3.1.2　各種儀表的工作原理

如前所述，電工指示儀表的規格品種很多，分類方法也很多。按儀表的工作原理可分為磁電系、電磁系、電動系、感應系、整流系、靜電系、熱電系及鐵磁電動系等。下面簡單介紹磁電系、電磁系和電動系等類儀表的結構及其工作原理。

（1）磁電系儀表

磁電系測量機構是磁電系儀表的核心，只要在其基礎上配合不同的測量線路，就能組成各種不同的直流電流表和電壓表。

①測量機構　磁電系測量機構主要由固定的磁路系統和可動的線圈兩部分組成，如圖3-7所示。固定的磁路系統包括永久磁鐵1、固定在磁鐵兩極的極掌2以及處于兩個極掌之間的圓柱形鐵芯3。圓柱形鐵芯3固定在儀表的支架上，采用這種結構是為了減少磁阻，并使極掌2和鐵芯3間的空氣隙中產生均勻的輻射型磁場。這個磁場的特點是，沿著圓柱形鐵芯3的表面，磁感應強度處處相等，而方向則與圓柱形表面垂直。圓柱形鐵芯3與極掌2間留有一定的氣隙，使可動線圈4能在氣隙中轉動。

可動部分由繞在鋁框架上的可動線圈（線圈）4、線圈兩端裝的轉軸、與轉軸相連的指針6、平衡錘7以及游絲5所組成。整個可動部分支承在軸承上，線圈位于環形氣隙之中。在矩形框架的兩個短邊上固定有轉軸，轉軸分前后兩個半軸，每個半軸的一端固定在矩形框架上，另一端則通過軸尖支承于軸承中。在前半軸上裝有指針6，可動部分偏轉時，帶動指針偏轉，用來指示被測量的大小。

當可動線圈通以電流后，在永久磁鐵的磁場作用下，產生轉動力矩并使線圈轉動。反作用力矩通常由游絲產生。磁電系儀表的游絲一般有兩個，且繞向相反，游絲的一端與可動線圈相連，另一端則固定在支架上，其作用是既產生反作用力矩，同時又將被測電流導入和導出可動線圈。

儀表的阻尼力矩由鋁制的矩形框架產生。高靈敏度的指示儀表為了減輕可動部分的重量，通常采用無框架可動線圈，并在可動線圈中加短路線圈，利用短路線圈中產生的感應電流與磁場相互作用產生阻尼力矩。

為了使儀表指針起始在“零”的位置，通常還有一個“調零器”，如圖3-7（a）中的8所示。“調零器”的一端與游絲相連。如果在儀表使用前其指針不指在零位，則可用起子輕輕調節露在表殼外面的“調零器”的螺桿，使儀表指針逐漸趨近于零位。

②工作原理　磁電系測量機構是根據通電線圈在磁場中受到電磁力矩而發生偏轉的原理制成的，如圖3-8所示，當可動線圈中通入電流時，載流線圈在永久磁鐵的磁場中將受到電磁力的作用而偏轉。通過線圈的電流越大，線圈受到的轉矩越大，儀表指針偏轉的角度也越大。此轉矩的大小為：

M=K₁I

式中　M——轉矩；

I——通入可動線圈的電流；

K₁——系數。

此電磁轉矩M使得轉軸帶動指針偏轉，同時旋轉彈簧隨轉軸旋轉，產生反作用力矩M_f。游絲扭得越緊，反作用力矩也越大。顯然旋轉彈簧的反作用力矩M_f與指針的偏轉角α成正比，即：

M_f=K_fα

當線圈受到的轉動力矩與反作用力矩大小相等時，線圈就停留在某一平衡位置，指示出被測量的大小。即：

M=M_f

這時，偏轉角

上式說明，指針偏轉角與儀表所通電流成正比，所以磁電式儀表的刻度是線性的。

③性能特點　由磁電系儀表的結構及原理可以看出，磁電系儀表具有準確度和靈敏度都很高、功率消耗小并且刻度均勻的優點。但是磁電系儀表只能直接測量直流信號，只有加上整流器（整流電路）之后才能用于交流測量，而且過載能力小。所以磁電系儀表多用于制造便攜式的直流電流表和直流電壓表。

（2）電磁系儀表

目前，安裝式交流電流表、電壓表，大都采用電磁系測量機構。電磁系測量機構主要由通過電流的固定線圈和可動的軟磁鐵片組成。根據其結構形式的不同，可分為吸引型和排斥型兩類。下面我們以吸引型電磁系儀表為例來說

明其結構與工作原理。

①儀表結構　吸引型電磁系儀表的結構如圖3-9所示。固定線圈1和裝在轉軸上的偏心可動鐵片2組成產生轉動力矩的裝置。轉軸上還裝有指針、阻尼片和游絲等。

游絲的作用是產生反作用力矩，但不通過電流。阻尼片和永久磁鐵共同組成磁感應阻尼器。為了防止永久磁鐵的磁場對線圈磁場的影響，在永久磁鐵前面加裝了用導磁性能良好的材料制成的磁屏蔽。

②工作原理　吸引型電磁系儀表的工作原理如圖3-10所示。當固定線圈通電后，線圈產生的磁場將可動鐵片磁化，對鐵片產生吸引力，使固定在同一轉軸上的指針隨之發生偏轉，同時游絲產生反作用力矩。線圈中電流越大，磁化作用越強，指針偏轉越大。當游絲產生的反作用力矩與轉動力矩相平衡時，指針就穩定在某一位置，指示出被測量的大小。

顯然，當流過線圈的電流方向改變時，線圈產生的磁場極性及可動鐵片被磁化的極性也同時改變，但它們之間的作用力仍是吸引力，轉動力矩方向不變，保證了指針偏轉方向不會改變。所以，電磁系儀表可用來組成交直流兩用儀表。

對電磁系儀表來講，其轉動力矩取決于固定線圈的磁場和可動鐵片被磁化后的磁場強弱，而它們磁場的強弱又與被測電流有關。由此可見，電磁系儀表轉動力矩的大小應與線圈磁勢的平方成正比。若通入直流電，則儀表的轉動力矩為

M=K₁I²

與磁電式儀表相同，旋轉彈簧產生的反作用力矩也與指針的偏轉角成正比，即

M_f=K_fα

當轉動力矩與反力矩平衡時，指針停止偏轉，即

若通交流電，儀表內仍然可以產生相互排斥的作用力，因為當電流方向改變時，可動鐵片和固定鐵片的磁化方向也隨之改變，由它們產生的轉動力矩的瞬時值仍然與電流瞬時值的平方成正比，又因為轉動力矩與電流的平方成正比，所以電流方向改變時，轉動力矩的方向不變。習慣上用平均力矩來衡量儀表的偏轉，其平均力矩為

式中，I為交流電的有效值，K₁與K均為常數。可以推導得出，儀表的偏轉角仍然與電流的平方成正比，只是該電流指的是交流電的有效值。換句話說，電磁系儀表測交流量時，儀表的指示值為交流量的有效值。

③性能特點　電磁系儀表既可測量直流，又可測量交流，同時可直接測量較大的電流，其過載能力強，制造成本較低。但是，由于電磁系儀表轉動力矩與被測電流的平方成正比，所以電磁系儀表的標度尺刻度是不均勻的起始段分布較密，而末段分布稀疏。同時，工作時容易受到外磁場的影響，因此在結構上應加抗干擾裝置。

（3）電動系儀表

當用通有電流的固定線圈建立的磁場，來代替固定的永久磁鐵之后，原先的磁電系測量機構就變成了電動系測量機構。電動系測量機構廣泛用于制造交流電流表、電壓表、功率表、相位表及頻率表等。

①儀表結構　電動系儀表的測量機構如圖3-11所示。它有兩個線圈，固定線圈（簡稱定圈）和可動線圈（簡稱動圈）。定圈分為兩個部分，平行排列，其作用有兩個，一是獲得較均勻的磁場，二是便于改換電流量程。動圈與轉軸固定連接，一起放置在定圈的兩部分之間。游絲的作用有兩個：一是產生反作用力矩；二是引導電流。阻尼力矩由空氣阻尼器產生。

②工作原理　電動系測量機構是利用兩個通電線圈之間產生電動力相互作用的原理制成的。如圖3-12所示，當在固定線圈中通入電流I₁時，將產生磁場，其磁感應強度B₁與電流I₁成正比。同時在可動線圈中通入電流I₂，于是可動線圈中的電流I₂就受到固定線圈磁場B₁的作用力，產生轉動力矩，從而推動可動部分發生偏轉。

轉動力矩的大小可表示為：

M=K₁I₁I₂

轉動力矩將帶動轉軸和指針一起偏轉。同時旋轉彈簧將產生反作用力矩，與指針的偏轉角成正比，即

M_f=K_fα

當游絲產生的反作用力矩與轉動力矩相等時，指針停留在某一位置，指示出被測量的大小。偏轉角為：

上式說明，當測直流電時，偏轉角與兩個線圈所通電流的乘積成正比，依此可以刻出表盤，但表盤刻度不均勻。

指針的偏轉方向取決于兩個電流的方向，改變其中任何一個線圈的電流方向即可改變指針的偏轉方向。如果固定線圈和可動線圈的電流同時改變，則指針的偏轉方向不變。因此，電動式儀表既可以測量直流量，也可以用來測量交流量。

當電動式儀表通入正弦交流電i₁和i₂時，與電磁式儀表相似，其轉動力矩的瞬時值與兩電流的瞬時值乘積成正比，同樣，習慣上用平均值衡量被測量，則其平均力矩為

式中，I₁和I₂為交流電的有效值，cosφ為交流電i₁和i₂相位差的余弦。

當用電動式儀表測量交流電時，其偏轉角為

從上式可以看出，測交流電時，偏轉角不僅與交流電的有效值有關，還與兩電流相位差的余弦成正比。因此，可以用電動式儀表來測量交流電功率。

③性能特點

a.由于電動式儀表機構內沒有鐵磁物質，幾乎不受渦流和磁滯的影響，因此其準確度較高，可達0.1級。

b.電動系儀表可以作交直流兩用，并且能測量非正弦電流的有效值。

c.由于它有兩個線圈，所以能構成多種儀表，測量多種參數。

d.儀表讀數易受外界磁場的影響，本身消耗功率大，且過載能力小。

e.制成的功率表標度尺刻度均勻，而制成的電流表或電壓表標度尺刻度不均勻。