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电磁学计量 2012年6月29日 一 电磁计量定义 电磁计量就是 应用电磁测量仪器 仪表和设备 采用相应的方法对被测量进行定量分析 研究和保证电磁量测量的统一和准确的计量学分支 主要研究内容有 精密测定与电磁量有关的物理常数 确定电磁学单位制 按定义研究 复现和保存电磁学单位的计量基准和标准 研究电磁量的测量方法 研究进行电磁量量值传递的标准量具和专用测量装置 以及研究制定相应的检定系统 检定规程 技术规范等技术法规 电磁计量在计量领域有其独特的优点 电磁量可以直接进行检测 电磁计量测试所采用的测量方法具有较高的准确度和灵敏度 电磁信号便于处理和传输 能够实现快速测量 连续测量 连续记录和进行数据处理 另外 电磁量还可以离开被测对象一定距离 实现远距离的遥测等 随着科学技术的发展 现代计量的各个领域 如长度 热工 力学 光学 电离辐射 标准物质等 都借助于各种传感器把被测量变换成电磁信号进行处理 目前将非电量变换成对应的电量进行测量已是计量技术的一种普遍现象 电磁学计量已经成为支撑很多领域中计量仪器研究的重要方法和手段 电磁计量技术中的各种概念和方法也被其他学科所借鉴 电磁计量已成为整个计量科学的重要基础 二 电能与计量 电作为一种能源 被人类认识以来就和人们的生产和生活密不可分 电的应用大大促进了科学技术的发展 而磁场和磁性材料的存在也和电有着密切的联系 电磁量是和电磁现象有关的物理量 分为电学量和磁学量 人们在不断对电磁应用进行探索的过程中 发明创造了大量的电磁测量仪器 仪表和设备 三 电磁学计量包含内容 电磁学计量包括 电压 电流 电阻 电容 或电感 磁感应强度 磁通和磁矩 电磁学计量内容包含 电磁基本量 如电压 电流 磁通 磁矩等 电磁测量仪器和仪表 比率标准与仪器 材料电磁特性 波形 此外 非电量的电测量及静电 电气和环境安全等电磁干扰参数也是电磁计量的重要内容 按工作频率 电磁学计量分直流计量和交流计量 电磁计量分为电学量计量和磁学量计量 根据米 千克 秒三个基本单位 基于量子基准和绝对测量来建立电磁计量基准 复现电磁计量单位 电磁计量基准包括电压 电流 电阻 电容 或电感 功率 磁感应强度 磁通和磁矩 四 电学计量的实现 电学计量保存 复现 传递的量主要由直流电压 直流电流 交流电压 交流电流 直流电阻 交流电阻 电感 电容 电功率 电能 相位 频率 电荷量 损耗因数 功率因素 时间常数等 保存 复现电学量的计量器具主要有实物量和计量仪器两大类 标准电池 直流标准电阻 RLC测量仪 高阻计 微欧计 直流电位差计 交流电位差计 数字多用表 多功能标准源 交直流转换仪 指示表 直流功率表 交流功率表 功率因数表 电能表 分压箱 分流器 仪用互感器 测量放大器 转换器 感应分压器 霍尔电流传感器等 电磁计量对象的基本名称和概念电流 I 是电磁学的基础 也是一个基本物理量 它的单位是安培 A 在国际单位制中 安培是七个基本单位之一 安培的定义为 真空中相距1米的两根无限长且圆截面可忽略的平行导线内通过一恒定电流 当两导线每米长度之间产生的力等于2 10 7牛顿时 则规定导线中通过的电流为1安培 电压 U 又称电位差 电势差 单位是伏特 V 伏特是两点间的电位差 在载有1A恒定电流导线的两点间消耗1W的功率时 这两点间的电压为1V 1V 1W 1A 1 电阻 R 的单位是欧姆 其定义为 导体两点间加上1V恒定电压时 在导体内产生1A的电流 1 1V 1A 1 磁通 是指在均匀磁场中一个与磁场方向垂直的平面 面积为S 通过这个平面的磁感应强度为B 则 BS 磁通的单位是韦伯 Wb 它的定义是 单匝环路的磁通量 当它在1s内均匀地减小到零时 环路内产生1V的电动势 1Wb 1V s 磁感应强度 B 又称磁通量密度 描述的是磁场的强弱 它的单位是特斯拉 T 特斯拉的定义为 1Wb的磁通量均匀而垂直地通过1 面积时产生的磁通量密度 1T 1Wb m 2 电磁计量单位的复现 一 电流根据国际单位制电流的定义 电流的复现是很难完成的 两根无限长且圆截面可忽略的平行导线 几乎是不可能实现的 所以电流单位的复现采用的是等效的形式来完成 最为常用的方法是通过计量载流线圈之间的作用力来实现电流单位的复现 而电流天平是其中最常用的一种 电流天平又被称为安培秤 它是通过对天平力的测量来复现电流单位的 图1电流天平示意图 首先在线圈通电流以前 在右边砝码盘加适当砝码与活动线圈C平衡 然后将电流I引入线圈A B C 使B C线圈的电流的流向相同 而A C线圈的电流的流向相反 其合力是将线圈C垂直拉向下 接着再次在左边砝码盘上添加砝码 使天平重新平衡 根据两次添加砝码的差值可以得到载流线圈之间的作用力F根据安培力公式 F 可得到I 其中 0 4 10 7 所以I 想要实现1A电流的复现 只要精密复现2 10 7N的力 通过砝码调节 实现对电流单位的复现 复现电流单位的准确度达到10 6量级 二 电压电压是欧姆定律中的一个重要量 它的复现对电磁学理论十分重要 对电压单位的复现一般有三种方法 标准电池 电压天平和液体静电计 1 标准电池在相当长一段时间里 电压单位是复现一直是用标准电池来实现 目前实验室广泛使用的是韦斯顿饱和标准电池 镉汞标准电池 它的电压为1 0186V 内阻为数百欧 按电压的年变化量大小 进行等级划分最高为0 001级 其年变化量不大于10 V 最低为0 02级 年变化量不大于500 V 2 电压天平电压的另一种复现方式是使用电压天平 图2是常见的一种 下极板是固定电极 加高电压U 上极板连接天平一端 是可动电极 加零电压 可动电极表面分布均匀静电场 两极板之间距离为d 可动电极面积为S 则静电引力F表示为 F U2 其中 为空气介电常数 用天平计量出静电引力F 用几何方法计算出d和S 则有 U 图2电压电平示意图 电压天平的不确定度约为10 7量级 要了解到限制电压天平准确度的原因有两个 一是极间静电引力太小 为毫牛级 不易准确计量 二是因极板的边缘效应会形成附加误差 液体静电计液体静电计也是复现电压单位的一种方法 它是在导电液体 如水银 上方安置一个水平电极 电极上接高电压 导电液体接地 极板的电压对导电液体的表面产生静电引力 使液面升高一段距离h 根据物理学原理可得 式中 为空气介电常数 为液体密度 g为重力加速度 从而得到计量电压 图3液体静电计示意图 使用几何方法计量出液面上升高度以及电极与上升液面之间的距离d 从而得到电压U 使用这种方法计量电压的准确度约为10 7量级 3 电阻电阻单位的复现是电磁计量的一项基础工作 通常使用标准电阻的方法来复现电阻单位 标准电阻是由低温度系数的合金丝 如镍铜合金丝 绕制而成 通常使用纯矿物油或惰性气体来密闭保存 以保证其阻值稳定 标准电阻在20 附近的温度系数约为1 10 5 K 5 10 5 K 电阻单位量值复现的不确定度小于1 10 7 标准电阻根据电阻偏差和年变化量来划分等级 最低的为0 1级 最高为0 001级 电磁计量的传递方法 一 直流电流的传递直流电流的传递常用的有两种 一种是采用分流器 一种是使用电流比较仪 1 分流器对于小电流我们通常使用指针式电流表进行测量 对于十几安培以上的电流需要在计量系统中加入分流器 分流器的实质是一个低阻值电阻 它并联在电流表的两端 将原本要流过电流表的电流加以成比例的分流 电流表的量程成比例的扩大 选择不同阻值的分流器 可以获得不同倍数的量程放大 分流器应用于直流电流准确度要求不高的情况下 测量不确定度为10 4量级 当计量准确度要求更高时 可用精密的四端电阻代替分流器 并使用电位差计获得电阻上的压降 再利用欧姆定律得到所测量的电流值 这种方法计量准确度可优于10 6量级 2 电流比较仪对于1kA以上的电流 就不能使用分流器进行计量 因为流经分流器的电流越大 产生的功率越大 引起分流器发热量增加 影响到计量的准确度 这时就要用到电流比较仪 原理图如图4 在环形高磁导率铁心上缠绕着三组线圈 当被计量的电流I1流过匝数为N1的线圈时 在匝数为N3的线圈中会产生感应电流I3 该电流会控制连接在匝数为N2的线圈上的随动电源产生反向的电流I2 用以抵消铁心中的直流磁动势 直到I3 0 此时有 N1I1 N2I2 从而得到I1 即铁心中的磁动势平衡时 流过线圈的电流与线圈匝线成反比 可以将要计量的大电流进行等比例缩小 这种方法得到的电流计量准确度可以达到10 7量级 图4电流比较仪工作原理图 二 直流电压的传递直流电压是不能用电压表或万用表准确计量的 因为将电压表并联到电源的两端 就会有电流能过电源内部 电源内阻必然会产生压降 导致测量误差 所以通常计量电压使用的是电位差计 使用电位差计时 首先由电源产生电流I 将开关S打到右侧接通标准电池 通过调节可变电阻R1可以调节电流I的大小 当检流计的读数为零时 标准电阻Rn上的压降等于标准电池电压 此时有 I En Rn 此电流同时流过了可变电阻R 将开关打到左侧接通待测电压 将开关S打到左侧接通待测电压 通过调节电阻R的大小 使检流计P的读数为零 此时R上的压降大小等于被计量的电压Ex 即 Ex IR 使用电位差计计量1V左右的电压 测量不确定度为10 6量级 当被计量电压更低时 计量误差会相应增大 对于几十伏至几十千伏的高电压 通常使用分压器 将被计量的电压分压到1V左右再进行计量 分压器的测量不确定度一般为10 6量级 对于准确度要求较低的电压 10 3 可以使用指针式电压表或光标式电压表进行计量 计量量程为几毫伏至几百伏 三 直流电阻计量直流电阻计量的基本问题是比较被计量的电阻和标准电阻的差值 在直流电阻量值的传递工作中 最重要的就是建立电阻比例 最为方便 准确的是使用哈蒙电阻箱 它采用n个电阻值为R的电阻 将它们串联起来得到nR的电阻 再将n个同样电阻值的电阻进行并联 得到R n的电阻 进而得到n2 1的电阻比例 电阻的比较利用电桥来完成 最简单是的惠斯顿电桥 它由四个桥臂 R1 R2 Rn Rx 检流计 和电源E组成 其中R1 R2构成电阻比例 Rn为标准电阻 Rx为被测电阻 调节R1 R2 Rn使通过检流计G的电流为零 此时电桥达到平衡状态 可以得到 图6惠斯顿电桥原理图图7开尔文电桥原理图 惠斯顿电桥只能计量两端电阻 测量范围为1 1M 对于测量1 以下的电阻 引线电阻带来的误差就不可忽略 为了提高准确度 应采用开尔文电桥 双臂电桥 进行计量 开尔文电桥原理图见图7 R1 R2 R3 R4均为可调电阻Rx为被测低电阻 Rn为低值标准电阻 开尔文电桥相对惠斯顿电桥增加了一个由R3 R4组成的桥臂 其阻值较高 Rn和Rx由两端接法改为四端接法 其中P1 P4为电压接点 C1 C4为电流接点 通过两点改进 开尔文电桥将Rn和Rx的接线电阻和接触电阻转移到电源内阻和阻值很大的桥臂电阻中 又通过R1 R2 R3 R4设定 消除了电阻R2的影响 从而保证了测量低电阻时的准确度 调节R1 R2 R3 R4 使电桥平衡 可求得 式中R为两个内侧电流端的附加电阻和连线电阻的总和 对于大于1M 电阻的计量使用高阻计 因为高阻的阻值远大于计量时引线的电阻 采用两端直接计量方式 为获得高阻值标准电阻 使用一些阻值不超过1M 进行电阻网络连接 可以高达1011 的等效电阻 二 交流电流与电压计量交流或电压不同于直流量 它的大小是时刻变化的 没有复现的实物基准 交流量的计量通常是将计量对象 进行交直流转换 再将直流量的基准 标准作为参考进行比较 其量值分为有效值 平均值 峰值三种 1 有效值计量交流电量的有效值是通过力效应或热效应来体现的 常用的热效应转换器是热电偶 在使用热电偶进行计量时 将交流电量及直流电量分别加入热电偶 两种情况下热电偶的输出热电动势相等 就认为交流电流的有效值等于直流电流的数值 热电偶的计量不确定度为10 4 10 5量级 2 平均值计量交流电量平均值的计量是通过整流电路来完成的 基本方法是使交流电量通过整流电路 然后再计量整流后电量的直流分量 使用这种方法的不确定度为10 3 10 4量级 主要不确定度来源是整流元件的正向压降和反向泄漏电流 此外高频时 整流电路的结间电容也会影响计量准确度 3 峰值计量交流电压的峰值计量 将被计量的交流电压和一个可调的标准直流电压进行串联 然后接入一个高倍数的直流放大器的输入端 根据放大器本身的特性 当直流电压的绝对值大于交流电压的峰值时 放大器始终会跳跃到正的饱和状态 同时输出电压出现窄脉冲 从而确定交流电压的峰值 这种方法的计量不确定度为10 3量级 六 电磁仪表介绍 一 绝缘电阻表的使用方法和注意事项绝缘电阻表又叫兆欧表也称为摇表 是一种简便 常用测量高电阻的直读式仪表 可用来测量电路 电机绕组 电缆 电气设备等的绝缘电阻 绝缘电阻表上有3个接线柱 分别标有接地 E 线路 L 保护环 G 使用时要接线正确 端钮拧紧 绝缘电阻表的原理图见图1 它由高压手摇发电机和磁电式电流表及磁电系比率表 磁电式双动圈流比计 组成 图1绝缘电阻表原理图F 发电机D0 整流器C0 电容器Ru 电压回路限流电阻2 动圈 电压线圈 Ri 电流回路限流电阻1 动圈 电流线圈 绝缘电阻表按额定电压分为9种 50 100 250 500 1000 2000 2500 5000 10000V 按准确度等级分为5级 1 0 2 0 5 0 10 0 20 0 绝缘电阻表一般采用非线性标尺 此类表的量程划分为三个区段 如图2所示 图2绝缘电阻表量程区段 区段为高准确区 和 为低准确区 下表为绝缘电阻表准确度等级与各区段允许误差限值的关系 使用与操作 1 绝缘电阻表在使用时必须水平放置且远离外磁场 2 测量前先将绝缘电阻表进行一次开路和短路试验 检查绝缘电阻表是否正常 具体操作为 将两连接线开路 摇动手柄 指针应指在无穷大处 再把两连接线短接一下 指针应指在零处 3 作绝缘测量时 将被测物的两端分别连接在 接地E 及 线路L 两端钮上 图3 作对地测量时 将被测端接 线路L 端钮 接地良好之地线接在 接地E 端钮上 图4 按额定转速转动摇柄 读取测得的电阻值 图3图4 4 在进行电缆缆芯对缆壳的绝缘测量时 被测两端分别接 线路L 接地E 两接线柱 再将电缆壳 芯之间的内层绝缘物接保护环 屏蔽G 接线柱 目的是消除可能产生的表面漏电而引起的测量误差 图5 然后按额定转速转动摇柄 读取测得的电阻值 图5 注意事项 1 绝缘电阻表与被测设备之间应使用单股线分开单独连接 并保持线路表面清洁干燥 避免因线与线之间绝缘不良引起误差 2 被测设备必须与其他电源断开 测量完毕一定要将被测设备充分放电 约需2 3分钟 以保护设备及人身安全 3 在完成电容器 电缆的测量后 必须在摇把转动的情况下将接线拆开 否则反充电将会损坏仪表 4 摇动手柄时 应由慢渐快 均匀加速到额定转速 120r min 并注意防止触电 摇动过程中 如发现指针已指零时不允许继续摇动 以防止表内线圈发热损坏 5 为了防止被测设备表面泄漏电流 使用兆欧表时 应将被测设备的中间层 如电缆壳芯之间的内层绝缘物 接于保护环 6 应视被测设备电压等级的不同选用合适的绝缘电阻测试仪 一般额定电压在500伏以下的设备 选用500伏或1000伏的兆欧表 额定电压在500伏及以上的设备 选用1000 2500伏的兆欧表 量程范围的选用一般应注意不要使其测量范围过多的超过所测设备的绝缘电阻值 以免使读数产生较大的误差 7 禁止在雷电天气或在邻近有带高压导体的设备处使用仪表测量 只有在设备不带电又不可能受其它电源感应而带电时才能进行 8 在进行测量前后对被测量前后对被测物一定要进行充放电 以保障设备及人身安全 9 应尽量避免剧烈 长期的震动 容易使表头轴尖和宝石受损而影响刻度指示 10 仪表在不使用时应放在固定的橱内 环境气温不宜太冷或太热 切忌放于污秽 潮湿的地面上 并避免置于含腐蚀作用的空气中 使用数字万用表的注意事项一 一般注意事项1 使用之前仔细阅读使用说明书 熟悉电源开关 功能及量程转换开关 功能键 输入插孔 专用插孔 旋钮 仪表附件的作用 还应了解仪表的极限参数 出现过载显示 极性显示 其它标志符显示以及声光报警的特征 掌握小数点位置的变化规律 测量前要仔细检查表笔有无裂痕 引线的绝缘层有无破损 表笔位置是否插对 确保操作人员的安全 2 使用环境 温度为23 5 相对湿度RH 80 一般为0 40 RH 85 3 检查是否装好电池和熔丝管 并且盖好电池盖 才能进行测量 4 刚开始进行测量仪表可能会出现跳数现象 等显示值稳定后再进行读数 5 现在的数字万用表都有相对完善的保护措施 但使用时尽量避免出现操作上的误动作 严禁用电流挡测电压 电阻挡测电流 电压 电容挡测带电电容 易造成仪表及人员损伤 6 测量之前必须明确要测什么 怎样测法 然后选择相应的测量项目及合适的量程 每一次准备测量时 务必再核对一下测量项目及量程开关是否拨对位置 输入插孔是否选对 对于自动转换量程式的万用表 也要注意不要按错功能健 7 禁止在高温 阳光直射 潮湿 寒冷 灰尘多的环境下使用或存放数字万用表 以免损坏液晶显示器和其它元器件 液晶屏长期处于高温环境下 表面会发黑 造成永久性损坏 潮湿环境则容易造成集成电路 印制板的漏电 使测量误差增大 甚至引发其他断路故障 8 现在使用的万用表基本具备自动关机功能 当仪表停止使用或停留在某一挡位时间超过15min时 能自动切断电源 使仪表进入低功耗的备用状态 此时仪表不能继续测量 必须分合两次电源开关 才能恢复正常 在使用过程中发现LCD突然消隐 证明仪表进入备用状态 而并非出现故障 9 进行测量前如无法估计被测电压 或电流 的大小 应先拨至最高量程试测一次 再根据情况选择合适的量程 10 测量时 最高位显示数字 1 其他位均消隐 证明仪表已发生过载 应选择更高的量程 11 测量完毕 应将量程开关拨至最高电压挡 防止下次开始测量时不慎损坏仪表 12 现在使用的大多数万用表带有读数保持键 HOLD 按下此键即可将现在的读数保持下来 供读取数值或记录用 连续测量时不需要使用 否则仪表不能正常采样刷新显示值 刚开机时若固定显示某一数值且不随被测量发生变化 就是误按下些键所造成 松开此键即转入正常测量状态 二 测量注意事项 一 电压测量1 测量时 根据需要将量程开关拨至DCV 直流 或ACV 交流 的合适量程 红表笔插入V 孔 黑表笔插入COM孔 数字万用表与被测电路相并联 测直流电压时 红表笔接到高电位处 黑表笔接到低电位处 具有自动转换并显示极性功能的仪表 在测直流电压时不必考虑表笔的接法 2 在输入插孔旁注明危险标记的数字 代表该插孔输入电压 电流 的极限值 一旦超出后 有可能损坏仪表 甚至危及操作者的安全 3 日常使用的三位半 四位半手持式数字万用表的最高输入电压 直流挡一般为1000V 交流挡为750V或700V 有效值 当被测交流电压上叠加有直流分量时 二者电压之和不得超过所用ACV挡的最高输入电压值 必要时可加隔直流电容 使直流分量不能进入仪表 4 在测量高压时要注意安全 当测量100V及以上电压时 应单手操作 即先把黑表笔固定在被测电路的公共端 再用一只手持红表笔去接触测试点 5 如果误用交流电压挡去测量直流电压 或者误用直流电压挡测交流电压 仪表将显示 000 或在低位上出现跳数现象 6 测交流电压时 应当用黑表笔接触被测电路的低电位端 以消除仪表输入端对地 COM 分布电容的影响 减小测量误差 7 测量电压 100V时 禁止拨动量程开关 以免产生电弧 烧坏转换开关的触点 二 电流测量1 应把数字万用表串联到被测电路中 将量程开关拨至DCA 直流 或ACA 交流 的合适量程 红表笔插入mA孔 200mA时 或10A孔 200mA时 黑表笔插入COM孔 当被测量电流源的内阻很低时 应尽量选择较高的电流量程 以减小分流电阻上的压降 提高测量的准确度 测量直流量时 数字万用表能自动显示极性 2 当输入电流超过200mA时 应将红表笔改接 10A 或 20A 插孔 该插孔一般未加保护装置 要求测量大电流的时间不得超过10 15秒 以免锰铜丝分流电阻发热后电阻值改变 影响读数的准确性 3 禁止在测量 0 5A电流时 拨动量程开关 以免产生电弧 烧坏转换开关的触点 4 严禁以小电流挡位测量大电流 三 电阻测量1 测量时 将量程开关拨至 的合适量程 红表笔插入V 孔 黑表笔插入COM孔 如果被测电阻值超出所选择量程的最大值 万用表将显示 1 这时应选择更高的量程 测量电阻时 红表笔为正极 黑表笔为负极 这与指针式万用表正好相反 检测二极管 晶体管 发光二极管等有极性的元器件时 必须注意表笔的极性 2 检测电路通断