《电磁测量技术》课件--李宝树-第三章

第三章交流电压和电流的测量第三章交流电压和电流的测量第三章交流电压和电流的测量第一节用整流式仪表直接测量一、整流电路1.半波整流电路gRgIiR1Vu2V图3-1半波整流电路图3-2半波整流电路中的电流波形itut2.全波整流电路i1Vu2V图3-3全波整流电路4V3V图3-4全波整流电路中的电流波形itut二、整流式仪表的工作原理磁电式测量机构只适宜于直接测量直流.当通入时变量时:TdttiT0)(1★整流式仪表的指针偏转取决于流过测量机构的电流平均值；★实际应用中要测量的是交流电流或交流电压的有效值。为此，需找到经整流后流入测量机构的不同波形的平均值与被测正弦波形的有效值之间的关系，即它们之间的比值。半波整流波形：全波整流波形：''22.222.222'avmmavIIIIIIK11.111.12222avmmavIIIIIIK三、整流式电流表整流式电流表由整流电路、分流电阻和磁电系表头构成。在设计整流式电流表时,必须将表头灵敏度转换成正弦量的有效值，对半波整流式电流表,取ggII22.2'对全波整流式电流表,取ggII11.1'分流电阻的计算与磁电系电流表相同.四、整流式电压表整流式电压表由整流电路、分压电阻和磁电系表头构成。同样，在设计整流式电压表时，也必须将表头灵敏度转换成正弦量的有效值，转换方式与整流式电流表相同，分压电阻的计算方法与磁电系电压表相同。五、整流式仪表的技术特性(1)灵敏度高；(2)准确度低，一般为1.5~5.0级,这是由于整流元件的特性不稳定造成的；；(3)只能测正弦交流量，测其它波形有误差；(4)因整流器极间电容的影响，一般仅可测频率在2000Hz以下的正弦交流电，若加补偿可达10,000Hz；(5)由于串入整流器，使仪表内阻达几百欧，很少用作交流电流表；(这就是为什么万用表一般不设交流电流档的原因)(6)整流式电压表在低量程时(如6V、10V)，由于整流元件的非线性对刻度影响较大，需单独刻度；第二节用电磁系仪表直接测量电磁系仪表是一种交直流两用的电气测量仪表。它具有工作可靠，成本低等优点，在交流测量中得到了广泛的应用。电磁式仪表主要用于制造电流表和电压表，也可作成比率型仪表来测量电容、相位和频率等。电磁系仪表吸引型（书P.41图3-8）排斥型（书P.41图3-9）现以排斥型的结构来说明它的工作原理。一、电磁系仪表的结构二、电磁系仪表的工作原理圆形线圈小室3推斥式电磁式仪表固定铁片可动铁片1.转动力矩我们知道，载流线圈的磁场能量与电流i的平方成正比221LiW仪表活动部分的转动力矩为ddLiddWm221m表示转动力矩的瞬时值,它随电流i而变。由于仪表活动部分具有惯性,来不及跟随转动力矩的瞬时变化而转动,所以偏转角取决于转动力矩的平均值TTkIdtiTddLdtmTM02021211式中k为一定频率时仪表的系数[k(f)]，I是i的有效值。不管电流i是什么波形，平均转矩总是与电流的有效值的平方成正比。线圈中通入直流电流I时，作用在铁片上的转动力矩与电流的平方成正比k0是直流条件下仪表的系数。20IkM2.反作用力矩游丝或张丝的反作用力矩与活动部分的偏转角α成正比WM当转动力矩与反作用力矩相等时,即M=Mα,活动部分平衡22KIIWk为了让指针偏转尽快稳定在平衡位置，在仪表活动部分也装有阻尼装置，电磁式仪表常用的阻尼装置有空气式和电磁感应式两种。3.阻尼力矩三、电磁系电流表(a)四段串联(b)两两并联再串联(c)四段并联图3-6通过线圈分段串并联改变电流表量程的原理电路为了使线圈有足够的磁场，一般需要有200~300安匝的磁动势。低量程用的导线细，匝数多；高量程用的导线粗，匝数少。当磁电式电流表只用于交流电流的测量时，可采用电流互感器来改变量程。多量程电磁系电流表不能采用在测量机构并联电阻的方法来改变量程，因为电阻的分流与总电流不满足线性关系，一般是将固定线圈分段，利用各段线圈的串联或并联来改变电流量程。四、电磁系电压表利用测量小电流的测量机构（即线圈匝数较多的）串联附加电阻，构成磁电系电压表。由于线圈中必须有足够大的电流才能产生所需的磁场，所以这种结构的电压表内阻抗很低，约为每伏几十欧，甚至更低。当指针满偏转时，取用电流约几十毫安，甚至几百毫安。电压表所取的电流为式中：L是线圈的电感；r是线圈的电阻；R是串联附加电阻；U是北侧电压的有效值；ω是被测电压的角频率。22)()(LrRUI由此可得指针偏转角与被测电压的关系2222)()(LrRUKKI2222)()(LrRUKKI可见电压表的读数与被测电压的频率有关，当电压有效值不变而频率提高时，读数将变小。所以这种电压表只能用在设计规定的频率下，频率改变就会出现误差。低量程的电压表（R较小）受频率的影响更大。基于同样的原因，当被测电压为非正弦时，表中通过的电流波形与电压波形不同，因而也会使读数与被测电压实际值不同。五、电磁系仪表的频率补偿采用如图所示由R2、C构成的补偿电路，电路的总阻抗为1R2R图3-7补偿频率误差电路CLCjLjRZR2111)1(1222222222221RCCRLjRCRRCjLjRZR2111因，故12222RC)(2221CRLjRRZ取022CRL22RLC得21RRZ因此，从原理上讲，对于所用的频率引起的误差都可以得到补偿。六、电磁系仪表的技术特性(1)结构简单，价格低廉。(2)准确度低，最高为0.5级。(3)灵敏度低，因为线圈需要足够的电流来产生磁场。(4)交直流两用。(5)刻度不均匀。(6)频率误差大，主要用于工频测量。(7)由于本身磁场较弱，抗干扰能力差。(8)内部功耗较大。(9)过载能力强。第三节用电动系仪表直接测量一、电动系仪表的结构电动式仪表是利用载流导体在磁场中受力这一基本原理制成的，其磁场由通电流的线圈产生，因而，磁场与活动线圈中的电流同时改变。它是交流仪表中最准确的，其准确度可达0.05级。电动式仪表用途广泛，不仅能作成交直流两用、准确度较高的电压表和电流表，而且可作成测量功率的瓦特表、测量相位的相位表和测量频率的频率表。有两个线圈：固定线圈和可动线圈。可动线圈与指针及空气阻尼器的活塞都固定在轴上。螺旋弹簧固定线圈可动线圈空气阻尼器产生阻尼力FF可动线圈固定线圈固定线圈中的电流I1(i1)磁场可动线圈中的电流I2(i2)与磁场相互作用电磁力F线圈受到转矩M线圈和指针转动，仪表的转动转矩通入直流时，M=k’I1I2通入交流时，M=kI1I2cosi1和i2的有效值i1和i2之间的相位差二、电动系仪表的工作原理弹簧的阻转矩Mα=W弹簧的阻转矩Mα与指针的偏转角成正比，即当M=Mα时，可动部分停止转动，即指针的偏转角结论:指针偏转的角度与两个电流(对交流为有效值)的乘积成正比。仪表的转动转矩通入直流时，M=k’I1I2通入交流时，M=kI1I2cos=K’I1I2（直流）=KI1I2cos（交流）i1和i2之间的相位差三、电动系电流表同磁电式仪表相同，电动式仪表的活动线圈也要用比较细的导线饶制，动圈电流也是通过游丝导入，所以动圈允许通过的电流不能太大。▲测量0.5A以下电流时：I1=I2=Iα=KI2▲量程大于0.5A时：设I1=k1I，I2=k2I，cosφ=k3则212321IKIkkKk四、电动系电压表电动式电压表一般是把定圈和动圈串联以后再与附加电阻Rf串联，表中通过的电流为：22)(LRUI其中R=Rf+RL，一般情况下R远大于ωL，所以可认为RUI则222UKRUKU2222)(LRUKKI1R1u2R2u3R3u图3-10电动系电压表的电路多量程电压表的扩程原理和电路与电磁系电压表相同。五、电动系仪表的技术特性(1)准确度高。准确度最高0.1级。(2)灵敏度低。(3)交直流两用。(4)电流表和电压表刻度不均匀。(5)适应最高频率为2kHz。(6)过载能力差。(7)功耗大。第四节用静电系仪表测量电压一、静电系测量机构静电式仪表是利用带电导体间的电场力的相互作用来产生偏转的。其基本结构是由一组定叶片和一组动叶片组成，定叶片和动叶片构成空气电容器，设C为机构系统电容量，u为被测电压的瞬时值，则电场能量为221CuWCCuWtmC221)(仪表活动部分的瞬时力矩为由于仪表活动部分有惯性，来不及跟随转动力矩的瞬时变化而转动，所以偏转角取决于转动力矩的平均值。202021121)(1UCdtuTCdttmTMTT式中U为被测电压有效值；取决于可动部分的位置。张丝的反作用力矩CWM平衡时，有M=Mα，即2221KUUCW静电系与磁电系有相同形式的读数方程，因此也具有类似的标尺刻度特性。★静电系仪表改变电容值的形式有三种：（1）改变电极间的距离；（2）改变电极间的有效面积；（3）改变电介质的介电系数。目前，使用较多的是前两种，它们适用于测量高电压，而第三种仅适用于测量较低电压。由于这种仪表的内阻抗是电容，所以不能用串联附加电阻的方法来扩大它的量程，在需要把量程扩大时，可以用如图3-11所示的电容分压器或如图3-12所示的电阻分压器。前者只适用于交流测量，后者则在交直流测量中均可用。用电容分压器时和在交流测量中用电阻分压器时，要考虑仪表电容的并联作用。二、静电系电压表三、静电系电压表的技术特性(1)灵敏度低。(2)准确度高，易受外界电场的影响。(3)刻度不均匀。(4)交直流两用，频带宽，可从零到数兆赫兹。(5)功耗小，几乎不消耗功率。(6)便携式电压表的最大量程可达30kV。图3-11用电容分压器来扩大静电式电压表的量程C1C0C2UURr图3-12用电阻分压器来扩大静电式电压表的量程第五节用交流电位差计测量电压一、交流电位差计的特点直流电位差计是精密测量直流电压的一种实用仪器，电位差计在交流电压测量中的应用是它的功能的一种推广，不过要解决两个问题：第一，电位差计的标准化；第二，相位测量。这也就构成了交流电位差计的如下特点：因为目前还造不出交流化学标准电池，所以工作回路的电流不可能象直流电位差计那样，用标准电池和标准电阻去校准。解决电位差计的标准化问题，可用电位差计上的高准确度电流测量仪表代替标准电池；或者使用传递仪器，即：用能测量直流电流热效应，并能和交流电流的热效应比较的仪器。因而交流电位差计的准确度不高，但因交流电位差计的工作原理与直流电位差计基本相同，也是利用补偿的原理来测量未知的电压，所以它不象一般交流电压表那样消耗被测电路的能量而产生测量误差。1.准确度低2.输入阻抗高与直流电位差计相同，交流电位差计是用补偿原理来测量未知电压的，它不像一般电压表那样从被测电路中取用电流，认为其内阻是无穷大的。3.正弦交流电压的补偿难度大根据两个正弦电压相等的三要素,即：(1)周期或频率相等；(2)振幅或有效值相等；(3)初相位相等。使得两个正弦电压的相互补偿很复杂。但在交流电位差计中，总可以使两个相互比较的电压具有相同的频率（如取同源电压），可以把两个电压能够补偿的条件简化为（2）和（3）两条，用相量表示为：xUU实现这个条件的线路有两种：极坐标式电位差计线路和直角坐标式电位差计线路。二、极坐标式电位差计把上述补偿条件表示成复数形式：xjxjeUUe或xxUU先调节补偿电压，使它的相位和未知电压一样，然后校准电压的大小，以此原理构成的交流电位差计，叫做极坐标式电位差计，其原理线路如图3-13所示。在这种电位差计中，使用了移相器φ作为工作电源，用交流平衡指示器D代替检流计，工作电流的有效值由电阻Rp调节、电流表A读数；工作电流的初相由移相器φ改变，并从移相器刻度盘上读数。测量电阻R可以采用各种进位盘线路，以取得多位读数。ADAiPACBR0RxU图3-13极坐标式电位差