交流电压表和电流表

交流机电仪表机芯有两种基本安排：基于直流机芯设计的安排和专为交流使用而设计的安排。

如果直接连接到交流电，永磁动圈 (PMMC) 仪表的运动将无法正常工作，因为指针运动的方向会随着交流电的每半个周期而改变。 （下图）

永磁仪表运动，如永磁电机，是运动取决于施加电压的极性的设备（或者，您可以根据电流的方向来考虑）。

通过这个 D'Arsonval 仪表运动传递 AC 会导致指针无用的颤动。

为了使用 D'Arsonval 设计之类的直流式仪表机芯，交流电必须整流 进入DC。

这可以通过使用称为二极管的设备轻松实现 .我们在示例电路中看到了二极管，演示了从失真（或整流）的正弦波产生谐波频率。无需详细说明二极管的工作方式和原因，只需记住它们每个都像一个单向阀，用于电流流动。

每个二极管符号中的箭头指向允许的电流方向。

四个二极管以桥的形式排列，用于在 AC 周期的所有部分以恒定方向通过仪表移动来引导 AC：

通过这个整流后的交流电表运动传递交流电会将其驱动到一个方向。

实用交流电表机芯的另一种策略是重新设计机芯，避免直流类型固有的极性敏感性。

这意味着避免使用永磁体。可能最简单的设计是使用非磁化铁叶片抵抗弹簧张力移动针，叶片被吸引到由要测量的交流量供电的固定线圈线圈，如下图所示。

铁片式机电仪表运动。

由气隙隔开的两个金属板之间的静电引力是产生与施加电压成正比的针移动力的另一种机制。

这对于 AC 和 DC 一样有效，或者我应该说，同样糟糕！所涉及的力非常小，远小于通电线圈和铁叶片之间的磁引力，因此这些“静电”仪表运动往往很脆弱，容易受到物理运动的干扰。

但是，对于一些高压交流应用来说，静电运动是一种优雅的技术。

如果不出意外，这项技术具有极高输入阻抗的优势，这意味着无需从被测电路中汲取电流。此外，静电计运动能够测量非常高的电压，而无需量程电阻器或其他外部设备。

当需要重新调整灵敏的电表运动以用作交流电压表时，可以像在直流电表设计中一样使用串联的“倍增器”电阻器和/或电阻分压器：（下图）

乘法电阻器 (a) 或电阻分压器 (b) 缩放基本仪表移动的范围。

但是，可以使用电容器代替电阻器来制作电压表分压器电路。这种策略的优点是不耗散（不消耗真实功率，不产生热量）：

带电容分压器的交流电压表。

如果仪表运动是静电的，因此本质上是电容性的，则可以串联一个“乘法器”电容器以提供更大的电压测量范围，就像串联的乘法器电阻器提供动圈（固有电阻) 仪表移动更大的电压范围：

静电电表运动可以使用电容乘法器来乘以基本电表运动的刻度。

直流计量一章中提到的阴极射线管 (CRT) 非常适合测量交流电压，尤其是当电子束从管子屏幕左右扫过而被测交流电压驱动电子束上下时.

使用这种设备可以轻松获得交流波形的图形表示，而不仅仅是幅度测量。但是，CRT 具有重量、尺寸、功耗显着和易碎（由真空玻璃制成）等缺点。

由于这些原因，机电式交流电表机芯在实际应用中仍有一席之地。

由于已经讨论了这些仪表移动技术的一些优点和缺点，交流仪表的设计人员和用户需要注意另一个至关重要的因素。这是RMS测量的问题。

正如我们已经知道的，交流测量通常以直流功率等效量表为标准，称为 RMS (R oot-M ean-S quare) 以便与 DC 和其他不同形状的 AC 波形进行有意义的比较。迄今为止讨论的仪表移动技术都没有固有地测量交流量的 RMS 值。

依赖于机械指针（“整流”达松伐、铁叶和静电）运动的仪表运动都倾向于将瞬时值机械平均为波形的整体平均值。

这个平均值不一定与 RMS 相同，尽管很多时候它被误认为是这样。对于这三种常见的波形形状，平均值和 RMS 值相互比较：

正弦波、方波和三角波的 RMS、平均值和峰峰值。

由于 RMS 似乎是大多数人都希望通过仪器获得的测量值，而机电式仪表运动自然会提供平均值 测量而不是 RMS，交流电表设计人员应该做什么？当然是作弊！

通常假设要测量的波形形状将是正弦（迄今为止最常见，特别是对于电力系统），然后通过适当的倍增因子改变仪表移动比例。

对于正弦波，我们看到 RMS 等于峰值的 0.707 倍，而平均值是峰值的 0.637 倍，因此我们可以将一个数字除以另一个，得到 1.109 的平均值到 RMS 转换因子：

换句话说，仪表运动将被校准以显示大约 1.11 倍高于它通常（自然）指示的，没有特殊调节。必须强调的是，这种“骗术”只有在仪表用于测量纯正弦波源时才有效。

请注意，对于三角波，RMS 和平均值之间的比率与正弦波不同：

对于方波，RMS 和平均值是相同的！经过校准以准确读取纯正弦波上的 RMS 电压或电流的交流电表不会 给出适当的值，同时指示完美正弦波以外的任何事物的幅度。

这包括三角波、方波或任何类型的失真正弦波。随着谐波成为大型交流电力系统中无所不在的现象，准确测量有效值非同小可。

精明的读者会注意到，我在 RMS/Average 讨论中省略了 CRT“运动”。这是因为具有几乎失重的电子束“运动”的 CRT 显示的是交流波形的峰值（或峰峰值，如果您愿意），而不是平均值或 RMS。

尽管如此，还是会出现类似的问题：如何从中确定波形的 RMS 值？峰值和 RMS 之间的转换因子仅在波形完全符合已知形状类别时才成立（此处给出的峰值/RMS/平均值转换因子的示例只有正弦、三角形和方波！）。

一个答案是围绕 RMS 的定义来设计仪表运动：AC 电压/电流在为电阻负载供电时的有效热值。假设要测量的交流电源跨接一个已知阻值的电阻器，并使用热电偶等设备测量该电阻器的热量输出。

这将提供比任何转换因子更直接的 RMS 测量方法，因为它适用于任何波形形状：

直读式热 RMS 电压表适用于任何波形。

虽然上面显示的设备有些粗糙，并且会遇到其自身独特的工程问题，但所示的概念非常合理。电阻器将交流电压或电流量转换为热（热量）量，有效地实时平方值。

该系统的质量通过热惯性原理对这些值进行平均，然后校准仪表刻度本身，以根据热测量的平方根给出指示：一台设备中的完美均方根指示！

事实上，一家主要的仪器制造商已将该技术应用于其高端手持电子万用表产品线，以实现“真有效值”功能。

针对不同的满量程操作范围校准交流电压表和电流表与使用直流仪器非常相似：串联“倍增”电阻器用于为电压表提供更大范围的运动，而并联“分流”电阻器用于允许电流表运动进行测量超出其自然范围的电流。

然而，我们并不像使用 DC 那样局限于这些技术：因为我们可以使用带有交流电的变压器，所以仪表量程可以是电磁式的，而不是电阻性地“升高”或“降低”，有时远远超出电阻器实际允许的范围

电压互感器 (PT) 和电流互感器 (CT) 是精密仪器设备，用于在初级和次级绕组之间产生非常精确的变压比。

它们可以让小型、简单的交流电表运动以准确和完全电气隔离来指示电力系统中的极高电压和电流（倍增器和分流电阻器永远无法做到这一点）：

(CT) 电流互感器按比例缩小电流。 (PT) 电压互感器按比例降低电压。

此处显示的是来自三相交流系统的电压和电流表面板。在面板背面可以看到三个“甜甜圈”电流互感器 (CT)。面板正面的三个交流电流表（每个额定 5 安培满量程偏转）指示通过 CT 的每个导体的电流。

由于该面板已停止使用，因此不再有载流导体穿过 CT“甜甜圈”的中心：

环形电流互感器可将高电流水平降低到 5 A 全量程交流电流表的应用。

由于互感器的费用（通常是大尺寸），它们不用于测量除高电压和高电流以外的任何应用的交流电表。为了将毫安或微安的运动缩放到 120 伏或 5 安的范围，使用普通的精密电阻器（乘法器和分流器），就像使用直流电一样。

评论：

• 极化 (DC) 仪表运动必须使用称为二极管的设备 能够指示交流量。
• 机电仪表运动，无论是电磁的还是静电的，自然地提供平均值 测量的交流量的值。这些仪器的范围可以指示 RMS 值，但前提是事先准确知道交流波形的形状！
• 所谓的真实有效值 仪表使用不同的技术来提供表示交流波形的实际 RMS（而不是偏斜的平均值或峰值）的指示。