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1、第二章直流电压和电流的测量第1页，共22页，编辑于2022年，星期二第第1节节 磁电系测量机构磁电系测量机构 磁电系测量机构是磁电系仪表的核心，只要在磁电系测量机构是磁电系仪表的核心，只要在其基础上配上不同的测量线路，就能组成各种不同其基础上配上不同的测量线路，就能组成各种不同用途的磁电系电流表和电压表。用途的磁电系电流表和电压表。一、磁电系测量机构的结构一、磁电系测量机构的结构 磁电系测量机构主要由固定的磁路系统和可动的线圈两部分组成。磁电系测量机构主要由固定的磁路系统和可动的线圈两部分组成。仪表的仪表的固定部分固定部分由永久磁铁、极掌及圆柱形铁心组成磁路系统。其作用是在极由永久磁铁、极掌及
2、圆柱形铁心组成磁路系统。其作用是在极掌和铁心之间的空气隙中产生较强的均匀辐射磁场。掌和铁心之间的空气隙中产生较强的均匀辐射磁场。仪表的仪表的可动部分可动部分由饶在铝框上的线圈、线圈两端装的转轴、与转轴相连的由饶在铝框上的线圈、线圈两端装的转轴、与转轴相连的指针、平衡锤及游丝组成。指针、平衡锤及游丝组成。磁电系测量机构中的游丝的作用：磁电系测量机构中的游丝的作用：1、主要用来产生反作用力矩；、主要用来产生反作用力矩；2、把被测电流导入和导出可动线圈。、把被测电流导入和导出可动线圈。磁电系测量机构的阻尼力矩磁电系测量机构的阻尼力矩MZ由可动线圈的铝框架产生，其原理为：由可动线圈的铝框架产生，其原理
3、为：第2页，共22页，编辑于2022年，星期二 当铝框在磁场中运动时，闭合的铝框切割磁感线当铝框在磁场中运动时，闭合的铝框切割磁感线B产生感生电流产生感生电流ic，而而ic在磁场中受到磁场力的作用，从而产生与铝框运动方向相反的电磁阻尼力矩，在磁场中受到磁场力的作用，从而产生与铝框运动方向相反的电磁阻尼力矩，因此，能使线圈尽快停留在平衡位置上。因此，能使线圈尽快停留在平衡位置上。磁电系测量机构中磁电系测量机构中磁路系统磁路系统有不同的结构，可分为外磁式、内磁有不同的结构，可分为外磁式、内磁式和内外磁式。式和内外磁式。阻尼方向阻尼方向运动方向运动方向AB ic ic Fe Fe（左手定则）（左手定
4、则）（右手定则）（右手定则）第3页，共22页，编辑于2022年，星期二二、磁电系测量机构的工作原理二、磁电系测量机构的工作原理M =MfM=NBSIMf=DNBSI=D线圈匝数线圈匝数磁感应强度磁感应强度线圈所包围面积线圈所包围面积线圈中通入电流线圈中通入电流可动部分偏转角（指针偏转角）可动部分偏转角（指针偏转角）游丝的反作用系数游丝的反作用系数磁电系测量机构的灵敏度，表示单位被测量（电流）所对应的偏转角。磁电系测量机构的灵敏度，表示单位被测量（电流）所对应的偏转角。结论：磁电系测量机构可动部分的稳定偏转角与通过线圈的电流结论：磁电系测量机构可动部分的稳定偏转角与通过线圈的电流成正比。因此，可
5、以用偏转角的大小来衡量被测电流的大小，并成正比。因此，可以用偏转角的大小来衡量被测电流的大小，并由指针在标度尺上直接显示被测电流的数值。由指针在标度尺上直接显示被测电流的数值。第4页，共22页，编辑于2022年，星期二三、磁电系仪表的特点三、磁电系仪表的特点1、准确度高、灵敏度高；、准确度高、灵敏度高；2、功率消耗小；、功率消耗小；3、刻度均匀；、刻度均匀；4、过载能力小；、过载能力小；5、只能测量直流。、只能测量直流。原因：由于永久磁铁的极性是固定不变的，所以只有在线圈中通入原因：由于永久磁铁的极性是固定不变的，所以只有在线圈中通入直流电流时，仪表的可动部分才能产生稳定的偏转。如果在线圈中直
6、流电流时，仪表的可动部分才能产生稳定的偏转。如果在线圈中通入交流电流，则产生的转动力矩也是交变的，可动部分由于惯性通入交流电流，则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偏转，仪表指针只能在零位附近抖动或不动。所以，作用而来不及偏转，仪表指针只能在零位附近抖动或不动。所以，磁电系仪表只能直接测量直流。要想测量交流电流，只有配用整流磁电系仪表只能直接测量直流。要想测量交流电流，只有配用整流器后才能使用。器后才能使用。第5页，共22页，编辑于2022年，星期二 第第2节节 磁电系直流电流表磁电系直流电流表 目前使用的直流电流表和直流电压表目前使用的直流电流表和直流电压表,大部分都是大
7、部分都是采用磁电系测量机构配合适当的测量线路组成的采用磁电系测量机构配合适当的测量线路组成的.一、磁电系电流表一、磁电系电流表1、磁电系电流表的组成、磁电系电流表的组成 在磁电系测量机构中，由于可动线圈的导线在磁电系测量机构中，由于可动线圈的导线很细，而且电流还有经过游丝，所以允许通过的很细，而且电流还有经过游丝，所以允许通过的电流很小，约几微安到几百微安。要测量较大的电流很小，约几微安到几百微安。要测量较大的电流，必须加接分流电阻。因此，磁电系电流表电流，必须加接分流电阻。因此，磁电系电流表实际上是由磁电系测量机构与分流电阻并联组成实际上是由磁电系测量机构与分流电阻并联组成的。的。第6页，共
8、22页，编辑于2022年，星期二流过测量机构的电流为流过测量机构的电流为整理上式得整理上式得设设为电流量程扩大倍数（为电流量程扩大倍数（n），则），则由上式可得由上式可得 要使电流表量程扩大要使电流表量程扩大n倍，所并联的分流电阻倍，所并联的分流电阻RA应为测量机构内阻应为测量机构内阻RC的的1/(n-1)。可。可见，对于同一测量机构，只要配上不同的分流电阻，就能制成不同量程的电流表。一见，对于同一测量机构，只要配上不同的分流电阻，就能制成不同量程的电流表。一般情况下，般情况下，RA比比RC小得多，故被测电流小得多，故被测电流IX的绝大部分要经分流电阻分流，实际通过的绝大部分要经分流电阻分流，
9、实际通过测量机构的电流测量机构的电流IC只是只是IX的很小一部分。同时，当的很小一部分。同时，当RC与与RA数值一定时，数值一定时，IX与与IC之比也之比也是一定的。因此，只要将电流表标度尺的刻度放大是一定的。因此，只要将电流表标度尺的刻度放大IX/IC倍，就能用仪表指针的偏转倍，就能用仪表指针的偏转角来直接反映被测电流的数值。角来直接反映被测电流的数值。第7页，共22页，编辑于2022年，星期二例例1 有一只内阻为有一只内阻为200、满刻度电流为、满刻度电流为500500A A的磁电系测量机构，的磁电系测量机构，现要将其改制成量程为现要将其改制成量程为1A1A的直流电流表，求应并联多大的分流
10、电的直流电流表，求应并联多大的分流电阻？阻？若需利用该测量机构测量若需利用该测量机构测量100A100A的电流，应选用何种规格的外附分的电流，应选用何种规格的外附分流器？流器？解：先求电流量程扩大倍数解：先求电流量程扩大倍数再求应并联的分流电阻为再求应并联的分流电阻为若用此表测量若用此表测量100A的电流，选用分流器时，应考虑测量机构满偏的电流，选用分流器时，应考虑测量机构满偏时的电压，即时的电压，即所以应选用所以应选用“100A，100mV”的外附分流器。的外附分流器。第8页，共22页，编辑于2022年，星期二2、分流电阻、分流电阻 分流电阻一般采用电阻率较大、电阻温度系数很小的锰铜制成。分
11、流电阻一般采用电阻率较大、电阻温度系数很小的锰铜制成。考虑到分流电阻的散热和安装尺寸，当被测电流小于考虑到分流电阻的散热和安装尺寸，当被测电流小于30A时，分流时，分流电阻可以安装在电流表的内部，称为电阻可以安装在电流表的内部，称为内附分流器内附分流器；当被测电流超过；当被测电流超过30A时，分流电阻一般安装在电流表的外部，称为时，分流电阻一般安装在电流表的外部，称为外附分流器外附分流器。外附。外附分流器上一般不标明电阻值，而是标明额定电压（指分流器工作分流器上一般不标明电阻值，而是标明额定电压（指分流器工作在额定电流时两个电位端钮间的电压）和额定电流值（指电流表在额定电流时两个电位端钮间的电
12、压）和额定电流值（指电流表量程扩大后的最大电流值）。目前，国家标准规定外附分流器在量程扩大后的最大电流值）。目前，国家标准规定外附分流器在通入额定电流时，对应的额定电压为通入额定电流时，对应的额定电压为30mV,45mV,75mV,100mV,150mV和和300mV共六种规格。若测共六种规格。若测量机构与分流器相连，当测量机构的电流量程与内阻量机构与分流器相连，当测量机构的电流量程与内阻RC的乘积与的乘积与分流器的额定电压相等时，测量机构与外附分流器连接后，其量程就分流器的额定电压相等时，测量机构与外附分流器连接后，其量程就等于分流器的额定电流。等于分流器的额定电流。第9页，共22页，编辑于
13、2022年，星期二二、多量程直流电流表二、多量程直流电流表 多量程直流电流表一般采用并联不同阻值分流电阻的方法来扩大电流量程。按照分流多量程直流电流表一般采用并联不同阻值分流电阻的方法来扩大电流量程。按照分流电阻与测量机构连接方式不同分为开路式和闭路式两种形式。电阻与测量机构连接方式不同分为开路式和闭路式两种形式。-开路式分流电路开路式分流电路闭路式分流电路闭路式分流电路优点：各量程间相互独立、互不影响。优点：各量程间相互独立、互不影响。缺点：转换开关的接触电阻包含在分流电路中，缺点：转换开关的接触电阻包含在分流电路中，可能引起较大的测量误差。特别是当转换开关触可能引起较大的测量误差。特别是当
14、转换开关触头接触不良，导致分流电路断开时，被测电流将头接触不良，导致分流电路断开时，被测电流将全部流过测量机构使之烧毁。全部流过测量机构使之烧毁。缺点：各个量程之间相互影响，计算分流电阻较缺点：各个量程之间相互影响，计算分流电阻较复杂。复杂。优点：转换开关的接触电阻处在被测电路中，优点：转换开关的接触电阻处在被测电路中，对分流准确度没有影响。尤其当触头接触不良对分流准确度没有影响。尤其当触头接触不良时，保证不会烧毁测量机构。时，保证不会烧毁测量机构。第10页，共22页，编辑于2022年，星期二例例2：如图所示两个量程的电流表中，已知表头满偏电流为：如图所示两个量程的电流表中，已知表头满偏电流为
15、500A，内阻，内阻为为300，量程，量程I I1 1=10mA=10mA，量程，量程I I2 2=1mA=1mA，求分流电阻，求分流电阻R R1 1和和R R2 2的阻值。的阻值。解：对量程解：对量程I1挡的电流量程扩大倍数为挡的电流量程扩大倍数为再求应并联的分流电阻为再求应并联的分流电阻为同理对量程同理对量程I2挡的电流量程扩大倍数为挡的电流量程扩大倍数为再求应并联的分流电阻为再求应并联的分流电阻为解（解（1）、（）、（2）所组成）所组成的方程组可得的方程组可得第11页，共22页，编辑于2022年，星期二一、磁电系电压表一、磁电系电压表问题引出问题引出：根据欧姆定律可知，一只内阻为：根据欧
16、姆定律可知，一只内阻为RC、满刻度电流为、满刻度电流为IC的磁电系测量机构，的磁电系测量机构，本身就是一只量程为本身就是一只量程为UC=ICRC的电流表，只是其电压量程很小。如果需要测量更高的电的电流表，只是其电压量程很小。如果需要测量更高的电压，就必须扩大其电压量程。根据串联电阻具有分压作用的原理，扩大电压量程的方法压，就必须扩大其电压量程。根据串联电阻具有分压作用的原理，扩大电压量程的方法就是给测量机构串联一只分压电阻就是给测量机构串联一只分压电阻RV，可见，磁电系直流电压表是由磁电系测量机构与分，可见，磁电系直流电压表是由磁电系测量机构与分压电阻串联组成的。压电阻串联组成的。-+-第第3
17、节节 磁电系直流电压表磁电系直流电压表第12页，共22页，编辑于2022年，星期二-+-设磁电系测量机构的额定电压为设磁电系测量机构的额定电压为串联适当分压电阻串联适当分压电阻RV后，可使电压量程扩后，可使电压量程扩大为大为U。此时，通过测量机构的电流仍为。此时，通过测量机构的电流仍为IC，且，且IC与被测电压与被测电压U成正比。所以，可以用仪成正比。所以，可以用仪表指针偏转角的大小来反映被测电压的数值。表指针偏转角的大小来反映被测电压的数值。若令若令m=U/UC为电压量程扩大倍数，则为电压量程扩大倍数，则整理得整理得结论：要使电压表量程结论：要使电压表量程扩大扩大m倍，需要串连的倍，需要串连
18、的分压电阻是测量机构内分压电阻是测量机构内阻阻RC的（的（m-1)倍。倍。第13页，共22页，编辑于2022年，星期二例例3:一只内阻为一只内阻为500、满刻度电流为、满刻度电流为100100A A的磁电系测量机构，要改制的磁电系测量机构，要改制成成50V50V量程的直流电压表，应串联多大的分压电阻？该电压表的总内阻是多量程的直流电压表，应串联多大的分压电阻？该电压表的总内阻是多少？少？解：解：先求出测量机构的额定电压为先求出测量机构的额定电压为再求出电压量程扩大倍数为再求出电压量程扩大倍数为应串联的分压电阻为应串联的分压电阻为该电压表的总电阻为该电压表的总电阻为第14页，共22页，编辑于20
19、22年，星期二 分压电阻一般应采用电阻率大、电阻温度分压电阻一般应采用电阻率大、电阻温度系数小的锰铜丝饶制而成。分压电阻也分为内系数小的锰铜丝饶制而成。分压电阻也分为内附式和外附式两种。通常量程低于附式和外附式两种。通常量程低于600V时可采时可采用内附式的，以便安装在表壳内部；量程高于用内附式的，以便安装在表壳内部；量程高于600V时，应采用外附式的。外附式分压电阻是时，应采用外附式的。外附式分压电阻是单独制造的，并且要与仪表配套使用。单独制造的，并且要与仪表配套使用。第15页，共22页，编辑于2022年，星期二二、多量程直流电压表二、多量程直流电压表共用式分压电路共用式分压电路优点：高量程
20、分压电阻共用了低量程分压电阻，节约了材料。优点：高量程分压电阻共用了低量程分压电阻，节约了材料。缺点：一旦低量程分压电阻损坏，则高量程电压档就不能使用。缺点：一旦低量程分压电阻损坏，则高量程电压档就不能使用。第16页，共22页，编辑于2022年，星期二电压灵敏度的概念电压灵敏度的概念电压表各量程内阻与相应电压量程的比值为一常数，单位为电压表各量程内阻与相应电压量程的比值为一常数，单位为“/V”/V”。电压灵敏度的作用电压灵敏度的作用1、表示电压表指针偏转至满刻度时取自被测电路的电流值；、表示电压表指针偏转至满刻度时取自被测电路的电流值；2、能方便地计算出该电压表各量程的内阻。、能方便地计算出该
21、电压表各量程的内阻。例如：例如：500型万用表直流电压的电压灵敏度为型万用表直流电压的电压灵敏度为20K/V/V。它表示测量直流电压，当指。它表示测量直流电压，当指针偏转至满刻度时，取自被测电路的电流为针偏转至满刻度时，取自被测电路的电流为1V/200001V/20000=50=50A A，在，在10V10V档时电压表内档时电压表内阻为阻为101020000=200K。电压灵敏度的意义电压灵敏度的意义 电压灵敏度越高，相同量程下电压表的内阻越大，取用被测电路电压灵敏度越高，相同量程下电压表的内阻越大，取用被测电路的电流越小，对被测电路的影响越小，测量准确度也越高。的电流越小，对被测电路的影响越
22、小，测量准确度也越高。第17页，共22页，编辑于2022年，星期二本本 章章 小小 结结1、磁电系测量机构是利用永久磁铁的磁场对载流线圈产生作用力的、磁电系测量机构是利用永久磁铁的磁场对载流线圈产生作用力的原理制造的。磁电系测量机构主要是由永久磁铁、圆柱形铁心、可动原理制造的。磁电系测量机构主要是由永久磁铁、圆柱形铁心、可动线圈、游丝、指针等部件组成。磁电系测量机构的指针偏转角与通过线圈、游丝、指针等部件组成。磁电系测量机构的指针偏转角与通过动圈的电流成正比，即动圈的电流成正比，即 2、由磁电系测量机构构成的仪表可直接用以测量直流电压和电流。、由磁电系测量机构构成的仪表可直接用以测量直流电压和
23、电流。扩大磁电系电流表的量程的方法是将分流器（电阻器）与动圈并扩大磁电系电流表的量程的方法是将分流器（电阻器）与动圈并联，通过求取电流量程扩大倍数来求分流电阻的阻值。即联，通过求取电流量程扩大倍数来求分流电阻的阻值。即3、扩大磁电系电压表量程的方法是将附加电阻与动圈串联，通、扩大磁电系电压表量程的方法是将附加电阻与动圈串联，通过求取电压量程扩大倍数来求分压电阻的阻值。即过求取电压量程扩大倍数来求分压电阻的阻值。即第18页，共22页，编辑于2022年，星期二4、磁电式仪表的、磁电式仪表的优点优点优点优点：刻度均匀、灵敏度高、准确度高、：刻度均匀、灵敏度高、准确度高、消耗功率小、受外界磁场影响小等
24、。消耗功率小、受外界磁场影响小等。磁电式仪表的磁电式仪表的缺点缺点缺点缺点：结构复杂、造价较高、过载能力小，而：结构复杂、造价较高、过载能力小，而 且只能测量直流，不能测量交流。且只能测量直流，不能测量交流。使用注意事项使用注意事项使用注意事项使用注意事项：电表接入电路时要：电表接入电路时要注意极性注意极性注意极性注意极性，否则指针反打会，否则指针反打会 损坏电表。通常磁电式仪表的接线柱旁均标有损坏电表。通常磁电式仪表的接线柱旁均标有 +、记号，以防接错。、记号，以防接错。第19页，共22页，编辑于2022年，星期二 本本 章章 习习 题题1、磁电系测量机构指针的偏转角与、磁电系测量机构指针的
25、偏转角与 成正比。成正比。A.通过动圈的电流；通过动圈的电流；B.通过动圈的电流的平方；通过动圈的电流的平方；C.动圈两端所加的电压。动圈两端所加的电压。2、当磁电系测量机构的指针停留在某一刻度时，不存在、当磁电系测量机构的指针停留在某一刻度时，不存在 。A.转动力矩；转动力矩；B.反作用力矩；反作用力矩；C.阻尼力矩。阻尼力矩。3、磁电系测量机构的铝框断裂时，不存在、磁电系测量机构的铝框断裂时，不存在 。A.转动力矩；转动力矩；B.反作用力矩；反作用力矩；C.阻尼力矩。阻尼力矩。4、磁电系指示仪表中的游丝或张丝的作用是产生、磁电系指示仪表中的游丝或张丝的作用是产生 。A.转动力矩；转动力矩；
26、B.反作用力矩；反作用力矩；C.阻尼力矩。阻尼力矩。第20页，共22页，编辑于2022年，星期二5、电流表应与负载串联，电压表应与负载并联。如果两者接反，试、电流表应与负载串联，电压表应与负载并联。如果两者接反，试问有何后果？问有何后果？6、磁电系测量机构为何不能直接用来测量交流？、磁电系测量机构为何不能直接用来测量交流？7、有一只磁电系表头，其满刻度电流为、有一只磁电系表头，其满刻度电流为1mA，内阻为，内阻为45，若将，若将其做成量程为其做成量程为100mA100mA的直流毫安表，求分流电阻。的直流毫安表，求分流电阻。8 8、有一只磁电系表头，其满刻度电流为有一只磁电系表头，其满刻度电流为
27、1mA，内阻为，内阻为45，若将其做，若将其做成成100mA和和200mA的双量程毫安表，试分别画出采用开路式和闭的双量程毫安表，试分别画出采用开路式和闭路式分流电路的仪表电路，并求出分流电阻。路式分流电路的仪表电路，并求出分流电阻。9、有一磁电系表头，内阻为、有一磁电系表头，内阻为150，额定内阻压降为，额定内阻压降为45mV45mV，欲改为量，欲改为量程程15V15V的电压表，求附加电阻值。的电压表，求附加电阻值。1010、一磁电系电压表的内阻为、一磁电系电压表的内阻为30003000，量程为，量程为3V3V，今要将量程扩大为，今要将量程扩大为300V300V，求附加电阻值。，求附加电阻值
28、。1111、有一磁电系表头，内阻为有一磁电系表头，内阻为150，额定内阻压降为，额定内阻压降为45mV，现将它改，现将它改为为150mA表，求分流器的电阻值？若改为量程为表，求分流器的电阻值？若改为量程为15V的电压表，其附的电压表，其附加电阻值为多少？加电阻值为多少？第21页，共22页，编辑于2022年，星期二12、用内阻为、用内阻为200、满刻度偏转电流为、满刻度偏转电流为500500A A的磁电系测量机构，制的磁电系测量机构，制成一只量程为成一只量程为100V100V的电压表时，问应串联多大的附加电阻？该电压表的总的电压表时，问应串联多大的附加电阻？该电压表的总内阻是多少？内阻是多少？第22页，共22页，编辑于2022年，星期二