基本电工仪表的原理与使用

基本电工仪表的原理与使用一、实验目的（一）熟悉电压表、电流表、欧姆表的基本原理，组装简易万用表。（二）学习校验电工仪表的基本方法。（三）了解基本电工仪表的使用常识及其对被测电路的影响。二、实验仪器设备（一）简易万用表组装实验板（二）直流稳压电源（三）0.5级标准直流电压表和直流电流表（四）500型万用表（五）滑线变阻器，标准电阻箱及电阻板三、说明（一）图1.1为自装简易万用表原理图。其中K1、K2是两个机械上联动的“单刀多投”旋转开关，搬动公共旋钮，动端（M、N）可同时换位，以改变测量功能及量程。图1.2为简易万用表组装实验板的元件布置示意图。其中K1、K2被表达成平动式，可理解为动端M、N两个箭头在上下两条组线上滑动，同步换位。在实际万表原理图中也经常采用这种方法表示旋转开关。（二）图1.1中，表头满偏电流Ig=100A，表头内阻Rg=2.5k。（三）待装万用表测量功能及量程如下：电阻档：×1k量程[即表盘读数（）×1000]，标称中心阻值为15k。直流电压档：2V和10V量程。直流电流档：5mA和10mA量程。RwR1ER2R3R4R5mAmA*+测量端2V10V5mA10mANUUK2Ω×1KMK1100uA2.5K图1.1*+2.5k100AUmARWR55mAR410VR32VR21kR110mA图1.2MNE（四）质量指标：电阻档中心阻值相对误差10%。直流电压、电流档各量程的准确等级不劣于2.5级。四、预习内容（一）仔细阅读附录中有关500型万用表和晶体管直流压电源的使用说明，及本实验后的附录。（二）阅读各项实验内容，看懂有关原理，明确实验目的。（三）根据图1.1电路，弄懂测量未知电阻Rx的原理，写出能够说明测量原理的表达式。（四）计算图1.1电路中各电阻的阻值（设电池电压变化范围为1.2~1.7伏），并说明Rw的作用是什么？（五）设图1.1中电池电压为标称值1.5V时，为使表头指针正好指在中间，Rw应等于多少？表盘中心的阻值刻度数为多少？（该值称为电阻档的标称中心阻值）。（六）根据图1.1画出图1.2的联接图。（七）设计实验五的原理图，并写出实验步骤。五、实验内容（一）初步熟悉500型万用表的使用方法。1．用该表测量实验板上电池的端电压E=伏。2．测量实验板上各电阻的阻值，记录于表1.1中，并与预习内容（四）相比较。注意改换量程时，务必重新调零。R1R2R3R4R5思考1：正在通电运行的某电阻R能否用万用表档直接测得R的阻值？为什么？（二）组装简易万用表按照图1.2在实验板上插接全部线路，并认真复查。（三）对自装万用表进行校验1．校验电阻挡（1）将换档开关置于档。（2）调零：将两个测量表笔短接，调节Rw，使表针指在0处。ab10k电阻箱图1.3表1.1（3）测量中心阻值相对误差：用所装万用表测量图1.3中标准电阻Rab，调节电阻箱的阻值，使表针在标称中心阻值处，记录Rab=__________。于是：%100ababRR被校表标称中心阻值中心阻值相对误差2．校验直流电压挡（1）将换挡开关置于2伏挡。（2）按图1.4接线，其中U0是标准表，Ux是被校表。通电前，应将滑线变阻器调于最小输出位置。（3）将电源电压调到2.5伏左右，再调节滑线变阻器，使被校表读数依次为表1.2所列各值，同时分别记下对应的标准表读数。表1.2Ux(V)0.40.81.21.62.0U0(V)（4）计算各次测量的满刻度相对误差（引用误差）%1000被校表量程UUxR+--+Ux+UoUo稳压电源U3．校检直流电流挡将换档开关置于5mA电流档，将电源电压调到6伏，按图1.5接线，其中mA0为标准表，mAx为被校表。依电压挡的检验方法，完成下列表格测量及计算任务。表1.3Ix(mA)12345I0(mA)%1000被校表量程IIx思考2：图1.5中，1k电阻的作用是什么？R+-1K-+mAx-+mAo稳压电源U图1.5（四）研究电工仪表对被测电路的影响按图1.6接线。分别用500型万用表的直流电压挡和0.5级标准直流电压表测量A、B两点间的电压，记录测量结果。A、B两点间的电压理论值应该是5V，这两块表的测量误差是多少？记下这两块表的内阻，并分析之。10K10k+U+-稳压电源10VAB图1.6（五）设计型实验：验证戴维南定理现有晶体管稳压电源一台（电压调节范围0—30V），万用表一台，标准电阻箱一台，10k电阻2个，1k电阻1个。设计一个验证戴维南定理的方法，画出实验电路图，写出实验步骤，记录实验数据，并进行分析。六、总结要求（一）说明自装万用表质量指标如何，并简略分析误差原因。直流电压挡、直流电流挡的准确度等级确定方法如下：若某一挡（如直流2V挡）校验数据中%5.2max则该挡准确度等级不劣于2.5级。（二）讨论实验内容（四）的测量结果。（三）整理思考问题的答案，并回答如下问题：1．自装万用表处于电阻挡时，红（接+号端子）、黑（接*号端子）两表笔中，哪只电位高，哪只电位低？试述利用万用表档鉴别二级管极性的方法。2．在用万用表电阻挡测量电阻之前，需要做哪些准备工作？为什么？图1.5实验一附录测量仪表的准确度与灵敏度一、误差及表达形式利用实验手段测出被测量的测量值与该量的标准值进行比较，其差值称为误差。有三类量值常被用作被测量的标准值。（1）真值（A0）：真值就是被测量本身所有的真实值。真值一般是不可被测出来的。因此真值也被称为理论值或定义值。（2）指定值（As）：由国际组织或国家测量局设立各种标准器，并以它的测量值作为一种测量标准，这种标准值称为指定值。（3）实际值（A）：在一般测量工作中，不可能将所有的测量仪器都直接与国际或国家标准器进行校准，而只能用准确度高一级或高几级的仪器仪表测量值作为标准，并将这种标准值称为实际值。误差的表示方法主要有两种：（1）绝对误差XX=X－AX——测量值（也称为示值）A——实际值（2）相对误差r%1001AAXr实际相对误差%1002XAXr示值相对误差%1003mXAXr误差引用（即：满刻度相对误差）X——测量值A——实际值Xm——上量限值（即满刻度值）二、电工仪表的准确度等级在规定的工作条件下，由于仪表本身的原因造成的测量误差为基本误差，而由于使用不当（即工作条件不符合规定）而造成的除基本误差之外的误差称为附加误差。因为仪表在不同刻度点的绝对误差略有不同，所以一般电工仪表的基本误差（K%）常用最大的引用误差来表示：%100)(%maxmXAXK式中的K称为仪表的准确度。我国的仪表按其准确度共分为0.1,0.2,0.5,1.0,2.0,2.5,5.0七个等级。0.1、0.2级表通常选作标准表。0.5~1.5级仪表多用于实验室。2.5~5.0级通常用于要求不高的工程测量。由上式可知，测量时可能产生的最大绝对误差mXKAX%)(max若读数为X，则测量结果可能出现的最大相对误差r为：%100%XXKrm例如：500型万用表直流电压档的准确度等级为2.5，若用此表50V量程档去量30V电压，可能出现的最大绝对误差是2.5%×50=1.25V，最大的相对误差是：%1.4%1003050%5.2，若用此表500V量程档去量同一个电压，则可能出现的最大绝对误差是2.5%×500=12.5V，而最大的相对误差是%4130500%5.2，仪表误差占被测量41%，测量结果就不可信了。由此可见，测量结果的准确度不仅与仪表的准确度有关，而且还与被测量的大小有关。所用仪表确定后，选用的量程越接近被测量值，测量结果的误差就越小。这就是为什么应使指针偏转角大于满刻度的2/3以上才读取测量结果的原因。三、准确度等级的确定以校验电压表10伏档（直流）为例。若假定被校表UX为2.0级，按规定要选用准确度比被校表高二级的表作为标准表，所以选用0.5级表作为标准表UA。按图1.7接线：选取几个数据点来进行校验，记录数据并进行计算。%0.2%10010%100XmaxmmaxAXAX若则该表可定为2.0。%0.2%10010%100maxmaxAXXAXm若则应降低标准表的准确等级，再按上述做法重新交核。四、灵敏度灵敏度是用来表示仪表对被测量的反应能力的，它反映了仪表所能测量的最小测量。在指示仪表中，被测量的变化将引起仪表的可动部分偏转角的变化，如果被测量变化了ΔX，引起偏转角的相应变化Δa，则Δa与ΔX的比值就是仪表的灵敏度，用R+--+Ux+UAUo稳压电源U图1.7S表示：XaS灵敏度过高，量限可能过小。故不能单纯追求高灵敏度。灵敏度过低，又不能反应被测量较小的变化。万用表电压档的灵敏度是用欧姆/伏来表示的。例500型万用表500V以下的直流电压档灵敏度为20000/V。这就告诉我500V以下的直流电压务档，表头的满偏电流为1V/20000=50A。选用50V档去量电压时，此表的内阻为20000/Ｖ×50=1000K。若选用10V档去量电压时，此表的内阻为20000/Ｖ×10=200K，由此可进一步分析仪表对被测线路的影响。