电工仪表及测量PPT

内容提要•磁电系仪表结构•磁电系仪表工作原理第二章磁电系仪表•用途：磁电系仪表在电工仪表中占有重要地位。•它广泛地应用于直流电流和直流电压的测量。与整流元件配合，可以用于交流电流与电压的测量，与变换电路配合，还可以用于功率、频率、相位等其它电量的测量，还可以用来测量多种非电量，例如温度，压力等。当采用特殊结构时，可制成检流计。磁电系仪表问世最早，由于近年来磁性材料的发展使它的性能日益提高，成为最有发展前景的指示仪表之一。•本章主要介绍磁电系仪表的类型、结构、工作原理、特性及其应用。磁电系仪表—结构组成1•结构：磁电系仪表根据磁路形式的不同，分为外磁式，内磁式和内外磁结合式三种结构。–外磁式测量机构如图，由于永久磁铁放在可动线圈之外，所以称为外磁式。–整个结构为两大部分，即固定部分和可动部分。–固定部分由永久磁铁１、极掌２和固定在支架上的圆柱形铁心３构成。磁电系仪表—结构组成2–磁铁由硬磁材料做成；而极掌与铁心则用导磁很高的软磁材料做成。铁心放在极掌之间，并与极掌形成一个磁场均匀的环形气隙。–可动部分由绕在铝框架上的可动线圈４、线圈两端的两个半轴５、与转轴相连的指针７、平衡锤６以及游丝８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。磁电系仪表—工作原理（定性）•当可动线圈通以电流以后，在永久磁铁的磁场作用下，产生转动力矩使线圈转动。•反作用力矩通常由游丝产生，磁电系仪表的游丝一般有两个，而且两个游丝的绕向相反，游丝一端与可动线圈相连，另一端固定在支架上，它的作用既产生反作用力矩，同时又是将电流引进可动线圈的引线。•阻尼力矩由绕制线圈的铝架产生，其原理见图当铝架在磁场中运动时，闭合的铝架切磁力线产生感应电流ｉe，这个涡流与磁场相互作用产生一个电磁阻尼力矩Ｍa，显然阻尼力矩的方向与铝框架运动方向相反，因此能使指针较快停在读数位置，当然铝架上的线圈与外电路也会构成闭合回路，同样也会产生阻尼力矩。磁电系仪表—内磁式结构组成•内磁式的测量机构如图，与外磁式相比最大区别在于永久磁铁做成圆柱形并放在动圈之内，它既是磁铁又是铁心。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，磁场方向能处处与铁心的圆柱而垂直，在磁铁外面压嵌一个扇形断面的磁极，在线圈外面加一个导磁环。磁力线穿过气隙后经导磁环闭合，以形成工作气隙的磁场。磁电系仪表—电磁阻尼、内磁结构磁电系仪表—产生转动力矩示意图磁电系仪表—内磁式结构特点•采用这种结构之后，由于磁极和导磁环都用导磁率很高的软磁材料，所以闭合磁路的漏磁小、磁感应强度大、仪表防御外磁场干扰的能力也得到增强、而且仪表对外界其他设备中的磁敏感元件的影响也减少了。加上内磁式整个结构比较紧凑，成本较低，所以与外磁式相比，是一种比较先进的结构。•内磁式可动部分的构造，则与外磁式基本相同，有时也采用张丝结构，例如Ｃ36型的直流表。•内外磁结合式这种形式除了在可动线圈外部装了永久磁铁之外，线圈内部的圆柱形铁心也改用永久磁铁，所以称它为内外磁结合式。这种形式的特点是工作气隙内的磁感应强度比较强，其他特点与外磁式相似。磁电系仪表—工作原理（定量分析）•电磁驱动力M=2IBLNr=IBSNB—工作气隙中磁场的磁感应强度；L—线圈有效边长；I—通过线圈的电流；N—线圈的匝数；S—线圈有效面积=2Lr。•游丝阻力矩Ｍα=DαD—游丝反作用力矩系数，α—线圈偏转角。磁电系仪表—工作原理（定量分析）•偏转角α：SI—电流灵敏度=•灵敏度SI由仪表结构参数所决定，对于某一仪表来讲，它是一个常数。因此，其指针偏转角与通过可动线圈的电流Ｉ成正比。•图BSNDBSNDIISI磁电系仪表—表头参数•满偏电流（表头量程）Ig一般几十μA—几十mA•表头内阻Rg(线圈+游丝直流电阻）一般几十欧—几百欧•注意：表头内阻不能直接用万用表欧姆档测量，否则会烧毁表头线圈。磁电系仪表—技术特性–准确度高–灵敏度高–刻度均匀–功耗小–过载能力小–只能测量直流：磁电系仪表—为何不能测交流•如果可动线圈通入交流电，转矩Ｍ的方向也会随之变化。如果电流变化的频率小于可动部分的固有频率，指针将会随电流变化左右摇摆。如果电流变化的频率高于可动部分的固有频率，指针偏转角将与一个周期内的转矩平均值有关，对于正弦变化的交流电其平均转矩为零，也就是指针将停在原处不动，所以磁电系仪表不能用于测量交流，只有配上整流器组成整流系仪表后才能用于交流测量。磁电系电流表•磁电系测量机构的指针偏转角α与流过动圈的电流Ｉ成正比，所以它本身就是一个电流表。但线圈线径较细，不可能流过较大电流，只能制成毫安级的电流表。若进行较大电流的测量，必须在测量电路上采取措施，使被测量通过测量电路改变成测量机构所能接受的小电流。通常采用分流器达到此目的。单量程扩程磁电系电流表•单量程电流表–n=I/Ig；n=(Rg+Rs)/RsRs——分流电阻Rg——表头内阻n——扩程倍数（分流系数）)/(sgsgggRRRIRRIsgsgRRRI1RgRsn磁电系电流表—扩程2•【例2-1】由一只磁电系表头，满偏电流为500μA，内阻为500Ω，现在要把它制成限量为1A的电流表，问应选阻值为多少的分流电阻？•解：分流系数为•由式（2-7）可以得出分流电阻为61/200050010gnII（倍）15000.25()120001gsRRn多量程扩程磁电系电流表—开路式•多量限电流表的分流可以有两种连接方法，一种是开路连接方式，另一种是闭路连接方式，如图。•开路连接方式：–优点是各量限具有独立的分流电阻，互不干扰，调整方便。–但它存在严重的缺点，因为开关接触电阻包含在分流电阻支路，使仪表的误差增大，甚至会因开关接触不良引起电流过大而损坏表头，所以开路连接方式实际上是不采用的。多量程扩程磁电系电流表—原理图多量程扩程磁电系电流表—闭路式•闭路连接方式–实用的多量限电流表的分流器都采用闭路连接方式，在这种电路中，对应每个量限在仪表外壳上有一个接线柱。在一些多用仪表（如万用表）中也有用转换开关切换量限的。它们的接触电阻对分流关系没有影响，即对电流表的误差没有影响，也不会使表头过载。–但这种电路中，任何一个分流电阻的阻值发生变化时，都会影响其它量限，所以调整和修理比较麻烦。磁电系电流表—外附分流器1•附着分流器电流的增大，分流器的功率损耗也要加大，相应就要加大尺寸。一般电流不大的可做成内附式，直接装在仪表内部。电流大的，做成单独装置，称为外附式，如图磁电系电流表—外附分流器2•从图可以看出，分流器有两对接头，一对叫电流接头，与负载串联，另一对在内侧，叫做电位接头，与测量机构并联。这种连接方法可以使分流电阻中不包含接触电阻，减少接触电阻对测量误差的影响。•外附分流器上一般不标明电阻值，而标明“额定电流”和“额定电压”。额定电流是指电流表量限扩大后的最大电流值；额定电压是指当分流器工作在额定电流下，分流器电位端钮两端的电压值。常用规格有７５mv和４５mv两种。•特殊要求外附分流器60mV50mV100mV等各种规格。磁电系电流表—外附分流器标准•外附分流器.GB/T7676.1-1998《直接作用模拟指示电测量仪表及其附件第一部分：定义和通用要求》....JB/T9288-1999《外附分流器》.GB4793.1-1995《测量、控制和试验室用设备的安全要求第一部分：通用要求》磁电系仪表—温度补偿1•磁电系电流表受温度影响较大。为了保证准确度，设计时应在测量线路上采取补偿措施，以以减少温度引起的附加误差。（１）温度升高后游丝变软，弹性减弱，使偏转角增大。一般每升高１０℃时，仪表的指示值约增大０.3～０.4％。（２）温度升高使永久磁铁磁性减弱，转动力矩变小，则偏转角变小。一般每升高１０℃，仪表指示约减小０.2～０.3％。（３）动圈电阻随温度变化。一般温度每升高１０℃，铜的电阻要增大４％，仪表指示减小。磁电系仪表—温度补偿2•由上可见（１）和（２）所引起的误差符号相反，其结果为，温度每升高10℃只引起０.1％左右的温度负误差。（３）很大，所以必须采取补偿措施。•对于没有分流器的磁电系电流表，即小量程电流表，流过测量机构的电流即为被测电流，与温度无关。•但对有分流器的仪表则不然，温度变化引起的动圈电阻的变化将引起电流分配的变化，常采用以下几种补偿方法。一些金属材料的电阻温度系数磁电系仪表—温度补偿（串联补偿）•在线圈支路中串一个锰铜电阻如图所示。•Rt为锰铜电阻，温度系数较小，且Rt的值比Rc大，故Rc的变化不会使这条支路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，这种方法称为串联补偿。•经分析可得，Rc变化引起的相对误差为：—动圈铜电阻温度系数4%/10℃cctRtRRt磁电系仪表—温度补偿（串联补偿）•因此温度补偿电阻为：•式中Rg——测量机构的铜电阻（包括动圈和游丝的电阻）。•β——测量机构的铜电阻的温度系数β＝４％／１０℃；•γt——温度变化１０℃允许的温度误差。它按仪表使用条件的分类组别不同而不同。ttRtRc磁电系仪表—温度补偿（串联补偿）•例如，要求温度变化１０℃时仪表的温度误差为１％（这１％实际是指，γt若包括符号，则应说是仪表的温度误差－１％），根据这个要求，计算出•从式中可以看到，若要求仪表准确度愈高，则Rt就愈大，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。所以，这种简单串联温度补偿的办法，不宜用于高精度仪表中.•对于准确度高的仪表，可以采用如下图所示串并联补偿电路。tcc4%1%RR=3R1%磁电系仪表—温度补偿（串并联补偿）磁电系仪表—温度补偿（串并联补偿）•图中，Rg和R3为铜电阻；R1、R2为锰铜电阻；Rs是分流器；也用锰铜制成。当温度升高时，R3和Rg均增大较多，导致Ig下降I2也下降，结点c、d之间的电压Ucd下降，而b、c点之间的电压Ubc上升，因此流过线圈的电流Ig又上升，从而补偿了刚才的下降。同时由于Ｒ3是铜电阻，故这个支路电阻上升慢，I3和Ig的分配关系将变化，Ig会增加，于是又补偿了一部分Ig的下降。•串并联温度补偿电路，在仪表中应用较普遍，缺点是消耗功率大。近年来开始用半导体热敏电阻进行温度补偿，功耗小，仪表内阻小，电路亦简单。磁电系仪表—使用•电流表应与负载串联•电压表应与负载并联磁电系仪表—调整•仪表经过长期的使用后，会发生阻值名化、磁性减弱等元件参数的变化以及轴尖、轴承磨损，张丝(游丝)弹性疲劳等现象，都会给测量带来误差。•当仪表通过核定发现超差时，应对其进行误差调整。在调整前应先对仪表产生误差的主要原因进行综合分析，然后确定调整方法。下面介绍几种经常采用的调整方法。•平伤调整：在仪表使用巾，由于过载而受到冲击，指针变形．期间距离太大，转动部分发生变形等都会造成转动部分重心与转轴不重合，从而产牛附加力矩，使仪表转动部分不再平衡，引起不平衡误差的增大。这时可进行平衡调整以减小不平衡误差。–调整时，先调零位平乎衡，再调满度平衡。磁电系仪表—调整•磁分路的调整：–利用磁分路进行调整。采用此种方法，对各档的误差影响一致，并且不会影响线路的温度补偿，且调整方便。调整时，根据误差的大小，分别移动细调或粗调分磁片。但因粗调分磁片对仪表刺度的线性度有影响，所以尽量调细调分磁片。–若仪表误差的线性度差，可能是由于铁芯安装不正或张丝扭曲等机械部分的原因造成的，因此、应消除故障后，再进行磁分路的调整。–当通过调整磁分路片后，仪表灵敏度仍然很低，且张丝力矩符合要求，则应对仪表磁铁进行充磁。磁电系仪表—调整•轴承与轴尖间的间隙调整：对于轴承轴尖式结构的仪表，轴承与轴尖间的间隙过小会使仪表产生变差，若间隙过大，会使指针上下抖动。•张丝张力的调整：对于张丝结构的仪表，旋转空心螺丝，将张丝拉紧些或放松。•可动部分位移调整：磁电系仪表的可动部分固定在支架上，是不允许有活动余地的，可动部分的动圈与铁芯间的间隙应均匀。磁电系仪表—调整如可动部分的铁芯靠近N极时，可出现正误差，铁芯靠近永久磁铁的前面部分时，