第3章比较仪表PPT讲稿.ppt

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1、第第3章比较仪表章比较仪表第1页，共22页，编辑于2022年，星期一 定流变阻式电位差计的定流变阻式电位差计的原理电路如图原理电路如图2-1-2所示所示,图中图中E是标准电池或直流稳是标准电池或直流稳 压压电源的电动势电源的电动势,En为标准电池为标准电池,Rn为标准电阻为标准电阻,Ux为被测电压为被测电压,P为检流计。为检流计。直流电位差计是一种比较仪器，用它来测量电压，误差可直流电位差计是一种比较仪器，用它来测量电压，误差可小于小于0.005%,甚至更小。直流电位差计分为甚至更小。直流电位差计分为定阻变定阻变 流式流式和和定定流变阻式流变阻式两种。两种。3.1 直流电位差计直流电位差计 图

2、中图中,回路回路I为校准回路为校准回路,回回路路II 为测量回路，回路为测量回路，回路为工为工作电流回路。作电流回路。工作电工作电流回路流回路校准校准回路回路测量回路第2页，共22页，编辑于2022年，星期一1、工作原理工作原理工作电工作电流回路流回路校准校准回路回路测量测量回路回路 回路回路称为工作电流称为工作电流回路，它包括工作电源回路，它包括工作电源E,工作电流调节电阻工作电流调节电阻R0,标准标准电阻电阻RN，测量电阻测量电阻R。它。它的作用是提供一个稳定的的作用是提供一个稳定的工作电流工作电流I0。校准回路校准回路由标准由标准电池电池En，检流计检流计P和和标准标准电阻电阻Rn组成。

3、组成。测量回路由测量回路由测量电阻测量电阻R、检流计、检流计P和转换开关和转换开关S等构成。等构成。R是是R的的一部分一部分,可以按十进制数连续可调。可以按十进制数连续可调。第3页，共22页，编辑于2022年，星期一 测量：测量：把开关置于位置把开关置于位置2，调节电阻，调节电阻R 使检流计使检流计P再次指零再次指零，表明表明Ux与与US互相补偿，即互相补偿，即2、测量步骤、测量步骤 定工作电流：定工作电流：测量时测量时,先将开关先将开关S拨在拨在1位置位置,调节可调节可变电阻变电阻R0，调整工作电流，调整工作电流I0，使检流计使检流计P指零指零，则说明标准，则说明标准电池电池En与标准电阻与

4、标准电阻Rn上的上的压降相互补偿。压降相互补偿。工作电工作电流回路流回路校准校准回路回路测量测量回路回路I0RN=ENI0=EN/RN第4页，共22页，编辑于2022年，星期一从上述原理可以得出电位差计的两个特点：从上述原理可以得出电位差计的两个特点：电位差计的平衡是利用电位互相补偿的原理制成的电位差计的平衡是利用电位互相补偿的原理制成的,测测量回路不从被测量量回路不从被测量UX中取用电流中取用电流(检流计检流计P指零指零),消除了对被测消除了对被测量的影响。量的影响。被测量数值由标准量被测量数值由标准量RN、EN等决定等决定,因此因此电位差计电位差计准确度准确度很高。很高。第5页，共22页，

5、编辑于2022年，星期一测量回路校准回路工作电流回路检流计标准电池实用直流电位差计举例实用直流电位差计举例实用直流电位差计举例实用直流电位差计举例第6页，共22页，编辑于2022年，星期一（1）、测量较高电压时）、测量较高电压时：原理电路如图原理电路如图2-1-4所示所示。R1和和R2构成分构成分压器，先用电位差计测得压器，先用电位差计测得U x后后,再用分压公式推算出再用分压公式推算出Ux：Ux=(R1+R2)U x /R23、电位差计的应用、电位差计的应用第7页，共22页，编辑于2022年，星期一（4）测量电阻测量电阻（间接）（间接）：也分两步进行也分两步进行,先测出流过电阻的电先测出流过

6、电阻的电流流Ix,再测出其两端的电压再测出其两端的电压 Ux,则则Rx=Ux/Ix用直流电位差计测量电流的原理电路如图用直流电位差计测量电流的原理电路如图2-1-5所示所示,在被测电在被测电流支路串入数值已知的标准电阻流支路串入数值已知的标准电阻Rn作取样电阻作取样电阻,用直流电位差计测用直流电位差计测得得Rn两端的两端的电压电压Ux,则被测电流为：则被测电流为：Ix=Ux/Rn（3）功功率测量率测量：只要只要按上述测量电压、电流按上述测量电压、电流的方法测出的方法测出Ux与与Ix,则功则功率为率为P=Ux Ix（2）测量电流测量电流测量电流测量电流（间接）：（间接）：（间接）：（间接）：第8

7、页，共22页，编辑于2022年，星期一直流电桥分两种直流电桥分两种,即即单电桥单电桥和和双电桥双电桥。单电桥又称惠斯登单电桥又称惠斯登(Wheatstone)电桥电桥,用于测量阻值为用于测量阻值为10109W W的电阻的电阻(保证高精度测量保证高精度测量时时,范围为范围为1104W W)；直流双电桥又称凯尔文；直流双电桥又称凯尔文(Kelvin)电桥电桥,主要用于主要用于测量阻值测量阻值10W W以下以下的电阻。的电阻。直流电桥是精确测量电阻等电路参数的一种比较仪表直流电桥是精确测量电阻等电路参数的一种比较仪表,它它 通过被通过被测电阻与标准电阻的比较实现测量测电阻与标准电阻的比较实现测量,其

8、准确度可达十万分之几其准确度可达十万分之几,仪表准仪表准确度不难达到确度不难达到0.1、0.2级。级。3.2 直流电桥直流电桥第9页，共22页，编辑于2022年，星期一直流单电桥的原理电路如图直流单电桥的原理电路如图2-2-1所示所示,图中图中,R1、R2、R3和和R4构构成四个桥臂成四个桥臂,直流电源直流电源E和指零仪和指零仪(如检流计如检流计)分别接在电阻桥体的分别接在电阻桥体的ab与与cd对角线上。对角线上。测量电阻时测量电阻时,被测电阻作一个被测电阻作一个桥臂桥臂(如如R1),另外三个桥臂由标另外三个桥臂由标准电阻构成准电阻构成,阻值已知且可调节阻值已知且可调节改变。当调节电桥的某个桥

9、臂使改变。当调节电桥的某个桥臂使Ig=0时时,即即Ucd=0,称此状态为称此状态为“电桥平衡电桥平衡”。一、直流单电桥一、直流单电桥第10页，共22页，编辑于2022年，星期一 上式说明：上式说明：电桥平衡时电桥平衡时,电桥对臂电阻（阻抗）之积相等。电桥对臂电阻（阻抗）之积相等。“电桥平衡电桥平衡”,即检流计即检流计P指零指零,则则Ip=0,Ubd=0。故有：。故有：I1 R1=I3 R3 I2 R2 =I4R4 由于由于Ip=0,按基尔霍夫定律可得按基尔霍夫定律可得I1=I2 和和I3=I4,并将两式相除可得：并将两式相除可得：被测电阻被测电阻 Rx=R1 R4R3 （2-2-1）1、电桥平

10、衡、电桥平衡R3Rx=R1R4第11页，共22页，编辑于2022年，星期一从式从式2-2-1可见可见,电桥平衡时电桥平衡时,被测电阻的数值与电源被测电阻的数值与电源E无关无关。在灵在灵敏度足够的情况下敏度足够的情况下,电源电压波动对测量结果没有影响电源电压波动对测量结果没有影响,电桥的准确电桥的准确度主要由比例臂和比较臂的准确度决定度主要由比例臂和比较臂的准确度决定,此两臂皆可用标准电阻此两臂皆可用标准电阻,因此准因此准确度很高。确度很高。在实际电桥线路中在实际电桥线路中,常把比值常把比值R2/R3做成做成10n型型,提供一个准确的提供一个准确的比值比值,因此因此R1、R3又称又称比例臂比例臂

11、。R4具有多档十进制结构具有多档十进制结构,可由零值可由零值起连续调节起连续调节,称作称作比较臂比较臂,它的数值位数反映电桥的测量准确度。它的数值位数反映电桥的测量准确度。2、电桥准确度电桥准确度第12页，共22页，编辑于2022年，星期一3 3、实用直流单电桥、实用直流单电桥（QJ23aQJ23a型）型）型）型）第13页，共22页，编辑于2022年，星期一2.3.1交流电桥的工作原理交流电桥的工作原理经典交流电桥，简称经经典交流电桥，简称经典电桥。原理电路如图典电桥。原理电路如图2-3-1所示，所示，2.3 交流电桥交流电桥 图中图中Z1、Z2、Z3和和Z4为为交流阻抗，电源为正弦交交流阻抗

12、，电源为正弦交流电压源，其频率范围可流电压源，其频率范围可能很宽，能很宽，D为交流平衡指示为交流平衡指示器。器。图图2-3-1交流电桥原理电路交流电桥原理电路第14页，共22页，编辑于2022年，星期一在正弦稳态条件下在正弦稳态条件下,经典电桥的四个臂的阻抗经典电桥的四个臂的阻抗Z1、Z2、Z3和和Z4可可表示为：表示为：分析分析Z1=R1+jX1=z1 1；Z2=R2+jX2=z2 2；Z3=R3+jX3=z3 3；Z4=R4+jX4=z4 4；式中式中 为阻抗的模为阻抗的模,i=arctan(Xi/Ri)为阻抗的相位为阻抗的相位角角,Ri=zicos i,Xi=zisin i,i=1,2,

13、3,4;容性阻抗的容性阻抗的 i0。第15页，共22页，编辑于2022年，星期一SSSbdUZZZZZZZZZZUZZZUZU.)(43214132434212+-=+-+=.式（式（2-3-1）为）为辐度平衡辐度平衡条件，式（条件，式（2-3-2）为）为相角平衡相角平衡条件。条件。讨论交流电桥的平衡条件时讨论交流电桥的平衡条件时,只考虑指零仪两端的电压只考虑指零仪两端的电压Ubd=UbcUcd,由图可知：由图可知：.即即z2z3=z1z4 （2-3-1）2+3=1+4（2-3-2）Z2Z3=Z1Z4平衡条件平衡条件对臂阻抗乘积相等对臂阻抗乘积相等对臂阻抗模的乘积相等对臂阻抗模的乘积相等对臂阻

14、抗辐角之和相等对臂阻抗辐角之和相等电桥平衡时，电桥平衡时，可见，交流电桥，可见，交流电桥的平衡条件是：的平衡条件是：即 Z2Z3Z1Z4=0第16页，共22页，编辑于2022年，星期一在调节交流电桥平衡以实现对被测阻抗的测量时，至少应设置在调节交流电桥平衡以实现对被测阻抗的测量时，至少应设置两个独立可变参数两个独立可变参数，满足两个方程。，满足两个方程。也就是说，交流四臂电桥平衡时，也就是说，交流四臂电桥平衡时，两相对电臂阻抗的模的乘积相两相对电臂阻抗的模的乘积相等，相角之和也要相等。等，相角之和也要相等。若在若在Z4的位置上接被测阻抗的位置上接被测阻抗 Zx=zx x=Rx+jXx，则，则即

15、即 zx=z3z2/z1 （2-3-3）x=2+3-1（2-3-4）参数调节参数调节第17页，共22页，编辑于2022年，星期一有关电桥调平衡的事项有关电桥调平衡的事项有关电桥调平衡的事项有关电桥调平衡的事项 （1）交流电桥四个桥臂阻抗配置不当）交流电桥四个桥臂阻抗配置不当,电桥就不能平衡。例电桥就不能平衡。例如两相邻桥臂为纯电阻时如两相邻桥臂为纯电阻时,余下的两个桥臂必须配备性质相同的阻余下的两个桥臂必须配备性质相同的阻抗；若两相对桥臂都是纯电阻抗；若两相对桥臂都是纯电阻,则余下的两个桥臂必须是性质相反则余下的两个桥臂必须是性质相反的阻抗。的阻抗。（2）尽量使电桥的平衡条件与电源频率无关。）

16、尽量使电桥的平衡条件与电源频率无关。（3）桥臂尽量不要用电感作已知的度量器。因为电感在制造上）桥臂尽量不要用电感作已知的度量器。因为电感在制造上难以把电阻分开。难以把电阻分开。（4）至少要设置两个独立可调的元件）至少要设置两个独立可调的元件,才能调平衡。被测量只和一才能调平衡。被测量只和一个可调元件有关的称个可调元件有关的称“可分别读数可分别读数”。实用的电桥能够分别读数。实用的电桥能够分别读数。第18页，共22页，编辑于2022年，星期一交流电桥计算例题交流电桥计算例题 例例1 如图所示电桥又称为串如图所示电桥又称为串联电容电桥联电容电桥,用于测量电容器用于测量电容器,试计算试计算Cx,Rx

17、。解：当电桥平衡时解：当电桥平衡时,可得可得即即根据实部、虚部分别相等根据实部、虚部分别相等,整理可得：整理可得：当选定当选定R2 R4为可调为可调,Cx是可是可分别读数的。而且与电源分别读数的。而且与电源的频率无关。的频率无关。第19页，共22页，编辑于2022年，星期一交流电桥计算例题交流电桥计算例题 例例2 有一交流电桥如图所示有一交流电桥如图所示,试问：试问：（1）该电桥能否平衡？如果能平衡）该电桥能否平衡？如果能平衡,写出其写出其平衡方程式。平衡方程式。（2）若调节）若调节R2和和R4能否平衡能否平衡,为什么？为什么？解：（解：（1）可以平衡）可以平衡,因为因为(1+3)可以调到零。

18、可以调到零。（2）只调节）只调节R2、R4不能满足方程组不能满足方程组,故不能平衡故不能平衡.第20页，共22页，编辑于2022年，星期一第第3章章 习题习题2-2 为什么用直流电位差计测量电压可以达到较高的测量准确度？为什么用直流电位差计测量电压可以达到较高的测量准确度？2-6 为什么不能用单电桥测量小电阻？为什么不能用单电桥测量小电阻？2-10 为什么交流电桥平衡的调节至少要设置两个参数，而且要反复调为什么交流电桥平衡的调节至少要设置两个参数，而且要反复调节？节？答：因为交流四臂电桥平衡时，两相对电臂阻抗的模的乘积相等，答：因为交流四臂电桥平衡时，两相对电臂阻抗的模的乘积相等，相角之和也要

19、相等相角之和也要相等,二互相影响，因此调节平衡要反复调试。二互相影响，因此调节平衡要反复调试。答：（答：（1）被测量与标准量直接比较，（）被测量与标准量直接比较，（2）电位差计测量时不）电位差计测量时不从被测电路取用电流。从被测电路取用电流。答：单电桥接触电阻和小电阻接近答：单电桥接触电阻和小电阻接近,将影响测量精度，使误将影响测量精度，使误差很大差很大,所以不能使用。所以不能使用。第21页，共22页，编辑于2022年，星期一1、什么是比较式仪表，电气测量中常用的有哪几种？、什么是比较式仪表，电气测量中常用的有哪几种？2、为什么用直流电位差计测量电压可以达到较高的、为什么用直流电位差计测量电压

20、可以达到较高的 测量准确度？测量准确度？3、为什么不能用单电桥测量小电阻？、为什么不能用单电桥测量小电阻？4、交流电桥的电桥平衡方程及其应用（如课件例题）。、交流电桥的电桥平衡方程及其应用（如课件例题）。5、为什么交流电桥平衡的调节至少要设置两个参数，、为什么交流电桥平衡的调节至少要设置两个参数，而且要反复调节？而且要反复调节？6、交流电桥若要平衡，当两相邻（或相对）桥臂为纯电、交流电桥若要平衡，当两相邻（或相对）桥臂为纯电 阻时阻时,对余下的两个桥臂阻抗性质有何要求？对余下的两个桥臂阻抗性质有何要求？7、说明定流变阻式直流电位差计的工作步骤。、说明定流变阻式直流电位差计的工作步骤。本章课后复习题本章课后复习题第22页，共22页，编辑于2022年，星期一