电工仪表与测量教案.docx
《电工仪表与测量教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工仪表与测量教案.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电工仪表与测量教案
电工仪表与测量教案
第一章电工仪表与测量的基本知识
第一节常用电工仪表的分类、型号和标志
一、常用电工仪表的分类
定义：
用来测量各种电量、磁量及电路参数的仪器、仪表统称为电工仪
表。
电工仪表的分类：
指示仪表、比较仪表、数字仪
表
、指示仪表：
1、定义：
能将被测量转换为仪表可动部分的机械偏转角，并通过指示器直接显示出被测量的大小，故又称为直读式仪表。
2、分类：
按工作原理分类：
有电磁系仪表、磁电系仪表、电动系仪表、感应系仪表等。
按被测量分类：
有电流表、电压表、功率表、电能表、相位表等按使用方法分类：
有安装式、便携式。
安装式仪表：
固定安装在开关板或电器设备面板上的仪表，又称面板式仪表。
准确度不高，广泛用于发电厂、配电所的运行监视和测量中。
便携式仪表：
可以携带的仪表，准确度较高，广泛用于电气实验、精密测量及仪表检定中。
按准确度等级分类：
有、、、、、、共7个等级。
按使用条件分类：
有A、B、C三组类型。
A组仪表适用于环境温度为0~400C；B类仪表适用于—20~500C；C组仪表适用于—40~600C。
相对湿度条件均为85%范围内。
按被测电流种类分类：
有直流仪表、交流仪表以及交、直流两用
1
仪表。
比较仪表：
在测量过程中，通过被测量与同类标准量进行比较，根据比较结果确定被测量的大小。
分直流比较仪表和交流比较仪表。
例直流单臂电桥、双臂电桥，交流电桥。
数字仪表：
采用数字测量技术，以数字的形式直接显示出被测量的大小。
有数字电压表、数字万用表、数字频率表等。
二、电工指示仪表的型号
1、仪表型号意义：
反映仪表的用途、工作原理等特性。
2、型号编制规则：
安装式指示仪表型号编制规则：
形状第一位代号按仪表面板形状的最大尺寸编制；形状第二位代号按仪表的外壳尺寸编制；系列代号按仪表工作原理的系列编制，如磁电系的代号为C，电磁系的代号为T，电动系的代号为D，感应系的代号为G，整流系的代号为L，电子系的代号为Z等；设计序号为产品设计的先后顺序编制；用途号表示该仪表的用途。
例：
44C2—A。
用途号设计序号
系列代号形状第二位代号形状第一位代号
安装式仪表型号的组成及意义
便携式指示仪表的型号编制规则
把安装式指示仪表中的形状代号去掉，剩下的就是便携式仪表的
2
型号编制规则。
例：
型号T19—A。
三、电工仪表的标志
1、什么是仪表的标志：
用各种不同的符号来表示仪表的技术特性，并将其标注在仪表的面板上，这些符号叫做仪表的标志。
2、有关标志及其含义见书中表1—1。
小结：
本节重点：
1、仪表型号编制规则2、常用仪表的标志。
作业：
P15—3、4题
3
第二节电工仪表的误差和准确度
一、仪表的误差及分类
1、仪表误差：
测量结果与被测量的实际值之间存在的差值叫误差。
2、仪表误差分类：
根据产生误差的原因，仪表误差分为两类：
基本误差：
仪表在正常的工作条件下于仪表的结构、工艺等方面的不完善而产生的误差叫基本误差。
如：
仪表活动部分的摩擦、标度尺刻度不准、零件装配不当等原因造成的误差，都是仪表的基本误差，它是仪表本身所固有的。
附加误差：
仪表偏离了规定的工作条件而产生的误差叫附加误差。
它是一种因外界工作改变而造成的额外误差。
仪表在非正常的工作条件工作时所产生的误差包括基本误差和附加误差两部分。
二、误差的表示方法1、绝对误差△：
仪表的指示值Ax与被测量的实际值Ao之间的差值，叫绝对误差，用△表示。
即：
△=Ax-Ao
例1－1用一只标准电压表来校验甲、乙两只表，当标准表的指示值为220V时，甲、乙两表的读数分别为和219V，求甲、乙两表的绝对误差。
解：
式得
甲表的绝对误差 △1＝Ax-A0＝＝+
4
乙表的绝对误差 △2＝Ax-A0＝219-220＝－1V
结果表明，绝对误差有正、负之分，并且单位与被测量一致。
正误差说明仪表指示值比实际值大，负误差说明指示值比实际值小。
甲表指示值偏离实际值有，乙表偏离指示值有1V，说明甲表的测量结果比乙表更准确。
实际应用中，对准确度较高的仪表，一般都给出该表的校正值，以便在测量过程中校正被测量的指示值，从而提高测量准确度。
什么是校正值？
可得：
A0=Ax-△=Ax＋（-△）=Ax＋C式中C=－△称为仪表的校正值。
当用不同的仪表来测量同一被测量时，可通过绝对误差的绝对值|△|来比较仪表测量结果的准确程度，但是用不同的仪表来测量不同的被测量时，就不能用绝对误差来比较了，而要用另外一种误差相对误差来比较了。
例：
甲表测量200V电压时△1＝＋2V,乙表测量10V电压时△2＝＋1V,通过绝对误差的大小反映不出哪一个表的准确度更高一些。
2、相对误差γ：
绝对误差与被测量的实际值的比值的百分数叫相对误差。
用γ表示。
即：
γ＝△/A03100% 没有单位
例：
用甲表测量100V的电压，△甲＝2V；用乙表测量10V的电压，△乙＝1V，求其相对误差。
解：
甲表：
γ 乙表：
γ
甲
＝2/1003100％＝2％＝1/103100％＝10％
乙
以上结果可见乙表的测量结果要比甲表的测量结果要准确。
在实际测量中，相对误差不仅常用来表示测量结果的准确程度，而且便于在
5
测量不同大小的被测量时，对其测量结果的准确程度进行比较。
3、引用误差γm
相对误差可以表示测量结果的准确程度，但却不能说明仪表本身的准确程度。
对同一只仪表，在测量不同被测量时，于摩擦等原因造成的绝对误差虽然变化不大，但被测量却可以在仪表的整个刻度范围内变化。
显然，对应于不同大小的被测量，就有不同的相对误差。
因此，不能用相对误差来全面衡量一只仪表的准确程度。
工程上，一般采用引用误差来反映仪表的准确程度。
绝对误差与仪表量程比值的百分数，叫引用误差。
γm＝△/Am3100％
上式可看出，引用误差实际上就是仪表在最大读数时的相对误差。
因绝对误差△基本不变，仪表量程Am也不变，故引用误差γm可用来表示仪表的准确程度。
三、仪表的准确度
于指示仪表在测量不同被测量时，绝地误差会多少有些变化，因而造成引用误差也随之有些变化。
为使引用误差能包括仪表所有的基本误差，工程上规定以最大引用误差来表示仪表的准确度。
仪表的最大绝对误差△m与仪表量程Am比值的百分数，叫仪表的准确度K。
即：
±K％＝△m/Am3100％
式中K表示仪表的准确度等级，它的百分数表示仪表在规定条件下的最大引用误差。
显然，最大引用误差越小，仪表的基本误差越小。
仪表的准确度等级与仪表的基本误差之间的关系如下：
6
仪表的基本误差准确度等级基本误差±±±±±±±若已知仪表的量程、准确度等级，可求出该仪表所允许的最大绝对误差△m，即
KAm100例1－3计算准确度等级为级，量程为250V的电压表的最大绝对误差。
KAm250解：
△m＝＝＝±
100100例1－4用准确度等级为级、量程为100A的电流表，分别测量5A和100A的电流，求其相对误差各为多少？
解：
先求出该表的最大绝对误差
KAm100△m＝＝＝±
100100测量5A电流时出现的最大绝对误差为
△m＝
1＝
m％=3100％=±40%
5Ax1测量100A电流时出现的最大绝对误差为
2m100%100%%Ax2100以上结果可看出，在一般情况下，测量结果的准确度并不等于仪表的准确程度。
只有当被测量正好等于仪表的量程时，两者才会相等。
被测量越接近于仪表的量限，测量误差就越小。
因此决不能把仪表的准确度与测量结果的准确度混为一谈。
为保证测量结果的准确性，不仅要考虑仪表的准确度，还要选择合适的量程，通常测量时要使仪表的指针能指在满刻度的后三分之一段。
7
小结：
本节重点仪表误差的分类
仪表误差的表示方法仪表准确度的计算
作业：
P15:
5、6题
8
第三节电工指示仪表的主要技术要求
一、要有足够的准确度
仪表的准确度高，会使制造成本增高，同时对仪表的使用条件要求也相应提高；准确度低，又不能满足测量的需要，并且测量结果的准确程度不仅与仪表的准确度有关，还与仪表的量程有关。
所以，仪表的准确度要根据实际测量的需要来选择，不要片面追求准确度，认为准确度越高越好。
二、要有合适的灵敏度
仪表的灵敏度定义：
仪表可动部分偏转角的变化量与被测量的变化量之比值叫仪表的灵敏度。
用S表示。
即
S=
对于标度尺刻度均匀的仪表，其灵敏度为一常数，它的数值等于单位被测量所引起的偏转角，即
S＝
1S灵敏度的倒数叫做仪表常数，用C表示，即:
C=
灵敏度反映了仪表对被测量的反应能力，即反映了仪表所能测量的最小被测量。
可见，灵敏度是电工仪表的一个重要指标。
对仪表来讲，灵敏度太高，仪表的制造成本就高，要求使用条件就高；灵敏度太低，仪表不能反映被测量的微小变化。
在实际应用中，只要根据被测量的要求选择合适的灵敏度就可以了。
三、要有良好的读数装置和阻尼装置
良好的读数装置是指仪表的标度尺刻度应力求均匀，对刻度不均匀的标度尺，应标明读数的起点，并用“.”表示，否则，会增大读数
9
误差。
良好的阻尼装置是指仪表接入电路后，指针在平衡位置附近摆动的时间要尽可能的短，以利尽快读数。
四、变差要小
仪表在反复测量同一被测量时，于摩擦等原因造成的两次读数不同，它们的差值叫变差。
变差一般不应超过仪表基本误差的绝对值。
五、本身消耗的功率要小
在测量过程中仪表本身必然会消耗一定的功率，当它们接入到电路中去以后，都会使电路的工作状态发生改变，如果仪表本身消耗的功率太大，对电路的影响就越大，从而产生较大的测量误差。
因此，要求仪表本身消耗的功率要尽量的小。
六、要有足够的绝缘强度和过载能力
仪表有足够的绝缘强度，可以保证使用者和仪表的安全。
在实际使用中，于某些原因使仪表过载的现象是难免的，因此要求仪表有足够的抗过载能力，以延长仪表的使用寿命。
小结：
本节重点掌握对指示仪表的主要技术要求，灵敏度的概念。
作业：
P15：
7题
10
第四节常用电工测量方法
绪：
1.电工测量：
将被测电量、磁量或电参数与同类标准量进行比较，从而确定出被测量的大小的过程。
2.度量器：
测量单位的复制体。
例标准电池、标准电阻、标准电感就分别是电动势、电阻、电感的复制体。
根据度量器是否参入到测量中，以及获取测量结果的方式不同，电工测量方法可分为以下几种：
一、直接测量法
1、定义：
通过仪表的指针指示直接指示出被测量数值，而无需度量器直接参与的测量方法，叫直接测量法。
例：
电流表测电流、电压表测电压等。
2、优点：
方法简便，读数迅速。
3、缺点：
于仪表接入被测电路后，会使电路的工作状态发生变化，因而这种测量方法准确度较低。
二、间接测量法
1、定义：
测量时先测出与被测量有关的电量，然后通过电工公式计算求得被测量数值的方法，叫间接测量法。
例：
用伏安法测量电阻，用电压表测三级管集电级电流。
2、优点：
适用于一些用直接测量法不方便、准确度要求不高的特殊场合。
3、缺点：
测量误差较大。
三、比较测量法
1、定义：
在测量过程中需要度量器的直接参与，并通过比较仪表来确定被测量数值的方法，叫比较测量法。
例：
直流单臂电桥测电阻。
11
根据被测量与标准量比较方式的不同，比较测量法又分为以下三种：
零值法
在测量过程中，通过改变标准量，使其与被测量相等，从而确定被测量数值的方法叫零值法。
如用平衡电桥测电阻就属于这种方法。
差值法
利用被测量与标准量的差值作用于测量仪表，从而确定出被测量数值的方法，叫差值法。
例：
不平衡电桥测电阻。
代替法
在测量过程中，用已知标准量代替被测量，若维持仪表原来的读数不变，则被测量就等于已知标准量，叫代替法。
2、优点：
准确度高。
3、缺点：
设备复杂，操作麻烦，通常适用于测量要求准确度较高的场合。
小结：
重点常用三种电工测量方法作业：
P158题
12
第五节测量误差及消除方法
在测量过程中，于受到测量仪表、测量方法、试验条件、外界环境以及观测经验等方面因素的影响，造成测量结果与被测量的实际值之间存在一定的差异，这种差异称为测量误差。
根据测量误差产生的原因不同，测量误差可分为系统误差、偶然误差和疏失误差。
一、系统误差
指在相同条件下多次测量同一被测量时，误差的大小和符号均保持不变，而在条件改变时遵循一定规律变化的误差。
1.系统误差包括：
仪表误差和方法的误差。
测量仪表的误差：
包括测量仪表本身不完善而造成的基本误差
以及于仪表工作条件改变而造成的附加误差。
测量方法的误差：
于所用的测量方法不完善以及采用了近似
计算公式而引起的误差。
2.系统误差的消除
根据系统误差产生的原因，可采取相应的措施加以消除。
消除方法有：
重新配置合适的仪表或对测量仪表进行校正。
采用合理的测量方法采用特殊的消除方法：
1）正负误差补偿法：
对同一量进行两次测量，使测量结果中的一次误差为正，一次为负，取其结果的平均值，就能消除这种系统误差。
例：
为消除外磁场对电流表读数的影响，可将电流表放置的位置调换1800后再测量一次，则在两种位置下测量结果的误差负号必是一正一负，取其平均值后，就能消除这种外磁场影响而引起的系统误差。
13
2）替代法：
用已知量代替被测量，并使仪表的工作状态保持不变，于是，已知量的数值便可求得被测量。
这样，仪表本身的不完善和外界因素的影响对测量结果不发生作用，从而消除了系统误差。
3）引入校正值：
若已知仪表的校正曲线，则可将相应的校正值引入到测量结果中，即把测量值加上相应的校正值，从而消除系统误差。
二、偶然误差
偶然误差是一种大小和符号都不固定的误差，又称“随机误差”。
1.偶然误差产生的原因
主要外界环境的偶发性变化引起。
如外磁场、外电场、温度等变化使得在重复测量同一被测量时，其结果不完全相同，从而产生偶然误差。
2.偶然误差的消除
通过多次测量同一被测量，算出算数平均值的方法来消除偶然误差对测量结果的影响。
测量次数越多，其平均值就越接近实际值。
三、疏失误差
疏失误差是一种严重歪曲测量结果的误差。
1.产生疏失误差的原因：
于操作者粗心和疏忽造成的，如测量中读数错误，记录错误，算错数据等。
2.疏失误差的消除
加强操作者的责任心，倡导认真负责的工作态度。
小结：
掌握测量误差的分类及系统误差产生的原因。
作业：
P159题
14
第六节电工指示仪表的组成
一、电工指示仪表的组成
电工指示仪表的任务就是要把被测电量、磁量或电参数转换为仪表可动部分的机械偏转角，转换过程中两者保持一定的函数关系，从而用指针偏转角的大小来反映被测量的数值。
为实现上述转换，电工指示仪表必须具有测量机构和测量线路两部分组成。
1．测量机构
测量机构的作用是将被测量x转换成仪表可动部分的机械偏转角。
测量机构是电工指示仪表的核心。
2．测量线路
测量线路的作用是把各种被测量按一定的比例转换为能被测量机构所能接受的过渡量。
测量线路通常电阻器、电容器、电感器等电子元件组成。
不同仪表的测量线路各不相同，如电流表采用分流器。
电工指示仪表的结构方框图：
测量对象x
过渡量y指针偏转角α
测量机构测量线路α＝F（y）=Φ（x）
二、测量机构的组成及各部分的作用
测量机构按各部分的动与不动来分的话，可分为固定部分和可动部分两大块。
按各部分的作用来分可分为产生转动力矩装置、产生反作用力矩装置、产生阻尼力矩装置、读数装置、支撑装置五部分。
1．产生转动力矩装置
不同的测量机构产生转动力矩的装置不同，作用原理不同，但作用都相同，就是能产生转动力矩，使可动部分产生偏转。
转动力矩的特点：
转动力矩的大小M与被测量x以及指针偏转角α成某种函数关系。
15
即：
M＝f（x,α）2.反作用力矩装置
如果测量机构中只有转动力矩M，则不论被测量有多大，可动部分都将在其作用下转到尽头。
为此，要求可动部分偏转时，测量机构中能够产生随偏转角增大而增大的反作用力矩Mf，使得当M=Mf时，可动部分平衡，从而稳定在一定的偏转角α上。
产生反作用力矩装置一般采用的是游丝。
反作用力矩的特点：
作用:
使可动部分偏转与被测量相对应的角度。
在游丝的弹性范围内。
大小：
大小与可动部分的偏转角α成正比，即Mf=Dα。
式中D为游丝
是反作用系数，是一个只与游丝的材料性质及几何尺寸有关的常数。
方向:
与转动力矩方向相反。
在电工指示仪表中，除利用游丝产生反作用力矩外，还有利用电磁力来产生反作用力矩的。
3．阻尼力矩装置
于指示仪表的可动部分都有一定的惯性，因此，当M=Mf时，可动部分不可能马上停止下来，而是在平衡位置附近来回摆动，因而不能尽快读取测量结果。
为了缩短可动部分的摆动时间以利于尽快读数，仪表中还必须有阻尼力矩的装置。
常用阻尼装置有空气阻尼器见图、磁感应阻尼器见图。
空气阻尼器原理：
当可动部分运动时，带动阻尼片2运动，而阻尼片2在密封的阻尼器盒1中运动时，必然受到空气的阻力，从而产生阻尼力矩Mz。
显然，仪表可动部分的运动速度越快，阻尼力矩越大。
磁感应阻尼器原理：
当可动部分摆动时，带动阻尼片3在永久磁铁4的磁场内运动，从而切割电磁线产生涡流，该涡流与永久磁铁的磁场
16
相互作用，产生了阻尼力矩Mz，阻碍了可动部分的摆动。
显然，仪表可动部分的运动速度越快，产生涡流越大，阻尼力矩越大。
阻尼力矩的特点：
作用：
缩短可动部分的摆动时间以利于尽快读数。
方向；与可动部分的运动方向始终相反。
大小：
与可动部分的运动速度的平方成正比关系。
当可动部分静止时。
阻尼力矩等于零。
4、读数装置
读数装置指示器和刻度盘组成。
指示器分指针式和光标式两种。
指针分矛形和刀形，如图1-5a、b所示。
矛形指针多用于大、中型安装式仪表中，以便远距离读数；刀形指针多用于小型安装式仪表及便携式仪表中以利于精确读数。
光标式指示器如图1-5c所示，灯泡1射出的光线经过聚光装置2照射到固定在可动部分转轴上的反射镜3上，经反射落到标度尺上，就能通过光标指示出被测量的数值。
光标指示器可以完全消除视觉误差，适用于一些高灵敏度和高准确度的仪表。
刻度盘又叫表盘，它是一个画有标度尺和仪表标志符号的平面，如图1-6所示。
为消除视觉误差，有些便携式精密仪表在标度尺下面还安装一块反射镜，当看到指针和指针在镜中影像重合时才能读数。
5、支撑装置
测量机构中的可动部分要随被测量大小而偏转，就必须有支撑装置。
常见的支撑方式有轴尖轴承支撑方式和张丝弹片支撑方式。
轴尖轴承支撑方式：
见图1-7a所示。
轴尖在轴承中转动时存在摩擦误差。
张丝弹片支撑方式：
见图1-7b所示。
弹片对张丝起减振和保护作用。
17
这种支撑方式没有摩擦误差存在，因而灵敏度很高，适用于精密度比较高的仪表，例检流计。
小结：
本节重点1、电工指示仪表的组成及各自的作用
2、测量机构在工作时能产生哪几种力矩，各自有什么
特点
作业：
P15
3、磁感应阻尼器的工作原理
、12
18
10第二章电流与电压的测量
§2-1磁电系测量机构
一、磁电系测量机构的结构组成及各部分的作用
1、固定的磁路系统：
永久磁铁1、极掌2和圆柱形铁心3。
作用是在极掌和铁心之间的空气隙中产生较强的均匀磁场。
2、可动部分：
绕在铝框架上的可动线圈4、线圈两端装的转轴7、与转轴相连的指针6、平衡锤8以及游丝5。
游丝的作用是：
1、产生反作用力矩，2、把被测电流导入和导出可动线圈。
铝框架的作用是：
产生阻尼力矩。
3、磁电系测量机构的分类：
根据永久磁铁和可动线圈之间的相对位置不同，我们可以把测量机构分为如下几类：
外磁式：
永久磁铁在可动线圈的外部。
内磁式：
永久磁铁在可动线圈的内部。
内外磁结合式：
可动线圈内、外部都有永久磁铁。
这种结构磁性更
强，结构可以紧凑。
二、磁电系测量机构的工作原理
磁电系测量机构是根据通电线圈在磁场中受到电磁力矩而发生偏转的原理制成的，其原理示意图见图2—4。
当可动线圈中通入电流时，载流线圈在永久磁铁的磁场中将受到电磁力矩的作用而偏转。
通电线圈的电流越大，线圈受到的转矩越大，仪表指针偏转的角度也越大；同时，游丝扭的越紧，反作用力矩也越大。
当线圈受到的转动力矩与反作用力矩大小相等时，线圈就停留在某一平衡位置，此时，指针就指示出被测量的大小。
19
下面分析仪表可动部分的偏转角α与线圈中通入被测电流I之间的关系。
如图2—4所示，极掌与铁心之间气隙的磁场呈辐射状均匀分布，设其磁感应强度为Ｂ，线圈匝数为N，垂直于磁场方向线圈的有效边长为ｌ，则当线圈中通入电流为I时，每个有效边的电磁力F为
F＝NBIｌ
线圈受到的转动力矩为
M＝2Fｒ＝2NBIｌ式中ｒ为线圈有效边到转轴的距离。
于线圈所包围的面积为
S＝2ｒｌ
故有 M=NBIS 线圈在转动力矩M的作用下发生偏转的同时，引起游丝变形，产生的反作用力矩为
Mｆ＝D
式中Ｄ为游丝是反作用系数，为可动部分的偏转角。
式看出，反作用力矩随偏转角的增大而增大，当增大到M＝Mｆ时，可动部分处于平衡状态，指针就停留在某一平衡位置上，指针偏转的角度为。
将和代入M＝Mｆ得
NBSI＝D
NBSI 整理得 ＝DNBS对于已制造好的仪表，N、B、S、D都是常数，所以也是一
D个常数，用SＩ表示，则式可写成
=SI2I
式中SI=叫做磁电系测量机构的灵敏度，表示单位被测量所对应的偏
I
20
RC—测量机构内阻 RZ—欧姆表的内阻
上式说明，若欧姆表的总内阻和电池电动势保持不变，则线路中的电流I只与被测电阻有关，且成反比关系。
当RX=0时，调整RO，使I此位置为“欧姆零位”。
当RZ=时，I=0，指针不动，规定此位置为“欧姆”。
此可见，电阻档的刻度尺是反向的并且是不均匀的。
当RXRZ时，IEIm，指针指在满刻度位置，规定RZE1Im，指针指在刻度尺的中间位置，所2RZ2以此时所对应的电阻值RZ叫做欧姆中心值。
该欧姆中心值正好等于该档欧姆表的总内阻。
欧姆表量程的扩大
理论上讲，上述欧姆表可以测量0—之间任意阻值的电阻。
但实际上于欧姆刻度很不均匀，所以它的有效范围一般只在—10倍的欧姆中心值的刻度范围内，超出该范围测量将会引起很大的误差。
为了使欧姆表能在较大的范围内对被测电阻进行较准确的测量，万用表欧姆档都都做成多量程的。
同时为了能共用一条标尺，便于读数，一般都以R31档为基础，按10的倍数来扩大量程。
这样，各量程的欧姆中心值就应是十的倍数。
于欧姆表的量程的扩大实际上是通过改变欧姆中心值来实现的，所以，随着量程的扩大，欧姆表的总内阻和被测电阻都将增加。
46
这必然引起流过测量机构的电流减少。
因此
升级会员 