直流电压和电流的测量

3．3．2　直流电压和电流的测量

1）用磁电系仪表直接测量

（1）磁电系测量机构

磁电系仪表常被用于直流电路中测量电流和电压；加上整流器后可以用来测量交流电流和电压；与变换器配合可以测量多种非电量；采用特殊结构可以构成检流计，用来测量极其微小的电流。

磁电系测量机构是磁电系仪表的核心，其结构图如图3．11所示，它包括固定部分和可动部分。固定部分包括永久磁铁、极掌和圆柱形铁心，构成固定的磁路；可动部分包括铝框、线圈、游丝、转轴、指针等。固定部分的作用是在铁心和极掌的气隙中产生均匀辐射的磁场。铝框的作用是用来产生阻尼力矩；线圈的作用是在其通电后与磁场相互作用产生转动力矩；游丝的作用是产生反作用力矩，同时又将电流引入线圈。

图3．11　磁电系测量机构

①转动力矩

在磁电系测量机构中，当位于磁场中的线圈通入电流时，线圈与磁场相互作用产生电磁力。电磁力的大小为：

式中：B为气隙中的磁感应强度；a为线圈的有效长度；I为通入线圈的电流；N为线圈的匝数。

电磁力的方向由左手定则确定。因为线圈两边所受电磁力的大小相等、方向相反，所以两个电磁力形成一个转矩，即转动力矩：

式中：b为线圈的有效宽度。

因B、N、a和b均为已知，令

K＝BabN

则

可见，磁电系测量机构的转动力矩与通过线圈的电流成正比。电流越大，产生的转动力矩也越大。

②反作用力矩

反作用力矩由游丝产生，游丝的一端与线圈相连，另一端固定在支架上，当线圈发生偏转时，使游丝变形，产生了反抗转动力矩的反作用力矩，反作用力矩的大小与指针的偏转角成正比，即

式中：D为弹簧系数，它的大小取决于游丝的材料、尺寸、形状等因素；α为指针的偏转角。

当反作用力矩与转动力矩相等时，指针停留在平衡点，有

M＝M_α

即

KI＝Dα

得

式中：S_I为常数，称为测量机构的电流灵敏度，它表示单位电流引起的测量机构可动部分的偏转，也反映测量机构对最小电流的分辨能力。

③阻尼力矩

仪表指针在平衡位置左右摆动将影响测量速度，为了缩短摆动时间，以便尽快地读取测量结果，必须在仪表中装设一个能吸收可动部分动能的装置，这种装置称为阻尼器。磁电系测量机构的阻尼力矩属于电磁力矩，铝框左右两边所受的电磁力大小相等、方向相反，从而形成力矩，这个力矩与转动力矩的方向相反，对转动力矩起阻碍作用。当指针稳定在平衡点时，铝框中的电流消失，阻尼力矩也就不存在了。由于阻尼力矩只有在指针偏转过程中存在，因此，它不影响转动力矩和反作用力矩的平衡。

（2）磁电系电流表

①单量程电流表

由于磁电系测量机构的指针偏转角与通过线圈的电流成正比，因此，它可以用来测量电流。当被测电流不超过表头灵敏度时，可以用表头直接测量；当被测电流超过表头灵敏度时，可以在表头两端并联一个分流电阻，如图3．12所示，此时测量的电流只是被测电流的一部分，流过表头的电流为：

图3．12　单量程电流表电路

图3．13　闭路式多量程电流表电路

确定R_s以后，流过表头的电流与被测电流成比例关系。如果在表头的刻度尺上按照满量程为I刻度，则成为一只量程为I的电流表。分流器多由电阻系数高、温度系数低的锰铜制成。量程在50A以下的安培表，分流器采用内附分流器；测量100A以上的大电流，考虑散热和分流器体积较大等因素，采用外附分流器。

②多量程电流表

一般情况下，电流表都设计成多量程的，以提高表头的利用率。多量程电流表有两种形式：一种是开路式；另一种是闭路式，大多数多量程电流表均采用这种结构。一个三量程电流表的电路如图3．13所示。

当量程为I₃时，分流电阻为R₁＋R₂＋R₃，如果把R₁＋R₂＋R₃看成一个电阻，这与单量程电流表一样，根据

可以求出R₁＋R₂＋R₃；当量程为I₂时，分流电阻为R₁＋R₂，此时R₃与表头串联，根据

可以求出R₁＋R₂，即可求出R₃；当量程为I₁时，分流电阻为R₁，此时R₂＋R₃与表头串联，根据

可以求出R₁，再根据式（3．43）可以求出R₂。

③电流表使用注意事项

电流表必须串入电路中；注意电流表的极性，要求电流从电流表的“＋”端流入，从“－”端流出；正确选择仪表的量程，测量时尽量使指针在半偏以上；选择内阻合适的仪表，希望电流表内阻越小越好；使用前应检查指针是否在零位，若不在应调零。

（3）磁电系电压表

①单量程电压表

在表头两端加一电压，将有电流流过表头，指针的偏转角与流过表头的电流成正比，由于表头的内阻是不变的，因此，指针的偏转角也与表头两端的电压成正比。如果将表头的标度尺按照电压单位刻度，就成为电压表。表头两端能够承受的电压很小，当被测电压超过表头两端能够承受的电压时，需要用分压电阻与表头串联来扩大量程。如图3．14所示。

图3．14　单量程电压表电路

图3．15　多量程电压表电路

分压电阻可根据下式确定：

②多量程电压表

电压表一般也设计成多量程，采用多个电阻与表头串联，再从电阻与电阻之间引出抽头，就成为多量程电压表。图3．15所示是一个三量程电压表的电路。在确定电压量程以后，分压电阻R₁、R₂和R₃可根据下式确定：

③电压表使用注意事项

电压表必须并入电路中；注意电压表的极性，要求电压表“＋”端接高电位，“－”端接低电位；正确选择仪表的量程，测量时尽量使指针在半偏以上；选择内阻合适的仪表，希望电压表内阻越大越好。

（4）磁电系仪表的技术特性

①准确度高，最高可达0．05级。

②灵敏度高。由于永久磁铁的磁场很强，线圈中通过很小的电流就可以使指针偏转，因此，可以制成内阻很高的电压表和内阻很低的电流表，并具有较强的抗外磁场干扰的能力。

③功耗小。

④刻度均匀，便于读数。

⑤过载能力差，因为被测电流是通过游丝进入线圈，而表头线圈导线也较细，因此，不能流入过大的电流，以免发热或烧坏仪表。

⑥只能用来测量直流量。因为永久磁铁的磁场方向不变，所以转动力矩的方向取决于线圈中电流的方向。当通过线圈的电流为交流时，转动力矩的大小和方向随电流的大小和方向不断变化。由于仪表可动部分的惯性，它跟不上电流的变化，因此指针只能反映电流的平均值。如果通过线圈的电流正负半周幅值和时间均对称，指针应停在零点的位置；如果通过线圈的电流频率很低，指针应在零点附近摆动。

（5）磁电系检流计

磁电系检流计是一种灵敏度很高的仪表，常用来检测电路中有无电流通过，例如在直流电桥和直流电位差计中作为指零仪。磁电系检流计的结构分为指针式和光标式两种。

使用检流计时应注意以下事项：

①要求水平放置的检流计，使用前应需调好水平，校准零点。

②检流计的标尺不是用电流标度，而是按指针末端的线位移标度，单位为mm。

③选择合适的灵敏度。若灵敏度太高，由于平衡困难而延长测量时间；若灵敏度太低，可能达不到应有的测量准确度。

④不允许用欧姆表或电桥测量检流计的内阻，否则因过流会损坏检流计。

⑤用完检流计，要用止动器锁定检流计的可动部分。

⑥搬动检流计时要注意轻拿轻放，避免振断张丝。

2）用直流电位差计测量电压

（1）直流电位差计的技术特性

①准确度高。

②量程低，一般不超过2V。

③不从被测电路吸收能量，测量电压时，相当于内阻无穷大的电压表。

（2）直流电位差计使用注意事项

①选择灵敏度合适的检流计，以满足测量的需要，灵敏度过低将产生较大误差，灵敏度过高则电位差计难以达到平衡。

②选择电压足够稳定的工作电源，否则会因工作电流不稳定而产生误差。

③注意标准电池、工作电源和被测电压的极性不能接错。

④校准工作电流时，要避免长时间给标准电池充放电，以免损坏标准电池。

⑤按照说明书要求的温度和湿度条件保存和使用。

（3）直流电位差计的应用

当被测电压不超过2V时，可以用直流电位差计直接测量；如果被测电压超过2V，需用标准电阻进行分压，然后再用直流电位差计测量，如图3．16所示。最后，根据分压比计算出被测电压。分压比为：

利用标准电阻进行分压时，R₁＋R₂的值不能太小，否则虽然电位差计不从被测电路吸收电流，但分压电阻要从被测电路吸收较大电流，同样影响测量结果的准确度，一般选择分压电阻应在10⁵Ω以上。

图3．16　测量较高电压的电路

图3．17　毫安表测量电压的电路

3）直流电压和电流的间接测量

（1）用电流表测量电压

在测量高值电阻R两端的电压时，如果没有内阻合适的电压表，为避免电压表负载效应产生的测量误差，可将毫安表或微安表与足够大的已知标准电阻R_N串联来代替电压表，保证R_N远远大于R，如图3．17所示，

因此，被测电压为：

式中：I_A为毫安表PA的读数；R_A为毫安表PA的内阻。

（2）用电压表测量电流

在测量通过低值电阻R的电流时，如果没有内阻合适的电流表，为避免电流表负载效应产生的测量误差，可在被测电路中串联一个足够小的已知标准电阻R_N（取样电阻），保证R_N远远小于R，用毫伏表PV测量取样电阻R_N两端的电压，如图3．18所示，则被测电流为：

式中：U_V为毫伏表PV的读数；R_V为毫伏表PV的内阻。

图3．18　毫伏表测量电流的电路

图3．19　电位差计测量电流的电路

（3）用电位差计测量电流

由于电位差计只能直接测量电压，所以，必须把电流转换成电压才能用电位差计进行测量。把电流转换成电压的方法一般是在被测电流支路串入一个标准电阻R_N作为取样电阻，再用电位差计测量R_N两端的电压，如图3．19所示。最后根据欧姆定律计算出被测电流。取样电阻R_N的选择要考虑以下三个方面的问题。

①R_N的额定电流应大于被测电流。

②R_N串入被测电流支路对该支路电流的影响尽量小，如果因串入R_N引起被测电流的变化量不能忽略，应在计算中扣除该变化量。

③R_N两端的电压必须小于电位差计的量程。