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(shù)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。電工測量基本知識電工測量的意義電工測量就是借助于測量設(shè)備，把未知的電量或磁量與作為測量單位的同類標(biāo)準(zhǔn)電量或標(biāo)準(zhǔn)磁量進(jìn)行比較，從而確定這個(gè)未知電量或磁量(包括數(shù)值和單位)的過程。一個(gè)完整的測量過程，通常包含如下幾個(gè)方面：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(yīng)強(qiáng)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(φ)、功率因數(shù)(cosφ)等。測量方式和測量方法根據(jù)測量的目的和被測量的性質(zhì)，可選擇不同的測量方式和不同的測量方法（詳見本節(jié)二）。測量設(shè)備對被測量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較的測量設(shè)備，包括測量儀器和作為測量單位參與測量的度量器。進(jìn)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(zhì)，按照一定原理構(gòu)成的。電工測量中使用的標(biāo)準(zhǔn)電量或磁量是電量或磁量測量單位的復(fù)制體，稱為電學(xué)度量器。電學(xué)度量器是電氣測量設(shè)備的重要組成部分，它不僅作為標(biāo)準(zhǔn)量參與測量過程，而且是維持電磁學(xué)單位統(tǒng)一，保證量值準(zhǔn)確傳遞的器具。電工測量中常用的電學(xué)度量器有標(biāo)準(zhǔn)電池。標(biāo)準(zhǔn)電阻、標(biāo)準(zhǔn)電容和標(biāo)準(zhǔn)電感等。除以上三個(gè)主要方面外，測量過程中還必須建立測量設(shè)備所必須的工作條件；慎重地進(jìn)行操作，認(rèn)真記錄測量數(shù)據(jù)；并考慮測量條件的實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以確定測量結(jié)果和測量誤差。測量方式和測量方法的分類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(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，或能夠直接用事先刻度好的測量儀器對被測量進(jìn)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(yīng)用于工程測量中。間接測量當(dāng)被測量由于某種原因不能直接測量時(shí)，可以通過直接測量與被測量有一定函數(shù)關(guān)系的物理量，然后按函數(shù)關(guān)系計(jì)算出被測量的數(shù)值，這種間接獲得測量結(jié)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/I計(jì)算出被測電阻R的大小。間接測量方式廣泛應(yīng)用于科研、實(shí)驗(yàn)室及工程測量中。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(jìn)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(shí)，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(shí)，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(rèn)為是可信的，因?yàn)闅W姆表刻度尺的刻度事先用標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行了校驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhì)量時(shí)，作為質(zhì)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(zhǔn)確度，可以達(dá)到土0.001%，但測量時(shí)操作比較麻煩，相應(yīng)的測量設(shè)備也比較昂貴。根據(jù)被測量與度量器進(jìn)行比較時(shí)的不同特點(diǎn)又可將比較法分為零值法、較差法和替代法三種。（1）零值法又稱平衡法，它是利用被測量對儀器的作用，與標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)指零儀表指示為零時(shí)，表示兩者的作用相等，儀器達(dá)到平衡狀態(tài)；此時(shí)按一定的關(guān)系可計(jì)算出被測量的數(shù)值。顯然，零值法測量的準(zhǔn)確度主要取決于度量器的準(zhǔn)確度和指零儀表的靈敏度。（2）較差法是通過測量被測量與標(biāo)準(zhǔn)量的差值，或正比于該差值的量，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)量來確定被測量的數(shù)值的方法。較差法可以達(dá)到較高的測量準(zhǔn)確度。（3）替代法是分別把被測量和標(biāo)準(zhǔn)量接入同一測量儀器，在標(biāo)準(zhǔn)量替代被測量時(shí)，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)量來確定被測量的數(shù)值。用替代法測量時(shí)，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(jié)果的影響。替代法測量的準(zhǔn)確度主要取決于度量器的準(zhǔn)確度和儀器的靈敏度。測量誤差在測量過程中，由于受到測量方法、測量設(shè)備、試驗(yàn)條件及觀測經(jīng)驗(yàn)等多方面因素的影響，測量結(jié)果不可能是被測量的真實(shí)數(shù)值，而只是它的近似值；即任何測量的結(jié)果與被測量的真實(shí)值之間總是存在著差別，這種差別稱為測量誤差。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。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(shè)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(jié)果偏離其真實(shí)值的程度，即反映了測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，所以在誤差理論中，經(jīng)常用準(zhǔn)確度來表示系統(tǒng)誤差的大小。系統(tǒng)誤差越小，測量結(jié)果的準(zhǔn)確度就越高。偶然誤差偶然誤差又稱隨機(jī)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(fù)測量時(shí)，各次測量結(jié)果服從某種統(tǒng)計(jì)分布；這種誤差的處理依據(jù)概率統(tǒng)計(jì)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(gè)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(zhì)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?？蓴y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(biāo)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TΩ千瓦kW毫韋伯/米2mT安培A兆歐MΩ瓦特W微法μF毫安mA千歐kΩ兆乏Mvar微微法pF微安μA歐姆Ω千乏kvar亨H千伏kV毫歐mΩ乏爾var毫亨mH毫伏mV微歐μΩ兆赫MHz微亨μH微伏μV庫侖C千赫kHz攝氏度℃兆瓦M(jìn)W毫韋伯mWb赫茲Hz兆瓦M(jìn)W毫韋伯mWb赫茲Hz電工指示儀表的誤差和準(zhǔn)確度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(shí)，由于結(jié)構(gòu)上和制作上不完善引起的誤差。例如，儀表的可動(dòng)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(dāng)儀表不能在規(guī)定的使用條件下工作時(shí)，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。準(zhǔn)確度儀表的基本誤差通常用準(zhǔn)確度來表示，準(zhǔn)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(zhǔn)確性能，所以，一般用引用誤差來表示儀表的準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)GB76—76中對儀表在規(guī)定的使用條件下測量時(shí)，各準(zhǔn)確度等級的基本誤差范圍。表2-2準(zhǔn)確度等級和基本誤差表準(zhǔn)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對電工指示儀表的主要技術(shù)要求足夠的準(zhǔn)確度合適的靈敏度儀表本身消耗的功率小良好的讀數(shù)裝置電氣測量指示儀表的選擇無論用怎樣完善的測量儀表進(jìn)行測量，都會(huì)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?yàn)閮x表使用不當(dāng)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。技術(shù)特性比較各種電氣測量指示儀表的技術(shù)特性，如表2-3所列。儀表的選擇原則 根據(jù)被測量的性質(zhì)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(shí)，應(yīng)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(shí)際，合理地選擇儀表的準(zhǔn)確度等級：儀表的準(zhǔn)確度越高，測量誤差越小，但價(jià)格貴，維修也困難，因此在滿足準(zhǔn)確度要求的情況下，不選用高準(zhǔn)確度儀表。根據(jù)測量范圍選用量限：測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，不僅與儀表準(zhǔn)確度等級有關(guān)，而且與它的量限也有關(guān)。一般應(yīng)使測量范圍在儀表滿刻度的1/2~2/3以上區(qū)域。根據(jù)工作環(huán)境和條件選擇儀表：按儀表使用條件（溫度、相對濕度），國家規(guī)定分為A、B、C三組，如表2-4所列。表2-3幾種主要形式的電氣測量指示儀表的性能磁電系電磁系電動(dòng)系感應(yīng)系測量基準(zhǔn)量（不加說明時(shí)為電壓、電流）直流或交流的恒定分量交流有效值或直流交流有效值或直流（并可測交、直流功率、相位、頻率）交流電能及功率，也可測交流電壓和電流使用頻率范圍振動(dòng)式檢流計(jì)使用工頻為45~55Hz一般用于50Hz/60Hz,頻率變化誤差增大一般用于50Hz/60Hz同電動(dòng)系準(zhǔn)確度高的可達(dá)0.1~0.05級,一般為0.5~1.0級一般為0.5~2.5級高的同磁電系低的一般為1.0~3.0級量限電流幾微安~幾十安幾毫安~100A幾十毫安~幾十安幾十毫安~10A電壓幾毫伏~1KV10V~1KV10V~幾百伏幾十伏~幾百伏防御外磁場能力強(qiáng)弱弱強(qiáng)分度特性均勻不均勻不均勻（作功率表均勻）數(shù)字