電工學(xué)PPT第九章 電氣測量技術(shù)

第9章電氣測量技術(shù)9.1測量基礎(chǔ)知識9.3模擬指示儀表9.2測量誤差及其表示方法9.4數(shù)字式儀表9.5比較式儀表9.6電壓和電流的測量9.7功率和電能的測量9.8電阻、電感和電容的測量本章重點(diǎn)·誤差的表示方法

·常用儀表的使用

·電壓、電流、功率、電能、電阻、電感和電容的測量9.1測量基礎(chǔ)知識1.測量及測量單位要想確定被測量的大小，必須有一個參考量，即標(biāo)準(zhǔn)量，把這個參考量定義為單位。測量的結(jié)果通?？捎脙刹糠直硎荆阂徊糠质菙?shù)字值，另一部分是測量單位的名稱，一般表示為式中X表示被測量，AX表示測量所得的數(shù)值，即單位的倍數(shù)，X0表示測量單位。國際單位制中有七個基本單位，長度單位——米（m）；質(zhì)量單位——千克（kg）；時間單位——秒（s）；電流單位——安培（A）；熱力學(xué)溫度單位——開爾文（K）；光強(qiáng)單位——坎德拉（cd）；物質(zhì)的量單位——摩爾（mol）。表9-1電磁學(xué)單位的部分SI導(dǎo)出單位2.測量方式的分類（1）直接測量在測量過程中，能夠直接將被測量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，或能夠直接用事先刻度好的測量儀器對被測量進(jìn)行測量，從而直接獲得被測量數(shù)值的測量方法，稱為直接測量。例如：用電壓表測量電壓、用電度表測量電能以及用直流電橋測量電阻等都是直接測量。直接測量廣泛應(yīng)用于工程測量中。測量中，通過對與被測量有一定函數(shù)關(guān)系的幾個量進(jìn)行直接測量，然后再按這個函數(shù)關(guān)系計(jì)算出被測量的數(shù)字，這種測量方式稱為間接測量。例如：測量電阻時，可用電壓表測出該電阻兩端的電壓，用電流表測出流過它的電流，然后根據(jù)歐姆定律，間接計(jì)算出電阻數(shù)值。（2）間接測量3.測量方法分類（1）直讀法用直接指示被測量的數(shù)值的指示儀表進(jìn)行測量，能夠直接在儀表上讀取讀數(shù)。在直讀法的測量過程中，度量器不直接參與作用。①平衡法(零值法)。在測量過程中，連續(xù)改變標(biāo)準(zhǔn)量，使它產(chǎn)生的效應(yīng)與被測量產(chǎn)生的效應(yīng)相互抵消或平衡，這種方法稱為平衡法。由于在平衡時指示器指零，所以又稱為零值法。用電橋和電位差計(jì)進(jìn)行測量就是應(yīng)用平衡法原理。（2）比較法

②微差法(差值法)。如果在平衡法過程中，被測量與標(biāo)準(zhǔn)量不能平衡或標(biāo)準(zhǔn)量不便調(diào)節(jié)，則用測量儀器測量二者的差值或正比于差值的量，進(jìn)而根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)量的數(shù)值確定被測量的大小，這種方法就稱為微差法。

③替代法。將被測量與標(biāo)準(zhǔn)量分別接入同測量裝置，在標(biāo)準(zhǔn)量替代被測量的情況“下調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)量使測量裝置的工作狀態(tài)保持不變，從而可以用標(biāo)準(zhǔn)量的數(shù)值來確定被測量的大小，這種方法就稱為替代法。9.2測量誤差及其表示方法1.測量儀表的誤差另一種是附加誤差，它是由外加因素引起的，比如測量方法不正確，讀數(shù)不準(zhǔn)確，電磁干擾等。一種是基本誤差，它是由儀表本身的因素引起的，比如由彈簧永久變形或刻度不準(zhǔn)確等造成的固有誤差；2.測量誤差的表示方法（1）絕對誤差：指的是測量儀表的讀數(shù)AX與實(shí)際值A(chǔ)0之間的差值，即（2）相對誤差：指的是絕對誤差ΔA與實(shí)際值A(chǔ)0之比，用γ表示，以百分?jǐn)?shù)記。即【例9-1】用一電壓表測量200V電壓時，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，絕對誤差為+0.5V。求它們的相對誤差。解：（3）引用誤差：絕對誤差和相對誤差是從誤差的表示和測量的結(jié)果來反映某一測量值的誤差情況，但并不能用來評價測量儀表和測量儀器的準(zhǔn)確度。為計(jì)算和劃分測量指示儀表的準(zhǔn)確度等級，又提出了引用誤差的概念。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，用表示【例9-2】某電流表的量程為100mA，發(fā)現(xiàn)在50mA刻度處的誤差最大，其絕對值為1.5mA，其他刻度處的誤差的絕對值都小于1.5mA，則該電流表的最大引用相對誤差為它表示儀表在正常工作條件下使用時可能產(chǎn)生的最大引用誤差的數(shù)值不超過。該電流表的準(zhǔn)確度等級為1.5級。表9-2儀表的準(zhǔn)確度等級9.3模擬指示儀表表9-3電工儀表按工作原理分類表9-4電工儀表按工作原理分類1.指針式萬用表（1）直流電流的測量將萬用表串聯(lián)在被測電路中，其轉(zhuǎn)換開關(guān)打到直流電流擋區(qū)域。電流從“＋”端流入，“－”端流出。通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)的位置，即可改變分流器的電阻，從而改變直流電流擋的量程。比如打到5mA擋，分流器的阻值為RA1+RA2+RA3，其余電阻與表頭串聯(lián)；指針偏轉(zhuǎn)時，應(yīng)該按照表盤上第二條線讀數(shù)，但要注意量程與滿標(biāo)值之間的關(guān)系。實(shí)際使用時，如果對被測電流的大小不了解，應(yīng)該先用最大量程來測量，以防指針被打壞，然后再根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)程度來選用合適的量程，以減小誤差。轉(zhuǎn)換量程時注意不可帶電轉(zhuǎn)換。（2）直流電壓的測量將萬用表并聯(lián)聯(lián)在被測電路中，其轉(zhuǎn)換開關(guān)打到直流電壓擋區(qū)域。電流從“＋”端流入，“－”端流出。直流電壓表由直流電流表串聯(lián)不同的電阻構(gòu)成，串接的電阻越大，電壓表的量程越大。電壓表的內(nèi)阻越高，從測量電路分到的電流越小，被測電路受到的影響越小。通常用儀表的靈敏度來表示這一特征，即用儀表的總內(nèi)阻與電壓量程的比值來表示。如MF—30型萬用表的500V擋，其總內(nèi)阻為2500kΩ，則靈敏度為2500/500=5kΩ/V。（3）交流電壓的測量將萬用表并聯(lián)聯(lián)在被測電路中，其轉(zhuǎn)換開關(guān)打到交流電壓擋區(qū)域。由于磁電式儀表只能測直流，所以測交流電壓時需要在測量電路中增加整流裝置，電路中設(shè)置了整流二極管VD1和VD2，使流過表頭的電流方向保持不變。測量時，在正弦交流電的正半周，二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止，這時萬用表與測量直流電壓時的電路相同；在正弦交流電的負(fù)半周，VD2導(dǎo)通，VD1截止，表頭被短接，沒有電流通過萬用表?？梢姡f用表測交流電壓時，測的是正弦波正半周的電流平均值，而正半周的電流平均值與交流電壓的有效值間有一定的比例關(guān)系，因此可以直接用萬用表來測量正弦交流電壓的有效值。普通萬用表可測量頻率為45～1kHz的正弦交流電，但不能測量非正弦周期電量。交流電壓擋的量程改變與直流電壓相同，靈敏度較直流電壓擋低。（4）電阻的測量將萬用表打到電阻擋區(qū)域，就可以測量電阻。把待測電阻分別與萬用表的兩個表筆相接觸，這樣待測電阻與萬用表內(nèi)的干電池、調(diào)節(jié)電阻、表頭形成一個閉合回路，如圖9-5所示，萬用表面板上的“+”端接內(nèi)部電源的負(fù)極，而“―”端接內(nèi)部電源的正極，這樣回路中將有電流產(chǎn)生，使得指針偏轉(zhuǎn)，指示被測電阻值。使用萬用表測量電阻時必須注意以下幾點(diǎn)：（①測量電阻前必須先調(diào)零。方法是將萬用表打到電阻擋，兩個表筆短接，若指針偏轉(zhuǎn)后指在0刻度，說明該萬用表不需要調(diào)零；否則應(yīng)轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)電位器，使指針指到零。每換一個量程，需要調(diào)零一次。如果調(diào)零后指針調(diào)不到0刻度，則說明表內(nèi)電池不足或接觸不良，需要更換電池或維修。②為了提高測量電阻的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量使用刻度盤的中間段，選擇合適的量程。③使用電阻擋測量電阻時應(yīng)特別注意，不要帶電測量，以免外電路電壓在電阻測量電路中產(chǎn)生電流，燒壞萬用表。④測量低電阻時，要注意表筆的接觸電阻；測量大電阻時，應(yīng)注意不要與人體形成并聯(lián)電路。⑤測量結(jié)束后，應(yīng)將轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到高電壓擋，避免造成電池的浪費(fèi)。2.兆歐表兆歐表是專門用來檢查和測量電氣設(shè)備或供電線路的絕緣電阻的可攜式指示儀表。由于它是用來測量大電阻的，所以它的刻度尺單位是“兆歐”，故稱兆歐表；又因?yàn)樗鼉?nèi)部有一臺手搖發(fā)電機(jī)，故又稱為搖表。（1）兆歐表的結(jié)構(gòu)和工作原理常見的兆歐表主要由作為電源的高壓手搖發(fā)電機(jī)和磁電式流比計(jì)兩部分組成（2）兆歐表的使用①兆歐表的選擇選用兆歐表時，其額定電壓一定要與被測電氣設(shè)備或線路的工作電壓相適應(yīng)，測量范圍應(yīng)與被測絕緣電阻的范圍相吻合。不能用額定電壓過高的兆歐表測量低電壓電氣設(shè)備的絕緣電阻，以免設(shè)備的絕緣受到損壞；也不能用額定電壓較低的兆歐表測量高壓設(shè)備的絕緣電阻，否則測量結(jié)果不能真正反映工作電壓下的絕緣電阻。②測量前的準(zhǔn)備測量前應(yīng)對兆歐表先進(jìn)行開路和短路試驗(yàn)，檢查儀表是否良好。如斷開連接線，搖動發(fā)電機(jī)手柄，指針指示電阻為“∞”；再短路“線”與“地”端，搖動發(fā)電機(jī)手柄，指針指示電阻為“0”，則說明儀表沒問題，否則需要檢修儀表。為了防止發(fā)生人身和設(shè)備事故并得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，被測設(shè)備測量前必須切斷電源，并將設(shè)備充分放電。③接線兆歐表有三個接線端，分別是“屏”（G）、“線”（L）和“地”（E）。測量電路的絕緣電阻時，被測電阻接在“線”與“地”之間；測量電機(jī)某一相的絕緣電阻時，“線”接被測相，“地”接電機(jī)的機(jī)座；測量電纜的絕緣電阻時，“線”接電纜的纜芯，“地”接電纜外皮，“屏”接電纜內(nèi)層絕緣物。⑤測量測量時，手搖發(fā)電機(jī)應(yīng)由慢到快，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到120r/min時，要保持勻速。若發(fā)現(xiàn)表針指零，說明被測絕緣電阻出現(xiàn)短路現(xiàn)象，應(yīng)立即停止搖動，以免兆歐表因發(fā)熱而損壞。3.檢流計(jì)能夠測量微小電流和電壓使用檢流計(jì)時必須注意以下幾點(diǎn)：①不要受任何機(jī)械振動，必須輕拿輕放。⑥不允許用萬用表、歐姆表或電橋測量檢流計(jì)內(nèi)阻，以免通人過大電流燒壞檢流計(jì)。②使用時要按規(guī)定工作位置放置，具有水準(zhǔn)器者，要按水準(zhǔn)器調(diào)節(jié)檢流計(jì)的位置，使其處于水平位置。③不能將檢流計(jì)放在磁場源附近，同時應(yīng)采用適當(dāng)措施消除漏電流、接觸熱電動勢及附加感應(yīng)對被測電流的影響。④要根據(jù)被測對象，選擇靈敏度和外臨界電阻合適的檢流計(jì)。⑤檢流計(jì)進(jìn)行測量時，其靈敏度應(yīng)逐步提高。當(dāng)被測電流的大致范圍未知時，應(yīng)串入一個大保護(hù)電阻(幾兆歐)或配一個分流器。測量時，根據(jù)指示器的偏轉(zhuǎn)情況，逐步提高靈敏度。9.4數(shù)字式儀表④按使用場合分：標(biāo)準(zhǔn)型，其準(zhǔn)確度高，對環(huán)境條件要求比較嚴(yán)格，適宜于實(shí)驗(yàn)室條件下使用或作為標(biāo)準(zhǔn)儀器使用；通用型，具有一定準(zhǔn)確度，對環(huán)境條件要求比較低，適用于現(xiàn)場測量；面板型，其準(zhǔn)確度低，對環(huán)境要求也低，是設(shè)備面板上使用的儀表。①按顯示位數(shù)分：一般可分為位，位，位、位、位、位、位等。②按準(zhǔn)確度分：低準(zhǔn)確度，在士0.1%以下；中準(zhǔn)確度，在士0.01%以下；高準(zhǔn)確度，在士0.01%以上。③按測量速度分：低速：幾次/秒~幾十次/秒；中速：幾百次/秒~幾千次/秒；高速：百萬次/秒以上。⑤按測量參數(shù)分”可分為直流數(shù)字電壓表，交流數(shù)字電壓表，數(shù)字功率表，頻率(周期時間)表，數(shù)字相位表，數(shù)字電路參數(shù)(L、R、C)表，數(shù)字萬用表及其他表。1.電子計(jì)數(shù)器電子計(jì)數(shù)器是一種能在一定時間內(nèi)對數(shù)字量(脈沖信號)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將結(jié)果以數(shù)字顯示出來的儀器。它是一種多功能測量儀器，通過不同的內(nèi)部聯(lián)接，可以測量信號的頻率、周期、時間間隔、相位等參數(shù)。電子計(jì)數(shù)器是數(shù)字儀表不可缺少的組成部分，也可作為獨(dú)立的測量儀器。2．?dāng)?shù)字萬用表下面以DT—830型數(shù)字式萬用表為例來說明它的測量范圍和使用方法。1)測量范圍（1）直流電壓（DCV）分五檔：200mV、2V、20V、200V、1000V。輸入電阻為10MΩ。（2）交流電壓（ACV）分五檔：200mV、2V、20V、200V、750V。輸入電阻為10MΩ。頻率范圍為40~500Hz。（3）直流電流（DCA）分五檔：200μA、2mA、20mA、200mA、10A。（4）交流電流（ACA）分五檔：200μA、2mA、20mA、200mA、10A。（5）電阻分六檔：200Ω、2KΩ、20KΩ、200KΩ、2000KΩ、20MΩ。此外，還可檢查二極管的導(dǎo)電性能，測量晶體管的電流放大倍數(shù)（hFE）和檢查線路通斷。2）面板說明（1）顯示器：顯示四位數(shù)字，最高位只能顯示1或不顯示數(shù)字，算半位，故稱三位半顯示器。最大指示為1999或-1999。當(dāng)顯示“1”或“-1”時，表示被測量超出量程，無法顯示，應(yīng)更換較大的量程來測量。（2）電源開關(guān)：使用時將開關(guān)置于“ON”位置；使用完畢置于“OFF”位置，以免空耗電池。2）面板說明（4）輸入插孔：將黑色測試筆插入“COM”的插座。紅色測試筆有如下三種插法，測量電壓和電阻時插入“V?W”插座；測量小于200mA的電流時插入“mA”插座；測量大于200mA的電流時插入“10A”插座。（3）轉(zhuǎn)換開關(guān)：用來選擇測量檔位及其量程。根據(jù)被測電量(電壓、電流、電阻等)的種類，選擇相應(yīng)的測量檔位；按被測量程的大小，選擇合適的量程。9.5比較式儀表1．直流電橋最常用的單臂直流電橋（惠斯通電橋）是用來測量中值（約1~0.1M）電阻的。其電路如圖9-10所示。當(dāng)檢流計(jì)G中無電流通過時，電橋達(dá)到平衡。從前面計(jì)算可知，電橋平衡的條件為設(shè)R1=Rx，為被測電阻，則式中為電橋的比臂，R3為較臂。測量時先將比臂調(diào)到一定比值，而后再調(diào)節(jié)較臂直到電橋平衡。2．交流電橋交流電橋是測量電阻、電感、電容和阻抗的比較式測量儀表。交流電橋的電路如圖9-11所示。四個橋臂由阻抗Z1、Z2、Z3和Z4組成，交流電源一般是低頻信號發(fā)生器，指零儀器是交流檢流計(jì)或耳機(jī)。當(dāng)電橋平衡時為了使調(diào)節(jié)平衡容易些，通常將兩個橋臂設(shè)計(jì)為純電阻。設(shè)，即Z4和Z2是純電阻，則，即Z1和Z3必須同為電感性或電容性的。設(shè)，即Z2和Z3是純電阻，則，即Z1、Z4中，一個是感性的，而另一個是電容性的。（1）電容的測量（2）電感的測量9.6電流和電壓的測量1．電流的測量測量直流電流通常采用磁電式電流表，而測量交流電流主要采用電磁式電流表。電流表應(yīng)串聯(lián)在電路中。如圖9-14（a）所示。為了使電路的工作不受接入電流表的影響，電流表的內(nèi)阻必須很小。（1）直流電流的測量需要擴(kuò)大的量程越大，則分流電阻應(yīng)越小。【例9-3】一磁電式電流表，其滿量程為10mA，內(nèi)阻10Ω。現(xiàn)要將其量程改為1A，問應(yīng)并聯(lián)多大的分流電阻？解：應(yīng)并聯(lián)的電阻為（2）交流電流的測量2．電壓的測量測量電路中某兩點(diǎn)間的電壓時，應(yīng)將電壓表并聯(lián)在這兩點(diǎn)之間，如圖9-16（a）所示。（1）直流電壓的測量電壓表要擴(kuò)大的量程越大，所串聯(lián)的倍壓器的阻值應(yīng)越大?！纠?-4】一磁電式電壓表，量程為100V，內(nèi)阻4000Ω?，F(xiàn)想將其量程改為300V，問應(yīng)串聯(lián)多大的電阻？解：應(yīng)串聯(lián)的電阻為（2）交流電壓的測量9.7功率和電能的測量1．電功率的測量圖9-18功率表圖9-19功率表的接線方法（1）直流電功率的測量由于電動式儀表的偏轉(zhuǎn)角α與兩個線圈的電流乘積成正比。而通過電壓線圈的電流與負(fù)載電壓成正比，因此有電動式功率表的偏轉(zhuǎn)角與功率UI成正比。也就是說，只要測出了指針的偏轉(zhuǎn)格數(shù)，就可以算出被測量的電功率，即【例9-5】功率表的滿標(biāo)值為1250，現(xiàn)選用電壓為250V，電流為10A的量程，讀得指針偏轉(zhuǎn)的刻度值為600，求被測功率為多少？解：若選用題目中的量程，則功率表每格所代表的功率為（2）單相交流電功率的測量則單相交流電的功率實(shí)驗(yàn)室用的單相功率表一般都有兩個相同的電流線圈，可以通過兩個線圈的不同連接方法（串聯(lián)或并聯(lián)）來獲得不同的量程，電壓線圈量程的改變是通過改變倍壓器來實(shí)現(xiàn)的。(3)三相交流電功率的測量①一瓦計(jì)法此法只適用于三相四線制系統(tǒng)中三相對稱負(fù)載的三相功率的測量，此時表中讀數(shù)為單相功率P1，由于三相功率相等，因此，三相功率為P=3P1

②兩瓦計(jì)法③三瓦計(jì)法P=P1+P2+P3

2.三相電能的測量三相三線有功電能表常用于三相三線制電路中有功電能的測量，其接線方式與兩功率表法測功率相同，如圖9-22所示(①~⑥接線端子)。9.8電阻、電容與電感的測量1.直流電阻的測量（1）用歐姆表、兆歐表測直流電阻①歐姆表和兆歐表的準(zhǔn)確度較低，因此測量誤差較大。②被測電阻必須斷電，而且應(yīng)與電路斷開。③歐姆表和兆歐表工作時要向被測對象輸出一定的電流和電壓，因此當(dāng)被測對象中只允許通過微小電流時(如微安表表頭)，不能用歐姆表測量;當(dāng)被測對象的耐壓較低時(如測晶體二極管的反向電阻)，則不能用兆歐表測量，否則使被測元件受到損壞。④歐姆表和兆歐表不能測量非線性電阻。因?yàn)榉蔷€性電阻的阻值與它的靜態(tài)工作點(diǎn)(即工作電流或工作電壓)有關(guān)。在用歐姆表和兆歐表測量時，不可能恰好使非線性電阻工作在規(guī)