电磁计量培训讲义Word下载.docx
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電壓表、電流表、功率表、電阻表
指針式儀錶
直流測量儀器
電橋、電位差計
交流
交直流轉換器
接地測試儀、泄漏測試儀、耐壓測試儀、交流穩定電源
交流比率器具
放大器、感應分壓器、互感器、分流器、分壓器
交流標準源
標準功率源、標準電流源、標準電壓源
交流基標準
標準電容器、標準電感器、標準電阻器
相位表、頻率表、電流表、功率表、電壓表
交流測量儀器
互感器校驗儀、電橋、電位差計
第二節電磁學計量現狀及發展趨勢
我國電磁計量工作是隨著電力工業、機電電器制造工業發展起來的。
1958年開始進行電壓基準組和電阻基準組的組建工作，當時以解放前留下和幾個標準電池和標準電阻、進口蘇聯的基準電池和標準電阻以及個別單位所開展的一些電磁計量工作為依托，奠定了我國電磁計量和基礎。
1986年起，根據國家科委制定的《1963—1972年科學技術發展規劃綱要（草案）》對電磁計量工作的規劃要求，有計劃、有步驟地建成了中國的電磁計量體系。
這期間，國家建立了電壓基准組與電阻基准組，進行了電磁量單位的絕對測量，開展了交直流儀器、電量、磁參量及磁性材料的檢定測試。
1978年起，按照《1978—1985年全國科學技術發展綱要（草案）》確定的八年中要建立起具有先進技術水平的國家計量基準、標準和計量測試中心的要求，電磁計量工作加速發展，至今已發展成為十分全面的現代電磁計量體系，已建立電磁計量國家基準14項，工作基準及標準36項，位於國際電磁計量先進之列，對我國經濟建設、國防建設及科學研究和國際貿易的發展起到了積極作用。
我國建立的電磁計量基準、標準基本滿足了國內的一般需要，並且通過國際比對、國際交流和技術合作，對國際量值的統一和計量測試的發展做出了貢獻。
電磁計量測試技術的未來是向微觀、超常態、動態方向以及向新的學科和領域發展。
進一步利用物理學的新成就、新的測量原理和測量方法，不斷提高測量準確度；
同時，利用數字技術和計算機技術的成就組成自動測試系統，快速而準確地處理複雜的測量問題。
這就是電磁計量測試技術的兩個明顯的發展趨勢。
首先，新發現的物理效應使計量學從古典計量體系發展為量子計量體系，並使電磁學單位的複現與保存也由實物基準過渡到量子基準。
約瑟夫森效應的發現（1962年）使電壓的測量通過比例常數2e/h與頻率建立了聯系（e，電子電荷；
h，普朗克常數）。
馮.克裏青效應的發現（1980年）使電阻的測量與基本物理常數h/e
聯系起來，從而使電壓和電阻單位的複現準確度提高到10
數量級，並於1990年1月1日起成為國際上統一啟用的以約瑟夫森常數Kj和馮.克裏青常數Rh為基礎的電學計量新基準。
最近發現的單電子隧道效應可使電流量子基準能夠通過數電子數測量電荷的方法來實現。
這些發展向人們展示了建立一個基於真空光速c，普朗克常數h，電子電荷e三個基本物理常數的新單位制的可能性。
我們可以用光速、普朗克常數、電子電荷三個基本物理常數的無誤差定義值，再加上時間單位s，構成一種新的單位制。
其次，數字技術和計算機技術的成就使得測量儀器廣泛地運用模塊結構，建立通用計算機化的測量檢定裝置，測量儀器越來越具有多功能性。
內部裝有微型計算機的數字式儀錶具有很強的數據處理能力，並被稱為“智能儀錶”。
通用接口技術的出現使得用一台計算機控制多台儀器協同工作，組成自動測試系統已經成為現實，並在科研工作和計量測試中普遍應用。
綜上所述，可以說，利用新發現的物理效應大幅度地提高測量的準確度和廣泛地利用數字技術、計算機技術，已成為電磁計量測試技術兩個明顯的發展方向。
第二章電磁學計量單位及其複現
計量是一個測量比較的過程，為了確定測量結果，必須有計量單位。
每一個物理量都可以被表示為一純數與一個單位的乘積，即要把一個物理量完整地表示出來，必須要有它的數值和單位。
單位是一個選定的參考量，所有同類物理量都可以用它來表示。
所選單位不同，測量結果的數值也不相同。
因為各個物理量之間並不是由許多物理定義和物理規律把它們聯繫起來的。
這樣，只要人們規定了少數幾個物理量的單位，其他物理量的單位就可以根據定義或物理規律推導出來。
獨立定義的單位叫做基本單位，所對應的物理量叫基本量。
由基本單位導出的單位叫做導出單位，對應的物理量叫導出量。
歷史上曾經形成多種單位制，這給國際間的貿易往來和科學技術交流造成一定困難，對學習和工作也帶來許多不便。
例如，現在常遇到的單位制有：
MTS制（米噸秒制）、MKS制（米千克秒制）、CGS制（厘米克秒制）等。
第一節電磁學計量單位
1、與電磁學有關的國際單位制基本單位
1875年國際上簽署的“米制公約”成為現在大部分國家使用的計量單位和標准基本上一致的基礎。
按照米制公約，參加的國家承認了米制。
1960年國際計量大會正式成立通過了一種通用的適合一切計量領域的單位制，用符號“SI”表示。
我們知道國際單位制含有七個基本單位，其中與電磁學有關的有四個，即長度單位（m）、質量單位（kg）、時間單位（s）、和電流單位（A）。
2、由基本單位導出的電磁學單位
在電磁學領域同樣存在多種單位制並用的現象。
例如，CGSE制（絕對靜電單位制），CGSM（絕對電磁單位制）、高斯單位制、MKSA制（絕對實用安培制）及有理化絕對實用安培制等。
SI的電磁學單位就是按有理化絕對實用安培制定義的，它以SI的前四個基本單位米、千克、秒和安培為基礎，導出了伏[特]、歐[姆]等電磁單位。
常用的電磁單位如表1—2—1所示。
物理量
定義方程式
單位名稱
中文表示
單位符號
物理量量綱
單位量綱
電量
Q=It
庫（侖）
庫
C
TI
Sa
電荷面密度
σ=Q/S
庫（侖）每平方米
庫/米2
C/m2
L-2TI
m-2sA
電荷體密度
θ=Q/V
庫（侖）每立方米
庫/米3
C/m3
L-3TI
m-3sA
電勢
U=W/Q
伏[特]
伏
V
L2MT-3I-1
m2kgs-3A-1
電容
C=Q/U
法[拉]
法
F
L-2M-1T-4I2
m-2kg-1s4A2
電阻
R=U/I
歐[姆]
歐
Ω
L2MT-3I-2
m2kgs-3A-2
電阻率
ρ=SR/L
歐[姆]米
歐·
米
Ω·
L3MT-3I-2
m3kgs-3A-2
電導
G=1/R
西[門子]
西
S
L-2M-1T-3I2
m-2kg-1s3A2
電導率
Y=1/ρ
西[門子]每米
西/米
S/m
L-3M-1T3I2
m-3kg-1s3A2
電場強度
E=U/d
伏[特]每米
伏/米
V/m
LMT-3I-1
mkgs-3A-1
介電常數
ε=dC/S
法[拉]每米
法/米
F/m
L-3M-1T4I2
m-3kg-1s4A2
電位移
D=εE
庫[侖]每平方米
庫/米
C/m2
L-2TI
磁通
dΦ=Edt
韋[伯]
韋
Wb
L2MT-2I-1
m2kgs-2A-1
磁通密度
B=Φ/S
特[斯拉]
特
T
MT-2I-1
kgs-2A-1
磁場強度
H=I/2πr
安[培]每米
安/米
A/m
L-1I
m-1A
電感
L=Φ/I
亨[利]
亨
H
L2MT-2I-2
m2kgs-2A-2
磁導率
μ=B/H
亨[利]每米
亨/米
H/m
LMT-2I-2
Mkgs-2A-2
第二節電學單位的複現
1、電流單位的複現和保存
電流單位——安[培]是電磁學計量單位的基礎。
要想通過定義來複現電流單位是很難實現的。
例如，要制作兩根無限長的載流平行導線是不可能的。
然而，按照安[培]定義的等效形式，采用測量某種特定形式的載流線圈之間的作用力來複現電流單位是可行的。
在各種複現電流單位的絕對測量中，普遍采用的是電流天平法，其複現不確定度為1×
10-6。
繼電流天平法之後，采用動力計法和測量質子旋磁比Yp的核磁共振法對電流單位進行絕對測量，以複現其單位，並得到了普遍應用。
儘管安[培]是國際單位制中七個基本單位之一，但目前還沒有找到實物基准器來保存它的單位量值，電流單位的保存，是通過電壓單位的實物基準器——標準電池（組）和電阻單位的實物基準器——標準電阻器（組）來實現的，即根據歐姆定律I=U/R，實現實現電流I單位的保存。
2、電壓單位的複現和保存
由於電流、電壓和電阻三個量可以通過歐姆定律聯繫起來，如果知道其中兩個量，便可以導出第三個量。
因此，多年來在多數國家按電磁學理論，采用電流和電阻單位導出的方法來複現電壓單位——伏[特]。
也有一些國家采用電壓天平和液體靜電計來複現電壓的方法。
1962年瑟夫森效應理論提出後，采用約瑟夫森結電壓複現電壓單位的方法，在一些國家已經得到普遍的應用，其複現不確定度為10-8量級。
約瑟夫森常數Kj的表達方式見式（1—2—1）：
Kj=2e/h
式中：
h——普朗克常數；
e——電子電荷。
根據第18屆電學諮詢委員會（CCE）的建議和1988年第77屆國際計量委員會（IPM）的決議，確定自1990年1月1日起國際上正式啟用約瑟夫森效應複現電壓電位，取代原國家電壓基準，在1994年采用改值後的電單位數值，並對電流和電阻進行絕對測量，利用我國的約瑟夫森電壓基準裝置測量了Kj值，
Kj-91NIM=483579.89（43）GHz/V，基測量不確定度為0.88×
（1）標準電池組
由於韋斯頓飽和式標準電池具有長時間穩定性好（電動勢年變化小於0.5×
10-6）的特點，因此，長時間以來，世界各國均采用標準電池組作為實物基準器——伏[特]主基準組來保存本國的電壓單位量值。
由於飽和式標準電池的結構及物理化學特性等因素影響，選入主基準組內的標準電池，雖然經過嚴格的篩選和多年的考核，但是隨著時間的推移，其性能也有所變化。
有的電池電動勢上升了一些，而有的電池又下降了一些，在一組電動勢值中可以相互抵消一部分，這就是用一組標準電池而不采用一只標準電池作為基準的道理。
為避免飽和式標準電池使用時間過長而發生量值變化，需要對其量值定期更換和進行國際比對。
（2）電子式電壓標準器
由於飽和式標準電池存在電動勢溫度系數較大（約為－40μV/K）和使用條件苛刻等缺點，近年來，有些國家研制成功並普遍投入使用了電子式電壓標準裝置，即固態電壓標準，它利用硅穩壓二極管的反向雪崩特性得到穩定的直流電壓，其不確定度僅為2×
10-6，而電壓溫度系數小到1×
10-7/K，因而不需要十分嚴格的恒溫條件也可以使用。
這種器件在經過不斷改進後，正在逐步取代傳統的飽和式標準電池。
3、電阻單位的複現和保存
電阻是電學計量中的基本參量之一，為複現其單位量值，各國的計量研究機構不斷改進測量技術，從多種角度對電阻進行了絕對測量。
20世紀60年代初期，電阻單位的絕對測量都是由計算電感與頻率通過交流電橋獲得，後來提出了用計算電容實現電阻單位絕對測量的方法，使不確定度從1×
10-5提高到1×
10-7以上。
1980年馮·
克裏青效應發現後，在建立量子化霍爾電阻基準方面，使不確定度提高到10×
10-8數量級，根據第18屆電學委員會（CCE）的建議和1988年第77屆國際計量委員會（IPM）的決議，確定從1990年起，國際上正式啟用量子化霍爾電阻來複現電阻單位，量子化霍爾電阻的表達式見式（1－2－2）：
RH=h/ie2
e——電子電荷；
i——正整數。
量子化霍爾電阻RH僅由普朗克常數h、電子電荷e和正整數i決定，當正整數i=1時，RH=25812.807Ω。
電阻單位用實物實物基準器保存，普遍采用的電阻實物基準器都是由優質錳銅材料制成的1Ω標準電阻器組，借助傳遞裝置按十進制向兩端擴展，將量值傳遞到最小標稱值為10-4Ω，最大標稱值為108Ω的標準電阻器中。
我國電阻單位中的實物基準器由10個1Ω人標準電阻器組成，取其電阻的平均值作為基準量值，其穩定性優於1×
10-7/a。
4、電容和和電感單位的複現和保存
電容單位和電感單位的實物基準是用標準電容器和標準電感器來保存。
電容單位的複現采用計算電容法，由於計算電容准確度的提高，電容單位複現的不確定度可達10-8數量級。
電感單位的複現采用計算電感法和計算電容法。
在計算電容法中，將計算電容通過電容電橋和電感電容諧振電橋，即可確定電感單位亨利。
第三章模擬萬用表校准
第一節環境設備條件
1．環境條件
（1）環境溫度：
22±
3℃；
（2）相對濕度：
20%～75%；
（3）校准前，待校件和標準件平衡溫度2小時左右；
待校件和標準源通電預熱半小時以上。
2．校准用設備
（1）標準儀器：
標準源
第二節校准項目和校准方法
1．外觀檢查
儀表應標有儀器名稱、制造廠名（或商標）、出廠編號、CMC標誌以及其它保證其正確使用的信息、通用標誌和符號，且不應有可以引起測量錯誤和影響准確度的缺陷。
2．電流表的校准
首先調整被校表零位，然後接入測量回路。
調節電流源，緩慢地增加電流，使被校電表的指示器順序地指示在每個帶數字分度線上，並記錄這些點的實際值。
增加電流至量程的上限以上，立刻緩慢地減少，使指示器順序指示在每個帶數字的分度線上，並記錄這些點的實際值。
基本量程校准3～5個點（帶數字的分度點），其它量程校准1～2個點。
3．電壓表的校准
調節電壓源，緩慢地增加電壓，使被檢電壓表的指示器順序地指示在每個帶數字分度上，並記錄這些點的實際值。
增加電壓至量程的上限以上，立刻緩慢地減少，使指示器順序指示在每個數字分度線上，並記錄這些點的實際值。
4．功率表的校准
調整被校表零位，然後接入測量回路。
根據監視電壓表的示值調節電壓，使其等於被校功率表額定電壓。
設定功度因素後，緩慢地增加電流，使被檢表指示在每個帶數字的分度線上，並記錄數字表的讀數，計算被校表的實際值。
然後將電流增加至量程的上限以上，立刻緩慢地減少，使被檢表指示器順序指示在每個帶有數字的分度線上，並記錄這些點的實際值。
5．電阻表的校准
利用標準電阻箱對電阻表進行校准，當電阻表最小量程為R×
1（Ω）時，一般取R×
10（Ω）為全校量程，其餘量程為非全校量程。
全校量程應對測量範圍內帶有數字分度線的點進行檢定。
非全校量程只校帶有數字分度線的中值電阻。
將表筆短路，調節零位。
調節標準電阻箱，使指示器順序指在所校分度線，並記錄實際值X0。
每個選定分度線的基本誤差按式
（1）計算。
λ=（X－X0）/XN
（1）
式中：
X——儀錶的指示值；
X0——被測量的實際值；
XN——引用值。
當電阻表的引用值為標度尺有效範圍弧長時：
（1）記錄標度尺有效範圍弧長BSL，並將表筆短路調零。
（2）將可調標準電阻箱（或有源電阻）的阻值順序調至數字分度線對應的電阻上，記錄指示器偏離數字分度線的弧長ΔBX，若指示器在分度線左邊，ΔBX為正值，在右邊為負值。
（3）用弧長的百分數表示基本誤差。
按下式計算：
δ=ΔBX/BSL×
100%
標尺長度BSL的計算公式：
BSL=Φ/180×
Rθ
Φ——圓周率；
R——標度尺圓弧的半徑，mm；
θ——標度尺的工作部分弧度，即指示器的轉角，度。
第4章數字萬用表校准
第1節直流數字電流表的校准
1．環境設備條件
（1）環境溫度：
3℃。
（2）相對濕度：
20%～75%。
（3）校准前，待校件和標准件平衡溫度2小時左右；
待校件（如用市電供電）和標准源通電預熱半小時以上。
2．校准用設備
（1）標准儀器：
標准電流源等。
2．校准項目和校准方法
1．外觀和工作正常性檢查
（1）外形結構是否完好，面板指示、讀數機構、製造廠家、儀器型號、編號等是否有明確的標記。
（2）儀器外觀、外露件是否有損壞或脫落，機殼、端鈕等是否有碰傷或松動現象。
（3）儀器外調節機構工作是否正常，儀器附件、連接電纜是否齊全。
儀器供電電源電壓、頻率標誌等是否正確。
（4）外觀檢查後，應通電進行一般性功能檢查。
按說明書規定，檢查電氣工作性能。
2．示值誤差校准
（1）直流標准電流源法
這種方法如圖1所示。
設直流標准電流源輸出的標准電流為IN，即實際值。
被檢表的顯示讀數為IX，則被檢表的絕對誤差為：
Δ=IX－IN
圖1
被檢表的相對誤差用百分數表示為：
Y=
×
這種方法簡便、速度快，適合於工廠大量地校驗DC－DIM，其校準誤差主要取決於直流標準電流源。
當標準電流源的準確度不能滿足要求，而電流源穩定度較高時，可作為一般穩流源使用，配上標準數字電流表，用比較法進行校準。
（2）直接比較法
電路接法如圖2所示。
即用一台直流標準數字電流錶（或具有電流功能的標準DMM）與被校電流錶串聯後接到直流電流源（穩定度應足夠高）的輸出端。
設標準表的顯示值（實際值）為IN，被校表顯示值為IX，則被校表的絕對誤差為：
同樣，被校表的相對誤差用百分數表示為：
圖2
一般情況下，標準表的位數應比被校表多一位。
當兩者量程不一致時，可加上標準分流器。
用這種方法，一定要保證標準表準確可靠。
為此，必須對標準表進行定期的校準。
（3）直流標准儀器法
原則上，利用標準電阻將電流量轉化成電壓量的任何測量方法都可以用數字電流表的校準。
圖3給出了用標準電位差計和標準電阻校準DC－DIM的接線圖。
圖中RN為標準電阻，數字電流錶或被測DMM的電流功能擋的輸入高端與標準電阻串聯，並用標準電位差計測量標準電阻電位端鈕間的電壓。
電位差計指示值與標準電阻值之比即為被校表的電流實際值。
設測得標準電阻兩端電壓實際值為UN，標準電阻實際值為RN，被校表顯示值為IX，則回路電流實際值為：
IN=
被檢表的絕對誤差為：
Δ=IX－
同樣，被檢表的相對誤差用百分數表示為：
採用這種檢定方法時，不僅標準電阻RN的誤差符合要求，還應注意選取適當的阻值，使其通過的電流不超過其額定的工作電流，而又可以獲得能進行準確測量的電壓數值。
既要考慮在RN上的壓降不高於所用電位差計的測量上限，又應保證電位差計第一個十進盤有大於零的示值。
RN
圖3
（4）標準數字電壓表法
當有一個誤差小於被檢DC－DIM允許誤差1/3～1/5的標準DC－DVM，用它代替標準電位差計可以迅速方便地檢定DC－DIM。
接線如圖4所示。
圖4
這種校準方法，同樣要注意標準電阻的取值。
根據校DC－DIM所選取校準點，既要保證回路電流要盡量小於額定電流，又要考慮標準DC－DVM的讀數儘量接近其滿量程值。
同時，由於DC－DVM輸入電阻不是足夠高而引起的附加誤差應小於允許誤差的1/5以下。
第二節交流數字電流表的校準
1．環境設備條件（同上）
2．校準用設備
（1）標準儀器：
標準電流源等。
3．示值誤差校準
（1）選擇校準點
1）選擇被校表準確度最高的一個頻率點，對其基本量程和五個至十個點（包括量程上限點和十分之一量程點在內）、非基本量程的三至五個點（包括量程上限點和十分之一量程點在內）進行校準；
2）在被校表每個頻段的上下限頻率上，對每個量程的量程上限點和十分之一量程點進行校準；
3）也可以根據用戶要求適當增加校準點。
（2）校準方法
1）標準源測量法
標準源測量法校準線路連接見圖1。
圖1
按校準點調節交流標準電流源輸出電流，記錄交流標準電流源輸出電流值Ir和被校表的示值It。
按式1和式2計算被校表的示值誤差。
ΔI=It－Ir
（1）
γI=
100%
（2）
ΔI——被校表的示值誤差，A；
It——被校表的電流示值，A；
Ir——標準裝置的標準電流值，A；
γI——被校表的示值相對誤差。
2）標準表測量法
標準表測量法校準線路連接見圖2。
用標準交流數字電流錶和被校表測量交流源的同一輸出電流，分別記錄標準交流數字電流錶讀數Ir和被校表讀數It。
按式1和式2
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