改電工儀表與測量基本知識

1、改電工儀表與測量基本知識研究對象：電氣測量技術對從事電氣技術工作的人員來說是十分必要的；不論是電氣設備的安裝、調試、實驗、運行、維修；還是對電氣產品進行檢驗、測試、鑒定都會涉及電磁測量方面的技術問題。應用于工農業(yè)生產、生活、國防、科研等各領域。如，變電所、配電室、發(fā)電廠、電力監(jiān)控網、火箭發(fā)射中心、家用電能計量表等。應用領域部分電工儀表圖片部分電工儀表圖片電氣測量儀器的發(fā)展的階段20世紀50年代以前，機械式的模擬指示儀器（如指針式萬用表、晶體管電壓表等）；20世紀50年代左右，電子式的模擬指示儀器（如數(shù)字式電壓表、數(shù)字頻率計等）；20世紀70年代初，智能儀器；20世紀80年代以后，虛擬儀器（檢測

2、技術與計算機技術有機結合）；數(shù)字化網絡化智能化小型化發(fā)展趨勢第一節(jié) 測量方法的分類第二節(jié) 電工儀表的分類第三節(jié) 電工儀表的組成和基本原理第四節(jié) 測量誤差及其表示方法第五節(jié) 工程上最大測量誤差的估計及 系統(tǒng)誤差的消除第六節(jié) 隨機誤差的估計 第一章 電工儀表與測量的基本知識本章要點本章第一、二、三節(jié)主要介紹有關儀表的基本概念與工作原理，掌握有關變換的概念，了解各類儀表在測量過程中，都是通過變換，把被測電磁量轉換為可閱讀的數(shù)字或機械偏移，以達到測量的目的。本章第四、五、六節(jié)主要是介紹產生誤差的原因、誤差的估計、誤差的表示方法，以及如何在測量中減少誤差。1、測量的意義 日常生活中處處離不開測量科學的進

3、步和發(fā)展離不開測量，離開測量就不會有真正的科學。測量總論一、測量的基本概念沒有望遠鏡就沒有天文學，沒有顯微鏡就沒有細胞學，沒有指南針就沒有航海事業(yè) 生產發(fā)展離不開測量 農業(yè)社會中，需要丈量土地、衡量谷物，就產生了長度、面積、容積和重量的測量；掌握季節(jié)和節(jié)候，出現(xiàn)了原始的時間測量器具，并有了天文測量?，F(xiàn)代化的工業(yè)生產中，處處離不開測量。例如，一個大型鋼鐵廠需要約2萬個測量點。在高新技術和國防現(xiàn)代化建設中則更是離不開測量例如，每種新設計的飛機，需要測試飛機高速飛行中受氣流沖擊作用下的性能，通過風洞試驗測定機身、機翼的受力和振動分布情況，以驗證和改進設計。1.狹義測量的定義測量是為了確定被測對象的量

4、值而進行的實驗過程。在測量過程中，人們借助專門的設備，把被測對象直接或間接地與同類已知單位進行比較，取得用數(shù)值和單位共同表示的測量結果。二、測量的定義 測量結果測量數(shù)值.測量單位，即：測量的內涵 測量對象：被測客體中的相應的量值信息； 測量目的：從被測對象取得一個定量的認識；測量過程: 通過實驗去認識對象的過程測量方法：比較； A.直接比較 B.間接比較； C.需要測量儀器；測量標準：同類已知單位。測量結果：最終能表示給測量主體（人）被測物體的重量等于標準砝碼的重量被測物體的重量從度盤上讀數(shù)，因為，彈簧秤度盤上的刻度是事先與標準量進行比較的結果。2.廣義測量的定義廣義地講，測量不僅對被測的物理

5、量進行定量的測量，而且還包括對更廣泛的被測對象進行定性、定位的測量。例如故障診斷、無損探傷、遙感遙測、礦藏勘探、地震源測定、衛(wèi)星定位等。而測量結果也不僅僅是由量值和單位來表征的一維信息，還可以用二維或多維的圖形、圖像來顯示被測對象的屬性特征、空間分布、拓樸結構等。 廣義測量原理可以從信息獲取過程來說明，包括信息的感知和信息識別兩個環(huán)節(jié)。 1.測量的基本要素 三、測量的基本要素被測對象、測量儀器、測量技術、測量人員和測量環(huán)境2.測量過程基本要素之間的互動關系論證階段測量的主體（測量人員）根據測試任務的要求、被測對象的特點、屬性，及現(xiàn)有儀器設備狀況，擬定合理的測試方案。設計階段* 選擇測試儀器，組

6、建測試系統(tǒng)。* 制定出測試策略（測量算法）和操作步驟（測試程序）實施階段* 對儀器和系統(tǒng)實施測試操作（發(fā)控制命令），按照邏輯和時序完成測量過程，取得測量數(shù)據;* 分析測量誤差并顯示測量出結果。3.被測對象信息廣義的測量是信息的獲取，信息反映了事物的運動的狀態(tài)及其變化方式。信息又可分為自然信息和社會信息兩大類。4.測量儀器系統(tǒng)量具和儀器測量儀器系統(tǒng)包括量具、測試儀器、測試系統(tǒng)及附件等5.測量的主體測量人員手動：由測量主體（測量人員）直接參與完成自動：測量主體交給智能設備（計算機等）完成，但測量策略、軟件算法、程序編寫需由測量人員事先設計好。6.測試技術測量中所采用的原理、方法和技術措施，總稱為測

7、試技術。根據定義而令系數(shù)為1的量稱為單位。單位是表征測量結果的重要組成部分，又是對兩個同類量值進行比較的基礎。四、單位和單位制1980年由國際計量大會（CGPM）采納和推薦的一種一貫單位制。注： SI是國際單位制的國際通用符號。目前，國際單位制下7個基本單位： 長 度 米 M 質 量 千克（公斤） Kg時 間 秒 S電 流 安培 A熱力學溫度 開爾文 K 物質的量 摩爾 Mol發(fā)光強度 坎德拉 cd國際單位制（SI）International System of Units米：光在真空中（1/299792458s）時間間隔內所經過路徑的長度。第17屆國際計量大會（1983）千克：國際千克原器的

8、質量。第1屆國際計量大會（1889）和第3屆國際計量大會（1901）秒：銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間。第13屆國際計量大會（1967），決議1安培：在真空中，截面積可忽略的兩根相距1 m的無限長平行圓直導線內通以等量恒定電流時，若導線間相互作用力在每米長度上為210-7 N，則每根導線中的電流為1 A。國際計量委員會（1946）決議2。第9屆國際計量大會（1948）批準SI基本單位的定義 開爾文：水三相點熱力學溫度的。第13屆國際計量大會（1967），決議4摩爾：是一系統(tǒng)的物質的量，該系統(tǒng)中所包含的基本單元（原子、分子、離子、電子

9、及其他粒子，或這些粒子的特定組合）數(shù)與0.012 kg碳-12的原子數(shù)目相等。第14屆國際計量大會（1971），決議3坎德拉：是一光源在給定方向上的發(fā)光強度，該光源發(fā)出頻率為5401012 Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射強度為（1/683）W/sr。第16屆國際計量大會（1979），決議3SI基本單位的定義 國際單位制中具有專門名稱的導出單位量平面角 弧度 rad立體角 球面度 sr頻率 赫茲 Hz力（重力、壓力） 牛頓 N壓強（應力） 帕斯卡 Pa能量（功、熱） 焦耳 J功率（輻射通量） 瓦特 W國際單位制（SI）的導出單位電荷量 庫侖 0C電位（電壓、電動勢） 伏特 V電容 法拉 F電

10、阻 歐姆 電導 西門子 S磁通量 韋伯 Wb磁通量密度磁感應強度 特斯拉 TH電感 亨利 H國際單位制（SI）的導出單位攝氏溫度 攝氏度 0C光通量 流明 lm光照度 勒克斯 lx放射性活度 貝可勒爾 Bq吸收劑量 戈瑞 Gy劑量當量 希沃特 Sv國際單位制（SI）的導出單位第一節(jié) 測量方法的分類一、測量方式分類測量方式直接測量間接測量組合測量指被測量與中間量的函數(shù)式中還有其他未知數(shù)，須通過改變測量條件，得出不同條件下的關系方程組，然后解聯(lián)立方程組求出被測量的數(shù)值。指要利用某種中間量與被測量之間的函數(shù)關系，先測出中間量，再算出被測量。例如用伏安法測電阻。指儀表讀出值就是被測的電磁量，例如用電流

11、表測量電流，用電壓表測量電壓。二、測量方法(即數(shù)據讀取方法)分類測量方法直讀法比較法利用儀表直接讀取測量數(shù)據。零值法較差法替代法將已知量與被測量先后置于同一測量裝置中，若兩次測量裝置都處于相同狀態(tài)，可認為被測量等于已知量，再從已知量讀出被測量值。從比較儀求得差值，根據度量器數(shù)值和比較差值，求得被測量的數(shù)值。比較儀表指零時，從度量器讀出被測量的數(shù)值將被測量與度量器放在比較儀器上進行比較，從而求得被測量的數(shù)值。模擬指示儀表是將被測電磁量轉換為可動部分的角位移，然后根據可動部分指針在標尺上的位置直接讀出被測量的數(shù)值。第二節(jié) 電工儀表的分類 一、模擬指示儀表二、數(shù)字儀表數(shù)字儀表是將被測電磁量轉換為電壓

12、，再轉換為數(shù)字量，并以數(shù)字方式直接顯示。 （1）根據測量機構的工作原理分類 可以把儀表分為電磁系、磁電系、電動系、感應系、靜電系和整流系等。磁電式C、 整流式L、 熱偶式E、電磁式T、 電動式、鐵磁電動式D、感應式G、靜電式Q（2）根據測量對象分類 可以分為電流表（包括安培表、毫安表、微安表）、電壓表（包括伏特表、毫伏表、微伏表、千伏表）、功率表（又叫瓦特表）、電度表、歐姆表、相位表等。（3）根據儀表工作電流的性質分類 可以分為直流儀表、交流儀表和交直流兩用儀表。模擬指示儀表的分類（4）按儀表的使用方式分類 可以分為安裝式儀表（或稱板式儀表）和可攜式儀表等。（5）按儀表使用條件分類 分為A、A

13、1、B、B1和C五組。（A組： 工作環(huán)境為0+40， 相對濕度在85%以下。 B組： 工作環(huán)境為-20+50， 相對濕度在85%以下。 C組： 工作環(huán)境為-40+60， 相對濕度在98%以下）有關各組儀表使用條件的規(guī)定可查閱國家標準GB/T 776-1976電氣測量指示儀表通用技術條件。（6）按儀表的準確度等級分類 分為、和共7個準確度等級。除以上分類以外，還可以按外殼的防護性能及耐受機械力作用的性能分類，讀者可查閱GB/T 776-1976中的有關規(guī)定。 電工儀表的型號 1安裝式儀表的型號組成用途代號派生號系列代號形狀第一位代號 形狀第二位代號 改進代號形狀第一位代號：按儀表面板形狀最大尺寸

14、編制形狀第二位代號：按儀表外殼形狀尺寸編制系列代號：按儀表的工作原理編制 C: 表示磁電系 T: 表示電磁系 D: 表示電動系 G: 表示感應系 L: 表示整流式 Q: 表示靜電系用途號：按被測量編制 如： V: 電壓表 A: 電流表 W: 功率表舉例：42C3-A 設計序號為3的磁電系電流表 ，形狀代號42可在產品目錄查得其外形尺寸和安裝開孔尺寸。 便攜式儀表的型號組成 舉例：T62-V 設計序號為62的電磁系電壓表另有：系列代號前加一個漢語拼音字母 表示類別 如：Q 表示電橋P 表示數(shù)字式 Z 表示電阻D 表示電能表 設計序號系列代號指使用電橋、補償?shù)确椒?，將標準度量器與被測量置于比較儀器

15、中進行比較，從而求得被測量。這類儀器除需要儀表本體外（如電橋、電位差計等）還需要檢流設備、度量器等參與。三、比較儀器電工儀表標志的識別 不同的電工儀表具有不同的技術特性，為了便于選擇和正確使用儀表，通常還用各種不同的圖形符號來表示這些技術特性，并標注在儀表面板的顯著位置上，這些圖形符號叫做儀表的標志。 2.儀表工作原理的圖形符號3準確度等級的符號4端鈕及調零器的符號6電流種類的符號5工作位置的符號7絕緣強度的符號級交流電度表的驗收方法直流電位差計 直流電阻分壓箱 標準電池5. GB/T 3930-1983 測量電阻用直流電橋 數(shù)據處理用的模塊化儀器系統(tǒng) CAMAC 系統(tǒng) 多機箱系統(tǒng)結構分支信息

16、公路和A1型CAMAC 機箱控制器規(guī)范五十七項國家標準目錄（17）系統(tǒng)中的塊傳送； 9.GB 6738-1986 電測量指示和記錄儀表及其附件的安全要求；多個控制器在一CAMAC機箱中；串行信息公路接口系統(tǒng)；標準電容器；感應分壓器； 測量用穩(wěn)定電源裝置 ；標準電容箱； 五十七項國家標準目錄（815）交流電橋；電測量儀表標度盤與標度尺；直接動作電測量記錄儀； 直流磁電系檢流計； 電力定量器； 數(shù)字儀表基本參數(shù)系列； 直流數(shù)字電壓表及直流模數(shù)變換器；無功電度表；、1和2級交流有功電度表；25. GB/T 9092-1998 費率和負載控制時間開關；五十七項國家標準目錄（1625）交流電度表符號；

17、級和2級直接接入靜止式交流有功電度表驗收檢驗 ；交流電量轉換為模擬量或數(shù)字信號的電測量變送器；29. GB/T 7676.1-1998 直接作用模擬指示電測量儀表及其附件 第1部分:定義和通用要求； 直接作用模擬指示電測量儀表及其附件 第2部分:電流表和電壓表的特殊要求；五十七項國家標準目錄（2630）直接作用模擬指示電測量儀表及其附件 第3部分:功率表和無功率表的特殊要求；直接作用模擬指示電測量儀表及其附件 第4部分:頻率表的特殊要求； 直接作用模擬指示電測量儀表及其附件 第4部分:頻率表的特殊要求 ；直接作用模擬指示電測量儀表及其附件 第5部分:相位表、功率因數(shù)表和同步指示器的特殊要求；直

18、接作用模擬指示電測量儀表及其附件 第6部分:電阻表(阻抗表)和電導表的特殊要求；五十七項國家標準目錄（3135）直接作用模擬指示電測量儀表及其附件 第7部分:多功能儀表的特殊要求； 直接作用模擬指示電測量儀表及其附件 第8部分:附件的特殊要求；直接作用模擬指示電測量儀表及其附件 第9部分:推薦的試驗方法； 可程控測量設備標準數(shù)字接口的標準代碼、格式、協(xié)議和公共命令；電測量儀器 X-t記錄儀 第1部分:定義和要求；五十七項國家標準目錄（3640）電測量儀器 X-t記錄儀 第2部分:推薦的附加試驗方法； 和3級靜止式交流無功電度表 和級靜止式交流有功電度表；費率和負荷控制用電子式紋波控制接收機；安

19、裝式指示和記錄電測量儀表的尺寸；交流1 000 V和直流1 500 V以下低壓配電系統(tǒng)電氣安全 防護檢測的試驗、測量或監(jiān)控設備 第1部分:通用要求；五十七項國家標準目錄（4145）電能表檢驗裝置； 卡預付費售電系統(tǒng) 第1部分:總則； 卡預付費售電系統(tǒng) 第2部分:IC卡及其管理；卡預付費售電系統(tǒng) 第3部分:預付費電度表； 多費率電能表 特殊要求； 級和2級靜止式交流有功電能表； 五十七項國家標準目錄（4651）交流1000V和直流1500V以下低壓配電系統(tǒng)電氣安全 防護檢測的試驗、測量或監(jiān)控設備 第2部分:絕緣電阻； 電氣測量指示儀表通用技術條件；電工和電子測量設備性能表示；脈沖信號發(fā)生器技術條

20、件；56. GB/T 9318-1988 脈沖信號發(fā)生器測試方法57. GB/T 13978-1992 數(shù)字多用表通用技術條件 五十七項國家標準目錄（5257）電工指示儀表主要由測量機構和測量線路兩部分組成。測量機構是儀表的核心，由固定部分和可動部分組成。第三節(jié) 電工儀表的組成和基本原理一、模擬指示儀表的組成電工指示儀表的測量機構測量機構轉動力矩裝置反作用力矩裝置阻尼力矩裝置讀數(shù)裝置支撐裝置模擬指示儀表中的三大部件： 1.產生轉動力矩M的裝置： 使指針偏轉 利用電磁力的有磁電式、電磁式、電動式、感應式、振動式等。利用電荷作用力的有靜電式等。 2.產生反作用力矩Ma的裝置： 平衡轉動力矩。 主要

21、有游絲、懸絲等。指示儀表的測量機構 3.產生阻尼力矩的裝置： 盡快指示出被測量的數(shù)值 可以利用電磁阻尼、空氣阻尼、油阻尼等。4讀數(shù)裝置 讀數(shù)裝置由指示器和刻度盤組成。指示器分指針式和光標式兩種。指針又分矛形和刀形。 大、中型安裝式儀表多采用矛形指針，以便遠距離讀數(shù)。小型安裝式儀表及便攜式儀表多采用刀形指針，以利于精確讀數(shù)。 光標式指示器適用于一些高靈敏度和高準確度的儀表。 矛形指針 刀形指針 光標指示器 刻度盤是一個畫有標度尺和儀表標志符號的面板，為了消除視覺誤差，有些便攜式精密儀表在標度尺下面還安裝一塊反射鏡，如圖所示。當看到指針和指針在鏡中的影像重合時才能讀數(shù)。這樣做的目的是為了消除視覺誤

22、差。 刻度盤（表盤） 安裝反射鏡的表盤5支撐裝置 測量機構中的可動部分要隨被測量大小而偏轉，就必須有支撐裝置。常見的支撐方式有兩種。一種是軸尖軸承支撐方式，一種是張絲彈片支撐方式。許多檢流計都采用了張絲彈片支撐方式。a）軸尖軸承支撐裝置 b）張絲彈片支撐方式 支撐裝置示意圖二、數(shù)字儀表的組成 通過A/D 轉換將電壓轉換為數(shù)字脈沖由于A/D 轉換的對象必須是電壓,所以需要測量線路將被測量轉換為電壓數(shù)字脈沖經譯碼加到顯示器被測線路A/D轉換數(shù)字顯示器被測量x電壓 U第四節(jié) 測量誤差及其表示方法 一、測量誤差的分類測量誤差 分 類 系統(tǒng)誤差 基本誤差：由儀表結構造成的誤差附加誤差：偏離規(guī)定的工作條件

23、造成的誤差隨機誤差：偶發(fā)原因引起大小方向都不確定的誤差疏忽誤差：測量人員疏忽造成 二、測量誤差的表示方法1. 絕對誤差 用測量值與被測量真值之間的差值所表示的誤差稱為絕對誤差。 例 測量兩個電壓，實際值U1=100V，U2=20V， 儀表的示值分別為Ux1=101V，Ux2=21V。其絕對誤差分別為： U1=Ux1 -U1= 101-100 = +1V U2 =Ux2 -U2= 21-20 = +1V很顯然，雖然二者的絕對誤差相同，但是二者測量的精確度卻相差甚遠，因此有必要引入相對誤差的概念。 2.相對誤差定義：絕對誤差與被測量實際值之比的百分數(shù)稱為相對誤差，即： 例 用一電壓表測量200V電

24、壓時，其絕對誤差為+1V；用另一電壓表測量另一電壓讀數(shù)為20V時，其絕對誤差為+1V。求它們的相對誤差。解：3. 引用誤差以絕對誤差與儀表上量限的比值所表示的誤差稱為引用誤差，其中絕對誤差若取可能出現(xiàn)的最大值則稱為最大引用誤差，可以用來評價儀表性能,即儀表的準確度等級。 例 檢定一個滿刻度為5A的級電流表，若在刻度處的絕對誤差最大， ，問此電流表準確度是否合理？解：此電流表的最大引用誤差 因為2.0%1.5%，即該表的的基本誤差超 出級表的允許值，所以該表的準確度不合格。 但該表最大引用誤差小于級表的允許值，若其 他性能合格，可作為級表使用。 4.正確度、精密度、準確度正確度:表征系統(tǒng)誤差的大

25、小。精密度:指在多次精密測量中，測量讀數(shù)重復一致的程度，表征即隨機誤差的大小。準確度:表示測量中系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩者的綜合影響，系統(tǒng)誤差小稱之為正確度高，隨機誤差小稱之為精密度高，準確度高則是指系統(tǒng)誤差和隨機誤差都比較小。指既“正確”又“精密”的測量?？梢姕蚀_度可以表示測量結果與被測真值的一致程度。 若直接測量所用儀表的準確度為 K ，則直接測量可能出現(xiàn)的相對誤差最大值不會超過 K 值。第五節(jié) 工程上最大測量誤差的估計及系統(tǒng)誤差的消除一、直接測量方式的最大誤差最大絕對誤差：最大相對誤差：直接測量:測量結果中的誤差即是所使用儀表本身的基本誤差?？梢愿鶕x表的準確度等級計算，指示儀表的準確度等級

26、用最大引用誤差表示。例 校驗一只量限為150V的電壓表，發(fā)現(xiàn)50V處的誤差最大，其值m=1V，求該表的準確度等級。解 因此準確度等級K為級。例 用級、量限為30A的電流表測量某電流時，其讀數(shù)為10A，試求測量可能出現(xiàn)的最大相對誤差為多少？解 由式（1-4）可得，該表的最大絕對誤差為由式(1-2)可得，該表測量的最大相對誤差為由此可知，測量結果的準確度（最大相對誤差）和儀表的準確度是不同的兩個概念，不能把儀表的準確度與測量的準確度看成是一回事。例 在上例中，若改用級、100A的電流表，如果其讀數(shù)仍然為10A，則此時的最大相對誤差又為多少？解 該表的最大絕對誤差為測得10A時，其最大相對誤差為由此

27、可見，儀表的準確度雖然提高了，但測量結果的誤差反而增大了。這是因為儀表準確度一定時，量限越大的儀表其最大絕對誤差越大。所以，不能只片面追求儀表的準確度等級，還應根據對測量的要求，合理選擇儀表量程，測量時使被測量盡量大于量限的1/2或2/3以上，才能使儀表的準確度得以充分發(fā)揮，測量的準確度才能得到比較滿意的結果。二、間接測量方式的最大誤差1、被測量y為n個中間量之和設x1 , x2 , x3為被測量有關的中間量，被測量y為x1 , x2 , x3之和，1, 2, 3為測量中間量可能產生的相對誤差則y可能產生的相對誤差為：最大誤差出現(xiàn)在各中間量的相對誤差符號相同時，即： 2.被測量y為兩個中間量之

28、差若被測量y為中間量x1，x2之差， 1, 2為測量每個中間量可能產生的誤差，則被測量可能產生的相對誤差為：最大誤差不僅與各中間量的相對誤差有關，而且與中間量之差有關，差越小，被測量 y 的相對誤差就越大。例如在并聯(lián)電路中，用測到的總電流與一個支路電流去求得另一支路的電流，這種方法不可取。 3.若被測量為若干中間量之積或商若被測量y為若干中間量 xn1 , xm2 , xp3 ,之積或商1, 2, 3為測量中間量可能產生的相對誤差，則y可能產生的相對誤差為： 最不利情況發(fā)生在符號相同時，即：從制造角度： 改進儀表結構和制造工藝，如減少轉動部分的摩擦，加強對外界電磁場的屏蔽等。這也是消除系統(tǒng)誤差最根本的辦法。從使用角度； 使用者無法改變儀表的結構，只能在使用中采用比較法、正負誤差補償法等來減小誤差，例如測量后將儀表調轉 180，重測一次，用兩次測量平均值作為測量值，以消除地磁的影響，或利用校正值求得被測量的真值。 三、系統(tǒng)誤差的消除方法系統(tǒng)誤差產生原因及消除辦法1.儀表本身結構造成的誤差:這種誤差可通過改善材料性能與制造工藝來消除.例如摩擦誤差,是儀表的可動部分采用轉軸式結構必然會產生的一種誤差.只要改善轉軸材料或采用懸絲結