第一章电工仪表基本知识.docx
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第一章电工仪表基本知识
第一章电工仪表与测量的基本知识
在电工测量中，为了保证测得的数据满足实际要求，首先要根据测量对象，正确选择和使用电工仪表，还必须采用合理的测量方法，掌握熟练的操作技能，尽可能地减少测量误差。
为此，本章主要介绍电工仪表的基本知识，常用的电工测量方法，电工仪表的组成及主要技术指标等。
第一节常用的电工测量方法
电工测量也和其他测量一样，都是采取不同的试验或手段，来确定被测量，其内容包括数量和单位两个部分。
因此，在国际上乃至各个国家都设有专门的计量机构，对各种测量单位进行规定、确认和统一，以保证在不同的时间、地点对同一量的测量，都能得到相同的测量结果，来满足人类生存、生产发展、科学研究及技术交流等方面的需要。
在实际测量中，往往是将被测量与作为测量单位的同类标准量进行比较的过程。
该标准量实际上是测量单位的复制体，称之为度量器。
为了保证测量的准确性，它具有足够的精确度和稳定性。
根据精确度和用途的不同，分为基准度量器和标准度量器两种。
基准器是现代技术水平所能达到的精确度最高的度量器。
而不同等级的标准度量器，则是用来进行比较测量和检定低一级的测量仪表。
常用的电工测量单位名称及符号参见表1-1。
表1-1 测量单位名称与符号
单位
符号
单位
符号
单位
符号
千安
kA
千瓦
kW
千欧
kΩ
安培
A
瓦特
W
欧姆
Ω
毫安
mA
兆乏
Mvar
毫欧
mΩ
微安
μA
千乏
Kvar
微欧
μΩ
千伏
kV
乏尔
Var
法拉
F
伏特
V
兆赫
MHz
微法
μF
毫伏
mV
千赫
kHz
皮法
pF
微伏
μV
赫兹
Hz
亨利
H
兆瓦
MW
兆欧
MΩ
毫亨
mH
根据度量器参与测量过程形式以及获取测量结果的方法不同，形成了不同的测量方法。
现将常用的电工测量方法介绍如下：
1．直接测量法
通过电工仪器、仪表直接读取被测量数值，且无需度量器参与的测量方法，称为直接测量法；如用电流表测电流，用电压表测电压等。
由于仪表的接入，会使被测电路的初始工作状态发生一定的变化。
因此，用此方法测得的数值准确度较低。
2．间接测量法
当直接获取被测量有困难，而又与某些易测得的其他量存在一定的函数关系时，就可采用先获取其他量，再按函数式计算出被测量的方法，称为间接测量法。
例如通过欧姆定律用伏安法来测量电阻。
间接测量法通过计算中间环节造成的误差较大，一般是在准确度要求不高的场合才采用。
3．比较测量法
将被测量与标准度量器进行比较的测量方法，称为比较测量法。
根据使用不同的比较方法，又可分为：
（1）零值法在测量过程中，用改变标准量趋近被测量，当两者的差值为零时，来读取标准量即为被测量的方法，叫做零值法。
如用电位差计测电动势，用电桥测电阻等的方法。
（2）差值法与上述零值法的测量过程相类似，但却是通过被测量与标准量的差值，来确定被测量值的测量方法，叫做差值法。
如用不平衡电桥测电阻等的方法。
（3）代替法在测量过程中，将被测量与标准量分别接入同一测量装置或电路，而使仪表的读数不变，则此时的被测量即为已知的标准量，这种方法就叫做代替法。
当需要精密测量时，可用比较法。
该方法的灵敏度和准确度都比较高，但设备复杂，操作麻烦，环境条件要求也比较高。
第二节常用电工仪表的分类、型号和标志
一、电工仪表的分类
常用电工仪表的测量对象有电流、电压、电功率、电能、相位、频率、功率因数、电阻、电容及电感等种类繁多，为了便于识别，可按测量方法、仪表原理、结构及用途等进行分类。
1．指示仪表
指示仪表是将被测量转换为仪表可动部分的机械偏转角，通过刻度或指示器直接读出被测量值。
因此，指示仪表又称直读式或机械式仪表。
其分类方法归纳如下：
（1）按测量机构的结构和工作原理分类可分为磁电系、电磁系、电动系（铁磁电动系）、感应系、静电系及整流系仪表等类型。
（2）按被测量分类可分为电流表、电压表、功率表、相位表、电能表、功率因数表、频率表、欧姆表、兆欧表等类型。
（3）按所测的电种类分类可分为直流、交流以及交直流两用仪表。
（4）按准确度等级分类可分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七个等级。
数字越小，仪表的误差越小，准确度等级就越高。
（5）按使用条件分类仪表规定在温度为85%的条件下使用，分成A、A1、B、B1、C五组类型。
其中：
A、A1组适应的环境温度为0~40℃，B、B1组为20~50℃，C组则为40~60℃。
（6）按外壳防护性能分类有普通式、防尘式、防溅式、防水式、气密式、水密式、隔爆式等七种类型。
（7）按防御外界磁场或电场的性能分类可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级。
（8）按使用方法分类有安装式和便携式两种。
安装式仪表固定安装在开关板或电气设备面板上，广泛用于供电系统的运行监控与测量，又称面板式仪表。
便携式仪表就是可方便地携带或移动的仪表，广泛用于试验、精密测量及对仪表的检校。
2．比较仪表
比较仪表是将被测量与同类标准量进行比较量度的仪表。
如电桥、电位差计等，就是属于此类仪表。
3．数字仪表
数字仪表是以数码形式直接显示被测量的仪表。
数字仪表采用数字测量技术，通过A/D（模拟量/数字量）转换，既可以测量随时间连续变化的模拟量，也可测量随时间断续变化或跃变的数字量，还可以编码形式同计算机进行数据处理，从而达到智能化控制的目的。
二、电工仪表的型号
和其他仪表一样，电工仪表的用途、作用及原理由其型号表示出来。
各类产品的型号按有关规定标准编制。
安装式仪表型号含义如图1-1所示。
形状第一位代号按仪表面板形状最大尺寸编制，形状第二位代号按仪表外壳尺寸编制，系列代号按仪表工作原理类别编制。
如磁电系仪表代号为C（汉字拼音第一个字母），电磁系仪表代号为T，电动式仪表代号为D，感应系仪表代号为G，整流系仪表代号为L等。
具体说明44CI-A型仪表：
“44”是形状代号；“C”表示磁电系仪表，用于测量直流；“I”为设计序号；“A”表示是电流表。
余类推。
便携式电工仪表的型号省去表示安装尺寸的形状代号部分。
如T62-V型仪表：
“T”表示电磁系仪表，“62”表示设计序号，“V”表示是电压表。
余类推。
三、电工仪表的标志
按照国家标准规定，在每只仪表的表盘上都刻上表示测量对象单位、准确度等级、电源种类和相数、测量机构类别、使用条件组别、工作位置、绝缘强度试验电压数值、仪表型号及各种额定值等不同符号，这种反映仪表技术特性的符号就叫做仪表的标志。
常见的符号标志见表1-2。
第三节 电工指示仪表的组成和作用原理
电工指示仪表是把被测量转换成电量，再变换成一一对应的线位移或角位移，通过指针指示值直接获得测量结果的一种电——机转换的模拟式仪表。
电工指示仪表主要由测量机构和测量电路两部分组成。
一、电工指示仪表的组成
1．指示仪表结构框图
正如结构框图1-2所示，把被测量转换成供观察、记录或分析的可动部分的偏转角，指示仪表一般要经过两次变换。
首先，要把被测量X转换成仪表测量机构能接受的过渡量Y，这一步变换通常由测量电路来完成。
然后，再把过渡量Y转换成仪表可动部分的偏转角α，这一步变换则由测量机构来完成。
这两步变换都是定量变换，也就是说，指针偏转角的指示值必须正确反映被测量的大小。
2．测量机构
体现被测量而与之一一对应的过渡量一般是电量，能使仪表中的可动机构产生定量偏转，这种机构称为测量机构。
测量机构是仪表的核心，没有测量机构或测量机构出现故障，就不能完成测量任务。
各种形式的测量机构，基本都是由固定部分和可动部分两大部分组成的。
3．测量电路
通过测量电路把被测量转换成测量机构可接受的过渡量，是十分必要的。
比如，被测量小则必须放大，而被测量高则又必须降下来。
一般地说，能把被测量（如电流、电压、电阻等）转换成仪表的测量机构可以直接接受的过渡量（如电流等），并保持定量变换比例的仪表组成部分，称为测量电路。
测量电路通常由电阻、电感、电容或电子元件组成。
一般地说，仪表类型不同，测量电路也不同。
如电流表中的分流器、电压表中的附加电阻等。
二、测量机构的工作原理
组成测量机构的五个部分如下：
1．转动力矩装置
转动力矩装置的作用是使测量机构可动部分产生偏转角，来反映被测量的大小。
不同类型的仪表，产生转动力矩的原理和方式也各不相同。
例如，磁电系仪表是利用永久磁铁与通电线圈之间的电磁力产生的转动力矩，而电动系仪表则是利用两个线圈之间的电磁力产生的转动力矩等。
转动力矩M与被测量X（或过渡量Y）及偏转角α之间的函数关系为
M=f（X，α）
2．反作用力矩装置
可以想像的到，如果测量机构的可动部分只有在转动力矩M的作用下，带动指示器偏转，则不论被测量是大是小，只要转动力矩M足够克服可动部分的摩擦力矩，那么，指示器就都会一直偏转到尽头。
这如同光用秤杆去称重物，而没有用秤砣去平衡，秤杆都将高高翘起来一样。
也就是说，单有转动力矩只能反映被测量的有无，而不能测量其大小。
因此，可动部分的转轴上一定要装有反作用力矩装置。
反作用力矩装置一般采用游丝或张丝构成。
图1-3所示的是用游丝产生反作用力矩的装置。
当可动部分受到转动力矩作用后偏转时游丝被扭紧，游丝变形后的弹力产生反作用力矩。
反作用力矩的方向总是与转动力矩的方向相反，而其大小则是在游丝的弹性变形范围内，与可动部分偏转角α成正比。
被测量的大小与转动力矩成一一对应的定值关系，可动部分在这个力矩的作用下开始偏转。
随着偏转角α的增大，反作用力矩Mα也不断随着增大，直至与转动力矩相等达到平衡为止，可动部分就不再偏转，而是稳定在一定的偏转角α上。
此时则
M=Mα（1-1）
当被测量发生变化时，转动力矩也随之变化，式（1-1）所示的力矩平衡关系也即遭破坏，可动部分又开始转动使偏转角发生变化，直至两个力矩达到新的平衡为止。
此时，这个稳定的偏转角正好与变化的被测量的数值相对应，达到了用偏转角α来表示被测量大小的目的。
3．阻尼装置
在测量的过程中，仪表的可动部分发生偏转，当偏转到M=Mα的平衡位置时，由于惯性的存在，带动指针的可动部分仍要继续偏转。
此时的反作用力矩已大于转动力矩，可动部分的偏转速度则逐渐减慢直至为零。
正由于反作用力矩大于转动力矩，可动部分又将往回偏转，形成了在平衡位置上来回摆动的现象，直至经过一段时间后稳定在平衡位置上。
为了减少获取测量数值的时间，必须消耗可动部分的动能，配装阻尼装置来限制可动部分的摆动。
常用的仪表中配装有空气阻尼器和磁感应阻尼器两种阻尼装置。
图1-4a所示的是空气阻尼器。
在一个密闭阻尼盒1中，有阻尼片2固定在与可动部分相连的转轴上。
当可动部分偏转时带动阻尼片运动，由于盒中阻尼片两侧空气的压差而产生阻尼力矩。
图1-4b所示为磁感应阻尼器。
当可动部分偏转时带动阻尼片3在永久磁铁4内运动，因切割磁力线而产生涡流。
假设运动方向与永久磁铁的磁感应方向如图1-5所示，则由涡流所产生的总是与运动方向相反的阻尼力矩。
显而易见，阻尼力矩只有在可动部分运动时才会产生，并且只与可动部分运动的速度有关，而与偏转角无关。
所以，配装阻尼装置只提高了获取测量数据的速率，而丝毫不会影响到测量的准确度。
4．读数装置
读数装置由标尺（刻度盘）和指示器组成。
如图1-6所示，表盘上的刻度作为仪表的标度尺。
一般的精密仪表通常在标尺下面都装有反射镜，以便在指针与其在镜中的影像重合时才进行读数，来缩小因斜视而造成的读数误差。
如图1-7所示，指示器有指针式和光标式两种。
指针根据外形不同，又分为矛形与刀形两种。
光标指示器的示意图，如图1-7所示。
根据光学反射的原理把可动部分的偏转角度映射在标度尺上。
光标指示器可完全消除视差，只配装在高灵敏度的高准确度的仪表中。
5．支承装置
测量机构的支承装置保障可动部分紧随被测量的大小而灵活偏转。
常用的有轴尖轴承支承式和张丝弹片支承式两种。
其中张丝弹片支承式能更好地减少摩擦误差，提高仪表的防振性能，从而提高了仪表的准确度。
第四节常用电工仪表的选择、使用与保养
合理选择和正确使用电工仪表，不仅直接影响到测量结果的准确性，而且还与安全性及经济性密切相关。
一、电工仪表的合理选择
1．仪表类型的选择 选择直流型或交流型的仪表，要根据被测量的电流性质来确定。
测量直流电量时广泛地采用磁电系仪表。
测量正弦交流电量时，常采用电磁系、电动系仪表，来测量其有效值。
测量非正弦交流电量时，既用电磁系或电动系仪表来测量有效值，又用整流系仪表来测量其平均值，同时也常用示波器来观察非正弦交流电量的波形，以及测量其他各项参数。
2．仪表准确度的选择 从理论上，似乎仪表的准确度等级越高，则测量的准确度越高。
然而，正因为仪表的准确度越高，其价格也就越贵，使用的环境条件要求也就越苛刻。
因此，应从实际测量的技术要求出发，来选择仪表的准确度等级。
首先要确保能达到测量的精度要求，然后再充分考虑其经济性，切不可过分追求仪表的高准确度。
3．仪表量限的选择 量程选择的合理与否，与测量的准确度密不可分。
从理论上说，仪表的量程一定要大于或等于测量对象的最高值。
但通常是把测量对象的最高值，处在仪表标度尺满刻度的70%~80%，作为选择量程的参考标准。
当然，指针的指示值越靠近标度尺的上限，其测量误差就越小。
4．仪表内阻的选择 仪表内阻的大小，反映仪表本身的功耗。
仪表接入被测电路后，要求不对电路原始工作状态产生较大的影响，而引起较大的测量误差。
所以，凡与电路并联的仪表，如电压表或功率表的电压线圈等的内阻，应尽量大，且量程越大，内阻越大；凡与电路串联的仪表，如电流表或功率表的电流线圈等的内阻，应尽量小，且量程越大，内阻越小。
5．仪表工作条件的选择 每一种电工仪表的使用说明书中都规定有工作环境条件，选择仪表时应使测量的工作环境条件与其规定相符合。
对温度、湿度、振动及外界电磁场等有特定要求的，应选用具有相对应防护性能的仪表。
6．仪表绝缘强度的选择 对仪表及附加装置的绝缘强度高低的选择，应根据被测电路电压的高低来确定，防止测量过程中损坏仪表及发生人身伤害事故。
二、电工仪表的正确使用
正确使用电工仪表，包括正确设计测量线路、正确接线和掌握正确的操作方法。
1．正确设计电路和接线方法根据测量对象的种类、测量要求和测点的结构情况，正确设计电路和接线方法。
一般先从测量对象来确定所使用电工仪表类型，再根据仪表与电路的联接方式来设计和确定测量电路及接线方法。
按照预定的测量要求来确定对仪表的准确度，包括与仪表相配套的附件精度要求，确定测量次数和时间，以及测量现场的环境条件要求等。
2．正确操作测量前要检查仪表指针的指零，不在零位需调零。
测量时要选择和检查仪表的量程，一定要大于或至少必须等于被测量值，以免损坏仪表；正确读取测量值，防止误读或漏读。
仪表要按规定的方式或位置安放，尽量远离热源、强磁场等。
三、电工仪表的维护与保养
注意日常维护和保养，是使电工仪表始终保持良好工作状态的重要环节。
其要点如下：
1．轻取轻放仪表，防止剧烈的振动和撞击。
2．始终保持仪表的整洁。
3．仪表要保持干燥，切不可放置在潮湿、过冷或过热的场所，更要防止有害气体的腐蚀。
4．妥善保管仪表的附件及专用接线，确保配件齐全。
5．按照规定定期检查和校验仪表，保证仪表的测量准确度。
复习题
1、什么叫电工测量？
常用的电工测量方法有几种？
2、常用的电工指示仪表中有哪些标志符号？
各代表什么意义？
3、电工仪表中的转动力矩与阻尼力矩是如何起作用的？
4、电工仪表的正确使用方法？
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