第2章-电测量指示仪表-

第2章电测量指示仪表

2.1电测量指示仪表的基本知识2.2磁电系仪表2.3电磁系仪表2.4电动系仪表2.5感应系仪表2.6数字仪表示例2.1电测量指示仪表的基本知识2.1.1模拟指示仪表的组成和基本原理从图可以看出，整个指示仪表由测量线路和测量机构两部分组成。一般而言，测量机构能够接受的一般是较微弱的电流，如果被测量是较大的电流或是其他的物理量，则须通过测量线路把被测量x转换为可被测量机构接受的中间量y。测量机构是电测量指示仪表的核心，它的任务是把与被测量保持一定的函数关系的中间量y再转换为指针角位移α，这样角位移α才能表示被测量x。图电测量指示仪表框图1.产生转动力矩M的驱动装置作用:在测量机构中接受中间量,并使活动部分产生转动力矩.它由磁路系统,可动线圈或铁磁元件组成.2.产生反作用力矩的控制装置作用:在机构中,对活动部分产生反作用力矩.它由弹性元件—游丝或张丝组成.3．产生阻尼力矩Md的阻尼装置作用：产生阻尼力矩(Md表示).使活动部分较快稳定.只影响动态特性,对结果无影响.通常阻尼装置处于临界状态，使活动部件达到稳定偏转时间最短。测量机构按其作用结可分为三部分:2.1.2数字仪表的组成和基本原理

数字仪表在生产、计量等过程中，可以与各种检测电路配合，用来显示温度、压力和流量等过程变量，以便进行目视观察、数字记录或数据远传处理，也可用于实验室精密测试等方面。它精度高、准确度高、测量速度快、输入阻抗高、读数方便。此外，数字仪表还可以输出数字化信息，因此易于配合计算机作数据处理。现在很多数字仪表还具有自动量程切换、编码输出、通过接口电路与其他仪表或计算机联结等功能。数字仪表不用指针指示，没有读数视差和估读误差，但存在末位半个字的显示误差。2.1.3电测量指示仪表的选择1．充分考虑被测量的性质 2．合理地选择准确度3．根据测量范围选用量限4．考虑工作环境和条件2.2磁电系仪表磁电系仪表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。2.2.1磁电系仪表的结构与工作原理1.外磁式磁电系仪表的结构磁电系测量机构是磁电系仪表的核心。整个结构分为两大部分，即固定部分和可动部分。固定部分由永久磁铁1﹑极掌2﹑和固定在支架上的圆柱形铁芯3组成，构成固定的磁路。磁铁由矫顽力和剩磁都很大的硬磁材料制成，而极掌和铁芯则用导磁率高的软磁材料制成，且铁芯在极掌间形成磁场均匀的环形气隙。可动部分有绕在铝框架上的可动线圈4﹑线圈两端的半轴5﹑与转轴相连的指针9﹑游丝8和与半轴相连的对指针进行机械调整的调零器等组成。1-永久磁铁2-极掌3-圆柱形铁心4-可动线圈5-半轴6-转轴7-支架8-游丝9-指针10-平衡锤11-调零器图外磁式磁电系仪表测量机构结构示意图

内磁式磁电系仪表的结构它和外磁式的主要区别，就是把永久磁铁4做成圆柱形，并放在可动线圈之内。2.内磁式磁电系仪表的结构3．内外磁结合式结构内外磁结合式的结构形式除了在可动线圈外面装有永久磁铁之外，线圈内部的圆柱形铁心也改用磁铁。采用这种结构，主要是加强工作气隙内的磁感应强度，实际上与外磁式没有什么原则上的区别。4.磁电系仪表的工作原理

磁电系测量机构的工作原理，是通电动圈在永磁场中受到电磁力的作用产生转矩，使转动体转动，而转动使游丝变形产生反转矩，当二转矩平衡时指针指示一定的值。转动转矩M的产生(2)阻转矩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。FSNF

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Ma与指针的偏转角成正比，即Ma=D

当弹簧的阻转矩与线圈受到的转矩达到平衡时，可动部分停止转动，此时有M=MaM=2BLINr式中，L—线圈的有效边长；I—通过线圈的电流；N—线圈的匝数；r—转轴到线圈边的距离。

当弹簧阻转矩与转动转矩达到平衡即Ma=M时，可转动部分便停止转动，M=k1I，

Ma

=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。

技术性能1．灵敏度高、表耗功率小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，从公式中可知，灵敏度SI与B成正比，所以磁电系仪表有比较高的灵敏度，电流计可以测到10-7A（0.1uA），检流计下量限可达到10-11A。流过仪表的电流越小，表耗功率必然也越小。2．准确度高由于气隙中的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。3．刻度均匀磁电系仪表的指针偏转角α与可动线圈的电流I成正比，所以可得到线性的刻度，也就是标尺上刻度是均匀等分的。这保证了标尺本身的准确度，也使读数更方便简单。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．使用范围磁电系仪表只能测量直流。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。所以，只有配上整流装置组成整流系仪表，才可用于交流电路测量交流电压和交流电流。磁电系仪表在标准仪表和安装式仪表中应用十分广泛，如指针式万用表、灵敏电流计和电子仪器上的指示仪表等。2.2.3磁电系仪表的应用

一个磁电系测量机构可以认为是一个电流表，也可以认为是一个电压表。通常磁电系测量机构用电流来表示其量程，可以看成是电流表头。一个磁电系电流表头较少单独使用，如果一个磁电系电流表头用并联分流电阻的方法扩大电流量程，就成为一个磁电系电流表。如果用串联附加电阻的方法来扩大电压量程，则就是一个磁电系电压表。磁电系电流表的组成

磁电系电流表由测量机构与分流器并联而成R为机构的等效电阻

R为分流电阻n为分流系数1.磁电系电流表2.磁电系电压表如果表头的内阻为Rg，满偏电流为Ig，则能够直接测量的最大电压为Ug=RgIg。Ug称为表头的额定电压。由于Ig很小，Rg也不大，所以Ug一般为毫伏级。同样，只要配上一定的测量线路，就可以构成单量限和多量限的磁电系电压表。各量限共用附加电阻的测量线路如图所示。附加电阻Rf起分压作用。由于附加电阻值一般较大，被测电压绝大部分降落在附加电阻上，因而达到了扩大电压量限的目的。

2.3电磁系仪表

电磁系仪表是测量交流电压与交流电流最常用的一种仪表。由于它具有结构简单、过载能力强、造价低廉以及交直流两用等一系列优点。1．结构电磁系仪表的结构主要由固定线圈和可动铁片组成，按其工作原理可以分为排斥式和吸入式两种。1)排斥式电磁系仪表固定部分有固定线圈1和固定铁片2组成，可动部分由可动铁片3﹑指针4﹑平衡锤5﹑阻尼片6和游丝7组成。结构与工作原理2）吸入式电磁系仪表吸入式电磁系仪表的测量机构如图2-11所示，线圈1通电后，产生的磁场吸引活动铁片2，带动指针偏转，因此这种结构称为吸入式。和磁电系仪表测量机构不同，电磁系仪表中的游丝不流过电流，仅起到产生反作用力矩的作用。1、固定线圈2、活动铁片3、调零器4、空气阻尼器5、调磁板图吸人式结构示意图如图2．工作原理电磁系仪表测量机构无论是排斥式还是吸人式结构，产生电磁转矩的原理都是基于电磁能量的变化.测量时，被测电流通入线圈产生磁场，使定﹑动铁片被同时磁化，且同一侧的磁化极性一样。于是定、动铁片互相排斥，使可动部分发生偏转。转动力矩的大小，在直流时为：

交流时，磁场的方向随电流方向的改变而改变，但两铁片同侧的磁化极性同时改变，同样产生排斥力，即转动力矩方向不变。这时的瞬时转矩为：

因转动部分的惯性，转动部分随平均转矩转动。其平均转矩为：

在M转矩作用下转动部分转动，游丝变形产生反转矩：

当M=M时，转动部分停止转动。阻尼片产生空气阻尼使指针在平衡位置处不摆动。

2.3.2技术性能1．刻度不均匀2．防御外磁场干扰性能较差3．过载能力强4.灵敏度低、功耗大5．使用范围为交直流两用2.3.3电磁系仪表的应用

1.电磁系电流表

电磁系测量机构的线圈固定，可用粗导线绕制，允许电流较大。低量限用的导线细，匝数多；高量限用的导线粗，匝数少。一般利用测量机构本身可测量的最大电流约300安，所以在工程中应用较多。电磁系电流表可分为安装式和便携式两种。安装式多做成单量限，便携式多做成多量限的。多量限的获得，是采用将固定的线圈分段成多段绕组，然后通过它们的串﹑并联来改变电流的量限。对于两个线圈并联比串联扩大扩程一倍，这时安匝不变，即磁场不变，刻度也不变，只需乘以两倍关系即可。只测交流的电流表，扩程可采用电流互感器。2.电磁系电压表

电磁系电压表是由固定线圈和附加电阻串联组成。它同样有安装式和便携式两种。安装式一般只有一个量程。为保证使用安全和体积不至于过大，最高量限为600伏。便携式多用于实验室，制成多量程的。多量程电压表，由多个附加电阻串联通过抽头来实现。2.4电动系仪表电动系仪表在交流仪表中准确度高，广泛用于交流精密测量及作为交流标准表。电动系仪表不但可做成交、直流两用的电流表﹑电压表和功率表，还可做成功率因数表﹑相位表和频率表，其上限频率可达10kHz。因此电动系仪表在电工仪表中占有比较重要的地位。结构与工作原理

电动系结构示意图由图可见，固定线圈1由两段线圈构成，空间上并排（同轴线），以便使两部分之间获得较均匀的磁场，而电路上可串﹑并联获得两个量限。动圈2与轴固定在一起，位于两定圈之间。游丝3产生反作用力矩，也是动圈的导流线。阻尼叶片5和阻尼箱6，是产生空气阻尼的。

技术性能1．准确度高准确度可达0.5级以上，最高可为0.1级。2．过载能力较差3．防干扰性能和电磁系仪表一样，由于电动系仪表本身磁场弱，易受外界磁场干扰，一般都采取磁屏蔽和无定位结构的措施。4．刻度特性故电动系功率表的刻度是均匀的，但电动系电流表和电压表的刻度是不均匀的。5．表耗较大6．使用范围电动系仪表和电磁系一样也是交、直流两用，既可以做成功率表、功率因数表、频率表，也可以做成交、直流两用电流表和电压表。仪表的频率范围在十几赫兹至数千赫兹，工频时误差最小，频率较高时(如1000Hz）须进行补偿。2.4.3电动系仪表的应用

1．电动系电流表将电动系测量机构中的定圈和动圈串联，并且配置一定的分流电阻，便构成了电动系电流表。直流时I1=I2=I，则有交流时i1=i2=i，有效值I1=I2=I，相位差φ=0。则有

可见，电动系电流表测交﹑直流时具有相同结果，即偏转角正比于电流的平方(交流时为有效值)，刻度非线性，成平方律关系。2.电动系电压表电动系仪表的固定线圈、可动线圈与附加电阻串联起来就构成了电压表，它与被测电路并联就可以用来测量电压。改变附加电阻就可以扩大量程，当附加电阻一定时，通过线圈的电流与仪表两端电压成正比。电动系电压表的指针偏转角与电压平方成正比，所以它的标尺也是不均匀的。

2.5感应系仪表

感应系仪表是交流仪表中转动力矩最大的一种仪表，它是利用导体在交流磁场中产生感应电流并受到作用力的原理制成的。它只能在交流电路中使用，准确度较低。主要用于是计量负载所消耗的电能及其电功率，即作电能表（电度表）。电能表与功率表的不同在于，它不仅能反映出功率的大小，而且还要反映出电能随时间增长积累的总和。结构与工作原理

应用普遍的是三磁通型结构。下图为三磁通式感应系仪表的简图。铝盘上方为电压磁铁，其绕组并在负载两端，叫电压绕组；铝盘下方是电流磁铁，其绕组与负载串联，叫电流绕组。只有铝盘是可动的，其余均为固定的。图中1为电压线圈，2为电流线圈，3是铝盘，4是永久磁铁。1-电压线圈2-电流线圈3-铝盘4-永久磁铁图三磁通感应系测量机构的结构图磁通的涡流分布及参考方向

当绕组中通有交流电流时，在铁芯中产生交变磁通，磁通路径见下图。电流绕组产生的磁通从两个不同的地方穿过铝盘，一次穿进，一次穿出，分别记为和。电压绕组产生的磁通有两部分：一部分是ΦL，它不穿过铝盘，直接在铝盘上方构成回路；另一部分是，它穿过铝盘经磁铁4构成回路。三个磁通随时间形成移动磁场。铝盘切割磁力线，产生涡流，并与磁场作用产生转矩，使铝盘向移动磁场方向转动。

技术性能

感应系仪表转矩大、过载能力强、功耗小，只能用于交流，广泛用于交流电能表，通过不同的接线，可以使铝盘转速正比于测量电路的有功功率或无功功率，从而可以用来测量交流电路的有功电能或无功电能。2.5.3感应系仪表的应用

感应系仪表广泛用于交流电能表，电能表（电度表）是用来测量电能的，俗称火表1．单相电能表的结构单相电能表的结构如下图，包括三部分：1）驱动元件驱动元件是产生转动力矩的元件，包括固定线圈和可动铝盘。固定线圈为电压线圈，与负载并联，该线圈用较细导线绕成，匝数较多；电流线圈2，与负载串联，该线圈用较粗导线绕成，匝数较少。2）制动元件为使铝盘在不同转动力矩作用下能产生不同转速，需要有一个与速度一定比例的制动力矩，电能表制动元件由永久磁铁3与铝盘4组成。因此永久磁铁产生的制动力矩方向总是与转动力矩方向相反。3）积算机构积算机构用来计算电能表铝盘的转数，以实现电能的测量和积算。它包括安装转轴7上的蜗杆6、蜗轮5、计数器——齿轮和字轮。此外还有轴承、支架、接线盒，以及有关调节装置如轻载调整、相角调整、温度补偿装置等。1-电压线圈2-电流线圈3-永久磁铁4-铝盘5-蜗轮6-蜗杆7-转轴图单相电能表结构示意图2．单相电能表的工作原理由分析可以推导出铝盘的转速正比于负载所消耗的功率，得式中，C是比例常数；N―在t1至t2的时间内铝盘转动的圈数；W―在t1至t2的时间内负载消耗的电能；

―电能表常数。上式说明，铝盘转动的圈数正比于负载消耗的电能。1/C'的单位为（KW·h）-1，代表每消耗1kW·h电能对应铝盘转动的圈数，1/C'代表电能表每转一圈所对应的电能值，电能表铭牌常常注明1kW·h对应转数，例如IkW·h=2400转。根据铭牌标的值，可求出对应，或1/，已知和铝盘转数N即可算出电能W，但一般电能表能够通过积算机构将圈数转换为千瓦小时数，使用时可直接从积算机构读出消耗电能值。的单位为（KW·h）-1，代表每消耗1kW·h电能对应铝盘转动的圈数，将取倒数得1/C'代表电能表每转一圈所对应的电能值，电能表铭牌常常注明1kW·h对应转数，例如IkW·h=2400转。根据铭牌标的值，可求出对应，或1/C'，已知和铝盘转数N即可算出电能W，但一般电能表能够通过积算机构将圈数转换为千瓦小时数，使用时可直接从积算机构读出消耗电能值。3．单相电能表的使用方法要想正确使用电能表，首先是正确选择额定电压、额定电流和准确度。电能表额定电压应与负载额定电压相符；电能表最大额定电流应大于或等于负载最大电流；电能表准确度分为0.5级、1.0级、2.0级和3.0级。所谓准确度一般指在额定电压、标定电流、额定频率和在的条件下，基本误差不超过标准规定相应值。使用时可根据使用要求选择适合准确度的电能表。电能表的正确接线，如同功率表一样，应遵守“电源端”守则。不过电能表都有接线盒，电压和电流线圈的电源端已经联在一起，接线盒有四个端子，即火线的一“进”一“出”，和零线的一“进”一“出”，如图所示。配线时应注意进端接电源端，出端接负载端，电流线圈应接于火线，而不要接零线等。2.6数字仪表示例测量是获取信息的重要手段，在高速发展的自动化信息社会中对测量技术提出了许多新要求。同时，被测对象范围也不断扩大，由单一物理量扩展为多个物理量，由静态量扩展为动态量。对于这样的测量任务，传统的模拟指针式仪表是无法完成的，而数字仪表随电子技术的进步而发展起来的，随着电子仪器以及高稳定度石英晶体振荡器的发展，数字仪表以准确度高、从测量对象吸取功率小、使用方便、测量速度快、数字显示等特点出现在测量实践中。现在，数字仪表以其优越的性能得到了越来越广泛的应用。数字三相电能表当今，电能已成为最重要的能源，在市场经济下，要求电能表计量准确度高，使用寿命长，而且能实现电能管理智能化、自动化。而由感应系电能表结构可知，机械磨损是感应系电能表无法克服的缺陷，磨损的后果是表越走越慢，准确度降低，同时感应系电能表还存在适用频率窄、功能单一、抄表方式落后等缺点。近一二十年来，由于微电子技术，计算机技术和通信技术的高速发展，出现了高准确度、长寿命且能实现远程自动抄表等多种功能的数字电能表。1．ADE7752型三相电能计量专用集成电路第一代数字仪表于20世纪50年代诞生问世，采用电子管电路控制继电器工作。第二代数字仪表，其结构的主要特点是包含有A/D，并以数字方式显示或打印测量结果，如数字万用表、数字功率计、数字频率计等。第二代数字仪表测量速度较快，准度较高。第三代数字仪表则是智能式仪器仪表，微型计算机技术和嵌入式系统的迅速发展，引起了仪器仪表结构的根本性变革，即以微型计算机（单片机、嵌入式系统、FPGA、DSP等）为主体，代替传统仪表的常规电子线路，成为新一代的具有某种智能的灵巧仪表。

1．ADE7752型三相电能计量专用集成电路ADE7752是美国AD公司推出的高精度测量三相电能的集成电路，可广泛用于工业及民用预付费三相电能表或三相电能计量系统中。它的技术指标满足GB/T17215-1998标准规定的准确度等要求。ADE7752中唯一的模拟电路是ADC电路和基准电路，其他信号都由数字电路（如乘法器、加法器、数字滤波器和数字/频率转换器）来处理，从而达到了高稳定度和高准确度的指标。2．ADE7752的性能特点1）ADE7752能在恶劣的工作环境中达到很高的精度和稳定度。其线性误差在500:1的动态范围内小于0.1%，并且通过其独特的补偿电路使芯片的测量误差非常小。2）ADE7752具有良好的兼容性，能与各种三相电能表（包括直接藕合式，互感器藕合式，三相三线制或三相四线制配电系统）兼容，此外，ADE7752还具有一个能与电流互感器直接相连的内置模拟前端，从而简化了三相电能表的设计，降低了成本。3）能精确测量瞬时有功功率和平均有功功率。频率输出端f1和f2可提供平均有功功率，平均有效功率以两种可选择的频率脉冲形式输出，能直接驱动步进电动机或电子式计数器，亦可配微控制器（MCU）。高频输出端CF可用来校准和提供瞬时有功功率。4）内部有故障检测、漏电保护电路。一旦发现有窃电现象或发生漏电故障就能立即报警，报警时ADE7752照样计量电能。5）具有防潜动（空载阈值）功能，空载电流极低，仅为基本电流（Ib）的0.04％。芯片还具有电源监控功能。6）采用＋5V单电源供电，低功耗（典型功耗仅为60mW），低成本，使用寿命可超过60年。3．ADE7752构成的数字三相电能表由ADE7752构成数字三相电能表的框图如下图所示。主要