第2章 電氣測(cè)量課件

第二章電流與電壓的測(cè)量第一節(jié)電流與電壓的測(cè)量方法第二節(jié)磁電系儀表第三節(jié)磁電系檢流計(jì)第四節(jié)電磁系儀表第五節(jié)電動(dòng)系儀表第六節(jié)測(cè)量用互感器第七節(jié)萬用電表第八節(jié)直流電位差計(jì)第九節(jié)電流表與電壓表的使用

ElectricalMeasure本章要點(diǎn)本章主要介紹磁電系、電磁系和電動(dòng)系三種儀表，以及用它測(cè)量電壓、電流的方法。這三種儀表不僅可以用來測(cè)量電壓、電流。而且在配置某些變換電路之后，還可以用于測(cè)量其他電磁量或作為指示器件。是從事電氣技術(shù)的人員應(yīng)具備有關(guān)儀表知識(shí)的最基本內(nèi)容。電壓表和電流表的附屬裝置，包括分流器、附加電阻和互感器的結(jié)構(gòu)原理及其計(jì)算方法。也是測(cè)量電壓和電流必須掌握的技術(shù)。本章還介紹萬用表、檢流計(jì)和電位差計(jì)。萬用表是現(xiàn)場(chǎng)工作最常用的工具之一，檢流計(jì)和電位差計(jì)則是校準(zhǔn)和精密測(cè)量中常用的儀器。其內(nèi)容可根據(jù)教學(xué)時(shí)數(shù)和專業(yè)需要選擇講授或布置學(xué)生自學(xué)。第一節(jié) 電流與電壓的測(cè)量方法一、直接測(cè)量：

測(cè)量電流、電壓一般都用直接測(cè)量，即用直讀式模擬或數(shù)字的電流、電壓表。測(cè)電流時(shí)與被測(cè)電路串聯(lián)，測(cè)電壓時(shí)與被測(cè)電路并聯(lián)，但應(yīng)注意連接在電路中的位置，如圖所示。電流表線圈應(yīng)接在低電位端電壓表接地標(biāo)志應(yīng)接在低電位端二、間接測(cè)量：在特殊情況下，可以用間接法測(cè)量。例如在已焊好元件的印制板上，通過測(cè)量某電阻兩端電壓求得電流，或測(cè)量通過電阻的電流，求出電阻兩端的壓降。在不斷開電路的狀態(tài)下測(cè)量電流返回本章首頁

第二節(jié)磁電系儀表一、磁電系儀表結(jié)構(gòu)二、磁電系儀表工作原理二、磁電系儀表工作原理

可動(dòng)線圈通電后，由于線圈在磁場(chǎng)中受到電磁力矩的作用使指針產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)可動(dòng)線圈穩(wěn)定后，可認(rèn)為驅(qū)動(dòng)力矩等于反作用力矩，并推出儀表偏轉(zhuǎn)角與電流關(guān)系為若與被測(cè)電壓并聯(lián)，儀表的內(nèi)阻為R，則儀表偏轉(zhuǎn)角與電壓關(guān)系為

三、技術(shù)性能

1.靈敏度高、準(zhǔn)確度高、表耗功率低

由于永久磁鐵與鐵心間的氣隙小，氣隙間的磁感應(yīng)強(qiáng)度比較強(qiáng)，所以磁電系儀表有比較高的靈敏度。且磁感應(yīng)強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩大，可采用反作用力矩系數(shù)比較大的游絲。有較大的定位力矩，使摩擦力矩的影響減小。內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度大，外磁場(chǎng)影響相對(duì)弱，可獲得較高的準(zhǔn)確度。且表耗功率低，對(duì)被測(cè)電路的影響小。所以磁電系儀表是一種應(yīng)用廣泛具有高靈敏度、高準(zhǔn)確度、低表耗功率的儀表。

2.具有均勻等分的刻度

磁電系儀表的指針偏轉(zhuǎn)角與可動(dòng)線圈的電流成正比，標(biāo)尺的刻度均勻等分，易于標(biāo)尺的制作。

3,只能用于直流電路

若在交流范圍使用，必須配整流器。四、電流表分流器

磁電系儀表可以通過分流器擴(kuò)大其量程，也可以并聯(lián)若干個(gè)電阻，通過更換輸入接頭，可組成多量程的電流表。多量程分流器電路分流器電路分流器電路加溫度補(bǔ)償電阻

分流器電阻的計(jì)算

按分流器的電路結(jié)構(gòu)，被測(cè)電流只有一部分通過電流表線圈，其余則通過分流器，可以證明通過電流表線圈的電流與被測(cè)電流的關(guān)系為

如用n表示比值，它的數(shù)值代表電流表并聯(lián)分流器之后的量程擴(kuò)大倍數(shù)。將上式移項(xiàng)，可推出按量程擴(kuò)大倍數(shù)n求得分流器電阻阻值的關(guān)系式。即五、電壓表的附加電阻

擴(kuò)大電壓表量程可以串聯(lián)附加電阻，設(shè)直接測(cè)量的量程為，測(cè)量機(jī)構(gòu)內(nèi)阻為，串聯(lián)附加電阻后，可將電壓量程擴(kuò)大為，則與的關(guān)系可由下式求得

用m表示比值，其值代表串聯(lián)附加電阻后電壓表量程擴(kuò)大的倍數(shù)，可按m值求得串聯(lián)的附加電阻值返回本章首頁第三節(jié) 磁電系檢流計(jì)一、結(jié)構(gòu)檢流計(jì)是一種具有極高靈敏度的電流表，為提高檢流計(jì)的靈敏度，動(dòng)圈采用無骨架結(jié)構(gòu)，減少厚度，既減輕動(dòng)圈重量，又縮短磁路的工作氣隙。使氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大。 可動(dòng)部分不用軸和軸承的支撐方式，改用張絲或吊絲懸掛動(dòng)圈，以消除因軸尖所產(chǎn)生的摩擦，使之可在很小的力矩下都能工作。對(duì)非便攜式的檢流計(jì)，還可以用光標(biāo)代替指針。

光標(biāo)指示和指針指示的示意圖光標(biāo)式指針式二、可動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)方程

檢流計(jì)的可動(dòng)線圈通電后產(chǎn)生力矩為M，并在M作用下繞軸運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二定律，力矩M隨時(shí)要與阻力矩、阻尼力矩以及慣性力矩相平衡，或用轉(zhuǎn)角的運(yùn)動(dòng)方程表示為。

三、動(dòng)圈從靜止至穩(wěn)定過程

動(dòng)圈從靜止到穩(wěn)定過程所需時(shí)間決定于阻尼，動(dòng)圈無鋁制框架，全靠動(dòng)圈與外電阻所構(gòu)成的回路產(chǎn)生阻尼。加上可動(dòng)部分的重量輕、阻力小、沒有軸承磨擦力，一旦施加驅(qū)動(dòng)力矩，因慣性沖力會(huì)越過平衡點(diǎn)。超過后又會(huì)在彈簧游絲定位力矩作用下返回，使動(dòng)圈左右搖擺不停，不能快速停在平衡位置上，甚至?xí)永m(xù)了幾分鐘或者幾十分鐘。但如果動(dòng)圈與外電阻所構(gòu)成的回路電阻較小，能產(chǎn)生足夠大的阻尼，就能避免這種振蕩發(fā)生。根據(jù)阻尼大小，可動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可能出現(xiàn)過阻尼、欠阻尼和臨界阻尼等三種形式?？蓜?dòng)線圈運(yùn)動(dòng)方程及解的三種形式1.欠阻尼狀態(tài)2.臨界阻尼狀態(tài)3.過阻尼狀態(tài)可動(dòng)線圈三種運(yùn)動(dòng)形式所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)曲線曲線1：欠阻尼狀態(tài)曲線2：過阻尼狀態(tài)曲線3：臨界阻尼狀態(tài)返回本章首頁穩(wěn)定后動(dòng)圈的轉(zhuǎn)角第四節(jié)電磁系儀表一、電磁系儀表的結(jié)構(gòu)

電磁系儀表結(jié)構(gòu)有吸引型和推斥型兩種形式吸引型推斥型二、電磁系儀表的工作原理二、電磁系儀表的工作原理二、電磁系儀表的工作原理驅(qū)動(dòng)力矩：吸引型的驅(qū)動(dòng)力矩是利用線圈通電后，對(duì)可動(dòng)鐵心產(chǎn)生吸引力，使指針偏轉(zhuǎn)。推斥型則靠線圈同時(shí)對(duì)固定、可動(dòng)鐵心進(jìn)行磁化，由于磁化的極性相同，產(chǎn)生互斥而形成驅(qū)動(dòng)力矩。反作用力矩：采用游絲，設(shè)其反作用力矩系數(shù)為D。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力矩與反作用力矩相等時(shí)，指針停止轉(zhuǎn)動(dòng)，可推出，不同電流產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩與儀表偏轉(zhuǎn)角關(guān)系為阻尼力矩：一般采用磁感應(yīng)阻尼。三、電磁系儀表技術(shù)性能

1.由于指針偏轉(zhuǎn)角與被測(cè)電流的平方成正比，所以標(biāo)尺呈平方律特性，前密后疏。2.如果通以交流電，則指針偏轉(zhuǎn)角與被測(cè)電流瞬時(shí)值平方成正比，當(dāng)瞬時(shí)值變化很快時(shí)，由于可動(dòng)部分慣性，指針偏轉(zhuǎn)角將決定于瞬時(shí)力矩在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，

即指針偏轉(zhuǎn)角與交流有效值平方成正比，所以電磁系儀表可用于測(cè)量交流，并可與直流共用同一標(biāo)尺。 3.防干擾性能改變電壓量程改變電流量程4.改變電流量程，可改變線圈的安匝數(shù)。改變電壓量程，可改變線圈的附加電阻。返回本章首頁第五節(jié) 電動(dòng)系儀表一、電動(dòng)系儀表的結(jié)構(gòu)二、電動(dòng)系儀表的工作原理二、電動(dòng)系儀表的工作原理

由固定、可動(dòng)兩組線圈所構(gòu)成的系統(tǒng)，通電后的磁場(chǎng)能量為可動(dòng)線圈所受的驅(qū)動(dòng)力矩為根據(jù)指針穩(wěn)定時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩等于反作用力矩，可求得指針偏轉(zhuǎn)角作為電流或電壓表使用時(shí)，如果兩線圈通以同一電流，或被測(cè)電流的一部分，且互感變化率為常數(shù)，則指針偏轉(zhuǎn)角與被測(cè)電流平方或被測(cè)電壓平方成正比，或與交流電流或電壓有效值平方成正比。如作為功率表使用，指針偏轉(zhuǎn)角正比于被測(cè)功率。三、電動(dòng)系儀表的技術(shù)性能

1.和電磁系一樣刻度呈平方律特性，可用于測(cè)量直流也可以測(cè)量交流，或交直流兩用。準(zhǔn)確度高于電磁系。2.作為小量程電流表使用時(shí)，固定線圈與可動(dòng)線圈串聯(lián)，但作為大量程使用時(shí)，由于可動(dòng)線圈不允許通過大電流，故可動(dòng)線圈只能與固定線圈并聯(lián)。3.作為電壓表使用時(shí)，可以根據(jù)量程大小，串聯(lián)不同的附加電阻。小量程電流表，固定線圈可與可動(dòng)線圈串聯(lián)大量程電流表，固定線圈可與可動(dòng)線圈并聯(lián)電壓表根據(jù)量程串聯(lián)不同的附加電阻返回本章首頁第六節(jié) 測(cè)量用互感器一、互感器的用途互感器主要用于擴(kuò)大交流電流表、電壓表、功率表和電能表的量程，而且具有如下特點(diǎn)：1.隔離高壓；2.降低表耗；3.節(jié)省設(shè)備投資；4.可統(tǒng)一使用5A、100V的標(biāo)準(zhǔn)表芯，配上不同的互感器，可組成各種不同量程的電壓、電流表。高壓部分低壓部分二、互感器的構(gòu)造二、工作原理

電壓互感器相當(dāng)于空載變壓器，與電壓表聯(lián)用。被測(cè)電壓等于接在二次繞組的電壓表讀數(shù)乘以電壓互感器的電壓變比。注意！電壓互感器二次繞組不許短路。電流互感器相當(dāng)于短路的變壓器，與電流表聯(lián)用。被測(cè)電流等于接在二次繞組的電流表讀數(shù)乘以電流互感器電流變比。注意！電流互感器二次繞組不許開路。變壓器等效電路圖

三、互感器的誤差

1.變比誤差：由于負(fù)載過大，互感器內(nèi)壓降加大，引起輸出電壓下降，使得電壓比不等于匝數(shù)比?；螂娏骰ジ衅鞫卫@組磁化電流過大，使得電流比不等于匝數(shù)比所造成的變比誤差。

2.相角誤差：由于繞組內(nèi)阻抗過大，或鐵心材料和氣隙的影響，使得磁化電流過大，電壓互感器的一、二次繞組的電壓相位差，或電流互感器的一、二次繞組的電流相位差不等于180°，造成相角誤差。四、互感器的連接電壓互感器在供電系統(tǒng)中的連接電流互感器在供電系統(tǒng)中的連接電流互感器（TA）的接線方式1）電流互感器（TA）的V形混相接線方式電流互感器（TA）的V形混相接線在二次側(cè)的公共線上可獲得電流

缺點(diǎn)：接線容易出錯(cuò)，且發(fā)生錯(cuò)誤接線后，不易查找

常用于三相三線系統(tǒng)（V形接法又稱為不完全星形接法）2）電流互感器（TA）的V形分相接線方式各相電流相互獨(dú)立，使得錯(cuò)誤接線機(jī)率相對(duì)減少，提高了準(zhǔn)確度與可靠性DL/T448-2000《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》中，將分相接法列為三相三線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)接線方式電流互感器（TA）的V形分相接線兩臺(tái)電流互感器宜采用四線連接3）電流互感器（TA）的Y形混相接線方式當(dāng)三相電流平衡時(shí)中線電流為零，否則中線電流不為零

常用于高壓大電流接地系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)二次回路，低壓三相四線電路嚴(yán)禁公共線斷開，否則,會(huì)造成較大的計(jì)量誤差電流互感器（TA）的Y形混相接線4）電流互感器（TA）的Y形分相接線方式電流互感器（TA）的Y形分相接線各相電流相互獨(dú)立，使得錯(cuò)誤接線機(jī)率相對(duì)減少，提高了準(zhǔn)確度與可靠性DL/T448-2000《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》中，將分相接法列為三相四線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)接線方式三臺(tái)電流互感器宜采用六線連接1、電壓互感器（TV/PT）的選擇額定電壓準(zhǔn)確度等級(jí)額定容量

—TV一次側(cè)額定電壓，kV；—電網(wǎng)電壓，kV

—TV額定容量，VA；—二次負(fù)荷，VA在發(fā)電廠、變電站、電力用戶運(yùn)行的電能計(jì)量裝置按其所計(jì)量的電量不同和計(jì)量對(duì)象的重要程度分為五類（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）。Ⅰ、Ⅱ采用0.2級(jí)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ用0.5級(jí)，0.1級(jí)以上用于實(shí)驗(yàn)室和精密測(cè)量或校驗(yàn)低等級(jí)的互感器五、互感器的選擇2、電流互感器（TA/CT）的選擇額定電壓準(zhǔn)確度等級(jí)額定容量額定變比為保證良好的電流特性，不應(yīng)使其工作在一次額定電流的1/3以下，應(yīng)該盡量使其在額定電流的2/3以上運(yùn)行

—TA安裝處電壓，kV；—TA額定電壓，kV

—TA額定容量，VA；—二次總負(fù)載視在功率，VADL/T448-2000《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定，Ⅰ、Ⅱ類電能計(jì)量裝置，應(yīng)選用0.2S級(jí)的電流互感器，對(duì)其它類電能計(jì)量裝置應(yīng)選用0.5S級(jí)的電流互感器。

1、電壓互感器六、互感器的使用要正確接線。將電壓互感器的一次側(cè)與被測(cè)電路并聯(lián)，二次側(cè)與電壓表（或儀表的電壓線圈）并聯(lián)；電壓互感器的一次側(cè)、二次側(cè)在運(yùn)行中不允許短路，一二次側(cè)都應(yīng)裝設(shè)熔斷器，以免一次側(cè)短路影響高壓供電系統(tǒng)，二次側(cè)短路會(huì)燒毀電壓互感器；為防止故障時(shí)二次側(cè)電壓升高，電壓互感器的二次側(cè)繞組、外殼和鐵心要可靠接地，以確保人身和設(shè)備安全。2、電流互感器要正確接線。將電流互感器的一次側(cè)與被測(cè)電路串聯(lián)，二次側(cè)與電流表（或儀表的電流線圈）串聯(lián)；電流互感器的二次側(cè)在運(yùn)行中不允許開路，二次側(cè)嚴(yán)禁加裝熔斷器，需要更換或拆除測(cè)量?jī)x表時(shí)，用開關(guān)先將二次側(cè)短路，更換儀表后，再將開關(guān)打開；電流互感器的二次側(cè)繞組、外殼和鐵心要可靠接地，以確保人身和設(shè)備安全；接在同一互感器上的儀表不能太多，否則接在二次側(cè)的儀表消耗的功率將超過互感器二次側(cè)的額定功率，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。七、鉗式電流表鉗式電流表是電流互感器和電流表的組合，可以在不斷開交流電路，并在設(shè)備仍運(yùn)行的條件下，測(cè)量交流電流。1、鉗式電流表的結(jié)構(gòu)外型內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意2、鉗式電流表的工作原理 電流互感器的鐵心在捏緊扳手時(shí)可以張開；被測(cè)電流所通過的導(dǎo)線可以不必切斷就可穿過鐵心張開的缺口，當(dāng)放開扳手后鐵心閉合。穿過鐵心的被測(cè)電路導(dǎo)線就成為電流互感器的一次線圈，其中通過電流便在二次線圈中感應(yīng)出電流。從而使二次線圈相連接的電流表便有指示——測(cè)出被測(cè)線路的電流。返回本章首頁測(cè)量前先估計(jì)被測(cè)電流的大小，選擇合適的量程；測(cè)量時(shí)應(yīng)將被測(cè)載流導(dǎo)線至于鉗口中央，以避免增大誤差；鉗口要結(jié)合緊密；測(cè)量5A以下的較小電流時(shí)，為確保讀數(shù)準(zhǔn)確，在條件許可的情況下，可將被測(cè)導(dǎo)線多繞幾圈再放入鉗口進(jìn)行測(cè)量，被測(cè)的實(shí)際電流值應(yīng)等于儀表讀數(shù)除以放進(jìn)鉗口中導(dǎo)線的圈數(shù)；測(cè)量完畢后，一定要將儀表的量程開關(guān)置于最大量程位置上，以防下次使用時(shí)操作者疏忽而造成儀表損壞。3、鉗式電流表的使用第七節(jié) 萬用電表一、萬用電表的結(jié)構(gòu)萬用表的組成：測(cè)量機(jī)構(gòu)、測(cè)量線路和轉(zhuǎn)換開關(guān)組成。外觀組成：外殼、表頭、表盤、機(jī)械調(diào)零旋鈕、電阻擋調(diào)零電位器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、專用插座、表筆及其插孔。內(nèi)部組成：電池及電阻、電容、二極管、三極管、集成電路等元器件。符號(hào)含義萬用表準(zhǔn)確度

準(zhǔn)確度也叫精確度。萬用表是一種直讀式電工測(cè)量?jī)x表。其準(zhǔn)確度不高，但因功能繁多、使用方便而獲廣泛使用。用儀表進(jìn)行測(cè)量時(shí)，儀表示值與被測(cè)量真值間存在一定誤差。在符合儀器校準(zhǔn)試驗(yàn)所規(guī)定的基準(zhǔn)條件下對(duì)儀器測(cè)定的誤差稱基本誤差。國(guó)家規(guī)定，根據(jù)儀表基本誤差的大小，直讀式電工測(cè)量?jī)x表的精確度劃分為7級(jí)，如表所示。表中基本誤差是以測(cè)量?jī)x器的絕對(duì)誤差與該儀器刻度尺上量限(稱量程)之比的百分?jǐn)?shù)來定義的。不同型號(hào)或同一型號(hào)但工作在不同功能和量程時(shí)的萬用表，其準(zhǔn)確度可不同。各量程的準(zhǔn)確度級(jí)別均于電表面板或使用說明書上標(biāo)明。技術(shù)指標(biāo)

萬用表是利用多刀多投轉(zhuǎn)換開關(guān)，改變電路連接方式，測(cè)量不同量程的電壓、電流或電阻，是電氣維修中常用的工具。除一般測(cè)量電壓、電流和電阻外，還可測(cè)量電子電路的電平，測(cè)量電平實(shí)際上就是測(cè)量電壓，不過是被測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值之比的對(duì)數(shù)形式表示。

當(dāng)表示功率電平時(shí)，可用負(fù)載為600Ω、1mW作為功率的0電平。當(dāng)表示電壓電平時(shí)，可用0.775V作為電壓的0電平。500型萬用表外形功率電平電壓電平電平是一種用來表示功率或電壓相對(duì)大小的參數(shù)，單位是dB(分貝)。首先指定某一功率P0或電壓U。作為基準(zhǔn)(稱零電平基準(zhǔn))，被測(cè)功率PX或電壓U。的電平值N定義為dB,當(dāng)Px>P0或Ux>U。時(shí)，N為正值，反之為負(fù)值。工程上通常規(guī)定在600Ω電阻上消耗1MW的功率為零電平基準(zhǔn)。由此可以推算出對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓值。由此可知，萬用表上分貝(dB)刻度的0dB對(duì)應(yīng)交流刻度的0.775V處。若已知電平N值，則可換算出電壓Ux值。在電平刻度上，N值為一10～+22dB，實(shí)際對(duì)應(yīng)的Ux值為0.24—9.76V，相當(dāng)于交流10V量程。當(dāng)被測(cè)電平值大于+22dB時(shí)，應(yīng)將萬用表置于交流電壓50V或250V擋進(jìn)行測(cè)量，但應(yīng)注意，在50V擋測(cè)量時(shí)，N值應(yīng)是分貝刻度上讀到的值加14dB。同樣，在250V擋測(cè)量時(shí)，應(yīng)加28dB。

MF500型萬用表面板刻度二、500型萬用表