[工学]第十二章 电气测量技术.ppt

第十二章 电气测量技术,第一节 测量基础知识,第二节 测量误差的估计及数据处理,第三节 模拟指示仪表,第四节 数字式仪表,第五节 比较式仪表,第六节 电压和电流的测量,第七节 功率和电能的测量,第八节 电阻、电容与电感的测量,第九节 频率和周期的测量,第十节 智能仪器和虚拟仪器,测量：是通过实验方法对客观事物取得定量数据的过程。 测量的分类： 光学测量、力学测量、几何量测量、化学测量、电气 测量、医学测量、生物学测量、磁测量等。 电气测量的对象： 电流、电压、电功率、相位、频率、电阻、电感、电 容、电路时间常数等。 电气测量技术的特点： （1）准确度高 （5）可以进行遥测 （2）测量速度快 （6）容易和计算机技术相结 （3）测量范围广 合实现自动测量 （4）量程范围广,电气测量技术的内容 （1）电量的测量方法； （2）电气测量仪器、仪表的设计与制造； （3）电量的量值传递。,第一节 测量基础知识,一、测量方法的分类,1. 按测量方式分类,（1）直接测量,（2）间接测量,直接测量是指将被测电量与度量器直接在比较仪器中进 行比较，或使用事先已有刻度的指示仪表进行测量，直接得 出被测量的数值的测量方法。,先测出中间量，再通过公式计算，算出被测量的值，这 就叫做间接测量。,可将被测量和另外几个量组成联立方程，通过测量这几个量来最后求解联立方程，从而得出被测量的大小。,（3）组合测量,2按测量数据读取方法分类,（1）直读法,直接从电测量仪表的刻度盘上读取测量数据的方法称为直读法。,（2）比较测量法,1）零值法：比较仪表指零时，从度量器读出被测量的数值。,2）较差法：从比较仪求得差值，再根据度量器数值和比较差值，经计算求得被测量的数值。 3）替代法：将已知量与被测量先后置于同一测量装置中，若先后两次测量装置都处于相同状态，可认为被测量等于已知量，然后从已知量读出被测量值。,二、测量的误差,1、测量误差的分类,（1）系统误差,1）基本误差：指仪表在规定的工作条件下，由于仪表本身结构不完善而产生的一种固有误差。,2) 附加误差：指仪表使用时偏离规定的工作条件而造成 的误差。,（2）随机误差,随机误差又称为偶然误差，它是由偶发原因引起的一 种大小、方向都不确定的误差。,（3）疏失误差（粗大误差）,疏失误差是指在一定测量条件下，测量明显地偏离实际值所形成的误差称为疏失误差,又称为粗大误差。,2测量误差的表示方法,（1）绝对误差,测量值（通过测量得到的被测量的数值 ）与被测量真值 (被测量的真实值 ) 之间的代数差称为绝对误差。,（2）相对误差,绝对误差与真值的比称为相对误差。,（3）引用误差（基准误差）,测量值的绝对误差与仪表上量限的比称为引用误差（基准误差）。,引用误差,最大引用误差,最大相对误差,例12-1 用0.5级电流表测量名义值为2A的电流。仪表有3A，5A两档量程可选，应选哪个量程更好？,解：评价测量的优劣，通常用测量的相对误差来比较。 当使用 3A 量程时，最大可能相对误差为,显然选3A的量程比5A更合适。,当使用 5A 量程时，最大可能相对误差为,例12-2为测量略低于100V的电压，现实验室中有两只电压表，表1是0.5级0 300V，表2是1.0级0100V，为使测量更准确，选择哪只电压表更合适？,解：同理，我们还是用测量的相对误差来比较测量的优劣。 选择表1，则最大可能相对误差为 选择表2，则最大可能相对误差为,虽然从仪表准确度的角度，表 1 要优于表 2 ，但对于该被测量而言，显然应该选择表 2 。,三、不确定度,测量的目的是为了确定被测量的量值。测量结果的质量(品质)是量度测量结果可信程度的最重要的依据。表征合理地赋予被测量之值的分散性、与测量结果相联系的参数，称为测量不确定度。,1标准不确定度,以标准差表示的测量不确定度，称为标准不确定度，用符号 u 表示，它不是由测量标准引起的不确定度，而是指不确定度以标准差来表征被测量之值的分散性。,2扩展不确定度,用标准差的倍数或说明了置信水平的区间的半宽表示的测量不确定度，称为扩展不确定度，通常用符号 U 表示。,第二节 测量误差的估计及数据处理,准确度：测量值与结果的偏离程度，表征系统误差的大小。,精密度：指多次重复测量中，测量值重复一致的程度。表征 随机误差的大小。,精确度：指测量结果与真值符合一致的程度，表征系统误差 和随机误差的综合大小。,(a) 表明数据均值（近似真值）偏离真值远，且数据的离散性大；前者说明测量的系统误差大，准确度差；后者说明随机误差大，即精密度差（重复性差）。 (b) 表明数据的算术平均值偏离真值近，系统误差小，即准确度好，而随机误差与（a）差不多，既精密度差。 (c) 与图 (b) 相反，数据均值偏离真值较远，系统误差大，正确度差而数据又相对密集，随机误差小，说明重复性好，既精密度好。 (d) 表明数据相对真值密集，系统误差小，随机误差也小。即精确度好。,1直接测量方式的最大误差,2间接测量方式的最大误差,设被测量量 与 个直接测得量 ， ， ， 具有 如下函数关系：,若直接测得量的绝对误差用 ， ， ， 表示，引 起被测量的误差为 ，则有,将上式展开成泰勒级数，并略去高阶量得：,故有：,将上式两边同除以 y ，得到被测量相对误差的关系式为,式中， 为直接测量量 的局部相对误差； 为局部相对误差的传递函数。,两种特殊情况：,（1）被测量为 个直接测量量之和,两端除以 ，并取最大值,若直接测得量的绝对误差用 ， ， ， 表示，则有,总电阻的最大绝对误差出现在两个电阻的绝对误差同时 取最大值时,则最大相对误差为,例 12-3 两个标称值均为 1000 的电阻 、 串联，已知这 两个电阻的绝对误差分别为 ， 求总电阻的最大相对误差。,解：根据电阻串联公式有,（2）被测量 y 为两个量之差,被测结果为两量之差时，可能的最大相对误差不仅与各个测量结果的相对误差有关，而且与两个已知量之差有关。若两量之差越大，被测量可能的最大相对误差越小，反之两量之差越小，则相对误差急骤上升。,设 , 为被测量有关的直接测量量，被测量 为,解 ：1）,2）,可见两量相差越小，可能出现的相对误差越大。,例 12-4 电路如图所示，测得第一支路电流 ， ，总电流 ， 。 （1）求 和可能最大相对误差。 （2）若 ， ， 和可能最大相对误差又是多少？,（3）被测量 为 个量之积或商,若考虑最不利的情况，当 同符号时，可能最大的相对误差为,若直接测得量的相对误差用 ， 表示，则有,例12-5 用间接法求某一电阻消耗的电能，设测量电压的相对误差为 ，测量电阻的相对误差为 ，测量时间的相对误差为 ，求计算电能的可能最大相对误差。,解：电能计算公式为,最大可能相对误差为,第三节 模拟指示仪表,模拟指示仪表是最常见的一种电工仪表，其工作原理 是将被测量转换成可动部分的角位移，然后利用可动的部 分的指针在标尺上的位置直接读出被测量的数值。,1 电 流,2 电 压,3 电功率,4 电 阻,M,一、表征模拟指示仪表指标及性能的符号,1模拟电工仪表的型号组成,用途号： 表示测量的对象。 设计序号（数字）：指仪器的设计序号。 系列序号：指仪表工作原理的代号。 C表示磁电系，T表示电磁系， D表示电动系， G表示感应系，L表示整流系，Q表示静电系。,用途号（国际通用符号）,设计序号（数字）,系列代号（汉语拼音字母）,形状第二位代号（数字0可省略）,形状第一位代号（数字）,2准确定等级,3仪表其它常用符号及含义,形状第一位代号：按仪表的面板形状最大尺寸编制。 形状第二位代号：按仪表的外壳形状尺寸编制。,目前我国直读式电工测量仪表按照准确度分为7个等级。,仪表准确度等级 0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0,基本误差( % ) 0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0,电工仪表常用符号及含义见书所示。,二、模拟指示仪表的组成和基本原理,测量线路的作用是将被测量转换为测量机构可接受的中间物理量。 测量机构是将中间物理量转换为相应的指针偏转角。测量机构主要由三大部件组成： （1）产生转动力矩的装置： 利用仪表中通入电流后产生电磁作用，使可动部分受到转矩而 发生转动。转动力矩与通入的电流之间存在一定的函数关系。,测量线路,测量机构,被测量,过渡电量,指针偏转角,（2）产生反作用力矩的装置： 为了使偏转角与被测量成一 定比例，仪表中还有一个与 偏转角成比例的反作用力矩。,反作用力矩主要由游丝、悬丝等产生。,（3）产生阻尼力矩的装置 为了使仪表的可动部分能迅速静止于平衡位置，缩短测量时间，还需要一个阻尼力矩。阻尼力矩只在指针转动过程中才起作用，指针达到平衡时，该力矩为零。,（a）空气阻尼器 (b)电磁阻尼,当转动力矩和反作用力矩达到平衡时，即,指针偏转到一定的位置，偏转角与被测量成正比。,三、常用的模拟指示式仪表,根据产生转动力矩的原理不同，模拟指示式仪表又可分为 磁电式、电磁式、电动式、感应式、振动式、静电式等。,型 式,符 号,被测量的种类,磁电式,整流式,电磁式,电动式,电流的种类与频率,电流、电压、 电阻,电流、电压,电流、电压,电流、电压、电功率、功率因数、电能量,直 流,工频和较高频率的交流,直流和工频交流,直流及工频与较高频率的交流,1磁电系仪表,外磁式磁电系仪表结构图 线圈在磁场中受力,转动方向,仪表偏转角与电流关系：,电流灵敏度：单位被测量所对应的偏转角。 磁电式仪表的电流灵敏度为：,磁电式仪表广泛地应用于直流电流和直流电压的测量。 与整流元件配合，还可测量交流电流和电压的测量。与交换 电路配合，还可测量功率、频率、相位等。与传感器配合还 可测量多种非电量，如温度、压力等。,式中：B为空气隙磁感应强度，S为线圈所围的面积，N为线 圈匝数，D为游丝反作用力矩系数， ，当仪表结构 确定后，是一个常数。,磁电系仪表的特点： 准确度高；灵敏度高；刻度均匀；功耗小；抗干扰能力强；过载能力小；只能测量直流。磁电系仪表常用来测量直流 电流、直流电压及电阻。,仪表常数：单位偏转角所对应的被测量的大小。,从式中看到它与电流灵敏度互为倒数关系。,2电磁系仪表,吸引型电磁系仪表,电磁系仪表是测量交流电压与交流电流的最常用的一种 仪表。具有结构简单、过载能力强、造价低廉以及交直流两 用等一系列优点。 电磁系仪表结构有吸引型和推斥型两种形式。 当电磁力与游丝产生的反作用力矩平衡时，仪表偏转角 与电流的关系为,式中， 为系统的自感随偏转角的变化率，K为与结构有 关的参数。K如果为常数，刻度具有平方律特性，适当选择 铁心形状，调节铁心与线圈的相对距离，可使刻度基本均匀。,电磁系仪表即可用于测量直流，也可以用于测量交流。因为线圈电流方向改变时，线圈磁极性和铁心磁极性同时改变，而保持受力方向不变。 电磁式仪表的特点: 1.交直流两用；仪表结构简单； 2. 仪表中铁磁物质存在着磁滞误差，灵敏度较低； 3.受外磁场影响大，抗干扰能力差；功耗大；感抗大、不易用于高频测量。 电磁系仪表常被用来测量交流电压与交流电流。,3电动系仪表,电动系仪表用于交流精密测量及作为标准表，与电磁系 相比最大区别是以可动线圈代替可动铁心，可以消除磁滞和 涡流的影响，使它的准确度得到提高。,当电磁力与游丝产生的反作用力矩平衡时，仪表偏转角 与电流的关系为,式中， 为可动线圈和固定线圈所通电流的相位差，M12为 可动线圈和固定线圈之间的互感。,电动式仪表常用于精确测量电压、电流、功率还可以测量功率因数、频率、电容、电感和相位差。,电动式仪表的特点: 1.准确度高；可以交直流两用； 2.易受外磁场影响； 3.本身消耗的功率较大； 4.过载能力小； 5.电动系电流表、电压表的标度尺刻度不均匀。,第四节 数字式仪表,测量是获得信息的重要手段。在信息化社会中，要求测量的精度高、速度快，并能实现自动化测量。同时，被测对象范围也不断扩大，由单一物理量扩展为多个物理量，由静态量扩展为动态量。数字化测量技术正是适应这一需要而发展起来的。数字式仪表具有测量速度快、精确度高、输入阻抗高、吸收被测量功率少、操作方便、方便与计算机结合等多项优点。数字化测量是将被测量（通常为模拟量）转换成数字量后，直接送到计算机中进行数据处理或实时控制。数字化测量技术广泛应用于数字仪表、非电量测量、数据采集系统、自动控制等各个领域。,被测量通过相应的转换器，可转换成都市频率、直流电 压或脉冲数码，频率和脉冲数码可直接用频率计或计数器进 行计数显示，而直流电压则需进一步的转换，转换为频率、 周期等。,一、数字电压表的构成,数字电压表主要由以下几个部分构成：,（1）输入电路 包括衰减器、前置放大器、切换开关等。,（2）数字电压表的电源 中高档的DVM用220V交流电源供电，小型手持式采用 干电池供电。,（3）数字显示器 有发光二极管、等离子体和液晶显示器、荧光数码管等。,（4）A/D转换器 将模拟量转换为数字量的器件，是电压表的重要部件。,（5）电子计数器 用来记录脉冲个数。,A/D转换器和电子计数器的结构和原理。,1A/D转换器 将模拟量转换成数字量的器件称为模数转换器。主要 分为比较式和积分式。比较式转换速度快，抗干扰性差；积 分式转换速度慢，抗干扰性强。,数字电压表通常使用双积分式的A/D转换器。,2. 电子计数器 也称为数字频率计，用来记录脉冲个数。电子计数器通常由四部分组成。 （1）输入通道 包括放大、整形电路。,（2）时间基准电路 由晶体振荡器和分频器组成。 （3）控制电路 控制电路在所选择的基准时间内打开控制门，允许整形后的被测脉冲信号输入到计数器中。 （4）计数器和显示器 对控制门输出的信号进行计数，并显示计数值。,二、数字电压表的主要技术参数,(1) 测量范围和量程,(2) 分辨力,(3) 抗干扰能力,指DVM能够读取的被测电压的最小变化值，或显示器末位跳一个字所需的输入电压值。 例如有一数字万用表的电压的最小量程为20 mV，最大 显示数为 19 999 。所以分辨力为,外部干扰分为串模干扰和共模干扰两种。,(4) 输入阻抗,输入阻抗指DVM在工作状态下，从输入端看进去的输入电路的等效电阻。,DVM的显示位数是以完整的显示数字的多少来确定的。,(5) 显示位数,(6) 测量速度,测量速度指在单位时间内，仪表以规定的准确度完成的最大测量次数。,(7) 误差的表示 DVM的误差通常用绝对误差来表示。,三、DT-830数字万用表,测量范围,（1）直流电压分为五档: 200mV,2V,20V,200V,1000V。,（2）交流电压分为五档: 200mV,2V,20V,200V,750V。,（3）直流电流分为五档: 200V,2 mA,20mA,200mA,10A。,（4）交流电流分为五档: 200V,2 mA,20mA,200mA,10A。,（5）电阻分为六档: 200,2k ,20k ,200k,2M ,20M ,第五节比较式仪表,比较式仪器用于比较法测量，主要指使用电桥、补偿等方法，将标准度量器与被测量置于比较仪器中进行比较，从而求得被测量。,一、直流电位差计,1、直流电位差计工作原理,(1) 校准回路（回路1）,（2）测量回路（回路2）,（3）工作电流回路（回路3） 主要任务是提供一个稳定的工作电流。,电位差计利用了补偿原理，它的平衡是利用电动势互相补偿，因此平衡时不从测量回路取用电流，从而消除被测电源的内阻、导线电阻、接触电阻对测量的影响。校准回路也一样，不从标准电池取用电流，保持了标准电池电动势的稳定。电位差计还采用高准确度的元件，由于标准电池的电动势比较稳定，调定电阻和测量电阻的左端ab部分选用高准确度和高稳定度的电阻，所以测量准确度可以达到0.001%。,2、实用电位差计的结构,（1）标准电池的电动势易受温度的影响，实用电位差计的工 作调定电阻通常由两部分电阻构成，一部分为固定，一 部分为可调，可调部分作为温度补偿电阻，以补偿标准 电池因温度而发生的变化。 （2）根据测量结果所需的准确度，选择合适的测量线路和有 足够灵敏度的检流计。以保证电路未完全补偿时，能为 观察者所觉察。,3、电位差计的技术指标,直流电位差计的准确度等级分为： 实验型：0.001，0.002，0.005，0.01，0.02，0.05。 携带型：0.02，0.05，0.1，0.2。,（3）测量电阻应在很宽的范围内变化，而且能够准确读数， 例如要读出五位数或六位数，大多电位差计采用十进制 电阻盘，以便能读出多位读数，但也有用滑线电阻盘的。 （4）电位差计的测量是分两步进行，电源的稳定性极其重要， 多采用稳压电源。,二. 直流电桥 在工程和科研实践中，直流电阻是一个重要的电参量，当测量误差要求小于 1 %时，采用直流平衡电桥比较合适。直流电桥按结构可分为单电桥和双电桥。,1、直流单臂电桥,2直流双臂电桥,直流双电桥也是由检流计、比率臂和比较臂组成。 其工作原理见书。,第六节电压和电流的测量,测量电流、电压一般都用直接测量，即用直读式模拟 或数字的电流、电压表。测电流时与被测电路串联， 测电压时与被测电路并联。,一、直流电流、电压的测量,测量直流电流、电压多用磁电系仪表，磁电系表头允许通过的电流较小，通常要采用分流器扩大其量程。也可以并联若干个电阻，更换输入接头，组成多量程的电流表。,设,通过电流表线圈的电流与被测电流 的关系为,可推出量程扩大倍数与分流器电阻 值的关系式,例12-6 有一只磁电系表头，满偏电流为500A，内阻为500，现在要把它制成限量为1A的电流表，问应选阻值为多少的分流电阻？,解：分流系数为 可以得出分流电阻为,扩大电压表量程可以串联附加电阻，如图所示。串联附加电阻后，可将电压量程扩大为U，由下式求得,用m 表示比值 ，代表串联附加电阻后电压表量程扩大的倍数，可求得串联的附加电阻值,U,负载,+,Rc,Rad,+,Uc,Ic,二、交流电流、电压的测量,1交流低频电流、电压的测量,测量低频的交流电流与电压常用电磁系仪表，电磁系表 头能通过较大的电流，所以电磁系电流表扩大量程不采用分 流器，只要改变线圈匝数就能改变量程。对于多量程的电流 表，通常将固定线圈分成几段，通过改变其串并联结构，做 成不同的量程。,电磁系交流电流表、电压表还可采用电流互感器、电压互感器扩大量程测量大电流和高电压。,（a）串联基本量程 （b）并联基本量程,2交流高频电流、电压的测量,对于交流高频电压和电流的精密测量要使用电动系仪表，当电动系仪表的固定线圈和可动线圈串联，就可以做为低量程电流表。对于大量程的电流表，由于可动线圈不允许通过大电流，故可动线圈与固定线圈为并联结构。,电动系仪表的固定线圈和可动线圈与附加电阻串联起来应构成了电压表。改变附加电阻的大小就可以扩大量程。,电流与电压的精密测量还可以采用比较法，直流可以用直流电位差计，其准确度约为 0.005%0.1%。而交流一般先将交流电流或电压转换为直流量，然后再用直流电位差计测量。,第七章 功率和电能的测量,一、功率的测量 功率测量方法通常有直接和间接法二种。 直接法指直接用电动系功率表、数字功率表或三相功率表 直接测量。 间接法则指通过测量电压、 电流、电压及功率因素间接求得 功率。,（一）电动系功率表,测量功率时，电动系仪表的固定线圈与负载串联，反 映负载电流 ，仪表的可动线圈与负载并联，反映负载电 压 。,已知电动系测量机构的偏转角与被测量的关系为,即偏转角与被测的功率成正比。 如果 、 为交流，则同样可推出可动线圈的偏转角 正比于负载功率。,二、电能测量方法,测量电能的方法通常有直接法和间接法两种。直接法指的 是直接用电能表测量电能，直流可使用电动系电能表，交流用 感应系或电子电能表。而间接法很少用，只有在功率稳定不变 的情况下用功率表和记时时钟进行测量，再通过计算间接得到 电能的大小。 感应系电能表按结构不同有切线型和射线型两种。,第八章 电阻、电容与电感的测量,一、交流电桥的工作原理,U ,交流电桥平衡时有,要满足交流阻抗电桥的平 衡，四个桥臂的阻抗大小和性 质要按一定条件配置，否则不 可能达到平衡。 常用的电桥有维恩电桥、 西林电桥、串联欧文电桥和马克斯威尔电桥。,Z4,Z3,Z1,Z2,Ig,Zx,二、电容的测量,测量电容的电路如图所示，电桥平衡的条件为,R0,R4,Rx,R2,C0,Cx,三、电感的测量,测量电感的电桥又称为海氏电桥。电桥平衡的条件为,R5,R4,Rx,R2,C4,Lx,即,第九节 频率和周期的测量,频率是交流电的基本参量之一。交流电路中的阻抗，交流 电机的同步转速等参量都与频率有关，电力系统将频率作为电 能质量的一个重要指标。我国电力系统的额定频率为50Hz，通 常称之为工频。工频测量可采用电动系频率计 、变换式频率计 、振簧式频率计等模拟指示仪表实现，但是最常用的是使用电子 计数器进行的数字测量法，简称为计数法。计数法可适用于工 频、低频与高频，由于集成化程度的提高，计数器电路体积小， 价格便宜，几乎取代了所有其他形式的测频仪器。,一、计数法测频率,如果被测量信号的周期为Tx，经过放大整形成脉冲信号 后，周期保持不变， 在 这段时间内进入计数器的脉冲个数 为,式中k为分频倍数。可见，被测信号频率与 成正比， 与k反比，我们可以利用分频器，通过改变开门时间就可以 改变频率计的量限。