电工仪表与测量基本知识

电工仪表和电工测量是从事电工专业的技术人员必须掌握的一门知识。本章介绍电工测量和电工仪表的基本知识。

第一节 电工测量基本知识

一、 电工测量的意义

电工测量就是借助于测量设备，把未知的电量或磁量与作为测量单位的同类标准电量或标准磁量进行比较，从而确定这个未知电量或磁量(包括数值和单位)的过程。

一个完整的测量过程，通常包含如下几个方面：

1、 测量对象

电工测量的对象主要是反映电和磁特征的物理量，如电流(I)、电压(V)、电功率(P)、电能(W)以及磁感应强度(B)等；反映电路特征的物理量，如电阻(R)、电容(C)、电感(L)等；反映电和磁变化规律的非电量，如频率(f)、相位(φ)、功率因数(cosφ)等。

2、 测量方式和测量方法

根据测量的目的和被测量的性质，可选择不同的测量方式和不同的测量方法〔详见本节二〕。

3、 测量设备

对被测量与标准量进行比较的测量设备，包括测量仪器和作为测量单位参与测量的度量器。进行电量或磁量测量所需的仪器仪表，统称电工仪表。电工仪表是根据被测电量或磁量的性质，按照一定原理构成的。电工测量中使用的标准电量或磁量是电量或磁量测量单位的复制体，称为电学度量器。电学度量器是电气测量设备的重要组成部分，它不仅作为标准量参与测量过程，而且是维持电磁学单位统一，保证量值准确传递的器具。电工测量中常用的电学度量器有标准电池。标准电阻、标准电容和标准电感等。

除以上三个主要方面外，测量过程中还必须建立测量设备所必须的工作条件；慎重地进行操作，认真记录测量数据；并考虑测量条件的实际情况进行数据处理，以确定测量结果和测量误差。

二、 测量方式和测量方法的分类

1、 测量方式的分类

测量方式主要有如下两种：

(1) 直接测量 在测量过程中，能够直接将被测量与同类标准量进行比较，或能够直接用事先刻度好的测量仪器对被测量进行测量，从而直接获得被测量的数值的测量方式称为直接测量。例如，用电压表测量电压、用电度表测量电能以及用直流电桥测量电阻等都是直接测量。直接测量方式广泛应用于工程测量中。

(2) 间接测量 当被测量由于某种原因不能直接测量时，可以通过直接测量与被测量有一定函数关系的物理量，然后按函数关系计算出被测量的数值，这种间接获得测量结果的方式称为间接测量。例如，用伏安法测量电阻，是利用电压表和电流表分别测量出电阻两端的电压和通过该电阻的电流，然后根据欧姆定律R=U/I计算出被测电阻R的大小。间接测量方式广泛应用于科研、实验室及工程测量中。

2、 测量方法的分类

在测量过程中，作为测量单位的度量器可以直接参与也可以间接参与。根据度量器参与测量过程的方式，可以把测量方法分为直读法和比较法。

(1) 直读法 用直接指示被测量大小的指示仪表进行测量，能够直接从仪表刻度盘上读取被测量数值的测量方法，称为直读法。直读法测量时，度量器不直接参与测量过程，而是间接地参与测量过程。例如，用欧姆表测量电阻时，从指针在刻度尺上指示的刻度可以直接读出被测电阻的数值。这一读数被认为是可信的，因为欧姆表刻度尺的刻度事先用标准电阻进行了校验，标准电阻已将它的量值和单位传递给欧姆表，间接地参与了测量过程。直读法测量的过程简单，操作容易，读数迅速，但其测量的准确度不高。

(2) 比较法 将被测量与度量器在比较仪器中直接比较，从而获得被测量数值的方法称为比较法。例如，用天平测量物体质量时，作为质量度量器的砝码始终都直接参与了测量过程。在电工测量中，比较法具有很高的测量准确度，可以到达土0.001%，但测量时操作比较麻烦，相应的测量设备也比较昂贵。

根据被测量与度量器进行比较时的不同特点又可将比较法分为零值法、较差法和替代法三种。 〔1〕零值法又称平衡法，它是利用被测量对仪器的作用，与标准量对仪器的作用相互抵消，由指零仪表做出判断的方法。即当指零仪表指示为零时，表示两者的作用相等，仪器到达平衡状态；此时按一定的关系可计算出被测量的数值。显然，零值法测量的准确度主要取决于度量器的准确度和指零仪表的灵敏度。

〔2〕较差法是通过测量被测量与标准量的差值，或正比于该差值的量，根据标准量来确定被测量的数值的方法。较差法可以到达较高的测量准确度。

〔3〕替代法是分别把被测量和标准量接入同一测量仪器，在标准量替代被测量时，调节标准量，使仪器的工作状态在替代前后保持一致，然后根据标准量来确定被测量的数值。用替代法测量时，由于替代前后仪器的工作状态是一样的，因此仪器本身性能和外界因素对替代前后的影响几乎是相同的，有效地克服了所有外界因素对测量结果的影响。替代法测量的准确度主要取决于度量器的准确度和仪器的灵敏度。

第二节 测量误差

在测量过程中，由于受到测量方法、测量设备、试验条件及观测经验等多方面因素的影响，测量结果不可能是被测量的真实数值，而只是它的近似值；即任何测量的结果与被测量的真实值之间总是存在着差异，这种差异称为测量误差。

一、 测量误差的分类

根据产生测量误差的原因，可以将其分为系统误差、偶然误差和疏失误差三大类。

1、 系统误差

能够保持恒定不变或按照一定规律变化的测量误差，称为系统误差。系统误差主要是由于测量设备、测量方法的不完善和测量条件的不稳定而引起的。由于系统误差表示了测量结果偏离其真实值的程度，即反映了测量结果的准确度，所以在误差理论中，经常用准确度来表示系统误差的大小。系统误差越小，测量结果的准确度就越高。

2、 偶然误差

偶然误差又称随机误差，是一种大小和符号都不确定的误差，即在同一条件下对同一被测量重复测量时，各次测量结果服从某种统计分布；这种误差的处理依据概率统计方法。产生偶然误差的原因很多，如温度、磁场、电源频率等的偶然变化等都可能引起这种误差；另一方面观测者本身感官分辨能力的限制，也是偶然误差的一个来源。偶然误差反映了测量的精密度，偶然误差越小，精密度就越高，反之则精密度越低。

系统误差和偶然误差是两类性质完全不同的误差。系统误差反映在一定条件下误差出现的必然性；而偶然则反映在一定条件下误差出现的可能性。

3、 疏失误差

疏失误差是测量过程中操作、读数、记录和计算等方面的错误所引起的误差。显然，但凡含有疏失误差的测量结果都是应该摈弃的。

二、 测量误差的消除方法

测量误差是不可能绝对消除的，但要尽可能减小误差对测量结果的影响，使其减小到允许的范围内。

消除测量误差，应根据误差的来源和性质，采取相应的措施和方法。必须指出，一个测量结果中既存在系统误差，又存在偶然误差，要截然区分两者是不容易的。所以应根据测量的要求和两者对测量结果的影响程度，选择消除方法。一般情况下，在对精密度要求不高的工程测量中，主要考虑对系统误差的消除；而在科研、计量等对测量准确度和精密度要求较高的测量中，必须同时考虑消除上述两种误差。

1、 系统误差的消除方法

(1) 对测量仪表进行校正 在准确度要求较高的测量结果中，引入校正值进行修正。

(2) 消除产生误差的根源 即正确选择测量方法和测量仪器，尽量使测量仪表在规定的使用条件下工作，消除各种外界因素造成的影响。

采用特殊的测量方法 如正负误差补偿法、替代法等。例如，用电流表测量电流时，考虑到外磁场对读数的影响，可以把电流表转动180度，进行两次测量。在两次测量中，必然出现一次读数偏大，而另一次读数偏小，取两次读数的平均值作为测量结果，其正负误差抵消，可以有效地消除外磁场对测量的影响。

2、 偶然误差的消除方法

消除偶然误差可采用在同一条件下，对被测量进行足够多次的重复测量，取其平均值作为测量结果的方法。根据统计学原理可知，在足够多次的重复测量中，正误差和负误差出现的可能性几乎相同，因此偶然误差的平均值几乎为零。所以，在测量仪器仪表选定以后，测量次数是保证测量精密度的前提。

三、 测量误差的表示方法

测量误差通常用绝对误差和相对误差表示。

1、 绝对误差

测量结果的数值与被测量的真实值的差值称为绝对误差。由于被测量的真实值往往是很难确定的，所以实际测量中，通常用标准表的指示值或多次测量的平均值作为被测量的真实值。

2、 相对误差

测量的绝对误差与被测量真实值之比，称为相对误差。实际测量中通常用标准表的指示值或多次重复测量的平均值作为被测量的真实值，即

或用百分误差表示为

百分误差也称为相对误差。显然，相对误差越小准确度越高。

第三节 电工仪表的基本知识

电工仪表是实现电磁测量过程所需技术工具的总称。在电工专业领域中，经常接触的是电工指示仪表和校量仪器。

一、 电工指示仪表的基本原理及组成

电工指示仪表的基本原理是把被测电量或非电量变换成仪表指针的偏转角。因此它也称为机电式仪表，即用仪表指针的机械运动来反映被测电量的大小。电工指示仪表通常由测量线路和测量机构两部分组成。测量机构是实现电量转换为指针偏转角，并使两者保持一定关系的机构。它是电工指示仪表的核心部分。测量线路将被测电量或非电量转换为测量机构能直接测量的电量，测量线路的构成必须根据测量机构能够直接测量的电量与被测量的关系来确定；它一般由电阻、电容、电感或其它电子元件构成。

二、 电工指示仪表的分类、标志和型号

1、 电工指示仪表的分类

电工指示仪表可以根据原理、结构、测量对象、使用条件等进行分类。

(1) 根据测量机构的工作原理分类，可以把仪表分为磁电系、电磁系、电动系、感应系、静电系、整流系等。

(2) 根据测量对象分类，可以分为电流表〔安培表、毫安表、微安表〕、电压表〔伏特表、毫伏表、微伏表以及千伏表〕、功率表〔又称瓦特表〕、电度表、欧姆表、相位表等。

(3) 根据仪表工作电流的性质分类，可以分为直流仪表、交流仪表和交直流两用仪表。 (4) 按仪表使用方式分类，可以分为安装式仪表和可携式仪表等。

(5) 按仪表的使用条件分类，可以分为A、A1、B、B1和C五组。有关各组的规定可以查阅国家标准GB76—76《电测量指示仪表通用技术条件》。

(6) 按仪表的准确度分类，有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共七个准确度等级。

2、 电工指示仪表的标志

电工指示仪表的表盘上有许多表示其技术特性的标志符号。根据国家标准的规定，每一个仪表必须有表示测量对象的单位、准确度等级、工作电流的种类、相数、测量机构的类别、使用条件级别、工作位置、绝缘强度试验电压的大小、仪表型号和各种额定值等标志符号。可参见表2-1。

3、 电工指示仪表的型号

用途号〔国际通用代号〕 设计序号〔数字〕 系列号〔汉语拼音字母〕 形状第三位代号〔数字“0”可省略〕 形状第一位代号〔数字〕 图2-1 安装式仪表型号的编制规则 (1) 安装式仪表型号的组成 如图2-1所示。其中第一位代号按仪外表板形状最大尺寸特征编制；系列代号按测量机构的系列编制，如磁电系代号为“C”，电磁系代号为“T”，电动系代号为“D”等。

(2) 可携式仪表型号的组成 由于可携式仪表不存在安装问题，所以将安装式仪表型号中的形状代号可省略，即是它的产品型号。

表2-1 常见电工指示仪表和附件的外表标志符号

A、测量单位的符号

名称 千安 安培 毫安 微安 千伏 毫伏 微伏 兆瓦 兆瓦 称号 KA A mA μA kV mV μV MW MW 名称 兆兆欧 兆欧 千欧 欧姆 毫欧 微欧 库仑 毫韦伯 毫韦伯 称号 TΩ MΩ kΩ Ω mΩ μΩ C mWb mWb 名称 千瓦 瓦特 兆乏 千乏 乏尔 兆赫 千赫 赫兹 赫兹 称号 kW W Mvar kvar var MHz kHz Hz Hz 名称 称号 毫韦伯/米2 mT 微法 微微法 亨 毫亨 微亨 摄氏度 μF pF H mH μH ℃

三、 电工指示仪表的误差和准确度

1、 误差

电工指示仪表的误差有基本误差和附加误差。仪表的基本误差是指仪表在规定的使用条件下测量时，由于结构上和制作上不完善引起的误差。例如，仪表的可动部分的摩擦、刻度尺刻度不均匀等原因引起的误差均属基本误差。

当仪表不能在规定的使用条件下工作时，除了基本误差外，由于温度、外磁场等因素的影响，还将产生附加误差。

2、 准确度

仪表的基本误差通常用准确度来表示，准确度越高，仪表的基本误差就越小。

对于同一只仪表，测量不同大小的被测量，其绝对误差变化不大，但相对误差却有很大变化，被测量越小，相对误差就越大，显然，通常的相对误差概念不能反映出仪表的准确性能，所以，一般用引用误差来表示仪表的准确度性能。

仪表测量的绝对误差与该表量程的百分比，称为仪表的引用误差。 仪表的准确度就是仪表的最大引用误差，即仪表量程范围内的最大绝对误差与仪表量程的百分比。显然，准确度等级说明了仪表基本误差最大允许的范围。表2-2是国标GB76—76中对仪表在规定的使用条件下测量时，各准确度等级的基本误差范围。

表2-2 准确度等级和基本误差表

准确度等级 基本误差 0.1 ±0.1 0.2 ±0.2 0.5 ±0.5 1.0 ±1.0 1.5 ±1.5 2.5 ±2.5 5.0 ±5.0 四、 对电工指示仪表的主要技术要求

足够的准确度 合适的灵敏度

仪表本身消耗的功率小 良好的读数装置

五、 电气测量指示仪表的选择

无论用怎样完善的测量仪表进行测量，都会产生误差。引起测量误差的原因，除了仪表的基本误差外，还因为仪表使用不当和选择不合理而造成。为减小仪表的测量误差，必须合理地选择仪表。

1、 技术特性比较

各种电气测量指示仪表的技术特性，如表2-3所列。 2、 仪表的选择原则

根据被测量的性质选择仪表类型：根据被测量是直流电还是交流电来选择直流仪表或交流仪表。测量交流时，应区别是正弦波还是非正弦波，还要考虑被测量的频率范围。

根据工程实际，合理地选择仪表的准确度等级：仪表的准确度越高，测量误差越小，但价格贵，维修也困难，因此在满足准确度要求的情况下，不选用高准确度仪表。

根据测量范围选用量限：测量结果的准确程度，不仅与仪表准确度等级有关，而且与它的量限也有关。一般应使测量范围在仪表满刻度的1/2~2/3以上区域。

根据工作环境和条件选择仪表：按仪表使用条件〔温度、相对湿度〕，国家规定分为A、B、C三组，如表2-4所列。

表2-3 几种主要形式的电气测量指示仪表的性能

测量基准量〔不加说明时为电压、电流〕 直流或交流的恒定分量 交流有效值或直流 磁电系 电磁系 电动系 交流有效值或直流〔并可测交、直流感应系 交流电能及功率，也可测电流 振动式检流计使使用频率范围 用工频为45~55Hz 高的可达准确度 0.1~0.05级,一般为0.5~1.0级 电流 量限 电压 防御外磁场能力 分度特性 价格〔对同一准确度等级〕 主要应用范围 几毫伏~1KV 10V~1KV 10V~几百伏 几十伏~几百伏 强 数字指示(作功率表均匀) 廉价 几微安~几十安 几毫安~100A 几十毫安~几十安 一般为0.5~2.5级 高的同磁电系 一般用于50Hz/60Hz,频率变化误差增大 一般用于50Hz/60Hz 功率、相位、频率〕 交流电压和同电动系 低的一般为1.0~3.0级 几十毫安~10A 强 弱 弱 不均匀〔作功率表均匀〕 最贵 均匀 不均匀 贵 廉价 作板式电表及一般用途的交流电表 作直流电表 作交、直流标准表 作电度表

表2-4 仪表使用条件

温度℃ 工作 条件 相对湿度 〔当时温度℃〕 温度℃ 最恶劣条件 相对湿度 〔当时温度℃〕 95％ 〔+35〕 95％ 〔+35〕 95％ 〔+60〕 95％ 〔+25〕 -40~+60 95％ 〔+25〕 -40~+60 95％ 〔+35〕 -50~+65 A组 0~40 B组 -20~+50 C组 -40~+60