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1、第一章 基本测量机构及其构成的仪表 一、概念:利用电磁力使其机械部分动 作并以指针或光标在刻度盘上指示被 测对象量值的电表称作模拟式电机械 指示电表,也称直读式电表。 第一节 慨 述 1 模拟式电机械指示电表必须具备能接受 某种电参量能量并将它转变成机械力或 力矩的机构测量机构。机械力根据 电与磁的相互作用或电荷间存在吸力或 斥力等原理产生。 二、原理: 2 三、构成: 测量机构由可动和静止两个基本部分组 成。可动部分的支撑可以是轴承和轴尖的组 合或张丝。工作时,可动部分受力产生偏转 ,从而带动指针或光标在刻度盘上显示偏转 角的大小。转动部分所受的旋转力矩称转动 力矩;一般还应该有一个随偏转角
2、增大而加 强的反作用力(反作用力矩可用游丝或张丝 提供)在某时刻、表盘某刻度处指针平衡。 即 3 构成:可动部分和固定部分。 原理: 1、转动力矩: 其中: 为偏转角,A取决于测量机构的结构 参数和被测电参量x。 2、 反抗力矩: 其中:W为常数,或是偏转角的函数。 3、当可动部分的静止偏转角对应于转动力矩与反 抗力矩相等的位置时,有: 4 二、分类 按照产生转动力矩所利用电磁现象与 方式的不同,测量机构分为: 磁电系、电磁式、电动系、感应系和 静电系等系别。 5 第二节、磁电系测量机构 概述:磁电系测量机构是利用通电导线在磁场中受 力的原理制成的。磁场由永久磁铁提供,在气隙中 作辐射均匀分布
3、,可转动线圈通恒定电流,则两者 相互作用使在磁力线辐射均匀分布的范围内的线圈 受到恒定转动力矩的作用,即: 上式中:K是与气隙中磁通密度、线圈尺寸及 匝数有关的常数。反抗力矩由游丝或张丝提供 。平衡时: SI称作电流灵敏度,即单位电流所能引起的稳定偏转角 6 一、结构及原理 1、结构: 固定部分: 永久磁铁 可动部分: 可动线圈 7 2、原理: 当可动线圈流过电流时,则线圈电流和永久磁铁 的磁场相互作用,产生磁力,并形成转动力矩, 使线圈转动。即: N:线圈匝数 S:线圈所围的面积 B:由均匀辐射磁场产生。 磁电式仪表是根据导体在磁场中受力即电动机原理。 8 转动线圈转动时,引起游丝变形,产生
4、反作用力矩: D:为游丝的系数,它的大小决定于游丝的材料的 性质和尺寸。 :为线圈的偏转角度。 9 当平衡时,则指针有一个稳定的偏转角。即: 其中: 为磁电式测量机构的灵敏度。 10 说明:可动部分的偏转角 与通过动圈电流I成正 比,则可用偏转角来衡量被测电流的大小,并有指 针在标度尺上直接读出电流I的大小。 11 1、仅适用于直流:永久磁铁产生磁场B的方向不可改 变,只有通入直流时可动部分才可以产生稳定的偏转 ;若通入交流,则可动部分受力不同,由于惯性还来 不及转动过去,接着又转回来,则指针将在零点位置 左右摆动,并不能发生稳定偏转;磁电式仪表反映通 过动圈电流的平均值。 二、特点 2、灵敏
5、度高:永久磁铁产生均匀磁场B,可以很强即 B较大则灵敏度SI较大,即灵敏度高。 12 6、过载能力小:因为电流是通过游丝导入的。又动 圈的导线很细,如果过载,很容易因过热而引起 游丝产生弹性疲劳和烧毁线圈。 3、准确度高;由于磁场B很强,则可以产生较大的 力矩,使得由摩擦、温度以及外磁场的影响而引起 的误差相对减小,因此,磁电式仪表准确度可达到 0.1至0.5级。 4、功率消耗低:因为磁场B大,动圈通过很小的 电流则就可以产生很大的力矩,则仪表本身所消 耗的功率很低。 5、刻度均匀:由于偏转角正比于电流,则仪表的刻 度均匀。 13 三、磁电式仪表 磁电式测量机构主要用于测直流电路中的电流 、电
6、压如果附加一变换器则可构成具有磁电 式测量机构;并带有整流的仪表,则可以测 量交流。(万用表) 1、用作电流表 由于磁电式仪表的测量机构所允许通过的电 流一般在几十微安到几十毫安数量级。为测量较 大电流则必须扩大电流表的量程:常采用分流法。 14 并联分流电阻 如:磁电式仪表最大量程Ic=50,内阻Rc=300,若 将其扩大量程到3A的电流表,则要并联电阻Rf应为 多大? n=3A/500=6000 n为倍数 Rf=300/6000-1=0.05 15 外附分流器 在实际测量工作中,当被测电流大于几十安时,由 于分流电阻过热,将影响测量机械的正常工作,同 时又由于分流电阻的体积大,也不便于在表
7、内组装 ,为此,往往把分流电阻做成单独装置。称“外附 分流器” 如图: 外附分流器有两对接线端钮: “1、2” 电流接头,串联在电路中 “3、4”电压接头,与磁电式仪表并联 16 分流器上面标有“额定电压”“额定电流”值。而 不标电阻的数值。在选配分流器时应注意: 选用“额定电压值应与测量机构的电压限相等” 此 时,电流表最大量程则与分流器的额定电流相同。 17 2、用作电压表 将测量机构(表头)串联一个附加的电阻Rf , 可称分压电阻。 Rf=(m-1) Rc Rf:为分流电阻, Rc:为测量机构内阻。 m:扩大的倍数 注意: 电流表串联于电路中,内阻小,线圈导线粗,圈数少 ,电阻小。电压表
8、并联于电路中,内阻大,线圈导线 细,圈数多,电阻大。两者不可以互换。 18 3、用作欧姆表 先不考虑, ab支路对测量结构的分流作用,图中Rx是 被测电阻,当Rx=0时 或 19 当 ,即 ,则欧姆表量程是无限且标尺 刻度为非线性 当 ,则 Rx 称欧姆表的中值电阻。 由图中:Rx=R+Rc ; 20 ab支路的作用: 不仅可以扩大量程,而且使扩大量程可以调节。 当新的干电池接入电路时,将RA调节较小,以便 使Rx=0 时,测量机构中 ,当电池电压随 使用时间的增长而降低时,可以将RA调至较大的 数值,以便Rx=0时,测量机构中的电流仍为Ic , 如此便可以弥补电压下降造成的误差。 这种欧姆表
9、当干电池电压由于使用久而减小时, 则读数会出现严重错误,为克服这种误差,在欧姆 表测量机构两端并联调节用的ab支路。 21 第三节、电磁系测量机构 一、结构与原理 电磁系测量机构的固定部分 是一个线圈,当通以电流时 产生磁场,使处在该磁场中 的静铁片和动铁片同时磁化 ,于是在两铁片间产生的切 线方向推斥力,形成转动力 矩,使动铁片带动指针偏转 22 扁线圈结构(吸引型): 固定部分:一个中心为狭缝的扁 圆形线圈 ,其中流入被测电流 可动部分:固定在转轴上的软磁 材料制成的铁片。 通入电流I后,产生磁场B,铁 芯吸进狭缝。转轴转动带动指 针偏转。 、圆线圈结构(排斥型): 圆线圈内固定一铁芯,转
10、轴上固定另一铁芯;可动线 圈通入电流I则产生磁场B,两铁芯磁化,相互排斥 ,带动指针偏转。 1、结构 23 2、原理 转动力矩: 其中:A=I2L/2 : I为被测量电流,L为线圈自感 . 反作用力矩: 平衡时: 则: 24 由于这种结构随电流方向变化,工作磁场发生 变化,静、动铁片的磁化极性同时变化,则两 铁片间的吸引力(排斥力)方向保持不变。所 以,这种结构可以测量直流也可以测量交流。 I变化,则B变化,但是F不变化,M不变 化,则指针偏转不变; I增大,则B增大,F增大,则增大 25 二、特点: 1.既可以测量直流,也可以测量交流;既可以制作直流 表也可以制作交流表 2.仪表的结构简单,
11、过载能力强,制作成本低(测量机 构的活动部分不需要通过电流)。 3.有滞后现象:由于结构中含有具有磁滞特性的铁磁 材料,(当测量缓慢增加电流时,电磁式仪表指示值偏 低。当测量缓慢减小电流时,电磁式仪表指示值偏高 )结果,准确度较低。 26 4.受外界影响较大:因为电磁式仪表的磁场是由固定 线圈流过电流所形成的。其磁场较弱,又几乎全部处 于空气中,相对应受外界磁场影响较大,特别,仅地 磁影响可造成1%的误差。 5.刻度不均匀,且受频率有影响:偏转角随直流电 流的平方而改变;随交流电流有效值而改变。 27 6.灵敏度较低,功耗大:由于电磁系测量机构所 能建立的磁场较弱。 7.可以用来制成不同用途的
12、比率表、相位表和 同步指示仪。 28 三、电磁式测量机构构成电流表以及电压表 1、由于游丝不通过电流,测量机构本身便能测量较大的电 流。电磁式电流表量程较大,它的固定线圈的导线较粗、 匝数较少。 多量程电流表可将固定的绕组分段缠绕,并利用两个或两 个以上绕组串联、并联组合来改变量程。如图: 29 2、电磁式电压表 为了测较高的电压并减小被测电路的分流作用,固定线圈的 导线比电流表的细、匝数多,为扩大量程,可以给固定线圈 串联上分压电阻,各换分压电阻的数值,即可获得多量程。 当使用端钮“* ”与 “150V”测量时,相应电压 量限为 150v,分压电阻为 Rfl ,引使用端钮“* ”与 “300
13、V” 测量时,相应电压 量限为300V,其分压电阻为 (Rfl+Rf2) 30 第三节、电动式测量机构 一、结构及原理 电动式仪表示利用两个 通电线圈之间的电动式产 生转动力矩的。即由一个 固定线圈和可动线圈。固 定线圈分成平行排列互相 对称得两部分,中间留有 空隙以便穿过转轴。 31 这种结构特点是能获得 均匀的工作磁场,并可以 借助改变量固定线圈之间 的串联、并联关系而得到 不同的量程。可动线圈与 转轴连接,转轴上有指针 、空气阻尼器、阻尼片; 游丝用来产生反作用力矩 并引导电流的作用。由于 工作磁场很弱,易受外磁 场影响。所以电动式从仪 表的测量机构应置于磁屏 蔽罩内。 32 2、工作原
14、理 如图: 固定线圈通过电流I1,产生磁场B1 可动线圈通过电流I2,处于磁场B1中。受到电磁 力的影响F的作用下产生转动力矩,则指针偏转即 可动线圈部分偏转。又游丝产生反作用力矩,使指 平衡于某一位置。即可读数。具体如下: 转动力矩:反作用力矩: 平衡时: 33 当I1 和I2方向改变时变时 (测测量交流)电电磁力F的 方向不变变(因为为I1变变化时时,B1变变化,而I2也同时时 变变化)则则可动线动线 圈的转动转动 力矩方向不改变变方向。 即可以测测量交流。 假设设 则则: 其中:I1m 、I2m为为最大值值,I1 I2为为有效值值, 为为两电电流之间间的相位差 。 34 而:偏转转角取决
15、于瞬时转动时转动 力矩在一周期内的平均 值值 由上式可以得到:电动电动 式仪仪表用在交流电电路中时时, 其可动动部分的偏转转角,不仅仅与电电流III2乘积积有关, 而且还还取决于两电电流的相位差的余弦值值的大小。即 可以用电动电动 式测测量机构用作功率表、频频率表。 35 1、准确度高(测量机构内没有铁磁性物质,不产生磁 滞误差)可以达到0.1到0.05级的表。 2、可交、直流两用,可以测量功率、相位以及频 率。 3、受外磁场影响较大(因为工作磁场较弱),则 应加磁屏蔽。 二、特点: 36 4、标尺可读不均匀,因为,偏转角屿电流平方成正比 5、过载能力差,因可动线圈中的电流要靠游丝来引 导,电
16、流过大会引起游丝变形或烧毁。 6、功率消耗大,要产生较强的磁场B,则需要保证线 圈匝数多,则以其本身消耗功率大。 37 三、电动式电流表 将电动式测量机构的可动线圈与固定线圈串联起来 则可以构成电流表。即 I1=I2=I 则则: 有: 即 : 38 一般因被测测量电电流要通过过游丝丝以及可动线动线 圈 ,则电则电 流较较小;若电电流过过大时时,可动线动线 圈会 因为绕组导线细为绕组导线细 容易将线线圈以及游丝烧丝烧 毁。 因此要测测量0.5A以上的大电电流,要使用分流 器或将固定线线圈并联联。若测测量交流则则可以直 接读读出交流电电流的有效值值。 39 2、电动式电压表: 如图:固定线圈1,可动线圈2以及分压电阻R串联可以构成 电动式电压表。 当R一定时时, 即可动动部分的偏转转角与仪仪表两端的 电压电压 U成正比,则则它的标标尺刻度不均 匀,为为了使电压电压 表在较宽较宽 的频频