电工仪表与测量的基本知识ppt课件

电气测量技术山东科技大学蒲海涛kdpht楼204 课程介绍 电气测量技术 电工测量 电磁测量 电工仪表及测量 电工仪表电气测量技术是研究各种电磁量 电量 磁量 的测量方法 相应仪表的原理 结构 使用操作技术以及测量误差与数据处理的技术 课程 电工仪表技术 测量技术 与其它相关课程电子测量技术 传感器原理与检测技术 非电量电测技术 检测与转换 机械量电测量 现代测试技术等 研究对象 应用领域 电气测量技术对从事电气技术工作的人员来说是十分必要的 不论是电气设备的安装 调试 实验 运行 维修 还是对电气产品进行检验 测试 鉴定都会涉及电磁测量方面的技术问题 应用于工农业生产 生活 国防 科研等各领域 如 变电所 配电室 发电厂 电力监控网 火箭发射中心 家用电能计量表等 学习 电气测量技术 这门课的目的 掌握电气测量的基本原理和方法 认识新型电气测量仪器的基本原理和应用技术 1 能够根据被测对象的特点制定合理的测量方案 2 能够准确选择和使用测量仪器 3 严格正确地处理测量数据 获取最佳的测量结果 要求 了解基本概念 掌握基本原理 熟悉基本方法 部分电工仪表图片 发展趋势 数字化网络化智能化小型化 目录第1章电工仪表与测量的基本知识第2章电流与电压的测量第3章功率与电能的测量第4章频率与相位的测量第5章电路参数的的测量第6章磁的测量第7章电子电压表第8章电子示波器第9章智能仪器与虚拟仪器 第一章电工仪表与测量的基本知识 第一节测量方法的分类第二节电工仪表的分类第三节电工仪表的组成和基本原理第四节测量误差及其表示方法第五节工程上最大测量误差的估计及系统误差的消除第六节随机误差的估计 本章要点 本章第一 二 三节主要介绍有关仪表的基本概念与工作原理 掌握有关变换的概念 了解各类仪表在测量过程中 都是通过变换 把被测电磁量转换为可阅读的数字或机械偏移 以达到测量的目的 本章第四 五 六节主要是介绍产生误差的原因 误差的估计 误差的表示方法 以及如何在测量中减少误差 测量总论 1 测量的意义日常生活中处处离不开测量科学的进步和发展离不开测量 离开测量就不会有真正的科学 一 测量的基本概念 没有望远镜就没有天文学 没有显微镜就没有细胞学 没有指南针就没有航海事业 生产发展离不开测量农业社会中 需要丈量土地 衡量谷物 就产生了长度 面积 容积和重量的测量 掌握季节和节候 出现了原始的时间测量器具 并有了天文测量 现代化的工业生产中 处处离不开测量 例如 一个大型钢铁厂需要约2万个测量点 在高新技术和国防现代化建设中则更是离不开测量例如 每种新设计的飞机 需要测试飞机高速飞行中受气流冲击作用下的性能 通过风洞试验测定机身 机翼的受力和振动分布情况 以验证和改进设计 1 狭义测量的定义测量是为了确定被测对象的量值而进行的实验过程 在测量过程中 人们借助专门的设备 把被测对象直接或间接地与同类已知单位进行比较 取得用数值和单位共同表示的测量结果 二 测量的定义 测量结果 测量数值 测量单位 即 测量的内涵 测量对象 被测客体中的相应的量值信息 测量目的 从被测对象取得一个定量的认识 测量过程 通过实验去认识对象的过程 测量方法 比较 A 直接比较B 间接比较 C 需要测量仪器 测量标准 同类已知单位 测量结果 最终能表示给测量主体 人 被测物体的重量等于标准砝码的重量 被测物体的重量从度盘上读数 因为 弹簧秤度盘上的刻度是事先与标准量进行比较的结果 2 广义测量的定义广义地讲 测量不仅对被测的物理量进行定量的测量 而且还包括对更广泛的被测对象进行定性 定位的测量 例如故障诊断 无损探伤 遥感遥测 矿藏勘探 地震源测定 卫星定位等 而测量结果也不仅仅是由量值和单位来表征的一维信息 还可以用二维或多维的图形 图像来显示被测对象的属性特征 空间分布 拓朴结构等 广义测量原理可以从信息获取过程来说明 包括信息的感知和信息识别两个环节 1 测量的基本要素 三 测量的基本要素 被测对象 测量仪器 测量技术 测量人员和测量环境 2 测量过程 基本要素之间的互动关系论证阶段测量的主体 测量人员 根据测试任务的要求 被测对象的特点 属性 及现有仪器设备状况 拟定合理的测试方案 设计阶段 选择测试仪器 组建测试系统 制定出测试策略 测量算法 和操作步骤 测试程序 实施阶段 对仪器和系统实施测试操作 发控制命令 按照逻辑和时序完成测量过程 取得测量数据 分析测量误差并显示测量出结果 3 被测对象 信息广义的测量是信息的获取 信息反映了事物的运动的状态及其变化方式 信息又可分为自然信息和社会信息两大类 4 测量仪器系统 量具和仪器测量仪器系统包括量具 测试仪器 测试系统及附件等5 测量的主体 测量人员手动 由测量主体 测量人员 直接参与完成自动 测量主体交给智能设备 计算机等 完成 但测量策略 软件算法 程序编写需由测量人员事先设计好 6 测试技术测量中所采用的原理 方法和技术措施 总称为测试技术 根据定义而令系数为1的量称为单位 单位是表征测量结果的重要组成部分 又是对两个同类量值进行比较的基础 四 单位和单位制 国际单位制 SI InternationalSystemofUnits 1980年由国际计量大会 CGPM 采纳和推荐的一种一贯单位制 注 SI是国际单位制的国际通用符号 目前 国际单位制下7个基本单位 长度米M质量千克 公斤 Kg时间秒S电流安 培 A热力学温度开 尔文 K物质的量摩 尔 Mol发光强度坎 德拉 cd SI基本单位的定义 米 光在真空中 1 299792458s 时间间隔内所经过路径的长度 第17届国际计量大会 1983 千克 国际千克原器的质量 第1届国际计量大会 1889 和第3届国际计量大会 1901 秒 铯 133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间 第13届国际计量大会 1967 决议1 安培 在真空中 截面积可忽略的两根相距1m的无限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时 若导线间相互作用力在每米长度上为2 10 7N 则每根导线中的电流为1A 国际计量委员会 1946 决议2 第9届国际计量大会 1948 批准 SI基本单位的定义 开尔文 水三相点热力学温度的1 273 16 第13届国际计量大会 1967 决议4 摩尔 是一系统的物质的量 该系统中所包含的基本单元 原子 分子 离子 电子及其他粒子 或这些粒子的特定组合 数与0 012kg碳 12的原子数目相等 第14届国际计量大会 1971 决议3 坎德拉 是一光源在给定方向上的发光强度 该光源发出频率为540 1012Hz的单色辐射 且在此方向上的辐射强度为 1 683 W sr 第16届国际计量大会 1979 决议3 国际单位制 SI 的导出单位 国际单位制中具有专门名称的导出单位量平面角弧度rad立体角球面度sr频率赫 兹 Hz力 重力 压力 牛 顿 N压强 应力 帕 斯卡 Pa能量 功 热 焦 耳 J功率 辐射通量 瓦 特 W 国际单位制 SI 的导出单位 电荷量库 仑 0C电位 电压 电动势 伏 特 V电容法 拉 F电阻欧 姆 电导西 门子 S磁通量韦 伯 Wb磁通量密度磁感应强度特 斯拉 TH电感亨 利 H 国际单位制 SI 的导出单位 摄氏温度摄氏度0C光通量流 明 lm光照度勒 克斯 lx放射性活度贝可 勒尔 Bq吸收剂量戈 瑞 Gy剂量当量希 沃特 Sv 第一节测量方法的分类 一 测量方式分类 二 测量方法 即数据读取方法 分类 第二节电工仪表的分类 模拟指示仪表是将被测电磁量转换为可动部分的角位移 然后根据可动部分指针在标尺上的位置直接读出被测量的数值 一 模拟指示仪表 二 数字仪表 数字仪表是将被测电磁量转换为电压 再转换为数字量 并以数字方式直接显示 1 根据测量机构的工作原理分类可以把仪表分为电磁系 磁电系 电动系 感应系 静电系和整流系等 磁电式 C 整流式 L 热偶式 E 电磁式 T 电动式 铁磁电动式 D 感应式 G 静电式 Q 2 根据测量对象分类可以分为电流表 包括安培表 毫安表 微安表 电压表 包括伏特表 毫伏表 微伏表 千伏表 功率表 又叫瓦特表 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 模拟指示仪表的分类 4 按仪表的使用方式分类可以分为安装式仪表 或称板式仪表 和可携式仪表等 5 按仪表使用条件分类分为A A1 B B1和C五组 A组 工作环境为0 40 相对湿度在85 以下 B组 工作环境为 20 50 相对湿度在85 以下 C组 工作环境为 40 60 相对湿度在98 以下 有关各组仪表使用条件的规定可查阅国家标准GB T776 1976 电气测量指示仪表通用技术条件 6 按仪表的准确度等级分类分为0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5和5 0共7个准确度等级 除以上分类以外 还可以按外壳的防护性能及耐受机械力作用的性能分类 读者可查阅GB T776 1976中的有关规定 电工仪表的型号 1 安装式仪表的型号组成 用途代号 派生号 系列代号 形状第一位代号 形状第二位代号 改进代号 形状第一位代号 按仪表面板形状最大尺寸编制形状第二位代号 按仪表外壳形状尺寸编制系列代号 按仪表的工作原理编制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 表示整流式Q 表示静电系用途号 按被测量编制如 V 电压表A 电流表W 功率表 举例 42C3 A 设计序号为3的磁电系电流表 形状代号42可在产品目录查得其外形尺寸和安装开孔尺寸 便携式仪表的型号组成举例 T62 V设计序号为62的电磁系电压表另有 系列代号前加一个汉语拼音字母表示类别如 Q表示电桥P表示数字式Z表示电阻D表示电能表 设计序号 系列代号 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 这类仪器除需要仪表本体外 如电桥 电位差计等 还需要检流设备 度量器等参与 三 比较仪器 电工仪表标志的识别 不同的电工仪表具有不同的技术特性 为了便于选择和正确使用仪表 通常还用各种不同的图形符号来表示这些技术特性 并标注在仪表面板的显著位置上 这些图形符号叫做仪表的标志 2 仪表工作原理的图形符号 3 准确度等级的符号 4 端钮及调零器的符号 6 电流种类的符号 5 工作位置的符号 7 绝缘强度的符号 五十七项国家标准目录 1 7 1 GB T3925 19832 0级交流电度表的验收方法2 GB T3927 1983直流电位差计3 GB T3928 1983直流电阻分压箱4 GB T3929 1983标准电池5 GB T3930 1983测量电阻用直流电桥6 GB T5691 1985数据处理用的模块化仪器系统CAMAC系统7 GB T5693 1985CAMAC多机箱系统结构分支信息公路和A1型CAMAC机箱控制器规范 五十七项国家标准目录 8 15 8 GB T5694 1985CAMAC系统中的块传送 9 GB6738 1986电测量指示和记录仪表及其附件的安全要求 10 GB T7521 1987多个控制器在一CAMAC机箱中 11 GB T7522 1987CAMAC串行信息公路接口系统 12 GB T9090 1988标准电容器 13 GB T9091 1988感应分压器 14 GB T9093 1988测量用稳定电源装置 15 GB T11149 1989标准电容箱 五十七项国家标准目录 16 25 16 GB T11151 1989交流电桥 17 GB T11161 1989电测量仪表标度盘与标度尺 18 GB T11167 1989直接动作电测量记录仪 19 GB T13743 1992直流磁电系检流计 20 GB T13865 1992电力定量器 21 GB T13970 1992数字仪表基本参数系列 22 GB T14913 1994直流数字电压表及直流模数变换器 23 GB T15282 1994无功电度表 24 GB T15283 19940 5 1和2级交流有功电度表 25 GB T9092 1998费率和负载控制时间开关 五十七项国家标准目录 26 30 26 GB T17441 1998交流电度表符号 27 GB T17442 19981级和2级直接接入静止式交流有功电度表验收检验 28 GB T13850 1998交流电量转换为模拟量或数字信号的电测量变送器 29 GB T7676 1 1998直接作用模拟指示电测量仪表及其附件第1部分 定义和通用要求 30 GB T7676 2 1998直接作用模拟指示电测量仪表及其附件第2部分 电流表和电压表的特殊要求 五十七项国家标准目录 31 35 31 GB T7676 3 1998直接作用模拟指示电测量仪表及其附件第3部分 功率表和无功率表的特殊要求 32 GB T7676 4 1998直接作用模拟指示电测量仪表及其附件第4部分 频率表的特殊要求 33 GB T7676 4 1998直接作用模拟指示电测量仪表及其附件第4部分 频率表的特殊要求 34 GB T7676 5 1998直接作用模拟指示电测量仪表及其附件第5部分 相位表 功率因数表和同步指示器的特殊要求 35 GB T7676 6 1998直接作用模拟指示电测量仪表及其附件第6部分 电阻表 阻抗表 和电导表的特殊要求 五十七项国家标准目录 36 40 36 GB T7676 7 1998直接作用模拟指示电测量仪表及其附件第7部分 多功能仪表的特殊要求 37 GB T7676 8 1998直接作用模拟指示电测量仪表及其附件第8部分 附件的特殊要求 38 GB T7676 9 1998直接作用模拟指示电测量仪表及其附件第9部分 推荐的试验方法 39 GB T17563 1998可程控测量设备标准数字接口的标准代码 格式 协议和公共命令 40 GB T17860 1 1999电测量仪器X t记录仪第1部分 定义和要求 五十七项国家标准目录 41 45 41 GB T17860 2 1999电测量仪器X t记录仪第2部分 推荐的附加试验方法 42 GB T17882 19992和3级静止式交流无功电度表GB T17883 19990 2S和0 5S级静止式交流有功电度表 43 GB T17884 1999费率和负荷控制用电子式纹波控制接收机 44 GB T1242 2000安装式指示和记录电测量仪表的尺寸 45 GB T18216 1 2000交流1000V和直流1500V以下低压配电系统电气安全防护检测的试验 测量或监控设备第1部分 通用要求 五十七项国家标准目录 46 51 46 GB T11150 2001电能表检验装置 47 GB T18460 1 2001IC卡预付费售电系统第1部分 总则 48 GB T18460 2 2001IC卡预付费售电系统第2部分 IC卡及其管理 49 GB T18460 3 2001IC卡预付费售电系统第3部分 预付费电度表 50 GB T15284 2002多费率电能表特殊要求 51 GB T17215 20021级和2级静止式交流有功电能表 五十七项国家标准目录 52 57 52 GB T18216 2 2002交流1000V和直流1500V以下低压配电系统电气安全防护检测的试验 测量或监控设备第2部分 绝缘电阻 53 GB T776 1976电气测量指示仪表通用技术条件 54 GB T6592 1996电工和电子测量设备性能表示 55 GB T9317 1988脉冲信号发生器技术条件 56 GB T9318 1988脉冲信号发生器测试方法57 GB T13978 1992数字多用表通用技术条件 第三节电工仪表的组成和基本原理 一 模拟指示仪表的组成 电工指示仪表主要由测量机构和测量线路两部分组成 测量机构是仪表的核心 由固定部分和可动部分组成 电工指示仪表的测量机构 测量机构 转动力矩装置反作用力矩装置阻尼力矩装置读数装置支撑装置 指示仪表的测量机构 模拟指示仪表中的三大部件 1 产生转动力矩M的装置 使指针偏转利用电磁力的有磁电式 电磁式 电动式 感应式 振动式等 利用电荷作用力的有静电式等 2 产生反作用力矩Ma的装置 平衡转动力矩 主要有游丝 悬丝等 3 产生阻尼力矩的装置 尽快指示出被测量的数值可以利用电磁阻尼 空气阻尼 油阻尼等 4 读数装置 读数装置由指示器和刻度盘组成 指示器分指针式和光标式两种 指针又分矛形和刀形 大 中型安装式仪表多采用矛形指针 以便远距离读数 小型安装式仪表及便携式仪表多采用刀形指针 以利于精确读数 光标式指示器适用于一些高灵敏度和高准确度的仪表 矛形指针刀形指针光标指示器 刻度盘是一个画有标度尺和仪表标志符号的面板 为了消除视觉误差 有些便携式精密仪表在标度尺下面还安装一块反射镜 如图所示 当看到指针和指针在镜中的影像重合时才能读数 这样做的目的是为了消除视觉误差 刻度盘 表盘 安装反射镜的表盘 5 支撑装置 测量机构中的可动部分要随被测量大小而偏转 就必须有支撑装置 常见的支撑方式有两种 一种是轴尖轴承支撑方式 一种是张丝弹片支撑方式 许多检流计都采用了张丝弹片支撑方式 a 轴尖轴承支撑装置b 张丝弹片支撑方式支撑装置示意图 二 数字仪表的组成 通过A D转换将电压转换为数字脉冲 由于A D转换的对象必须是电压 所以需要测量线路将被测量转换为电压 数字脉冲经译码加到显示器 第四节测量误差及其表示方法 一 测量误差的分类 二 测量误差的表示方法1 绝对误差用测量值与被测量真值之间的差值所表示的误差称为绝对误差 例测量两个电压 实际值U1 100V U2 20V 仪表的示值分别为Ux1 101V Ux2 21V 其绝对误差分别为 U1 Ux1 U1 101 100 1V U2 Ux2 U2 21 20 1V 很显然 虽然二者的绝对误差相同 但是二者测量的精确度却相差甚远 因此有必要引入相对误差的概念 2 相对误差定义 绝对误差与被测量实际值之比的百分数称为相对误差 即 例用一电压表测量200V电压时 其绝对误差为 1V 用另一电压表测量另一电压读数为20V时 其绝对误差为 1V 求它们的相对误差 解 3 引用误差以绝对误差 与仪表上量限的比值所表示的误差称为引用误差 其中绝对误差若取可能出现的最大值则称为最大引用误差 可以用来评价仪表性能 即仪表的准确度等级 例检定一个满刻度为5A的1 5级电流表 若在2 0A刻度处的绝对误差最大 问此电流表准确度是否合理 解 此电流表的最大引用误差因为2 0 1 5 即该表的的基本误差超出1 5级表的允许值 所以该表的准确度不合格 但该表最大引用误差小于2 5级表的允许值 若其他性能合格 可作为2 5级表使用 4 正确度 精密度 准确度正确度 表征系统误差的大小 精密度 指在多次精密测量中 测量读数重复一致的程度 表征即随机误差的大小 准确度 表示测量中系统误差和随机误差两者的综合影响 系统误差小称之为正确度高 随机误差小称之为精密度高 准确度高则是指系统误差和随机误差都比较小 指既 正确 又 精密 的测量 可见准确度可以表示测量结果与被测真值的一致程度 第五节工程上最大测量误差的估计及系统误差的消除 若直接测量所用仪表的准确度为K 则直接测量可能出现的相对误差最大值不会超过K值 一 直接测量方式的最大误差 最大绝对误差 最大相对误差 直接测量 测量结果中的误差即是所使用仪表本身的基本误差 可以根据仪表的准确度等级计算 指示仪表的准确度等级用最大引用误差表示 例校验一只量限为150V的电压表 发现50V处的误差最大 其值 m 1V 求该表的准确度等级 解因此准确度等级K为1 0级 例用1 5级 量限为30A的电流表测量某电流时 其读数为10A 试求测量可能出现的最大相对误差为多少 解由式 1 4 可得 该表的最大绝对误差为由式 1 2 可得 该表测量的最大相对误差为由此可知 测量结果的准确度 最大相对误差 和仪表的准确度是不同的两个概念 不能把仪表的准确度与测量的准确度看成是一回事 例在上例中 若改用0 5级 100A的电流表 如果其读数仍然为10A 则此时的最大相对误差又为多少 解该表的最大绝对误差为测得10A时 其最大相对误差为由此可见 仪表的准确度虽然提高了 但测量结果的误差反而增大了 这是因为仪表准确度一定时 量限越大的仪表其最大绝对误差越大 所以 不能只片面追求仪表的准确度等级 还应根据对测量的要求 合理选择仪表量程 测量时使被测量尽量大于量限的1 2或2 3以上 才能使仪表的准确度得以充分发挥 测量的准确度才能得到比较满意的结果 二 间接测量方式的最大误差 1 被测量y为n个中间量之和设x1 x2 x3为被测量有关的中间量 被测量y为x1 x2 x3之和 1 2 3 为测量中间量可能产生的相对误差则y可能产生的相对误差为 最大误差出现在各中间量的相对误差符号相同时 即 2 被测量y为两个中间量之差若被测量y为中间量x1 x2之差 1 2为测量每个中间量可能产生的误差 则被测量可能产生的相对误差为 最大误差不仅与各中间量的相对误差有关 而且与中间量之差有关 差越小 被测量y的相对误差就越大 例如在并联电路中 用测到的总电流与一个支路电流去求得另一支路的电流 这种方法不可取 3 若被测量为若干中间量之积或商若被测量y为若干中间量xn1 xm2 xp3 之积或商 1 2 3为测量中间量可能产生的相对误差 则y可能产生的相对误差为 最不利情况发生在符号相同时 即 从制造角度 改进仪表结构和制造工艺 如减少转动部分的摩擦 加强对外界电磁场的屏蔽等 这也是消除系统误差最根本的办法 从使用角度 使用者无法改变仪表的结构 只能在使用中采用比较法 正负误差补偿法等来减小误差 例如测量后将仪表调转180 重测一次 用两次测量平均值作为测量值 以消除地磁的影响 或利用校正值求得被测量的真值 三 系统误差的消除方法 系统误差产生原因及消除办法1 仪表本身