電工技術（西電第二版）第12章電工儀表

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1、第 12 章電工儀表第 12 章 電 工 儀 表12.1電工儀表的分類12.2常用指示儀表的工作原理12.3電工測量技術12.4萬用電表12.5兆歐表12.6電橋本章小結 第 12 章電工儀表12.1 電工儀表的分類12.1.1 按被測量的種類分類電工儀表按被測量的種類分類， 有電流表（又分為安培表， 毫安表， 微安表等）、 電壓表（又分為伏特表、 毫伏表等）、 功率表、 電度表、 功率因數表、 歐姆表、 兆歐表等。 如表12-1所示。 第 12 章電工儀表 第 12 章電工儀表 第 12 章電工儀表12.1.2 按工作原理分類電工儀表按工作原理可分為磁電式儀表、 電磁式儀表、 電動式儀表和整

2、流式儀表， 如表12-2所示。 第 12 章電工儀表 第 12 章電工儀表12.1.3 按被測電流種類分類電工儀表按被測電流的種類分為直流儀表、 交流儀表和交直流兩用儀表， 如表12-3所示。 第 12 章電工儀表 第 12 章電工儀表12.1.4 按準確度分類電工儀表的準確度是根據儀表的最大引用誤差來分級的。 所謂最大引用誤差， 就是指儀表在正常工作條件下進行測量可能產生的最大絕對誤差A（測量值與實際值之差）與儀表的最大量程Am之比， 如以百分數表示， 則為 %100m AA 第 12 章電工儀表例如有一準確度為2.5級的電壓表， 其最大量程為250V， 則該量程下可能產生的最大絕對誤差為A

3、=Am=2.5%250 V=6.25 V 如果換用100 V量程， 則該量程下可能產生的最大絕對誤差為A=A m=2.5%100 V=2.5 V 因此， 一個精度已定的儀表， 測量某一個物理量時， 選擇的量程越大， 帶來的絕對誤差就越大。 第 12 章電工儀表應用相對誤差（絕對誤差與實際值的百分比）可以分析用同一量程測量不同大小物理量時的精度比較問題。 例如用250 V量程， 分別測量200 V、 50 V兩個電壓： 測量200 V電壓時的相對誤差： %125.3%10020025.6 1 測量50 V電壓時的相對誤差： %5.12%1005025.62 第 12 章電工儀表儀表標注的準確度數

4、值越大， 引用誤差就越大， 該儀表的精度就越低。 0.1、 0.2級的儀表一般用于進行精密測量或校正其他儀表， 0.5級、 1.0級儀表一般用于實驗室， 2.5級、 5.0級儀表一般用于工程測量。 在儀表的表面上通常都標有儀表類型、 準確度等級、 電流種類以及儀表的絕緣耐壓強度和放置位置符號等， 幾種常見符號的含義如表12-4所示。 第 12 章電工儀表 第 12 章電工儀表12.2 常用指示儀表的工作原理12.2.1 電工指示儀表的基本結構測量裝置由驅動裝置、 反作用裝置和阻尼裝置三部分組成。 (1) 驅動裝置。 驅動裝置是利用儀表中通過電流后在磁場中產生的電磁作用， 使可動部分受到驅動轉矩

5、的作用而發(fā)生轉動。 第 12 章電工儀表(2) 反作用裝置。 儀表的可動部分在驅動轉矩作用下產生偏轉時， 應在測量機構中設計與指針偏轉角成正比的起彈簧作用的反作用力矩， 其方向和驅動力矩的方向相反， 以平衡驅動轉矩， 避免指針偏轉時沖擊過大。 當驅動力矩與反作用力矩完全相等時， 由于力矩平衡作用， 可動部分停留在一定位置， 這樣， 與可動部分一起偏轉的指針的偏轉角的大小就能反映被測電量的大小。 實用的儀表反作用裝置一般采用游絲。 第 12 章電工儀表（3） 阻尼裝置。 當儀表的可動部分達到平衡位置時， 由于慣性作用， 不會立即停下來，而是在平衡位置附近來回擺動振蕩一段時間后才能穩(wěn)定。 為了能夠

6、盡快讀數， 減少可動部分擺動的時間， 儀表中必須裝有阻尼裝置， 用來消耗可動部分的動能， 以限制可動部分的擺動。常用儀表的阻尼裝置有空氣阻尼器和電磁感應阻尼器兩種， 分別如圖12-1（a）、 （b）所示。 第 12 章電工儀表圖12-1 儀表軸上的阻尼器（a） 空氣阻尼器; （b） 電磁感應阻尼器 第 12 章電工儀表12.2.2 磁電系儀表磁電系儀表的結構如圖12-2所示， 它的測量機構是由固定的磁路系統(tǒng)和可動的線圈部分組成。 第 12 章電工儀表 圖12-2 磁電系儀表 第 12 章電工儀表儀表的固定部分是磁路系統(tǒng)， 磁路系統(tǒng)包括永久磁鐵、 固定在磁鐵兩極的極掌以及處于兩個極掌之間的圓柱形

7、鐵芯， 圓柱形鐵芯固定在儀表支架上， 采用這種結構是為了減少磁阻， 并使極掌和鐵芯間的空氣隙中產生均勻的輻射形磁場。 這個磁場的特點是沿著圓柱形鐵芯的表面， 磁感應強度處處相等， 而方向則和圓柱形表面垂直。 圓柱形鐵芯與極掌間留有一定的氣隙， 使可動線圈在氣隙中轉動。 第 12 章電工儀表當線圈通有電流 I 時， 線圈的兩個有效邊受到大小相等、 方向相反的電磁力F， 其方向如圖12-3所示， 其電磁力矩大小為T=F b=BIlN b=K1I （12-1）式中B為空氣隙中的磁感應強度； l為線圈在磁場內的有效長度； N為線圈的匝數； b為線圈的寬度； K 1為比例常數。 第 12 章電工儀表在這

8、個電磁力矩的作用下， 線圈和指針便轉動起來， 同時游絲被扭緊而產生反作用力矩，也稱為阻力矩。 游絲的反作用力矩與指針偏轉角成正比， 即Tf = K2 （12-2）當游絲的反作用力矩與電磁力矩達到平衡時， 可動部分停止轉動， 這時T=T f （12-3） 第 12 章電工儀表于是， 偏轉角為KIIKK 21（12-4） 由上式可知， 指針偏轉的角度與流經線圈的電流成正比， 按此即可在標度尺上作均勻刻度。 當線圈中無電流時， 指針應指在零的位置。 第 12 章電工儀表磁電系儀表只能用來測量直流， 由于永久磁鐵產生的磁場方向不能改變， 所以只有通入直流電流才能產生穩(wěn)定的偏轉。 如果線圈中通入的是交流

9、電流， 由于交流電流的方向不斷改變， 轉動力矩也是交變的， 故可動部分由于慣性作用， 還來不及轉過去， 又得轉回來。 結果只能左右搖擺無法測得讀數。 要測量交流可以在此機構的基礎上附加整流器， 構成整流系儀表， 即可進行交直流測量。 第 12 章電工儀表磁電系儀表的優(yōu)點是刻度均勻； 靈敏度和準確度高； 消耗電能量少； 由于儀表本身的磁場強， 所以受外磁場影響小。 它的缺點是只能測量直流； 過載能力小， 主要是由于其被測電流是通過游絲導入和導出的， 線圈導線又很細， 所以過載時容易使游絲彈性發(fā)生變化或使線圈燒毀。 磁電系儀表常用來測量直流電壓、 直流電流和電阻等。 第 12 章電工儀表12.2.

10、3 電磁系儀表電磁系儀表有吸引型和排斥型兩種， 這里只介紹排斥型電磁系儀表的工作原理。 排斥型電磁系儀表的結構如圖12-4所示。 它的固定部分包括固定圓線圈和固定在線圈內的固定鐵片。 可動部分由固定在轉軸上的可動鐵片、 游絲、 指針、 阻尼片組成。 第 12 章電工儀表 圖12-4 排斥型電磁系儀表 第 12 章電工儀表圓型線圈通電后， 固定鐵片和可動鐵片同時被磁化， 而且兩鐵片的極性相同， 互相排斥，使可動鐵片轉動， 因而使指針發(fā)生偏轉， 所以這種結構叫圓線圈排斥型。 當圓線圈中的電流方向改變時， 固定鐵片和可動鐵片被磁化的極性也同時改變， 但仍然互相排斥， 可動鐵片的受力和轉動方向不變，

11、如圖12-5所示。 第 12 章電工儀表圖12-5 排斥型電磁系儀表工作原理 第 12 章電工儀表在磁路沒有飽和的情況下， 鐵片被磁化后的磁場與線圈的磁動勢NI成正比， 參考第6章電磁鐵的吸引力計算結論， 可知電磁吸力與磁場的二次方有關， 所以， 電磁力矩為T=K1 (NI)2=K1I2 （12-5）式中， NI為固定線圈的磁動勢， I 為交流電流的有效值。 第 12 章電工儀表將這個電磁力矩T與游絲的反作用力矩Tf = K2相平衡， 得 K1I2=K2 （12-6） 電磁式儀表的指針偏轉的角度與被測電流的平方成正比， 所以刻度是不均勻的。 2221 KIIKK 第 12 章電工儀表12.2.

12、4 電動式儀表電動式儀表是利用兩個通電線圈之間的電動力來產生轉動力矩的。 其結構如圖12-6所示。 它的固定線圈分為平行排列、 在指針兩側互相對稱的兩部分， 中間留有空隙， 以便使轉軸可以穿過， 這種結構可獲得均勻的工作磁場。 改變固定線圈兩部分之間的串、 并聯關系， 可以得到兩種不同的電流量程。 可動線圈與轉軸相連， 轉軸上還裝有指針、 游絲和空氣阻尼器的阻尼鋁片。 第 12 章電工儀表 圖12-6 電動式儀表 第 12 章電工儀表電動式儀表測量機構的基本原理和電磁式測量機構工作原理類似， 如圖12-7(a)所示。 當固定線圈通有直流電流I1時， 固定線圈就產生了一個磁場。 此時如果可動線圈

13、通過的電流為I2， 由于可動線圈處于固定線圈的磁場中， 必將受到電磁力F的作用， （其方向可由左手定則確定）使儀表可動部分在轉動力矩作用下發(fā)生偏轉， 直到與游絲產生的反作用力矩相平衡為止。 第 12 章電工儀表圖12-7 電動式儀表的轉矩 第 12 章電工儀表指針停在某一刻度上， 即可讀出指示值。 當電流I1和I2同時改變方向時，如圖12-7（b）所示， 電磁力F的方向不會改變， 因而可動線圈所受到的轉動力矩的方向也不會改變。 因此， 電動式儀表可以測量直流電量， 也可以測量交流電量。 電動式儀表用在直流電路中時， 其轉動力矩T與相互作用的固定線圈和可動線圈中的電流乘積成正比， 即T=K 1I

14、1I2 （12-7）式中， K1為與結構有關的系數。 第 12 章電工儀表當轉動力矩T與游絲產生的反作用力矩Tf = K2相平衡時， 偏轉角2121 21 IKIIIKK （12-8）該式表明， 電動式儀表在測量直流電流或電壓時， 偏轉角與兩個線圈中的電流的積成正比， 利用這個結論， 電動式儀表可以測量直流電路的電功率。 第 12 章電工儀表若電動式儀表測量交流電流或交流電壓時， I1和I2分別是通過固定線圈和可動線圈的電流的有效值， j為兩個電流之間的相位差， 可以證明轉動力矩的平均值為T=K1I1I2 cos j （12-9）同上可得偏轉角jj coscos 212121 IKIIIKK

15、（12-10） 第 12 章電工儀表該式表明， 電動式儀表可以測量交流電路的電功率。 電動式儀表的優(yōu)點是交直流都能適用， 準確度高； 缺點是受外界磁場影響大， 不能承受較大的過載。 另外需要注意的是， 電動式功率表， 標尺刻度均勻； 而電動式電壓表、 電流表， 由于其偏轉角與兩個線圈中電流的積成正比， 故標尺刻度是不均勻的。 第 12 章電工儀表 12.3 電工測量技術12.3.1 電流的測量測量電流時應把電流表串接在被測電路中， 如圖12-8(a)所示。 為了使電流表的串入不影響電路原有的工作狀態(tài)， 電流表的內阻應遠遠小于電路的負載電阻。 一般電流表的內阻越小越好， 因此使用時絕不允許電流表

16、并接于負載兩端， 否則會損壞儀表。 第 12 章電工儀表 圖12-8 電流表和分流器 第 12 章電工儀表1 直流電流的測量測量直流電流通常使用磁電式電流表， 這種儀表的測量機構（即表頭）所允許通過的電流很小， 一般只有幾微安到幾十毫安， 不能直接測量較大的電流。 為了擴大它的量程， 就需要在表頭兩端并聯一個稱為分流器的電阻R A， 如圖12-8(b)所示。 第 12 章電工儀表圖中被測電流 I 經表頭電阻R0和分流器RA分流后， 流經表頭的電流為 I0， 通過分流公式可得 AARR RII 00（12-11）通過上式即可求得RA 11 00 0 nRIIRRA（12-1）式中， n為擴程倍數

17、。 第 12 章電工儀表由式（12-12）可知， 需要擴大的量程愈大， 則分流器的電阻RA應愈小。 多量程電流表具有幾個標有不同量程的接頭， 這些接頭可分別與相應阻值的分流器并聯。 例如實驗室常用的CA19-A型5 A、 10 A是雙量程電流表， 內部電路如圖12-9所示， 它的分流電阻分別為R A1和RA1+RA2。 第 12 章電工儀表 圖12-9 CA19-A型雙量程電流表內部電路 第 12 章電工儀表例12-1 有一磁電式電流表， 當無分流器時， 表頭的滿標值電流為5 mA。 表頭電阻為20 ， 今欲使其量程（滿標值）為1 A， 問分流器的電阻應為多大？解 先求擴程倍數n， 即2001

18、05 1 30 IIn再求分流電阻， 有1.012002010 nRRA 第 12 章電工儀表2 交流電流的測量圖12-10為TA型5 A、 10 A雙量程電流表的內部接線圖， 串聯接法時為5 A擋， 并聯時為10 A擋。 第 12 章電工儀表圖12-10 TA型雙量程電流表的內部接線圖 第 12 章電工儀表12.3.2 電壓的測量1 直流電壓的測量直流電壓的測量一般使用磁電式儀表， 磁電式表頭通過的電流很小， 內阻也很小， 因此必須在表頭上串聯一個稱為倍壓器的高值電阻R V， 如圖12-11所示， 這樣既擴大了量程又增加了電壓表的內阻。 第 12 章電工儀表圖12-11 電壓表與倍壓器 第

19、12 章電工儀表對圖12-11的電路， 應用分壓公式可得VRR RUU 0 00（12-13）可求得 000 )1()1( RmRUURV （12-1）式中, R0為表頭內阻， m為電壓表量程擴大倍數。 第 12 章電工儀表由式（12-14）可知， 需要擴大的量程越大， 則倍壓器的電阻值應越高。 對于多量程電壓表， 其內部可由表頭分別是相應阻值的倍壓器串聯構成。 圖12-12為一個三量程電壓表的內部電路。 第 12 章電工儀表 圖12-12 三量程式電壓表內部電路 第 12 章電工儀表例12-2有一電壓表， 其量程為5 V， 內阻為1000 。 現要使其量程擴大到500 V， 問需要串聯多大電

20、阻的倍壓器？解 根據式（12-14）， 需要串聯的電阻阻值為5050)15500()1( 00 RUURV k 第 12 章電工儀表2 交流電壓的測量測量交流電壓一般使用電磁式儀表， 其表頭內固定線圈是由細導線繞制的， 匝數很多，電阻值很大， 電感的影響可以忽略， 因此常用與磁電式儀表一樣的方法通過串聯附加電阻RV來擴大量程。 測量600 V以上的交流電壓時， 為了安全， 一般采用電壓互感器降壓后進行測量。 第 12 章電工儀表12.3.3 電功率的測量功率表的量程分為電流量程和電壓量程， 使用時電流和電壓線圈都不允許超過量程。 電流量程的變換通過改變固定線圈的串、 并聯接法來實現； 電壓量程

21、的變換則通過改變串接在可動線圈上的附加電阻來實現。 功率表的內、 外部接線和電路符號如圖12-13所示。 第 12 章電工儀表 圖12-13 功率表及接線方法（a） 內部接線; （b） 電氣符號; （c） 測量電路 第 12 章電工儀表1 直流電功率的測量直流電功率可以用電壓表和電流表間接測量； 也可以用功率表直接測量。 功率表的接法如圖12-13(c)所示， 電流線圈與負載串聯， 電壓線圈與負載并聯， 不能接錯， 使用中還要注意電流線圈和電壓線圈的電源端標記“*”， 應把標有“*”的始端接在電源的同一側， 否則指針將反轉。 第 12 章電工儀表由電動式儀表的原理知， 指針偏轉角與兩個線圈的電

22、流乘積成正比。 功率表電流線圈的電流就是負載電流 I， 通過電壓線圈的電流與負載電壓U成正比， 因此功率表的的指針偏轉角與電壓和電流的乘積成正比， 即與負載功率成正比。 =KUI=KP （12-15）一般安裝式功率表為直讀單量程式， 表上示數即為功率數。 但便攜式功率表一般為多量程式， 在表和標度尺上不直接標注功率大小， 只標注分格數 m。 第 12 章電工儀表在選好不同的電流與電壓量程后， 每一分格才可以表示具體的功率數。 在讀數前， 應先選擇合適的電壓量程Um、 電流量程Im， 兩者的乘積為滿刻度功率數， 除以分格數m可得到每格功率數（又稱功率表常數） mmmIUC （12-16）測量后，

23、 用每格功率數C乘以指針偏轉的格數， 計算得到所測功率PP=C （12-17） 第 12 章電工儀表例12-3 有一只電壓量程為250 V， 電流量程為3 A， 標尺分格數為75格的功率表，現用它來測量負載的功率， 當指針偏轉50格時負載功率為多少？解 先計算功率表常數C 1075 3250 mmmIUC （W/格）故被測功率為P=C=1050=500 （W） 第 12 章電工儀表2 單相交流電功率的測量單相交流負載的有功功率為P=UI cosj （12-18）式中， U、 I 分別為負載電壓和電流的有效值， j為電壓電流的相位差， cosj為負載的功率因數。 第 12 章電工儀表由電動式儀表

24、測量交流時的原理可知， 其指針的偏轉角不但正比于兩個線圈電流有效值的乘積， 而且正比于兩電流相位差的余弦。 =KI1I2 cosj 功率表的電壓線圈本身電阻大， 又串接有較大的附加電阻， 其線圈感抗與電阻相比可以忽略不計， 故可以認為電壓線圈的電流與負載電壓同相， 而流過電流線圈的電流即為負載電流。 第 12 章電工儀表3 三相功率的測量（1） 一表法測量。 所謂一表法， 就是使用一只單相有功功率表測量三相對稱負載電路的有功功率。 在對稱的三相系統(tǒng)中， 三相負載是對稱的， 故三相負載功率相等； 因而可以用一只單相有功功率表測量其中一相負載的功率P 1， 其接線如圖12-14所示，乘以3得到總功

25、率。 第 12 章電工儀表圖12-14 一表法測量三相有功功率 第 12 章電工儀表總功率為P=3P1 （12-19）（2） 三表法測量。 三表法是用三只單相有功功率表測量不對稱三相四線制電路的功率。 三相四線制供電系統(tǒng)中用電負載多數情況是不對稱的， 這時可以用3只單相有功功率表分別測量三相的功率， 三相電路的總功率為3只單相有功功率表之和。P=P U+PV+PW （12-20）其接線方法如圖12-15所示。 第 12 章電工儀表 圖12-15 三表法測量三相有功功率 第 12 章電工儀表（3） 兩表法測量。兩表法是有兩只單相有功功率表測量三相三線制電路的有功功率。 三相三線制電路， 無論負載

26、對稱與否， 都可用兩只有功功率表來測量三相有功功率， 并且三相電路總的有功功率P等于兩表讀數之和。 即P=P1+P2 （12-21） 兩表法測量三相有功功率的接線如圖12-16所示， 為了分析方便， 取三相星形負載電路來計算功率。 第 12 章電工儀表 圖12-16 兩表法測量三相有功功率 第 12 章電工儀表對于三相三線制電路有 iU+iV+iW=0 （12-22）三相瞬時功率為 p=uUiU+uViV+uWiW =u UiU+uViV+uW(iUiV) =(uUuW)iU+(uVuW)iV =uUWiU+uVWiV （12-23） 第 12 章電工儀表則三相有功功率為 T UUWT tiu

27、iuTtpTP 0 VVW0 d)(1d1 2VVW1UUW coscos jj IUIU 式中， UUW、UVW分別為兩個功率表電壓線圈的電壓有效值， IU、IV分別為兩個功率表電流線圈的電流有效值， j1為功率表1上的電壓與電流的相位差， j1為功率表2上的電壓與電流的相位差。 第 12 章電工儀表因此 P=P1+P2 （12-25） 可見， 使用兩表法可以測量三相電路的總功率， 但要注意在實際負載中， 負載功率因數較低時， 線電壓與線電流的相位差可能大于90， 其中一只功率表的指針會反偏， 這時應將電流線圈反接才能正常讀數， 此時總功率應為正接功率表的讀數與反接功率表的讀數之差， 即對被

28、反接電流線圈的功率表讀數取負值。 第 12 章電工儀表 12.4 萬用電表12.4.1 模擬式萬用表模擬式萬用表的外形如圖12-17所示。 第 12 章電工儀表 圖12-17 模擬式萬用電表（a） 模擬式萬用表示意圖; （b） MF64型萬用表外形 第 12 章電工儀表1. 直流電流的測量 測量直流電流時， 首先將轉換開關置于直流電流擋位上， 再將萬用電表串聯在電路中，使得電流由紅表筆（接于萬用電表電池的“+”端）流入， 由黑表筆（接于萬用電表電池的“”端）流出。 由于表頭只能測量微小的直流電流， 所以測量直流電流時， 在表頭兩端并聯一個適當阻值的電阻（稱為分流電阻）， 對被測電流進行分流。

29、第 12 章電工儀表萬用電表采用閉路式分流器來完成分流電阻的轉換， 如圖12-18所示。 當轉換開關置于某一量程位置時， 對應的分流電阻接入測量電路中， 完成對被測電流的分流。 當被測電流的大小無法確定時， 應先采用最大量程進行測量， 再根據指針的偏轉選擇適合的量程， 以減小測量誤差。 必須注意， 不可以帶電轉換量程。 第 12 章電工儀表 圖12-18 測量直流電流的原理電路 第 12 章電工儀表2. 直流電壓的測量測量直流電壓時， 首先將轉換開關置于直流電壓擋位上， 再將萬用電表并聯在被測電壓的兩端， 使紅表筆（“+”端）接在電位較高的一端， 黑表筆（“”端）接在電位較低的一端。 第 12

30、 章電工儀表由于表頭只能通過微小的直流電流， 所以測量直流電壓時， 在表頭一端會串聯適當阻值的電阻（稱為降壓電阻）， 對被測電壓進行分壓。 降壓電阻擴展了被測電壓的量程。 如果改變降壓電阻的阻值， 就改變了測量電壓的量程。 也就是說， 每一個量程對應相應的降壓電阻。 萬用電表常采用“公用式”電阻來完成降壓電阻的轉換， 如圖12-19所示。 當轉換開關置于某一量程時， 對應的降壓電阻接入電路中， 完成對被測電壓的降壓。 第 12 章電工儀表 圖12-19 測量直流電壓的原理電路 第 12 章電工儀表3 交流電壓的測量當轉換開關置于交流電壓擋時， 其測量電路如圖12-20所示。 由于表頭只能測量直

31、流電流， 所以必須將交流電壓整流成直流電壓才能進行測量。 當被測交流電壓處于正半周時， 二極管VD1導通、 VD2截止， 此時的電路與測量直流電壓的電路相同； 當被測交流電壓處于負半周時， 二極管VD 2導通、 VD1截止， 表頭被短路了， 沒有電流流過。 第 12 章電工儀表 圖12-20 測量交流電壓的原理電路 第 12 章電工儀表4 電阻的測量測量電阻時， 將轉換開關置于歐姆擋， 將待測電阻接在萬用電表的紅表筆（萬用電表的“+”端）和黑表筆（萬用電表的“”端）。 其測量電路如圖12-21所示。 第 12 章電工儀表 圖12-21 測量電阻的原理電路 第 12 章電工儀表測量時， 待測電阻

32、（未知）、 調節(jié)電阻（已知）、 內部電池和表頭形成閉合回路， 產生電流， 指針偏轉， 指示對應的數值。 待測電阻的阻值越大， 產生的電流會越小， 表頭指針的偏轉會越小。 可見， 電阻值的刻度與電壓、 電流的刻度方向是相反的。 在讀數時， 須將指針指示數值乘以對應的量程， 才能得到電阻阻值。 比如指針指示為10， 量程為10， 則待測電阻的阻值為10 。 第 12 章電工儀表在實際測量之前， 需要對萬用電表進行調零。 方法是將紅、 黑兩個表筆相接， 旋轉調節(jié)電阻器， 使指針指向“0”。 須注意， 每一次轉換歐姆擋的量程后， 都需要重新調零。 如果調零時指針始終無法指向“0”， 則可能是電池電量不

33、足或接觸不良造成的， 可以根據情況更換電池或進行維修。 在選擇量程時， 應盡量使被測電阻值處于量程標尺弧長的中心部位， 這樣測量精度會高一些。 第 12 章電工儀表12.4.2 數字式萬用表數字式萬用表內部由轉換開關、 測量轉換電路、 模擬/數字量轉換電路、 顯示邏輯電路、 顯示器組成， 其中模/數轉換、 顯示邏輯和顯示器部分采用獨立的邏輯器件替代了模擬式萬用表簡單的表頭。 數字式萬用表外形如圖12-22所示。 第 12 章電工儀表 圖12-22 數字萬用表 第 12 章電工儀表手持式數字萬用表的顯示器已普遍采用字高為26 mm的大屏幕LCD（液晶顯示器）； 臺式數字萬用表的顯示器常采用七段L

34、ED數碼管或熒光數碼管。 模擬式萬用表是從直流電流表擴展而來的， 而數字萬用表是從直流數字電壓表擴展而來的。 所以被測量在表內須先通過測量轉換電路轉換成直流電壓信號， 才能進行測量； 多擋轉換開關的作用與模擬萬用表相同。 第 12 章電工儀表12.5 兆 歐 表兆歐表俗稱搖表， 是用于測量各種電氣設備絕緣電阻的儀表， 如圖12-23所示。 絕緣電阻是指用絕緣材料隔開的兩個導體之間的電阻， 是衡量電氣設備絕緣性能好壞的重要參數。 絕緣材料發(fā)熱、 受潮、 老化、 被污染后， 其絕緣電阻會下降， 進而造成電氣設備產生短路或漏電事故。 第 12 章電工儀表12.5.1 兆歐表的結構圖12-23是兆歐表

35、的外形圖。 常見的兆歐表內部由高壓手搖發(fā)電機、 磁電系比率表和測量線路三部分組成。 第 12 章電工儀表 圖12-23 兆歐表 第 12 章電工儀表高壓手搖發(fā)電機在標準轉速（12 r/min）下即可產生較高的電壓。 常用的電壓等級包括100 V、 250 V、 500 V、 1000 V、 2500 V、 5000 V等。 選擇兆歐表的原則是： 額定電壓在500 V或以下的電氣設備， 選用500 V或1000 V的兆歐表； 500 V以上的電氣設備， 選用2500 V的兆歐表； 高壓設備選用2500 V或5000 V的兆歐表。 第 12 章電工儀表磁電系比率表由磁路部分、 電路部分和指針組成，

36、 如圖12-24所示。 磁路部分包括了外側的永久磁鐵和內部鐵芯； 內部鐵芯分兩類， 一類是帶缺口的圓柱形鐵芯， 一類是橢圓形鐵芯。 永久磁鐵和內部鐵芯之間形成的磁場是不均勻的。 電路部分包括了兩個可動線圈。 兩個線圈相交成固定的交角， 連同指針固定在同一轉軸上。 兆歐表刻度的基本單位是兆歐（M）。 第 12 章電工儀表 圖12-24 磁電式比率表結構示意圖(a) 帶缺口的鐵芯; (b) 橢圓形鐵芯 第 12 章電工儀表12.5.2 工作原理兆歐表的電路圖如圖12-25所示。 兆歐表有三個接線端： “線”端、 “地”端和“屏”端。 第 12 章電工儀表 圖12-25 兆歐表電路圖 第 12 章電

37、工儀表測量時， 將被測電阻Rx接在線端和地端之間， 形成兩個電流回路。 一個電流回路是從發(fā)電機電源正端， 經被測電阻Rx、 限流電阻RA、 可動線圈 1 回到電源負端。 此電流回路電流為 I1， 即 AX RR UI 1（12-26） 在磁場中， 電流 I1產生電磁轉矩T1。 第 12 章電工儀表另一個回路是從發(fā)電機電源正端， 經限流電阻RV、 可動線圈2回到電源負端的。 此電路的電流為 I2， 即 vRUI 2（12-27）可動線圈2也產生電磁轉矩T2。 第 12 章電工儀表可動線圈1和2繞制時， 使其轉矩T1和T2方向相反。 一個作為轉動力矩， 另一個作為反作用力矩， 且不均勻的磁場分布使

38、得轉矩達到平衡時， 指針偏轉角由兩個可動線圈中的電流比所決定， 這是磁電式比率表的基本原理。 由 21IIK（12-28）可知Ax vv Ax RR RKRU RRUK （12-30） 第 12 章電工儀表12.5.3 兆歐表的使用1. 兆歐表的選擇測量時應根據電氣設備的電壓等級和絕緣電阻的測量范圍來進行兆歐表的選擇。 如果電氣設備的電壓等級低于兆歐表的電壓等級， 兆歐表的高電壓有可能損壞電氣設備的絕緣。 如果電氣設備的電壓等級高于兆歐表的電壓等級， 則測量出的阻值將無法反映高壓時真實的絕緣電阻值。 第 12 章電工儀表應保證電氣設備的絕緣電阻值落在兆歐表的測量范圍以內。 比如， 額定電壓為3

39、80 V的籠型異步電動機的對地絕緣電阻最低值為0.5 M， 應選擇以0 M為起始刻度的兆歐表，不可以選擇起始刻度為1 M的兆歐表， 否則無法測量出正確的絕緣電阻值。 第 12 章電工儀表2 兆歐表的用前檢查在使用兆歐表之前須對兆歐表進行檢查。 首先， 檢查兆歐表的外觀是否完好， 端子、 搖柄、 表頭是否完好， 測試用的導線是否完好。 其次， 對兆歐表進行開路試驗。 將線端和地端開路， 搖動手柄， 使發(fā)電機的轉速達到標準轉速120 r/min， 指針應指在處。 第 12 章電工儀表3 測量過程中的注意事項 （1） 絕緣電阻的測量必須在電氣設備不帶電的情況下進行。 對于大電感或含有大電容的設備，

40、斷電后需充分放電后方可測量。 第 12 章電工儀表（2） 如果測量電路中的絕緣電阻， 須將被測電阻接在線端與地端之間。 如果測量電機某一相的絕緣電阻， 須將線端接被測相， 地端接電機的機座。 如果測量電纜的絕緣電阻， 須將線端接電纜的纜芯， 地端接電纜外皮， 屏端接電纜內層絕緣物。 （3） 兆歐表須水平放置， 進行手搖測量， 一般使轉速達到120 r/min， 等待1 min后讀數。如果被測物的電容較大， 應等到指針穩(wěn)定不變時讀數。 第 12 章電工儀表12.6 電 橋直流單臂電橋適合測量中值電阻， 測量范圍為1106 ； 直流雙臂電橋適合測量低值電阻， 測量范圍為106101 。 交流電橋常

41、用來精確測量電容、 電感和電阻等電參數。 12.6.1 直流單臂電橋 直流單臂電橋又稱為惠斯登電橋， 其外形如圖12-26所示。 第 12 章電工儀表 圖12-26 直流電橋（a） 面板圖; （b） 外形圖 第 12 章電工儀表1 工作原理直流單臂電橋的原理圖如圖12-27所示。 被測電阻Rx與已知電阻R2、 R3、R4連接成四邊形， 稱為電橋的四個橋臂。 在電橋的一個對角線上接入一個檢流計， 稱為“橋”， 在電橋的另一個對角線上接入直流電源和限流電阻R， 稱為電橋的“電源對角線”。 第 12 章電工儀表 圖12-27 惠斯登電橋原理圖 第 12 章電工儀表當電源接通后， 調節(jié)橋臂電阻R2、R

42、3、R4的阻值。 當c、d兩點的電位不相等時，橋路中的電流 Ig0， 檢流計指針偏轉。 當c、d兩點的電位相等時， Ucd=0， 檢流橋路中的電流 Ig=0， 檢流計指針不偏轉， 電橋處于平衡狀態(tài)， 有 342 RRRRx 第 12 章電工儀表即4432 KRRRRRx （12-30）式中， 電阻R2、 R3是電橋的比率臂， R4是比較臂， Rx是待測臂。 可見， 待測電阻的阻值由比率值K和電阻R4決定。 比率值K常為10 n， 電阻R4常為從零連續(xù)可調的電阻。 實際電橋中， 已將比率值K和電阻R4作成了讀數盤， 方便使用。 第 12 章電工儀表2 測量過程（1） 測量前， 首先將檢流計的鎖扣

43、打開， 并調節(jié)調零旋鈕， 使指針指在零位； 將被測電阻接入電橋的測量端鈕。 （2） 根據萬用表粗測的結果， 選擇比率臂和比較臂。 原則是盡可能地將比較臂的四個可調電阻全部利用起來， 這樣可以提高測量精度。 （3） 按下電源按鈕， 接通電源。 第 12 章電工儀表（4） 輕按檢流計的粗調按鈕， 觀察檢流計指針的偏轉方向和幅度。 如果偏轉幅度超出允許范圍， 應立即松開粗調按鈕。 如果偏轉幅度在允許范圍內， 則根據檢流計指針的偏轉方向調節(jié)比較臂的電阻。 如果指針向“+”方向偏轉， 應增加比較臂的電阻； 反之， 減小比較臂的電阻。 反復調節(jié)比較臂電阻， 直至檢流計指針指向零位。 調節(jié)比較臂時， 應每調

44、節(jié)一次電阻值， 按一次粗調按鈕， 檢測一次； 直到檢流計的偏轉較小時， 才可按死粗調按鈕。 第 12 章電工儀表（5） 輕按檢流計的細調按鈕。 反復調節(jié)比較臂電阻， 直至檢流計指針指向零位。 方法與步驟（4）相同。 當電橋處于平衡狀態(tài)時， 讀出比率臂和比較臂的數值， 求得被測電阻Rx=比率臂讀數比較臂讀數之和。 （6） 讀數完畢后， 依次松開細調按鈕、 粗調按鈕、 電源按鈕， 再拆下被測電阻， 最后將檢流計鎖扣鎖上。 如果檢流計沒有鎖扣， 需將G按鈕松開， 以保護檢流計不受振動而損壞。 第 12 章電工儀表12.6.2 直流雙臂電橋電氣測量中常需要測量阻值在1 以下的小電阻， 比如電機繞組電阻

45、、 變壓器的繞組電阻和分流器電阻等。 如果使用直流單臂電橋進行測量， 引線電阻和接觸電阻會對測量產生影響， 造成較大的測量誤差。 直流雙臂電橋的電路結構可以減小引線和接觸電阻引起的誤差。所以， 這種電橋常用于測量小電阻。 直流雙臂電橋又稱為凱爾文電橋， 如圖12-28所示。 第 12 章電工儀表 圖12-28 QJ44型直流雙臂電橋外形 第 12 章電工儀表1 工作原理直流雙臂電橋的原理電路如圖12-29所示。 其中RP3、 RP3、 RP4、 RP4是橋臂電阻；RP3和RP3、 RP4和RP4是機械聯動的， 在調節(jié)過程中。 R是跨接電阻， 阻值很小。 Rx和RN分別是被測電阻和標準電阻， 這

46、兩個電阻都為四個引出端的電阻。 圖中， P 1、P2和P3、P4分別為這兩個電阻的電位端子。 /44/33 RPRPRPRP RRRR 第 12 章電工儀表C1、C2和C3、C4分別為這兩個電阻的電流端子。 雙臂電橋將電位端子的接線電阻和引線電阻接到電阻值較高的RP3、 RP4和 RP3、 RP4的支路中； 將電流端子的接線電阻和引線電阻接入電源支路和跨線電阻支路中， 從而利用對稱連接消除了接線電阻和引線電阻對測量的影響。 第 12 章電工儀表 圖12-29 凱爾文電橋的原理電路 第 12 章電工儀表直流雙臂電橋的平衡條件為XNRPRP RRRR 43被測電阻為NRPRPX RRRR 34（1

47、2-31） 第 12 章電工儀表2. 注意事項 （1） 直流雙臂電橋的測量過程與直流單臂電橋基本相同。 （2） 被測電阻為四端電阻， 一般電阻外側的兩個引線為電流端， 電阻內側的兩條引線為電位端。 如果電阻自身沒有電位端和電流端， 需自行引出， 如圖12-30所示。（3） 由于直流雙臂電橋電路中的電阻都是小電阻， 所以工作電流很大， 需用大容量的電源。 如果使用電池供電， 操作速度要快； 測量結束時要立即關閉電源開關， 以防電池耗盡。 第 12 章電工儀表 圖12-30 電位端子和電流端子示意圖 第 12 章電工儀表12.6.3 交流電橋交流電橋常用來測量電阻、 電容和電感等參數， 又稱為萬能

48、電橋， 外形如圖12-31所示。 工作原理與直流電橋的工作原理相同， 交流電橋也將被測參數與標準參數（電容、 電感、 電阻）接入電橋進行比較， 調整標準參數使電橋處于平衡狀態(tài)， 根據此時標準參數的數值求出被測參數的數值。 第 12 章電工儀表 圖12-31 QS18A萬能電橋外形 第 12 章電工儀表交流電橋由三部分組成： 橋體、 電源和指零儀。 橋體由可調電阻RA、 RB、 Rs、 固定電阻Rc（100 ）和固定標準電容Cs（0.1 F）組成。 RA對應面板上的“量程選擇”旋鈕， RB對應面板上的“讀數”旋鈕， Rs對應面板上的“損耗平衡”旋鈕。 交流電橋采用兩種電源： 一種是測量高阻值電阻

49、時使用的9 V直流電源； 一種是測量電容和電感時使用的1 kHz交流電源。 指零計大多采用配備晶體管放大器的磁電式儀表。 第 12 章電工儀表1 電容的測量電容的測量電路如圖12-32所示， 此電路稱為維恩電橋。 圖12-32 維恩電橋的原理電路 第 12 章電工儀表維恩電橋的平衡條件為AssBxx RCRRCR )1j()1j( 被測電容量 sBBx CRRC （12-32） 第 12 章電工儀表被測電容的內部電阻sBAx RRRR （12-33）電容的損耗因數 D = tan=CsRs （12-34） 電容測量方法如下： 測量電容時， 將測量選擇開關置于“C”位置。 接入被測電容。 首先調

50、整“量程”開關， 將它置于合適的位置。 第 12 章電工儀表然后設置損耗倍率開關。 如果測量一般電容器， “損耗倍率”開關置于D0.01擋； 如果測量電解電容， “損耗倍率”開關置于D1擋。 “損耗平衡”開關置于1左右的位置， 將“損耗微調”旋鈕逆時針旋轉到底。 將“靈敏度旋鈕”順時針旋轉， 逐步增大， 使得表針的偏轉略小于滿刻度。 然后反復調整“讀數”、 “損耗平衡”和“靈敏度”旋鈕至電橋處于平衡狀態(tài)。 電容值=量程開關指示值讀數盤指示值； 電容的損耗值D=損耗倍率開關指示值損耗平衡盤指示值。 第 12 章電工儀表2 電感的測量電感的測量電路如圖12-33所示。 此電路稱為麥克斯威電橋。 圖

51、12-33 麥克斯威電橋的原理電路 第 12 章電工儀表利用同樣的推導過程可寫出平衡條件表達式， 并求得待測電感參數如下： 被測電感量Lx=RARBCs （12-35）被測電感的內部電阻為 s BAx RRRR （12-36）電感的品質因數為ssxx RCRLQ （12-37） 第 12 章電工儀表電感的測量方法如下： 測量電感時， 將測量選擇開關置于“L”位置， 接入被測電感。 首先選擇合適的量程，然后根據電感的不同種類， 選擇合適的損耗倍率， 空芯線圈選擇Q1， 高Q值濾波線圈選擇D0.01。 疊片芯線圈應放在D1位置。 將“損耗平衡”開關置于1左右的位置， 將“損耗微調”旋鈕逆時針旋轉到

52、底。 將“靈敏度”旋鈕順時針旋轉， 逐步增大， 使得表針的偏轉略小于滿刻度。 第 12 章電工儀表然后反復調整“讀數”、 “損耗平衡”和“靈敏度”旋鈕至電橋處于平衡狀態(tài)。 電感值=量程開關指示值電橋的“讀數”值； 電感的品質因數Q=損耗倍率開關指示值損耗平衡盤指示值。 第 12 章電工儀表3 電阻的測量測量電阻的原理電路如圖12-34所示， 此測量電路為惠斯登電橋。 圖12-34 交流電橋測電阻的惠斯登電橋 第 12 章電工儀表電橋平衡時， 有BCAx RRRR （12-38）測量方法如下： 測量電阻時， 首先選擇適合的量程； 如果選擇1 和10 的量程， 交流電橋使用內部的1 kHz交流電源

53、； 如果選擇10010 M的量程， 交流電橋使用內部9 V直流電源。 再將測量選擇開關置于“R10”或“R10”擋。 反復調節(jié)“讀數”、 “靈敏度”旋鈕， 直至電橋平衡。 被測電阻=量程開關指示值讀數盤指示值。 第 12 章電工儀表本 章 小 結電工儀表按被測量的種類分為電流表、 電壓表、 功率表、 電度表、 功率因數表、 歐姆表、兆歐表等， 按工作原理可分為磁電式儀表、 電磁式儀表、 電動式儀表和整流式儀表。 按被測電流的種類分為直流儀表、 交流儀表和交直流兩用儀表。 電工儀表的準確度是根據儀表的最大引用誤差來分級的， 儀表標注的準確度數值越大， 其精度就越低。 第 12 章電工儀表電工儀表

54、由測量裝置和測量電路兩部分組成。 測量電路的作用是將被測電量以合適的比例轉換成的適當的電磁信號（電流、 磁場等），提供給測量裝置。 測量裝置由驅動裝置、 反作用裝置和阻尼裝置三部分組成。 第 12 章電工儀表磁電式儀表由永久磁鐵產生磁場， 線圈通入被測直流電流， 指針受力產生穩(wěn)定的偏轉。優(yōu)點是刻度均勻， 靈敏度和準確度高， 消耗電能量少。 缺點是只能測量直流電壓、 直流電流和電阻等， 過載能力小。 第 12 章電工儀表電磁式儀表的線圈通電后， 固定鐵片和可動鐵片同時被磁化， 鐵片間的相互作用力使可動鐵片轉動， 指針偏轉與被測電流的平方成正比。 優(yōu)點是結構簡單， 價格低廉， 能測量較大的電流，

55、既可測量交流， 也能測量直流。 缺點是刻度不均勻， 易受外界磁場的影響， 準確度不高。 第 12 章電工儀表電動式儀表是利用兩個通電線圈之間的電動力來產生轉動力矩的。 在直流電路中時， 其偏轉角度與相互作用的固定線圈和可動線圈中的電流乘積成正比； 在交流電路中時， 其偏轉角度與兩個電流有效值乘積成正比， 還與電流間的夾角余弦成正比。 電動式儀表刻度不均勻，適用于精密測量， 可以做成功率表、 交流電流或電壓表、 相位、 頻率表。 第 12 章電工儀表測量電流時應把電流表串接在被測電路中， 測量電壓時應將電壓表并接于被測電路兩端。 使用功率表時電流和電壓線圈都不允許超過量程， 還要注意把標有“”的

56、電流線圈和電壓線圈接在電源的同一側。 測量三相交流電路的功率可以采用一表法、 兩表法和三表法。 第 12 章電工儀表萬用電表是一種多用途、 多量程的便攜式儀表。 萬用電表由測量機構（稱為表頭）、 測量電路和轉換開關組成。 萬用電表可分為模擬式萬用電表和數字式萬用電表， 可以測量直流電流、 直流電壓、 交流電壓、 電阻、 晶體管的放大倍數、 電容、 電感、 頻率等。 兆歐表是用于測量各種電氣設備絕緣電阻的儀表， 由高壓手搖發(fā)電機、 磁電系比率表和測量線路和組成。 第 12 章電工儀表電橋是用來測量電阻、 電容和電感的儀器， 常分為直流電橋和交流電橋。 直流電橋又分為直流單臂電橋和直流雙臂電橋。 直流單臂電橋適合測量中值電阻； 直流雙臂電橋適合測量低值電阻。 交流電橋由橋臂（常為電阻或電容）、 檢流計和電源組成， 常用來精確測量電容、 電感和電阻等參數。