第12章 電工測量《電工技術(shù)》.ppt

電工技術(shù) 主編李中發(fā)制作李中發(fā)2005年1月 第12章電工測量 掌握電流 電壓 電功率 電阻的測量方法掌握電流表 電壓表 功率表 萬用表的使用方法了解磁電式 電磁式及電動式儀表的結(jié)構(gòu)和工作原理了解磁電式 電磁式和電動式儀表的結(jié)構(gòu)了解電度表的接線方法和電能的測量原理 學(xué)習(xí)要點 第12章電工測量 12 1電工儀表的類型 誤差和準(zhǔn)確度12 2指針式儀表的結(jié)構(gòu)及工作原理12 3電流 電壓 功率及電能的測量12 4電阻的測量 12 1電工儀表的類型 誤差和準(zhǔn)確度 電工儀表是實現(xiàn)電工測量過程所需技術(shù)工具的總稱 電工儀表的測量對象主要是電學(xué)量與磁學(xué)量 電學(xué)量又分為電量與電參量 通常要求測量的電量有電流 電壓 功率 電能 頻率等 電參量有電阻 電容 電感等 通常要求測量的磁學(xué)量有磁感應(yīng)強度 磁導(dǎo)率等 按測量方法分為比較式和直讀式兩類 比較式儀表需將被測量與標(biāo)準(zhǔn)量進行比較后才能得出被測量的數(shù)量 常用的比較式儀表有電橋 電位差計等 直讀式儀表將被測量的數(shù)量由儀表指針在刻度盤上直接指示出來 常用的電流表 電壓表等均屬直讀式儀表 直讀式儀表測量過程簡單 操作容易 但準(zhǔn)確度不可能太高 比較式儀表的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 造價較昂貴 測量過程也不如直讀法簡單 但測量的結(jié)果較直讀式儀表準(zhǔn)確 按被測量的種類分為電流表 電壓表 功率表 頻率表 相位表等 按電流的種類分為直流 交流和交直流兩用儀表 按工作原理分為磁電式 電磁式 電動式儀表等 按顯示方法分為指針式 模擬式 和數(shù)字式 指針式儀表用指針和刻度盤指示被測量的數(shù)值 數(shù)字式儀表先將被測量的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量 然后用數(shù)字顯示被測量的數(shù)值 按準(zhǔn)確度分為0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5和5 0共7個等級 12 1 1電工儀表的分類 常用電工儀表的符號和意義 常用電工儀表的符號和意義 12 1 2電工儀表的誤差和準(zhǔn)確度 電工儀表的準(zhǔn)確度是指測量結(jié)果 簡稱示值 與被測量真實值 簡稱真值 間相接近的程度 是測量結(jié)果準(zhǔn)確程度的量度 誤差是指示值與真值的偏離程度 準(zhǔn)確度與誤差本身的含義是相反的 但兩者又是緊密聯(lián)系的 測量結(jié)果的準(zhǔn)確度高 其誤差就小 因此 在實際測量中往往采用誤差的大小來表示準(zhǔn)確度的高低 由于制造工藝的限制及測量時外界環(huán)境因素和操作人員的因素 誤差是不可避免的 根據(jù)引起誤差的原因不同 儀表誤差可分為基本誤差和附加誤差 基本誤差是在規(guī)定的溫度 濕度 頻率 波形 放置方式以及無外界電磁場干擾等正常工作條件下 由于儀表本身的缺點所產(chǎn)生的誤差 附加誤差是由于外界因素的影響和儀表放置不符合規(guī)定等原因所產(chǎn)生的誤差 附加誤差有些可以消除或限制在一定范圍內(nèi) 而基本誤差卻不可避免 誤差的表示方法 1 絕對誤差 2 相對誤差 3 引用誤差 儀表的準(zhǔn)確度 示值誤差 Ax 示值A(chǔ)o 真值A(chǔ)m 滿標(biāo)度值即量限 Am 最大絕對誤差示值誤差用于誤差很小或要求不高的場合 直讀儀表的準(zhǔn)確度用最大引用誤差來分級 分為0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5和5 0共7個等級 如準(zhǔn)確度為2 5級的儀表 其最大引用誤差為2 5 最大相對誤差 例如 用一量程為150V的電壓表在正常條件下測某電路的兩點間電壓U 示值為100V 絕對誤差為1V 這時U的真值為100 1 99V 相對誤差r 1 如果示值為10V 絕對誤差為 0 8V 則其真值為10 8V 相對誤差8 如果已知該電壓表可能發(fā)生的最大絕對誤差為1 5V 則儀表的最大引用誤差為 注意 被測量比儀表量程小得越多 測量結(jié)果可能出現(xiàn)的最大相對誤差值也越大 例如用1 0級量程為150V的電壓表測量30V的電壓 可能出現(xiàn)的最大相對誤差為5 而改用1 0級量程為50V的電壓表測量30V的電壓 可能出現(xiàn)的最大相對誤差為1 67 所以選用儀表的量程時應(yīng)使讀數(shù)在2 3量程以上 所以該儀表的準(zhǔn)確度等級為1 0級 12 2指針式儀表的結(jié)構(gòu)及工作原理 電工測量中常用的指針式儀表有磁電式 電動式 電磁式3種 這些儀表的結(jié)構(gòu)雖然不同 但工作原理卻是相同的 都是利用電磁現(xiàn)象使儀表的可動部分受到電磁轉(zhuǎn)矩的作用而轉(zhuǎn)動 從而帶動指針偏轉(zhuǎn)來指示被測量的大小 12 2 1磁電式儀表 直流電流I通過可動線圈時 線圈與磁場相互作用使線圈產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩 帶動指針偏轉(zhuǎn) 指針偏轉(zhuǎn)后扭緊彈簧游絲 使游絲產(chǎn)生反抗力矩 當(dāng)反抗力矩和轉(zhuǎn)動力矩相平衡時 線圈和指針便停止偏轉(zhuǎn) 由于在線圈轉(zhuǎn)動的范圍內(nèi)磁場均勻分布 因此線圈的轉(zhuǎn)動力矩與電流的大小成正比 又由于游絲的反抗力矩與線圈的偏轉(zhuǎn)角度成正比 所以儀表指針的偏轉(zhuǎn)角度與流過線圈的電流的大小成正比 即 KI 可見磁電式儀表標(biāo)尺上的刻度是均勻的 磁電式儀表的優(yōu)點 刻度均勻 靈敏度高 準(zhǔn)確度高 消耗功率小 受外界磁場影響小等 磁電式儀表的缺點 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 造價較高 過載能力小 而且只能測量直流 不能測量交流 使用注意事項 電表接入電路時要注意極性 否則指針反打會損壞電表 通常磁電式儀表的接線柱旁均標(biāo)有 記號 以防接錯 12 2 2電磁式儀表 線圈通入電流時產(chǎn)生磁場 使其內(nèi)部的固定鐵片和可動鐵片同時被磁化 由于兩鐵片同一端的極性相同 因此兩者相斥 致使可動鐵片受到轉(zhuǎn)動力矩的作用 從而通過轉(zhuǎn)軸帶動指針偏轉(zhuǎn) 當(dāng)轉(zhuǎn)動力矩與游絲的反抗力矩相平衡時 指針便停止偏轉(zhuǎn) 由于作用在鐵心上的電磁力與空氣隙中磁感應(yīng)強度的平方成正比 磁感應(yīng)強度又與線圈電流成正比 因此儀表的轉(zhuǎn)動力矩與電流的平方成正比 又由于游絲的反抗力矩與線圈的偏轉(zhuǎn)角度成正比 所以儀表指針的偏轉(zhuǎn)角度與線圈電流的平方成正比 即 KI2 可見電磁式儀表標(biāo)尺上的刻度是不均勻的 推斥型電磁式儀表也可以測量交流 當(dāng)線圈中電流方向改變時 它所產(chǎn)生磁場的方向隨之改變 因此動 靜鐵片磁化的極性也發(fā)生變化 兩鐵片仍然相互排斥 轉(zhuǎn)動力矩方向不變 其平均轉(zhuǎn)矩與交流電流有效值的平方成正比 12 2 3電動式儀表 固定線圈中通入直流電流I1時產(chǎn)生磁場 磁感應(yīng)強度B1正比于I1 如果可動線圈通入直流電流I2 則可動線圈在此磁場中就要受到電磁力的作用而帶動指針偏轉(zhuǎn) 電磁力F的大小與磁感應(yīng)強度B1和電流I2成正比 直到轉(zhuǎn)動力矩與游絲的反抗力矩相平衡時 才停止偏轉(zhuǎn) 儀表指針的偏轉(zhuǎn)角度與兩線圈電流的乘積成正比 即 KI1I2 對于線圈通入交流電的情況 由于兩線圈中電流的方向均改變 因此產(chǎn)生的電磁力方向不變 這樣可動線圈所受到轉(zhuǎn)動力矩的方向就不會改變 設(shè)兩線圈的電流分別為i1和i2 則轉(zhuǎn)動力矩的瞬時值與兩個電流瞬時值的乘積成正比 而儀表可動部分的偏轉(zhuǎn)程度取決于轉(zhuǎn)動力矩的平均值 由于轉(zhuǎn)動力矩的平均值不僅與i1及i2的有效值成正比 而且還與i1和i2相位差的余弦成正比 因此電動式儀表用于交流時 指針的偏轉(zhuǎn)角與兩個電流的有效值及兩電流相位差的余弦成正比 即 KI1I2cos 12 3電流 電壓 功率及電能的測量 12 3 1電流的測量 測量直流電流通常采用磁電式電流表 測量交流電流主要采用電磁式電流表 電流表必須與被測電路串聯(lián) 否則將會燒毀電表 此外 測量直流電流時還要注意儀表的極性 擴大量程的方法是在表頭上并聯(lián)一個稱為分流器的低值電阻RA 分流器的阻值為 RA Ro n 1 式中Ro為表頭內(nèi)阻 n I Io為分流系數(shù) 其中Io為表頭的量程 I為擴大后的量程 12 3 2電壓的測量 測量直流電壓通常采用磁電式電壓表 測量交流電壓主要采用電磁式電壓表 電壓表必須與被測電路并聯(lián) 否則將會燒毀電表 此外 測量直流電壓時還要注意儀表的極性 擴大量程的方法是在表頭上串聯(lián)一個稱為倍壓器的高值電阻RV 倍壓器的阻值為 RV m 1 Ro 式中Ro為表頭內(nèi)阻 m U Uo為倍壓系數(shù) 其中Uo為表頭的量程 U為擴大后的量程 12 3 3功率的測量 測量功率時采用電動式儀表 測量時將儀表的固定線圈與負(fù)載串聯(lián) 反映負(fù)載中的電流 因而固定線圈又叫電流線圈 將可動線圈與負(fù)載并聯(lián) 反映負(fù)載兩端電壓 所以可動線圈又叫電壓線圈 分格常數(shù) 被測功率 一表法 用一個單相功率表測得一相功率 然后乘以3即得三相負(fù)載的總功率 二表法 用兩只單相功率表來測量三相功率 三相總功率為兩個功率表的讀數(shù)之和 若負(fù)載功率因數(shù)小于0 5 則其中一個功率表的讀數(shù)為負(fù) 會使這個功率表的指針反轉(zhuǎn) 為了避免指針反轉(zhuǎn) 需將其電壓線圈或電流線圈反接 這時三相總功率為兩個功率表的讀數(shù)之差 三表法 用3只單相功率表來測量三相功率 三相總功率為3個功率表的讀數(shù)之和 用二元功率表和三元功率表測量三相總功率 三相總功率均可直接從表上讀出 12 3 4電能的測量 驅(qū)動機構(gòu)用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩 包括電壓線圈 電流線圈和鋁制轉(zhuǎn)盤 當(dāng)電壓線圈和電流線圈通過交流電流時 就有交變的磁通穿過轉(zhuǎn)盤 在轉(zhuǎn)盤上感應(yīng)出渦流 渦流與交變磁通相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩 從而使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動 制動機構(gòu)用來產(chǎn)生制動力矩 由永久磁鐵和轉(zhuǎn)盤組成 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動后 渦流與永久磁鐵的磁場相互作用 使轉(zhuǎn)盤受到一個反方向的磁場力 從而產(chǎn)生制動力矩 致使轉(zhuǎn)盤以某一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) 其轉(zhuǎn)速與負(fù)載功率的大小成正比 積算機構(gòu)用來計算電度表轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)數(shù) 以實現(xiàn)電能的測量和計算 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時 通過蝸桿及齒輪等傳動機構(gòu)帶動字輪轉(zhuǎn)動 從而直接顯示出電能的度數(shù) 電度表 單相電度表接線時 電流線圈與負(fù)載串聯(lián) 電壓線圈與負(fù)載并聯(lián) 單相電度表共有四根連接導(dǎo)線 兩根輸入 兩根輸出 電流線圈及電壓線圈的電源端應(yīng)接在相 火 線上 并靠電源側(cè) 12 4電阻的測量 12 4 1萬用表 1 磁電式萬用表 1 直流電流的測量 轉(zhuǎn)換開關(guān)置于直流電流檔 被測電流從 兩端接入 便構(gòu)成直流電流測量電路 圖中RAl RA2 RA3是分流器電阻 與表頭構(gòu)成閉合電路 通過改變轉(zhuǎn)換開關(guān)的檔位來改變分流器電阻 從而達到改變電流量程的目的 2 直流電壓的測量 轉(zhuǎn)換開關(guān)置于直流電壓檔 被測電壓接在 兩端 便構(gòu)成直流電壓的測量電路 圖中RVl RV2 RV3是倍壓器電阻 與表頭構(gòu)成閉合電路 通過改變轉(zhuǎn)換開關(guān)的檔位來改變倍壓器電阻 從而達到改變電壓量程的目的 3 交流電壓的測量 轉(zhuǎn)換開關(guān)置于交流電壓檔 被測交流電壓接在 兩端 便構(gòu)成交流電壓測量電路 測量交流時必須加整流器 二極管D1和Dl組成半波整流電路 表盤刻度反映的是交流電壓的有效值 RVl RV2 RV3 是倍壓器電阻 電壓量程的改變與測量直流電壓時相同 4 電阻的測量 轉(zhuǎn)換開關(guān)置于電阻檔 被測電阻接在 兩端 便構(gòu)成電阻測量電路 電阻自身不帶電源 因此接入電池E 電阻的刻度與電流 電壓的刻度方向相反 且標(biāo)度尺的分度是不均勻的 500型萬用表有兩個 功能 量程 轉(zhuǎn)換旋鈕 每個旋鈕上方有一個尖形標(biāo)志 利用兩個旋鈕不同位置的組合 可以實現(xiàn)交 直流電流 電壓 電阻及音頻電平的測量 如測量直流電流 先轉(zhuǎn)動左邊的旋鈕 使 A 檔對準(zhǔn)尖形標(biāo)志 再將右邊旋鈕轉(zhuǎn)至所需直流電流量程即可進行測量 使用前注意先調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕 使指針準(zhǔn)確指示在標(biāo)尺的零位置 2 數(shù)字式萬用表 數(shù)字式萬用表由功能變換器 轉(zhuǎn)換開關(guān)和直流數(shù)字電壓表3部分組成 其原理框圖如圖所示 直流數(shù)字電壓表是數(shù)字式萬用表的核心部分 各種電量或參數(shù)的測量 都是首先經(jīng)過相應(yīng)的變換器 將其轉(zhuǎn)化為直流數(shù)字電壓表可以接受的直流電壓 然后送入直流數(shù)字電壓表 經(jīng)模 數(shù)轉(zhuǎn)換器變換為數(shù)字量 再經(jīng)計數(shù)器計數(shù)并以十進制數(shù)字將被測量顯示出來 12 4 2兆歐表 兆歐表俗稱搖表 是測量絕緣體電阻的專用儀表 主要由磁電式流比計與手搖直流發(fā)電機組成 流比計是用電磁力代替游絲產(chǎn)生反作用力矩的儀表 它與一般磁電式儀表不同 除了不用游絲產(chǎn)生反作用力矩外 還有兩個區(qū)別 一是空氣隙中的磁感應(yīng)強度不均勻 二是可動部分有兩個繞向相反且互成一定角度的線圈 線圈1用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩 線圈2用于產(chǎn)生反作用力力矩 被測電阻接在L 線 和E 地 兩個端子上 形成了兩個回路 一個是電流回路 一個是電壓回路 電流回路從電源正端經(jīng)被測電阻Rx 限流電阻RA 可動線圈1回到電源負(fù)端 電壓回路從電源正端經(jīng)限流電阻RV 可動線圈2回到電源負(fù)端 由于空氣隙中的磁感應(yīng)強度不均勻 因此兩個線圈產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩T1和T2不僅與流過線圈的電流I1 I2有關(guān) 還與可動部分的偏轉(zhuǎn)角 有關(guān) 當(dāng)T1 T2 可動部分處于平衡狀態(tài) 其偏轉(zhuǎn)角 是兩個線圈電流I1 I2比值的函數(shù) 故稱為流比計 即 因為限流電阻RA RV為固定值 在發(fā)電機電壓不變時 電壓回路的電流I2為常數(shù) 電流回路電流I1的大小與被測電阻Rx的大小成反比 所以流比計指針的偏轉(zhuǎn)角 能直接反映被測電阻Rx的大小 流比計指針的偏轉(zhuǎn)角與電源電壓的變化無關(guān) 電源電壓U的波動對轉(zhuǎn)動力矩和反作用力矩的干擾是相同的 因此流比計的準(zhǔn)確度與電壓無關(guān)