（二）电工测量的相关知识

1.电气标准器

测量就是用专门的仪器或设备通过实验和计算求得被测量的值。测量是一个相对的过程，必须以电气标准器为基准进行测量。通常把充当测量仪表测量标准的设备称为电气标准器。实用的标准器主要有标准电阻器、标准电池、标准电感、标准电容等。

需要说明的是，实际的测量仪表内部并不含电气标准器，只是用电气标准器对其进行校准即可。例如，在使用模拟万用表换挡测量电阻时，总是需要将两表笔短接，然后将指示调零，这是因为两表笔短接，其阻值为零，以它为基准可进行正确测量。又如，用数字万用表测量的电压范围为0～10V，其内部信号范围假定为0～5V，可采用如下方法校准：将标准电池（1V）作为输入，调整内部电路使内部输入信号为0.5V即可。

2.测量误差

通过建立实际电路的电路模型、求解电路得到的结果为理论值，用电工测量仪表去测量得到的结果为测量值。一般情况下，测量值与理论值总是有一定的出入，称为误差。在科学实验和工程实践中，任何测量结果都会有误差，而误差的大小又直接影响到测量的精确程度。人们不可能完全消除误差，但可以通过掌握误差规律，采取各种方式控制和减小误差，从而得到更精确的测量结果。

常用的误差表示方法有下列几种。

① 绝对误差

测量所得被测量的值x与被测量的真值x0之差为绝对误差∆x。

可见，绝对误差∆x是有纲量的代数值，其纲量与被测量的纲量相同，其大小和正负分别表示测量值偏离真值的程度和方向。

例1.1 一被测电流的真实值为2A，用电流表测得的值为2.1A，则测量的绝对误差为

绝对误差和被测量值具有相同的单位，绝对误差为正值表示是正误差，即测量值比真值大0.1A。

② 相对误差

相对误差是绝对误差∆x与被测量真值x0之比的百分数，即

由于被测量值的真值无法得到，在误差越小，要求不太严格的场合，可用实际测量值 x来代替，即

相对误差是无量量纲，常用于描述测量的准确度。相对误差越小，测量的准确度就越高。

③ 引用误差

引用误差是绝对误差∆x与测量仪器仪表的满刻度值xm之比的百分数，即

在描述测量仪表的准确度时，往往关注的是仪表在其整个测量范围内的测量误差，而不是仅仅针对某一个测量值的误差。因此，采用引用误差或整个量程的最大引用误差来描述测量仪表的准确度比采用相对误差更方便、更全面。电工仪表就是按照最大引用误差来划分其准确等级的。

目前，我国直读式电工测量仪表的准确度分为：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七级。如果仪表为S级，则说明该仪表的引用误差不超过S%，并由此可知，绝对误差，而相对误差。当被测量值较大时（x接近满刻度xm），相对误差的数值较小，测量比较准确。当测量值较小时，相对误差就有可能取得较大值，测量的准确度就较差。因此，为了取得较准确的测量结果，除了选用准确度等级较高的仪表外，还要注意选择合适的仪表量程。只有当被测量值比较接近满刻度值时，才能取得较准确的测量结果。

例1.2 某待测量电流为80mA，现有0.5级量程为0～300mA和1.0级量程为0～100mA的两个电流表，问采用哪一个电流表测量更准确？

解：用0.5级量程为0～300mA的电流表测量80mA电流时，可能出现的最大绝对误差为

可能出现的最大相对误差为

而选用1.0级量程为0～100mA的电流表测量80mA电流时，可能出现的最大绝对误差为

可能出现的最大相对误差为

可见，采用1.0级量程为0～100mA的电流表测量更准确。

上述例题说明，选择合适的仪表量程，对保证较高的测量准确是很重要的。

根据误差的性质及其产生的原因，测量误差可以分为系统误差、随机误差和粗大误差3类。

（1）系统误差

在相同的条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定，或测试条件改变时，按一定规律随条件变化的误差，称为系统误差。

系统误差产生的原因：仪表工作原理的不完善；仪表本身的材料、零部件、工艺、加工精度等方面有缺陷；测试时，仪表的安装或摆放的方法不正确及仪表用法不正确；环境因素的影响；测量人员的不良习惯等。

为了减小系统误差，我们可以通过以下3个方面来考虑。

① 仔细分析研究测量方法所依据的理论是否严密，是否由于采用了简化或近似公式而引入较大的误差，是否采用了不合理的测量方法，对这些不合理的问题要及时进行改正，以期减小系统误差。

② 合理地选用准确度较高的测量仪表，定期对仪表进行校验以保证其准确度，并确定它们的修正值。另外，根据仪表的使用技术条件安放仪表，注意防止测量仪表的互相干扰以及环境变化的影响。做好仪表的调校工作。

③ 提高测量人员的工作能力，保证读数和记录的熟练和准确。

（2）随机误差

在相同的条件下，多次测量同一个量时，每一次测量误差的大小和符号都是随机的，不可预知的，这一类误差称为随机误差。

随机误差是由许多复杂因素的微小变化的总和引起的。例如，电磁场的微变，零件的摩擦、间隙、热起伏、空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等都可能是随机误差产生的原因。就一次测量而言，随机误差是没有规律的，不可预测，无法通过修正测量值等方法来消除。

（3）粗大误差

在测量时，有可能会出现与实际明显不符的测量值。使测量值明显偏离被测量值真值的误差称为粗大误差，含有粗大误差的测量值被称为坏值。

粗大误差产生的原因有测错、读错、记错、测量仪表或系统故障、实验条件不具备等。可以通过发现坏值并将其剔除的方法来消除粗大误差。

3.电工测量仪表的分类

实际电工测量仪表种类繁多，通常用的直读式电工测量仪表常按照以下几个方面进行分类。

（1）按照被测量的种类分类，如表1-3所示。

（2）按照工作原理分类，如表1-4所示。

（3）根据电工测量仪表测量电流的种类分类

电工测量仪表根据测量电流的种类不同可分为直流仪表（用－或 DC 表示）、交流仪表（用～或AC表示）和交直流仪表（用≌ 表示）。

（4）根据电工测量仪表的准确度等级分类

电工仪表按测量的准确度级别不同分为：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七级。一般0.1级和0.2级仪表用来作标准仪器，以校准其他工作仪表，而实验中多用0.5级～2.5级仪表。

4.直读式电工测量仪表的工作原理

直读式电工测量仪表是用标度盘和指针指示电量的仪表，又称为模拟仪表。因仪表以电磁力为基础，故也称为电磁机械式仪表。按照工作原理，直读式仪表主要分为磁电式、电磁式、电动式等几种。它们的主要作用是将被测量电量变换成仪表活动部分的偏转角位移。为了将被测电量转换成角位移，电工仪表通常由测量机构和测量线路两部分组成。测量机构是电工仪表的核心部分，仪表的偏转角位移是靠它实现的。下面对常用的磁电式、电磁式、电动式电工仪表的结构和工作原理做简单介绍。

（1）磁电式仪表

磁电式仪表的测量机构包括固定部分和活动部分，如图1-7所示。固定部分由马蹄形磁铁1、极掌2及圆柱形铁心3组成。活动部分由活动线圈4、轴5、指针6及螺旋弹簧7组成。

当被测参数的电流流过活动线圈时，在磁场的作用下，线圈的两有效边受到大小相等、方向相反的电磁力，产生电磁转矩。电磁转矩带动指针旋转，同时螺旋弹簧被扭紧而产生阻力矩。当弹簧的阻力矩和转动力矩达到平衡时，可动部分边停止转动，指针也就指在某一对应位置。

磁电式仪表的灵敏度、准确度高，刻度均匀，阻尼良好，构造精细，消耗的功率小。但磁电式仪表只能测量直流电流，而且由于动圈绕线很细，故载流量小，同时结构复杂，成本较高。

（2）电磁式仪表

电磁式仪表是利用动铁片与通有电流的固定线圈之间或被此线圈磁化的静铁片之间的作用力而制成的。如图1-8所示，固定部分由固定线圈1和线圈内侧的固定铁片2组成；可动部分由固定在转轴3上的可动铁片4、游丝5、指针6、阻尼片7和平衡锤8组成。

当线圈中通入电流时，产生磁场，铁心被磁化，固定铁片和可动铁片相互排斥而使转轴转动。电磁式仪表能进行交、直流回路测量，可测量较大的电流和电压，结构简单、牢固、价格低廉。但其刻度不均匀，容易受到外界磁场的影响，准确度较差，一般用于电力工程中的电流、电压测量。

（3）电动式仪表

如图1-9所示，电动式仪表主要由定圈1、动圈2、游丝5、空气阻尼器（含阻尼片4和外盒6）组成。其中动圈通常放在定圈里边，由较细的导线绕成。

设通过螺旋弹簧流入动圈的电流为I1；当定圈通有电流I2时，在其内部产生均匀的磁场，使动圈的两边产生大小相等、方向相反的两个力，并产生转动力矩T，即

式中，I1、I2——交流电流i1和i2的有效值；

φ——i1和i2之间的相位差；

K1——弹簧扭力系数。

在转矩T的作用下，动圈和指针发生偏转。

产生阻力矩的装置是连在转轴上的螺旋弹簧。当螺旋弹簧产生的阻力矩与转动力矩达到平衡时，可动部分便停止转动，测出被测数据。

电动式仪表能测量交、直流回路的电流、电压和功率，但受外界磁场影响较大，测量电流、电压时刻度不均匀，本身能耗大，过载能力较弱，价格偏高。