讲稿三表电子(指示仪表)

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1、交直流模拟仪器交直流模拟仪器 （指示仪表）（指示仪表） 中国航天科技集团五院514所 江苏东方航天校准有限公司 第一章 常用电测量指示仪表的 工作原理和使用 在电测量指示仪表中，被测量为电磁量， 电磁量作用到它的机构上，驱使仪表的可 动部分产生机械位移，从而模拟出被测量 的大小，即指示被测量的大小，目前广泛 使用的指针式及光指示式直接电测量仪表 绝大部分属这一类。 电测量指示仪表是电测技术领域中出现最早 的一种仪表，已有二百多年的历史，基本结 构和制造工艺目前已达到相当完善的程度。 为了满足近代电测量技术中一些新的要求（ 如高准确度、高速度和自动测量等），出现 了数字式仪表。但是，由于电测量指

2、示仪表 具有结构简单、稳定可靠、成本低廉等一系 列优点，目前仍然是电测量仪器与仪表中使 用量最大、面最广的一类。 电测量指示仪表是我们要检定的对象，因 此必须对它的工作原理、技术特性和使用 等有一定的了解。本章只讨论检定规程所 涉及的电流表、电压表、功率表和电阻表 的工作原理及使用等问题，以利于对检定 规程的理解和掌握。 1-1 电测量指示仪表的基本结构、 工作原理和主要部件 电测量指示仪表的种类虽然很多，但它的基 本原理是相同的，都是由测量机构和测量线 路两个基本部分组成。 1-1-1 测量机构 电测量仪表是以偏转角度（简称偏转）反 映其可动部分的位移，而偏转是对应仪表 所接受被测量的大小。

3、为了将所测的电能 转换成偏转（机械能），在仪表中要有将 电能转换成机械能（和偏转相对应）的机 构，该机构称为测量机构。每个测量机构 都由可动部分和固定部分构成。可动部分 通常包括动圈、软磁铁、阻尼器及指示器 等；而固定部分包括永久磁铁、电磁线圈 、标度盘及支架等。 1转动力矩 被测量作用到测量机构的可动部分或者固定 部分上（基些仪表两者均须接受使用），由 于可动部分与固定部分之间的电磁力作用而 产生作用力，该力对有转轴的可动部分产生 转矩，这个转矩称为转动力矩（或作用力矩 ），用M表示，它可以使可动部分偏转。 转矩M的大小视被测量而定，对于磁电系、 电磁系、电动系及静电系等仪表的转动力矩 ，可

4、以用电工学中的电磁场能量与机械功的 关系理论来确定，这类仪表的转矩都可用下 式表示： 式中：A电磁场能量； 在转矩M作用下可动部分的偏转 。 电磁场能量A的形式及大小视仪表的类型及被测量 的大小而定，各系别仪表的转矩形式以后将分别 讨论。对应于每一个被测量值X有一个完全确定的 转矩值M，因此实现对被测量的测量： 仪表中接受被测量后产生转矩的部分称为驱动 部分。 2反作用力矩 如果在仪表的可动部分上只有转矩作用，则 不论转矩的大小，中要它能克服可动部分的 摩擦，可动部分总要一直偏转下去，这样就 无法实现测量。为了使一定大小的转矩相应 于一定大小的被测量，还必须有另一个力矩 作用的到可动部分上，这

5、个力矩的方向应和 转矩方向相反，称这个力矩为反作用力矩。 在仪表中反作用力矩起控制作用。 产生反作用力矩的方法很多，可用机械力的方法， 也可用电磁力的方法。用机械力方法如用游丝、张 丝及吊丝等。游丝、张丝及吊丝产生的反作用力矩 M正比于偏转，其表达式为 式中：W= M/为游丝、张丝或吊丝偏转（或扭转 ）。单位角度产生的反作用力矩，称为反作用力矩 系数，它决定于游丝、张丝或吊丝材料几何尺寸及 物理性质。 3阻尼力矩 可动部分在转矩作用下要运动，它具有一定 动能，因而可动部分在未达到稳定偏转之前 要民生来回摆动的现象，将影响人们迅速获 得指示值。为了消除这种摆，通常在可动部 分装一个阻尼器，来吸收

6、这部分动能。当可 动部分运动时，阻尼器便产生一个运动方向 相反，大小和运动速度有关的力矩，称这个 力矩为阻尼力矩。当可动部分运动时，阻尼 力矩总是力图阻止其运动，而运动一旦停止 ，阻尼力矩也就等于零，这样阻尼力矩只影 响可动部分的运动过程，而不影响仪表的指 示值。 在仪表中常用的阻尼器有空气阻尼器及磁 感应阻尼器。 阻尼力矩M与可动部分的运动速度成正比 关系，可用下式表示 式中：阻尼系数，它决定于阻尼器 的结构参数及电磁参数（对于磁感应阻尼 顺）。 公式表明，当可动部分静止了，角速度 d/dt=0，阻尼力矩亦等于零，不会影响 仪表的最终示值。 仪表的可动部分，一般都工作在微欠阻尼 状态，因为在

7、这种状态，可动部分在达到 稳定偏转之前稍作摆动后停止，便于读数 ，不易产生读数错误。 4摩擦力矩 在一些由轴尖轴承支承的仪表中，轴尖和轴承之间 存在摩擦，它将产生和可动部分运动方向相反的摩 擦力矩，阻止可动部分的运动，影响仪表示值的正 确性。 式中：G可动部分的重量； k比例系数，它决定于轴尖和轴 承的材料、尺寸、物理性质和接触情况。 5平衡条件及标度尺特性 当不考虑摩擦力矩影响,系统达到稳定(即阻尼力矩 为零)时，转动力矩与反作用力矩相等时，这时存 在如下平衡条件： 公式亦称为平衡方程式。 公式表明偏转的大小可以反映被测量的大小。 1-1-2 测量线路 仪表的测量机构接受被测量后，可动部分便

8、产生偏 转，接受的电量不是电流便是电压或者两个电流的 乘积。一定的测量机构，能借以产生偏转的电量都 是一定的。例如：使磁电系和电磁系测量机构产生 偏转的电量是电流；使静电系仪表测量机构产生偏 转的电量是电压；使电动系仪表测量机构产生偏转 的电量是两个电流的乘积。如被测量是其它的电量 ，例如：功率、能量、频率或相位等，则必须根据 所采用的测量机构，把被测量转变成上述三种量中 的一种，然后再作用到测量机构上。当被测的电流 或电压过大或过小，不适宜直接作用到测量机构上 时，也需进行量值大小的转换。 在仪表中经常使用由电阻 、电感、电容和互感 组成一定的电路，完成必要转变工作，此种电路 称为测量电路。

9、 被测量X通过测量电路转换为某一个中间量y， 而 函数Y=(X)决定于测量电路的性质。为使 某一个被测量只对应一个唯一的偏转，就要 求上述关系式必须是单值的。 综上所述，被测量与中间量y和仪表的测量电路及 测量机构的关系，如方框图1-4表示。 y=(x) =（y）=F(x) x 测量电路 y 测量机构 被测量 中间量 偏转 图1-4 测量电路和测量机构方框图 1-2 电测量指示仪表的分类 电测量指示仪表可根据不同的观点来分类。 下面介绍国家标准（GB/T7676-98）的十二种 分类方法。 1-2-1按准确度分类 电压电流表功率表按准确度分为十级，即 0.05 、 0.1、0.2、 0.3、

10、0.5、1.0、1.5、 2.0 、 2.5及3.5级。 电阻表按准确度分为十二级，即0.05 、 0.1 、0.2、 0.5、1.0、1.5、 2.0 、 2.5 、 3 、5 、10及20级。 1-2-2 按使用条件分类 仪表按使用条件分为五组，即A、A、B、 B1及C组。而使用条件有两种，即工作条 件和最恶劣条件。 1-2-3按外壳的防护性能分类 仪表按其外壳的防护性能分为七种，即普通 式、防尘式、防溅式、防水式、水密式、气 密式和隔爆式。 1-2-4 按耐受机械力作用的性能分类 仪表按耐受机械力作用的性能分两类，即 普通的和能耐受机械力作用的。 1-2-5 按防御外界磁场和电场的性质分

11、类 仪表按耐受机械力作用的性能分为四等，即 、和等。 1-2-6 按作用原理分类 仪表按作用原理分为磁电系、动磁系、电磁 系、极化电磁系、电动系、铁磁电动系、感 应系、静电系、振簧系、热线系、双金属丝 系、热电系、整流系及电子系等。 1-2-7 按可动部分支承方式分类 仪表按其可动部分的支承方式分为三种， 即轴尖（轴颈）轴承式、张丝式及吊丝式 仪表。 1-2-8 按读数装置的结构形式分类 仪表按读数装置的结构形式分为三种，即指 针式、光指示器式及振簧式仪表。 1-2-9 按标度尺上零位的位置分类 仪表按标度尺上零位的位置分为三种， 即单向标度尺、双向标度尺及无零位标 度尺仪表。 1-2-10

12、按使用方式分类 仪表按使用方式分为两种，即安装式和可 携式仪表。 1-2-11 按标度尺特性分类 仪表按标度尺特性为两种，即均匀标度尺 和非均匀标度尺仪表。 1-2-12 按外形尺寸大小分类 仪表按外形尺寸大小分为四种，即微型、 小型、中型和大型仪表。 1-3 电测量指示仪表的主要技术特性 电测量指示仪表的技术特性是衡量仪表质量 的主要技术依据，各种仪表应有的技术特性 在国家标准（ GB/T7676-98 ）中有明确的规 定。技术特性是多方面的，但不外电气特性 和机构特性两个方面，这里仅讨论与仪表检 定有关的内容。 1-3-1 仪表的误差 仪表的误差是仪表的主要技术特性。任何一个仪 表在测量时

13、都有误差，其指示值是被测量真值的 近似值，仪表误差的大小，说明其指示值和被测 量真值的接近程度。因此仪表的准确度愈高，它 的误差也愈小。 根据产生误差的原因，仪表的误差分为基本误差 和附加误差两类。 1误差的表示方法 （1）绝对误差 测量结果X和被测量真值Xo之差称为绝对误差。 真值通常是不知道的。因此，为了求出绝对误 差，实际上都采用标准值Xr（或称约定真值） 来代替真值。标准值是用准确度合适的仪器或 仪表与测量方法测定的。 绝对误差和修正值不但有大小和符号，而且是 有单位的一个量，其单位和被测量的单位相同 。 （2）相对误差 相对误差等于绝对误差与被测量的标准 值Xr之比，通常以百分数表示

14、。 相对误差与绝对误差不同，它只有大小和符 号而无单位。 （3）引用误差 电压电流功率表，线性刻度电阻表时Xn为测 量范围的上限，非线性刻度电阻表时Xn为示 值。详见规程附录1。 引用误差与绝对误差不同，它只有大小和符 号而无单位。 引用误差与仪表的准确度等级相对应。去掉 引用误差的符号和百分号的数字为仪表的准 确度等级指数。 相对误差虽然可以衡量测量的准确度，但却不能 用它来衡量指示仪表的准确度。因为每一个指示 仪表都有一定的测量范围（量限），即使绝对误 差在仪表的一个量限的全部分度线上保持不变， 而相对误差将随着被测量的减小而增大，也就是 说在仪表的各个分度线上相对误差不是一个常数 。为了

15、便于划分指示仪表准确度的级别，而取指 示仪表的测量上限作为相对误差表达式中的分母 ，因此引出所谓引用误差的概念。 2仪表的基本误差 在规定的正常条件下，由于仪表的内部特性和质 量方面的缺陷等所引起的误差，叫做基本误差。 表1-3 各级别仪表的允许基本误差 3基本误差的来源 引起基本误差的来源很多，其中主要有：摩擦误 差轴隙误差不平衡误差、游丝或张丝的永久形误 差、标度尺分度和装配不正确误差、读数误差和 内部电磁场误差等等。 仪表的准确度级 别 0.10.20.51.01.52.55.0 允许基本误差 % 0.10.20.51.01.52.55.0 4仪表的附加误差 仪表在使用过程中，使用条件常常偏离规定的 正常条件，这时仪表的读数与被测量的实际值之 间要出现某些附加的差异，该差异称为附加误差 。 在对仪表指示值有一定影响的量（如温度、工作 位置、频率、电压、波形、电磁场及功率因数等 ）中，某一个偏离确定基本误差时的额定值，都 会产生附加误差。附加误差的表示方法和基本误 差相同。 5仪表的升降变差、指示器不回零位与示值的稳 定性 仪表示值的稳定