电工仪表及测量的基本知识

第一章电工仪表及测量的基本知识在电能的生产、传输、分配和使用等各个环节中，都需要通过电工仪表对系统的运行状态(如电能质量、负荷情况等)加以监测，从而保证系统安全而又经济地运行，所以人们常把电工仪表和测量称作电力工业的眼睛和脉搏。电工仪表和测量技术是从事电气工作的技术人员必须掌握的一门学科。本章主要介绍电工仪表及测量的基本知识。第一节电工仪表的基本原理与组成进行电量或磁量测量所需的仪器仪表，统称电工仪表。一、电工仪表的分类电工仪表仪器种类繁多，按其结构、原理和用途大致可分为下而几类。1．电测量指示仪表电测量指示仪表又称为直读仪表。这种仪表的特点是先将被测量转换为可动部分的角位移，然后通过可动部分的指示器在标尺上的位置直接读出被测量的值，如交直流电压表、电流表、功率表都属于这种仪表。指示仪表又可分为以下几种类型:(1)按仪表工作原理，可分为磁电系、电磁系、电动系、感应系、静电系、热电系、整流系、电子系等。(2)按用途，可分为电流表、电压表、功率表、电能表、功率因数表、频率表、相位表、欧姆表、兆欧表及万用表等。(3)按被测电流的种类，可分为直流表、交流表及交直流两用表等。(4)按使用环境条件，可分为A、A1、B、B1、C5个组。其中C组环境条件最差。(5)按使用方式，可分为安装式、便携式等。(6)按防御外界电场或磁场的性能，可分为I、Ⅱ、Ⅲ、IV4个等级。I级仪表在外磁场或外电场的影响下，允许其指示值改变±0.5%；II级仪表允许改变±1.0%；Ⅲ级仪表允许改变±2.5%；IV级仪表允许改变±5.0%。除上述分类法外，还有其他的分类方法。2.比较仪器比较仪器用于比较测量，它包括各类交直流电桥、交直流补偿式测量仪器。比较仪器测量准确度比较高，但操作过程复杂，测量速度较慢。3.数宇仪表数字仪表也是一种直读式仪表，它的特点是将被测量转换成数字量，再以数字方式显示出测量结果。数字仪表的准确度高，读数方便，有些仪表还具有自动量程切换和编码输出，便于用计算机进行处理，容易实现自动测量。4.记录仪表用来记录被测盘随时间的变化情况，如示波器、X—Y记录仪；5.扩大量程装置和变换器扩大量程的装置有分流器、附加电阻.电流互感器、电压互感器等。变换器是用来实现不同电量之间的变换，或将非电量转换为电量的装置。二、电测指示仪表的组成和基本原理1.组成电测量指示仪表通常都是由测量电路和测量机构两部分构成.其组成方框图如图1-1所示：(1)测量电路。测量电路的作用是把被测量二转换为测量机构可以接受的过渡量y，如电压表的附加电阻、电流表的分流电阻都是测量电路。测量电路通常由电阻、电感.电容或电子元件组成，不同仪表的测量电路是不同的。(2)测量机构。测量机构(表头)是仪表的核心部件，各种系列仪表的测量机构都是由固定部分及活动部分组成，其作用是将接受到的过渡量y变换为活动部分的角位移即偏转角α。由于测量电路中的x和y与测量机构中的y和α能够严格保持一定的函数关系，所以根据偏转角的大小.就可确定被测量的数值。2.机构的工作原理为使测量机构的活动部分，按接收到的被测量的大小，偏转到某一相应的稳定位置，电测量指示仪表的测量机构工作时都具有三种力矩，即转动力矩、反作用力矩和阻尼力矩。(1)转动力矩。在被测量的作用下，使活动部分产生角位移的力矩称为转动力矩，用M表示。该力矩可以由电磁力、电动力、电场力或其他力来产生。产生转动力矩的方式原理不同，就构成磁电系、电磁系、电动系、感应系等不同系列的电测量指示仪表。但不论哪种系列的仪表，其转动力矩M的大小都与被测量成一定比例关系；(2)反作用力矩。在转动力矩的作用下，测量机构的活动部分发生偏转，如果没有反作用力矩与之平衡，则不论被测量有多大，活动部分都要偏转到极限位置，就像一杆不挂称陀的称，不论被测量多大，称杆总是向上翘起，这样只能反映出有无被测量，而不能测出被测量的大小。为了使仪表能测出被测量的数值，活动部分偏转角的大小应与被测量大小有确定的关系。为此，需要一个方向总是和转动力矩相反，大小随活动部分的偏转角大小变化的力矩，这个力矩称为反作用力矩，用从表示。在一般仪表中，反作用力矩通常由游丝(即螺旋弹簧)产生；在灵敏度较高的仪表中，反作用力矩由张丝或吊丝产生。此时，反作用力矩Mα与活动部分的偏转角成正比，即MD（1-1）式中α——偏转角D——常数，取决于游丝、吊丝或张丝的材料与尺寸。在转动力矩的作用下，活动部分开始偏转，使游丝扭紧.因而反作用力矩随之增加，当转动力矩和反作用力矩相等时，活动部分将处于平衡状态.偏转角达到一稳定数值。这时可见，由于转动力矩M与被测量值成一定的比例关系，因而偏转角。与被测量值也成一定比例，所以偏转角的大小可表示被测量值的大小。除了用游丝、张丝及吊丝产生反作用力矩外，也可用电磁力产生反作用力矩，如比率型仪表。(3)阻尼力矩。从理论上来讲，当转动力矩与反作用力矩相等时，仪表指针应静止在某一平衡位置，但由于活动部分具有惯性，它不能立刻停止下来，而是要围绕这个平衡位置左右摆动，需要经过较长时间才能稳定在平衡位置，因此不能尽快读数。为了缩短摆动时间，电测量指示仪表的测量机构通常都装有产生阻尼力矩的装置，用以吸收摆动能量，使活动部分能迅速地在平衡位置稳定下来。阻尼力矩由阻尼器来产生，常用的阻尼器有空气式和电磁感应式两种，如图1-2所示。空气阻尼器是利用一个与转轴相连的薄片在封闭的扇形阻尼盒内运动时，薄片因受到空气的阻力而产生阻尼力矩的，如图1-2(a)所示；电磁感应阻尼器是利用一个与转轴相连的铝片在永久磁铁气隙中运动时，铝片中产生的涡流与磁场作用而产生阻尼力矩的，如图1-2所示。图1-2(c)也是电磁感应式阻尼器，它是利用铝框架在强磁场中运动产生阻尼力矩的。应当注意，阻尼力矩是一种动态力矩，它只在活动部分运动时才产生，其方向总是和活动部分的运动方向相反，大小与活动部分的运动速度成正比，当活动部分静止时，阻尼力矩为零.因而阻尼力矩的存在对仪表的指示值没有任何影响。除以上三种力矩外，用轴承支持活动部分的仪表，不可避免地会存在摩擦而产生的摩擦力矩，它会在不同程度上阻碍活动部分的运动，使活动部分停在偏离真实平衡位置的地方，致使仪表指示产生误差。三、电测量指示仪表的一般机构电测量指示仪表种类繁多，结构各不相同，除具有产生转动力矩、反作用力矩、阻尼力矩的装置外，大部分仪表还有下面一些主要部件。1.外壳外壳通常由铁、水、塑料等材料制成，用来保护仪表内部的结构2.指示装置仪表指示装置如图1-3所示，由以下零件组成。(1)标度尺。标度尺是表盘上一系列数字和分度线的总称:通常情况下，准确度等级较高(1.4级以上)的仪表采用镜子标尺，即在标度尺下有一条弧形镜面，读数时应使指针与镜面反映出的指针像重合，以保证读数的准确。(2)指针。有刀形、矛形等指针。灵敏度高的仪表有的采用光标影像指针，如图1-4所示。(3)限动器。限制指针的最大活动范围。(4)平衡锤。防止在指针偏转时，由于重心不正而带来误差。3.轴和轴承用来支持活动部分转动，为减小摩擦，轴尖用钢制成二轴承材料有多种，如青铜、玻璃、蓝宝石等。新型电能表为了减少磨损，延长使用寿命，采用磁推轴承，它是利用两块圆柱形磁钢同极性相斥的原理，把两块磁钢装在下轴套内，利用推斥力支撑电能表转动部分的重量，使之悬浮起来，其上下两端均用不锈钢销针与石墨尼龙衬套作为导向，以制止水平方向的运动。4.调零装置用来微调游丝或张丝的固定端，以改变初始力矩.从而使仪表的机械零位与适当的分度线(零位)相索合，如图1-3所示。第二节仪表的误差及准确度一、仪表误差的分类用任何仪表进行测量，仪表的指示值与被测量的真实值之间总有差异，这个差异称为仪表的误差。根据误差产生的原因，仪表误差可分为两大类。1.基本误差基本误差是指仪表在规定的工作条件下，即在规定的温度、湿度、放置方式、没有外电场和磁场干扰等条件下，由于仪表本身结构和工艺等方面不够完善而产生的误差。如由于仪表活动部分存在摩擦、零件装配不当、标尺刻度不准等所引起的误差都属于基本误差，这种误差是仪表本身所固有的。2.附加误差附加误差是指因偏离规定的工作条件而使用所造成的误差。如温度过高、波形非正弦、外界电磁场的影响等所引起的误差都属于附加误差。因此，仪表离开规定的工作条件所形成的总误差中，除了基本误差之外，还包含有附加误差。二、误差的表示方法1.绝对误差△仪表的指示值Ax与被测量的真值山之问的差值，称为绝对误差△，即△=Ax一A0(1-3}由式(1-3}可以看出，△是有大小、正负、单位的数值。其大小和符号表示了测a值偏离真值的程度和方向。由于被测量的真值A0很难确定，所以实际测量中，通常把准确度等级高的标准表所测得的数值或通过理论计算得出的数值作为真值。【例1-1】某电路中的电流为10A，用甲电流表量时的读数为9.8A，用乙电流表测量时的读数为10.4A。试求两次测量的绝对误差。解：由式(1-3)可知甲表测量的绝对误差为△1=Ix-I0=9.8-10=-0.2(A)乙表测量的绝对误差为△2=Ix-I0=10.4-10=0.4(A)由上述结果可知，甲表的读数比乙表更为准确。因此，在测量同一个量时，绝对误差乙的绝对值越小，测量结果就越准确。2.相对误差当测量不同量时，用绝对误差有时很难准确判断测量结果的准确程度。例如用一个电压表测量200V电压.绝对误差为+1V，而用另一个电压表测量20V电压，绝对误差为+0.5V。前者的绝对误差大于后者，但前者的误差只占被测量的0.5%，而后者的误差却占被测量的2.5%，因而，后者误差对测量结果的影响大于前者。所以在工程上常采用相对误差来表示测量结果的准确程度。绝对误差A与被测量的真值A0的比值，称为相对误差γ用百分数表示，即0100%A(1-4)与前述同理，实际测量中通常用标准表所测得的数值或通过理论计算得出的数值作为被测量的真值。另外，在要求不太高的工程测量中，相对误差常用绝对误差与仪表指示值之比的百分数来表示，即100%xA(1-5)[例l-2]由计算结果可知，虽然甲表的绝对误差比乙表大，但其相对误差却比乙表小，故甲表比乙表的侧量准确度程度高。3.引用误差相对误差虽可以表示测量结果的准确程度，但不能全面表征仪表本身的准确度。同一只仪表，在测量不同的被测量Ax时，其绝对误差△变化不大，但由式(1-5)可看出，随被测量Ax二不同，相对误差变化较大，也就是说仪表在全限范围内各点的相对误差是不相同的，因此相对误差不能反映仪表的准确程度.为此工程上采用引用误差来确定仪表的准确程度。绝对误差与规定的基准值比值的百分数，称为引用误差，用人表示。不同类型标度尺的电测量指示仪表，其基准值不同，引用误差分别为：(1)对于大量使用的单向标度尺仪表，基准值为量程，引用误差为绝对误差Δ与仪表上量限Am比值的百分数，即100%mmA(1-6)(2)对于双向标度尺仪表，其基准值仍是量程，引用误差为绝对误差与正负两个量限绝对值之和的比值的百分数，即100%||||mmmAA(1-7)(3)对于无零位标度尺仪表，引用误差为绝对值误差与上、下量限A1m、A2m奋之差的比值的百分数，即12100%mmmAA(1-8)(4)对于标度尺为对数、双曲线或指数为3及3以上的仪表，或标度尺上限为无穷大(如万用表欧姆档)的仪表，基准值为标度尺长，引用误差为用长度表示的绝对误差Δ1与标度尺工作部分长度lm比值的百分数，即1100%mml(1-9)三、仪表的准确度仪表的准确度是表征其指示值对真值接近程度的量。1.电测量指示仪表的准确度对于电测量指示仪表，工程上规定用最大引用误差来表示仪表的准确度，即当仪表在规定的条件下工作时，在整个刻度范围内出现的最大绝对误差△m与仪表的上量限f1m比值的百分数，称为仪表的准确度，即100%%mmmKA(1-10)式中K-仪表的准确度等级(指数)。显然，仪表的准确度表明了基本误差的最大允许范围;例如准确度为0.1级的仪表，其基本误差极限(即允许的最大引用误差)为士0.1%