《电工电子学》课件第8章

第8章电工测量

8.1电工测量仪表的分类

8.2电工测量仪表的型式

8.3电流的测量

8.4电压的测量

8.5功率的测量

8.6电桥的应用

8.7万用表

8.1电工测量仪表的分类

1.按仪表的工作原理分类

电工测量仪表若按照仪表的工作原理来分类，可分为磁电式、电磁式、电动式、整流式等，如表8-1所列。

2.按被测量的对象分类

根据测量对象的不同，指示仪表可分为电流表、电压表、功率表、欧姆表、电度表以及多种用途的万用表等，

如表8-2所列。

3.按被测量的种类分类

根据测量电量的类型的不同，指示仪表可分为直流仪表、单相交流表、交直两用表和三相交流表。

4.按测量的准确度分类

准确度是电工测量仪表的主要特征之一。仪表的准确度与其误差有关。不管仪表制造得如何精确，仪表的读数和被测量的实际值之间总是存在误差的。一种是基本误差，它是由于仪表本身结构的不精确所产生的，如刻度的不精准、弹簧的永久变形、轴和轴承之间的摩擦、零件位置安装不正确等因素。另外一种是附加误差，它是由于外界因素对仪表读数的影响所产生的，例如，没有在正常工作条件下进行测量，测量方法不完善，读数不准确等因素。仪表的准确度是根据仪表的相对额定误差来分级的。所谓相对额定误差，就是指仪表在正常工作条件下进行测量可能产生的最大基本误差ΔAm与仪表的最大量程(满标值)Am之比，如果以百分数来表示，则为

(8-1)

8.2电工测量仪表的型式

按照工作原理，常用的直读式仪表主要分为电磁式、磁电式和电动式等几种类型。

直读式仪表能测量各种电量的根本原理主要是利用仪表中通入电流后产生电磁作用，使可动部分受到转矩而发生转动而制成的。转动转矩与通入的电流之间存在着一定的关系，即

T=f(I)为了使仪表可动部分的偏转角α与被测量成一定比例，必须有一个与偏转角成比例的阻转矩TC来与转动转矩T相平衡，即

T=TC

这样才能使仪表的可动部分平衡在一定位置，从而反映出被测量值的大小。

1.磁电式仪表

磁电式仪表的构造如图8-1所示。它的固定部分包括马蹄形永久磁铁、极掌NS及圆柱形铁心等。极掌与铁心之间的空气隙的长度是均匀的，其中产生均匀的辐射方向的磁场，如图8-2所示。图8-1磁电式仪表图8-2磁电式仪表的转矩当线圈通有电流I时，由于与空气隙中磁场的相互作用，线圈的两个有效边受到大小相等、方向相反的力，其方向(图8-2)由左手定则来确定，其大小为

F=BlNI

式中，B为空气隙中的磁感应强度；l为线圈在磁场内的有效长度；N为线圈的匝数。如果线圈的宽度为b，则线圈所受的转矩为

(8-2)

式(8-2)中，k1=BlbN，是一个比例常数。

在转矩的作用下，线圈和指针便转动起来，同时螺旋弹簧被扭紧而产生阻转矩。弹簧的阻转矩与指针的偏转角α成正比，即

(8-3)当弹簧的阻转矩与转动转矩达到平衡时，仪表的可动部分便停止转动。这时

(8-4)

即

(8-5)

2.电磁式仪表

电磁式仪表常用推斥式的构造，如图8-3所示。图8-3推斥式电磁式仪表可以近似地认为，作用在铁片的吸力或仪表的转动转矩是与通入线圈的电流的平方成正比的。在通入直流电流I的情况下，仪表的转动转矩为

T=k1I2

(8-6)

在通入交流电流i时，仪表可动部分的偏转决定于平均转矩，它和交流电流有效值I的平方成正比，即

T=k1I2和磁电式仪表一样，产生阻转矩的也是连在转轴上的螺旋弹簧，即

TC=k2α

当阻转矩与转动转矩达到平衡时，可动部分即停止转动。这时T=TC，即

(8-7)

3.电动式仪表

电动式仪表的构造如图8-4所示。它有固定线圈和可动线圈两个线圈，可动线圈与指针及空气阻尼器的活塞都固定在转轴上。与磁电式仪表一样，可动线圈中的电流也是通

过螺旋弹簧引入的。图8-4电动式仪表当固定线圈通有电流I1时，在其内部产生磁场(磁感应强度为B1)，可动线圈中的电流I2与此磁场相互作用，产生大小相等、方向相反的两个力(图8-5)，其大小则与磁感应强度B1和电流I2的乘积成正比。而B1可以认为是与电流I1成正比的，所以作用在可动线圈上的力或仪表的转动转矩与两线圈中的电流I1和I2的乘积成正比，即

(8-8)图8-5电动式仪表的转矩当线圈中通入交流电流i1=I1msinωt和i2=I2msin(ωt+j)时，转动转矩的瞬时值即与两个电流的瞬时值的乘积成正比。但仪表可动部分的偏转决定于平均转矩，即

(8-9)

式中，I1和I2是交流电流i1和i2的有效值；j是i1和i2之间的相位差。当螺旋弹簧产生的阻转矩TC=k2α与转动转矩达到平衡时，可动部分便停止转动。这时，

T=TC

即

α=k1I1I2

(直流)(8-10)

或

α=k1I1I2cosj

(交流)(8-11)

8.3电流的测量

测量直流电流通常都用磁电式电流表，测量交流电流通常都用电磁式电流表。电流表应串联在电路中，如图8-6(a)所示。为了使电路的工作不因接入电流表而受影响，电流表

的内阻必须很小。因此，如果不慎将电流表并联在电路的两端，则电流表将会被烧毁。在使用时务必特别注意。图8-6电流表和分流器采用磁电式电流表测量直流电流时，因其测量机构(即表头)所允许通过的电流很小，故不能直接测量较大的电流。为了扩大它的量程，应该在测量机构上并联一个称为分流器的低值电阻RA，如图8-6(b)所示。这样，通过磁电式电流表的测量机构的电流I0只是被测量电流I的一部分，但两者有如下关系:

即

(8-12)

8.4电压的测量

测量直流电压常用磁电式电压表，测量交流电压常用电磁式电压表。电压表是用来测量电源、负载或某段电路两端的电压的，所以必须和它们并联，如图8-7(a)所示。为了使

电路工作不因接入电压表而受影响，电压表的内阻必须很高。测量机构的电阻是较小的，所以必须和它串联一个称为倍压器的高值电阻，如图8-7(b)所示，这样就使电压表的量程扩大了。图8-7电压表和倍压器由图8-7(b)可得

即

(8-13)

8.5功率的测量

1.单相交流和直流功率的测量

图8-8是功率表的接线图。固定线圈的匝数较少，导线较粗，与负载串联，作为电流线圈。可动线圈的匝数较多，导线较细，与负载并联，作为电压线圈。图8-8功率表的接线图由于并联线圈串有高阻值的倍压器，它的感抗与其电阻相比可以忽略不计，所以可以认为其中电流i2与两端的电压

u同相。这样在式(8-11)中，I1即为负载电流的有效值I，I2与负载电压的有效值U成正比，j即为负载电流与电压之间的

相位差，而cosj即为电路的功率因数。因此，式(8-11)也可写成

(8-14)

2.三相功率的测量

在三相三线制电路中，不论负载为星形连接或三角形连接，也不论负载对称与否，都广泛采用两功率表法来测量功率。

图8-9所示的是负载为星形连接的三相三线制电路，其三相瞬时功率为图8-9用两功率表法测量三相功率因为

所以

(8-15)图8-9中，第一个功率表W1的读数为

(8-16)

式中，α为uAC和iA之间的相位差。

第二个功率表W2的读数为

(8-17)

式中，β为uBC和iB之间的相位差。两功率表的读数P1与P2之和即为三相功率，即

当负载对称时，由图8-10的相量图可知，两功率表的读数分别为

(8-18)图8-10对称负载星形连接时的相量图因此，两功率表读数之和为

(8-19)由上式可知，当相电流与相电压同相，即j=0时，则P1=P2，即两个功率表的读数相等。当相电流比相电压滞后的角度j>60°时，则P2为负值，即第二个功率表的指针反向偏转，这样便不能读出功率的数值。因此，必须将该功率表的电流线圈反接。这时三相功率便等于第一个功率表的读数减去第二个功率表的读数，即

P=P1+(－P2)=P1－P2

在实际应用中，常用一个三相功率表(或称二元功率表)代替两个单相功率表来测量三相功率，其原理与两功率表法相同，接线图如图8-11所示。图8-11三相功率表的接线图8.6电桥的应用

1.直流电桥

在实际中最常用的是单臂直流电桥，它是用来测量中值(约1Ω到0.1MΩ)电阻的，其电路如图8-12所示。图8-12直流电桥的电路当检流计G中无电流通过时，我们就说电桥达到平衡。电桥平衡的条件为

R1R4=R2R3

设R1=Rx，Rx为被测电阻，则

(8-20)

2.交流电桥

交流电桥的电路如图8-13所示。四个桥臂由阻抗Z1、Z2、Z3和Z4组成，交流电源一般是低频信号发生器，指零仪器一般是交流检流计或耳机。图8-13交流电桥的电路当电桥平衡时，则

(8-21)

将阻抗写成指数形式，则为

或由此得

(8-22)

(8-23)

为了使调节平衡更容易，通常将两个桥臂设计为纯电阻。设j2=j4=0，即Z2和Z4是纯电阻，则j1=j3，即Z1和Z3必须同为电感性或电容性的负载。

设j2=j3=0，即Z2和Z3是纯电阻，则j1=－j4，即在Z1和Z4中，一个是电感性的负载，而另一个是电容性的负载。

3.应用电桥测量电容和电感

1)电容的测量

测量电容的电路如图8-14所示，电阻R2和R4作为两臂，被测电容器(Cx和Rx)作为一臂，其中Rx是电容器的介质损耗所反映的一个等效电阻。无损耗的标准电容器(C0)和标准电阻(R0)串联后作为另一臂。图8-14测量电容的电桥电路电桥平衡的条件为

由此得

2)电感的测量

测量电感的电路如图8-15所示，Rx和Lx是被测电感元件的电阻和电感。图8-15测量电感的电桥电路电桥平衡的条件为

由上式可得出

调节R2和R0使电桥平衡。

8.7万用表

1.磁电式万用表

磁电式万用表由磁电式微安表、若干分流器和倍压器、二极管和转换开关等组成，可用来测量直流电流、直流电压、交流电压和电阻等物理量。图8-16是常用的MF－30型万

用表的面板图。下面分别介绍各项测量电路。图8-16

MF—30型万用表的面板图

1)直流电流的测量

测量直流电流的原理电路如图8-17所示。被测电流从“＋”、“—”两端进、出。RA1~RA5是分流器电阻，它们和

微安表连成一个闭合电路。改变转换开关的位置，就改变

了分流器的电阻，从而也就改变了电流的量程。例如，放在

50mA挡时，分流器电阻为RA1+RA2，其余则与微安表串联。量程愈大，分流器电阻愈小。图中的R为直流调整电位器。图8-17测量直流电流的原理电路

2)直流电压的测量

测量直流电压的原理电路如图8-18所示。被测电压加在“＋”、“—”两端。RV1、RV2等是倍压器电阻。量程愈大，倍压器电阻也愈大。图8-18测量直流电压的原理电路

3)