电工测量仪表的基本构造、工作原理及主要用途

按照工作原理可将常用的直读式仪表主要分为磁电式、电磁式和电动式等几种。

直读式仪表之所以能测量各种电量的基本原理，主要是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存在着一定的关系

为了使仪表的可动部分的偏转角与被测量成一定比例，必须有一个与偏转角成比例的阻转矩TC来与动转矩T相平衡，即

T=T_C

这样才能是仪表的可动部分平衡在一定位置，从而反映出被测量的大小。

此外，仪表的可动部分由于惯性的关系，当仪表开始通电或被测量发生变化是，不能马上达到平衡，而要在平衡位置附近经过一定时间的振荡才能静止下来。为了使仪表的可动部分迅速静止在平衡位置，以缩短测量时间，还需要有一个能产生制动力(阻尼力)的装置，它称为阻尼器。阻尼器只在指针转动过程中才起作用。

在通常的直读式仪表中主要是由上述三部分-——产生转动转矩的部分、产生阻转矩的部分和阻尼器组成的。

下面对磁电式(永磁式)、电磁式和电动式三种仪表的基本构造、工作原理及主要用途加以讨论。

1、磁电式仪表

磁电式仪表的构造如图8.1所示。它的固定部分包括马蹄形永久磁铁、极掌NS及圆柱形铁心等。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，如图8.2所示。仪表的可动部分包括铝框及线圈，前后两根半轴O和O'，螺旋弹簧(或用张丝，张丝是由铍青铜或锡锌铜制成的弹性带)及指针等。铝框套在鉄心上，铝框上绕有线圈，线圈的两头与连在半轴O上的两个螺旋弹簧的一端相接，弹簧的另一端固定，以便将电流通入线圈。指针也固定在半轴O上。

当线圈通过有电流I时，由于与空气隙中磁场的相互作用，线圈的两有效边受到大小相等、方向相反的力，其方向(图8.2)由左手定则确定，其大小为

式中，B为空气隙中的磁感应强度；为线圈在磁场内的有效长度；N为线圈的匝数。

图1 磁电式仪表	图2 电磁式仪表的转矩

如果线圈的宽度为b，则线圈所受得转矩为

　　　(1)

式中，是一个比例常数。

在这转矩的作用下，线圈和指针便转动起来，同时螺旋弹簧被扭紧而产生阻转矩。弹簧的阻转矩与指针的偏转角α成正比，则

　　　(2)

当弹簧的阻转矩与转动转矩达到平衡时，可动部分便停止转动。这时

　　　(3)

即

　　　(4)

由上式可知，指针偏转的角度是与流经线圈的电流成正比的，按此即可在标度尺上作均匀刻度。当线圈中无电流时，指针应指在零的位置。如果不在零的位置，可用校正器进行调整。

磁电式仪表的阻尼作用是这样产生的：当线圈有通电流而发生偏转时，铝框切割永久磁铁的磁通，在框内感应出电流，这电流再与永久磁铁的磁场作用，产生与转动方向相反的制动力，于是仪表的可动部分就受到阻尼作用，迅速静止在平衡位置。

这种仪表只能用来测量直流(如附加变换器，磁电式仪表可以测量交流，如整流式仪表)，如通入交流电流，则可动部分由于惯性较大，将赶不上电流与转矩的迅速交变而静止不动。也就是说，可动部分的偏转是决定于平均转矩的，而不是决定于瞬时转矩。在交流的情况下，这种仪表的转矩的平均值为零。

磁电式仪表的优点是：刻度均匀；灵敏度和准确度高；阻尼强；消耗电能量少；由于仪表本身的磁场强，所以受外界磁场的影响很小。这种仪表的缺点是：只能测量直流；价格较高；由于电流须流经螺旋弹簧，因此不能承受较大过载，否则将引起弹簧过热，使弹性减弱，甚至被烧毁。

磁电式仪表常用来测量直流电压、直流电流及电阻等。

2、电磁式仪表

图3 推斥式电磁式仪表

电磁式仪表常采用推斥式的构造，如图3所示。它主要部分是固定的圆形线圈、线圈内部固定铁片、固定在转轴上的可动铁片。当线圈中通有电流时，产生磁场，两铁片均被磁化，同一端磁性是相同的，因而互相推斥，可动铁片因受斥力而带动指针偏转。（http://www.ippipp.com/版权所有）在线圈通有交流电流的情况下，由于两铁片的极性同时改变，所以仍然产生推斥力。

可以近似地认为，作用在铁片上的吸力或仪表的转动转矩是和通入线圈的电流的平方成正比的。在通入直流电流I的情况下，仪表的转动转矩为

T=k_lI²(5)

在通入交流电流时，仪表可动部分的偏转决定于平均转矩，它和交流电流有效值I的平方成正比，即

T=k_lI²(6)

和磁电转矩仪表一样，产生阻转矩的也是连在转轴上得螺旋弹簧。和式(2)一样，

T_C=k₂а

当阻转矩与转动转矩达到平衡时，可动部分即停止转动。这时

即

　　　(7)

由上式可知，指针的偏转角与直流电流或交流电流有效值的平方成正比，所以刻度是不均匀的。

在这种仪表中产生阻尼力的是空气阻尼器。起阻尼作用是由与转轴相连的活塞在小室中移动而产生的。

电磁式仪表的优点是：构造简单；价格低廉；可用于交直流；能测量较大电流和允许较大的过载(因为电流只经过固定线圈，不像磁电式仪表那样要经过螺旋弹簧，线圈导线的截面积可以较大)。其缺点是：刻度不均匀；易受外界磁场(本身磁场很弱)及铁片中磁滞和涡流(测量交流时)的影响，因此准确度不高。

这种仪表常用来测量交流电压和电流。

3、电动式仪表

电动式仪表的构造如图4所示。它有两个线圈：固定线圈和可动线圈。后者与指针及空气阻尼器的活塞都固定在转轴上。和磁电式仪表一样，可动线圈中的电流也是通过螺旋弹簧引入的。

当固定线圈通有电流I₁时，在其内部产生磁场(磁感应强度为B₁)，可动线圈中的电流I₂与此磁场相互作用，产生大小相等、方向相反的两个力(图5)，其大小则与磁感应强度B₁和电流I₂的乘积成正比。而B1可以认为是与电流I₁成正比的，所以作用在可动线圈上的力或仪表的转动转矩与两线圈中的电流I₁和I₂的乘积成正比，即

T=k₁I₁I₂(8)

在这转矩的作用下，可动线圈和指针边发生偏转。任何一个线圈中的电流的方向改变，指针偏转的方向就随着改变。两个线圈中的电流的方向同时改变，偏转的方向不变。因此，电动式仪表也可用于交流电路。

图4 电动式仪表	图5 电动式仪表的转矩

当线圈中通入交流电流和时，转动转矩的瞬时值即与两个电流的瞬时值的乘积成正比。但仪表可动部分的偏转是决定于平均转矩的，即

　　　(9)

式中，I₁和I₂是交流电流i₁和i₂之间的有效值；是和之间的相位差。

当螺旋弹簧产生的阻转矩T_C=k₂α与转动转矩达到平衡时，可动部分便停止转动。这时

T=T_C

即

(直流)　　　(10)

或

(交流)　　　(11)

电动式仪表的优点是适用于交直流，同时由于没有铁心(也有置以铁心的，以增强仪表本身的磁场，称为磁铁电动式仪表)，所以准确度较高。其缺点是受外界磁场的影响大(本身的磁场很弱)，不能承受较大过载(理由见磁电式仪表)。

电动式仪表可用在交流或直流电路中测量电流、电压及功率等。