（二）電工測量的相關知識

1.電氣標準器

測量就是用專門的儀器或設備通過實驗和計算求得被測量的值。測量是一個相對的過程，必須以電氣標準器為基準進行測量。通常把充當測量儀表測量標準的設備稱為電氣標準器。實用的標準器主要有標準電阻器、標準電池、標準電感、標準電容等。

需要說明的是，實際的測量儀表內部并不含電氣標準器，只是用電氣標準器對其進行校準即可。例如，在使用模擬萬用表換擋測量電阻時，總是需要將兩表筆短接，然后將指示調零，這是因為兩表筆短接，其阻值為零，以它為基準可進行正確測量。又如，用數字萬用表測量的電壓范圍為0～10V，其內部信號范圍假定為0～5V，可采用如下方法校準：將標準電池（1V）作為輸入，調整內部電路使內部輸入信號為0.5V即可。

2.測量誤差

通過建立實際電路的電路模型、求解電路得到的結果為理論值，用電工測量儀表去測量得到的結果為測量值。一般情況下，測量值與理論值總是有一定的出入，稱為誤差。在科學實驗和工程實踐中，任何測量結果都會有誤差，而誤差的大小又直接影響到測量的精確程度。人們不可能完全消除誤差，但可以通過掌握誤差規律，采取各種方式控制和減小誤差，從而得到更精確的測量結果。

常用的誤差表示方法有下列幾種。

① 絕對誤差

測量所得被測量的值x與被測量的真值x0之差為絕對誤差?x。

可見，絕對誤差?x是有綱量的代數值，其綱量與被測量的綱量相同，其大小和正負分別表示測量值偏離真值的程度和方向。

例1.1 一被測電流的真實值為2A，用電流表測得的值為2.1A，則測量的絕對誤差為

絕對誤差和被測量值具有相同的單位，絕對誤差為正值表示是正誤差，即測量值比真值大0.1A。

② 相對誤差

相對誤差是絕對誤差?x與被測量真值x0之比的百分數，即

由于被測量值的真值無法得到，在誤差越小，要求不太嚴格的場合，可用實際測量值 x來代替，即

相對誤差是無量量綱，常用于描述測量的準確度。相對誤差越小，測量的準確度就越高。

③ 引用誤差

引用誤差是絕對誤差?x與測量儀器儀表的滿刻度值xm之比的百分數，即

在描述測量儀表的準確度時，往往關注的是儀表在其整個測量范圍內的測量誤差，而不是僅僅針對某一個測量值的誤差。因此，采用引用誤差或整個量程的最大引用誤差來描述測量儀表的準確度比采用相對誤差更方便、更全面。電工儀表就是按照最大引用誤差來劃分其準確等級的。

目前，我國直讀式電工測量儀表的準確度分為：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七級。如果儀表為S級，則說明該儀表的引用誤差不超過S%，并由此可知，絕對誤差，而相對誤差。當被測量值較大時（x接近滿刻度xm），相對誤差的數值較小，測量比較準確。當測量值較小時，相對誤差就有可能取得較大值，測量的準確度就較差。因此，為了取得較準確的測量結果，除了選用準確度等級較高的儀表外，還要注意選擇合適的儀表量程。只有當被測量值比較接近滿刻度值時，才能取得較準確的測量結果。

例1.2 某待測量電流為80mA，現有0.5級量程為0～300mA和1.0級量程為0～100mA的兩個電流表，問采用哪一個電流表測量更準確？

解：用0.5級量程為0～300mA的電流表測量80mA電流時，可能出現的最大絕對誤差為

可能出現的最大相對誤差為

而選用1.0級量程為0～100mA的電流表測量80mA電流時，可能出現的最大絕對誤差為

可能出現的最大相對誤差為

可見，采用1.0級量程為0～100mA的電流表測量更準確。

上述例題說明，選擇合適的儀表量程，對保證較高的測量準確是很重要的。

根據誤差的性質及其產生的原因，測量誤差可以分為系統誤差、隨機誤差和粗大誤差3類。

（1）系統誤差

在相同的條件下，多次測量同一量時，誤差的絕對值和符號保持恒定，或測試條件改變時，按一定規律隨條件變化的誤差，稱為系統誤差。

系統誤差產生的原因：儀表工作原理的不完善；儀表本身的材料、零部件、工藝、加工精度等方面有缺陷；測試時，儀表的安裝或擺放的方法不正確及儀表用法不正確；環境因素的影響；測量人員的不良習慣等。

為了減小系統誤差，我們可以通過以下3個方面來考慮。

① 仔細分析研究測量方法所依據的理論是否嚴密，是否由于采用了簡化或近似公式而引入較大的誤差，是否采用了不合理的測量方法，對這些不合理的問題要及時進行改正，以期減小系統誤差。

② 合理地選用準確度較高的測量儀表，定期對儀表進行校驗以保證其準確度，并確定它們的修正值。另外，根據儀表的使用技術條件安放儀表，注意防止測量儀表的互相干擾以及環境變化的影響。做好儀表的調校工作。

③ 提高測量人員的工作能力，保證讀數和記錄的熟練和準確。

（2）隨機誤差

在相同的條件下，多次測量同一個量時，每一次測量誤差的大小和符號都是隨機的，不可預知的，這一類誤差稱為隨機誤差。

隨機誤差是由許多復雜因素的微小變化的總和引起的。例如，電磁場的微變，零件的摩擦、間隙、熱起伏、空氣擾動，氣壓及濕度的變化，測量人員感覺器官的生理變化等都可能是隨機誤差產生的原因。就一次測量而言，隨機誤差是沒有規律的，不可預測，無法通過修正測量值等方法來消除。

（3）粗大誤差

在測量時，有可能會出現與實際明顯不符的測量值。使測量值明顯偏離被測量值真值的誤差稱為粗大誤差，含有粗大誤差的測量值被稱為壞值。

粗大誤差產生的原因有測錯、讀錯、記錯、測量儀表或系統故障、實驗條件不具備等。可以通過發現壞值并將其剔除的方法來消除粗大誤差。

3.電工測量儀表的分類

實際電工測量儀表種類繁多，通常用的直讀式電工測量儀表常按照以下幾個方面進行分類。

（1）按照被測量的種類分類，如表1-3所示。

（2）按照工作原理分類，如表1-4所示。

（3）根據電工測量儀表測量電流的種類分類

電工測量儀表根據測量電流的種類不同可分為直流儀表（用－或 DC 表示）、交流儀表（用～或AC表示）和交直流儀表（用≌ 表示）。

（4）根據電工測量儀表的準確度等級分類

電工儀表按測量的準確度級別不同分為：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七級。一般0.1級和0.2級儀表用來作標準儀器，以校準其他工作儀表，而實驗中多用0.5級～2.5級儀表。

4.直讀式電工測量儀表的工作原理

直讀式電工測量儀表是用標度盤和指針指示電量的儀表，又稱為模擬儀表。因儀表以電磁力為基礎，故也稱為電磁機械式儀表。按照工作原理，直讀式儀表主要分為磁電式、電磁式、電動式等幾種。它們的主要作用是將被測量電量變換成儀表活動部分的偏轉角位移。為了將被測電量轉換成角位移，電工儀表通常由測量機構和測量線路兩部分組成。測量機構是電工儀表的核心部分，儀表的偏轉角位移是靠它實現的。下面對常用的磁電式、電磁式、電動式電工儀表的結構和工作原理做簡單介紹。

（1）磁電式儀表

磁電式儀表的測量機構包括固定部分和活動部分，如圖1-7所示。固定部分由馬蹄形磁鐵1、極掌2及圓柱形鐵心3組成。活動部分由活動線圈4、軸5、指針6及螺旋彈簧7組成。

當被測參數的電流流過活動線圈時，在磁場的作用下，線圈的兩有效邊受到大小相等、方向相反的電磁力，產生電磁轉矩。電磁轉矩帶動指針旋轉，同時螺旋彈簧被扭緊而產生阻力矩。當彈簧的阻力矩和轉動力矩達到平衡時，可動部分邊停止轉動，指針也就指在某一對應位置。

磁電式儀表的靈敏度、準確度高，刻度均勻，阻尼良好，構造精細，消耗的功率小。但磁電式儀表只能測量直流電流，而且由于動圈繞線很細，故載流量小，同時結構復雜，成本較高。

（2）電磁式儀表

電磁式儀表是利用動鐵片與通有電流的固定線圈之間或被此線圈磁化的靜鐵片之間的作用力而制成的。如圖1-8所示，固定部分由固定線圈1和線圈內側的固定鐵片2組成；可動部分由固定在轉軸3上的可動鐵片4、游絲5、指針6、阻尼片7和平衡錘8組成。

當線圈中通入電流時，產生磁場，鐵心被磁化，固定鐵片和可動鐵片相互排斥而使轉軸轉動。電磁式儀表能進行交、直流回路測量，可測量較大的電流和電壓，結構簡單、牢固、價格低廉。但其刻度不均勻，容易受到外界磁場的影響，準確度較差，一般用于電力工程中的電流、電壓測量。

（3）電動式儀表

如圖1-9所示，電動式儀表主要由定圈1、動圈2、游絲5、空氣阻尼器（含阻尼片4和外盒6）組成。其中動圈通常放在定圈里邊，由較細的導線繞成。

設通過螺旋彈簧流入動圈的電流為I1；當定圈通有電流I2時，在其內部產生均勻的磁場，使動圈的兩邊產生大小相等、方向相反的兩個力，并產生轉動力矩T，即

式中，I1、I2——交流電流i1和i2的有效值；

φ——i1和i2之間的相位差；

K1——彈簧扭力系數。

在轉矩T的作用下，動圈和指針發生偏轉。

產生阻力矩的裝置是連在轉軸上的螺旋彈簧。當螺旋彈簧產生的阻力矩與轉動力矩達到平衡時，可動部分便停止轉動，測出被測數據。

電動式儀表能測量交、直流回路的電流、電壓和功率，但受外界磁場影響較大，測量電流、電壓時刻度不均勻，本身能耗大，過載能力較弱，價格偏高。