d第3章_直读仪表的测量机构

1、第第3章章 模拟式直读仪表模拟式直读仪表机电式直读仪表的一般结构原理机电式直读仪表的一般结构原理磁电系测量机构磁电系测量机构电磁系测量机构电磁系测量机构电动系测量机构电动系测量机构流比计式测量机构流比计式测量机构模拟式直读仪表概述模拟式直读仪表概述 模拟式直读仪表模拟式直读仪表是指利用电磁装置将电磁能转变是指利用电磁装置将电磁能转变为机械能的表计，并且在转换的过程中保持被测量与机为机械能的表计，并且在转换的过程中保持被测量与机械指示有确定的函数关系。械指示有确定的函数关系。第一节第一节 模拟式直读仪表概述模拟式直读仪表概述一、对指示仪表的一般技术要求一、对指示仪表的一般技术要求1. 基本量测量

2、能确切反映被测量；基本量测量能确切反映被测量；2.2.保证足够的准确度；保证足够的准确度；3.3.指示受外界影响要小；指示受外界影响要小；4.4.有足够的灵敏度有足够的灵敏度对被测电路影响小；对被测电路影响小；5.5.标尺刻度尽可能均匀标尺刻度尽可能均匀减少读数误差；减少读数误差；6.6.足够好的频率特性；足够好的频率特性；7.7.绝缘及过载能力强；绝缘及过载能力强；8.8.运行可靠；运行可靠；9.9.价格便宜价格便宜。二、指示仪表的误差与准确度级二、指示仪表的误差与准确度级1. 1. 指示指示“误差误差”的原因的原因摩擦、刻度不准、安装不当；摩擦、刻度不准、安装不当；温度、湿度、外电磁场、频

3、率变化温度、湿度、外电磁场、频率变化2. 2. 标准条件标准条件 规定位置放置规定位置放置( )( )； 环境温度环境温度(20(205 5 C)C)； 湿度正常；湿度正常； 除地磁场外无其他外电磁场；除地磁场外无其他外电磁场； 交流电为正弦波规定的频率范围。交流电为正弦波规定的频率范围。 仪表在标准条件下的误差。它是由仪表本身的仪表在标准条件下的误差。它是由仪表本身的不完善造成的。不完善造成的。3. 3. 基本误差基本误差准确度级准确度级a：引用误差引用误差：仪表示值的绝对误差与其测量上限之比。：仪表示值的绝对误差与其测量上限之比。%100 mnAx 工作条件不满足标准条件所造成的误差。工作

4、条件不满足标准条件所造成的误差。4. 4. 附加误差附加误差5. 5. 引用误差和准确度级引用误差和准确度级仪表的引用误差仪表的引用误差用来评价仪表的准确程度。用来评价仪表的准确程度。仪表最大引用误差不能超过该仪表最大引用误差不能超过该仪表仪表准确度级准确度级的百分数。的百分数。%aAxmmnm 100 当仪表示值大到仪表上限时，测量结果的相对误差当仪表示值大到仪表上限时，测量结果的相对误差限才等于仪表准确度等级的百分数，否则就要大于它。限才等于仪表准确度等级的百分数，否则就要大于它。即被测量越小，测量结果的相对误差越大。即被测量越小，测量结果的相对误差越大。因此，要因此，要求被测量的值应大于

5、其测量上限的求被测量的值应大于其测量上限的2/32/3。由前式由前式mmAax %所以仪表在示值所以仪表在示值x处的相对误差限为处的相对误差限为xAaxxmm % 指示仪表的准确度等级有：指示仪表的准确度等级有：0.050.05，0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 5.00.1, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.5, 5.0第第2节节 机电式指示仪表的一般结构原理机电式指示仪表的一般结构原理一、结构方框图一、结构方框图测量测量线路线路测量测量机构机构xy被测量被测量基本基本量测量量测量 偏转角偏转角测量线路测量线路：其作用是把被测量其作用是把被测量 x x

6、转换成测量机构可以转换成测量机构可以 接受的中间电量接受的中间电量 y y（称为（称为基本量测量基本量测量）测量机构测量机构：由电磁作用将基本量测量转换成机械偏转由电磁作用将基本量测量转换成机械偏转 固定部分：固定部分：电磁元件（线圈、永久磁铁等电磁元件（线圈、永久磁铁等) )、轴支架、轴支架、 游丝、读数装置、调零装置等。游丝、读数装置、调零装置等。二、测量机构的组成二、测量机构的组成可动部分：可动部分：动圈、轴、指针、平衡锤等。可动部分动圈、轴、指针、平衡锤等。可动部分 用轴尖轴承或张丝支撑。用轴尖轴承或张丝支撑。1. 驱动力矩驱动力矩 电磁元件吸收被测电路的电磁能量，产生电磁力电磁元件吸

7、收被测电路的电磁能量，产生电磁力矩，该驱动力矩作用于转轴，进而产生机械偏转。矩，该驱动力矩作用于转轴，进而产生机械偏转。 设电磁机构中由基本量测量设电磁机构中由基本量测量y产生的电磁能量为产生的电磁能量为A，使可动部分偏转的驱动力矩为使可动部分偏转的驱动力矩为 Ma ，则由虚位移作功，则由虚位移作功原理，得到原理，得到 yfddAMa 三、测量机构的力矩三、测量机构的力矩机电式仪表按产生机电式仪表按产生驱动力矩的不同分类驱动力矩的不同分类磁电系磁电系 电压表电压表 电流表电流表电磁系电磁系 电压表电压表 电流表电流表电动系电动系 电压表电压表 电流表电流表 功率表功率表感应系感应系 电度表电度

8、表 静电系静电系 电压表电压表2. 反抗力矩反抗力矩 由反抗力矩由反抗力矩Mf来来平衡平衡驱动力矩。驱动力矩。 一般来说，反一般来说，反抗力矩抗力矩Mf 的大小与偏转角的大小与偏转角 成正比成正比(比例系数为比例系数为W)，方向与偏转方向相反方向与偏转方向相反 Mf =W 当当驱动力矩驱动力矩和和反抗力矩反抗力矩达到达到动态平衡动态平衡时，有时，有即即)(1yfW 偏转角偏转角 能反映被测量的大小。能反映被测量的大小。 WMMyffa 反抗力矩反抗力矩Mf的产生的产生弹性元件弹性元件(游丝、张丝、吊丝游丝、张丝、吊丝)电磁机构电磁机构(流比计式仪表流比计式仪表)弹簧游丝弹簧游丝产生反抗力矩产生

9、反抗力矩偏转角随时间变化曲线偏转角随时间变化曲线（a）空气阻尼空气阻尼 （b）电磁阻尼电磁阻尼作用：作用：改善转动部分的动态特性，改善转动部分的动态特性，2. 阻尼力矩阻尼力矩种类：种类：电磁阻尼电磁阻尼 空气阻尼空气阻尼 大小与可动部分运动速度成正比；大小与可动部分运动速度成正比； 方向与可动部分运动方向相反。方向与可动部分运动方向相反。dtdpMp 特性：特性： t 0四、仪表表盘上部分符号及其含义四、仪表表盘上部分符号及其含义磁电系仪表磁电系仪表第第2节节 磁电系测量机构磁电系测量机构一、结构一、结构外磁式磁电系仪表的结构外磁式磁电系仪表的结构1.永久磁铁永久磁铁 2.极掌极掌 3.轴轴

10、 4.可动线圈可动线圈 5.圆柱形铁心圆柱形铁心6.平衡锤平衡锤 7.游丝游丝 8.指针指针分为分为外磁式外磁式和和内磁式内磁式 内磁式磁电系仪表的结构内磁式磁电系仪表的结构1.1.磁铁磁铁 2. 2.磁轭磁轭 3. 3.极掌极掌 4. 4.气隙气隙二、工作原理二、工作原理INBNSIlINBrfrMa2由安培环路定律，电流在磁场中要受到力的作用由安培环路定律，电流在磁场中要受到力的作用当当 Ma=Mf 时，时，线圈处于平衡状态，线圈处于平衡状态，此时有此时有 N I=W , 即即其中其中r轴到线圈边的距离；轴到线圈边的距离；N线圈匝数；线圈匝数；B气隙的磁感应强度；气隙的磁感应强度；l线圈的

11、有效边长；线圈的有效边长；S线圈的有效面积；线圈的有效面积； 通过线圈的磁通；通过线圈的磁通；I流过线圈的电流；流过线圈的电流；ISIWNI 式中，式中，SI 称为仪表的电流灵敏度。称为仪表的电流灵敏度。NS铁铁心心NSlrN 磁电系测量机构磁电系测量机构磁场分布磁场分布结论：磁电系仪表的指针偏转角正比于通过线圈的电流。结论：磁电系仪表的指针偏转角正比于通过线圈的电流。仪表线圈绕在一个铝框架上。铝框架相当于一个短路环。仪表线圈绕在一个铝框架上。铝框架相当于一个短路环。铝框架中的感应电势铝框架中的感应电势dtdBSdtde 铝框架中的电流铝框架中的电流dtdRBSReippp 此电流在磁场中所受

12、力距此电流在磁场中所受力距dtdpdtdRdtdRBSBSiMpppp 21三、磁电系仪表的阻尼方式三、磁电系仪表的阻尼方式除铝框架要受到阻尼外，线圈本身也要受到阻尼力矩除铝框架要受到阻尼外，线圈本身也要受到阻尼力矩dtdpdtdRRBSNMp 0020)(R0 和和 R 分别为线圈电阻和外电路电阻。分别为线圈电阻和外电路电阻。1.基本量测量基本量测量 直流电流直流电流2.灵敏度灵敏度 高高 电流计可达电流计可达10-7 A，检流计下限可达检流计下限可达10-11 A 3.准确度准确度 高高4.频率范围频率范围 直流直流5.功耗功耗 小小 6.刻度特性刻度特性 均匀刻度均匀刻度7.抗外磁场能力

13、抗外磁场能力 强强四、技术性能四、技术性能第第3节节 电磁系测量机构电磁系测量机构一、结构一、结构分为吸引式、排斥式和吸引分为吸引式、排斥式和吸引-排斥式。排斥式。吸引式电磁系仪表的结构吸引式电磁系仪表的结构1.1.指针指针 2. 2.阻尼翼片阻尼翼片 3. 3.动铁心动铁心4.4.固定线圈固定线圈 5. 5.游丝游丝排斥式电磁系仪表的结构排斥式电磁系仪表的结构1.1.游丝游丝 2. 2.阻尼翼片阻尼翼片 3. 3.动铁心动铁心4.4.静铁心静铁心 5. 5.固定线圈固定线圈 电磁系测量机构的磁场是由电流产生的，磁场较弱。电磁系测量机构的磁场是由电流产生的，磁场较弱。结构上应有良好的结构上应有

14、良好的磁屏蔽磁屏蔽。二、工作原理二、工作原理电磁系测量机构中系统的能量为电磁系测量机构中系统的能量为221LiA 系统的驱动力矩系统的驱动力矩Ma为为221iddLddAMa 当驱动力矩和反抗力矩平衡时，当驱动力矩和反抗力矩平衡时， Ma=W ，即即221iddLW 若若 i 为交流电流，则偏转角的平均值为为交流电流，则偏转角的平均值为2020211211IddLWdtiTddLWdtTTT 三、技术性能三、技术性能1.基本量测量基本量测量 电流有效值电流有效值2.灵敏度灵敏度 低低 3.准确度准确度 低低4.功耗功耗 大大5.刻度特性刻度特性 不均匀不均匀6.频率范围频率范围 直流、工频直流

15、、工频几百赫兹几百赫兹7.抗外磁场能力抗外磁场能力 弱弱 与被测电流的平方成正比与被测电流的平方成正比 与自感随偏转角的变化率成正比与自感随偏转角的变化率成正比电磁系测量机构电磁系测量机构 的偏转角的偏转角 为了改善刻度的非线性，在结构上采用特殊形状的铁心，为了改善刻度的非线性，在结构上采用特殊形状的铁心，使使dL/d 的变化呈某种非线性，用以补偿标尺刻度的平方关系，的变化呈某种非线性，用以补偿标尺刻度的平方关系，使标尺在使标尺在10%100%之间基本均匀。之间基本均匀。电流的电流的平方平方关系关系 dL/d 的关系；的关系；由刻度特性实现由刻度特性实现 刻度特性的非线性刻度特性的非线性第第3

16、节节 电动系测量机构电动系测量机构一、结构一、结构 电动系测量机构结构电动系测量机构结构1.1.固定线圈固定线圈 2. 2.可动线圈可动线圈 3.3.阻尼翼片阻尼翼片 4. 4.空气阻尼箱空气阻尼箱 5.5.轴轴 6. 6.游丝游丝 7. 7.指针指针固定线圈固定线圈用来产生磁场。用来产生磁场。 固定线圈分为两部分，固定线圈分为两部分， 目的是获得较均匀的磁场。目的是获得较均匀的磁场。可动线圈可动线圈在磁场中受力。在磁场中受力。 （与（与磁电系测量机构磁电系测量机构的动圈的动圈作用相同）作用相同） 若将固定线圈绕在铁心上，若将固定线圈绕在铁心上，构成构成铁磁电动系铁磁电动系仪表。仪表。 铁磁电

17、动系铁磁电动系仪表磁场强，仪表磁场强，转矩大。但磁滞和涡流损耗转矩大。但磁滞和涡流损耗造成准确度不高，多用于安装式仪表。造成准确度不高，多用于安装式仪表。二、工作原理二、工作原理系统的电磁能量系统的电磁能量21122222112121iiMiLiLA ddMi iddLiddLiddAMa12212221212121L1、L2为常数，为常数，M12为为 的函数，所以的函数，所以 ddMiiMa1221 测量机构用游丝产生反抗力矩。平衡时，测量机构用游丝产生反抗力矩。平衡时，W =Ma ，得到得到驱动力矩驱动力矩21121iiddMW FFI1I2B电动系测量机构的可动部分的偏转角与两电流的乘积

18、成正比。电动系测量机构的可动部分的偏转角与两电流的乘积成正比。当两电流为正弦时，设当两电流为正弦时，设tIi sin11 )sin(22 tIi cos111211212201IIddMWdtddMiiTWT则则 对于正弦交流，偏转角与对于正弦交流，偏转角与两电流的有效值两电流的有效值及它们及它们相位余弦相位余弦的乘积成正比。的乘积成正比。三、技术特性三、技术特性1.基本量测量基本量测量 两电流有效值及它们之间余弦的乘积。两电流有效值及它们之间余弦的乘积。由由 此可构成电压表、电流表、功率表、相位表。此可构成电压表、电流表、功率表、相位表。1.灵敏度灵敏度 较高较高 2.准确度准确度 较高较高 可达可达0.1级级3.频率范围频率范围 直流、工频直流、工频几千赫兹几千赫兹4.功耗功耗 大大 5.刻度特性刻度特性 对于功率测量，刻度均匀；对于功率测量，刻度均匀； 对于电压、电流测量，刻度不均匀。对于电压、电流测量，刻度不均匀。6.抗外磁场能力抗外磁场能力 弱弱静电系测量机构静电系测量机构感应系测量机构感应系测量机构(略略)。(电能的测量一章里讨论电能的测量一章里讨论)。第第4节节 比率型仪表的测量机构比率型仪表的测量机构 有一些量，与电压、电流的大小无关，而仅与其比例有有一些量，与电压、电流的大小无关，而仅与其比例有关（