電工儀表與測量基本知識

電工儀表與測量基本知識電工儀表和電工測量是從事電工專業(yè)的技術人員必須掌握的一門知識。本章介紹電工測量和電工儀表的基本知識。第一節(jié)電工測量基本知識一、電工測量的意義電工測量就是借助于測量設備，把未知的電量或磁量與作為測量單位的同類標準電量或標準磁量進行比較，從而確定這個未知電量或磁量(包括數(shù)值和單位)的過程。一個完整的測量過程，通常包含如下幾個方面：1、 測量對象電工測量的對象主要是反映電和磁特征的物理量，如電流(I)、電壓(V)、電功率(P)、電能(W)以及磁感應強度(B)等；反映電路特征的物理量，如電阻(R)、電容(C)、電感(L)等；反映電和磁變化規(guī)律的非電量，如頻率f)、相位(?)、功率因數(shù)(cos?)等。2、 測量方式和測量方法根據(jù)測量的目的和被測量的性質，可選擇不同的測量方式和不同的測量方法(詳見本節(jié)二)。3、 測量設備對被測量與標準量進行比較的測量設備，包括測量儀器和作為測量單位參與測量的度量器。進行電量或磁量測量所需的儀器儀表，統(tǒng)稱電工儀表。電工儀表是根據(jù)被測電量或磁量的性質，按照一定原理構成的。電工測量中使用的標準電量或磁量是電量或磁量測量單位的復制體，稱為電學度量器。電學度量器是電氣測量設備的重要組成部分，它不僅作為標準量參與測量過程，而且是維持電磁學單位統(tǒng)一，保證量值準確傳遞的器具。電工測量中常用的電學度量器有標準電池。標準電阻、標準電容和標準電感等。除以上三個主要方面外，測量過程中還必須建立測量設備所必須的工作條件；慎重地進行操作，認真記錄測量數(shù)據(jù)；并考慮測量條件的實際情況進行數(shù)據(jù)處理，以確定測量結果和測量誤差。二、測量方式和測量方法的分類1、 測量方式的分類測量方式主要有如下兩種：直接測量在測量過程中，能夠直接將被測量與同類標準量進行比較，或能夠直接用事先刻度好的測量儀器對被測量進行測量，從而直接獲得被測量的數(shù)值的測量方式稱為直接測量。例如，用電壓表測量電壓、用電度表測量電能以及用直流電橋測量電阻等都是直接測量。直接測量方式廣泛應用于工程測量中。間接測量當被測量由于某種原因不能直接測量時，可以通過直接測量與被測量有一定函數(shù)關系的物理量，然后按函數(shù)關系計算出被測量的數(shù)值，這種間接獲得測量結果的方式稱為間接測量。例如，用伏安法測量電阻，是利用電壓表和電流表分別測量出電阻兩端的電壓和通過該電阻的電流，然后根據(jù)歐姆定律R=U/1計算出被測電阻R的大小。間接測量方式廣泛應用于科研、實驗室及工程測量中。2、 測量方法的分類在測量過程中，作為測量單位的度量器可以直接參與也可以間接參與。根據(jù)度量器參與測量過程的方式，可以把測量方法分為直讀法和比較法。直讀法用直接指示被測量大小的指示儀表進行測量，能夠直接從儀表刻度盤上讀取被測量數(shù)值的測量方法，稱為直讀法。直讀法測量時，度量器不直接參與測量過程，而是間接地參與測量過程。例如，用歐姆表測量電阻時，從指針在刻度尺上指示的刻度可以直接讀出被測電阻的數(shù)值。這一讀數(shù)被認為是可信的，因為歐姆表刻度尺的刻度事先用標準電阻進行了校驗，標準電阻已將它的量值和單位傳遞給歐姆表，間接地參與了測量過程。直讀法測量的過程簡單，操作容易，讀數(shù)迅速，但其測量的準確度不高。比較法將被測量與度量器在比較儀器中直接比較，從而獲得被測量數(shù)值的方法稱為比較法。例如，用天平測量物體質量時，作為質量度量器的砝碼始終都直接參與了測量過程。在電工測量中，比較法具有很高的測量準確度，可以達到土0.001%，但測量時操作比較麻煩，相應的測量設備也比較昂貴。根據(jù)被測量與度量器進行比較時的不同特點又可將比較法分為零值法、較差法和替代法三種。零值法又稱平衡法，它是利用被測量對儀器的作用，與標準量對儀器的作用相互抵消，由指零儀表做出判斷的方法。即當指零儀表指示為零時，表示兩者的作用相等，儀器達到平衡狀態(tài)；此時按一定的關系可計算出被測量的數(shù)值。顯然，零值法測量的準確度主要取決于度量器的準確度和指零儀表的靈敏度。較差法是通過測量被測量與標準量的差值，或正比于該差值的量，根據(jù)標準量來確定被測量的數(shù)值的方法。較差法可以達到較高的測量準確度。替代法是分別把被測量和標準量接入同一測量儀器，在標準量替代被測量時，調節(jié)標準量，使儀器的工作狀態(tài)在替代前后保持一致，然后根據(jù)標準量來確定被測量的數(shù)值。用替代法測量時，由于替代前后儀器的工作狀態(tài)是一樣的，因此儀器本身性能和外界因素對替代前后的影響幾乎是相同的，有效地克服了所有外界因素對測量結果的影響。替代法測量的準確度主要取決于度量器的準確度和儀器的靈敏度。第二節(jié)測量誤差在測量過程中，由于受到測量方法、測量設備、試驗條件及觀測經(jīng)驗等多方面因素的影響，測量結果不可能是被測量的真實數(shù)值，而只是它的近似值；即任何測量的結果與被測量的真實值之間總是存在著差別，這種差別稱為測量誤差。一、測量誤差的分類根據(jù)產(chǎn)生測量誤差的原因，可以將其分為系統(tǒng)誤差、偶然誤差和疏失誤差三大類。1、 系統(tǒng)誤差能夠保持恒定不變或按照一定規(guī)律變化的測量誤差，稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差主要是由于測量設備、測量方法的不完善和測量條件的不穩(wěn)定而引起的。由于系統(tǒng)誤差表示了測量結果偏離其真實值的程度，即反映了測量結果的準確度，所以在誤差理論中，經(jīng)常用準確度來表示系統(tǒng)誤差的大小。系統(tǒng)誤差越小，測量結果的準確度就越高。2、 偶然誤差偶然誤差又稱隨機誤差，是一種大小和符號都不確定的誤差，即在同一條件下對同一被測量重復測量時，各次測量結果服從某種統(tǒng)計分布；這種誤差的處理依據(jù)概率統(tǒng)計方法。產(chǎn)生偶然誤差的原因很多，如溫度、磁場、電源頻率等的偶然變化等都可能引起這種誤差;另一方面觀測者本身感官分辨能力的限制，也是偶然誤差的一個來源。偶然誤差反映了測量的精密度，偶然誤差越小，精密度就越高，反之則精密度越低。系統(tǒng)誤差和偶然誤差是兩類性質完全不同的誤差。系統(tǒng)誤差反映在一定條件下誤差出現(xiàn)的必然性；而偶然則反映在一定條件下誤差出現(xiàn)的可能性。3、 疏失誤差疏失誤差是測量過程中操作、讀數(shù)、記錄和計算等方面的錯誤所引起的誤差。顯然，凡是含有疏失誤差的測量結果都是應該擯棄的。二、 測量誤差的消除方法測量誤差是不可能絕對消除的，但要盡可能減小誤差對測量結果的影響，使其減小到允許的范圍內(nèi)。消除測量誤差，應根據(jù)誤差的來源和性質，采取相應的措施和方法。必須指出，一個測量結果中既存在系統(tǒng)誤差，又存在偶然誤差，要截然區(qū)分兩者是不容易的。所以應根據(jù)測量的要求和兩者對測量結果的影響程度，選擇消除方法。一般情況下，在對精密度要求不高的工程測量中，主要考慮對系統(tǒng)誤差的消除；而在科研、計量等對測量準確度和精密度要求較高的測量中，必須同時考慮消除上述兩種誤差。1、系統(tǒng)誤差的消除方法對測量儀表進行校正在準確度要求較高的測量結果中，引入校正值進行修正。消除產(chǎn)生誤差的根源即正確選擇測量方法和測量儀器，盡量使測量儀表在規(guī)定的使用條件下工作，消除各種外界因素造成的影響。采用特殊的測量方法如正負誤差補償法、替代法等。例如，用電流表測量電流時，考慮到外磁場對讀數(shù)的影響，可以把電流表轉動180度，進行兩次測量。在兩次測量中，必然出現(xiàn)一次讀數(shù)偏大，而另一次讀數(shù)偏小，取兩次讀數(shù)的平均值作為測量結果，其正負誤差抵消，可以有效地消除外磁場對測量的影響。2、偶然誤差的消除方法消除偶然誤差可采用在同一條件下，對被測量進行足夠多次的重復測量，取其平均值作為測量結果的方法。根據(jù)統(tǒng)計學原理可知，在足夠多次的重復測量中，正誤差和負誤差出現(xiàn)的可能性幾乎相同，因此偶然誤差的平均值幾乎為零。所以，在測量儀器儀表選定以后，測量次數(shù)是保證測量精密度的前提。三、 測量誤差的表示方法測量誤差通常用絕對誤差和相對誤差表示。1、 絕對誤差測量結果的數(shù)值與被測量的真實值的差值稱為絕對誤差。由于被測量的真實值往往是很難確定的，所以實際測量中，通常用標準表的指示值或多次測量的平均值作為被測量的真實值。2、 相對誤差測量的絕對誤差與被測量真實值之比，稱為相對誤差。實際測量中通常用標準表的指示值或多次重復測量的平均值作為被測量的真實值，即或用百分誤差表示為百分誤差也稱為相對誤差。顯然，相對誤差越小準確度越高。第三節(jié)電工儀表的基本知識電工儀表是實現(xiàn)電磁測量過程所需技術工具的總稱。在電工專業(yè)領域中，經(jīng)常接觸的是電工指示儀表和校量儀器。、電工指示儀表的基本原理及組成電工指示儀表的基本原理是把被測電量或非電量變換成儀表指針的偏轉角。因此它也稱為機電式儀表，即用儀表指針的機械運動來反映被測電量的大小。電工指示儀表通常由測量線路和測量機構兩部分組成。測量機構是實現(xiàn)電量轉換為指針偏轉角，并使兩者保持一定關系的機構。它是電工指示儀表的核心部分。測量線路將被測電量或非電量轉換為測量機構能直接測量的電量，測量線路的構成必須根據(jù)測量機構能夠直接測量的電量與被測量的關系來確定；它一般由電阻、電容、電感或其它電子元件構成。二、電工指示儀表的分類、標志和型號1、電工指示儀表的分類電工指示儀表可以根據(jù)原理、結構、測量對象、使用條件等進行分類。⑴根據(jù)測量機構的工作原理分類，可以把儀表分為磁電系、電磁系、電動系、感應系、靜電系、整流系等。根據(jù)測量對象分類，可以分為電流表(安培表、毫安表、微安表)、電壓表(伏特表、毫伏表、微伏表以及千伏表)、功率表(又稱瓦特表)、電度表、歐姆表、相位表等。根據(jù)儀表工作電流的性質分類，可以分為直流儀表、交流儀表和交直流兩用儀表。按儀表使用方式分類，可以分為安裝式儀表和可攜式儀表等。按儀表的使用條件分類，可以分為A、Al、B、B1和C五組。有關各組的規(guī)定可以查閱國家標準GB76—76《電測量指示儀表通用技術條件》按儀表的準確度分類，有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共七個準確度等級。2、電工指示儀表的標志

電工指示儀表的表盤上有許多表示其技術特性的標志符號。根據(jù)國家標準的規(guī)定，每一個儀表必須有表示測量對象的單位、準確度等級、工作電流的種類、相數(shù)、測量機構的類別、使用條件級別、工作位置、絕緣強度試驗電壓的大小、儀表型號和各種額定值等標志符號?？蓞⒁姳?-1。用途號（國際通用代號）設計序號（數(shù)字）系列號（漢語拼音字母）形狀第三位代號（數(shù)字“0”形狀第一位代號（數(shù)圖2-1安裝式儀表型號的編制規(guī)則3、電工指示儀表的型號（1）安裝式儀表型號的組成如圖2-1所示。其中第一位代號按儀表面板形狀最大尺寸特征編制；系列代號按測量機構的系列編制，如磁電系代號為“C”，電磁系代號為“T”，電動系代號為“D”等。（2）可攜式儀表型號的組成由于可攜式儀表不存在安裝問題，所以將安裝式儀表型號中的形狀代號可省略，即是它的產(chǎn)品型號。表2-1常見電工指示儀表和附件的表面標志符號A、測量單位的符號名稱稱號名稱稱號名稱稱號名稱稱號千安KA兆兆歐TQ千瓦kW毫韋伯/mT

米2安培A兆歐MQ瓦特W微法pF毫安mA千歐kQ兆乏Mvar微微法pF微安口A歐姆Q千乏kvar亨.H千伏kV毫歐mQ乏爾var毫亨mH毫伏mV微歐pQ兆赫MHz微亨pH微伏口V庫侖C-T土土千赫kHz攝氏度°C兆瓦MW毫韋伯mWb赫茲Hz兆瓦MW毫韋伯mWb赫茲Hz三、電工指示儀表的誤差和準確度1、誤差電工指示儀表的誤差有基本誤差和附加誤差。儀表的基本誤差是指儀表在規(guī)定的使用條件下測量時，由于結構上和制作上不完善引起的誤差。例如，儀表的可動部分的摩擦、刻度尺刻度不均勻等原因引起的誤差均屬基本誤差。當儀表不能在規(guī)定的使用條件下工作時，除了基本誤差外，由于溫度、外磁場等因素的影響，還將產(chǎn)生附加誤差。2、準確度儀表的基本誤差通常用準確度來表示，準確度越高，儀表的基本誤差就越小。對于同一只儀表，測量不同大小的被測量，其絕對誤差變化不大，但相對誤差卻有很大變化，被測量越小，相對誤差就越大，顯然，通常的相對誤差概念不能反映出儀表的準確性能，所以，一般用引用誤差來表示儀表的準確度性能。儀表測量的絕對誤差與該表量程的百分比，稱為儀表的引用誤差。儀表的準確度就是儀表的最大引用誤差，即儀表量程范圍內(nèi)的最大絕對誤差與儀表量程的百分比。顯然，準確度等級表明了儀表基本誤差最大允許的范圍。表2-2是國標GB76—76中對儀表在規(guī)定的使用條件下測量時，各準確度等級的基本誤差范圍。表2-2準確度等級和基本誤差表準確度等級0.10.20.51.01.52.55.0基本誤差±0.1±0.2±0.5±1.0±1.5±2.5±5.0四、對電工指示儀表的主要技術要求足夠的準確度合適的靈敏度儀表本身消耗的功率小良好的讀數(shù)裝置五、 電氣測量指示儀表的選擇無論用怎樣完善的測量儀表進行測量，都會產(chǎn)生誤差。引起測量誤差的原因，除了儀表的基本誤差外，還因為儀表使用不當和選擇不合理而造成。為減小儀表的測量誤差，必須合理地選擇儀表。1、技術特性比較各種電氣測量指示儀表的技術特性，如表2-3所列。2、儀表的選擇原則根據(jù)被測量的性質選擇儀表類型：根據(jù)被測量是直流電還是交流電來選擇直流儀表或交流儀表。測量交流時，應區(qū)別是正弦波還是非正弦波，還要考慮被測量的頻率范圍。根據(jù)工程實際，合理地選擇儀表的準確度等級：儀表的準確度越高，測量誤差越小，但價格貴，維修也困難，因此在滿足準確度要求的情況下，不選用高準確度儀表。根據(jù)測量范圍選用量限：測量結果的準確程度，不僅與儀表準確度等級有關，而且與它的量限也有關。一般應使測量范圍在儀