[科普中国]-测量电路

一般来说，传感器由敏感元件和转化元件组成。但转化元件输出的电量常常难以直接进行显示、记录、处理和控制。这时就需要将其进一步变化成可直接利用的电信号，而传感器中完成这一功能的部分称为测量电路。

简介测量电路是测量被测信号的电路。在多线式电测仪中，用检流计测量电位差大小的电路称测量电路。被测的电位差值可按下述公式求得：△V=0.001 Kic×R×L，式中：Kic为检流计系统的电流常数(μA/cm);R为测量线路的总电阻;L为光点偏转的厘米数。从公式不难看出测量电路除包括检流计系统外，主要是一套精密的电阻以适应被测电位差的变化范围。此外，一般电阻率测井时，下井电流是低频方波，因此测量线路中也应该有换向器，把低频方波整流成脉动直流，经滤波后由检流计记录。在数字磁带机测井系统和数控测井系统中，各种测井方法由于其测量特点和使用仪器的不同，测量电路也各有特点，其含义已不同于多线式电测仪的测量电路1。

测量电路也是传感器组成的一部分。随着集成电路技术的发展，传感器的测量电路也逐渐开始集成芯片化。测量电路一般是需要辅助电源供电的。测量电路的选择视转化元件的类型而定，常采用的有电桥电路,脉宽调制电路,振荡电路,高输入阻抗电路等。

电流测量电路在进行电流测量时通常选用电流表，它们的指针偏转反映的就是流经仪表的电流。为了扩大电流表的量程，通常在基本测量机构上并接分流电阻，以构成不同量程的电流表。

直流电流测量电路测量直流电流时通常选用磁电式直流电流表，在使用时要注意表的极性不要接反。在测量交流时若测量精度要求不高，可选用电磁式电流表，若测量精度要求高时则可选用电动式电流表。

测量某一支路的电流时，只有使被测电流流经电流表，电流表才能反映出这一电流的大小。因此在测量时，电流表必须串接到被测支路中(如图所示)。考虑到电流表本身是具有一定电阻的，电流表的串入必然使被测支路的电阻增加，这又会影响被测电流，使其发生变化。为了使测量值能较为真实地反映出电流的原来值，就要求电流表的电阻RA远小于电路的电阻R，所以在选用电流表时除了要考虑仪表的等级精度外，还要考虑电流表的内阻，要求满足RA≪R，这样才能获得较为准确的测量结果，故电流表内阻越小越好。

测量某一支路的电流时，也可通过测量这一支路上某个电阻R两端的电压来间接测量电流。电压和电流的关系，可由欧姆定律给出。被测支路上如果没有合适的电阻，有时可在被测电路中接入一个小电阻，这个小电阻我们称之为采样电阻。在确定采样电阻的阻值时要兼顾到电阻的接入不能对原电路产生太大的影响，以及输出的电压值不能太小这两方面的因素2。

单相交流电流测量电路如图为单相交流电流的基本测量电路。图(a)电流表直接接入测量，这时电流表A的示数为电路电流。图(b)用于大电流的测量，电流表经电流互感器TA接入被测电路，电流表A的示数为I/K1(K1为电流互感器电流比)。一般情况下，所选用的电流表是配用专门电流互感器的，这时电流表A的示数为I(直接读出)。在使用交流互感器时，不允许交流互感器二次侧开路，否则会产生高压，对人及电气设备造成危害2。

三相交流电流测量电路图为三相交流电流测量电路。图(a)是3只电流表接三相电源，接线时3只电流互感器的一端必须接地，以保证人身和电气设备的安全。图(b)为2只互感器接入3只电流表，这种方法测量可省去1只电流互感器2。

电压测量电路电压表是由基本的测量机构(电流表头)串联一定的固定电阻构成的。如图所示，电压和电流的关系为。串接不同阻值的电阻就可构成不同量程的电压表。和电流表类似，测量直流电压时通常选用磁电式电压表，测量交流电压时通常用电磁式或电动式电压表。

应注意，测量电压时，电压表应并接在被测电路中，以使电压表的端电压等于被测电压。但考虑到电压表本身的电阻RV，电压表并接到电路中相当于把一个电阻RV并接到电路中，这必然会对电路中的各电压、电流产生影响，使其发生变化。为了使测量值较为真实地反映电压的原来值，就要求电压表的电阻越大越好，使其满足RV≫R，这里R是电路的等效电阻。所以要使电压测量满足一定的精度，除了要考虑仪表的测量误差外，还要考虑仪表内阻对电路的影响2。

单相交流电压测量电路图为单相交流电压测量的基本电路。图(a)交流电压表直接并入电路，这时电压表V的示数为该电路两点端电压有效值U。图(b)为交流电压表经电压互感器TV接入电路，适用于高电压的测量。这时电压表V的示数为U/KU(KU为电压互感器电压比)。一般情况下，选用的是配专用电压互感器的电压表，这时电压表的示数就等于电路电压U。如果二次侧发生短路故障，将产生很大的短路电流损坏电压互感器，所以接入FU起短路保护。为防止绝缘损坏，高电压窜入二次侧，危及人身及设备，故铁芯及二次侧绕组要采取接地保护2。

三相交流电压测量电路三相交流电压基本测量电路见图。

图(a)为3只交流电压表直接并入三相电路分别测量三相电压，这时各电压表的示数即为该相电路两点端电压有效值U。图(b)为2只单相电压互感器TV接线的测量电路，接线中不允许二次侧线圈短路。为防止短路，保护电压互感器而串入熔断器FU2。

功率测量电路在直流情况下，可通过测量电压和电流，由公式P=UI算出功率。测量电路如图所示，其中图(a)为高值法，测得的电压值包括负载压降和电流表的压降，由此算出的功率。图(b)为低值法，测得电流值包含负载中的电流和电压表的电流，由此算出的功率。

可见两种方法都有误差，在测量时应选用误差较小的一种方法，一般当时采用(a)图所示高值法，当时采用(b)图所示低值法。

直流电路功率测量电路直流电路功率测量有用电压表、电流表法和功率表(瓦特表)法两种。前者功率P等于电压表和电流表示数的乘积，即P=UI。为减少测量误差，在负载电阻RL、电压表内阻RV和电流表内阻RA相对值不同时，采用的接线方法如图(a)、(b)所示。图2-9(c)接线方法，功率表的示数就是被测负载的功率，电流必须同时从电流、电压端(标有*)流进2。

单相交流电路功率测量电路(1) 正确接线方式

功率表的正确接法必须遵守“发电机端”的接线规则，即功率表标有*号的电流端必须接至电源的一端，而另一端必须接至负载端，电流线圈串联接入电路;功率表上标有*号的电压端子可接至电流端子的任一端，而另一个电压端子必须接至负载的另一端。功率表的电压支路并联接入电路。正确接线如图所示，图中Z为负载阻抗。当功率表电压线圈内阻远小于Z时，用(a)图;功率表电压线圈内阻远大于Z时，用(b)图2。

(2) 功率表量限的选择

功率表通常有2个电流量限，2个或3个电压量限。根据使用电压和负载电流，选用不同的量限，获得不同的功率量限。

(3) 功率表的读数

功率表的单位为瓦特(W)，但用功率表测量时，并不能从标度尺上直接读取瓦特数，这是由于功率表通常有几种电压和电流量限，但标尺只有一条，所以功率表标度尺都只有标分格数，而不标明瓦特数。功率表的标度尺每格所代表的瓦特数称为分格常数。一般情况下，功率表的技术说明书上都给出了功率表在不同电流、电压量限下的分格常数，以供查用。测量时，读取指针偏转格数n后，再乘上相应的分格常数c，即为被测量的值，即功率P = cn(W)。

如果功率表没有给出分格常数，则c可按下式计算： c=UNIN/N，其中，UN为所选用的电压量限的额定值，IN为所选用的电流量限的额定值，N为标度尺满刻度的格数2。

两表法测量三相三线有功功率电路用两只单相功率表测量三相三线有功功率的方法称为“两表法”，如图所示，这是用单相功率表测量三相三线制电路功率的最常用方法， 而且不管三相负载是否对称。图中功率表PW1、PW2的电流线圈串接入任意两相相线中，两只表电压支路*端必须接至电流线圈所接的相线上，而另外一端必须接到未接功率表电流线圈的第三条线上，使电压支路通过的是线电压。

在三相三线制电路中，由于三相电流的矢量和等于零，因此，两只功率表测得的瞬时功率之和等于三相瞬时总功率，即两表所测得的瞬时功率之和在一个周期内的平均值等于三相瞬时功率在一个周期内的平均值，所以三相负载的有功功率就是两只功率表读数之和(P=P1+P2)。

在三相四线不对称负载电路中，因三相电流瞬时之和不等于零，所以这种测量三相总功率的“两表法”只适用于三相三线制，而不适用于三相四线制不对称电路2。

三相功率表测量三相有功功率电路三相功率表是利用两个功率表测量三相电路功率的原理制成的。它具有两个独立单元，每一个单元就相当于一个单相功率表，这两个单元的可动部分固定连接在同一轴上，可绕轴自由偏转，以直接测量三相三线电路功率。这种三相功率表通常称为二元三相功率表。它有7个接线端钮，其中4个为电流端钮，3个为电压端钮，接线如图(a)所示。接线时，电流线圈带*端钮分别接至U和W相的电源侧，使电流线圈通过线电流;电压线圈带*端钮分别接U和W相的电源侧，无*标志的端钮接V相，使电压支路承受线电压。

此外，还有三元三相功率表，它包含有3个独立单元，用来测量三相四线电路功率，接线如图(b)所示。仪表外壳上有10个接线端钮，包括3个电流线圈的6个端钮和3个电压线圈的4个端钮。接线时将3个电流线圈分别串联在三相电路中，3个电压线圈则应分别并联在三相电路和零线上2。

电阻测量电路普通电阻(10Ω～1MΩ)的测量可采用下述几种方法：

(1) 用万用表或多用表的欧姆挡测量

这种方法最简单，但它的准确度低。

(2) 用电压表和电流表测量

将被测电阻接到直流电源上，用电压表和电流表分别测量出它的电压和电流(如图所示)，由欧姆定律算出阻值R=U/I。这种测量方法的准确度由电压和电流测量的准确度决定，一般来说准确度不高。

需要注意的是图(a)所示的测量电路实际测得的电阻是电流表的内阻和被测电阻的串联值： R′=RA+R，而图(b)所示的测量电路实际测得的电阻是电压的内阻和被测电阻的并联值： R″=RV∥R。一般被测电阻值较大时选用图(a)所示方法，被测电阻较小时选用图(b)所示方法。

(3) 用直流单电桥测量电阻

直流单电桥也称惠斯登电桥，它由4个桥臂R1、R2、 R3、 R4，直流电源E及检流计G组成(如图所示)。其中R1是被测电阻。通过调节已知的可调电阻R2、 R3和R4则可使检流计指零，即电桥达到平衡。根据电桥平衡条件得。这种测量方法的准确度较高，其准确度在检流计的灵敏度足够高的情况下，与电源无关，仅由标准电阻的准确度决定2。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所