电工仪表与测量
第一节 电工仪表与测量的基本知识
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：
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：
（1）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。
（2）按被测量分类：有电流表、电压表、功率表、电能表、相位表等 （3）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。
（4）按准确度等级分类：有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0共7个等级。 （5）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。
（6）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。 1．测量机构
测量机构的作用是将被测量x（或过渡量y）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)
3. 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） 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，
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。 3．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。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：轴尖在轴承中转动时存在摩擦误差。 张丝弹片支撑方式：弹片对张丝起减振和保护作用，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。 （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：
（1）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。
（2）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 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 （1—1）
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220.5V和219V，求甲、乙两表的绝对误差。 解：由式（1－1）得
甲表的绝对误差 △1＝Ax-A0＝220.5-220＝+0.5V 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0.5V，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？ 由（1－1）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＝△/A0×100% 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
＝2/100×100％＝2％ ＝1/10×100％＝10％
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。 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，由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＝△/Am×100％
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
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