电工仪表与测量的基本知识

电气测量技术

山东科技大学

蒲海涛

kdpht@163.com

东楼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部分电工仪表图片电气测量仪器的发展的阶段20世纪50年代以前，机械式的模拟指示仪器（如指针式万用表、晶体管电压表等）；20世纪50年代左右，电子式的模拟指示仪器（如数字式电压表、数字频率计等）；20世纪70年代初，智能仪器；20世纪80年代以后，虚拟仪器（检测技术与计算机技术有机结合）；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①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；②测量过程:通过实验去认识对象的过程③测量方法：比较；

A.直接比较 B.间接比较；

C.需要测量仪器；④测量标准：同类已知单位。⑤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）InternationalSystemofUnits1980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]cdSI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］Ω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、测量方式分类测量方式直接测量间接测量组合测量指被测量与中间量的函数式中还有其他未知数，须通过改变测量条件，得出不同条件下的关系方程组，然后解联立方程组求出被测量的数值。指要利用某种中间量与被测量之间的函数关系，先测出中间量，再算出被测量。例如用伏安法测电阻。指仪表读出值就是被测的电磁量，例如用电流表测量电流，用电压表测量电压。二、测量方法(即数据读取方法)分类

测量方法直读法比较法利用仪表直接读取测量数据。零值法较差法替代法将已知量与被测量先后置于同一测量装置中，若两次测量装置都处于相同状态，可认为被测量等于已知量，再从已知量读出被测量值。从比较仪求得差值，根据度量器数值和比较差值，求得被测量的数值。比较仪表指零时，从度量器读出被测量的数值将被测量与度量器放在比较仪器上进行比较，从而求得被测量的数值。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。２．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被测线路A/D转换数字显示器被测量x电压U第四节测量误差及其表示方法一、测量误差的分类测量误差分类

系统误差

基本误差：由仪表结构造成的误差附加误差：偏离规定的工作条件造成的误差随机误差：偶发原因引起大小方向都不确定的误差疏忽误差：测量人员疏忽造成二、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