《电工技术》课件 项目9 电工仪表与测量

电工仪表与测量项目描述•电工仪表不仅用来测量电量，也可配合其他装置测量非电量（温度、机械量等）。•电工测量的对象：电流、电压、电功率、电能、相位、频率、功率因数、电阻等。•本项目着重介绍常用电工仪表的基本知识，包括：—万用表的结构原理及使用方法—直流单、双臂电桥—兆欧表、钳形表的基本线路、原理及使用方法•知识目标：掌握仪表分类、标记、型号、误差、准确度及各类仪表原理与使用。•技能目标：能正确选择和使用仪表，能运用正确仪器测量不同阻值电阻。Part1电工仪表的分类与表面标记电工仪表的分类按仪表的结构和用途，大体可分为以下几类：1.指示仪表：通过指针偏转角位移直接读出测量结果，应用最广泛。如：交直流电压表、电流表、万用表等。2.比较仪器：用比较法进行测量。直流：电桥、电位差计、标准电阻箱交流：交流电桥、标准电感、标准电容3.数字式仪表：以逻辑控制实现自动测量，数码形式显示结果。如：数字万用表等。4.记录仪表和示波器：测量和记录被测量随时间变化情况。如：X-Y记录仪、电子示波器。5.积算仪表：测量与时间有关的量，对某段时间内被测量进行累计。如：电度表（电能表）。指示仪表的分类指示仪表具有测量迅速、直接读数等优点，应用最广、数量最大。1.按工作原理分为：磁电系、电磁系、电动系、感应系、整流系等。2.按测量对象分为：电流表（A、mA、μA）、电压表（V、mV）、功率表、高阻表（兆欧表）、欧姆表、电度表及万用表等。3.按被测电流种类分为：直流仪表、交流仪表、交直流两用仪表。4.按使用方式分为：安装式（开关板上，准确度较低，过载能力强）和便携式（实验室用，过载能力差，价格较贵）。5.按使用条件分类：A、A1、B、B1、C五组。6.按对外磁场防御能力等分类。电工仪表的表面标记为了便于正确选择和使用仪表，仪表类型、测量对象、电流性质、放置方法、对外磁场防御能力等，均以符号形式标注在仪表表盘上。常见标记分类：•测量对象标记：A（电流）、V（电压）、W（功率）、Ω（电阻）、Hz（频率）、cosφ（功率因数）等。•电流性质标记：—（直流）、~（交流）、≈（交直流两用）。•工作原理标记：磁电系、电磁系、电动系、感应系、整流系等。•使用条件与防护标记：水平放置、垂直放置、防外磁场等级、绝缘强度试验电压（如2kV）等。•端钮标记：+、-、L（线路）、E（接地）、G（屏蔽）等。仪表型号与使用注意事项•安装式指示仪表型号：形状代号+系列代号+设计序号+用途号系列代号：C—磁电系、T—电磁系、D—电动系、G—感应系用途号：A—测电流、V—测电压

例：42C3-A表示磁电系电流表•携带式指示仪表型号：系列代号+设计序号+用途号例：T19-V表示电磁系电压表使用注意事项：1.仔细阅读说明书，按要求使用仪表。2.正确选用量程，使被测量在量程的2/3以上。3.使用前调零，测量时正确读数。4.测量电路连接正确，不得带电变换开关位置。5.仪表用完后正确复位，妥善保管。讨论请同学们对常见指示仪表的表面标记进行归纳总结，并说明如何根据测量要求正确选择仪表。Part2指示仪表的组成与原理指示仪表的组成指示仪表又叫直读式仪表，具有成本较低、使用方便、经久耐用等优点。指示仪表主要由两部分组成：1.测量线路：将被测电量x（电流、电压、功率等）变换成测量机构可接受的过渡电量y（如电流），并保持一定比例关系。例如：分流器、附加电阻等都属于测量线路。2.测量机构：是指针式仪表的核心。同一系列仪表通常采用相同的测量机构，加上不同的测量线路，就可构成测量不同电量的仪表。•测量机构由固定部分（磁路系统、固定线圈）和可动部分（可动线圈、可动铁芯、游丝、指针）组成。测量机构的组成和原理按可动部分在偏转过程中各元件的功能，测量机构可分为：1.产生转动力矩M的装置使可动部分偏转，转动力矩M与被测量成函数关系。2.产生反作用力矩的装置通常由游丝（螺旋弹簧）产生，反作用力矩与偏转角α成线性关系：

M反=D·α（D为反作用力矩系数）当转动力矩与反作用力矩相等时，可动部分平衡。3.产生阻尼力矩的装置空气阻尼器：翼片在阻尼箱中运动受空气阻力。

磁感应阻尼器：金属片切割磁力线产生涡流制动力。作用：使可动部分尽快静止下来，避免指针长时间摆动。4.读数装置由指针和刻度尺组成。刀形指针适用于高精度仪表，矛形指针适用于准确度较低的安装式仪表。磁电系仪表结构：固定部分为永久磁铁、极掌、圆柱形铁芯；

可动部分为可动线圈、转轴、指针、螺旋弹簧（游丝）。工作原理：被测电流流过活动线圈，线圈与空气隙磁场相互作用，获得磁场力产生的转矩，带动指针旋转。游丝产生反抗转矩，直至两力矩平衡，指针稳定。优点：刻度均匀、灵敏度高、准确度高、消耗功率小、

受外界磁场影响小。缺点：结构复杂、造价较高、过载能力小，只能测量直流。用途：测量直流电压、直流电流及作万用表的表头。注意事项：接入电路时注意极性，否则指针反打会损坏电表。电磁系仪表结构（排斥型）：固定部分为固定线圈、线圈内侧固定铁片；可动部分为可动铁片、游丝、指针、阻尼片、平衡锤。工作原理：被测电流引入固定线圈产生磁场，将固定铁片和可动铁片同时磁化，对应端极性相同而相互排斥，带动指针偏转。电流方向改变时，两铁片磁性同时改变，排斥力方向不变，因此可用于交流电路测量。优点：结构简单、成本低廉、交直流都可用、过载能力强。缺点：刻度不均匀、准确度较差。用途：主要用于测量工频交流电流和交流电压。注意：指针偏转角度近似与电流平方成正比，故刻度不均匀。电动系仪表结构：内部有两个线圈——固定线圈和可动线圈（放在固定线圈里面）。

可动线圈由较细导线绕成，与转轴、指针、螺旋弹簧相连。工作原理：两个线圈通入电流后产生相互作用，使可动线圈受到电磁力矩作用而偏转。偏转角与两线圈电流的乘积成正比；交流时还与两电流相位差有关。优点：能测量交直流电路的电流、电压和功率，准确度比电磁式高。缺点：受外界磁场影响大，刻度不均匀，本身耗能大，

过载能力较弱，价格偏高。用途：常制成测量功率的功率表，也可作电压表、电流表。讨论电工仪表由哪几部分组成？电工仪表有几种转矩？它们的特点和作用是什么？Part3仪表的误差与准确度仪表误差的分类任何形式的测量都希望获得被测量的真实数值（真值）。仪表误差是指仪表指示值与被测量真值之间的差异。根据产生误差的原因，误差可分为两大类：1.基本误差仪表在规定的正常工作条件下使用时，由于结构和制造工艺上的不完善而产生的仪表本身所固有的误差。例如：磨擦误差、倾斜误差、刻度误差等。2.附加误差仪表在非正常工作条件下使用时所产生的额外误差。例如：环境温度改变、使用方式错误、外磁场或外电场干扰等。误差的表示形式1.绝对误差Δ仪表指示值Ax与被测量真值A0之间的差值。

Δ=Ax-A0单位与被测量相同，符号有正负。更正值C=A0-Ax=-Δ（用于修正指示值）2.相对误差γ绝对误差与被测量真值之比的百分数。

γ=(Δ/A0)×100%工程上常用指示值近似代替真值计算。相对误差反映基本误差对测量结果的影响程度。3.引用误差γm绝对误差与仪表测量上限Am之比的百分数。

γm=(Δ/Am)×100%引用误差基本上是个常数，可确切表示仪表准确程度。仪表的准确度

仪表的准确度是用仪表的最大引用误差表示的，因为考虑到仪表各刻度位置上的绝对误差有一些小差别，为了能用引用误差概括仪表的基本误差全貌，就用最大绝对误差与测量上限值的百分比来表示仪表的准确度。即K为仪表的准确度等级，它的百分数即表示仪表在正常的使用条件下最大引用误差的数值。仪表准确度越高，则最大引用误差越小，基本误差也就越小。讨论测量误差有哪几类？试简述其产生的原因和消除的方法。Part4万用表的使用电阻测量方法的分类根据阻值大小，电阻分为三类，采用不同方法测量：1.低值电阻（1Ω以下）测量精度要求高时，选用双臂电桥（凯尔文电桥）。也可用毫伏表和电流表测量，但误差较大。2.中值电阻（1Ω~0.1MΩ）最方便用万用表欧姆档测量，操作简单。若需精密测量，可选用单臂电桥（惠斯登电桥）。3.高值电阻（0.1MΩ以上，如绝缘电阻）用兆欧表（摇表）测量。也可采用泄漏法分别测体积电阻和表面电阻。万用表的结构概述万用表分为磁电系（指针式）和数字式两种类型。指针式万用表由三部分组成：1.表头（测量机构）采用磁电系微安表，灵敏度高。刻度盘备有多条标尺，可直接读出被测量。有的刻度盘装有反射镜，减小读数视差。2.转换开关选择不同被测量和不同量程的切换器件。旋转活动触点（刀）与不同固定触点（掷）闭合，改换和接通所要求的测量线路。3.测量线路由多量限直流电流表、电压表、整流式交流电压表和欧姆表等线路组合而成。主要元件为电阻元件。万用表的正确使用与维护1.根据测量对象，将转换开关旋到正确位置，红表笔插入正确插孔。2.检查表笔完好、电池电量，电表放平稳，先进行机械调零。3.量程选择应使指针在量程的1/2~2/3之间。4.电阻测量前必须进行欧姆调零（表棒短接调零）。倍率选择使指针指在欧姆中心值附近。5.严禁带电测电阻；被测电阻不能有并联支路；不要用手捏住电阻两端（避免人体并联误差）。6.注意极性：红表笔接表内电池负极，黑表笔接正极。测量晶体管时宜用R×100或R×1k档。7.认清刻度线，视线垂直刻度盘；装有反射镜时使指针与像重合。8.测量完毕，转换开关置于OFF或交流电压最高档。万用表的应用1.判别二极管极性用欧姆档测正反向电阻，相差越大越好。阻值小时黑表笔所接为二极管正极（注意表内电池极性）。2.测量三极管判别基极：分别检测任意两脚，导通两次的引脚为基极。判别管型：红表笔接基极导通为NPN；黑表笔接基极导通为PNP。判别c、e：根据放大倍数变化确定。3.判别电容器好坏用R×1k或R×10k档，表针先摆向零后回∞为正常。回不到∞说明漏电；指零不动说明击穿；根本不动说明断路。大电容需先放电再测量。4.测算电动机转速利用万用表直流电流档配合定子绕组感应电动势测算同步转速，进而估算电动机实际转速。数字式万用表特点：精度高、速度快、输入阻抗大、读数准确、抗干扰能力强。原理：在数字直流电压表基础上扩展，通过转换电路实现多参数测量。A/D转换器将模拟电压变换成数字量，电子计数器计数，译码显示电路显示结果。使用方法（以福禄克18B为例）：1.检查电池电量，打开电源，HOLD开关测量前应取消。2.红表笔根据被测量选择插孔，黑表笔接COM。3.旋转转换开关至相应档位，不确定时先用高量程试测。4.测电压并联、测电流串联、测电阻并联。5.二极管测试：一次无穷大一次较小数值为正常。6.三极管测试：用二极管档判别基极和管型，hFE档测β值。7.电容测量：先放电，量程开关置F档，红正黑负读取数值。注意：不要在电阻档测电压或电流；测完后电源开关置OFF。

Part5直流单、双臂电桥直流单臂电桥（惠斯登电桥）用途：测量中值电阻（1Ω~0.1MΩ），如电机绕线电阻、分流器电阻等。原理：利用比较法，将被测电阻与已知标准电阻比较。当电桥平衡时（检流计指零），被测电阻

Rx=(R1/R2)·R3

其中R1/R2为比率臂，R3为比较臂。QJ23型单臂电桥使用方法：1.打开检流计锁扣，调节调零器使指针指零。2.被测电阻接至Rx接线柱并拧紧。3.选择合适比率臂（如几欧选0.001档，几十欧选0.01档）。4.先按B（电源）按钮，再按G（检流计）按钮。5.调节比较臂使检流计指零，电桥平衡。6.计算：Rx=比率臂示值×比较臂示值7.测量结束：先松G，再松B，拆除被测电阻，锁上检流计。直流双臂电桥（凯尔文电桥）用途：测量低值电阻（1Ω以下），如分流器电阻、短导线电阻等。特点：采用四端电阻接法，能有效消除接触电阻和引线电阻的影响，因而测量小电阻时结果较准确。QJ103型双臂电桥使用方法：1.选择电源（可用外接蓄电池），注意极性。2.被测电阻用四根导线连接：外侧端钮接电流端C1、C2，内侧端钮接电位端P1、P2。3.选择合适倍率，按下电源按钮和检流计按钮。4.调节比较臂使检流计指零。5.计算：Rx=倍率数×刻度盘读数注意事项：1.连接导线尽量短而粗，接触紧密。2.工作电流较大，测量要迅速，避免电池无谓消耗。3.无四端钮时需人为引出四根线，内侧端钮紧贴被测元件两端。Part6兆欧表兆欧表概述兆欧表又称摇表、高阻表，专供测量绝缘电阻用。为什么不能用万用表测绝缘电阻？•绝缘电阻数值很大（通常在兆欧级），万用表量程不足。•绝缘电阻需在设备工作电压下测量，低压测量不能反映真实绝缘状况。•有些设备低压下绝缘电阻很大，但电压升高后漏电严重。分类：1.摇表（手摇发电机式）：磁电系比率计+手摇发电机+测量线路2.指针式兆欧表：内部升压电路产生测试高压，小巧轻便3.数字式兆欧表：数字显示，内部升压电路产生多种测试电压兆欧表标尺特点：按电阻值反向刻度，且刻度不均匀。摇表的使用方法1.选择兆欧表：额定电压与被测设备工作电压相适应；测量范围与被测电阻范围相吻合。2.使用前检查：L、E端开路，摇动手柄（120r/min），指针应指∞；L、E端短接，缓慢摇动手柄，指针应指0。3.安全措施：被测设备切断电源并充分放电。4.接线：L端接被测导体，E端接地或外壳。测电缆绝缘时用G（屏蔽）端消除表面电流影响。5.摇速：保持额定转速120r/min，允许±20%变化。6.读数：摇动1min后读数；大电容设备以指针稳定为准。7.拆线：先拆线，再停止摇动，最后对被测设备放电。不可测量半导体器件电阻或检查电路通断。指针式与数字式兆欧表指针式兆欧表（如MS5202型）：•指针、数字双显功能，指针指示电阻，数字屏显示测试电压。•具有指针锁定功能，便于读数。•电池供电，可连续工作4小时。•具有高压报警功能，提醒操作者注意安全。•测量前需机械调零和电池检查。数字式兆欧表（如VC60B型）：•数字直观显示被测绝缘电阻大小。•可产生250V/500V/1000V多种测试电压。•测量范围：0.1MΩ~2000MΩ。•使用步骤：安装电池→连接测试线→选择电压→按TEST键→读数。•测量后先释放被测电荷，再拆除测试线。Part7钳形表钳形表的结构与测量原理钳形表又称钳形电流表，可在不切断电路的情况下测量电流。结构（指针式）：铁芯、线圈、电流表、量程旋钮、扳手等组成。测量原理：基于电流互感器原理。•被测导线相当于互感器的一次绕组。•钳形表内部线圈为二次绕组。•导线电流越大，产生磁场越强，穿过线圈的磁力线越多，二次线圈感应电流越大，表针摆动越大。分类：•指针式钳形表：指针摆动指示电流大小。•数字式钳形表：数字显示