常用电工仪表的使用.ppt

第二章 常用电工仪表的使用,学习要点,1.了解常用电工测量仪表的结构和工作原理。2.掌握常用电工测量仪表的使用方法。3.了解电桥测量电阻、电容和电感的方法。4.了解常用非电量的电测法。,1 电工测量仪表的分类2 电工测量仪表的基本原理3 电流的测量4 电压的测量5 万用表6 功率的测量7 兆欧表8 用电桥测量电阻、电容与电感9 非电量的电测法,电路中的各个物理量（如电压、电流、功率、电能及电路参数等）的大小，除用分析与计算的方法外，常用电工测量仪表去测量。,电工测量技术的应用主要有以下优点：,第二章 常用电工仪表的使用,1.电工测量仪表的结构简单，使用方便，并有足够的精确度。,2.电工测量仪表可以灵活地安装在需要进行测量的地方，并可实现自动记录。,3.电工测量仪表可实现远距离的测量问题。,4.能利用电工测量的方法对非电量进行测量。,1 电工测量仪表的分类,1.1按照被测量的种类分类,1.2 按照工作原理、电流的种类分类,1.3 按照准确度分类,最大基本误差,仪表的最大量程（满标值）,目前我国直读式电工测量仪表按照准确度分为0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0七级。,准确度是电工测量仪表的主要特性之一。,准确度较高（0.1，0.2，0.5）的仪表常用来进行精密测量或校正其他仪表。,相对额定误差,准确度是电工测量仪表的主要特性之一。仪表的准确度是根据仪表的相对额定误差来分级的。,例：一准确度为2.5级的电压表，其最大量程为50V，,正常情况下,可认为最大基本误差是不变的,所以被测量值比满标值愈小，则相对测量误差就愈大。,则可能产生的最大基本误差为,在选用仪表的量程时，一般应使被测量的值超过仪表满标值的一半以上。,常用电工仪表的符号和意义,常用电工仪表的符号和意义,2 电工测量仪表的基本原理,直读式仪表测量各种电量的基本原理 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。转动转矩与通入的电流之间有,T=f(I),1）产生转动转矩 T 的部分 使仪表可动部分受到转矩而发生转动。,3）阻尼器 能产生制动力（阻尼力）的装置，使仪表可动部分能迅速静止在平衡位置。,直读式仪表的基本组成部分,2）产生阻转矩TC 的部分 当阻转矩TC等于转动转矩T 时，仪表可动部分平衡在一定的位置。,2.1 磁电式仪表,1.结构,螺旋弹簧,(1)固定部分 马蹄形永久磁铁、极掌NS及圆柱形铁心等。,(2)可动部分 铝框及线圈，两根半轴O和O，螺旋弹簧及指针。,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。,2.工作原理,(1)转动转矩T 的产生,(2)阻转矩TC的产生,在线圈和指针转动时，螺旋弹簧被扭紧而产生阻转矩TC。,线圈通入电流 I 电磁力 F,线圈受到的转矩 T=k1I,线圈通入电流 I 电磁力 F 线圈受到转矩 T 线圈和指针转动，,弹簧的TC与指针的偏转角成正比，即 TC=k2,当弹簧的阻转矩T与线圈受到的转矩TC达到平衡时，可动部分停止转动，此时有,T=TC,当弹簧阻转矩与转动转矩达到平衡即TC=T 时，可转动部分便停止转动，T=k1I，TC=k2。,仪表的标度尺上作均匀刻度。,3.阻尼作用的产生,当线圈通入电流而发生偏转时，铝框切割磁通，在框内感应出电流，其电流再与磁场作用，产生与转动方向相反的制动力，于是可转动部分受到阻尼作用，快速停止在平衡位置。,即指针的偏转角,结论:指针偏转的角度与流经线圈的电流成正比。,4.用途,5.优点：刻度均匀；灵敏度和准确度高；阻尼强；消耗 电能量小；受外界磁场影响小。缺点：只能测量直流；价格较高；不能承受较大过载。,测量直流电压、直流电流及电阻。,2.2 电磁式仪表,1.结构,主要部分是固定的圆形线圈、线圈内部有固定的铁片、固定在转轴上的可动铁片。,2.工作原理,仪表的转动转矩 T=k I,弹簧的阻转矩 TC=k2,弹簧的阻转矩TC与指针的偏转角 成正比，即,当 T=TC 时，可动部分停止转动，,即指针的偏转角,结论:指针偏转的角度与直流电流或交流电流 有效值的平方成正比。,线圈通入电流 I 磁场,线圈通入电流 I 磁场 固定和可动铁片均被磁化(同一端的极性是相同的),可动片因受斥力而带动指针转动，,交流为有效值,因指针的偏转角度与直流电流或交流有效值平方成正比，所以仪表标度尺上的刻度是不均匀的。,与轴相联的活塞在小室中移动产生阻尼力 空气阻尼器。,3.用途,4.优点：构造简单；价格低廉；可用于交直流；能测量较大的电流；允许较大的过载。缺点：刻度不均匀；易受外界磁场及铁片中磁滞和涡流（测量交流时）的影响，因此准确度不高。,测量交流电压、交流电流。,2.3 电动式仪表,1.结构,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。,2.工作原理,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 T 线圈和指针转动，,仪表的转动转矩通入直流时，T=k1I1I2,通入交流时，T=k1I1I2cos,i1和i2的有效值,i1和i2之间的相位差,弹簧的阻转矩 TC=k2,弹簧的阻转矩TC与指针的偏转角 成正比，即,当 T=TC 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，T=k1I1I2,通入交流时，T=k1I1I2cos,=kI1I2（直流）,=kI1I2 cos（交流）,i1和i2之间的相位差,4.优点：可用于交直流；准确度较高。缺点：受外界磁场影响大；不能承受较大过载。,3.用途 测量交直流电压、电流及功率。,3 电流的测量,电流表的内阻要很小。,测量直流电流通常用磁电式电流表，,若要扩大电流表的量程，可在测量机构上并联一个分流电阻 RA。,电流表应串联在电路中，,式中：R0 测量机构的电阻 RA 分流器的电阻,测量直流电流通常用磁电式电流表，测量交流电流通常用电磁式电流表。,由,可得，分流电阻,可知，需扩大的量程愈大，则分流电阻应愈小。,例:有一磁电式电流表，当无分流器时，表头的满标值电流为5mA，表头电阻为20。今欲使其量程（满标值）为1A，问分流器的电阻应为多大？,钳形电流表携带方便，在测量交流大电流时，无需断开电源和线路即可直接测量运行中电气设备的工作电流，以便及时了解设备的工作状况，十分方便。,应注意以下问题：（1）测量前应先估计被测电流的大小，选择合适量程。若无法估计，为防止损坏钳形电流表，应从最大量程开始测量，逐步变换档位直至量程合适。改变量程时应将钳形电流表的钳口断开。（2）为减小误差，测量时被测导线应尽量位于钳口的中央。,4 钳形电流表,（3）测量时，钳形电流表的钳口应紧密接合，若指针抖晃，可重新开闭一次钳口，如果抖晃仍然存在，应仔细检查，注意清除钳口杂物、污垢，然后进行测量。（4）测量小电流时，为使读数更准确，在条件允许时，可将被测载流导线绕数圈后放入钳口进行测量。此时被测导线实际电流值应等于仪表读数值除以放入钳口的导线圈数。（5）测量结束，应将量程开关置于最高档位，以防下次使用时疏忽，未选准量程进行测量而损坏仪表。,4 电压的测量,表的内阻要很高。,测量直流电压通常用磁电式电压表，,若要扩大电压表的量程，可在测量机构上串联一个倍压电阻 RV。,电压表应并联在被测电路两端，,式中：R0 测量机构的电阻 RV 倍压器的电阻,测量直流电压通常用磁电式电压表，测量交流电流通常用电磁式电压表。,由,可得，串联电阻,可知，需扩大的量程愈大，则串联电阻应愈大。,例:有一电压表，其量程为50V，内阻为2000。今欲使其量程扩大到300V，问还需串联多大电阻的倍压器？,5.1 磁电式万用表,用来测量直流电流、直流电压、交流电压和电阻等,1.直流电流的测量,RA1 RA5是分流器电阻，改变转换开关的位置，就改变了分流器的电阻，从而改变了电流的量程。量程愈大，分流器电阻愈小。,5 万用表,直流调整电位器,5.1磁电式万用表,用来测量直流电流、直流电压、交流电压和电阻等,2.直流电压的测量,RV1 RV3构成倍压器电阻，改变转换开关的位置，就改变了倍压器的电阻，从而改变了电压的量程。量程愈大，倍压器电阻愈大。,3.交流电压的测量,磁电式仪表只能测量直流，如果要测量交流，需加整流元件，如图中D1和D2。,正半周时，电流流经D1和部分电流流经微安表流出。,负半周时，电流直接流经D2从“+”端流出。,可见，通过微安表的是半波电流，读数应为该电流的平均值。,可见，通过微安表的是半波电流，读数应为该电流的平均值。为此，加一交流调整电位器（图中600），用来改变表盘刻度；指示读数被折换为正弦电压有效值。,可见，通过微安表的是半波电流，读数应为该电流的平均值。为此，加一交流调整电位器（图中600），用来改变表盘刻度；指示读数被折换为正弦电压有效值。普通万用表只适合测量频率为451000Hz的电压。,4.电阻的测量,测量电阻时，需接入电池，被测电阻愈小，电流愈大，则指针偏转的角度愈大。,注意：(1)测量前应先将“+”、“-”两端短接，看指针是否指在零，否则应调节调零电位器（图中 1.7k电阻）进行校正。,(2)绝对不能在带电线路上测量电阻。用毕应将转换开关转到高电压档。,MF-30型万用表的面板图,5 万用表,零欧姆调整,机械零位调整,转换开关,指针式万用表使用方法（1）红表笔插入“+”极，黑表笔插入“”极。使用前必须把测量范围的选择开关旋到与被测电量相应的档位和量程上，并注意插孔（或接线柱）的选择。（2）测量电阻前，除测量范围的选择开关旋到相应的电阻档外，还应将表笔短接，进行电气调零。在电路中测电阻时，一般应将该电阻的一端与电路断开，严禁在电阻通电时，用万用表测量电阻。（3）测量电压时，决不允许把测量范围的选择开关旋到电流或电阻档位，否则电表将被损坏。（4）万用表使用完毕后，一般应把转换开关旋到交流电压的最大量程档，或旋至“OFF”档。,5.2数字式万用表,今以DT-830型数字万用表为例来说明它的测量范围和使用方法。,1.测量范围,（1）直流电压分为五档:200mV,2V,20V,200V,1000V。,（2）交流电压分为五档:200mV,2V,20V,200V,750V。,（3）直流电流分为五档:200V,2 mA,20mA,200mA,10A。,（4）交流电流分为五档:200V,2 mA,20mA,200mA,10A。,（5）电阻分为六档:200,2k,20k,200k,2M,20M,5.2数字式万用表,DT-830型万用表的面板图,2.面板说明,(2)电源开关：使用时将开关置于“ON”位置；使用完毕置于“OFF”位置。,(3)转换开关：用以选择功能和量程。根据被测的电量(电压、电流、电阻等)选择相应的功能位；按被测量程的大小性选择合适的量程。,(4)输入插座：将黑色测试笔插入“COM”的插座。红色测试笔有如下三种插法，测量电压和电阻时插入“V”插座；测量小于200mA的电流时插入“mA”插座；测量大于200mA的电流时插入“10A”插座。,(1)显示器：显示四位数字，最高位只能显示1或不显 示数字，算半位，故称三位半（）。最大指示为 1999或-1999。当被测量超过最大指示值时，显示“1”或“-1”。,万用表使用注意事项（1）测电压、电流时，如开始测量前无法估计合适量程，则应先用万用表的最高量程进行粗测，然后再改换到合适量程进行测量。（2）测量电阻时，需表内电池提供电源，这时，黑表笔接内部电池正极，红表笔接内部电池负极。,6功率的测量,测量功率时采用电动式仪表。测量时将仪表的固定线圈与负载串联，反映负载中的电流，因而固定线圈又叫电流线圈；将可动线圈与负载并联，反映负载两端电压，所以可动线圈又叫电压线圈。,分格常数：,被测功率：,1直流和单相交流功率的测量,一表法：用一个单相功率表测得一相功率，然后乘以3即得三相负载的总功率。,二表法：用两只单相功率表来测量三相功率，三相总功率为两个功率表的读数之和。若负载功率因数小于0.5，则其中一个功率表的读数为负，会使这个功率表的指针反转。为了避免指针反转，需将其电压线圈或电流线圈反接，这时三相总功率为两个功率表的读数之差。,三表法：用3只单相功率表来测量三相功率，三相总功率为3个功率表的读数之和。,用二元功率表和三元功率表测量三相总功率，三相总功率均可直接从表上读出。,实用中，常用一个三相功率表（二元功率表）代替两个单相功率表来测量功率，,7 兆欧表,兆欧表：用于检查电机、电器及线路的绝缘情况和测量高值电阻。,1.结构,兆欧表构造示意图,两个线圈固定在同一轴上且相互垂直。一个线圈与电阻R串联，另一个线圈与被测电阻Rx串联，两者并联接于直流电源。,永久磁铁,线圈,手摇直流发电机,磁场是不均匀的,2.工作原理,在测量时，通过线圈的电流,线圈受到磁场的作用，产生两个方向相反的转矩，,f1()和 f2()分别为两个线圈所在处的磁感应强度与偏转角之间的函数关系。,T1=k1 I1 f1(),T2=k2 I2 f2(),仪表的可动部分在转矩的作用下发生偏转，直到两个线圈产生的转矩平衡。,2.工作原理,当两个线圈产生的转矩平衡时，有 T1=T2,即 k1 I1 f1()=k2 I2 f2(),上式表明，偏转角 与两线圈中电流之比有关，故称为流比计。,因,所以,结论：1.偏转角与被测电阻Rx有一定的函数关系，所以角可以反映出被测电阻的大小。,2.仪表的偏转角与电源电压U无关，所以手摇发电机转动的快慢不影响读数。,兆欧表的接线端钮有3个，分别标有“G（屏）”、“L（线）”、“E（地）”。被测的电阻接在L和E之间，G端的作用是为了消除表壳表面L、E两端间的漏电和被测绝缘物表面漏电的影响。在进行一般测量时，把被测绝缘物接在L、E之间即可。但测量表面不干净或潮湿的对象时，为了准确地测出绝缘材料内部的绝缘电阻，就必须使用G端。,3.使用,兆欧表使用注意事项：（1）测量电气设备的绝缘电阻，必须先切断电源，遇到有电容性质的设备，例如电缆，线路必须先进行放电。,（2）兆欧表使用时，必须平放。（3）兆欧表在使用之前应先进行开路实验，看看指针是否指在“”处，然后再将“L”和“E”两个接线柱短路，慢慢地转动兆欧表，查看指针是否指在“零”处。（4）兆欧表引线必须绝缘良好，线不要绞在一起。（5）兆欧表进行测量时，以转动一分钟后的读数为准。（6）在测量时，应使兆欧表转数达到120转/分。（7）兆欧表的量限往往达几千兆欧。最小刻度在1兆欧左右，因而不适合测量100千欧以下的电阻。,8 用电桥测量电阻、电容和电感,8.1直流电桥,2.工作原理,1.电路,最常用的单臂直流电桥(惠斯登电桥）用来测量约 1 到0.1M电阻。,当检流计G中无电流流过时，电桥达到平衡。,电桥平衡的条件为,R1 R4=R2 R3,设R1=Rx 为被测电阻，则,测量时，先将比臂调到一定比值，然后再调节较臂直到电桥平衡为止。,8.2 交流电桥,1.电路,交流电桥用来测量电容和电感。,交流电桥平衡的条件为,2.工作原理,Z1 Z4=Z2 Z3,即|Z1|Z4|=|Z2|Z3|,1+4=2+3,为使平衡容易调节，常将两个桥臂设计为纯电阻。,（1）当选Z2和Z4为纯电阻时，则Z1和Z3必须同为电感性或电容性。,（2）当选Z2和Z3为纯电阻时，则Z1和Z4必须一个为电感性，而另一个为电容性。,8.2 交流电桥,(1)电容的测量,测量电容的电桥电路,电桥平衡时，有,可得,被测电容器,无损耗的标准电容器和标准电阻,8.2 交流电桥,(2)电感的测量,电桥平衡时，有,可得,被测电感元件,无损耗的标准电容器和标准电阻,测量电感的电桥电路,9 非电量的电测法,非电量的电测法就是将各种非电量（如温度、压力、速度、位移、应变、流量、液位等）变换为电量，而后进行测量的方法。,非电量的电测仪器，主要由下列几个主要部分组成,(1)传感器：将被测非电量变换为与其成一定比例关系的电量。,(2)测量电路：将传感器输出的电信号进行处理，使之适合于显示、记录及和微型计算机的联接。,(3)测录装置：各种电工测量仪表、示波器、自动记录仪、数据处理器及控制电机等。,9.1 应变电阻传感器,1.金属电阻丝应变片,电阻丝由直径为0.020.04mm 的康铜或镍铬合金绕成。,2.工作原理,试件发生的应变通过胶层和纸片传给电阻丝，将电阻丝拉长或缩短，从而改变了它的电阻。就将机械应变变换为电阻的变化。,k为电阻丝应片的灵敏系数，其值约为2。,交流电桥测量电路,输出电压,设测量前电桥平衡，即 R1 R4=R2 R3,应变电阻,测量时应变电阻变化了R1，则,如选R1=R2，R3=R4，并忽略分母中的R1，则有,常用电桥电路（大多采用不平衡电桥），把电阻的相对变化转换为电压或电流变化。,9.2 电感传感器,电感传感器能将非电量的变化变换为线圈电感的变化，再由测量电路转换为电压或电流信号。,1.差动电感传感器,两只线圈完全相同，且上下对称排列。,当衔铁在中间位置时，两线圈的电感相同，,当衔铁在中间位置时，两线圈的电感相同，当衔铁受非电量的作用上下移动时，两个线圈的电感一增一减，发生变化，此即为差动。,衔铁处于中间位置，电桥平衡，输出电压,电感传感器常用来测量压力、位移、液位、表面光洁度等。,2.工作原理,当衔铁偏离中间位置上下移动时，电桥不平衡，输出电压的大小与衔铁位移的大小成正比，其相位与衔铁移动的方向有关。,交流电桥测量电路,线圈,标准电阻,9.3 电容传感器,电容传感器能将非电量的变化变换为电容器电容的变化。,可见，只要改变，S，d 三者之一，都可使电容改变。,将上极板固定，下极板与被测物体相接触，当运动物体上、下位移（改变d）或左、右位移（改变S）时，将引起电容的改变。,1.平板电容传感器,初始时C1=C2，电桥平衡，输出电压,交流电桥测量电路,当C1变化时，电桥不平衡，输出电压的大小与电容的变化成正比。,可得,带条厚度为，其介电常数为,2.工作原理,9.4 热电传感器,热电传感器能将温度的变化变换为电动势或电阻的变化。,1.热电偶,设热电偶冷端的温度t2保持恒定，则热电动势只与热端的温度t1有关。,热电偶由两根不同的金属丝或合金丝组成。,热电偶温度计常用来测量500 1500C的温度。,如果在两根金属丝相联的一端加热，则产生热电动势Et，有,热电偶将温度的变化转换为电动势的变化。,例：热电偶应用于炉温控制系统,热电偶输出电压,参考电压,差值电压,励磁电压,电枢电压,热电偶用来测量炉温，输出电压U2正比于炉温。,工作原理,炉温为给定值时，电路平衡 U1=U2，差值电压U=0，电动机不动。,炉温高于给定值时，U2 U1，差值电压U0。,测量电路是电位计电路，基准电压U1与炉温的给定值相对应。,U经放大后其输出的电压U 加在直流伺服电动机的电枢两端。,电动机通过减速器带动调压器手柄，改变调压器的输出电压，使加热电流减小，炉温下降。使电路重新平衡（U=0），即炉温保持给定值。,2.热电阻,金属电阻丝的电阻随温度变化的关系为,A 和 B为金属丝电阻在工作温度范围内的电阻温度系数的平均值。,热电阻传感器将温度的变化转换为电阻的变化。,电阻温度计中的热电阻传感器是绕在云母、石英或塑料骨架上的金属电阻丝。,tC时的电阻值,Rt=R0(1+At+Bt2),0C时的电阻值,对铜丝：A=410-3(1/C)，B=0；铂丝：A=3.9810-3(1/C)，B=5.84 10-3(1/C)。,3.热敏电阻,热敏电阻将温度的变化转换为电阻的变化。,热敏电阻测温范围约为-50+300C。测温度时采用的也是电桥测量电路。,热敏电阻与补偿电阻并联的电桥测量电路,热敏电阻是半导体元件，其电阻具有负温度系数。,t R,1.根据动作原理分为磁电式、整流式、电磁式、电动式测量仪表。可测量电压、电流、电功率、功率因数、电能等。,3.电流表应串联在被测电路中，电压表应并联在被测电路中。,2.根据测量仪表的准确度分为0.1级,0.2级,0.5级,1.0级,1.5级,2.5级和5.0级七级。,4.万用表可测量多种电量。按机构、原理分为模拟万用表、数字万用表。,5.兆欧表又称摇表，可测量电气设备的绝缘电阻。,