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1、专业电工仪表与测量培训教案电工仪表与测量 电工仪表与测量的基本知识 第一节 一、常用电工仪表的分类、组成与误差 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。 （一）分类 电工仪表的分类：（按结构和用途分类）指示仪表、比较仪表、数字仪表 一）指示仪表： 、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。 、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

2、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、共个等级。 （）按使用条件分类：有、三组类型。组仪表适用于环境温度为；类仪表适用于；组仪表适用于。相对湿度条件均为范围内。 （）按被测电流种类分类：有直流仪表、交流仪表以及交、直流两用仪表。 二）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。 三）数字仪表：采用数字测量技术，以数字的形式直接显

3、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。 测量机构转换成仪表可动部分的机械偏转角。（或过渡量）测量机构的作用是将被测量 测量机构是电工指示仪表的核心。 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。测量线路通常由电阻器、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

4、分流器。 电工指示仪表的结构方框图： 指针偏转角 过渡量 测量对象 测量机构 测量线路()() . 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。（如图） 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： 转动力矩的大小与被测量以及指针偏转角成某种函数关系， 即：(, ) .反作用力矩装置 如果测量机构中只有转动力矩，则不论被测量有多大，可动部分

5、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，使得当时，可动部分平衡，从而稳定在一定的偏转角上。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成正比，即。式中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。 与转动力矩方向相反。:方向阻尼力矩装置 由于指示仪表的可动部分都有一定的惯性，因此，当时，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，

6、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，带动阻尼片运动，而阻尼片在密封的阻尼器盒中运动时，必然受到空气的阻力，从而产生阻尼力矩。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，带动阻尼片在永久磁铁的磁场内运动，从而切割电磁线产生涡流，该涡流与永久磁铁的磁场相互作用，产生了阻尼力矩，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

7、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。 、读数装置 读数装置由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。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。 光标式指示器由灯泡射出的光线经过聚光装置照射到固定在可动部分转轴上的反射镜上，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。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

8、在镜中影像重合时才能读数。 、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：轴尖在轴承中转动时存在摩擦误差。 这种支撑方式没有摩擦误差弹片对张丝起减振和保护作用，张丝弹片支撑方式：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。 （三）仪表的误差及分类 仪表误差：仪表的测量结果与被测量的实际值之间存在的差值叫误差。 一）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（指规定的温度和放置方式、频率，没有外磁场和外电场的干扰等）由于仪表的结构、工艺

9、等方面的不完善而产生的误差叫基本误差。它是仪表本身所固有的。 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。 （）附加误差：仪表偏离了规定的工作条件（如温度、频率、波形的变化超出规定的条件，工作位置不当或存在外电场和外磁场的影响）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 、绝对误差： 仪表的指示值与被测量的实际值之间的差值，叫绝对误差，用表示。 即： （） 例 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时，甲、乙两表的读数分

10、别为和，求甲、乙两表的绝对误差。 解：由式（）得 甲表的绝对误差 乙表的绝对误差 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，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？ 由（）可得： )( 式中称为仪表的校正值。 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

11、用另外一种误差相对误差来比较了。 例：甲表测量电压时,乙表测量电压时,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： 绝对误差与被测量的实际值的比值的百分数叫相对误差。用表示。 即： 没有单位 例：用甲表测量的电压，；用乙表测量的电压，求其相对误差。 乙甲解：甲表： 甲 乙表： 乙由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。 、引用误差 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，由于

12、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， 由上式可看出，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，仪表量程也不变，故引用误差可用来表示仪表的准确程度。 三）仪表的准确度 由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

13、的最大绝对误差与仪表量程比值的百分数，叫仪表的准确度。 即： 式中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： 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， 即 ?K?Am 100例 计算准确度等级为级，量程为的电压表的最大绝对误差。 ?K?Am?1.5?250解： 100100例 用准确度等级为级、量程为的电流表，分别测量和的电流，求其相对误差各为多少？ 解：先求出该表的最大绝对误差 ?K?Am?2.0?100 10

14、0100测量电流时出现的最大绝对误差为 ?2.0m? 1A51x测量电流时出现的最大绝对误差为 ?m?2.0?100%?100?%?2.0% 2A1002x由以上结果可看出，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。 常用电工测量方法及测量误差 二、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

15、大小的过程。度量器：测量单位的复制体（通常所说的标准量）。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 、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。 、优点：方法简便，读数迅速。 、缺点：由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 、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

16、伏安法测量电阻，用电压表测三级管集电级电流。 、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。 、缺点：测量误差较大。 （三）比较测量法 、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。 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（即两者差值为零），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。 （

17、）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。 、优点：准确度高。 、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。 （四）测量误差及消除方法在测量过程中，由于受到测量仪表、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三类。 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。 .系统误差包括：仪表

18、误差和方法的误差。 （）测量仪表（设备）的误差： 包括测量仪表本身不完善而造成的基本误差以及由于仪表工作条件改变而造成的附加误差。 （）测量方法的误差： 由于所用的测量方法不完善、仪表安装或配线不当、外界条件变化以及测量人员操作技能和经验不足或采用了近似计算公式而引起的误差。 .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： ）正负消去法： 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

19、的影响， 后再测量一次，则在两种位置下测量结果的误差负可将电流表放置的位置调换号必是一正一负，取其平均值后，就能消除这种由外磁场影响而引起的系统误差。 ）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，由已知量的数值便可求得被测量。这样，由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。 ）引入校正值：（书上没有列出） 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”。 .偶然误差产生的原因 主要由外界环境的偶发性变化引起。如

20、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。 .偶然误差的消除 通过多次测量同一被测量，算出算术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。 .产生疏失误差的原因： 由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。 .疏失误差的消除 抛弃不用这个数据，加强操作者的责任心，倡导认真负责的工作态度。 第二节 常用测量机构 一、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、极掌和圆柱形铁心。作用是在

21、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、线圈两端装的转轴、与转轴相连的指针、平衡锤以及游丝。 游丝的作用是：、产生反作用力矩，、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

22、示意图见图。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。 下面分析仪表可动部分的偏转角与线圈中通入被测电流之间的关系。 如图所示，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，线圈匝数为，垂直于磁场方向线圈的有效边长为，则当线圈中通入电流为时，每个有效边的电磁力为 线圈受到的转动力矩为 式中为线圈有效边到转轴的距离。 由于线圈所包围的面积为 故

23、有 （） 线圈在转动力矩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 ? （） ?为可动部分的偏转角（即指针偏转角）。 式中为游丝是反作用系数，由式（）看出，反作用力矩随偏转角的增大而增大，当增大到时，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（）代入得 ? NBS? 整理得 （） I DNBS对于已制造好的仪表，、都是常数，所以也是一个常数，用表示， D则式（）可写成 ? （） ?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转角。式中 I?与通过线圈的电流成正磁电系测量机构可动部分的稳定偏转角式（）说明，比。因此，可以用偏转角的大小来

24、衡量被测量的大小，并由指针在标度尺上直接显示被测电流的数值。 （三） 磁电系仪表的特点 由以上分析的磁电系测量机构的结构和原理可以看出，磁电系仪表具有以下特点： 1准确度高、灵敏度高： 由于永久磁铁的磁性很强，能在很小的电流作用下 产生很大的转矩，所以，由于摩擦、温度改变及外磁场影响所造成的误差相对较小，可以忽略，因而准确度高。另外，由可知，当很大时，灵敏度必然高。 2刻度尺均匀、便于读数： 因为磁电系测量机构指针的偏转角与被测电流的大小成正比， 因此仪表的标度尺刻度是均匀的。 3过载能力小： 由于被测电流是通过游丝倒入和倒出可动线圈的，而且线圈的导线又很细，所以通入的电流如果太大的话，会使游

25、丝的弹性遭到破坏，甚至烧毁线圈。因此磁电系测量机构的过载能力小。 4功率消耗小： 由于磁电系测量机构通入的电流很小，故仪表本身消耗的功 率很小。 .只能测量直流电量： 由于永久磁铁的极性是固定不变的，所以只有在线圈中通入直流电流，仪表的可动部分才能产生稳定的偏转。如果在线圈中通入交流电流，则产生的转动力矩也是交变的，可动部分由于惯性的作用来不及转过去又的转回来，使得指针只能在零位左右摆动而不能读数，所以，磁电系测量机构只能直接测量直流电量。要想测量交流电流，就必须在测量机构前加上整流器才能使用。 ?与通过线圈的电流成正比。 . 磁电系测量机构可动部分的稳定偏转角 二、电磁系测量机构 （一）电磁

26、系测量机构的结构组成及各部分作用 主要由固定线圈和可动的软磁铁片组成。电磁系测量机构根据其结构形式的不同，可分为吸引型和排斥型两类。 、吸引型测量机构 偏心地装在转轴上的可动铁片。产生转动力矩的装置固定线圈、组成：它们能产生转动力矩。 产生反作用力矩的装置游丝。它只产生反作用力矩而不通过电流。 产生阻尼力矩的装置阻尼片、永久磁铁。组成磁感应阻尼器，产生阻尼力矩。 读数装置指针 支撑装置转轴 此外，为防止永久磁铁的磁场对线圈磁场的影响，在永久磁铁前加装了 用导磁性良好的材料制成的磁屏蔽。 、排斥型测量机构 组成：固定部分固定线圈、固定在线圈内壁上的固定铁片 可动部分可动铁片、游丝、指针及阻尼片等

27、 （二）电磁系测量机构的工作原理 、吸引型电磁系测量机构的工作原理 当固定线圈通电后，线圈产生的磁场将可动铁片磁化，对铁片产生吸引力，使 固定在同一转轴上的指针随之发生偏转，同时游丝产生反作用力矩。线圈中电 流越大，磁化作用越强，指针偏转角就越大。当游丝产生的反作用力矩与转动力矩相平衡时，指针就稳定地留在某一平衡位置，指示出被测量的大小。 显然，当流过线圈的电流方向改变而大小不变时，线圈产生的磁场极性及可动铁片被磁化的极性也同时改变，但它们之间的作用力仍是吸引力，转动力矩的大小和方向不变，保证了指针偏转角不会改变。所以，吸引型测量机构可用来组成交、直流两用仪表。 、排斥型电磁系测量机构的工作原

28、理 当电流通过固定线圈时产生磁场，使固定铁片和可动铁片同时磁化，且两铁片的同一侧为相同的极性。由于同性磁极相互排斥， 转动力矩使可动铁片转动，带动指针偏转。当游丝产生的反作用力矩与转动力矩相平衡时，指针就停留在某一位置，指示出被测量的大小。如果线圈中电流方向改变，线圈产生磁场的方向也随着改变，两铁片的磁化极性也同时改变，但其相互排斥力的方向不变。所以，排斥型的结构同样适用于交、直流测量中。 综上所述，电磁系测量机构的工作原理是：利用通电流的固定线圈产生磁场，使铁心磁化。然后利用线圈与铁心或铁心与铁心相互作用产生转动力矩，带动指针 偏转。、指针偏转角与线圈中电流的关系 分析：对吸引型结构来讲，电

29、磁系测量机构的转动力矩取决于固定线圈的磁场和可动铁片被磁化后的磁场强弱，而它们磁场的强弱又都与被测电流有关。可见，转动力矩的大小应与线圈磁势的平方成正比。对排斥型结构来说，其转动力矩取决于固定铁片和可动铁片被磁化后磁场的强弱，而它们的磁场也都与被测电流有关。所以，排斥型结构转动力矩的大小也应与线圈产生的磁势的平方成正比。 显然，电磁系测量机构的转动力矩与线圈磁势的平方成正比，即 （） （） 是一个系数；它与线圈和铁片的尺寸、形状、材料及它们相互位置有关。 游丝产生的反作用力矩是 是游丝的反作用系数。 当转动力矩和反作用力矩相等时，可动部分停止在某一平衡位置上，指针就有一个稳定的偏转角。 由有

30、（） K21（） （） 得：)NI( D式中也是一个系数。 式（）说明，电磁系测量机构指针的偏转角与被测电流的平方成正比，因此可用来测量被测电流的大小。 （三）电磁系测量机构的特点 、标度尺刻度不均匀。因与成正比。 、准确度和灵敏度都不高。因磁场是由通电的固定线圈产生，比较弱。 、过载能力强。由于被测电流是不经过游丝直接进入线圈的，所以只要绕制固定线圈的导线粗一些，就可以测量较大的电流。 、既可测量直流又可测量交流。由于测量直流时有磁滞误差，故一般只用它作交流仪表，要想将它制成交直流两用表，需要里面的铁片都采用优质的坡莫合金材料。 、易受外磁场的影响。因电磁系仪表的磁场是由固定线圈通入电流而产生的，比较弱，故很容易受外磁场的影响。所以必须设法减少其影响。常用的减少外磁 场影响的方法有：（）磁屏蔽：将测量机构装在导磁性能良好的材料做成的屏蔽罩内。这样外磁场的磁感线将沿着屏蔽罩穿过，而不会影响罩内的测量机构。有时为进一步削弱外磁场的影响，可采用两层甚至三层磁屏蔽。 （）无定位结构：将固定线圈分成完全相同的两部分且反方向串联，如图所示。当线圈通电以后，两线圈产生的磁场方向相反，但其总转矩却是相加的。一旦有外磁场存在，一线圈的磁场被削弱，另一线圈的磁场必将增强。因两线圈的结构完全对称，