电工仪表与测量的基本知识课件

电气测量技术（电磁测量）,教材：电气测量（第五版）.陈立周.机械工业出版社,参考书：电磁测量技术.李宝树.中国电力出版社,办公室：教五D321手机箱：lishiqiong,任课教师：李世琼,课程目的：,课程内容：,1、电气测量常用仪表、仪器的原理和使用方法。,2、电量、电参量的测量方法。,3、测量误差估算。,掌握电气测量的基本知识，使同学能胜任电气方面的基本测量任务。,教学安排：,32学时。结课后隔一周考试。,电气测量对象,电压、电流、功率、频率、相位、直流电阻、交流阻抗、品质因数、介质损耗。,电气测量的发展过程,机械式的模拟指示仪表,电子式的模拟指示仪表（电子测量仪表）,数字仪表,智能仪器,虚拟仪器,各有特点，使用在不同的场合，满足不同的需要。,第一章电工仪表与测量的基本知识,重点,模拟指示仪表的基本工作原理。表面标记。绝对误差、相对误差、最大引用误差、仪表的准确度等级。系统误差的估算。,1、直接测量：,2、间接测量：,3、组合测量：,第一节测量方法的分类,直接读出被测量的数值。,测出中间量，用公式算出被测量。例如伏安法测电阻，三表法测交流参数。,改变测量条件，测出不同条件下的中间量，联立方程组算出被测量。,例：,一、根据测量方式分类,测电阻温度系数和。,1、直读法，直接读取测量数据（包括中间量）。,2、比较法,二、根据测量方法分类,(1)零值法：,(2)较差法,(3)替代法：,指针示数为零。如电桥测电阻。,：测待测量与标准量的微小差值。如电位差计测量待测电压与标准电池的差值。,两次测量，标准量完全替代被测量。要求：标准量最好是连续可调的，测量仪表灵敏度高。例如，替代法测电阻。可选用电流表指示状态。,例如读电压表的电压等。伏安法测电阻直读、间接测量。,1、模拟指示仪表：基于电磁作用，可动部分偏转，根据指针位置读出被测量数值。（一般为直读仪表）,2、数字仪表：把被测量转换为数字量进行测量和显示。（一般为直读仪表）,第二节电工仪表的分类,一、电工仪表分类,测量各种电磁量的仪器仪表称为电测量仪表，习惯称为电工仪表。,3、比较仪器：基于比较法（零值法）原理。,例如，交直流电桥，电位差计。,比较仪器的基本特点：,（1）仪器中采用了标准元件。,（2）用指零仪示值。,所以，比较仪器的测量准确度一般高于直读仪表。,模拟指示仪表和数字仪表的对比：,（1）不能笼统地说哪类仪表好，每类仪表中都有准确/不准确的仪表，需根据仪表特性、测量对象进行具体分析和选择。,（2）一般说来，数字仪表读数方便，测量速度和精度可做到很高，数字量便于保存和远距离传送。,（3）模拟指示仪表便于估值，能从指针的摆动观察待测量的变化趋势。模拟指示仪表不需电池，性能更稳定。,一、模拟指示仪表的表面标记（附录c）,表面标记：在电工仪表的刻度盘或面板上，通常用各种不同的符号来说明仪表的各种技术性能，称为表面标记。,电工仪表的表面标记包括：测量对象的单位、工作电流的种类、测量机构工作原理的系列、准确度等级、仪表使用条件、工作位置、绝缘强度等。,模拟指示仪表：基于电磁作用，使可动部分偏转，根据指针位置读出被测量的数值。,二、模拟指示仪表的技术要求,准确度：用准确度等级表示。灵敏度：通入单位被测量时仪表的示值。功耗：接入被测电路时，仪表自身消耗的功率。仪表的标尺特性：线性或非线性（或称均匀或不均匀）。交流仪表还应具有较宽的频率范围。抗干扰能力。过载能力。,第三节模拟指示仪表的组成和工作原理,一、模拟指示仪表的组成,被测量y,中间量x,指针偏转角,变换器：,把被测量转换为可被测量机构接受的中间量。,测量机构：,把中间量转换为指针偏转角。它是模拟指示仪表的核心。,二、模拟指示仪表测量机构的组成,固定部分：,固定线圈，框架等。,可动部分：,动圈，指针，游丝等。,磁电系测量机构,三、模拟指示仪表测量机构的基本原理,1、作用力矩（转动力矩）M（驱动部分）,作用力矩与被测量的大小、可动部分所处的位置有关。,不同系列的仪表产生作用力矩的原理不同。,2、反作用力矩Ma（控制部分）,若没有反作用力矩，则不论作用力矩M多大，可动部分都会在它的作用下偏转到尽头。,反作用力矩可由游丝、张丝、电磁力矩等产生。,偏转角越大，反作用力矩越大。,，可得到指针的平衡位置。,游丝、张丝产生的反作用力矩：,用盘形弹簧游丝产生反作用力矩,5调零器,2游丝,3轴,转动力矩、反作用力矩与偏转角的关系(1),(转动力矩与偏转角是线性关系),转动力矩、反作用力矩与偏转角的关系(2),(转动力矩与偏转角是非线性关系),读数方程曲线,读数方程：待测量与仪表偏转角之间的关系式。,3、阻尼力矩Md（阻尼部分）,阻尼力矩使可动部分尽快稳定在平衡位置。,阻尼力矩的一种动态力矩。它的大小与运动速度成正比，方向与运动方向相反。可动部分稳定后，阻尼力矩消失，所以它不改变由作用力矩和反作用力矩所确定的偏转角。常用阻尼装置有两种，一种是空气阻尼器，一种是电磁感应阻尼器。,a)空气阻尼器,b)电磁感应阻尼器,指示仪表测量机构的基本原理小结,作用力矩一般与待测量和偏转角有关。反作用力矩与偏转角有关。作用力矩和反作用力矩决定指针的平衡位置。阻尼力矩改善运动特性，使指针尽快停在平衡位置。,第四节测量误差及其表示方法,系统误差：在相同条件下，多次测量同一个量时，误差的大小和符号均保持恒定，或按某一规律变化的一种误差。随机误差（偶然误差）：由偶发原因引起的一种大小、方向都不确定的误差，总体服从统计规律。随机误差较小，工程测量中忽略不计。疏忽误差：如读数错误、仪表使用错误等，数据应删除。,一、系统误差,系统误差包括仪表误差、方法误差等。,仪表误差基本误差：仪表在正常条件下使用，由于结构和工艺等原因而产生的误差。基本误差是仪表自身固有的。附加误差：在偏离规定工作条件下使用仪表而引起的误差。,方法误差：由测量方法本身引起的误差。如，伏安法测电阻，电压表内接或外接引起的误差。,二、系统误差的表示方法,绝对误差：测量值与真值之间的差值。,相对误差：绝对误差与真值之比。,若没有真值，用测量值代替。,相对误差反映测量结果的准确度。,例,用一电压表测量200V电压时，其绝对误差为+1V。另一电压表测量20V电压，绝对误差为+0.5V。哪个测量值更准确？,解：,前者更准确。用相对误差衡量测量结果是否准确。,引用误差：绝对误差与仪表上量限之比。,最大引用误差：最大绝对误差与仪表上量限（满偏值）之比。,最大引用误差可以用来评价仪表性能，根据最大引用误差确定仪表的准确度等级。,几种误差表达方式的特点：,绝对误差在仪表标尺的全长范围内基本保持不变。相对误差随被测量的减小而逐渐增大，而且有可能增至无穷大。所以相对误差可以说明测量结果的准确程度。最大引用误差公式中的分子分母都由仪表本身性能所决定，所以最大引用误差可以用来评价仪表性能。实用中用它确定仪表的准确度等级。,三、直读仪表的准确度等级,仪表的准确度等级数仪表的最大引用误差。,仪表的准确度是指仪表在规定的工作条件下，可能产生的系统误差。国家标准规定仪表的准确度分为七个等级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0。,例如，某电压表为0.5级，则仪表的基本误差为0.5%。若量程20V，则最大绝对误差为0.1V。,注意的概念,1、上限，下限，量程。,2、基准值。,3、基本误差与准确度等级的关系。,参考资料：GB/T7676.1-1998,4、准确度（正确度和精密度）。,参考资料：GB/T6379.1-2004,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,注意：量程与量限的不同之处！,例1,一量限100V、2.5级电压表用同一量限、0.5级电压表校准，数据如下，问2.5级表是否合格。,被校表的最大绝对误差为2.2V。,解,则：最大引用误差为,该表的最大引用误差没超过2.5级的基本误差范围，所以该表合格。,例2,量限200V、0.5级电压表测量15V电压，与量限20V、2.5级电压表测量15V电压相比，哪个测量值更准确。,解：,仪表准确度等级不代表测量结果的准确度。选择量程时，应尽量使测量值接近满量程，以充分利用仪表的等级。（欧姆表除外）,工程上最大测量误差的估算，只考虑系统误差，随机误差忽略不计。,一、直接测量方式的最大误差,仪表的基本误差，根据仪表的准确度等级确定。,第五节工程上最大测量误差的估计及系统误差的消除,直接测量时可能出现的最大绝对误差和相对误差：,例1：用最大量限为30A，准确度等级为1.5级的安培表，在规定工作条件下测得某电流为10A，求测量时可能出现的最大相对误差。,解：,直接测量时，测量结果的准确度既与仪表准确度等级K有关，也与仪表的上量限Am及实际被测量Ax有关。,二、间接测量方式的最大误差,上式按泰勒级数展开，略去高次项，得：,绝对误差限：,相对误差限：,本教材中，三项及以下用直接求和，以上用平方和开方。,加法运算时的绝对误差限：,相对误差限：,1、加法运算,例2：用安培表测量并联支路的电流，求总电流和可能的最大相对误差。已知：,解：,结论：加法运算时，数值大的项应测量的更准确，以使“和”的相对误差较小。,2、减法运算,考虑最不利情况：,y的相对误差不仅与中间量的相对误差有关，而且与中间量之差有关。,例3：例2中用安培表测得总电流和并联支路的一个电流，求另一电流和可能的最大相对误差。若已知：,解：,结论：避免相近的量相减。,3、乘除运算,n、m、p可为整数、分数、正数、负数。,例4：间接法测量电阻消耗的电能。若已知：,求电能W的最大相对误差。,解：,1、减小基本误差，消除附加误差。,2、选择合适的测量方法。,3、利用校正值。,学习“测量”的重点,校正值,测量值,真值,仪表资料自带校正值，或用标准表校准得到校正值。,三、系统误差的消除,假设系统误差已经消除，用于精密测量情况。,第六节随机误差的估计（了解）,1、随机误差的统计特性,假设系统误差已经消除：,随机误差,测量值,真值,横轴：随机误差值纵轴：误差值出现的次数,正态分布,有界性,单峰性,对称性,2、测量值的算术平均值与数学期望,在n次精密测量后，可求得：,，等式左右两边取极限，得：,认为,测量次数足够多时，被测量的算术平均值近似等于真值。,3、剩余误差（残差）,每次测量值与n次测量的算术平均值之差，称为剩余误差。,可用于检验所计算的算术平均值是否正确。,舍入误差引起，,n-测量次数,m-最末一位的小数位数,4、标准差：表征随机误差的离散程度,标准差越小，正态分布曲线越尖锐，表明测量值集中，随机误差小，精密度高。反之，正态分布曲线越平坦，测量值分散，精密度低。,标准差反映测量值的离散程度。,5、标准差的估计值与贝塞尔公式,有限次测量，计算标准差的估计值：,若真值未知，需用贝塞尔公式：,称为随机不确定度，用于判断一组被测数据中是否存在疏失误差。,6、算术平均值的标准差,表征各独立测量列的算术平均值的离散程度。,算术平均值的标准差,单列测量的标准差,测量次数,称为算术平均值的不确定度。,7、疏忽误差的剔除方法,数据剔除,在测量列中剔除了有疏忽误差的数据后，应重新计算算术平均值，重新计算标准差的估计值，重新判断剩下的数据中有无疏忽误差，直至全部数据的剩余误差不超过为止。,8