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1、第一章 测量与电工仪表的基本知识 第一节 测量基本知识 一、测量的定义 二、测量方法分类 三、测量的单位 第二节 电工仪表的分类 一、电测量指示仪表 二、比较仪器 第三节 电工仪表的组成和基本原理 一、电测量指示仪表的组成 二、测量机构的组成与原理 第四节 电工仪表的误差和准确度 一、电工仪表误差的分类 二、误差的表示方法 三、仪表的准确度,第五节 电工仪表的主要技术性能 一、仪表灵敏度和仪表常数 二、仪表误差 三、仪表的阻尼时间 四、仪表的功率损耗 第六节 测量误差及其消除方法 一、系统误差 二、偶然误差 三、疏忽误差（粗差） 第七节 工程上最大测量误差的估计 一、直接测量法的最大误差 二、
2、间接测量方式的最大误差 第八节 电工仪表的表面标记和型号 一、电工仪表的表面标记 二、型号 思考题,第二章 磁电系仪表,磁电系仪表在电气测量指示仪表中占有极其重要的地位，常用于直流电路中测量直流电压和电流。若附上整流器以后，可以用来测量交流电流和交流电压；与变换器配合，可以测量交流功率、频率、温度、压力等。采用特殊结构时还可以构成检流计，用来测量极其微小的电流(可小到10-10 A)。 第一节 测量基本知识 一、磁电系仪表的结构 磁电系仪表根据磁路形式的不同，分为内磁式、外磁式和内外结合式三种结构。 外磁式的永久磁铁在可动线圈的外面，主要结构如图2-1(a)所示，它包括固定部分和可动部分： 固
3、定部分由永久磁铁、极掌和固定在支架上的圆柱形铁芯构成。 可动部分由绕在铝框架上的可动线圈、前后两根半轴、与转轴相连的指针、平衡锤以及游丝所组成。整个可动部分支承在轴承上，线圈位于环形气隙之中 。极掌与铁芯之间的空气隙是均匀的，其中产生均匀的辐射方向的磁场。两个游丝的螺旋方向相反，它们的作用是产生反作用力矩并兼作电流引入动圈的引线，游丝的一端与可动线圈相连，另一端固定在支架上。,外磁式 1-永久磁铁 2-极掌 3-铁芯 4-线圈 5-转轴 6-平衡锤 7-指针 8-游丝,内磁式 1-永久磁铁 2-磁軛3-极掌 4空气间隙,图2-1 磁电系仪表的结构示意图,内磁式是将永久磁铁做成圆柱形并放在动圈之
4、内，它既是磁铁又是铁芯。为了能形成工作气隙，并能在工作气隙 中产生一个均匀的磁场，磁场的方向能处处与铁芯的圆柱面垂直，在内磁式的永久磁铁外面要加装一个闭合的导磁环。 内磁式的结构紧凑、受外界磁场的影响小。内磁式磁电系磁路系统的结构如图2-1(b)所示。 内外结合式在可动线圈的内外部均使用永久磁铁，气隙磁场更强、仪表灵敏度更高、受外界磁场影响更小，但结 构复杂，实际用得较少。 二、工作原理 磁电系仪表是利用可动线圈中的电流与气隙中磁场相互作用，产生电磁力而使可动部分转动的原理制成的。当线 圈中通入电流时，仪表的可动部分要受以下几个力矩的作用。 1.转动力矩 当线圈中有电流流过时，电流的方向如图2
5、-2所示，载流导体在磁场中受到力的作用，线圈的两个边所受力的方向 由左手定则可以确定为图2-2的方向，每边所受力的大小为 （式2-1） 式中 B 工作气隙中的磁场磁感应强度； 线圈有效边长； I 通过线圈的电流； N 线圈的匝数。 由于磁力线方向与圆柱面垂直，所以电磁力F的方向与线圈 平面垂直，线圈沿顺时针方向转动，其转动力矩为 (式2-2) 式中，r为转轴中心到有效边的距离，由于线圈平面的面积S=2lr, 所以式（2-2）变为 (式2-3) 式中，K是与气隙中磁感应强度、线圈尺寸及匝数有关的常数。 由于气隙磁场强度是均匀辐射状的，不管线圈转到什么位置，磁感应强度B均不变；对已制成的仪表，线圈
6、面积S、线圈匝数N都是一定的，所以转动力矩的大小与被测电流成正比，其方向决定于电流流进线圈的方向。,图2-2 磁电系测量机构产生转动力矩的原理图,3. 阻尼力矩 磁电系仪表的阻尼力矩属于电磁阻尼力矩，它是由铝框中产生的感应电流和磁场相互作用而产生的，如图2-3所示。当铝框按图中方向转动时，由右手定则可知产生如图示的感应电流，再根据左手定则可知产生如图所示的阻尼力，从而产生阻尼力矩，该阻尼力矩总是反抗铝框运动。指针稳定在平衡位置时，阻尼力矩也就消失了，因此，阻尼力矩在指针偏转的过程中存在，不影响测量结果，但对仪表可动部分起保护作用，可以防止各种原因引起的可动部分的快速摆动，以免损坏轴承及指针等。
7、 可动部分的铝框架相当于一个短路匝，在转动时，切割磁力线，铝框架中产生的感应电势为 ，因为铝框架只有1匝，所以感应电势的数值为 ，此电势在铝框架中产生的电流数值为 ，该电流与流过线圈的电流一样，也要产生转矩 (式2-6) 式中： B 磁感应强度 S 铝框架的面积,2.反作用力矩 可动线圈在电磁力的作用下顺时针转动的同时，会受到游丝产生的反作用力矩作用，反作用力矩的大小与游丝形变大小成正比，即与线圈偏转角成正比，即 (式2-4) 式中，D为常数，是游丝的反抗力矩系数，其大小由游丝的材料性质、形状和尺寸决定。 反抗力矩与偏转角成正比，当转动力矩与反抗力矩大小相等时，指针稳定在平衡点，这时式（2-3
8、）和式（2-4）相等，即 (式2-5) 式中，SI为常数，称为测量机构的电流灵敏度，即单位电流所能引起的稳定偏转角。 由式（2-5）可知，磁电系仪表指针的偏转角与通过线圈的电流成正比。,图2-3 铝框的阻尼作用,R 铝框架的电阻 穿过铝框架的总磁通， P 阻尼系数， 由(式2-6)可见，阻尼力矩与运动速度成正比，其方向与运动方向相反，可以阻止可动部分在平衡位置来回摆动。 此外，线圈与外电路构成闭合回路时，也能产生阻尼力矩，其原理与上面相相似。 三、磁电系仪表的表头参数 由于磁电系表头常用来制成电流表和电压表，因此在构成电流表和电压表过程中必须知道表头的量程和表头内阻。 表头的量程一般指该表头的
9、满偏电流，即表头的最大直接测量电流Ig。它的范围一般在几十微安到几十毫安之间，设计时流过表头的电流不得超过Ig，否则会损坏表头，其值一般标在表头上，也可由实验方法获得。表头量程越小，其灵敏度越高，即较小的电流可引起指针发生较大的偏转。 表头内阻Rg 指表头中的线圈和两个游丝的直流电阻，其值一般标在表头上，也可以由实验方法测得，但不能用万用表的欧姆档或电桥测量表头内阻，因用万用表的欧姆档和电桥测内阻时的工作电流一般在几十毫安以上，该电流大于表头灵敏度，测量时会损坏表头。 四、 磁电系仪表的技术特性 1）准确度高：由于表头本身的磁场很强，受外界磁场的影响小，因此可以制成准确度等级较高的仪表，一般可
10、达0.1级。 2）灵敏度高：因为磁电系表头内永久磁铁的磁场很强，线圈内有很小的电流就可以使表头的可动部分偏转。磁电系表头的灵敏度可以达到微安格。由于灵敏度很高，可以制成内阻很高的电压表，也可以制成量程很小的电流表。 3）刻度均匀：由式（2-5）可知，偏转角与流入线圈的电流成正比，所以仪表的刻度是均匀的。 4）功耗小：因表头灵敏度高（即I小）,所以仪表内消耗的功率很小。 5）过载能力小：由于被测电流经过游丝导入可动线圈，电流过大会引起游丝发热使弹性发生变化，产生不允许的误差，甚至可能因过热而烧毁游丝。另外，可动线圈的导线截面小，也不允许流过较大电流。 6）只能测量直流：这是因为，如果在磁电系测量
11、机构中直接通入交流电流，则所产生的转动力矩也是交变的，可动部分由于惯性作用而来不及转动。,第二节 磁电系电流表 测量各种电磁量的仪器仪表统称为电工仪表，电工仪表不仅可以用来测量各种电磁量，还可以通过相应的变换器用来测量非电磁量，例如温度、压力、速度等。尽管它应用广泛，品种规格繁多，但基本上可以分为两大类。 一、直接接入电路测量电流 磁电系表头的指针偏转角与流过动圈的电流I成正比，所以它本身就是一个电流表。Ig是满刻度电流，Rg是测量机构的内阻，它包括线圈和游丝的电阻。因Ig一般在几十微安到几毫安之间，所以可以作为毫安表或微安表直接接入电路测量电流。用它测几十毫安以上电流时要采用分流电阻扩大量程
12、。 二、经分流电阻接入电路测量电流 因磁电系表头的直接量程很小，若用它测几十毫安以上得较大电流时，要采用分流器扩大量程。 1.单量程电流表 分流器是扩大电流量程的装置，其电路如图2-4（a）所示，图中RS为分流器电阻，它与表头相并联，当测量电流I时，被测电流I的大部分通过分流电阻，在表头中只有较小的电流流过。,根据欧姆定律，可以得到： 故 如果用n表示比值I/Ig，则并联分流器（分流电阻Rs） 之后电流表量程可扩大n倍。n又称扩流倍数，即 由此算出分流电阻为 (式2-7),图2-4 直流电流表 （a）单量程 （b）多量程,【例2-1】有一只磁电系表头，满偏电流为500微安，内阻为200欧，现在
13、要把它制成量限为1安的电流表，问应选择阻值多 大的分流电阻？,解：分流系数为 = 2000(倍) 由式（2-7）可以得出分流电阻为 (欧) 2.多量程电流表 在一个电流表中，采用不同电阻值的分流电阻，可以制成多量程电流表，如图2-4（b）所示。在这种电路中，对应每个量程在仪表外壳上有一个接线柱，这种接线的缺点是任一个分流电阻的阻值有变化都会影响其它量限，所以调整较麻烦。在一些多用仪表（如万用表）中，也有用转换开关切换量程的。图2-4(b)中各量程的量程扩大倍数分别为 因为Rs3Rs2 Rs1, 所以n1 n2 n3 。实际中Rg是已知的，n1 、n2 和n3是设计值，解上述方程可得Rs3、Rs
14、2 和 Rs1 3.外附分流器 图2-4中所述分流器都是封装在仪表外壳内的。在实际工作中，当被测电流很大时（如50安培以上），由于分流电阻发热很厉害，将影响测量机构的正常工作，而且它的体积也很大，因此将分流电阻做成单独的装置，称为外附分流器，如图2-5所示。 它有两对接线端钮，粗的一对（图中的1端钮） 叫电流接头，串接于被测的大电流电路中，细的一 对（图中的2端钮）叫电位接头，与测量机构并联。 分流器上一般标明额定电流值和额定电压值。例如， 一只量限为150安培的磁电系电流表，表明配用 “150A、75mV”的分流器，它的标度尺按150安标定。 则该表配用“150A、75mV”的分流器时，它的
15、量限 就是150安培；如果配用“450A、75mV”的分流器时， 它的量程就是450安培，此时，该表的指示数应乘以3， 才是实际测得的电流值。,图2-5 外附分流器及其接线图 (a) 外附分流器 (b) 分流器的接线 1-电流端钮 2-电位端钮,三 温度补偿 当温度升高后，磁电系电流表的游丝将变软，弹性减小，使线圈偏转角增大，一般每升高10时，仪表指示值约增大0.30.4%；但温度升高也会使永久磁铁磁性减弱，转动力矩减小，使线圈偏转角变小，一般每升高10时，仪表指示值约减小0.20.3%。可见以上两误差符号相反，而且基本能抵消。 当温度升高后，动圈电阻Rg随温度变化。一般温度每升高10，铜的电
16、阻要增大4%，导致分流后流过表头的实际电流减小，从而使仪表指示值减小，所以要采取温度补偿措施。当然，如果磁电系仪表没有采用分流器，则流过测量机构的电流即为被测电流，温度变化引起的仪表误差可以忽略不记。 图2-6 串联温度补偿电路 图2-7 串并联温度补偿电路 磁电系电流表采用串联温度补偿的电路如图2-6所示，图中Rs是铜质分流电阻，Rt是在线圈支路中串联的温度补偿电阻，Rt是锰铜电阻，其阻值受温度变化影响很小，即温度系数小。因Rt的值比Rg大，故Rg的变化不会使这条支路的总电阻产生大的变化，电流分配将因而基本不变，从而起到了补偿作用。要想温度补偿效果好，Rt应取值增大，而Rt太大又会使动圈支路的电流减小，因此要求表头灵敏度很高。对准确度要求高的仪表，可以采取图2-7所示串并联补偿电路。 图2-7 所示的是 串并联温度补偿电路。 图2-7中，Rg和R3是铜电阻，R1和R2是锰铜电阻，R
