电工测量的一般知识及误差分析精.docx

1、电工测量的一般知识及误差分析精第一章 电工测量的一般知识及误差分析1.1 电工测量的一般知识一、电工测量 所谓测量，简单说就是确定被测量的数值；电工测量就是被测的电工量与其单位量进行比较，以确定其大小的过程。二、电工仪表的分类 电工测量仪表种类繁多，分类方法也很多。下面介绍几种常见的电工测量仪表的分类方法。1根据电工测量仪表的工作原理分类主要有下列几种：磁电系；电动系；感应系；电子系等。2根据被测量的名称或单位不同分类 主要有；电流表；电压表；功率表；欧姆表等。3根据仪表工作电流的种类分类 直流仪表；交流仪表；交直流两用仪表。4根据使用方式分类 开关板式与可携式仪表。5根据仪表测量结果的显示方

2、式分类 指针指示、光标指示；屏幕显示；数字显示等。 电工测量用的指示仪表的基本工作原理都是将被测量通过各种电磁原理变换成仪表活动部分的偏转角位移。为了实现上述转变，常用电工测量指示仪表通常都由测量线路和测量机构两部分组成。测量线路的作用：是将被测量变换成为测量机构能够直接测量的电磁量。测量机构的作用：1 产生转动力矩 :通过电磁原理产生转动力矩，驱使仪表的活动部分按测量要求转动形成偏转角的位移。2 产生反作用力矩: 其方向与转动力矩相反，作用在仪表的活动部分上，在转动力矩发生偏转时，反作用力矩也在活动部分上且随着偏转角的增大而增大。当转动力矩与反作用力矩相等时，指针就指示出被测量的读数。3 产

3、生阻尼力矩: 当转动力矩与反作用力矩相等时，仪表指针没有静止在某一读数上而是左右摆动，产生与运动方向相反的阻尼力矩使指针立即停止在平衡位置上。三、电工测量方法的分类 按测量方式可分为：1 直接测量。由所用测量仪器仪表直接得到被测量数值的，称直接测量。如用电流表测电流，用电桥测电阻等。2 间接测量。先测出与被测量有关的几个中间量，然后通过计算再求出被测量的，称间接测量。如用伏安法测量电阻，就是先测出电阻的电压和电流，然后再根据欧姆定律计算出电阻值。按测量方法可分为：1 直读法。使用电工测量指示仪表，在测量时通过仪表指针的偏转直接读取被测量数值的，称直读法。各种电流表、电压表、功率表和万用表均为电

4、工测量指示仪表。这种仪表测量简便、快速，但由于仪表本身的误差等因素会造成测量误差。2 比较法。将被测量与标准量在比较式仪表内进行比较，从而得知被测量数值的，称比较法。各种交、直流电桥均为比较式仪表。这种测量方法的准确率高，但操作比较麻烦。电工测量的方法是多种多样的，对某一被测量不限于采用一种方法，例如测量电阻值，有伏安法、电桥法，也可以用万用表来测量，每一个方法都有其优点和缺点。我们需要根据具体条件，采用合适的仪器仪表和合适的方法来进行测量。四、测量仪表的表面标记仪表的表面有各种标记符号，以表明它的基本技术特性。根据国家规定，每一只仪表应有测量对象的电流种类、单位、工作原理的系别、准确度等级、

5、工作位置、外界条件、绝缘强度、仪表型号以及额定值等的标志。常见的标记符号的意义如表1-1所示。表1-1 常见电工仪表的表面标记符号分 类符 号名 称电流种类直 流交 流 交直流两用测量单位A安 培V伏 特W瓦 特var乏Hz赫 芝mA毫 安kV千 伏工作原理磁电系仪表磁电系比率表 电磁系仪表电动系仪表感应系仪表静电系仪表准确率等级1.5以标尺量限的百分数表示以指示值的百分数表示工作位置 标尺位置垂直 标尺位置水平 标尺位置与水平面成60角表1-1常见电工仪表的表面标记符号外界条件级防外磁场（磁电系） 级防外电场（静电系）级防外磁场及电场级防外磁场及电场级防外磁场及电场A A组仪表B B组仪表C

6、 C组仪表分 类符 号名 称绝缘强度不进行绝缘耐压试验绝缘强度耐压试验5kV2绝缘强度耐压试验2kV端钮标记+正级性端钮负级性端钮公共端钮交流端钮与屏蔽相连接端钮与外壳相连接端钮接地用的端钮调零器1.2 测量仪表及测量的误差和分析我们进行的任何测量都希望获得被测量的真实数据，真实数据简称为“真值”。实际上，所有的仪表都不能实现绝对理想的测量，因而我们得到的并不是被测量的真值，而是近似值。仪表的指示值与真值之间的差异，称为仪表的误差。仪表误差的大小，反映了仪表的准确程度。一、仪表误差的分类根据误差产生的原因，仪表的误差分为两类。1基本误差由于仪表本身结构不够准确而固有的误差。如标尺刻度不准确，安

7、装不准确等原因，均会造成此类误差。2附加误差由于使用仪表在非正常条件下进行测量时产生的误差。如环境温度、外界电磁场等发生变化及安放位置不符合要求时，均会引起此类误差。二、误差的几种表示形式1绝对误差测量值Ax与被测量的真值A0之间的差值，称为绝对误差，用符号表示，即=Ax-A0式中：Ax-仪表的指示值、仪表的读数。 A0-被测量的实际值或用高精度仪表测得的值。 例1.1 电压表甲在测量实际值为100V的电压时，测量值为101V；电压表乙在测量实际值为1000V的电压时，测量值为998V。求两表的绝对误差。 解：甲表的绝对误差甲=101-100=1（V）乙表的绝对误差乙=998-1000=-2（

8、V） |甲|乙|，但如果认为甲表比乙表准确度高，显然是错误的。在这种情况下，应采用相对误差来进行评定。2相对误差 绝对误差与实际值A0的比值称为相对误差，用符号表示 在例1-1中，甲、乙两电压表的相对误差分别为： 显然，后者较前者的相对误差小，其准确程度高。可见，相对误差表明了误差测量结果的相对影响，给出了误差的清晰概念。3引用误差 相对误差可以表示测量结果的准确程度，却不能用来说明仪表本身的准确性能。一只仪表在其测量范围内，各刻度处的绝对误差相差不大，因而相对误差就随着测量值的减小而增大。例如一只0250V的电压表，在测量200V时，绝对误差=2V，其相对误差为：在测量10V时，绝对误差=1

9、.9V，其相对误差为： 因而相对误差在仪表的全量限上变化很大,任取哪一个值来表示仪表的准确度都不合适. 如果把相对误差计算公式中的分母换用仪表的最大刻度值(即上量限),则比值就接近一个常数，解决了表示同一只仪表的相对误差太大的问题。绝对误差与仪表最大刻度值Am之比的百分数，称为引用误差或满度相对误差，记为即： 由于在测量不同值时，仪表的绝对误差将略有不同。因此，规定用最大绝对误差m与仪表的最大刻度值Am之比的百分数来表示仪表的准确度，称为最大引用误差，记为K即：根据国家标准GB77676电测量指示仪表通用技术条件规定，仪表的准确度分为七级，它们的最大误差不允许超过表1-2的规定。表1-2 各级

10、仪表的允许基本误差仪表的准确度等级0.10.20.51.01.52.55.0基本误差允许值K0.10.20.51.01.52.55.0 例1-2 用准确度为0.5级，量程为15A的电流表测量5A电流时，其最大可能的相对误差是多少？测5A电流时：由此可见，测量结果的准确度即其最大相对误差，并不等于仪表准确度所表示的允许基本误差。因此，在选用仪表时不仅要考虑适当的仪表准确度，还要根据被测量的大小，选择相应的仪表量程，才能保证测量结果具有足够的准确性。第二章 磁电系仪表 2.1磁电系测量机构一、 磁电系测量机构 磁电系测量机构是利用永久磁铁的磁场对载流线圈产生作用力的原理制成的。如图2-1测量机构由

11、两部分组成:一是固定部分,另一是可动部分。固定部分是磁路系统，它包括 1、永久磁铁；2、原柱形铁芯。可动部分是由绕在铝框上的可动线圈（简称动圈），3、动圈；4、游丝；5指针等组成。铝框和指针都固定在转轴上，转轴有上下两个半轴构成；两个游丝的螺旋方向相反，它们的一端也分别固定在转轴上，并分别与线圈的两个端头相连。下游丝的另一端固定在支架上，上游丝的另一端与调零器相连。所以游丝不但用来产生反作用力矩，并且用来作为将电流导入动圈的引线。在转轴上还装有平衡锤，用来平衡指针的重量。整个可动部分通过轴尖支承于宝石轴承中。二、工作原理当电流I通过动圈时，动圈就会受到磁场B的作用力而发生偏转。动圈每边导线所受

12、到的电磁力为F=NBIL，其中N为匝数，L为一边的长度。动圈所受到的转动力矩为：式中：b动圈宽度 A动圈的面积在转动力矩的作用下，可动部分发生偏转，如图2-1所示。引起游丝扭转而产生反作用力矩Ma，此力矩与扭紧的程度成正比。故有：式中：-动圈的偏转角 D游丝的弹性系数当转矩与反作用力矩平衡时，指针将停留在某一位置，此时有所以 式中，是磁电系仪表机构的灵敏度，它是一个常数。所以磁电系测量机构的指针偏转角与通过动圈的电流I成正比。因此，标尺的刻度是均匀的（即线性标尺）。磁电系测量机构利用铝框产生阻尼力矩，当可动部分在平衡位置左右摆动时，铝框因切割磁力线而产生感应电流Ie，此电流受磁场作用而产生作用

13、力F。其方向总是与铝框摆动的方向相反，从而阻止可动部分来回摆动，使之很快地静止下来。当铝框静止时，由于不再切割磁力线，铝框里没有电流，故不产生阻尼力矩。由此可见，阻尼器有以下特点：（1）阻尼力矩在仪表可动部分摆动时产生，其方向总是与摆动的方向相反，从而对可动部分的摆动起制动作用。（2）可动部分静止不动时，阻尼作用也随之消失，因而阻尼器对测量结果没有影响。三、技术特性磁电系仪表具有以下主要技术特点：（1） 标尺刻度均匀，读数方便。（2） 只适用于测量直流。（3） 灵敏度高。（4） 准确度高。（5） 外磁场影响小。（6） 过载能力低，使用时注意不要过载。2.2磁电系仪表的构成直流电流表和直流电压表

14、主要采用磁电系测量机构。测量时，电流表与被测电路串联，电压表与被测电路并联。由于电流表的内阻并不等于零，电压表的内阻也并不等于无穷大；因此，当它们接入电路时，会对电路的工作状态产生一定的影响，从而造成测量误差。电流表内阻越小，或电压表内阻越大，对被测电路的影响就越小，测量误差也越小。一、磁电系电流表图2-2由于磁电系测量机构只能通过约50mA的电流，为了扩大磁电系测量机构的量限，以测量较大的电流可用一个电阻与动圈并联，使大部分电流从并联电阻中分流，而动圈只流过允许的电流。这个电阻叫做分流电阻，用Rs表示，如图2-2，图中标 表示测量机构，ro为测量机构的内阻。并联分流电阻后，通过测量机构的电流

15、I1可由分流公式求得，即：可见，通过测量机构的电流与被测电流成正比。因而仪表的标尺可以用被测电流来刻度。被测电流I与通过测量机构的电流I之比称为电流量限扩大倍数，用n来表示，即：如果电流量限扩大倍数n为已知，则分流电阻 例2-1，一磁电系测量机构，其满偏电流I0为200uA，内阻r0为300，若将量限扩大为1A，求分流电阻。解： 先求电流限量扩大倍数则分流电阻 Rs2ro磁电系电流表可以制成多量限，图2-3所示具有两个量限的电流表电路。图中量限为I2档的分流电阻为Rs1+Rs2，I2档的分流电阻为Rs1，Rs1和Rs2的值可由下述方法确定。因为不论在哪个量限，表头支路电压降与分流支路电压降总是

16、相等的，所以对量限I2和I1可分别列得 I0R0=（I2-I0）（Rs1+Rs2）+ I0（r0+ Rs2）=（I1-I0）Rs1图2-3I0（r0+ Rs1+Rs2）= I2（Rs1+Rs2）I0（r0+ Rs1+Rs2）= I1 Rs1I1 Rs1= I2（Rs1+Rs2） 表明各量限的电流与其分流电阻的乘积相等。此结论也适用于三量限或四量限电流表。例2-2 如图2-3所示双量限电流表，已知表头满偏电流I0为0.6mA，内阻r0为280，量限I1=10mA，I2=1mA。求分流电阻Rs1和Rs2。解：总分流电阻 Rs1+Rs2= I1 Rs1= I2（Rs1+Rs2）=110-3420=0

17、.42（V） Rs1= Rs2=420- Rs1=420-42=378（） 当电流表需测量50A以上的大电流时，为保证热稳定，不致因过热而改变测量电路各并联支路的阻值，应使分流器有足够大的散热面积。一般因尺寸较大，做成单独的外附分流器。二、磁电系电压表 磁电系测量机构的两端接于被测电压U时，测量机构中的电流为，它与被测电压成正比，所以测量机构的偏转可以用来指示电压。但测量机构的允许电流很小，因而直接作为电压表使用只能测量很小的电压，一般只有几十毫伏。为测量较高的电压，通常用一个大电阻与测量机构串联，以分走大部分电压，而使测量机构只承受很少一部分电压。这个电阻叫附加电阻Rd表示。RdV0如图2-

18、4 串联附加电阻后，U测量机构的电流I图2-4它与被测电压U成正比，所以指针偏转可以反映被测电压的大小，若使标尺按扩大量限后的电压刻度，便可直接读取被测电压值。 电压表的量限扩大为U，它与被测量机构的满偏电压U0之比称为电压量限扩大倍数，用m表示若m已给定，则可求出附加电阻Rd。Rd=（m-1）r0例2-2 有一磁电系测量机构，其满偏电流I0=200uA，内阻r0=500，今要制成100V的电压表，求附加电阻。解：先求测量机构的满偏电压U0= I0 r0=20010-650=0.1（V）则电压量限扩大倍数Rd=（m-1）r0=（1000-1）500=499.5（k）电压表也可制成多量限，只要串

19、联几个附加电阻即可。-3V15V7.5V如图2-5，图为三量限电压表。图2-5三、万用表的基本原理万用表是一种多用途的仪表,一般的万用电表可用来测量直流电压、直流电流、电阻及交流电压等，现对万用电表的基本原理做一介绍。1表头表头是万用电表进行各种不同测量的公用部分，它是一个很灵敏的测量机构，内部有一个可动的线圈，它的电阻称为表头的内阻。线圈通有电流之后，与永久磁铁互相作用产生磁场力，发生偏转，所偏转的角度与线圈中通过的电流成正比。固定在线圈上的指针随线圈一起偏转，指示线圈所偏转的角度。当指针指示满标度时，线圈中通过的电流称为满偏电流。内阻和满偏电流是描述表头特性的两个参数，分别以Rg和Ig表示

20、。RgIRUG-2直流电压的测量。+将表头串联一个分压电阻R，图2-6即构成一个最简单的直流电压表，如图2-6所示。测量时，要将电压表并联在被测电压U的两端，这时通过表头的电流由于表头内阻Rg和分压电阻R的值是不变的，因此，通过表头的电流与被测电压成正比。只要在标度盘上按电压刻度，则根据指针的偏转，就能指示被测电压的值。分压电阻根据电压表的量程确定。电压表的量程UL是指这个电压表所能测量的最大电压。显然，当被测电阻U=UL时，通过表头的电阻I=Ig，用欧姆定律即可求出分压电阻的值是R=在万用表中，用转换开关分别将不同数值的分压电阻与表头串联，就能得到几个不同的电压量程。R5U2U1Ig例题图2

21、-7所示U4U3某万用电表的直流电压U5-+表部分，它有五个量程，图2-7分别是U1=2.5V，U2=10V，U3=50V，U4=250V，U5=500V，表头参数Rg=3k，Ig=50Ua，求各分压电阻。解：用欧姆定律分别求出各分压电阻的值为R1=R2=R3=R4=R5=3电流电压的测量V2图2-8是交流电压表的基本原理电路图，与直流电压表所不同的地方，只是增加了一个与表头串联的二极管V1及并联的二极管V2，被测的交流电压U经分压电阻R分压。二极管V1和V2均具有单向导电的性能，在交流电压的正半周时，若V2不导通，则V1导通，图2-8此时有电流通过表头；相反，在交流电压的负半周时，则V2导通

22、，V1不导通，这时，被测的交流电流在AB之间被V1打开，并被V2所短路，因而没有电流通过表头。所以，虽然被测电压是交流电压，但通过表头的却是单方向的电流，使指针所偏转的角度基本上与被测的交流电压U成正比，从而测出被测电压的值。4直流电流的测量。RgGIg将表头并联一分流电阻，即构成一个最简单的直流电流表，如图2-9所示。测量某一负载中的电流时，要将电流表与该负载串联，使被测电流I通过电流表。根据并联电路的性质，这时通过表头的电流是：RI IG=图2-9上式表明，在一定的分流电阻下，通过表头的电流IG与被测电流I成正比所以，只要在标度盘上按电流刻度，则根据指针偏转就能直接指示被测电流的值。分流电

23、阻由电流表的量程IL确定。当被测电流I=IL时，表头中的电流IG=Ig，由欧姆定律算出 RgIgGI3I2R4R3R2R1 R=I4I1实际的万用电表是利用转换开关，图2-10-+将电流表制成多量程的，如图2-10所示。5电阻的测量在万用电表中装有欧姆表的电流，可以用来测量电阻，其基本原理如入2-11所示。G是内阻为Rg、满偏电流为Ig的电流表；R是可变电阻，也叫调零电阻；电池的的电动势是E，内阻是r。当红、黑表笔相接时，表明红、黑表笔间的电阻为零。当红、黑表笔不接触时图2-11（b），电路中没有电流，指针不偏转，即指着电流表的零点，表明表笔间的电阻是无穷大。当红、黑表笔之间接入某一电阻Rx时

24、图2-11（c），则通过电流表的电流：rEGI=Rx改变，I随着改变。黑笔红笔(a)可见每一个Rx值都有一个对应的电流值I。在刻rrEEGG度盘上直接标出与 I对黑笔红笔应的电阻Rx的值，只要黑笔红笔用红黑表笔分别接触待(c)(b)测电阻的两端，就可以图2-11从表盘上直接读出它的阻值。用欧姆表来测电阻是很方便的，但是电池用久了，它的电动势和内阻都要变化，那时欧姆表指示的电阻值误差就相当大了，所以，欧姆表只能用来粗略地测量电阻。6万用表的使用注意事项使用前调整表盘上的零位调节器，使指针指零；正确选择万用表的档位；选择好档位要正确读数；测量电流及电压时要注意正负极性；测量电流时，万用表必须串联到

25、被测电路中；测量电压时，万用表必须并联到被测量的两端；测电阻时严禁在电阻带电的情况下测量。避免在带电的情况下切换万用表转换开关。四、兆欧表兆欧表又称摇表，这种仪表主要用来测量绝缘电阻，以判定电机、电气设备和线路的绝缘是否良好。这关系到这些设备能否安全运行。由于绝缘材料常因发热、受潮、污染和老化等原因使其电阻值降低，泄露电流增大，甚至绝缘损坏，从而造成漏电和短路等事故。因此，必须对设备的绝缘电阻进行定期检查。各种设备的绝缘电阻都有基本要求。一般来说，绝缘电阻越大，绝缘性能越好。兆欧表由两个主要部分组成，磁电式比率表和手摇发电机。手摇直流发电机能产生500V、1000V、2500V或5000V的直

26、流高压以便与被测设备的工作电压相对应。兆欧表的使用：（1）兆欧表的选择。选用兆欧表，主要是选择它的额定电压和测量范围。兆欧表的额定电压即手摇发电机的开路电压。当被测设备的额定电压在500V以下时，选用500V或2500V的兆欧表。额定电压在500V以上的被测设备，用1000V或2500V的兆欧表。选用兆欧表的电压过低，测量结果不能正确反映被测设备在工作电压下的绝缘电阻；选用电压过高，容易在测量时损坏设备的绝缘。手摇兆欧表的额定电压要与比被测设备的工作电压相对应。（2） 被测设备必须与电源切断后才能进行测量。对具有大电容的设备，如输电线路、高压电容器等，还需要进行放电。用兆欧表测量过的设备，也可

27、能带有残余电压，也要测量后及时放电。（3） 测量前兆欧表的检查。当兆欧表接线端开路时，摇动摇柄至额定转速（120r/min），指针应在“”；按线端短路时，缓慢摇动手柄，指针应在“0”。（4） 接线方法。兆欧表一般有三个接线柱，分别标有“线”（L），“地”（E）和“屏”（G）。测量时，将被测绝缘电阻接在L和E之间，例如测量电机绕组的绝缘电阻时，将绕组的接线端接在L上，机壳接在E上。G是用来屏蔽表面电流的，当被测设备的表面不干净或空气太潮湿时，表面有泄露电流I，它与体积电流Iv一起通过线圈1时，会使指针偏转角增大，从而使兆欧表的示值低于真实绝缘电阻值。（5） 摇速。应尽量接近120r/min的额定

28、转速。（6） 读数。为了获得准确的测量结果，要求在转速达额定转速并持续到指针稳定时才读书，对有电容的被测设备，更应该注意这一点。第三章 电磁系仪表3.1 电磁系测量机构的构成及其它工作原理一、 电磁系测量机构电磁系测量机构有两种，吸引型和排斥型1 吸引型：如图3-1所示，它是固定线圈1和偏心可动铁芯片吸引，使可动铁芯片2组成电磁系统，转轴上并装有游丝3，空气阻尼器4和指针5等。固定线圈通电时，产生的磁场将偏心可动铁片吸引，使可动铁片发生偏转，并带动指针，指示通过电流的大小。固定线圈中的电流方向改变时，对可动铁片仍产生吸引力。如图3-2所示。所以，这种机构即可以测直流，也可以测交流。2 排斥型：

29、如图3-2其固定部分包括固定线圈1和线圈内壁的固定铁片2，可动部分有固定在转轴上的可动铁片3，空气阻尼器4，指针5和游丝6等组成。固定线圈通电后，产生的磁场使两个铁片同时被磁化，两个铁片的同一侧有相同的磁性，两个铁片仍相互排斥，故可动铁片的转动方向不变。所以可交，直流两用。二、电磁系测量机构的工作原理 在吸引型电磁系测量机构中，对铁片的引力可看成是两个磁场相互作用的结果。其一是载流线圈的磁场，它的强度与线圈中的电流成正比。另一是被磁化的铁片的磁场也与线圈的电流I成正比。这样，线圈对铁片的吸引力也就与线圈电流的平方成正比。 对于排斥型电磁系测量机构也是如此，因为排斥力决定于两个铁片磁性的强弱，而它们的磁性又与线圈的电流I成正比，所以排斥力也与线圈电流的平方成正比。 因而，不论是吸引型电磁系测量机构还是排斥型电磁系测量机构，其转动力矩都与线圈电流的平方成正比。 即： 式中： -系数，与线圈的匝数和尺寸，铁片的形状，材料和尺寸，以及铁片与线圈的位置有关。当线圈通入交流电流时，虽然转矩方向不变，但其大小随时间而变化，瞬时转矩为： 由于可动部分的惯性，使其跟不上瞬时转矩的变化，可动部分的平衡位置由平均转矩M来决定。 式中： - 交流电流有效值。所以，直流和交流的转动