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电磁测量与检测技术 第二章直流电压和电流的测量 1 电磁测量与检测技术 第二章直流电压和电流的测量 2 第二章直流电压和电流的测量 第一节用磁电系仪表直接测量 一 磁电系测量机构 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 3 2 工作原理 1 转动转矩M的产生 2 反作用力矩Ma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Ma 线圈受到的转矩M KI 线圈通入电流I 电磁力F 线圈受到转矩M 线圈和指针转动 弹簧的TC与指针的偏转角 成正比 即Ma W 当弹簧的反作用力矩Ma与线圈受到的转矩M达到平衡时 可动部分停止转动 此时有 M Ma 4 当弹簧的反作用力矩与转动力矩达到平衡即M Ma时 可转动部分便停止转动 仪表的标度尺上作均匀刻度 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 于是可转动部分受到阻尼作用 快速停止在平衡位置 KI W 结论 指针偏转的角度与流经线圈的电流成正比 即指针的偏转角 3 阻尼力矩的产生 5 3 磁电系表头参数及测量 1 表头灵敏度表头灵敏度是指表头的满偏电流 即表头的电流量程 用Ig表示 Ig的范围一般在几十微安到几毫安之间 Ig的值越小 灵敏度越高 2 表头内阻表头内阻是两个游丝的支流电阻和线圈的直流电阻之和 用Rg表示 表头灵敏度和表头内阻都可以用实验的方法进行测量 6 1 单量程电流表磁电系测量机构可以直接用来测量电流 但测量上限不能超过表头灵敏度 当被测电流超过表头灵敏度时 可通过分流电阻来扩大量程 如图所示 分流电阻的计算方法如下 二 磁电系电流表 设表头灵敏度为Ig 表头内阻为Rg 需要扩大量程到电流I 求分流电阻RS 由于 故 即 其中 图2 3单量程电流表 7 2 多量程电流表多量程电流表有两种形式 即 其中 欲将表头量程扩大到n倍时 分流电阻应为表头内阻的 量程I越大 分流电阻RS就越小 8 开路式多量程电流表 用转换开关改变独立分流电阻 从而改变量程 其优点是个分流电阻互不干扰 缺点是转换开关的接触电阻包含在分流电阻当中 特别是当转换开关接触不好时 容易损坏表头 比路式多量程电流表 开关接触电阻是在总电流支路内 不会影响分流比例 开关断开时也无危险 图2 5的三量程电流表的分流电阻计算如下 当量程为I3时 分流电阻为 当量程为I2时 分流电阻为 9 3 使用电流表应注意的事项 1 电流表必须串入电路中 2 注意电流表的极性 要求电流从电流表的 端流入 从 端流出 3 正确选择仪表的量程 测量时尽量使指针在半偏以上 4 选择内阻合适的仪表 希望电流表内阻越小越好 从而有 当量程为I1时 分流电阻为 然后 依次求出R2和R3 10 1 单量程电压表磁电系测量机构能直接测量的电压很小 当被测电压超过表头两端能够承受的电压时 需要用分压电阻与表头串联来扩大量程 如图2 6所示 分压电阻的计算公式为 三 磁电系电压表 2 多量程电压表如图2 7所示是一个三量程电压表的电路 在确定电压量程以后 分压电阻可分别计算如下 11 电压表灵敏度电压灵敏度是电压表任一量程的内阻与该量程电压的比值 用SU表示 单位是 V 12 3 使用电流表应注意的事项 1 电压表必须并入电路中 2 注意电压表的极性 要求电压表的 端接高电位 端接低电位 3 正确选择仪表的量程 测量时尽量使指针在半偏以上 4 选择内阻合适的仪表 希望电压表内阻越大越好 四 磁电系仪表的技术特性 1 准确度高 最高可达0 05级 2 灵敏度高 3 功耗小 4 刻度均匀 5 过载能力强 6 只能用来测量直流 13 五 磁电系检流计 1 结构为了提高截流机的灵敏度 在结构上采取了一系列的措施 1 采用张丝或吊丝取代游丝 将动圈悬挂起来 可以减小反作用力矩 消除摩擦力矩 同时使可动部分双向偏转 2 采用无铝框动圈 减轻可动部分的质量 检流计的阻尼力矩可通过调节外电路的电阻来满足要求 3 采用光点多次反射 增加单位偏转角在标尺上的位移长度 4 增大动圈面积 减小气隙 14 2 检流计的主要参数 1 内阻 检流计的内阻包括动圈 张丝或吊丝 引线的电阻和接线端钮的接触电阻 2 电流常数 灵敏度的倒数成为电流常数 它表示检流计的可动部分每单位偏转所需的电流值 3 外临界电阻 检流计工作在临界状态下的外接电阻称为外临界电阻 外接电阻一般要稍大于外临界电阻 使检流计工作在微欠阻尼状态 4 阻尼时间 当检流计工作在临界阻尼状态时 从最大偏转状态切断电源开始 到指示回到零位所需要的时间 5 自然振荡周期 当检流计的指示偏转到刻度终点时 断开外电路 从这一瞬间算起 检流计可动部分摆动一周所需要的时间 15 1 要求水平放置的检流计使用前应调好水平 校准零点 3 使用检流计应注意的事项 2 检流计的标尺不使用电流表度 而是按指针末端的线位移表度 单位为mm 3 选择合适的灵敏度 4 不允许用欧姆表或电桥测量检流计的内阻 否则因过流会损坏检流计 5 用完检流计 要用止动器锁定检流计的可动部分或将检流计的线圈短接 6 搬动检流计时 要注意轻拿轻放 避免振断张丝 16 六 冲击检流计 冲击检流计的结构与灵敏检流计相仿 区别仅在于它的线圈较扁而宽 从而线圈的转动惯量较大 自由振荡周期较长 T0可达20s以上 其运动特性见图2 9 17 可以证明 当冲击检流计的自然振荡周期T0比被测脉冲电流通过的时间 长得多时 它的第一次最大偏转角 m与脉冲电量Q成正比 即 或写成 式中CQ为电量冲击常数 在CQ确定之后 利用冲击检流计便可以测量脉冲电量 从而间接测量一些与电量有关的量 18 第二节用直流电位差计测量电压 一 电压补偿 直流电位差计是根据电位补偿原理制成的测量电压的精密仪器 它是将被测量和已知标准量进行比较而确定被测量大小的比较式仪器 要测未知电压Ux 原则上可以让它和一个可以改变的电压UN相比较 如图2 10 调节UN 使检流计指零 这就表示在这个回路中两电压大小相等 方向相反 故在数值上有 Ux UN 这时 我们称电路达到补偿 在补偿条件下 如果UN的数值已知则Ux即可求出 据此原理构成的测量电压或电动势的仪器叫电位差计 也叫 直流补偿器 19 提供移植可变标准电压UN的方式有两种 1 定电流方式 固定电流值 通过改变电阻值实现标准电压的改变 2 定电阻方式 固定电阻值 通过改变电流值实现标准电压的改变 二 直流电位差计的工作原理 直流电位差计中使用了标准电池 标准电阻 它们的准确度级别很高 因此 提高了电位差计的准确度 如图2 11所示 先将K合到a 接如标准电池EN 调节RP 改变电流I 也可调节RN 使电阻RN上的电压降与标准电池的电动势EN相等 这时检流计读数为零 有 20 直流电位差计线路中包括三个回路 1 产生电流I的电路 也叫工作电流回路 2 用标准电池校准电流I的电路 也叫校准工作电流回路 3 测量未知电压的电路 也叫测量回路 I RN EN因而可定出电流 再把K合到b 接入被测电压Ux 调节R使检流计指零 记下活动端刻度Rx 则得 Ux IRx 只要标准量具的读数EN RN Rx准确度比较高 Ux就比较准确 21 22 直流电位差计的实际线路比较复杂 但其基本单元就是上述三个回路 如图2 12所示 其中工作电源E 变阻器Rp 标准电阻RN和R构成工作电流回路 通过Rp可以调节电流I的大小 电流I在标准电阻RN上产生的电压用标准电池的电动势EN来校准 电流I在标准电阻R上产生的电压用来补偿被测电压 当开关K合在 标准 一边时 标准电池EN 标准电阻RN和检流计G构成校准工作电流回路 当开关K合在 未知 一边时 被测电压Ux 标准电阻R和检流计G构成测量回路 为了达到高准确度 消除各种基本误差 实际的电位差计电路中还要采取许多措施来消除或减小电路中的热电动势 接触电动势和接触电阻等 23 三 直流电位差计的技术特性 1 准确度高 2 量程低 一般不超过2V 3 不从被测电路吸收能量 测量电压时 相当于内阻无穷大的电压表 四 使用直流电位差计应注意的问题 1 选择灵敏度合适的检流计 灵敏度过低产生较大误差 过高则达到平衡困难 2 选择稳定的工作电源 否则会产生误差 3 注意标准电池 工作电源和被测电压的极性不能接错 否则会产生什么后果 4 校准工作电流时 要避免长时间给标准电池充放电 以免损坏标准电池 5 按照说明书要求的温度和湿度条件保存和使用 24 五 直流电位差计的应用 直流电位差计能够直接测量电压 与其它电路配合还能以较高的准确度测量电流 电阻 功率等 1 测量电压直流电位差计能够直接测量电压 但测量上限一般最高约2V 对于大于2V的电压 必须使用电阻分压箱 图2 13所示分压电路的分压比为 用电位差计测得U后 不难算出Ux 25 不过 分压箱的使用将增加测量误差 并对未知电压源构成了一个负载 它要从被测电路中吸取电流 因而分压电路的总电阻不能过小 一般选择分压电阻应在105 以上 分压电阻要用准确度高的电阻串联而成 以保证准确的分压比 使用直流分压箱时 一定不要把它的输入端和输出端接错 2 测量电流用电位差计测量电流时 要在被测电流支路中串入一个标准电阻RN作为取样电阻 如图2 14 利用电位差计测量标准电阻RN两端电压Ux 然后换算出电流 26 取样标准电阻RN的选取要从三方面去考虑 1 它的额定电流要大于被测电流 2 它被串入被测支路中后 对原来的电流影响小 3 该电阻上的电压不能超过电位差计的测量上限 还要使电压读数的位数尽量多 3 测量电阻和功率 测量电阻的办法是 令电流I通过被测电阻Rx 用电位差计分别测电流I和它在电阻Rx两端产生的电压 电路如图2 15所示 测出电流I和 电压Ux后 两者之比就等于被测电阻Rx 27 应该注意 流过电阻Rx的电流必须稳定 若在测量电流和电压期间 电流发生了变化 将会产生测量误差 另外 取样电阻RN应尽可能与被测电阻Rx的值接近 着能使电压和电流的测量快速方便 结果准确 因为这时不需调节电位差计的前几位读数盘 用电位差计测量功率的原则和电路与测量电阻的电路相似 只不过要把所测的电压和电流相乘 将图3 21中的Rx看成被测负载 则 还应注意 这时的取样电阻RN不能按测电阻时的要求去选取 电流作为待测量 最后要进入测量结果 要按测量电流的要求选取RN 28 4 测量温度电位差计适合测量微小电压 热电偶产生的电势与冷热端的温差有一定关系 用电位差计测得热电偶的电势 便能确定温差 从而确定温度 事实上 一切能够转换为电动势的非电量 都有可能用电位差计去测量 29 第三节直流电压和电流的间接测量 一 用电流表测量电压 在测量高值电阻R两端的电压时 如果没有内阻合适的电压表 为避免电压表的负载效应产生的测量误差 可将毫安表或微安表与足够大的已知标准电阻RN串联起来代替电压表 保证RN远远大于R 如图2 16所示 则被测电压为 式中 IA为毫安表PA的读数 RA为毫安表PA的内阻 30 二 用电压表测量电流 在测量通过低值电阻R的电流时 如果没有内阻合适的电流表 为避免电流表的负载效应产生的测量误差 可在被测电路中串联一个足够小的已知标准电阻RN 取样电阻 保证RN远远小于R 用毫伏表PV测量取样电阻RN两端的电压 如图2 17所示 则被测电流为 式中 UV为毫伏表PV的读数 RV为毫伏表PV的内阻 31 三 用电位差计测量电流 上节已讲 四 用冲击法测量电流 如图2 18所示 I为被测电流 G为冲击检流计 由I向电容C充电 经过时间t后 闭合开关S 用冲击检流计测