2_直读式和比较式电测仪表.ppt

第2章直读式和比较式电测仪表,前言,电测仪表按测量方式可分为：直读式仪表、比较式仪表直读式电测仪表按显示方式又可分为:模拟量指示仪表、数字量显示仪表直读式模拟量指示仪表按内部结构和原理分为：磁电系仪表电磁系仪表电动系仪表静电系仪表感应系仪表,前言,比较式电测仪表将被测对象直接与标准量作比较，从而确定被测对象的大小。使用的标准量包括标准电压（标准电池、齐纳管稳压值等）、标准电阻、标准电容、标准电感等。本章内容,磁电系仪表电磁系仪表电动系仪表直流电位差计直流电桥交流电桥,2.1磁电系仪表,利用可动线圈中的电流与固定的永久磁铁产生的磁场相互作用而工作的测量仪表称“磁电系仪表”。磁电系仪表概述磁电系电流表磁电系电压表磁电系欧姆表磁电系检流计,2.1.1磁电系仪表概述,1.磁电系仪表的结构外磁式内磁式,螺旋弹簧,(1)固定部份：马蹄形永久磁铁、极掌NS及圆柱形铁心等。,(2)可动部份：铝框及线圈，轴O和O，两根螺旋弹簧及指针。,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。,2.1.1磁电系仪表概述,1.磁电系仪表的结构外磁式内磁式,螺旋弹簧,命名：由于永久磁铁放在可动线圈外面，所以称外磁式。,动作：可动线圈通电后，通电线圈在磁场中受力（左手定则），可动线圈两侧受力大小相等、方向相反，形成转动力矩，使线圈偏转，游丝产生发作用力矩平衡。,2.1.1磁电系仪表概述,1.磁电系仪表的结构外磁式内磁式,指针游丝线圈磁铁磁极导磁环,结构：与外磁式区别在于把永久磁铁做成圆柱形，并放在可动线圈之内。即是磁铁，也作为线圈的铁芯，磁极与导磁环作用是使磁场方向处处与铁芯柱面垂直。,磁电系仪表的工作原理,线圈在气隙磁场中所受的力矩为：,磁电系仪表磁场分布图,游丝产生的反作用力矩为：,当,时，,磁电系仪表的工作原理,上式中，为可动线圈有效面积；为穿过可动线圈的磁链。,若为被测电流，则可求得磁电系测量机构的灵敏度,所以有：,单位偏转角对应的被测量称为“仪表常数”,磁电系测量机构的特点,输入输出单值函数，零点一般在标尺的中间，这样可由指针的偏转方向确定电流的流动方向，磁电系测量机构只能测量直流而不能测量交流。电流通过游丝导入线圈的，游丝的电阻较大，流过大电流时容易发热而改变其弹性，引起测量误差，所以，磁电系测量机构的耐过载能力较差。可动线圈的磁链大小取决于永久磁铁的磁感应强度B，一般做得很大，可动线圈中流入很小的电流就可以产生很大的转矩。磁电系测量机构的灵敏度高、功耗小、抗干扰强。,磁电系仪表的阻尼方式,磁电系仪表的可动线圈通以被测电流后，除了形成转动力矩和游丝的反作用力矩外，为了加速可动部分停在平衡位置的过程，仪表还必须有阻尼力矩。磁电系仪表的阻尼力矩有两种：一种是由可动部分的铝框架产生的阻尼力矩；另一种是由线圈和外电路闭合成回路时产生的阻尼力矩。,阻尼的产生,仪表工作时总的阻尼力矩为:,（1）铝框架在磁场中，必和框架两侧切割磁力线产生电动势（右手定则），框架中有电流形成阻尼力矩M1,（2）线圈与外电路成闭合回路，线圈运动产生感应电动势与附加电流转矩：,2.1.2磁电系电流表,电流表按其量限和测量单位可分为：微安表毫安表安培表千安表专门用来测量直流的电流表，都是磁电系电流表。,微安表和毫安表的测量电路,可由指针的偏转角读得被测电流的大小：,大电流电流表的分流器测量电路,当被测电流的值大于100mA时，游丝的弹性减弱会造成测量误差，应采用分流器降低流经游丝的电流。,灵敏度降低，量程扩大,多量限电流表测量电路,例如选择量限时，被测电流分别为则有：,多量限电流表测量电路,即：,同理，可对其它量限进行求解，得：,量限越高，分流电阻越小，分流系数越大。,指针偏转角与被测电流值的关系：,接触电阻的影响,分流器、仪表及被测电流用的顺序连接时,考虑到接触电阻的影响，其等效电路如下：,其中：RA、RB分别为A、B端仪表与被测电路接触电阻RA、RB分别为A、B端仪表与分流器接触电阻,接触电阻的影响,四端钮分流器接线方法及其等效电路图,为了消除外附分流器与仪器间接触电阻造成的测量误差，外附定值分流器一般采用“四端钮”结构，也称“凯尔文”接法,应用：测量时，电位端A、B端与仪表相接，电流端A、B与被测电路相接。电流段接触电阻与被测电流电路串联，不影响结果，电压端接触电阻远小于仪表内阻，可以忽略影响。,2.1.3磁电系电压表,磁电系测量机构的指针偏转角只与流过可动线圈的电流有关，常用的方法是串联附加电阻。,磁电系电压表的测量电路,电压表的指针偏转角表示为,Ux为被测电压，RV为附加电阻，电压量限越大，RV越大流过仪表的电流主要由附加电阻确定，与仪表内阻关系不大。,多量限电压表电路图,多量限电压表附加电阻越大，电压量限越高，量限低于600的电压表采用内附附加电阻。在选择外附附加电阻的阻值时，可以使附加电阻的两端在加有标称电压时流过电阻中的电流是固定值。附加电阻的额定电流值有0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、5.0、7.5、15、30和60mA，共10种。,2.1.4磁电系欧姆表,根据欧姆定律，流过仪表的电流:,仪表偏转角:,欧姆表原理线路及刻度分布,Rx与成反比关系，欧姆表刻度不均匀,串联测量电路欧姆表,串联电路欧姆表的原理电路图串联型欧姆表的标度,欧姆表有串联与并联两种测量电路。串联电路中：,磁电系仪表通过调节磁分流器来补偿电源电压不稳定造成的测量误差。,并联测量电路欧姆表,调节磁分流器来进行电源电压补偿。串联电路测量小电阻准确，并联电路适合测量大电阻。,2.1.5磁电系检流计,磁电系检流计是一种高灵敏度仪表，在工程实践中用于测量极微小的电流和电压，例如A的小电流和V的小电压等。检流计经常在电桥或电位差计中被当作指零仪使用。这种仪表的电流常数在范围内，电压常数可在,检流计的电流常数（分度值），是由检流计本身结构决定的一个常数，表示指针每偏转单位长度（此处为一个最小分度）所需的电流，单位是A/div,检流计的结构特点,磁电系检流计的指针偏转角和被测电流的关系与磁电系电流表相同，即,需提高灵敏度和改善运动特性：用悬丝或张丝悬挂可动线圈以消除可动部分和轴承之间的摩擦采用光反射的读数装置进一步提高检流计的灵敏度根据临界电阻值，使检流计工作在临界阻尼或微欠阻尼状态，以便快速读数。,2.2电磁系仪表,电磁式仪表是测量交流电压和交流电流的最常用的一种仪表。它具有结构简单、运行可靠、价格便宜、可以交直流两用等一系列优点，在工业测量中应用十分广泛。,电磁系仪表概述电磁系电流表电磁系电压表,2.2.1电磁系仪表的结构,电磁系测量机构用被测电流通过一固定线圈，线圈产生的磁场磁化铁心，铁心与线圈或者铁心与铁心相互作用而产生转矩。磁场由被测电流通过固定线圈产生，而磁电系测量机构的磁场由永久磁铁产生。电磁系测量机构的结构分扁线圈吸引型和圆线圈排斥型两大类。,扁线圈吸引型测量机构,1指针2阻尼翼片3可动铁心4固定线圈5游丝,原理：转轴连偏心可动铁芯，固定线圈通入被测电流产生磁场，吸入铁芯形成转矩。游丝产生发作用力矩，空气阻尼器制动。,组成：主要部分是固定的圆形线圈、线圈内部有固定的铁芯、以及固定在转轴上的可动铁芯。,圆线圈排斥型测量机构,原理：固定圆形线圈通过被测电流产生磁场，固定铁芯、可动铁芯同时磁化产生斥力，可动铁芯带动指针偏转，游丝平衡转矩，电磁阻尼器阻尼停摆。,电磁系测量机构的转矩公式,电磁系仪表测量交流时，如果线圈电流为i，在交变电流作用下，可动铁心所受的瞬时力矩为：,交变电流产生转矩的平均值为：,反作用力矩由游丝或张丝产生，平衡时有：,由式（2.1.2），得：,可见，电磁系测量机构的偏转角与被测电流的有效值的平方成正比，这是一个非线性关系,电磁系测量机构的转矩公式,电磁系测量机构的特点,电磁系仪表可以交直流两用，注意刻度不同。可以通过采用特殊形式的铁芯，使非线性补偿，来改善刻度的非线性。内部磁场弱，容易收外界磁场干扰，需要磁屏蔽系统或采用无定向结构。另外，固定线圈有感抗，铁片有涡流，这些都随频率而改变，使读数产生误差。一般只适用于工频测量。,2.2.2电磁系电流表,用电磁系测量机构制造电流表时，由于被测电流通过固定线圈，不通过可动部分，因而一般不需分流器，可以直接用测量较大的电流。量限小于30A时，线圈用绝缘导线，量限大时可用粗铜条绕制。一般测量机构本身可测量的最大电流为200A，大于200A以上的电流表采用电流互感器扩大电流量限。多量限电磁系电流表通常将固定线圈绕阻分段，利用绕阻的串并联来改变电流的量限，量限的改变用开关来完成。,(a),(b),图(a)中线圈分成两个相同部分，利用其串并联得到12的两个量限；而图(b)可以得到124的三个量限。,多量限电流表线路图,电磁系电压表的内部接线简单，由固定线圈和附加电阻串联而成。测量电路如下图，流过固定线圈的电流,2.2.3电磁系电压表,仪表的偏转角为：,与被测电压的平方成正比，可用电感的非线性来补偿刻度尺的平方律特性，使标度尺基本上是保持均匀。,在附加电阻是纯电阻的条件下，电磁系电压表也可以交、直流两用。多量限电压表可以用改变附加电阻的方法来完成，多量限电压表的测量电路如下图所示。,多量限电压表测量电路,2.3电动系仪表,电动系仪表是交流仪表中准确度最高的仪表，它不但可以做成交流电流表、电压表，还可以方便地做成功率表、相位表和频率表。和电磁系仪表一样，电动系仪表也是交直流两用，所以电动系仪表在电工仪表中占有重要的地位。,1.电动系仪表的测量机构的结构电动系仪表的测量机构与磁电系机构测量相似，不同的是与被测电流相互作用而产生转动力矩的不是永久磁铁的磁场，而是通有电流的固定线圈产生的磁场。,2.3.1电动系测量机构概述,电动式仪表结构示意图,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轴上。,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。,当固定线圈通以直流电流时I1，产生一磁感应强度为B的磁场。若可动线圈通以电流I2，则可动线圈在磁场B中受到电磁力F，并在这个力的作用下，它产生偏转。,电动系测量机构的转矩公式及特点,可动部分所受的力矩为：,游丝产生反作用力矩，平衡时,即：,可见，偏转角与可动线圈和固定线圈中流过的电流之积成正比，与互感随偏转角的变化率成正比。,若电流和同时改变方向，电动系测量机构的转矩方向不变，因此，可以用来测量交流。设固定线圈和活动线圈分别通以正弦电流：,则转矩的平均值为：,则有,电动系测量机构的偏转取决于交流有效值的乘积，并且与相位差有关，所以可做成相位表和功率因数表，也可以做成功率表。和电磁系测量机构一样，电动系测量机构也采用比较完善的磁屏蔽措施或无定向结构来减少外磁场的影响。电动系测量机构中无铁磁物质，所以不存在磁滞和涡流效应，准确度可达0.5级以上，最高为0.1级。,2.3.2电动系电流表,用电动系测量机构构成电流表时，固定线圈和可动线圈的联接方式与量限有关。在小电流时（小于0.5A），把固定线圈和可动线圈串联起来，式（2.3.1）为,偏转角与被测电流的平方成正比。为了得到均匀标度，可以用补偿，数值和线圈结构有关，如果线圈的结构参数选择得当，可以使标度尺基本上是均匀的。,由于游丝不能通过较大电流，当被测电流大于0.5A时，固定线圈和可动线圈不能串联，可采用固定线圈串联后与可动线圈、附加电阻并联起来，此时、与被测电流的关系为,只要选择合适，流过可动线圈的电流就可以不超过游丝允许通过的电流值。加大固定线圈的导线直径，可以通过较大的电流。在此电路中，可动部分的偏转角与的关系为,式中，。,和电磁系电流表一样，电动系电流表也不用分流器扩大量限，而采用改变线圈匝数的办法，一般把固定线圈分成几段，改变它们的串并联组合，就可以改变量限。交流电流表则多采用电流互感器扩大量限。,在电动系电压表中，可动线圈与固定线圈相互串联，与附加电阻形成测量电路。改变附加电阻可以改变电压量限。若某一量限附加电阻的值为Rvi，则可动部分的偏转角为,也可以用的值来改善标度尺的刻度特性。交流测量，线圈间有互感，交流量的频率改变时，会产生测量误差，可通过电容补偿在测量电路上加以改进扩大电动系电压表的测量频率范围，频率范围比电磁系仪表要宽。,2.3.3电动系电压表,根据式2.3.2，电动系测量机构测量交流时，偏转角和被测电流的关系为,2.3.4电动系功率表,如果使I1=I，I2=U/R，IU同相，电动系测量机构就可以测量功率,功率表（又称瓦特表）,图中可动线圈（电压线圈）串联附加电阻后与负载并联，固定线圈（电流线圈）与负载电阻串联。固定线圈电阻可忽略，固定线圈的电流,通过可动线圈的电流，,式中为电压支路的电阻,仪表的偏转角为：,式中P是负载电阻中消耗的有功功率。因为偏转角与功率成线性关系，为了得到均匀刻度，在电动系功率表中要求是常数，不随的变化而变化。这也可以通过选择合适的线圈结构来实现。电动系仪表的力矩方向与两线圈中的电流方向有关，因此功率表在使用中，要遵循同名端接线规则，即要保证两线圈的电流都从同名端流入，接线方式有“前接”，和“后接”方式两种。,一般功率表都有几种电压和电流的额定值，但标度尺只有一条，所以标度尺上不标瓦特数，只标分格数，每一分格的瓦数即为功率表常数,电动系功率表读数,被测功率的大小，应由功率表常数进行换算：,式中，为功率表指针偏转的格数。,若电压额定值为：电流额定值为：测得指针偏转格数为80DIV，求被测功率。,例题,解：,普通功率表标称功率因数，用于校准刻度。测量低功率因素负载时，应采用“低功率因素表”,电动系功率表可以用来测量直流功率、单相交流功率、三相有功功率、三相无功功率等，应用场合不同，测量电路的形式也不一样。,2.3.5电动系功率表的应用,用功率表测量直流功率,单相交流功率的测量,三相电路有功功率的测量，有两表法和三表法两种。对于三相三线制系统，多采用两表法测量电路，这种测量方法不要求被测电路对称，三相总功率为两功率表的示值之和，即,三相电路有功功率的测量,两表法测三相功率,两表法测三相功率,两功率表测量三相功率,工作原理：,三相瞬时功率,所以，p=uAiA+uBiB+uC(iAiB)iC=(uAuC)iA+(uBuC)iB=uACiA+uBCiB=p1+p2,p=pA+pB+pC=uAiA+uBiB+uCiC,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=UACIAcos+UBCIBcos,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单独读数是无意义的。,三表法适用于三相四线制系统功率的测量，不论被测电路是否对称，三相总功率为三只功率表的示值之和，即,当系统为对称时，由一只表的读数即可得到三相四线制系统的总功率，即。,三表法测三相功率,2.4直流电位差计,比较式电测仪表又分补偿测量仪表和电桥测量仪表，补偿法测量仪表有全补偿和差值补偿两种。全补偿法是将被测量（仅限电压）与标准量比较，检测为零，两值相等。测量仪表理论上不从被测对象获取能量。差值补偿是利用标准量将被测量绝大部份补偿掉，微差检出，减少测量误差。直流电位差计是测量直流电压的比较仪器。,2.4.1直流电位差计的补偿原理,提供可变、准确标准直流电压Us与被测电压Ux比较，用磁电系检流计做检测仪表。按获得可变标准电压的方法不同，直流电位差计分定阻变流式和定流变阻式两种。,定阻变流式电位差计原理电路,若开关处在S2时，检流计指零则Ux=I0R=I2R,准确度不高，R准确，但I读数误差。,定流变阻式电位差计,E为标准电池或直流稳压电源电动势，EN为标准电池，RN为标准电阻，Ux为被测电压，P为检流计。回路为校准回路，回路为测量回路,工作原理：测量时，S拨1，调节可变电阻R0，使检流计P指零，说明标准电池EN与标准电阻RN上压降补偿，即：或。再S拨2，调节电阻R的滑动端以改变标准电压Us，当检流计P再次指零时，Ux与R上压降补偿。,精度由标准电池、电阻精度确定，比较准确。,直流电位差计的分类和主要技术指标,按被测电压端口输出电阻的高低可分高阻电位差计（输出电阻大于10k/V）和低阻电位差计（输出电阻小于100/V）按量程分为高电压电位差计（测量上限2V）和低电压电位差计（测量上限20mV）。按使用条件分为实验室型与便携型。直流电位差计的准确度有0.0005，0.001，0.002，0.005，0.01，0.02，0.05和0.1八个级别。直流电位差计各准确度级别的基本误差可按下式计算,2.4.3直流电位差计的应用,直流电位差计除了可以测量有限大小的电压或电动势外，还可以用来测量高电压（高电动势）、电流、直流功率和电阻。,原理：R1、R2构成分压电路，适应电位差计量限。分压电路电阻不能太小。实际测量时，有不同准确度、分压比的直流分压器供选择。,直流电位差计测电流,原理：串入已知标准电阻作取样电阻，测出两端电压，则,功率测量时，需分别测量电压、电流,功率为:,电阻的测量时，串取样电阻测电流，再测被测电阻上电压：,2.5直流电桥,电位差计和电桥都属于比较式测量仪表，电位差计用于测量有源量（电压或电动势），而直流电桥专用于测量电阻。直流电桥是测量电阻或与电阻有关参量的比较式仪表，它通过被测电阻与标准电阻的比较实现测量，其准确度可达十万分之几，通常为0.1、0.2级。直流电桥分两种，即单比电桥和双比电桥。单比电桥又称惠斯登（Wheatstone）电桥，用于测量阻值为10109的电阻（保证高精度测量时，范围为1104）；双比电桥又称凯尔文（Kelvin）电桥，主要用于测量1010-6的电阻。,电桥平衡时，有：,即,未知电阻的阻值:,2.5.1直流单比电桥,组成：R1、R2、R3、R4构成4个桥臂，直流电源E与检流计分别接在桥体对角线上。测量：被测电阻作为1个桥臂（如R2），另外3个桥臂由标准电阻构成，阻值已知且可调。当调节某个桥臂使IP=0时，即Ubd=0时，电桥平衡。,结论：电桥平衡时，被测电阻数值与电源E无关灵敏度足够的情况下，电桥准确度主要由桥臂电阻精度决定。,2.5.2直流单比电桥的误差公式,直流单比电桥的误差公式为：按使用条件不同，直流单比电桥分实验室型和便携型两种。,2.5.3直流双比电桥,直流双比电桥的原理电路,当被测电阻阻值较低时（1以下），应考虑接触电阻与导线的影响，使用双比电桥：,组成：标准电阻RN和被测电阻Rx多为四端钮结构，R1、R1、R3、R3为RN4个端钮引线与接触电阻，R2、R2、R4、R4为Rx4个端钮引线与接触电阻。RN与Rx用跨接线连接，电阻R。R1、R2、R3、R4是桥臂电阻。,转换后的电桥等效电路是一个单比电桥，当电桥平衡时，根据单比电桥平衡条件，有：,即,直流双比电桥星形等效电路,将a、b、c三点作Y转换，有：,若，则双比电桥的测量结果表达式为:,形式与单比电桥一致，为使Rx=0，应保证R2R3=R1R4，结构上可采用联动调节方式。同时为减少Rx，跨接线电阻R应尽量小，通常用粗铜线，可做到Rx项引起的误差小于10-4以下，在一般测量时可以忽略。,T-(Y-)网络变换,2.6交流电桥,当被测量为阻抗时，应当使用交流电桥。电桥平衡原理与直流电桥相似，但桥臂参数是复数，检流支路的不平衡电压也是复数，需幅值、相位同时平衡。调节方法与平衡过程复杂。,2.6.1交流电桥的工作原理,实际使用的交流指零仪的输入阻抗可作为无穷大处理，讨论交流电桥的平衡，只考虑指零仪两端的电压:,交流电桥的平衡条件是:,即,辐度平衡条件,相角平衡条件,上式为辐度平衡条件和为相角平衡条件。交流四臂电桥平衡时，两相对电臂阻抗的模的乘积相等，相角之和也要相等。不是任意四个阻抗构成的交流电桥均可以调节平衡，也不是任意选择两个可调参数都能把交流电桥调节平衡。这两个可调参数必须是