22 电测量指示仪表.docx

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22电测量指示仪表

第二章电测量指示仪表

第一节磁电系仪表

一、基本工作原理

磁电系仪表是指由可动线圈中通入电流后产生的磁场与固定的永久磁铁在气隙中产生的磁场相互作用而工作的仪表。

磁电系仪表也称动（线）圈式仪表。

这种仪表可以具有一个以上的线圈，可以用以测量各线圈中电流的总和或电流的比率。

磁电系仪表的结构原理如下图所示。

磁电系仪表结构示意图

1、转动力矩

对于磁电系仪表来说，测量机构中的磁场是均匀的。

当处在永久磁铁的磁场中的动圈有电流通过的时候，则通有电流的动圈与磁场相互作用产生一定大小的转动力矩T，使其发生偏转。

T的大小通常是被测量X与可动部分偏转角α的函数，即

T＝F1（X，α）

（1）

假设通入可动线圈的电流为I时，则根据左手定则，在与磁场方向垂直的线圈的每一边就会产生电磁力F

F＝BILN

（2）

式中B—气隙中的磁感应强度，单位：

特斯拉T；

L—动圈上与磁场方向垂直的边的长，单位：

米m；

N—动圈的匝数。

因此，作用在动圈上的总转动力矩T

T＝2Fr＝2BILNr＝BINS（3）

式中r—动圈框架中心线到框架一边的距离，单位：

米m；

S＝2rL—框架的有效面积，单位：

平方米m2。

2、反作用力矩

为使仪表能够进行测量，应有另外一个力矩同时作用在动圈上，用来与转动力矩相平衡，使每一个被测量值都各有一个偏转角与之相对应。

我们把这个起平衡作用的力矩叫反作用力矩，其方向与转动力矩相反，而大小随着偏转角的增大而增大。

因此，反作用力矩Tα是偏转角位移α的函数，即

Tα＝F2（α）（4）

产生反作用力矩的方式通常有两种：

（1）利用机械力产生反作用力矩，如游丝、张丝和悬丝；

（2）利用电磁力产生反作用力矩。

由于磁电系仪表的反作用力矩通常利用

（1）种方式，因此，在这里我们主要测量讨论由机械力产生的反作用力矩。

当与动圈固接在一起的游丝（张丝或悬丝）因动圈偏转而发生变形，由此而产生了反作用力矩Tα，即

Tα＝Wα（5）

式中W—反作用力矩系数，其大小取决于制作游丝、张丝或悬丝的材料性质和尺寸，单位：

牛顿·米/弧度N·m/rad；

α—仪表动圈的偏转角，单位：

弧度rad。

3、阻尼力矩

从理论上来说，当转动力矩和反作用力矩相等时，仪表指针应静止在某一平衡位置。

但由于仪表可动部分具有惯性，当给仪表施以一稳定电量后，指针不是立刻停在平衡位置上，而是围绕该位置作左右减幅摆动，这将造成读数的困难。

因此，必须使仪表活动部分在运动过程中受到一个与运动方向相反的力矩作用，这种力矩通常称为阻尼力矩，其作用是使仪表活动部分更快地静止在最后平衡位置上。

磁电系仪表没有专门的阻尼装置，大都采用磁感应阻尼，一般可由以下三种方式之一或者它们的组合产生：

仪表的铝制框架；

仪表的可动线圈本身；

在仪表的可动线圈上专门绕一个短路线圈，通常称为阻尼线圈。

必须指出：

阻尼力矩的大小和可动部分的运动速度有关。

它的方向总是与动圈转动的方向相反，只有在动圈转动时才产生，动圈静止下来以后，它也就不存在了。

所以阻尼力矩对取得读数时间的快慢有影响，但对测量结果并无影响。

综合上述讨论可见，当反作用力矩随着活动部分偏转角的增大而增大到与转动力矩相等时，可动部分最终将停留在相应的平衡位置，仪表指针在标度尺上指示出被测量的数值，即

Tα＝T

则Wα＝BINS

α＝BINS＝I（6）

由式（6）中可以看出，对于已经制成的磁电系仪表来说，B、N、S、W都是常量，

也称为磁电系测量机构的灵敏度。

因此，磁电系仪表可用来测量电流以及与电流有联系的其它物理量（经过变换可以转化为电流的量），而且由于动圈的偏转角α与被测量电流成正比，所以标度尺上的刻度是均匀的。

当采用偏置动圈结构时，还可以得到很长的线性标尺。

二、磁电系仪表的主要技术特性

磁电系仪表具有一系列优点：

1、准确度高，这种仪表可以制成0.1级甚至0.05级；

2、灵敏度高，可达10-10A/格，所以可以制成检流计；

3、电压表内阻大，电流表内阻小，因此功率消耗小，对测量电路的影响小；

4、抗外磁场干扰能力强；

5、反映被测量的平均值，因此标度尺刻度是均匀的；

6、阻尼作用较好，一般不超过2秒～3秒；

但其缺点是结构比较复杂，制造成本高，过载能力小，而且只能用于测量直流量。

三、常用磁电系仪表的种类及特点

我们在生产工作中经常使用的磁电系仪表主要有两大类：

1、固定（安装）式：

这种类型的磁电系仪表主要是固定安装在变电站直流屏上的直流电流表或电压表，这种表计只有一个量程。

因为磁电系仪表测量机构不能流过较大的电流（mA级），所以安装式磁电系电流表一般采用分流器（内附或外附）来扩大量程。

同理，电压表也是采用串联附加分压电阻来扩大量程。

常用型号有1C1—A、1C1—V、16C2—A、16C2—V等。

2、便携式：

这种类型的磁电系仪表一般都是多量限，准确度等级较高（0.5级及以上），过载能力相对于安装式仪表小。

便携式磁电系多量限电流表一般采用环行分流法来扩大量程；而电压表则采用在测量机构上串联若干个相当于表头内阻r。

不同倍率的电阻而制成多量限电压表。

这类仪表常用的型号有C19—mA、C19—A、C19—V、C31—uA、C31—mV、C31—A、C31—V、C31—VA及C41—uA、C41—mA、C41—mA.A、C41—A、C41—mV.V、C41—V、C41—AV等。

两种形式的常用磁电系仪表的主要特点如表1所示。

表1：

常用磁电系仪表的主要特点

型号

系列

测量

机构

可动部分

支承方式

反作用

力矩

阻尼装置

读数装置

准确度

等级

量限

工作位置

1C2

内磁式

结构

轴尖、轴承

游丝

动圈框架

标度盘

（不带反射镜）

1.5

单量限

标度盘垂直

16C2

内磁式

结构

轴尖、轴承

游丝

动圈框架

标度盘

（不带反射镜）

1.5

单量限

标度盘垂直

C19

环轭式外磁结构

轴尖、轴承

游丝

阻尼线圈

标度盘带反射镜

0.5

多量限

水平

C31

环轭式内、外磁结构

张丝

张丝

阻尼线圈

标度盘带反射镜

0.5

多量限

水平

C41

环轭式外磁结构

张丝

张丝

阻尼线圈

标度盘带反射镜

0.2

多量限

水平

第二节整流系仪表

整流系仪表是由磁电系测量机构和整流电路组成。

具有功耗小、灵敏度高、结构简单、调试方便等特点。

一、整流系仪表基本工作原理

整流系仪表测量机构的工作原理与磁电系仪表的工作原理是一样的。

因此，分析了解整流系仪表的工作原理，着重于整流电路的分析、讨论。

1、整流电路

整流电路由整流元件组成，而整流元件具有单向导电性。

评价整流元件性能好坏的重要参数是整流系数K，即

K＝

K值越大，整流元件性能越好。

整流电路的主要类型有单相半波整流、单相全波整流、单相桥式整流、三相整流和倍压整流。

整流系电流、电压表的整流电路一般采用单相半波整流和单相全波整流。

常用的整流电路如图1所示，图中M代表磁电系测量机构。

图1常用整流电路

图1（a）～（b）为半波整流电路，全波整流电路通常采用图1（e）～（f）所示的几种形式。

2、常用整流电路的特点

图1（a）所示的半波整流电路是最简单的，因为反向电流没有通路，造成被测电路中断，而且施加于D的反向电压可能很高（这是不允许的），因此这种整流电路很少被采用。

图1（b）中的半波整流电路就克服了图1（a）电路中的这一缺点。

反向电流流经D2和电阻R，R的阻值与测量机构的内阻相等，使整流电路在正反两个方向工作时保持相同的阻抗。

但由于电路效率低，这种电路很少应用。

图1（c）中的电路为全波整流电路，交流信号施加于变压器B的初级，次级有中心抽头。

由于在电流通路中只有一个二极管，因此对测量结果的影响较小（波形、温度、频率变化引起的附加误差），但缺点是由于有变压器而使得仪表显得笨重。

图1（d）是一个桥式全波整流电路，该电路整流效率高，测量机构的灵敏度能够得到充分利用，常在电压表中使用（电压表阻抗较大，二极管的影响相对较小）。

但缺点是这种电路在电流通路中有两个串联的二极管，非线性影响较大，由于电流表的阻抗较小，因此这种电路不适合在电流表中使用。

图1（e）的电流通路中，测量机构M与一个电阻（R1或R2）串联，另一个电阻（R2或R1）是分流电阻；图1（f）的电流通路中，测量机构M与正向导通的二极管（D1或D2）串联，与该支路并联的电阻（R1或R2）是分流电阻。

因此，在这两个电路的电流通路中都只接一个二极管，非线性影响较小，整流效益高，非常适合用于整流系电流表。

当这两种电路用于整流系电压表时，由于分流电阻的存在，使电压表的工作电流增大，内阻减小，功耗增大，因此测量机构的灵敏度未能得到充分利用。

图1（a）～（e）所示的电路在平均值电流表、电压表中使用；图1（f）所示电路在近有效值电流表、电压表中使用。

综合上述讨论，全波整流电路由于电路效率高，因而获得了广泛的应用，常用的整流系电流表、电压表基本上都采用全波整流电路。

3、测量机构可动部分的偏转角α

作用在整流系仪表测量机构可动部分的转动力矩T为

T＝BNSi

（1）

式中i—流过测量机构的电流在与被测交流电流同方向的半周内的瞬时值，单位：

安培A；

B—磁感应强度，单位：

特斯拉T；

N—动圈匝数；

S—动圈的有效截面积，单位：

平方米㎡；

由于可动部分具有惯性，它的偏转仅与转动力矩的平均值成正比。

若i＝Imsinwt，则对半波整流电路而言：

α＝·＝·

即α＝·

（2）

其中：

＝＝Im

式

（2）中α—可动部分的偏转角，单位：

弧度rad；

W—游丝反作用力矩系数，单位：

牛顿·米/弧度N·m·rad-1；

Tt—交流电的周期，单位：

秒S；

—电流平均值，单位：

安培A。

对全波整流电路而言：

α＝

（3）

4、波形因数

有效值与平均值的比值称为波形因数，用Kf表示。

正弦波形电流的有效值I为：

I＝＝＝（4）

即有：

Kf＝＝＝＝1.11

因此，整流系电流表、电压表虽然测量的是平均值，但其标度尺是按正弦交流电的有效值刻度的（即取K＝1.11）。

故当被测交流电的波形发生畸变时，会产生波形误差。

波形误差是方法误差，是由测量电路的原理造成的，与仪表的准确度等级无关。

波形误差的大小不仅与谐波的幅值有关，而且还与谐波的相位有关。

二、整流系仪表的主要技术特性

整流系仪表与磁电系仪表既有一些共性的特点，但也有其自身的特性，如整流系电流表具有测量交流小电流的特长，因为这种仪表是由磁电系测量机构和整流电路组合而成的。

整流系仪表的主要技术特性有以下几个方面：

1、准确度等级较低，一般不高于1.0级，这是由于整流元件非线性及其特性随温度变化的影响；

2、灵敏度高，结构较为简单；

3、功率消耗小，对测量电路影响小，经常被制成安装式仪表，用于交流电流的测量；

4、工作频率范围宽，可高达1kHz左右；

5、由于采用磁电系测量机构，因此抗外磁场影响能力强；

6、反映被测量的平均值，但标度尺按有效值刻度，因此会产生较大的波形误差，标度尺特性基本上是均匀的，普通整流系仪表的标度尺特性取决于整流器。

但如果是近有效值仪表，其刻度特性是不均匀的，呈前密后疏的平方律特性；

7、安装式整流系电流、电压表，一