1、第三章 電磁系儀表 第一節 電磁系儀表的結構和工作原理 一、吸引型電磁系儀表的結構和工作原理 二、排斥型電磁系儀表的結構和工作原理 三、電磁式儀表的刻度特性 四、電磁系儀表的技術性能第二節 電磁系儀表的誤差及防御措施 一、外磁場誤差 二、電磁系儀表的磁滯誤差 三、電磁系儀表的頻率誤差 四、 電磁系儀表的特點 第三節 電磁系電流表和電壓表 一、電磁系電流表 二、電磁系電壓表第四節 電磁系儀表的常見故障及其消除方法思考題第三章 電磁系儀表 要對交流電進行測量，必須克服磁電系儀表在交流電作用下，轉動力矩的大小和方向周期性地改變因而無法讀數的矛盾。為了解決這個矛盾，人們采用了很多方法，歸納起來，可以分

2、為兩個方面：一個方面是從測量電路入手，即將被測交流電量通過某一“變換器”交換成磁電系測量機構可以測量的直流電量，如萬用表中所介紹的測量交流電壓的整流式儀表的電路就屬于這種類型；另一方面是從改變測量機構入手，即采用和磁電系儀表結構不同的新的測量機構，使其轉動力矩的平均值能反映出交流電流（或電壓）的大小，電磁系儀表屬于這類型的儀表。電磁系儀表是測量交流電壓與交流電流的最常用的一種儀表，它具有結構簡單、過載能力強、造價低廉以及交、直流兩用等一系列優點，在實驗室和工程儀表中應用十分廣泛。特別是開關板式交流電流表和電壓表，一般都采用電磁系儀表。本章將介紹電磁系儀表的結構、工作原理和技術特性，并簡單介紹電

3、磁系儀表的常見故障及其消除方法。第一節 電磁系儀表的結構和工作原理 電磁系儀表的結構形式最常見的一般有兩種：一種為吸引型（又稱吸入型或扁線圈外置式）結構；另一種為排斥型（又稱推斥型或圓線圈內置式）結構。 一、吸引型電磁系儀表的結構和工作原理 吸引型電磁系儀表的結構如圖31所示。 吸引型電磁系儀表由固定線圈1和偏心地裝在轉動軸上的鐵片2所組成，它的轉動部分除鐵片2外，還有指針3，磁感應阻尼器的扇型鋁片4及產生反作用力矩的游絲5。鋁片4可以在作阻尼用的永久磁鐵6的空隙中轉動。為了防止線圈1受到永久磁鐵6的影響，在永久磁鐵前加一塊鋼質的磁屏，如圖31中7所示。 吸引型的電磁系儀表的工作原理如圖32所

4、示。 當電流通過線圈時，在線圈的附近就有磁場存在（磁場的方向可由右螺旋定則確定），在線圈的兩端就呈現磁性，使可動鐵片被磁化，如圖32（a），結果對鐵片產生吸引力，從而產生轉動力矩，使指針發生偏轉。當轉動力矩與游絲產生的反作用力矩相平衡時，指針便穩定在某一位置，從而指示出被測電流（或電壓）的數值來。圖31 吸引型電磁系儀表的結構1固定線圈；2動鐵片；3指針；4扇型鋁片；5游絲；6永久磁鐵；7磁屏由此可見，吸引型電磁系儀表是利用通有電流線圈的磁場對鐵片的吸引力來產生轉動力矩。當線圈中的電流方向改變時，線圈所產生的磁場的極性，被磁化的鐵片的極性也隨著改變，如圖32（b），因此它們之間的作用力仍然是吸

5、引的，即活動部分轉動力矩的方向仍保持原來的方向，所以指針偏轉的方向也不會改變。可見，這種吸引型的電磁系儀表可以應用在交流電路中。 電磁系儀表的阻尼器通常有“磁感應阻尼器”和“空氣阻尼器”兩種，這里我們先介紹磁感應阻尼器。圖33（a）說明了“磁感應阻尼器”的原理。當金屬片在作為阻尼用的永久磁鐵的氣隙中運動切割磁力線時，我們可以將金屬片想象分為許多金屬細絲，運用電磁感應定律（或右手定則）可以判斷出：當這些金屬細絲切割磁力線B時，在金屬片中將有感應電流 產生，感應電流 的方向如圖33圖32 吸引型電磁系儀表的工作原理圖33 磁感應阻尼器(a)磁感應阻尼器的工作原理 (b)磁感應阻尼器的一種結構（a）

6、中的虛線所示。而這感應電流 與永久磁鐵的磁場又相互作用，由此產生電磁力 ，其方向可根據左手定則加以判斷。從圖33（a）可知電磁力 的方向剛好是和金屬片運動方向相反，因此起到了阻尼作用。 在圖31的吸引型的電磁系儀表的結構中，當鐵片2轉動時，通過轉軸，使鋁片4也在永久磁鐵6的空隙中轉動，由于鋁片切割永久磁鐵的磁力線，而在鋁片中產生了渦流，這渦流和永久磁鐵的磁場相互作用便產生阻礙鋁片運動的阻尼力矩。磁感應阻尼器也可以做成其它不同的型式，圖33（b）就是它的結構的一種，但其基本原理是類似的。 圖34采用空氣阻尼器的吸引型電磁系儀表的結構圖，其阻尼作用是由與轉軸相連的活塞4在小室中移動產生的。 二、排

7、斥型電磁系儀表的結構和工作原理 排斥型電磁系儀表的結構如圖35所示。 它的固定部分包括固定線圈1和線圈內側的固定鐵片2，可動部分包括固定在轉軸上的可動鐵片3、游絲4和指針5，圖中的6為一固定在軸上的空氣阻尼器的翼片，它放置在不完全封閉的扇形阻尼箱內。當指針在平衡位置擺動時，翼片也隨著在阻尼箱內擺動，由于箱內空氣對翼片的擺動起阻礙作用，使擺動很快地停止下來。 圖34 吸引型空氣阻尼器式電磁系儀表1固定線圈；2可動鐵片；3小室；4活塞；5螺旋彈簧；6游絲；7指針 當固定線圈通過電流時，電流的磁場使得固定鐵片2和可動鐵片3同時磁化，這兩個鐵片的同一側是同性的磁極，如圖36（a）所示。同性磁極間相互排

8、斥，使可動部分轉動，當轉動力矩與游絲產生的反作用力矩相等時，指針就取得了這一平衡位置，從而指出被測量的數值來。當通過固定線圈的電流方向改變時 ，則它所建立的磁場方向也隨著同時改變，如圖36（b）所示，因此兩個鐵片仍然互相排斥，轉動力矩的方向保持不變。也就說，儀表可動部分的偏轉方向不隨電流方向的改變而改變，因此它同樣可以應用于交流電路的測量。圖36 排斥型電磁系儀表中鐵片的磁化情況 圖35 排斥型電磁系儀表的結構1固定線圈；2線圈內側的固定鐵片；3可動鐵片；4游絲； 5指針；6空氣阻尼器的翼片 三、電磁式儀表的刻度特性 不論是吸引型還是排斥型的電磁式儀表，當通過固定線圈的電流增大時，作用于可動部

9、分的轉動力矩會增大。通過數學分析可以證明，當直流電流通過固定線圈時，電磁系測量機構的轉動力矩M是與電流I的平方有關的。即： （式3-1） 式中 是固定線圈的安匝數， 是個系數，但它不是一個常數，而是與活動部分所處位置，即與有關，并決定于線圈、鐵片的形狀、大小和材料等因素。為什么磁電系儀表的轉動力矩是與被測電流I的一次方有關，而電磁系儀表則是與電流I的平方有關呢？這是由于前者的磁場是由永久磁鐵產生的，是恒定的，所以由電磁力公式 便可以明顯地看出F 與I的一次方成正比例。而電磁系儀表的磁場則是由被測電流I通過固定線圈產生的，如果我們忽略鐵磁物質的影響，則可以認為，當電流增大一倍時，空間各點的磁場的

10、磁感應強度 也會增大一倍。以圖31的吸引型電磁系儀表為例，我們不難想象，此時被磁化的鐵片2的磁性也會相應增大（當然不一定是一倍）。因此可以相信，磁場與鐵片之間相互作用的電磁力，便不應當是與電流I的一次方有關，而是與電流I的二次方有關了，對于圖34的排斥型的電磁系儀表也可以用類似的方法進行推理。 為什么系數 不是一個常數，而是一個與活動部分偏轉有關的變系呢？這是因為當鐵片和線圈的相對位置改變時，磁場的分布也會改變，因此 不能保持恒定不變，而是一個與有關的變數。 下面先推導力矩表達式。 電磁系儀表的轉動力矩是靠通以被測電流的線圈對鐵片的吸引力產生的。下面分直流、交流兩種情況討論。 1)固定線圈通過

11、直流電的情況 從電工理論可知，線圈的磁場能量為 （式32）式中， 被測電流值； 線圈自感系數。 則線圈對鐵片的吸引力造成的力矩為 （式33）式中，是指針的偏轉角，上式表明，在直流電流的作用下，測量機構所受的力矩與電流 的平方成正比； 2)在交流電流中，線圈磁場能量為 （式34）式中， 為通過固定線圈的電流，有這個能量產生的力矩 為 （式35） 由于可動鐵片的慣性，可動部分的偏轉來不及跟著瞬時力矩變化，轉動力矩決定于瞬時轉矩在一個周期內的平均值。 式中， 是交流電流的有效值 ，上式可改寫為 （式36） 可以看出，式（33）和式（36）形式完全一樣，只是表達式中的 的意思有所不同，前者為直流電流，

12、后者為交流電流的有效值。 下面再討論偏轉角與電流的關系： 電磁系儀表的反作用力矩由游絲或螺旋彈簧產生，反抗力矩為 （式37） 當反作用力矩與電磁能量產生的力矩平衡時，活動部分就停止轉動，這時 ，有 （式38）式中 ，由（38）式可知，電磁系儀表指針的偏轉角與通過線圈的直流電流或交流電流有效值的平方成正比，所以標尺上的刻度是不均勻的。 如果 為常數，刻度具有平方率特征，即刻度前半部較密，而后半部較疏。 如果 不是常數，刻度與 的變化有關，如果適當選擇鐵片形狀，調節鐵片與線圈的相對位置，使被測電流較小時， 較大，而在被測電流大較的時， 較小，剛好能補償平方率的前密后疏缺點，使刻度比較均勻。如吸引型

13、電磁系儀表采用扇形鐵片，排斥型電磁系儀表采用梯形鐵片就是為了解決刻度不均勻的問題。 值得指出，上述討論對非正弦交流的情況同樣適用。因此電磁系儀表能用于非正弦交流電路中進行測量。 綜上所述，由于電磁系儀表的偏轉角是與被測電流I的平方成比例，其刻度特性是不均勻的，標度尺的刻度前松后緊，以致使其前面部分讀數很困難。為了盡可能地標度尺的刻度能夠均勻一些，儀表制造廠家采用了許多不同的設計方案，例如改變鐵片的形狀以及綜合采用“吸引”和“排斥”兩種型式等等，都可以收到一定效果。 四、電磁系儀表的技術性能 1.使用范圍 電磁系儀表既可用于測量直流，也可用于測量交流。因為可動鐵片受力方向與線圈電流方向無關，線圈

14、電流方向改變時，線圈磁極性和鐵心磁極性同時改變而保持受力方向不變，這是電磁系儀表特點之一。但是，還應該指出的是，電磁系儀表的可動鐵片在直流磁化下，會產生磁滯誤差，同一個被測量，在測量過程中會出現升降變差。用于交流時，由于渦流效應，其示值略小于直流，所以，電磁系儀表通常不做成交直流兩用。 2.電磁系儀表的主要技術特性有 1）儀表結構簡單，過載能力大，因為電磁系儀表的活動部分不通過電流。 2）電磁系儀表結構中的鐵磁物質(鐵片)存在著磁滯現象，會導致一定的誤差。 3）電磁系儀表是由固定線圈通過電流建立磁場的，若磁場太弱，則儀表的轉動力矩也會很小，無法使得活動部分發生偏轉，因此這種儀表用以建立磁場的線

15、圈的安匝數需達到一定的要求，所以使得它的靈敏度較磁電系儀表的靈敏度要低得多。當用作電流表時，由于要保證一定的安匝數，線圈匝數不能太少，使得內阻相應較大，當用作電壓表時，由于要保證線圈通過一定大小的電流，其相應的附加電阻不能太大，從而使得內阻又顯得過小。現在國產的電磁系電流表內部壓降約從幾十到幾百毫伏，電壓表內阻每伏幾十歐到百余歐。 4）電磁系儀表的本身磁場比較弱，外磁場對測量精度影響較大，即使采取了防御外磁場的措施，其受外磁場的影響還遠較磁電系儀表嚴重。 5）電磁系電壓表感抗較大，不適宜用于高頻電路的測量中。第二節 電磁系儀表的誤差及防御措施 一、外磁場誤差 電磁系儀表的磁場是由固定載流線圈所

16、建立的，整個磁路系統幾乎沒有鐵磁材料，電磁系儀表線圈磁場的工作氣隙大，磁阻大，因此儀表本身磁場相對比較弱，外磁場對測量結果的影響比較明顯，成了附加誤差的主要來源，僅是地磁（即由地心磁極在地球周圍空間形成的磁場）的影響，就可以造成1%的誤差，這種誤差叫做外磁場誤差。為了防御外磁場的影響，通常采用“磁屏蔽”或無定位結構的方法，來避免這種誤差。 1.磁屏蔽 磁屏蔽就是將測量機構置于用硅鋼片做成的圓筒形屏蔽罩里面。由于屏蔽罩的導磁率比空氣要高得多，外來磁場的磁通就將沿著屏蔽通過，只有很少部分進入到屏蔽罩內部的空間。為了更好地進行屏蔽，在準確度較高的儀表中往往采用雙層屏蔽如圖37，這是因為用兩層厚度為h

17、的屏蔽罩比用厚度為2 h的屏蔽罩的效果要好得多。有了磁屏蔽以后由于屏蔽中的渦流和磁滯效應，將引起附加誤差，采用性能較好的高導磁材料可以減小這方面的誤差。 2.無定位結構 無定位結構的儀表具有兩套結構完全相同但產生的磁場方向相反的線圈和鐵片，如圖38所示，當線圈內通過一個被測電流時，產生的兩個電磁力矩卻是相加的。如果此儀表放置在均勻外磁場中，不管外磁場的方向如何，當一個線圈的磁場被加強時，另一個線圈的磁場就必須會得到相同程度的削弱，因此外磁場的作用自相抵消，對儀表讀數沒有影響。 為什么叫“無定位結構”呢？因為如果沒有采取上述裝置時，電磁系儀表只有在線圈磁場與外磁場方向相互垂直時，外磁場的干擾作用

18、才能避免，而采取上述裝置以后，儀表位置可以隨意搬動，都不受外磁場的干擾，所以稱具有這種結構的儀表為“無定位”儀表。37 磁屏蔽的原理 圖38 無定位電磁系儀表結構 二、電磁系儀表的磁滯誤差 電磁系儀表的結構中包含有鐵磁物質(鐵片)，而鐵磁物質存在著磁滯現象，由此產生的誤差成為磁滯誤差。它一方面使得這種儀表的準確度降低，另一方面由于交直流下的磁化過程不同，使得交流的電磁系儀表不宜于在直流下應用。例如，按交流有效值刻度的儀表，拿去測量直流時，讀數不穩定，而且誤差很大(誤差一般可達10左右)。 三、電磁系儀表的頻率誤差 電磁系電壓表由于固定線圈的匝數較多，相應感抗較大，隨著頻率的變化，其感抗也將變化

19、，這樣在測量有效值相等而頻率不一樣的交流電時，測量值就不同，這就是頻率誤差。頻率越大，這種誤差就越大，因此電磁系儀表不適于高頻率電路的測量。 此外，雖然磁系儀表同樣能測量電流或電壓的有效值，但當非正弦交流電路中含有不可忽略的高次諧波時（因非正弦量可以用傅立葉級數展開，即可以展開成多次諧波分量的疊加），諧波頻率太高也會引起帶來較大誤差。 四、 電磁系儀表的特點 1)優點：結構簡單、造價低、過載能力強，交流、直流和非正弦電路都能用，并能直接用于大電流的測量。 2)缺點：靈敏度和準確度低、儀表本身消耗功率大、防外磁場能力弱、不宜用在高頻電路中。 電磁系儀表雖有一些缺點，但由于它結構簡單，過載能力強等

20、獨特優點，使得它得到了廣泛的應用。第三節 電磁系電流表和電壓表 利用電磁系測量機構可以構成電流表和電壓表。 一、電磁系電流表 電磁系電流表的固定線圈是用較粗的絕緣銅線繞成的，測量時可將表頭直接串聯在被測電路中。因為在電磁系的測量機構中，活動部分不需要通過電流，所以利用這種測量機構本身就能夠測量較大的電流。譬如我國生產的19T1A型開關板式電磁系電流表，本身所能直接測量的最大電流就可達200安培。電磁系電流表的量限越大，它的固定線圈的導線越粗，匝數越少。 多量程電磁系電流表通常是采用將固定線圈繞組分段的方法，然后利用兩個或幾個繞組的串、并聯來改變電流的量限。圖39所示的就是雙量限電流表改變量限示

21、意圖，它的固定線圈被分為兩個繞組（N1和N2）繞制，兩個繞組的匝數相等，設為N，導線截面的大小也一樣。這時兩個繞組串聯，電流量限為Im。當利用這兩個金屬片L分別連接A、B和C、D端鈕時，則兩個繞組并聯，電流量限被擴大一倍，為2Im。但不管利用哪個電流量限，當被測電流等于該電流量限時，在儀表內由固定線圈所產生的總安匝數是保持2Im不變的。 電磁系電流表的內阻一般都很大。這是因為要求固定線圈能產生較強的磁場，電磁系磁場大部分以空氣為介質，必須有足夠的安匝數，才能產生足夠的磁場和轉矩，一般要求200300安匝左右,在被測電流一定時就要增加匝數，這樣不免要加大內阻。對于毫安表，則線圈需要匝數更多，導線

22、線徑更細，內阻也就更大。為了減少軸承的摩擦誤差，也要增大測量機構的轉動力矩，也就是增加安匝數。正因為電磁系電流表的內阻比較大，所以不采用分流器來擴大量程。此外，值得注意的是各類型端鈕的位置也各有不同，使用時應細心識別。 二、電磁系電壓表 電磁系電壓表中的固定線圈是用較細的絕緣導線繞成的，為了獲得足夠大的磁場，它的匝數較電流表的匝數要多得多，這種電磁系電壓表與磁電系電壓表一樣，其中附有附加電阻，測量時電磁系電壓表與被測電路并聯，即跨接在被測電壓兩端。可以測量電壓，所以電磁系和磁電系一樣，可以直接作為電壓表使用。電磁系電壓表擴大量程一般也用串聯附加電阻辦法。但是電磁系電壓表一方面要保證足夠磁化力使儀表產生足夠的轉矩，另方面又希望盡量減少匝數，以防止頻率誤差。這樣就要求通過儀表的電流大，電壓表的內阻要小，通常每伏只有幾十歐，而磁電系能做到每伏幾千歐至幾百千歐。可見電磁系電壓表內阻小、表耗功率大。 圖310表示雙量限電磁系電壓表的原理電路圖，當使用端鈕“* ”與電磁系電壓表“150V”端鈕測量時，相應量限為150V，其附加電阻為Rfj1。當使用端鈕“*”與“300V”端鈕測量時，