电工电子基础

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电工电子技术基础,主编 李中发,2003年7月,1,第9章 电工测量,电流、电压、电功率、电阻及电能的测量方法,电流表、电压表、功率表、万用表、兆欧表及电度表的使用方法,磁电式、电磁式及电动式仪表的结构和工作原理,学习要点,2,第9章 电工测量,9.1 电工仪表的类型、误差和准确度,9.2 指针式仪表的结构及工作原理,9.3 电流、电压、功率及电能的测量,9.4 电阻的测量,3,9.1 电工仪表的类型、误差和准确度,电工仪表是实现电工测量过程所需技术工具的总称。,电工仪表的测量对象主要是电学量与磁学量。电学量又分为电量与电参量。,通常要求测量的电量有电流、电压、功率、电能、频率等；电参量有电阻、电容、电感等。,通常要求测量的磁学量有磁感应强度、磁导率等。,4,按测量方法可分为比较式和直读式两类。比较式仪表需将被测量与标准量进行比较后才能得出被测量的数量，常用的比较式仪表有电桥、电位差计等。直读式仪表将被测量的数量由仪表指针在刻度盘上直接指示出来，常用的电流表、电压表等均属直读式仪表。直读式仪表测量过程简单，操作容易，但准确度不可能太高；比较式仪表的结构较复杂，造价较昂贵，测量过程也不如直读法简单，但测量的结果较直读式仪表准确。,按被测量的种类可分为电流表、电压表、功率表、频率表、相位表等。,按电流的种类可分为直流、交流和交直流两用仪表。,按工作原理可分为磁电式、电磁式、电动式仪表等。,按显示方法可分为指针式（模拟式）和数字式。指针式仪表用指针和刻度盘指示被测量的数值；数字式仪表先将被测量的模拟量转化为数字量，然后用数字显示被测量的数值。,按准确度可分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共7个等级。,9.1.1 电工仪表的分类,5,常用电工仪表的符号和意义,6,常用电工仪表的符号和意义,7,9.1.2 电工仪表的误差和准确度,电工仪表的,准确度,是指测量结果（简称示值）与被测量真实值（简称真值）间相接近的程度，是测量结果准确程度的量度。,误差,是指示值与真值的偏离程度。准确度与误差本身的含义是相反的，但两者又是紧密联系的，测量结果的准确度高，其误差就小，因此，在实际测量中往往采用误差的大小来表示准确度的高低。,由于制造工艺的限制及测量时外界环境因素和操作人员的因素，误差是不可避免的。根据引起误差的原因不同，仪表误差可分为基本误差和附加误差。,基本误差,是在规定的温度、湿度、频率、波形、放置方式以及无外界电磁场干扰等正常工作条件下，由于仪表本身的缺点所产生的误差。,附加误差,是由于外界因素的影响和仪表放置不符合规定等原因所产生的误差。附加误差有些可以消除或限制在一定范围内，而基本误差却不可避免。,8,误差的表示方法,（1）绝对误差：,（2）相对误差：,（3）引用误差：,仪表的准确度：,示值误差：,A,x,：示值,A,o,：,真值,A,m,：,满标度值即量限,A,m,：,最大绝对误差,示值误差用于误差很小或要求不高的场合。,直读仪表的准确度用最大引用误差来分级，分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共7个等级。如准确度为2.5级的仪表，其最大引用误差为2.5。,最大相对误差：,9,例如,：用一量程为150,V,的电压表在正常条件下测某电路的两点间电压,U,，,示值为100,V，,绝对误差为1,V。,这时,U,的真值为1001=99,V，,相对误差,r,=1%。,如果示值为10,V，,绝对误差为0.8,V。,则其真值为10.8,V，,相对误差8%。如果已知该电压表可能发生的最大绝对误差为1.5,V，,则仪表的最大引用误差为：,注意,：被测量比仪表量程小得越多，测量结果可能出现的最大相对误差值也越大。例如用1.0级量程为150,V,的电压表测量30,V,的电压，可能出现的最大相对误差为5，而改用1.0级量程为50,V,的电压表测量30,V,的电压，可能出现的最大相对误差为1.97。所以选用仪表的量程时应使读数在23量程以上。,所以该仪表的准确度等级为1.0级。,10,9.2 指针式仪表的结构及工作原理,电工测量中常用的指针式仪表有磁电式、电动式、电磁式3种。这些仪表的结构虽然不同，但工作原理却是相同的，都是利用电磁现象使仪表的可动部分受到电磁转矩的作用而转动，从而带动指针偏转来指示被测量的大小。,11,9.2.1 磁电式仪表,直流电流,I,通过可动线圈时，线圈与磁场相互作用使线圈产生转动力矩，带动指针偏转。指针偏转后扭紧弹簧游丝，使游丝产生反抗力矩。当反抗力矩和转动力矩相平衡时，线圈和指针便停止偏转。由于在线圈转动的范围内磁场均匀分布，因此线圈的转动力矩与电流的大小成正比。又由于游丝的反抗力矩与线圈的偏转角度成正比，所以仪表指针的偏转角度与流过线圈的电流的大小成正比，即：,=,KI,。,可见磁电式仪表标尺上的刻度是均匀的。,磁电式仪表的,优点,：刻度均匀、灵敏度高、准确度高、消耗功率小、受外界磁场影响小等。,磁电式仪表的,缺点,：结构复杂、造价较高、过载能力小，而且只能测量直流，不能测量交流。,使用注意事项,：电表接入电路时要,注意极性,，否则指针反打会损坏电表。通常磁电式仪表的接线柱旁均标有+、记号，以防接错。,12,9.2.2 电磁式仪表,线圈通入电流时产生磁场，使其内部的固定铁片和可动铁片同时被磁化。由于两铁片同一端的极性相同，因此两者相斥，致使可动铁片受到转动力矩的作用，从而通过转轴带动指针偏转。当转动力矩与游丝的反抗力矩相平衡时，指针便停止偏转。,由于作用在铁心上的电磁力与空气隙中磁感应强度的平方成正比，磁感应强度又与线圈电流成正比，因此仪表的转动力矩与电流的平方成正比。又由于游丝的反抗力矩与线圈的偏转角度成正比，所以仪表指针的偏转角度与线圈电流的平方成正比，即：,=,KI,2,。,可见电磁式仪表标尺上的刻度是不均匀的。,推斥型电磁式仪表也可以测量交流，当线圈中电流方向改变时，它所产生磁场的方向随之改变，因此动、静铁片磁化的极性也发生变化，两铁片仍然相互排斥，转动力矩方向不变，其平均转矩与交流电流有效值的平方成正比。,13,9.2.3 电动式仪表,固定线圈中通入直流电流,I,1,时产生磁场，磁感应强度,B,1,正比于,I,1,。,如果可动线圈通入直流电流,I,2,，,则可动线圈在此磁场中就要受到电磁力的作用而带动指针偏转，电磁力,F,的大小与磁感应强度,B,1,和电流,I,2,成正比。直到转动力矩与游丝的反抗力矩相平衡时，才停止偏转。仪表指针的偏转角度与两线圈电流的乘积成正比，即：,=,KI,1,I,2,。,对于线圈通入交流电的情况，由于两线圈中电流的方向均改变，因此产生的电磁力方向不变，这样可动线圈所受到转动力矩的方向就不会改变。设两线圈的电流分别为,i,1,和,i,2,，,则转动力矩的瞬时值与两个电流瞬时值的乘积成正比。而仪表可动部分的偏转程度取决于转动力矩的平均值，由于转动力矩的平均值不仅与,i,1,及,i,2,的有效值成正比，而且还与,i,1,和,i,2,相位差的余弦成正比，因此电动式仪表用于交流时，指针的偏转角与两个电流的有效值及两电流相位差的余弦成正比。即：,=,KI,1,I,2,cos,。,14,9.3 电流、电压、功率及电能的测量,9.3.1 电流的测量,测量直流电流通常采用磁电式电流表，测量交流电流主要采用电磁式电流表。电流表必须与被测电路串联，否则将会烧毁电表。此外，测量直流电流时还要注意仪表的极性。,扩大量程的方法是在表头上并联一个称为分流器的低值电阻,R,A,，,分流器的阻值为：,R,A,=,R,o,/(,n,1)。,式中,R,o,为表头内阻，,n,=I/I,o,为分流系数，其中,I,o,为表头的量程，,I,为扩大后的量程。,15,9.3.2 电压的测量,测量直流电压通常采用磁电式电压表，测量交流电压主要采用电磁式电压表。电压表必须与被测电路并联，否则将会烧毁电表。此外，测量直流电压时还要注意仪表的极性。,扩大量程的方法是在表头上串联一个称为倍压器的高值电阻,R,V,，,倍压器的阻值为：,R,V,=(,m,1),R,o,。,式中,R,o,为表头内阻，,m,=,U,/,U,o,为倍压系数，其中,U,o,为表头的量程，,U,为扩大后的量程。,16,9.3.3 功率的测量,测量功率时采用电动式仪表。测量时将仪表的固定线圈与负载串联，反映负载中的电流，因而固定线圈又叫电流线圈；将可动线圈与负载并联，反映负载两端电压，所以可动线圈又叫电压线圈。,分格常数：,被测功率：,17,一表法,：用一个单相功率表测得一相功率，然后乘以3即得三相负载的总功率。,二表法,：用两只单相功率表来测量三相功率，三相总功率为两个功率表的读数之和。若负载功率因数小于0.5，则其中一个功率表的读数为负，会使这个功率表的指针反转。为了避免指针反转，需将其电压线圈或电流线圈反接，这时三相总功率为两个功率表的读数之差。,18,三表法,：用3只单相功率表来测量三相功率，三相总功率为3个功率表的读数之和。,用二元功率表和三元功率表测量三相总功率，三相总功率均可直接从表上读出。,19,9.3.4 电能的测量,驱动机构用来产生转动力矩，包括电压线圈、电流线圈和铝制转盘。当电压线圈和电流线圈通过交流电流时，就有交变的磁通穿过转盘，在转盘上感应出涡流，涡流与交变磁通相互作用产生转动力矩，从而使转盘转动。,制动机构用来产生制动力矩，由永久磁铁和转盘组成。转盘转动后，涡流与永久磁铁的磁场相互作用，使转盘受到一个反方向的磁场力，从而产生制动力矩，致使转盘以某一转速旋转，其转速与负载功率的大小成正比。,积算机构用来计算电度表转盘的转数，以实现电能的测量和计算。转盘转动时，通过蜗杆及齿轮等传动机构带动字轮转动，从而直接显示出电能的度数。,电度表,20,单相电度表接线时，电流线圈与负载串联，电压线圈与负载并联。单相电度表共有四根连接导线，两根输入，两根输出。电流线圈及电压线圈的电源端应接在相（火）线上，并靠电源侧。,21,9.4 电阻的测量,9.4.1 万用表,1、磁电式万用表,22,（1）直流电流的测量。转换开关置于直流电流档，被测电流从+、两端接入，便构成直流电流测量电路。图中,R,Al,、,R,A2,、,R,A3,是分流器电阻，与表头构成闭合电路。通过改变转换开关的档位来改变分流器电阻，从而达到改变电流量程的目的。,（2）直流电压的测量。转换开关置于直流电压档，被测电压接在+、两端，便构成直流电压的测量电路。图中,R,Vl,、,R,V2,、,R,V3,是倍压器电阻，与表头构成闭合电路。通过改变转换开关的档位来改变倍压器电阻，从而达到改变电压量程的目的。,（3）交流电压的测量。转换开关置于交流电压档，被测交流电压接在+、两端，便构成交流电压测量电路。测量交流时必须加整流器，二极管,D,1,和,D,l,组成半波整流电路，表盘刻度反映的是交流电压的有效值。,R,Vl,、,R,V2,、,R,V3,是倍压器电阻，电压量程的改变与测量直流电压时相同。,（4）电阻的测量。转换开关置于电阻档，被测电阻接在+、两端，便构成电阻测量电路。电阻自身不带电源，因此接入电池,E,。,电阻的刻度与电流、电压的刻度方向相反，且标度尺的分度是不均匀的。,23,500型万用表,有两个“功能/量程”转换旋钮，每个旋钮上方有一个尖形标志。利用两个旋钮不同位置的组合，可以实现交、直流电流、电压、电阻及音频电平的测量。如测量直流电流，先转动左边的旋钮，使“,A”,档对准尖形标志，再将右边旋钮转至所需直流电流量程即可进行测量。使用前注意先调节调零旋钮，使指针准确指示在标尺的零位置。,24,2、数字式万用表,数字式万用表由功能变换器、转换开关和直流数字电压表3部分组成，其原理框图如图所示。直流数字电压表是数字式万用表的核心部分，各种电量或参数的测量，都是首先经过相应的变换器，将其转化为直流数字电压表可以接受的直流电压，然后送入直流数字电压表，经模数转换器变换为数字量，再经计数器计数并以十进制数字将被测量显示出来。,25,26,27,9.4.2 兆欧表,兆欧表俗称摇表，是测量绝缘体电阻的专用仪表，主要由磁电式流比计与手摇直流发电机组成。,28,流比计是用电磁力代替游丝产生反作用力矩的仪表。它与一般磁电式仪表不同，除了不用游丝产生反作用力矩外，还有两个区别：一是空气隙中的磁感应强度不均匀；二是可动部分有两个绕向相反且互成一定角度的线圈，线圈1用于产生转动力矩，线圈2用于产生反作用力力矩。,被测电阻接在,L（,线）和,E（,地）两个端子上，形成了两个回路，一个是电流回路，一个是电压回路。电流回路从电源正端经被测电阻,R,x,、,限流电阻,R,A,、,可动线圈1回到电源负端。电压回路从电源正端经限流电阻,R,V,、,可动线圈2回到电源负端。由于空气隙中的磁感应强度不均匀，因此两个线圈产生的转矩,T,1,和,T,2,不仅与流过线圈的电流,I,1,、,I,2,有关，还与可动部分的偏转角,有关。当,T,1,=,T,2,，可动部分处于平衡状态，其偏转角,是两个线圈电流,I,1,、,I,2,比值的函数（故称为流比计），即：,29,因为限流电阻,R,A,、,R,V,为固定值，在发电机电压不变时，电压回路的电流,I,2,为常数，电流回路电流,I,1,的大小与被测电阻,R,x,的大小成反比，所以流比计指针的偏转角,能直接反映被测电阻,R,x,的大小。,流比计指针的偏转角与电源电压的变化无关，电源电压,U,的波动对转动力矩和反作用力矩的干扰是相同的，因此流比计的准确度与电压无关。但测量绝缘电阻时，绝缘电阻值与所承受的电压有关。摇手摇发电机时，摇的速度须按规定，而且要摇够一定的时间。常用的兆欧表的手摇发电机的电压在规定转速下有500,V,和1000,V,两种，可根据需要选用。因电压很高，测量时应注意安全。,30,兆欧表的接线端钮有3个，分别标有“,G（,屏）”、“,L（,线）”、“,E（,地）”。被测的电阻接在,L,和,E,之间，,G,端的作用是为了消除表壳表面,L、E,两端间的漏电和被测绝缘物表面漏电的影响。在进行一般测量时，把被测绝缘物接在,L、E,之间即可。但测量表面不干净或潮湿的对象时，为了准确地测出绝缘材料内部的绝缘电阻，就必须使用,G,端，图示为测量电缆绝缘电阻的接线图。,31,