電工測量儀表的基本構造、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，使可動部分受到轉矩而發(fā)生轉動。轉動轉矩與通入的電流之間存在著一D的關系
為了使儀表的可動部分的偏轉角
與被測量成一D比例，必須有一個與偏轉角成比例的阻轉矩TC來與動轉矩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系，當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)生轉動轉矩的部分、產(chǎn)生阻轉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強度；
為線圈在磁場內的有效長度；N為線圈的匝數(shù)。
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| 圖1 磁電式儀表 | 圖2 電磁式儀表的轉矩 |
如果線圈的寬度為b，則線圈所受得轉矩為
(1)
式中
，是一個比例常數(shù)。
在這轉矩的作用下，線圈和指針便轉動起來，同時螺旋彈簧被扭緊而產(chǎn)生阻轉矩。彈簧的阻轉矩與指針的偏轉角α成正比，則
(2)
當彈簧的阻轉矩與轉動轉矩達到平衡時，可動部分便停止轉動。這時
(3)
即
(4)
由上式可知，指針偏轉的角度是與流經(jīng)線圈的電流成正比的，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。如果不在零的位置，可用校正器進行調整。
磁電式儀表的阻尼作用是這樣產(chǎn)生的：當線圈有通電流而發(fā)生偏轉時，鋁框切割永久磁鐵的磁通，在框內感應出電流，這電流再與永久磁鐵的磁場作用，產(chǎn)生與轉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，將趕不上電流與轉矩的迅速交變而靜止不動。也就是說，可動部分的偏轉是決定于平均轉矩的，而不是決定于瞬時轉矩。在交流的情況下，這種儀表的轉矩的平均值為零。
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
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圖3 推斥式電磁式儀表 |
電磁式儀表常采用推斥式的構造，如圖3所示。它主要部分是固定的圓形線圈、線圈內部固定鐵片、固定在轉軸上的可動鐵片。當線圈中通有電流時，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。（http://www.diangon.com/版權所有）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。
可以近似地認為，作用在鐵片上的吸力或儀表的轉動轉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，儀表的轉動轉矩為
T=klI2(5)
在通入交流電流
時，儀表可動部分的偏轉決定于平均轉矩，它和交流電流有效值I的平方成正比，即
T=klI2(6)
和磁電轉矩儀表一樣，產(chǎn)生阻轉矩的也是連在轉軸上得螺旋彈簧。和式(2)一樣，
TC=k2а
當阻轉矩與轉動轉矩達到平衡時，可動部分即停止轉動。這時
即
(7)
由上式可知，指針的偏轉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。
當固定線圈通有電流I1時，在其內部產(chǎn)生磁場(磁感應強度為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)，其大小則與磁感應強度B1和電流I2的乘積成正比。而B1可以認為是與電流I1成正比的，所以作用在可動線圈上的力或儀表的轉動轉矩與兩線圈中的電流I1和I2的乘積成正比，即
T=k1I1I2(8)
在這轉矩的作用下，可動線圈和指針邊發(fā)生偏轉。任何一個線圈中的電流的方向改變，指針偏轉的方向就隨著改變。兩個線圈中的電流的方向同時改變，偏轉的方向不變。因此，電動式儀表也可用于交流電路。
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| 圖4 電動式儀表 | 圖5 電動式儀表的轉矩 |
當線圈中通入交流電流
和
時，轉動轉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是決定于平均轉矩的，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。
當螺旋彈簧產(chǎn)生的阻轉矩TC=k2α與轉動轉矩達到平衡時，可動部分便停止轉動。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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