1 前 言
磁电系指示仪表/测量机构(标志符号),是应用最为广泛的一种指示仪表机构形式。在生产实践中,在对各种电气设备的调试、维修时经常会使用万用表对各种电量进行测量,几乎所有指针式万用表都使用的是磁电系表头,所以万用表是磁电系测量机构多用途应用的典型例子。在大多数情况下万用表都能提供准确的指示给使用者作为判断电路状况的依据,但有时在对一些特殊的如:可控整流、半导体逆变、变频变压、中频等设备进行测量时,其读数往往出现明显偏差,给使用者带来困惑和误导。
2 实例分析
笔者曾与一些从事电气工作的朋友讨论过一个问题:在60W灯泡的线路中串接一个二极管后其实际功率会变为多少呢? (忽略灯泡冷热态阻值的变化和二极管参数的影响),讨论的结果产生了分歧。
2.1 分析一
根据欧姆定律[1],全波时:
加二极管后(半波整流):
由此得:此时负载实际功率约为12W。
使用Mutisim搭建模拟电路,用万用表分别测量电流和电压,结果与上述计算符合。
2.2 分析二
运用积分计算,全波时:
设i(t)=ImSinωt (Im为电流峰值)
设电流有效值为I,则:
半波时:上式积分区间变为[0,T/2], [T/2,T]区间二极管截止,电流不做功;因此得:
此时负载实际功率为原来的1/2, 30W看似简单的问题却出现了两种截然不同的结果,哪个才是正确答案?再次对电路进行模拟实验,并选用功率表进行测试，结果如图2所示。
再用1 N4007 ,60 W灯泡搭建实际电路，使用电磁系功率表进行测量，读数为27. 8W，排除因为元件参数等造成的误差说明第二种结论正确。
第一种结论的得出从理论分析到实际测量似乎都没有错误，是什么原因导致最终得出错误的结果?由于万用表是磁电系测量机构在交直流测量中非常典型的应用，所以首先必须对磁电系测量机构的基本工作原理进行分析。
3原理分析[}z}
磁电系测量机构的基本结构是由永久磁体和载流线圈构成，通人电流后其产生的磁场能量推动可动部分偏转进行指示。由可动部分的不同可分为动磁和动圈两大类型，实际应用以动圈式为主，结构如图3所示。
由于永久磁体磁感应强度恒定气隙均匀，可推导出其工作时的偏转角:
式中:B为磁感应强度;S为动圈的有效面积;。为动圈匝数;D为游丝的反作用系数;1为动圈中通过的电流。式中的常数BSmlD即为此测量机构的灵敏度，与结构和用料有关。
由此可见磁电系测量机构很适合用来测量直流电流及与其有关的物理量，其灵敏度通过制造工艺和材料的完善可做的很高;其偏转角a和电流I的大小成正比，所以可使用均匀表尺(全刻度灵敏度一致);通过搭配相应的外部电路可完成各种其它物理量的测量。同时其机构简单紧凑、受外界磁场影响小，性能稳定成本低的特点也是其它类型仪表难以达到。
从结构分析可知磁电系测量机构本质上是对直流电流的测量，如何用于交流测量呢?这就是附加了半导体>}r换器的磁电系仪表，最常用的用于交流电压电流等测量的扩展形式即磁电系整流式仪表(标志符号旦)。顾名思义磁电系整流式仪表就是在磁电系测量机构的基础上加人半导体整流元件使其用于交流测量。根据整流方式的不同可分为半波、全波两种形式，原理线路如图4所示。
由整流原理可知全波式通过表头的电流增加了一倍，因此这种方式灵敏度较高。同直流测量时一样:工作转矩:M=BSW·i
偏转角
这里要注意的是与式(2)不同的是其中的电流i为交流电流的瞬时值，因此按式(3)看交流测量时仪表活动部分的力矩是一个随时间变化的量，但由于表头的活动部分具有惯性，所以偏转角a决定于一个周期内瞬时力矩的平均值。
设：
半波时偏转角：
同理，全波时偏转角
式中:I，为交流电流平均值;s为测量机构灵敏度。
4结论
通过以上分析可知磁电系测量机构再加人半导体整流元件后同样可以在交流环境中使用。但由于其结构原理，在对非纯直流量(即含有交流分量)进行测量时，指针偏转角所反映的都是被测量的平均值，在前述例子中半波时的式(1)，即电工书籍中常见的公式:
其中:U.书中称为“直流电压”，也是指电压的平均值，只是多数时候并未特别说明，易造成错误的套用，如分析一。这种情况下如果用万用表(磁电系整流测量机构)对电路进行测量，其指示值也为平均值，与错误的计算结果吻合，从而得出错误结论。
磁电系整流式仪表测量交流量时是将交流信号整流后进行测量，这与测量脉动直流信号时的原理本质上相同，偏转角反映的都是被测量的平均值，即其直流分量，由于工程上对交流信号通常是用有效值来衡量，所以整流式仪表都是按i1，弦交流有效值来进行刻度，以方便使用。因此其偏转角与读数之比即为被测量的波形系数K。在i1，弦全波情况下:K}= 1/Q 9=L 1l,也就是说只有被测量的波形系数为L 11时磁电系整流式仪表才能i1，确直读出被测交流电量的有效值，而在可控整流、逆变、脉冲等电路中，由于控制角、负载功率因数等的影响其波形是很复杂的非i1:弦量，K}}1 1l,于是会造成错误指示，因此在这类测量中最好使用示波器观察波形和读数，或使用电动系、电磁系等纯交流测量仪表进行有效值的测量(需要注意的是有些真有效值数字万用表也不能i1:确显示有效值)。另外,一般磁电系整流式仪表正常工作的频率范围为45~1000Hz,在频率超出此范围的情况下万用表或其他整流式仪表便无法保证测量精度。
通过上述分析实验,说明在使用万用表或其他磁电系仪表对非直流量进行测量时须根据被测电路的具体情况做出正确的判断,深入了解了仪表的测量机构及特性后在实践中灵活运用才不至被此类仪表固有的局限性导致的错误读数所误导。
参考文献:
[1] 上海铁道学院电工原理编写组.电工原理[M].北京:人民铁道出版社, 1978.
[2] 哈尔滨工业大学电工学教研室.电工学[M].北京:水利电力出版社, 1979.
本文作者：李大为
