1、 磁电系电流表磁电系电流表根据量程不同，可分为微安表、毫安表、安培表及千安表四类。图4 电流表的分流磁电系电流表由磁电系测量机构（也称表头）和测量线路-分流器构成。图4所示是最基本的磁电系电流表电路。图中Ra是分流电阻，它并接在测量机构的两端。由于磁电系测量机构的过载能力很小，如果直接用于电流测量，则电流量程很小，往往只有几十微安至几十毫安。所以必须用分流器扩大其量程，才能适应从微安级到千安级的电流测量要求。分流器（即分流电阻）的作用是对被测电流I分流，使得通过表头的电流Ic能够被表头承受，并使电流Ic与被测电流I之间保持严格的比例关系。图 5 多量程电流表部分路在一个电流表中，采用不同电阻值的分流电阻，可以制成多量程电流表，如图5所示。多量程电流表的分流器可以有两种连接方法，一种是开路连接方式，如图5（a）所示，它的优点是各量程具有独立的分流电阻，互不干扰，调整方便。但它存在着严重的缺点，因为开关的接触电阻包含在分流电阻支路内，使仪表的误差增大，甚至会因开关接触不良引起电流过大而损坏表头。所以开路连接方式实际上是不采用的。实用的多量程电流表的分流器都采用图5（b）所示的闭路连接方式，在这种电路中，对应每个量程在仪表外壳上有一个接线柱。在一些多用仪表中，也有用转换开关切换量程的。它们的接触电阻对分流关系没有影响，即对电流表误差没有影响，也不会使表头过载。但这种电路中，任何一个分流电阻的阻值发生变化时，都会影响其它量程，所以调整和修理比较麻烦。2、磁电系电压表图6 磁电系电压表基本电路磁电系电压表由磁电系测量机构和测量线路组成。图6是磁电系电压表的基本电路。其中，Ra是附加电阻，它与测量机构串联在一起。（要注意和磁电系电流表的不同）。附加电阻的作用是为了克服磁电系测量机构不能测量大量程电压的缺点，并可对测量机构构成串联温度补偿电路，以补偿测量机构的动圈、游丝等部分随温度变化而变化对测量的影响。利用多个与测量机构串联的附加电阻，可以构成多量程电压表。四、测量电路当转换开关至于交流电压档，如图所示。因为磁电系表头只能测量直流信号不能测量交流信号，所以测交流电压时，必须对输入信号进行整流，从而得到直流脉动信号的平均值，再乘以波形系数便得到交流信号的有效值。图7中，有两只CP11型二极管组成半波整流电路。在交流电压正半周时，右边二极管导通，左边二极管截止，电流流入表头；在交流电压负半周时，右边二极管截止，左边二极管导通，将表头短接，从而没有电流流过表头，左边二极管在交流电压负半周时，能基本上消除右边二极管上的反向压降，防止右边二极管被击穿。图7交流电压档测量电路由公式可见，测的平均电压后，在乘以波形系数便得被测电压有效值。由于万用表交流档的标度尺是按有效值来刻度的，因此如果将万用表用于非正弦交流电压的测量，测的结果并不是非正弦交流电压的真有效值，此时应根据被测非正弦交流电压的波形系数，对测量结果进行修正。五、磁电系仪表测量误差的主要来源及补偿方法 磁电系仪表的作用原理是永久磁铁在气隙中产生的磁场和可动线圈通人电流后，相互作用而产生旋转力矩。常用于测量电流和电压，加上变换器可进行多种非电量的测量，如温度、压力等。磁电系仪表的性能稳定，读数精确，量限多，使用方便，适用于直流电路的精密测量和作为实验室中的标准表。但是当仪表周围的环境温度改变时，会产生一定的附加误差，使得测量的精度下降，必须采取有效的措施来减小磁电系仪表的温度误差。 1）温度误差产生的原因。1.游丝弹性改变 环境温度变化时，会引起游丝的弹性发生变化。当温度升高时，产生反作用力矩的游丝以及弹片的弹性将减弱，当温度升高10时，弹性将减弱0.3%-0.4%,仪表读数偏快，呈现正的附加误差。2.当温度变化时，产生固定磁场永久磁铁的磁性变化，磁性温度系数是一个负值，也就是说，温度每升高10 ，永久磁铁的磁性将减弱0.2%-0.3%，仪表读数出现负的附加误差。3.存在电阻温度系数 由铜线或铝线绕成的可动线圈电阻、弹性零件的电阻以及线路部分的电阻会随着温度的变化而变化，因此带来一定的附加误差。4.综合误差分析 当温度变化时，仪表弹性零件的变化与永久磁铁磁性减弱所引起的附加误差符号相反，可互相抵消一部分但并不能完全抵消，温度每升高10，减弱大约0.1%-0.2%。对于铜或铝线绕成的可动线圈，温度每升高10，电阻值相应变化4%，对低量程的电压表和具有分流电阻的电流表，会引起较大的温度误差。在测量线路内必须采取相应的补偿措施。2）温度误差补偿措施1.磁路补偿法 温度升高时，磁场变弱，可在仪表系统中采用特殊材料制成磁分路器，如采用铜镍合金或铁镍合金，当温度升高时，磁分路的作用减弱，当温度降低时，磁分路的作用增强，从而补偿由于温度变化而引起的永久磁铁磁性的变化，提高仪表线性特性和精度。2.双金属片调节法 当温度变化时，游丝的张力发生变化，致使反作用力矩变化，起到温度补偿的作用。3.负温度系数器件补偿法 有些元件具有负的温度系数，且灵敏度较高，如热敏电阻等，其电阻温度系数比铜和铝的温度系数大得多，采用负温度系数器件补偿温度误差，线路简单，并且与桥路补偿法相比，可以使得电流表的内阻减小。需要指出的是，由于热敏电阻具有非线性特性，可采取并联适当的金属类电阻来补偿非线性误差。六、参考书目、资料1 周启龙，等，电工仪表及测量【M】北京：中国水利水电出版社，20082 陈立周，数字万用表的原理、使用与维修【M】北京：电子工业出版社，19983 宗建华，等，智能电能表【M】北京，中国电力出版社，20104 古天祥，等，电子测量原理【M】北京，机械工业出版社，20045 钱巨玺，等，电