電工儀表設(shè)計與實踐

電工儀表設(shè)計與實踐主講：許愛德指導(dǎo)：王維剛張慧澤

目的及要求：一、了解常用電工測量儀表的結(jié)構(gòu)和工作原理。二、駕馭常用電工測量儀表的運用方法。三、通過萬用表的安裝及調(diào)試，駕馭基本的焊接工藝設(shè)計、布線實力和調(diào)試修理技能。一、電工測量儀表的基本學(xué)問二、電工測量儀表的組成及工作原理七、功率的測量八、兆歐表六、YX-360TR型萬用表結(jié)構(gòu)及原理九、用電橋測量電阻、電容與電感十一、儀表的選擇及測量方法講課內(nèi)容：三、磁電式儀表的結(jié)構(gòu)及工作原理四、電磁式儀表的結(jié)構(gòu)及工作原理五、電動系儀表十、數(shù)字萬用表1、電工測量的概念一、電工測量儀表的基本學(xué)問（2）電工測量利用電工儀器、儀表來干脆測量電路中的各個物理量（如電壓、電流、功率、電能及電路參數(shù)等）或經(jīng)過轉(zhuǎn)換間接測量多種非電量（如磁通、溫度、壓力等）。（1）測量將未知的被測量和已知的標準量進行干脆和間接的比較，從而確定被量數(shù)值的過程。

（3）

電工測量技術(shù)的應(yīng)用主要有以下優(yōu)點：a.電工測量儀表的結(jié)構(gòu)簡潔，運用便利，并有足夠的精確度。b.電工測量儀表可以靈敏地安裝在須要進行測量的地方，并可實現(xiàn)自動記錄。c.電工測量儀表可實現(xiàn)遠距離的測量問題。d.能利用電工測量的方法對非電量進行測量。2、電工測量指示儀表的誤差及精確度（1）誤差a、定義儀表的指示值與被測量的實際值之間存在著確定的差異，這個差異稱為誤差。

注：更正值C=－△，可對儀表指示值進行校正，消退誤差；b、種類：系統(tǒng)誤差

人為誤差隨機誤差

例：用一只標準電壓表檢定一只1.5級、0~250V的電壓表，在被檢表200V那一點的標準表的指示為203V，則該點的確定誤差、更正值、相對誤差及引用誤差分別為多大？（2）儀表的精確度最大確定誤差儀表的最大量程（滿標值）目前我國直讀式電工測量儀表依據(jù)精確度分為0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七級。精確度較高（0.1，0.2，0.5）的儀表常用來進行精密測量或校正其他儀表。最大引用誤差精確度是表示待測量的實際值與指示值的接近程度。儀表的精確度是依據(jù)儀表的最大引用誤差來分級的。例：一精確度為2.5級的電壓表，其最大量程為50V，正常狀況下,可認為最大確定誤差是不變的,所以被測量值比滿標值愈小，則相對測量誤差就愈大。

如用上述電壓表來測量實際值為10V的電壓時，相對誤差為

測量實際值為40V的電壓時，相對誤差為則可能產(chǎn)生的最大確定誤差為

在選用儀表的量程時，一般應(yīng)使被測量的值超過儀表滿標值的一半以上。（3）儀表靈敏度靈敏度是表示儀表對微弱能量作出反應(yīng)程度大小的技術(shù)指標。它是指儀表在達到穩(wěn)定狀態(tài)以后，儀表輸出信號變更量與引起此輸出信號變更的被測參數(shù)的變更量之比。萬用表的靈敏度可分為直流電壓靈敏度、溝通電壓靈敏度和表頭靈敏度三個指標。YX-360TR型萬用表頭靈敏度為40μA偏轉(zhuǎn)角的變更量被測量的變更量3、電工測量儀表的分類(1)依據(jù)被測量的種類分類

次序被測量的種類

儀表名稱

符號

電流表毫安表

電壓表千伏表功率表千瓦表

電度表相位表

頻率表歐姆表兆歐表1電流2電壓3電功率4電能5相位差6頻率7電阻AmAVkVWkWfMkWh(2)依據(jù)工作原理分類型式符號被測量的種類磁電式整流式電磁式電動式電流的種類與頻率電流、電壓、電阻電流、電壓電流、電壓電流、電壓、電功率、功率因數(shù)、電能量直流工頻和較高頻率的交流直流和工頻交流直流及工頻與較高頻率的交流(3)依據(jù)電流的種類分類（見上表）(4)依據(jù)精確度分類依據(jù)精確度分為0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七級。符號意義~~3~

或~2kV或或?~~直流交流交直流三相交流儀表絕緣試驗電壓2000V儀表直立放置儀表水平放置儀表傾斜60°度放置60°4、電工測量儀表上的幾種符號二、電工測量儀表的組成及工作原理

1、儀表的組成測量線路測量機構(gòu)讀數(shù)裝置被測量x過渡量y偏轉(zhuǎn)角α將被測電量轉(zhuǎn)換成儀表的活動部分的機械偏轉(zhuǎn)角度來反映被測電量的大小。

2、測量機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理

固定和可動兩部分組成，用來指示被測量數(shù)值的指針或光點反射裝置裝在可動部分上。（1）產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩使儀表可動部分受到轉(zhuǎn)矩而發(fā)生轉(zhuǎn)動。（3）產(chǎn)生阻尼力矩能產(chǎn)生制動力（阻尼力）的裝置，使儀表可動部分能快速靜止在平衡位置。（2）產(chǎn)生反作用力矩當(dāng)反作用力矩TC等于轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩T時，儀表可動部分平衡在確定的位置，TC=F（α）。三、磁電式儀表1.結(jié)構(gòu)螺旋彈簧IINS指針永久磁鐵圓柱形鐵心O'O線圈(1)固定部分馬蹄形永久磁鐵、極掌NS及圓柱形鐵心等。(2)可動部分鋁框及線圈，兩根半軸O和O，螺旋彈簧及指針。極掌與鐵心之間的空氣隙的長度是勻整的，其中產(chǎn)生勻整的輻射方向的磁場。2.工作原理(1)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩T的產(chǎn)生(2)阻轉(zhuǎn)矩TC的產(chǎn)生

在線圈和指針轉(zhuǎn)動時，螺旋彈簧被扭緊而產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩TC。

線圈通入電流

I

電磁力

F線圈受到的轉(zhuǎn)矩T=k1IFSNF

線圈通入電流

I

電磁力

F線圈受到轉(zhuǎn)矩

T線圈和指針轉(zhuǎn)動，

彈簧的TC與指針的偏轉(zhuǎn)角成正比，即TC=k2

當(dāng)彈簧的阻轉(zhuǎn)矩T與線圈受到的轉(zhuǎn)矩TC達到平衡時，可動部分將穩(wěn)定在某一個平衡位置，此時有T=TC

由于T=k1I，

TC=k2，則儀表的標度尺上作勻整刻度。3.阻尼作用的產(chǎn)生

當(dāng)線圈通入電流而發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，鋁框切割磁通，在框內(nèi)感應(yīng)出電流，其電流再與磁場作用，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動方向相反的制動力，于是可轉(zhuǎn)動部分受到阻尼作用，快速停止在平衡位置。

即指針的偏轉(zhuǎn)角

結(jié)論:

指針偏轉(zhuǎn)的角度與流經(jīng)線圈的電流成正比。

4.用途5.優(yōu)點：刻度勻整；靈敏度和精確度高；阻尼強；消耗電能量??；受外界磁場影響小。缺點：只能測量直流；價格較高；不能承受較大過載。

測量直流電壓、直流電流及電阻。四、

電磁式儀表1.結(jié)構(gòu)

主要部分是固定的圓形線圈、線圈內(nèi)部有固定的鐵片、固定在轉(zhuǎn)軸上的可動鐵片。圓形線圈小室312450推斥式電磁式儀表固定鐵片可動鐵片2.工作原理儀表的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩T=kI2彈簧的阻轉(zhuǎn)矩TC

=k2

彈簧的阻轉(zhuǎn)矩TC與指針的偏轉(zhuǎn)角

成正比，即

當(dāng)

T=TC

時，可動部分停止轉(zhuǎn)動，

即指針的偏轉(zhuǎn)角

結(jié)論:指針偏轉(zhuǎn)的角度與直流電流或溝通電流有效值的平方成正比。

線圈通入電流

I

磁場

線圈通入電流

I

磁場

固定和可動鐵片均被磁化(同一端的極性是相同的)可動片因受斥力而帶動指針轉(zhuǎn)動，

溝通為有效值因指針的偏轉(zhuǎn)角度與直流電流或溝通有效值平方成正比，所以儀表標度尺上的刻度是不勻整的。

與軸相聯(lián)的活塞在小室中移動產(chǎn)生阻尼力空氣阻尼器。3.

用途

4.優(yōu)點：構(gòu)造簡潔；價格低廉；可用于交直流；能測量較大的電流；允許較大的過載。缺點：刻度不勻整；易受外界磁場及鐵片中磁滯和渦流（測量溝通時）的影響，因此精確度不高。測量溝通電壓、溝通電流。五、

電動式儀表1.結(jié)構(gòu)

有兩個線圈：固定線圈和可動線圈?？蓜泳€圈與指針及空氣阻尼器的活塞都固定在軸上。螺旋彈簧固定線圈可動線圈空氣阻尼器

產(chǎn)生阻尼力2.工作原理FF可動線圈固定線圈

固定線圈中的電流

I1

(i1)

磁場可動線圈中的電流

I2

(i2)與磁場相互作用電磁力

F線圈受到轉(zhuǎn)矩

T

線圈和指針轉(zhuǎn)動，

儀表的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩通入直流時，T=k1I1I2通入溝通時，T=k1I1I2cosi1和i2的有效值i1和i2之間的相位差彈簧的阻轉(zhuǎn)矩TC

=k2

彈簧的阻轉(zhuǎn)矩TC與指針的偏轉(zhuǎn)角

成正比，即

當(dāng)

T=TC

時，可動部分停止轉(zhuǎn)動，

即指針的偏轉(zhuǎn)角

結(jié)論:指針偏轉(zhuǎn)的角度與兩個電流(對溝通為有效值)的乘積成正比。儀表的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩通入直流時，T=k1I1I2通入溝通時，T=k1I1I2cos=kI1I2（直流）=kI1I2cos（溝通）i1和i2之間的相位差4.優(yōu)點：可用于交直流；精確度較高。缺點：受外界磁場影響大；不能承受較大過載。3.用途測量交直流電壓、電流及功率。六、YX-360TR型萬用表結(jié)構(gòu)及原理

YX-360型萬用表的面板圖零歐姆調(diào)整機械零位調(diào)整200100504030201050100200300400500246810101522A-V-Ω0∞Ω10V-dB-10V.mA10V+dBΩ–+500101005002551×10k×1k×100×10×150550500500100VΩμAmAV～~轉(zhuǎn)換開關(guān)內(nèi)磁式磁電式儀表

電流表的內(nèi)阻要很小。

若要擴大電流表的量程，可在測量機構(gòu)上并聯(lián)一個分流電阻RA。

電流表應(yīng)串聯(lián)在電路中，I負載AI負載RAR0I0式中：R0

——測量機構(gòu)的電阻

RA——分流器的電阻1.直流電流的測量由可得，分流電阻

可知，需擴大的量程愈大，則分流電阻應(yīng)愈小。例:有一磁電式電流表，當(dāng)無分流器時，表頭的滿標值電流為5mA，表頭電阻為20。今欲使其量程（滿標值）為1A，問分流器的電阻應(yīng)為多大？YX-360直流電流檔的近似原理圖

RA1RRA2RA3RA4RA5500mA50mA5mA0.5mA50AA+-+-RA1~RA5是分流器電阻，變更轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置，就變更了分流器的電阻，從而變更了電流的量程。量程愈大，分流器電阻愈小。表頭內(nèi)阻調(diào)整器表的內(nèi)阻要很高。

若要擴大電壓表的量程，可在測量機構(gòu)上串聯(lián)一個倍壓電阻RV。

電壓表應(yīng)并聯(lián)在被測電路兩端，式中：R0

——測量機構(gòu)的電阻

RV——倍壓器的電阻U負載V+–U負載+–R0RV+–U02.直流電壓的測量由可得，串聯(lián)電阻可知，需擴大的量程愈大，則串聯(lián)電阻應(yīng)愈大。例:有一電壓表，其量程為50V，內(nèi)阻為2000。今欲使其量程擴大到300V，問還需串聯(lián)多大電阻的倍壓器？RV1~RV3構(gòu)成倍壓器電阻，變更轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置，就變更了倍壓器的電阻，從而變更了電壓的量程。量程愈大，倍壓器電阻愈大。YX-360直流電壓檔的近似原理圖3.溝通電壓的測量磁電式儀表只能測量直流，假如要測量溝通，需加整流元件，如圖中D1和D2。YX-360測量交流電壓的原理電路R100VA+-+-10VD1D2RV1RV2600正半周時，電流流經(jīng)D1和部分電流流經(jīng)微安表流出。負半周時，電流干脆流經(jīng)D2從“+”端流出?？梢?，通過微安表的是半波電流，讀數(shù)應(yīng)為該電流的平均值?？梢?，通過微安表的是半波電流，讀數(shù)應(yīng)為該電流的平均值。為此，加一溝通調(diào)整電位器（圖中600），用來變更表盤刻度；指示讀數(shù)被折換為正弦電壓有效值?？梢姡ㄟ^微安表的是半波電流，讀數(shù)應(yīng)為該電流的平均值。為此，加一溝通調(diào)整電位器（圖中600），用來變更表盤刻度；指示讀數(shù)被折換為正弦電壓有效值。一般萬用表只適合測量頻率為45~1000Hz的電壓。4.電阻的測量

測量電阻時，需接入電池，被測電阻愈小，電流愈大，則指針偏轉(zhuǎn)的角度愈大。YX-360測量電阻的原理電路RA+--+1.7k-+1.5V10100（調(diào)零）留意：(1)測量前應(yīng)先將“+”、“-”兩端短接，看指針是否指在零，否則應(yīng)調(diào)整調(diào)零電位器（圖中1.7k電阻）進行校正。(2)確定不能在帶電線路上測量電阻。用畢應(yīng)將轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到高電壓檔。七、

功率的測量1、單相溝通和直流功率的測量通常用電動式儀表來測量功率功率表的接線圖電壓線圈電流線圈ui2i1=i+–**負載固定線圈：匝數(shù)少，導(dǎo)線粗，與負載串聯(lián)，作為電流線圈?？蓜泳€圈：匝數(shù)多，導(dǎo)線細，與負載并聯(lián)，作為電壓線圈。工作原理：I2正比U，且可認為i2與u同相所以：2、

三相功率的測量在三相三線制中，廣泛接受兩功率表來測量三相功率。iAW1W2****iBiCABC兩功率表測量三相功率工作原理：三相瞬時功率：所以，p=uAiA+uBiB+uC(–iA–

iB)

=(uA–uC)

iA+(uB–uC)

iB=uACiA+uBCiB

=p1+p2p=pA+pB+pC=uAiA+uBiB+uCiC因為，iA+iB+iC=0可見，三相功率可用兩個功率表來測量。式中為uAC和iA之間的相位差。iAW1W2****iBiCABCW1的讀數(shù)為W2的讀數(shù)為式中為uBC和iB之間的相位差。兩功率表讀數(shù)之和為

P

=P1+P2=UACIAcos+UBCIBcos

30o當(dāng)負載對稱時，

P1=UACIAcos

=Ul

Il

cos(30o–

)

P2=UBCIBcos

=Ul

Il

cos(30o+

)

由相量圖可知，兩功率表的讀數(shù)為兩功率表讀數(shù)之和為P

=P1+P2=Ul

Il

cos(30o–

)+Ul

Il

cos(30o+

)可見，接受兩表法可測量三相功率。當(dāng)<60o時，P1和P2均為正值，P=P1+P2當(dāng)>60o時，P1為正值，P2為負值，P=P1–P2三相功率應(yīng)是兩個功率表讀數(shù)的代數(shù)和，其中隨意一個功率表的讀數(shù)是無意義的。****ABC

三相功率表的連接圖好用中，常用一個三相功率表（二元功率表）代替兩個單相功率表來測量功率，八、

兆歐表兆歐表：用于檢查電機、電器及線路的絕緣狀況和測量高值電阻。1.結(jié)構(gòu)兆歐表構(gòu)造示意圖

兩個線圈固定在同一軸上且相互垂直。一個線圈與電阻R串聯(lián)，另一個線圈與被測電阻Rx串聯(lián)，兩者并聯(lián)接于直流電源?！蕈?00050020010030100F2NSUI2RxRI1+-MF2IF1F1永久磁鐵線圈手搖直流發(fā)電機磁場是不勻整的2.工作原理在測量時，通過線圈的電流線圈電阻

線圈受到磁場的作用，產(chǎn)生兩個方向相反的轉(zhuǎn)矩，f1

()和f2

()分別為兩個線圈所在處的磁感應(yīng)強度與偏轉(zhuǎn)角之間的函數(shù)關(guān)系?！蕈?00050020010030100F2NSUI2RxRI1+-MF2IF1F1T1=k1I1f1

()T2=k2I2f2

()

儀表的可動部分在轉(zhuǎn)矩的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，直到兩個線圈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩平衡。當(dāng)兩個線圈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩平衡時，有T1=T2即k1I1f1

()=k2I2f2

()

上式表明，偏轉(zhuǎn)角與兩線圈中電流之比有關(guān)，故稱為流比計。因所以結(jié)論：1.偏轉(zhuǎn)角與被測電阻Rx有確定的函數(shù)關(guān)系，所以角可以反映出被測電阻的大小。2.儀表的偏轉(zhuǎn)角與電源電壓U無關(guān)，所以手搖發(fā)電機轉(zhuǎn)動的快慢不影響讀數(shù)。九、用電橋測量電阻、電容和電感直流電橋2.工作原理1.電路E–+GR3R4R1R2IG

最常用的單臂直流電橋(惠斯登電橋）用來測量約1到0.1M電阻。

當(dāng)檢流計G中無電流流過時，電橋達到平衡。

電橋平衡的條件為R1R4=R2

R3設(shè)R1=Rx為被測電阻，則式中稱為電橋的比臂，稱為較臂。測量時，先將比臂調(diào)到確定比值，然后再調(diào)整較臂直到電橋平衡為止。溝通電橋1.電路溝通電橋用來測量電容和電感。溝通電橋平衡的條件為GZ3Z4Z1Z2IG~2.工作原理Z1Z4=Z2

Z3即|Z1||

Z4|

=|Z2

|

|

Z3|1+

4=

2+

3為使平衡簡潔調(diào)整，常將兩個橋臂設(shè)計為純電阻。（1）當(dāng)選Z2和Z4為純電阻時，則Z1和Z3必需同為電感性或電容性。（2）當(dāng)選Z2和Z3為純電阻時，則Z1和Z4必需一個為電感性，而另一個為電容性。(1)電容的測量GR0R4RxR2IG~C0Cx測量電容的電橋電路電橋平衡時，有可得被測電容器無損耗的標準電容器和標準電阻(2)電感的測量電橋平衡時，有可得被測電感元件無損耗的標準電容器和標準電阻測量電感的電橋電路GR3R0RxR2IG~C0Lx十、數(shù)字式萬用表今以DT-830型數(shù)字萬