电磁测量2.1.ppt

1 第一章基本测量机构及其构成的仪表 一 概念 利用电磁力使其机械部分动作并以指针或光标在刻度盘上指示被测对象量值的电表称作模拟式电机械指示电表 也称直读式电表 第一节慨述 2 模拟式电机械指示电表必须具备能接受某种电参量能量并将它转变成机械力或力矩的机构 测量机构 机械力根据电与磁的相互作用或电荷间存在吸力或斥力等原理产生 二 原理 3 三 构成 测量机构由可动和静止两个基本部分组成 可动部分的支撑可以是轴承和轴尖的组合或张丝 工作时 可动部分受力产生偏转 从而带动指针或光标在刻度盘上显示偏转角的大小 转动部分所受的旋转力矩称转动力矩 一般还应该有一个随偏转角增大而加强的反作用力 反作用力矩可用游丝或张丝提供 在某时刻 表盘某刻度处指针平衡 即 4 构成 可动部分和固定部分 原理 1 转动力矩 其中 为偏转角 A取决于测量机构的结构参数和被测电参量x 2 反抗力矩 其中 W为常数 或是偏转角的函数 3 当可动部分的静止偏转角对应于转动力矩与反抗力矩相等的位置时 有 5 二 分类 按照产生转动力矩所利用电磁现象与方式的不同 测量机构分为 磁电系 电磁式 电动系 感应系和静电系等系别 6 第二节 磁电系测量机构 概述 磁电系测量机构是利用通电导线在磁场中受力的原理制成的 磁场由永久磁铁提供 在气隙中作辐射均匀分布 可转动线圈通恒定电流 则两者相互作用使在磁力线辐射均匀分布的范围内的线圈受到恒定转动力矩的作用 即 上式中 K是与气隙中磁通密度 线圈尺寸及匝数有关的常数 反抗力矩由游丝或张丝提供 平衡时 SI称作电流灵敏度 即单位电流所能引起的稳定偏转角 7 一 结构及原理 1 结构 固定部分 永久磁铁可动部分 可动线圈 8 2 原理 当可动线圈流过电流时 则线圈电流和永久磁铁的磁场相互作用 产生磁力 并形成转动力矩 使线圈转动 即 N 线圈匝数S 线圈所围的面积B 由均匀辐射磁场产生 磁电式仪表是根据导体在磁场中受力即电动机原理 9 转动线圈转动时 引起游丝变形 产生反作用力矩 D 为游丝的系数 它的大小决定于游丝的材料的性质和尺寸 为线圈的偏转角度 10 当平衡时 则指针有一个稳定的偏转角 即 其中 为磁电式测量机构的灵敏度 11 说明 可动部分的偏转角与通过动圈电流I成正比 则可用偏转角来衡量被测电流的大小 并有指针在标度尺上直接读出电流I的大小 12 1 仅适用于直流 永久磁铁产生磁场B的方向不可改变 只有通入直流时可动部分才可以产生稳定的偏转 若通入交流 则可动部分受力不同 由于惯性还来不及转动过去 接着又转回来 则指针将在零点位置左右摆动 并不能发生稳定偏转 磁电式仪表反映通过动圈电流的平均值 二 特点 2 灵敏度高 永久磁铁产生均匀磁场B 可以很强即B较大则灵敏度SI较大 即灵敏度高 13 6 过载能力小 因为电流是通过游丝导入的 又动圈的导线很细 如果过载 很容易因过热而引起游丝产生弹性疲劳和烧毁线圈 3 准确度高 由于磁场B很强 则可以产生较大的力矩 使得由摩擦 温度以及外磁场的影响而引起的误差相对减小 因此 磁电式仪表准确度可达到0 1至0 5级 4 功率消耗低 因为磁场B大 动圈通过很小的电流则就可以产生很大的力矩 则仪表本身所消耗的功率很低 5 刻度均匀 由于偏转角正比于电流 则仪表的刻度均匀 14 三 磁电式仪表 磁电式测量机构主要用于测直流电路中的电流 电压如果附加一变换器则可构成具有磁电式测量机构 并带有整流的仪表 则可以测量交流 万用表 1 用作电流表由于磁电式仪表的测量机构所允许通过的电流一般在几十微安到几十毫安数量级 为测量较大电流则必须扩大电流表的量程 常采用分流法 15 并联分流电阻 如 磁电式仪表最大量程Ic 50 内阻Rc 300 若将其扩大量程到3A的电流表 则要并联电阻Rf应为多大 n 3A 500 6000 n为倍数 Rf 300 6000 1 0 05 16 外附分流器 在实际测量工作中 当被测电流大于几十安时 由于分流电阻过热 将影响测量机械的正常工作 同时又由于分流电阻的体积大 也不便于在表内组装 为此 往往把分流电阻做成单独装置 称 外附分流器 如图 外附分流器有两对接线端钮 1 2 电流接头 串联在电路中 3 4 电压接头 与磁电式仪表并联 17 分流器上面标有 额定电压 额定电流 值 而不标电阻的数值 在选配分流器时应注意 选用 额定电压值应与测量机构的电压限相等 此时 电流表最大量程则与分流器的额定电流相同 18 2 用作电压表 将测量机构 表头 串联一个附加的电阻Rf 可称分压电阻 Rf m 1 RcRf 为分流电阻 Rc 为测量机构内阻 m 扩大的倍数 注意 电流表串联于电路中 内阻小 线圈导线粗 圈数少 电阻小 电压表并联于电路中 内阻大 线圈导线细 圈数多 电阻大 两者不可以互换 19 3 用作欧姆表 先不考虑 ab支路对测量结构的分流作用 图中Rx是被测电阻 当Rx 0时 或 20 由图中 Rx R Rc 21 ab支路的作用 不仅可以扩大量程 而且使扩大量程可以调节 当新的干电池接入电路时 将RA调节较小 以便使Rx 0时 测量机构中 当电池电压随使用时间的增长而降低时 可以将RA调至较大的数值 以便Rx 0时 测量机构中的电流仍为Ic 如此便可以弥补电压下降造成的误差 这种欧姆表当干电池电压由于使用久而减小时 则读数会出现严重错误 为克服这种误差 在欧姆表测量机构两端并联调节用的ab支路 22 第三节 电磁系测量机构 一 结构与原理 电磁系测量机构的固定部分是一个线圈 当通以电流时产生磁场 使处在该磁场中的静铁片和动铁片同时磁化 于是在两铁片间产生的切线方向推斥力 形成转动力矩 使动铁片带动指针偏转 23 扁线圈结构 吸引型 固定部分 一个中心为狭缝的扁圆形线圈 其中流入被测电流可动部分 固定在转轴上的软磁材料制成的铁片 通入电流I后 产生磁场B 铁芯吸进狭缝 转轴转动带动指针偏转 圆线圈结构 排斥型 圆线圈内固定一铁芯 转轴上固定另一铁芯 可动线圈通入电流I则产生磁场B 两铁芯磁化 相互排斥 带动指针偏转 1 结构 24 2 原理 转动力矩 其中 A I2L 2 I为被测量电流 L为线圈自感 反作用力矩 平衡时 则 25 由于这种结构随电流方向变化 工作磁场发生变化 静 动铁片的磁化极性同时变化 则两铁片间的吸引力 排斥力 方向保持不变 所以 这种结构可以测量直流也可以测量交流 I变化 则B变化 但是F不变化 M不变化 则指针偏转不变 I增大 则B增大 F增大 则 增大 26 二 特点 1 既可以测量直流 也可以测量交流 既可以制作直流表也可以制作交流表 2 仪表的结构简单 过载能力强 制作成本低 测量机构的活动部分不需要通过电流 3 有滞后现象 由于结构中含有具有磁滞特性的铁磁材料 当测量缓慢增加电流时 电磁式仪表指示值偏低 当测量缓慢减小电流时 电磁式仪表指示值偏高 结果 准确度较低 27 4 受外界影响较大 因为电磁式仪表的磁场是由固定线圈流过电流所形成的 其磁场较弱 又几乎全部处于空气中 相对应受外界磁场影响较大 特别 仅地磁影响可造成1 的误差 5 刻度不均匀 且受频率有影响 偏转角随直流电流的平方而改变 随交流电流有效值而改变 28 6 灵敏度较低 功耗大 由于电磁系测量机构所能建立的磁场较弱 7 可以用来制成不同用途的比率表 相位表和同步指示仪 29 三 电磁式测量机构构成电流表以及电压表 1 由于游丝不通过电流 测量机构本身便能测量较大的电流 电磁式电流表量程较大 它的固定线圈的导线较粗 匝数较少 多量程电流表可将固定的绕组分段缠绕 并利用两个或两个以上绕组串联 并联组合来改变量程 如图 30 2 电磁式电压表为了测较高的电压并减小被测电路的分流作用 固定线圈的导线比电流表的细 匝数多 为扩大量程 可以给固定线圈串联上分压电阻 各换分压电阻的数值 即可获得多量程 当使用端钮 与 150V 测量时 相应电压量限为150v 分压电阻为Rfl 引使用端钮 与 300V 测量时 相应电压量限为300V 其分压电阻为 Rfl Rf2 31 第三节 电动式测量机构 一 结构及原理电动式仪表示利用两个通电线圈之间的电动式产生转动力矩的 即由一个固定线圈和可动线圈 固定线圈分成平行排列互相对称得两部分 中间留有空隙以便穿过转轴 32 这种结构特点是能获得均匀的工作磁场 并可以借助改变量固定线圈之间的串联 并联关系而得到不同的量程 可动线圈与转轴连接 转轴上有指针 空气阻尼器 阻尼片 游丝用来产生反作用力矩并引导电流的作用 由于工作磁场很弱 易受外磁场影响 所以电动式从仪表的测量机构应置于磁屏蔽罩内 33 2 工作原理 如图 固定线圈通过电流I1 产生磁场B1可动线圈通过电流I2 处于磁场B1中 受到电磁力的影响F的作用下产生转动力矩 则指针偏转即可动线圈部分偏转 又游丝产生反作用力矩 使指平衡于某一位置 即可读数 具体如下 转动力矩 反作用力矩 平衡时 34 当I1和I2方向改变时 测量交流 电磁力F的方向不变 因为I1变化时 B1变化 而I2也同时变化 则可动线圈的转动力矩方向不改变方向 即可以测量交流 假设 则 其中 I1m I2m为最大值 I1I2为有效值 为两电流之间的相位差 35 而 偏转角取决于瞬时转动力矩在一周期内的平均值 由上式可以得到 电动式仪表用在交流电路中时 其可动部分的偏转角 不仅与电流III2乘积有关 而且还取决于两电流的相位差的余弦值的大小 即可以用电动式测量机构用作功率表 频率表 36 1 准确度高 测量机构内没有铁磁性物质 不产生磁滞误差 可以达到0 1到0 05级的表 2 可交 直流两用 可以测量功率 相位以及频率 3 受外磁场影响较大 因为工作磁场较弱 则应加磁屏蔽 二 特点 37 4 标尺可读不均匀 因为 偏转角屿电流平方成正比 5 过载能力差 因可动线圈中的电流要靠游丝来引导 电流过大会引起游丝变形或烧毁 6 功率消耗大 要产生较强的磁场B 则需要保证线圈匝数多 则以其本身消耗功率大 38 三 电动式电流表 将电动式测量机构的可动线圈与固定线圈串联起来则可以构成电流表 即 I1 I2 I则 有 即 39 一般因被测量电流要通过游丝以及可动线圈 则电流较小 若电流过大时 可动线圈会因为绕组导线细容易将线圈以及游丝烧毁 因此要测量0 5A以上的大电流 要使用分流器或将固定线圈并联 若测量交流则可以直接读出交流电流的有效值 40 2 电动式电压表 如图 固定线圈1 可动线圈2以及分压电阻R串联可以构成电动式电压表 当R一定时 即可动部分的偏转角与仪表两端的电压U成正比 则它的标尺刻度不均匀 为了使电压表在较宽的频率范围内进行测量 一般在附加电阻上并联一个电容 以补偿因频率变化而造成的误差 41 第四节感应式测量机构 一 结构及原理 有一个或几个固定的交流电磁铁产生的磁场与其在可动导电元件中感应的电流相互作用而工作的仪表称为感应式仪表 主要用于测量电能 1 如图 感应系测量机构的主要组成部分为一个可旋转的铝圆盘和三个固定的磁极 42 1 电流元件2 电压元件 铁芯和绕组 3 铝制圆盘4 转轴5 永久磁铁6 传动机构 电度表 43 两个固定磁极 交流电磁铁 产生交变磁通 使铝盘产生瞬时感应电动势 若铝盘看作纯阻性的导体即可产生瞬时的感应电流 此电流在磁场中受力 产生转动力矩 使指针偏转 另一个固