電工儀表與測量的基本知識

電氣測量技術

山東科技大學

蒲海濤

kdpht@163.com

東樓204

課程介紹電氣測量技術、電工測量、電磁測量、電工儀表及測量、電工儀表電氣測量技術是研究各種電磁量（電量+磁量）的測量方法，相應儀表的原理、結構、使用操作技術以及測量誤差與數據處理的技術。課程＝電工儀表技術+測量技術；與其它相關課程電子測量技術、傳感器原理與檢測技術、非電量電測技術、檢測與轉換、機械量電測量、現代測試技術等。研究對象：應用領域電氣測量技術對從事電氣技術工作的人員來說是十分必要的；不論是電氣設備的安裝、調試、實驗、運行、維修；還是對電氣產品進行檢驗、測試、鑒定都會涉及電磁測量方面的技術問題。應用于工農業(yè)生產、生活、國防、科研等各領域。如，變電所、配電室、發(fā)電廠、電力監(jiān)控網、火箭發(fā)射中心、家用電能計量表等。學習《電氣測量技術》這門課的目的：

掌握電氣測量的基本原理和方法，認識新型電氣測量儀器的基本原理和應用技術。1.能夠根據被測對象的特點制定合理的測量方案2.能夠準確選擇和使用測量儀器3.嚴格正確地處理測量數據，獲取最佳的測量結果要求：了解基本概念、掌握基本原理、熟悉基本方法部分電工儀表圖片部分電工儀表圖片電氣測量儀器的發(fā)展的階段20世紀50年代以前，機械式的模擬指示儀器（如指針式萬用表、晶體管電壓表等）；20世紀50年代左右，電子式的模擬指示儀器（如數字式電壓表、數字頻率計等）；20世紀70年代初，智能儀器；20世紀80年代以后，虛擬儀器（檢測技術與計算機技術有機結合）；發(fā)展趨勢數字化網絡化智能化小型化

目錄

第1章電工儀表與測量的基本知識

第2章電流與電壓的測量

第3章功率與電能的測量

第4章頻率與相位的測量

第5章電路參數的的測量

第6章磁的測量

第7章電子電壓表

第8章電子示波器

第9章智能儀器與虛擬儀器

第一章電工儀表與測量的基本知識第一節(jié)測量方法的分類第二節(jié)電工儀表的分類第三節(jié)電工儀表的組成和基本原理第四節(jié)測量誤差及其表示方法第五節(jié)

工程上最大測量誤差的估計及

系統(tǒng)誤差的消除第六節(jié)

隨機誤差的估計

本章要點本章第一、二、三節(jié)主要介紹有關儀表的基本概念與工作原理，掌握有關變換的概念，了解各類儀表在測量過程中，都是通過變換，把被測電磁量轉換為可閱讀的數字或機械偏移，以達到測量的目的。本章第四、五、六節(jié)主要是介紹產生誤差的原因、誤差的估計、誤差的表示方法，以及如何在測量中減少誤差。測量總論1、測量的意義

日常生活中處處離不開測量科學的進步和發(fā)展離不開測量， 離開測量就不會有真正的科學。一、測量的基本概念沒有望遠鏡就沒有天文學，沒有顯微鏡就沒有細胞學，沒有指南針就沒有航海事業(yè)生產發(fā)展離不開測量

農業(yè)社會中，需要丈量土地、衡量谷物，就產生了長度、面積、容積和重量的測量；掌握季節(jié)和節(jié)候，出現了原始的時間測量器具，并有了天文測量?，F代化的工業(yè)生產中，處處離不開測量。例如，一個大型鋼鐵廠需要約2萬個測量點。在高新技術和國防現代化建設中則更是離不開測量 例如，每種新設計的飛機，需要測試飛機高速飛行中受氣流沖擊作用下的性能，通過風洞試驗測定機身、機翼的受力和振動分布情況，以驗證和改進設計。1.狹義測量的定義測量是為了確定被測對象的量值而進行的實驗過程。在測量過程中，人們借助專門的設備，把被測對象直接或間接地與同類已知單位進行比較，取得用數值和單位共同表示的測量結果。 二、測量的定義測量結果＝測量數值.測量單位，即：測量的內涵①測量對象：被測客體中的相應的量值信息；

測量目的：從被測對象取得一個定量的認識；②測量過程:通過實驗去認識對象的過程③測量方法：比較；

A.直接比較 B.間接比較；

C.需要測量儀器；④測量標準：同類已知單位。⑤測量結果：最終能表示給測量主體（人）被測物體的重量等于標準砝碼的重量被測物體的重量從度盤上讀數，因為，彈簧秤度盤上的刻度是事先與標準量進行比較的結果。2.廣義測量的定義廣義地講，測量不僅對被測的物理量進行定量的測量，而且還包括對更廣泛的被測對象進行定性、定位的測量。 例如故障診斷、無損探傷、遙感遙測、礦藏勘探、地震源測定、衛(wèi)星定位等。而測量結果也不僅僅是由量值和單位來表征的一維信息，還可以用二維或多維的圖形、圖像來顯示被測對象的屬性特征、空間分布、拓樸結構等。廣義測量原理可以從信息獲取過程來說明，包括信息的感知和信息識別兩個環(huán)節(jié)。1.測量的基本要素

三、測量的基本要素被測對象、測量儀器、測量技術、測量人員和測量環(huán)境2.測量過程——基本要素之間的互動關系論證階段 測量的主體（測量人員）根據測試任務的要求、被測對象的特點、屬性，及現有儀器設備狀況，擬定合理的測試方案。設計階段 *選擇測試儀器，組建測試系統(tǒng)。 *制定出測試策略（測量算法）和操作步驟（測試程序）實施階段 *對儀器和系統(tǒng)實施測試操作（發(fā)控制命令），按照邏輯和時序完成測量過程，取得測量數據; *分析測量誤差并顯示測量出結果。3.被測對象——信息廣義的測量是信息的獲取，信息反映了事物的運動的狀態(tài)及其變化方式。信息又可分為自然信息和社會信息兩大類。4.測量儀器系統(tǒng)——量具和儀器測量儀器系統(tǒng)包括量具、測試儀器、測試系統(tǒng)及附件等5.測量的主體——測量人員手動：由測量主體（測量人員）直接參與完成自動：測量主體交給智能設備（計算機等）完成，但測量策略、軟件算法、程序編寫需由測量人員事先設計好。6.測試技術測量中所采用的原理、方法和技術措施，總稱為測試技術。根據定義而令系數為1的量稱為單位。單位是表征測量結果的重要組成部分，又是對兩個同類量值進行比較的基礎。四、單位和單位制國際單位制

（SI）InternationalSystemofUnits1980年由國際計量大會（CGPM）采納和推薦的一種一貫單位制。

注：SI是國際單位制的國際通用符號。目前，國際單位制下7個基本單位：長度米M質量千克（公斤）Kg時間秒S電流安[培]A熱力學溫度開[爾文]K物質的量摩[爾]Mol發(fā)光強度坎[德拉]cdSI基本單位的定義

米：光在真空中（1/299792458s）時間間隔內所經過路徑的長度。[第17屆國際計量大會（1983）]千克：國際千克原器的質量。[第1屆國際計量大會（1889）和第3屆國際計量大會（1901）]秒：銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9192631770個周期的持續(xù)時間。[第13屆國際計量大會（1967），決議1]安培：在真空中，截面積可忽略的兩根相距1m的無限長平行圓直導線內通以等量恒定電流時，若導線間相互作用力在每米長度上為2×10-7N，則每根導線中的電流為1A。[國際計量委員會（1946）決議2。第9屆國際計量大會（1948）批準]SI基本單位的定義開爾文：水三相點熱力學溫度的1/273.16。[第13屆國際計量大會（1967），決議4]摩爾：是一系統(tǒng)的物質的量，該系統(tǒng)中所包含的基本單元（原子、分子、離子、電子及其他粒子，或這些粒子的特定組合）數與0.012kg碳-12的原子數目相等。[第14屆國際計量大會（1971），決議3]坎德拉：是一光源在給定方向上的發(fā)光強度，該光源發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射強度為（1/683）W/sr。[第16屆國際計量大會（1979），決議3]國際單位制（SI）的導出單位國際單位制中具有專門名稱的導出單位量平面角弧度rad立體角球面度sr頻率赫［茲］Hz力（重力、壓力）牛［頓］N壓強（應力）帕［斯卡］Pa能量（功、熱）焦［耳］J功率（輻射通量）瓦［特］W國際單位制（SI）的導出單位電荷量庫［侖］0C電位（電壓、電動勢）伏［特］V電容法［拉］F電阻歐［姆］Ω電導西［門子］S磁通量韋［伯］Wb磁通量密度磁感應強度特［斯拉］TH電感亨［利］H國際單位制（SI）的導出單位攝氏溫度攝氏度0C光通量流［明］lm光照度勒［克斯］lx放射性活度貝可［勒爾］Bq吸收劑量戈［瑞］Gy劑量當量希［沃特］Sv第一節(jié)測量方法的分類一、測量方式分類測量方式直接測量間接測量組合測量指被測量與中間量的函數式中還有其他未知數，須通過改變測量條件，得出不同條件下的關系方程組，然后解聯立方程組求出被測量的數值。指要利用某種中間量與被測量之間的函數關系，先測出中間量，再算出被測量。例如用伏安法測電阻。指儀表讀出值就是被測的電磁量，例如用電流表測量電流，用電壓表測量電壓。二、測量方法(即數據讀取方法)分類

測量方法直讀法比較法利用儀表直接讀取測量數據。零值法較差法替代法將已知量與被測量先后置于同一測量裝置中，若兩次測量裝置都處于相同狀態(tài)，可認為被測量等于已知量，再從已知量讀出被測量值。從比較儀求得差值，根據度量器數值和比較差值，求得被測量的數值。比較儀表指零時，從度量器讀出被測量的數值將被測量與度量器放在比較儀器上進行比較，從而求得被測量的數值。第二節(jié)電工儀表的分類模擬指示儀表是將被測電磁量轉換為可動部分的角位移，然后根據可動部分指針在標尺上的位置直接讀出被測量的數值。一、模擬指示儀表二、數字儀表數字儀表是將被測電磁量轉換為電壓，再轉換為數字量，并以數字方式直接顯示。

（1）根據測量機構的工作原理分類可以把儀表分為電磁系、磁電系、電動系、感應系、靜電系和整流系等。磁電式—C、整流式—L、熱偶式—E、電磁式—T、電動式、鐵磁電動式—D、感應式—G、靜電式—Q（2）根據測量對象分類可以分為電流表（包括安培表、毫安表、微安表）、電壓表（包括伏特表、毫伏表、微伏表、千伏表）、功率表（又叫瓦特表）、電度表、歐姆表、相位表等。（3）根據儀表工作電流的性質分類可以分為直流儀表、交流儀表和交直流兩用儀表。模擬指示儀表的分類（4）按儀表的使用方式分類可以分為安裝式儀表（或稱板式儀表）和可攜式儀表等。（5）按儀表使用條件分類分為A、A1、B、B1和C五組。（A組：工作環(huán)境為0～+40℃，相對濕度在85%以下。B組：工作環(huán)境為-20～+50℃，相對濕度在85%以下。C組：工作環(huán)境為-40～+60℃，相對濕度在98%以下）有關各組儀表使用條件的規(guī)定可查閱國家標準GB/T776-1976《電氣測量指示儀表通用技術條件》。（6）按儀表的準確度等級分類分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共7個準確度等級。除以上分類以外，還可以按外殼的防護性能及耐受機械力作用的性能分類，讀者可查閱GB/T776-1976中的有關規(guī)定。電工儀表的型號

1．安裝式儀表的型號組成用途代號派生號系列代號形狀第一位代號

形狀第二位代號

改進代號形狀第一位代號：按儀表面板形狀最大尺寸編制形狀第二位代號：按儀表外殼形狀尺寸編制系列代號：按儀表的工作原理編制

C:表示磁電系T:表示電磁系D:表示電動系G:表示感應系L:表示整流式Q:表示靜電系用途號：按被測量編制如：V:電壓表A:電流表W:功率表舉例：42C3-A

設計序號為3的磁電系電流表，形狀代號42可在產品目錄查得其外形尺寸和安裝開孔尺寸。２．便攜式儀表的型號組成

舉例：T62-V

設計序號為62的電磁系電壓表另有：系列代號前加一個漢語拼音字母表示類別如：Q表示電橋P表示數字式Z表示電阻D表示電能表

設計序號系列代號指使用電橋、補償等方法，將標準度量器與被測量置于比較儀器中進行比較，從而求得被測量。這類儀器除需要儀表本體外（如電橋、電位差計等）還需要檢流設備、度量器等參與。三、比較儀器電工儀表標志的識別不同的電工儀表具有不同的技術特性，為了便于選擇和正確使用儀表，通常還用各種不同的圖形符號來表示這些技術特性，并標注在儀表面板的顯著位置上，這些圖形符號叫做儀表的標志。2.儀表工作原理的圖形符號3．準確度等級的符號4．端鈕及調零器的符號6．電流種類的符號5．工作位置的符號7．絕緣強度的符號五十七項國家標準目錄（1—7）1.GB/T3925-19832.0級交流電度表的驗收方法2.GB/T3927-1983直流電位差計3.GB/T3928-1983直流電阻分壓箱4.GB/T3929-1983標準電池5.GB/T3930-1983測量電阻用直流電橋6.GB/T5691-1985數據處理用的模塊化儀器系統(tǒng)CAMAC系統(tǒng)7.GB/T5693-1985CAMAC多機箱系統(tǒng)結構分支信息公路和A1型CAMAC機箱控制器規(guī)范五十七項國家標準目錄（8—15）8.GB/T5694-1985CAMAC系統(tǒng)中的塊傳送；9.GB6738-1986電測量指示和記錄儀表及其附件的安全要求；10.GB/T7521-1987多個控制器在一CAMAC機箱中；11.GB/T7522-1987CAMAC串行信息公路接口系統(tǒng)；12.GB/T9090-1988標準電容器；13.GB/T9091-1988感應分壓器；14.GB/T9093-1988測量用穩(wěn)定電源裝置；15.GB/T11149-1989標準電容箱；五十七項國家標準目錄（16—25）16.GB/T11151-1989交流電橋；17.GB/T11161-1989電測量儀表標度盤與標度尺；18.GB/T11167-1989直接動作電測量記錄儀；19.GB/T13743-1992直流磁電系檢流計；20.GB/T13865-1992電力定量器；21.GB/T13970-1992數字儀表基本參數系列；22.GB/T14913-1994直流數字電壓表及直流模數變換器；23.GB/T15282-1994無功電度表；24.GB/T15283-19940.5、1和2級交流有功電度表；25.GB/T9092-1998費率和負載控制時間開關；五十七項國家標準目錄（26—30）26.GB/T17441-1998交流電度表符號；27.GB/T17442-19981級和2級直接接入靜止式交流有功電度表驗收檢驗；28.GB/T13850-1998交流電量轉換為模擬量或數字信號的電測量變送器；29.GB/T7676.1-1998直接作用模擬指示電測量儀表及其附件第1部分:定義和通用要求；30.GB/T7676.2-1998直接作用模擬指示電測量儀表及其附件第2部分:電流表和電壓表的特殊要求；五十七項國家標準目錄（31—35）31.GB/T7676.3-1998直接作用模擬指示電測量儀表及其附件第3部分:功率表和無功率表的特殊要求；32.GB/T7676.4-1998直接作用模擬指示電測量儀表及其附件第4部分:頻率表的特殊要求；33.GB/T7676.4-1998直接作用模擬指示電測量儀表及其附件第4部分:頻率表的特殊要求；34.GB/T7676.5-1998直接作用模擬指示電測量儀表及其附件第5部分:相位表、功率因數表和同步指示器的特殊要求；35.GB/T7676.6-1998直接作用模擬指示電測量儀表及其附件第6部分:電阻表(阻抗表)和電導表的特殊要求；五十七項國家標準目錄（36—40）36.GB/T7676.7-1998直接作用模擬指示電測量儀表及其附件第7部分:多功能儀表的特殊要求；37.GB/T7676.8-1998直接作用模擬指示電測量儀表及其附件第8部分:附件的特殊要求；38.GB/T7676.9-1998直接作用模擬指示電測量儀表及其附件第9部分:推薦的試驗方法；39.GB/T17563-1998可程控測量設備標準數字接口的標準代碼、格式、協議和公共命令；40.GB/T17860.1-1999電測量儀器X-t記錄儀第1部分:定義和要求；五十七項國家標準目錄（41—45）41.GB/T17860.2-1999電測量儀器X-t記錄儀第2部分:推薦的附加試驗方法；42.GB/T17882-19992和3級靜止式交流無功電度表GB/T17883-19990.2S和0.5S級靜止式交流有功電度表；43.GB/T17884-1999費率和負荷控制用電子式紋波控制接收機；；44.GB/T1242-2000安裝式指示和記錄電測量儀表的尺寸；45.GB/T18216.1-2000交流1000V和直流1500V以下低壓配電系統(tǒng)電氣安全防護檢測的試驗、測量或監(jiān)控設備第1部分:通用要求；五十七項國家標準目錄（46—51）46.GB/T11150-2001電能表檢驗裝置；47.GB/T18460.1-2001IC卡預付費售電系統(tǒng)第1部分:總則；48.GB/T18460.2-2001IC卡預付費售電系統(tǒng)第2部分:IC卡及其管理；49.GB/T18460.3-2001IC卡預付費售電系統(tǒng)第3部分:預付費電度表；50.GB/T15284-2002多費率電能表特殊要求；51.GB/T17215-20021級和2級靜止式交流有功電能表；五十七項國家標準目錄（52—57）52.GB/T18216.2-2002交流1000V和直流1500V以下低壓配電系統(tǒng)電氣安全防護檢測的試驗、測量或監(jiān)控設備第2部分:絕緣電阻；53.GB/T776-1976電氣測量指示儀表通用技術條件；54.GB/T6592-1996電工和電子測量設備性能表示；55.GB/T9317-1988脈沖信號發(fā)生器技術條件；56.GB/T9318-1988脈沖信號發(fā)生器測試方法57.GB/T13978-1992數字多用表通用技術條件第三節(jié)電工儀表的組成和基本原理一、模擬指示儀表的組成電工指示儀表主要由測量機構和測量線路兩部分組成。測量機構是儀表的核心，由固定部分和可動部分組成。電工指示儀表的測量機構測量機構轉動力矩裝置反作用力矩裝置阻尼力矩裝置讀數裝置支撐裝置指示儀表的測量機構模擬指示儀表中的三大部件：1.產生轉動力矩M的裝置：使指針偏轉利用電磁力的有磁電式、電磁式、電動式、感應式、振動式等。利用電荷作用力的有靜電式等。2.產生反作用力矩Ma的裝置：平衡轉動力矩。主要有游絲、懸絲等。

3.產生阻尼力矩的裝置：盡快指示出被測量的數值可以利用電磁阻尼、空氣阻尼、油阻尼等。4．讀數裝置讀數裝置由指示器和刻度盤組成。指示器分指針式和光標式兩種。指針又分矛形和刀形。大、中型安裝式儀表多采用矛形指針，以便遠距離讀數。小型安裝式儀表及便攜式儀表多采用刀形指針，以利于精確讀數。光標式指示器適用于一些高靈敏度和高準確度的儀表。

矛形指針刀形指針光標指示器

刻度盤是一個畫有標度尺和儀表標志符號的面板，為了消除視覺誤差，有些便攜式精密儀表在標度尺下面還安裝一塊反射鏡，如圖所示。當看到指針和指針在鏡中的影像重合時才能讀數。這樣做的目的是為了消除視覺誤差。

刻度盤（表盤）安裝反射鏡的表盤5．支撐裝置

測量機構中的可動部分要隨被測量大小而偏轉，就必須有支撐裝置。常見的支撐方式有兩種。一種是軸尖軸承支撐方式，一種是張絲彈片支撐方式。許多檢流計都采用了張絲彈片支撐方式。a）軸尖軸承支撐裝置b）張絲彈片支撐方式支撐裝置示意圖二、數字儀表的組成通過A/D轉換將電壓轉換為數字脈沖由于A/D轉換的對象必須是電壓,所以需要測量線路將被測量轉換為電壓數字脈沖經譯碼加到顯示器被測線路A/D轉換數字顯示器被測量x電壓U第四節(jié)測量誤差及其表示方法一、測量誤差的分類測量誤差分類

系統(tǒng)誤差

基本誤差：由儀表結構造成的誤差附加誤差：偏離規(guī)定的工作條件造成的誤差隨機誤差：偶發(fā)原因引起大小方向都不確定的誤差疏忽誤差：測量人員疏忽造成二、測量誤差的表示方法1.絕對誤差

用測量值與被測量真值之間的差值所表示的誤差稱為絕對誤差。

⊿

例測量兩個電壓，實際值U1=100V，U2=20V，儀表的示值分別為Ux1=101V，Ux2=21V。其絕對誤差分別為： ⊿U1=Ux1-U1=101-100=+1V ⊿U2=Ux2-U2=21-20=+1V很顯然，雖然二者的絕對誤差相同，但是二者測量的精確度卻