《電工電子學(xué)》課件第8章

第8章電工測量

8.1電工測量儀表的分類

8.2電工測量儀表的型式

8.3電流的測量

8.4電壓的測量

8.5功率的測量

8.6電橋的應(yīng)用

8.7萬用表

8.1電工測量儀表的分類

1.按儀表的工作原理分類

電工測量儀表若按照儀表的工作原理來分類，可分為磁電式、電磁式、電動式、整流式等，如表8-1所列。

2.按被測量的對象分類

根據(jù)測量對象的不同，指示儀表可分為電流表、電壓表、功率表、歐姆表、電度表以及多種用途的萬用表等，

如表8-2所列。

3.按被測量的種類分類

根據(jù)測量電量的類型的不同，指示儀表可分為直流儀表、單相交流表、交直兩用表和三相交流表。

4.按測量的準(zhǔn)確度分類

準(zhǔn)確度是電工測量儀表的主要特征之一。儀表的準(zhǔn)確度與其誤差有關(guān)。不管儀表制造得如何精確，儀表的讀數(shù)和被測量的實際值之間總是存在誤差的。一種是基本誤差，它是由于儀表本身結(jié)構(gòu)的不精確所產(chǎn)生的，如刻度的不精準(zhǔn)、彈簧的永久變形、軸和軸承之間的摩擦、零件位置安裝不正確等因素。另外一種是附加誤差，它是由于外界因素對儀表讀數(shù)的影響所產(chǎn)生的，例如，沒有在正常工作條件下進行測量，測量方法不完善，讀數(shù)不準(zhǔn)確等因素。儀表的準(zhǔn)確度是根據(jù)儀表的相對額定誤差來分級的。所謂相對額定誤差，就是指儀表在正常工作條件下進行測量可能產(chǎn)生的最大基本誤差ΔAm與儀表的最大量程(滿標(biāo)值)Am之比，如果以百分?jǐn)?shù)來表示，則為

(8-1)

8.2電工測量儀表的型式

按照工作原理，常用的直讀式儀表主要分為電磁式、磁電式和電動式等幾種類型。

直讀式儀表能測量各種電量的根本原理主要是利用儀表中通入電流后產(chǎn)生電磁作用，使可動部分受到轉(zhuǎn)矩而發(fā)生轉(zhuǎn)動而制成的。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩與通入的電流之間存在著一定的關(guān)系，即

T=f(I)為了使儀表可動部分的偏轉(zhuǎn)角α與被測量成一定比例，必須有一個與偏轉(zhuǎn)角成比例的阻轉(zhuǎn)矩TC來與轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩T相平衡，即

T=TC

這樣才能使儀表的可動部分平衡在一定位置，從而反映出被測量值的大小。

1.磁電式儀表

磁電式儀表的構(gòu)造如圖8-1所示。它的固定部分包括馬蹄形永久磁鐵、極掌NS及圓柱形鐵心等。極掌與鐵心之間的空氣隙的長度是均勻的，其中產(chǎn)生均勻的輻射方向的磁場，如圖8-2所示。圖8-1磁電式儀表圖8-2磁電式儀表的轉(zhuǎn)矩當(dāng)線圈通有電流I時，由于與空氣隙中磁場的相互作用，線圈的兩個有效邊受到大小相等、方向相反的力，其方向(圖8-2)由左手定則來確定，其大小為

F=BlNI

式中，B為空氣隙中的磁感應(yīng)強度；l為線圈在磁場內(nèi)的有效長度；N為線圈的匝數(shù)。如果線圈的寬度為b，則線圈所受的轉(zhuǎn)矩為

(8-2)

式(8-2)中，k1=BlbN，是一個比例常數(shù)。

在轉(zhuǎn)矩的作用下，線圈和指針便轉(zhuǎn)動起來，同時螺旋彈簧被扭緊而產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩。彈簧的阻轉(zhuǎn)矩與指針的偏轉(zhuǎn)角α成正比，即

(8-3)當(dāng)彈簧的阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡時，儀表的可動部分便停止轉(zhuǎn)動。這時

(8-4)

即

(8-5)

2.電磁式儀表

電磁式儀表常用推斥式的構(gòu)造，如圖8-3所示。圖8-3推斥式電磁式儀表可以近似地認(rèn)為，作用在鐵片的吸力或儀表的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩是與通入線圈的電流的平方成正比的。在通入直流電流I的情況下，儀表的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩為

T=k1I2

(8-6)

在通入交流電流i時，儀表可動部分的偏轉(zhuǎn)決定于平均轉(zhuǎn)矩，它和交流電流有效值I的平方成正比，即

T=k1I2和磁電式儀表一樣，產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩的也是連在轉(zhuǎn)軸上的螺旋彈簧，即

TC=k2α

當(dāng)阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡時，可動部分即停止轉(zhuǎn)動。這時T=TC，即

(8-7)

3.電動式儀表

電動式儀表的構(gòu)造如圖8-4所示。它有固定線圈和可動線圈兩個線圈，可動線圈與指針及空氣阻尼器的活塞都固定在轉(zhuǎn)軸上。與磁電式儀表一樣，可動線圈中的電流也是通

過螺旋彈簧引入的。圖8-4電動式儀表當(dāng)固定線圈通有電流I1時，在其內(nèi)部產(chǎn)生磁場(磁感應(yīng)強度為B1)，可動線圈中的電流I2與此磁場相互作用，產(chǎn)生大小相等、方向相反的兩個力(圖8-5)，其大小則與磁感應(yīng)強度B1和電流I2的乘積成正比。而B1可以認(rèn)為是與電流I1成正比的，所以作用在可動線圈上的力或儀表的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩與兩線圈中的電流I1和I2的乘積成正比，即

(8-8)圖8-5電動式儀表的轉(zhuǎn)矩當(dāng)線圈中通入交流電流i1=I1msinωt和i2=I2msin(ωt+j)時，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩的瞬時值即與兩個電流的瞬時值的乘積成正比。但儀表可動部分的偏轉(zhuǎn)決定于平均轉(zhuǎn)矩，即

(8-9)

式中，I1和I2是交流電流i1和i2的有效值；j是i1和i2之間的相位差。當(dāng)螺旋彈簧產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩TC=k2α與轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡時，可動部分便停止轉(zhuǎn)動。這時，

T=TC

即

α=k1I1I2

(直流)(8-10)

或

α=k1I1I2cosj

(交流)(8-11)

8.3電流的測量

測量直流電流通常都用磁電式電流表，測量交流電流通常都用電磁式電流表。電流表應(yīng)串聯(lián)在電路中，如圖8-6(a)所示。為了使電路的工作不因接入電流表而受影響，電流表

的內(nèi)阻必須很小。因此，如果不慎將電流表并聯(lián)在電路的兩端，則電流表將會被燒毀。在使用時務(wù)必特別注意。圖8-6電流表和分流器采用磁電式電流表測量直流電流時，因其測量機構(gòu)(即表頭)所允許通過的電流很小，故不能直接測量較大的電流。為了擴大它的量程，應(yīng)該在測量機構(gòu)上并聯(lián)一個稱為分流器的低值電阻RA，如圖8-6(b)所示。這樣，通過磁電式電流表的測量機構(gòu)的電流I0只是被測量電流I的一部分，但兩者有如下關(guān)系:

即

(8-12)

8.4電壓的測量

測量直流電壓常用磁電式電壓表，測量交流電壓常用電磁式電壓表。電壓表是用來測量電源、負(fù)載或某段電路兩端的電壓的，所以必須和它們并聯(lián)，如圖8-7(a)所示。為了使

電路工作不因接入電壓表而受影響，電壓表的內(nèi)阻必須很高。測量機構(gòu)的電阻是較小的，所以必須和它串聯(lián)一個稱為倍壓器的高值電阻，如圖8-7(b)所示，這樣就使電壓表的量程擴大了。圖8-7電壓表和倍壓器由圖8-7(b)可得

即

(8-13)

8.5功率的測量

1.單相交流和直流功率的測量

圖8-8是功率表的接線圖。固定線圈的匝數(shù)較少，導(dǎo)線較粗，與負(fù)載串聯(lián)，作為電流線圈?？蓜泳€圈的匝數(shù)較多，導(dǎo)線較細(xì)，與負(fù)載并聯(lián)，作為電壓線圈。圖8-8功率表的接線圖由于并聯(lián)線圈串有高阻值的倍壓器，它的感抗與其電阻相比可以忽略不計，所以可以認(rèn)為其中電流i2與兩端的電壓

u同相。這樣在式(8-11)中，I1即為負(fù)載電流的有效值I，I2與負(fù)載電壓的有效值U成正比，j即為負(fù)載電流與電壓之間的

相位差，而cosj即為電路的功率因數(shù)。因此，式(8-11)也可寫成

(8-14)

2.三相功率的測量

在三相三線制電路中，不論負(fù)載為星形連接或三角形連接，也不論負(fù)載對稱與否，都廣泛采用兩功率表法來測量功率。

圖8-9所示的是負(fù)載為星形連接的三相三線制電路，其三相瞬時功率為圖8-9用兩功率表法測量三相功率因為

所以

(8-15)圖8-9中，第一個功率表W1的讀數(shù)為

(8-16)

式中，α為uAC和iA之間的相位差。

第二個功率表W2的讀數(shù)為

(8-17)

式中，β為uBC和iB之間的相位差。兩功率表的讀數(shù)P1與P2之和即為三相功率，即

當(dāng)負(fù)載對稱時，由圖8-10的相量圖可知，兩功率表的讀數(shù)分別為

(8-18)圖8-10對稱負(fù)載星形連接時的相量圖因此，兩功率表讀數(shù)之和為

(8-19)由上式可知，當(dāng)相電流與相電壓同相，即j=0時，則P1=P2，即兩個功率表的讀數(shù)相等。當(dāng)相電流比相電壓滯后的角度j>60°時，則P2為負(fù)值，即第二個功率表的指針反向偏轉(zhuǎn)，這樣便不能讀出功率的數(shù)值。因此，必須將該功率表的電流線圈反接。這時三相功率便等于第一個功率表的讀數(shù)減去第二個功率表的讀數(shù)，即

P=P1+(－P2)=P1－P2

在實際應(yīng)用中，常用一個三相功率表(或稱二元功率表)代替兩個單相功率表來測量三相功率，其原理與兩功率表法相同，接線圖如圖8-11所示。圖8-11三相功率表的接線圖8.6電橋的應(yīng)用

1.直流電橋

在實際中最常用的是單臂直流電橋，它是用來測量中值(約1Ω到0.1MΩ)電阻的，其電路如圖8-12所示。圖8-12直流電橋的電路當(dāng)檢流計G中無電流通過時，我們就說電橋達(dá)到平衡。電橋平衡的條件為

R1R4=R2R3

設(shè)R1=Rx，Rx為被測電阻，則

(8-20)

2.交流電橋

交流電橋的電路如圖8-13所示。四個橋臂由阻抗Z1、Z2、Z3和Z4組成，交流電源一般是低頻信號發(fā)生器，指零儀器一般是交流檢流計或耳機。圖8-13交流電橋的電路當(dāng)電橋平衡時，則

(8-21)

將阻抗寫成指數(shù)形式，則為

或由此得

(8-22)

(8-23)

為了使調(diào)節(jié)平衡更容易，通常將兩個橋臂設(shè)計為純電阻。設(shè)j2=j4=0，即Z2和Z4是純電阻，則j1=j3，即Z1和Z3必須同為電感性或電容性的負(fù)載。

設(shè)j2=j3=0，即Z2和Z3是純電阻，則j1=－j4，即在Z1和Z4中，一個是電感性的負(fù)載，而另一個是電容性的負(fù)載。

3.應(yīng)用電橋測量電容和電感

1)電容的測量

測量電容的電路如圖8-14所示，電阻R2和R4作為兩臂，被測電容器(Cx和Rx)作為一臂，其中Rx是電容器的介質(zhì)損耗所反映的一個等效電阻。無損耗的標(biāo)準(zhǔn)電容器(C0)和標(biāo)準(zhǔn)電阻(R0)串聯(lián)后作為另一臂。圖8-14測量電容的電橋電路電橋平衡的條件為

由此得

2)電感的測量

測量電感的電路如圖8-15所示，Rx和Lx是被測電感元件的電阻和電感。圖8-15測量電感的電橋電路電橋平衡的條件為

由上式可得出

調(diào)節(jié)R2和R0使電橋平衡。

8.7萬用表

1.磁電式萬用表

磁電式萬用表由磁電式微安表、若干分流器和倍壓器、二極管和轉(zhuǎn)換開關(guān)等組成，可用來測量直流電流、直流電壓、交流電壓和電阻等物理量。圖8-16是常用的MF－30型萬

用表的面板圖。下面分別介紹各項測量電路。圖8-16

MF—30型萬用表的面板圖

1)直流電流的測量

測量直流電流的原理電路如圖8-17所示。被測電流從“＋”、“—”兩端進、出。RA1~RA5是分流器電阻，它們和

微安表連成一個閉合電路。改變轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置，就改變

了分流器的電阻，從而也就改變了電流的量程。例如，放在

50mA擋時，分流器電阻為RA1+RA2，其余則與微安表串聯(lián)。量程愈大，分流器電阻愈小。圖中的R為直流調(diào)整電位器。圖8-17測量直流電流的原理電路

2)直流電壓的測量

測量直流電壓的原理電路如圖8-18所示。被測電壓加在“＋”、“—”兩端。RV1、RV2等是倍壓器電阻。量程愈大，倍壓器電阻也愈大。圖8-18測量直流電壓的原理電路

3)