電工測量儀表的基本構(gòu)造、工作原理及主要用途
按照工作原理可將常用的直讀式儀表主要分為磁電式、電磁式和電動式等幾種。
直讀式儀表之所以能測量各種電量的基本原理，主要是利用儀表中通入電流后產(chǎn)生電磁作用，使可動部分受到轉(zhuǎn)矩而發(fā)生轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩與通入的電流之間存在著一D的關(guān)系
為了使儀表的可動部分的偏轉(zhuǎn)角
與被測量成一D比例，必須有一個與偏轉(zhuǎn)角成比例的阻轉(zhuǎn)矩TC來與動轉(zhuǎn)矩T相平衡，即
T=TC
這樣才能是儀表的可動部分平衡在一D位置，從而反映出被測量的大小。
此外，儀表的可動部分由于慣性的關(guān)系，當(dāng)儀表開始通電或被測量發(fā)生變化是，不能馬上達到平衡，而要在平衡位置附近經(jīng)過一D時間的振蕩才能靜止下來。為了使儀表的可動部分迅速靜止在平衡位置，以縮短測量時間，還需要有一個能產(chǎn)生制動力(阻尼力)的裝置，它稱為阻尼器。阻尼器只在指針轉(zhuǎn)動過程中才起作用。
在通常的直讀式儀表中主要是由上述三部分-——產(chǎn)生轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩的部分、產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩的部分和阻尼器組成的。
下面對磁電式(永磁式)、電磁式和電動式三種儀表的基本構(gòu)造、工作原理及主要用途加以討論。
1、磁電式儀表
磁電式儀表的構(gòu)造如圖8.1所示。它的固定部分包括馬蹄形永久磁鐵、極掌NS及圓柱形鐵心等。極掌與鐵心之間的空氣隙的長度是均勻的，其中產(chǎn)生均勻的輻射方向的磁場，如圖8.2所示。儀表的可動部分包括鋁框及線圈，前后兩根半軸O和O'，螺旋彈簧(或用張絲，張絲是由鈹青銅或錫鋅銅制成的彈性帶)及指針等。鋁框套在鉄心上，鋁框上繞有線圈，線圈的兩頭與連在半軸O上的兩個螺旋彈簧的一端相接，彈簧的另一端固定，以便將電流通入線圈。指針也固定在半軸O上。
當(dāng)線圈通過有電流I時，由于與空氣隙中磁場的相互作用，線圈的兩有效邊受到大小相等、方向相反的力，其方向(圖8.2)由左手定則確定，其大小為
式中，B為空氣隙中的磁感應(yīng)強度；
為線圈在磁場內(nèi)的有效長度；N為線圈的匝數(shù)。
 |  |
| 圖1 磁電式儀表 | 圖2 電磁式儀表的轉(zhuǎn)矩 |
如果線圈的寬度為b，則線圈所受得轉(zhuǎn)矩為
(1)
式中
，是一個比例常數(shù)。
在這轉(zhuǎn)矩的作用下，線圈和指針便轉(zhuǎn)動起來，同時螺旋彈簧被扭緊而產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩。彈簧的阻轉(zhuǎn)矩與指針的偏轉(zhuǎn)角α成正比，則
(2)
當(dāng)彈簧的阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩達到平衡時，可動部分便停止轉(zhuǎn)動。這時
(3)
即
(4)
由上式可知，指針偏轉(zhuǎn)的角度是與流經(jīng)線圈的電流成正比的，按此即可在標(biāo)度尺上作均勻刻度。當(dāng)線圈中無電流時，指針應(yīng)指在零的位置。如果不在零的位置，可用校正器進行調(diào)整。
磁電式儀表的阻尼作用是這樣產(chǎn)生的：當(dāng)線圈有通電流而發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，鋁框切割永久磁鐵的磁通，在框內(nèi)感應(yīng)出電流，這電流再與永久磁鐵的磁場作用，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動方向相反的制動力，于是儀表的可動部分就受到阻尼作用，迅速靜止在平衡位置。
這種儀表只能用來測量直流(如附加變換器，磁電式儀表可以測量交流，如整流式儀表)，如通入交流電流，則可動部分由于慣性較大，將趕不上電流與轉(zhuǎn)矩的迅速交變而靜止不動。也就是說，可動部分的偏轉(zhuǎn)是決定于平均轉(zhuǎn)矩的，而不是決定于瞬時轉(zhuǎn)矩。在交流的情況下，這種儀表的轉(zhuǎn)矩的平均值為零。
磁電式儀表的優(yōu)點是：刻度均勻；靈敏度和準(zhǔn)確度高；阻尼強；消耗電能量少；由于儀表本身的磁場強，所以受外界磁場的影響很小。這種儀表的缺點是：只能測量直流；價格較高；由于電流須流經(jīng)螺旋彈簧，因此不能承受較大過載，否則將引起彈簧過熱，使彈性減弱，甚至被燒毀。
磁電式儀表常用來測量直流電壓、直流電流及電阻等。
2、電磁式儀表
 |
圖3 推斥式電磁式儀表 |
電磁式儀表常采用推斥式的構(gòu)造，如圖3所示。它主要部分是固定的圓形線圈、線圈內(nèi)部固定鐵片、固定在轉(zhuǎn)軸上的可動鐵片。當(dāng)線圈中通有電流時，產(chǎn)生磁場，兩鐵片均被磁化，同一端磁性是相同的，因而互相推斥，可動鐵片因受斥力而帶動指針偏轉(zhuǎn)。（http://www.diangon.com/版權(quán)所有）在線圈通有交流電流的情況下，由于兩鐵片的極性同時改變，所以仍然產(chǎn)生推斥力。
可以近似地認(rèn)為，作用在鐵片上的吸力或儀表的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩是和通入線圈的電流的平方成正比的。在通入直流電流I的情況下，儀表的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩為
T=klI2(5)
在通入交流電流
時，儀表可動部分的偏轉(zhuǎn)決定于平均轉(zhuǎn)矩，它和交流電流有效值I的平方成正比，即
T=klI2(6)
和磁電轉(zhuǎn)矩儀表一樣，產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)矩的也是連在轉(zhuǎn)軸上得螺旋彈簧。和式(2)一樣，
TC=k2а
當(dāng)阻轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩達到平衡時，可動部分即停止轉(zhuǎn)動。這時
即
(7)
由上式可知，指針的偏轉(zhuǎn)角與直流電流或交流電流有效值的平方成正比，所以刻度是不均勻的。
在這種儀表中產(chǎn)生阻尼力的是空氣阻尼器。起阻尼作用是由與轉(zhuǎn)軸相連的活塞在小室中移動而產(chǎn)生的。
電磁式儀表的優(yōu)點是：構(gòu)造簡單；價格低廉；可用于交直流；能測量較大電流和允許較大的過載(因為電流只經(jīng)過固定線圈，不像磁電式儀表那樣要經(jīng)過螺旋彈簧，線圈導(dǎo)線的截面積可以較大)。其缺點是：刻度不均勻；易受外界磁場(本身磁場很弱)及鐵片中磁滯和渦流(測量交流時)的影響，因此準(zhǔn)確度不高。
這種儀表常用來測量交流電壓和電流。
3、電動式儀表
電動式儀表的構(gòu)造如圖4所示。它有兩個線圈：固定線圈和可動線圈。后者與指針及空氣阻尼器的活塞都固定在轉(zhuǎn)軸上。和磁電式儀表一樣，可動線圈中的電流也是通過螺旋彈簧引入的。
當(dāng)固定線圈通有電流I1時，在其內(nèi)部產(chǎn)生磁場(磁感應(yīng)強度為B1)，可動線圈中的電流I2與此磁場相互作用，產(chǎn)生大小相等、方向相反的兩個力(圖5)，其大小則與磁感應(yīng)強度B1和電流I2的乘積成正比。而B1可以認(rèn)為是與電流I1成正比的，所以作用在可動線圈上的力或儀表的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩與兩線圈中的電流I1和I2的乘積成正比，即
T=k1I1I2(8)
在這轉(zhuǎn)矩的作用下，可動線圈和指針邊發(fā)生偏轉(zhuǎn)。任何一個線圈中的電流的方向改變，指針偏轉(zhuǎn)的方向就隨著改變。兩個線圈中的電流的方向同時改變，偏轉(zhuǎn)的方向不變。因此，電動式儀表也可用于交流電路。
 |  |
| 圖4 電動式儀表 | 圖5 電動式儀表的轉(zhuǎn)矩 |
當(dāng)線圈中通入交流電流
和
時，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩的瞬時值即與兩個電流的瞬時值的乘積成正比。但儀表可動部分的偏轉(zhuǎn)是決定于平均轉(zhuǎn)矩的，即
(9)
式中，I1和I2是交流電流i1和i2之間的有效值；
是
和
之間的相位差。
當(dāng)螺旋彈簧產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩TC=k2α與轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩達到平衡時，可動部分便停止轉(zhuǎn)動。這時
T=TC
即
(直流) (10)
或
(交流) (11)
電動式儀表的優(yōu)點是適用于交直流，同時由于沒有鐵心(也有置以鐵心的，以增強儀表本身的磁場，稱為磁鐵電動式儀表)，所以準(zhǔn)確度較高。其缺點是受外界磁場的影響大(本身的磁場很弱)，不能承受較大過載(理由見磁電式儀表)。
電動式儀表可用在交流或直流電路中測量電流、電壓及功率等。
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