项目二 安全用具与仪器仪表的使用

任务一 电工仪表及测量

一、电工测量仪表的基本知识

电气测量主要是指测量一些电的物理量，如电流、电压、电功率、电能、电阻和频率等。

电气作业人员无论是在电气设备的安装、调试、运行、维修中，还是对电气产品进行检测试验中，都经常需要进行电气测量。电气作业人员在进行电气测量时要能合理选择与正确使用测量仪表，就必须熟悉电工仪表的结构、原理及使用方法。否则，不但不能得到正确的测量结果，而且容易发生严重事故。

（一）电工测量仪表的分类

电气测量仪表的品种、规格繁多，但基本上可以分为三大类，即电测指示仪表、比较仪表和数字式仪表。

1.指示仪表

原理：能将被测量转换为仪表可动部分的机械偏转角，并通过指示器直接显示出被测量的大小。

范例：如图2-1-1所示为指示仪表外观图。

特点：结构简单、可靠性高、使用维护方便。

分类：指示仪表按准确度等级、使用环境、防护性能、工作原理等可分为以下几种：

（1）按准确度等分 可分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0共7个等级。

准确度较高（0.1，0.2，0.5）的仪表常用来进行精密测量或校正其他仪表。

图2-1-1 指示仪表

（2）按使用环境条件分 要分为A、B、C三组类型。

A：0～40℃ B：-20～50℃ C：-40～60℃

（3）按外壳防护性能分 可分为普通、防尘、防溅、防水、水密、气密、隔爆等类型。

（4）按仪表防御外界磁场或电场影响的性能分 可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级。

（5）按使用方式分 可分为安装式、便携式等。（6）按工作原理分 可分为磁电系、电磁系、电动系、感应系、静电系、整流系等。

2.比较仪表

原理：在测量过程中，通过被测量与同类标准量进行比较，然后根据比较结果，才能确定被测量大小。

范例：如图2-1-2所示为比较仪表外观图。

特点：准确度高，使用较复杂。

分类：直流比较仪表和交流比较仪表。

如电位差计和直流电桥属于直流比较仪表，交流电桥属于交流比较仪表。

图2-1-2 比较仪表

a）QJ-23电桥 b）QJ-47电桥

3.数字仪表

原理：采用数字测量技术，并以数码的形式直接显示出被测量的大小。

范例：图2-1-3所示为DT-2008数字仪表。

特点：使用方便，准确度高。

分类：数字式仪表种类很多，常用的有电压表、电流表、万用表、频率表等。

（二）仪表的误差和准确度等级

误差：测量时仪表的读数和实际值之间的差异称为仪表的误差。

图2-1-3 DT-2008数字仪表

1.仪表误差的分类

（1）基本误差 基本误差是在正常工作条件下本身所固有的，它是由于结构和制作而产生的误差。

一般包括活动部件的摩擦误差；活动部件不对称而产生的不平衡误差；倾斜误差；刻度误差；弹簧变形误差以及内部电磁场误差等。

（2）附加误差 附加误差是仪表受外界条件的影响所引起的误差。

它包括温度附加误差、外磁场和外电场附加误差以及频率附加误差等。

2.误差的几种表达形式

（1）绝对误差Δ仪表的指示值A_X与被测量的实际值A₀之间的差值称为测量的绝对误差。即

Δ=A_X-A₀

被测量的实际值A₀系指范型仪表（精度高的标准表）的指示值。

（2）相对误差γ指绝对误差Δ占被测量实际值A₀的百分数，即

在实际测量中，常常用仪表的指示值A_X代替实际值A₀进行相对误差的近似估算。即

相对误差给出了测量误差的明确概念，用它对不同的测量误差进行比较很方便，所以它是一种较为常用的测量误差的表示形式。

（3）引用误差γ_m相对误差可以表示测量结果的准确度，但却不能说明仪表本身的准确程度。

一般采用引用误差来反映仪表的准确度，即绝对误差Δ与仪表量程（最大读数）A_m的比值的百分数，即

引用误差实际指仪表在最大读数时的相对误差，即满刻度相对误差。

3.仪表的准确度±K

由于指示仪表在测量时，绝对误差Δ会多少有些变化，因而造成的误差也会随之变化，所以，工程上规定以最大引用误差来表示仪表的准确度。即

仪表最大绝对误差Δ_m与仪表最大量程数A_m比值的百分数，叫做仪表的准确度。

因此，被测量值越接近满刻度，最大引用误差越小，仪表的基本误差也越小，准确度越高。

国家标准规定，电工仪表精度分为七个等级，见表2-1-1所示。

表2-1-1 电工仪表精度

表中，0.1、0.2级仪表作为标准表（又称范型仪表）；0.5、1.0、1.5级仪表多用于实验室；1.5、2.5、5.0级仪表则用于电气工程测量。

选用仪表时注意：

1）在选用仪表时，除了考虑仪表的准确度以外，还要选择合适的量限，以提高测量的精度。

2）前面已经说过，仪表的准确度以最大引用误差来衡量，而测量精度以该处可能产生的最大误差来衡量。

3）准确度高的仪表在使用不合理时产生的相对误差可能会大于准确度低的仪表。

4）测量结果的精度，不仅与仪表的准确度等级有关，而且与它的量限也有关。因此，在选择仪表的量限时，被测值应尽量使指针指在刻度标尺的2/3以上。

二、常用电工仪表的工作原理

（一）三相有功功率表

1.电动系三相功率表

电动系三相功率表由两只单相功率测量机构组成，故又称为两元件三相功率表。这种仪表有两个独立的单元，分上下布置，每个单元就相当于一个单相功率表。但是，两个单元的可动部分固定在同一个转轴上，因此仪表的总转矩等于两个单元转矩的代数和。当仪表按两表法的接线规则接入三相三线制电路中时，作用在转轴上的总转矩（平均值）将反映三相功率的大小，因而指针直接指示出三相功率的数值。所以这种三相功率表的基本原理和两表法完全相同，所不同的只是两表法的测量结果是在仪表外部通过读数人为地相加，而三相功率表则在仪表内部通过转矩自动相加而已。

电动系三相功率表常做成可携式的。图2-1-4是D33-W型三相功率表的电路。该表以B相为公共相，把电流线圈接于A、C两相，使用时应按两表法的接线规则接入电路中。图中R₁为温度补偿电阻。

2.铁磁电动系三相功率表

安装式三相有功功率表通常采用铁磁电动系机构，并做成两元件的。图2-1-5为1D1-W型三相功率表的结构原理图，它由两套完全相同的元件构成。图中右半部分为第一套元件，它由固定线圈A₁、可动线圈D₁、铁心1和铁心2构成。定圈A₁接入A相电流I_A，动圈D₁和附加电阻R₁、R₂串联后接在线电压U_AB上。磁路由山形铁心1和弓形铁心2构成。在通电后，动圈D₁便处在定圈A₁磁场中，因而产生转矩。左半侧的第二套元件在结构上和第一套元件完全对称，但为了减小外磁场的影响，定圈A₂的绕向应和A₁相反。第二套元件接入电流I_c和线电压U_CB，构成了两表法的测量电路。两套元件的动圈固定在同一转轴上，仪表的总转矩为两个元件转矩的代数和。因此，仪表的读数就是三相电路的有功功率。

图2-1-4 D33-W型三相功率表原理电路图

图2-1-5 1D1-W型三相功率表结构图

铁磁电动系功率表的角误差比较大，这不仅是因为电压线圈存在电感，因而使其电压回路的电流和电压不同相，还因为铁心的磁滞和涡流损耗较大，使电流线圈的电流和它产生的磁通也不同相。所以，在铁磁电动系功率表中都要进行角误差的补偿，补偿的方法一般采用补偿电容。

图2-1-5中电压回路的附加电阻R₁、R₂及R₃、R₄的接法和一般电动系功率表不同，它们靠近电压回路的发电机端，以R_fj表示R₁、R₂和R₃、R₄，则其测量电路如图2-1-6所示。这种接线的好处是两个动圈的一端直接接到公共相B上，它们之间的电位差很小，绝缘要求低，便于制造。这种接线虽然使动圈和定圈之间有较高的电位差，但是，利用铁心和B相直接连接后的屏蔽作用，可以使静电影响得到消除。

铁磁电动系三相功率表还会由于两套元件在结构上的不完全对称而出现转矩不平衡的误差。为了消除这种误差，应使两套元件转矩和功率的比例常数完全相符，方法是调整铁心间隙和附加电阻等。

3.铁磁电动系三相无功功率表

安装式三相无功功率表都采用铁磁电动系的结构，并按两表跨相法或两表人工中点的原理构成。仪表的基本结构和铁磁电动系两元件三相有功功率表相同，即把两个功率表元件组合在一起，仪表的总转矩为两个元件转矩的代数和。

按两表跨相法构成的三相无功功率表的型号很多，图2-1-7所示为1D5-var型表的接线图。由于按两表跨相法接线，仪表的总转矩乘以3/2才能正确地反映三相无功功率的数值。这个关系在仪表制造时已经加以考虑，因此可从标尺直接读出三相无功功率的数值。图中电容器C是角误差补偿电容。这种无功功率表只适用于三相三线制负载对称的电路。

图2-1-6 铁磁电动系三相功率表附加电阻接法

图2-1-7 1D5-var型三相无功功率表

1D1-var型三相无功功率表是按两表人工中点法的原理构成的，其接线图如图2-1-8所示。B相附加电阻R_B的阻值和A相或C相电压回路的总电阻（动圈电阻与附加电阻R_A或R_C之和）相等，以获得人工中点。两元件的转矩在转轴上相加后应乘以3，才能正确反映三相无功功率。由于仪表在制造时，已经考虑了这个倍数，所以三相无功功率也可以直接从标尺上读得。1D1-var型三相无功功率表可以用于三相三线制负载对称及不对称的电路。

图2-1-8 1D1-var型三相无功功率表

（二）功率因数表

三相功率因数表用于测量三相对称电路的功率因数，图2-1-9为1D5-cosφ型三相功率因数表的原理电路。该表也是用电动系比较表的原理构成。两个定圈A₁和A₂可以接成并联或串联，以适应不同的电流量程。互相交叉的两个动圈D₁和D₂分别和不同的附加电阻串联，以获得110V、220V、380V三种电压量程。

1D5-cosφ型三相功率因数表按铁磁电动系比率表的原理构成，其测量机构如图2-1-9所示。两个定圈A₁和A₂分别绕在铁心上，铁心和弓形铁轭构成闭合磁路，但其间的空气隙做得不均匀，因而在定圈内的磁场是不均匀的。靠近左侧的空气隙小，磁场强，靠近右侧，空气隙大，磁场弱。动圈D₁和D₂分别套在上下铁轭上，位于同一平面，并且固定在轴的两侧。应注意当可动部分受力而偏转时，作用在动圈D₁和D₂上的磁感应强度将随动圈位置的改变而变化。

图2-1-9b为该表的原理电路图。定圈A₁和A₂串联接入A相电路，通过的电流为I·_A；动圈D₁和电阻R₁串联，并接到电压U_AB上，由于电阻R₁的作用，D₁中的电流I·₁和电压U_AB同相；动圈D₂和电阻R₂串联后接于电压U_CA上，其电流I·₂则和电压U_AC同相。图中R₃与R₄称为交叉电阻。

（三）交流电能表

经电压、电流互感器接线的三相有功、无功电能表，接线如图2-1-10所示。

图2-1-9 1D5-cosφ型三相功率因数表

a）测量机构图 b）原理电路图

图2-1-10 经电压，电流互感器接线的三相有功、无功电能表

（四）电桥的使用

1.直流单臂电桥

（1）单臂电桥的工作原理 直流单臂电桥又称惠斯登电桥，其工作原理如图2-1-11所示。电阻R_x、R₂、R₃、R₄接成四边形，在四边形的一条对角线ab上经按钮开关B接入直流电源E，在另一条对角线cd上接入检流计G作为指零仪。接通按钮开关B后，调节标准电阻R₂、R₃和R₄，使检流计的指示为零，即使电桥平衡，则被测电阻R_x的数值即可根据已知的标准电阻R₂、R₃、R₄算出。

图2-1-11 直流单臂电桥原理图

图中当电桥平衡时，I_g=0，即检流计两端c和d点的电位相等，因此有

U_ac=U_ad

即I₁R_x=I₄R₄

U_cb=U_db

即I₂R₂=I₃R₃

两式相比，并考虑到I₁=I₂和I₃=I₄，故得

电阻R₂与R₃的比值配成固定的比例，叫做电桥的比率臂，而电阻R₄称为比较臂。在测量时，可根据对被测电阻的粗略估计选取一定的比率臂，然后调节比较臂使电桥平衡，则比较臂的数值乘上比率臂的倍数，就是被测电阻的数值。

（2）QJ23型直流单臂电桥 图2-1-12为QJ23型直流单臂电桥的原理图及面板图。电桥的比率臂R₂/R₃，共有七个固定的比例，即分成10^-3、10^-2、10^-1、1、10、10²和10³七档，由转换开关K换接。转换开关的旋钮1装在面板上，并标有不同档位的比率臂（倍率）值，以便于操作和读数。比较臂（R₄）由四组可调电阻串联而成，每组又由九个相同的电阻组成，分别构成了个位、十位、百位和千位欧姆可调电阻。比较臂的电阻可由四个转换开关选择，其旋钮都装在面板上，并有欧姆值的标记，构成了比较臂电阻的四位读数盘，如图2-1-12b所示。调节比较臂旋钮的位置，可以得到从0～9999Ω，范围内的任意电阻值（但最小的调节范围不小于1Ω）。电桥平衡时，被测电阻R_x=倍率×比较臂的读数（Ω）即可求得。

图2-1-12 QJ23型直流单臂电桥

a）原理电路图 b）面板布置图 1—倍率旋钮 2—比较臂读数盘 3—检流计

为了保护检流计，在检流计上装有锁扣，以便在电桥使用完毕后将其可动部分锁住。此外，在检流计回路中还装有按钮开关G。检流计按钮G和电源按钮B均装在面板上，以便于操作。被测电阻R_x作为一个桥臂并由面板上标志R_x的两个端钮接入。此外，面板上还备有“外接（检流计）”和“内接（检流计）”的端钮。使用“外接（检流计）”时，应用连接片将“内接（检流计）”端钮短路。

QJ23型电桥的测量范围为1～9999000Ω，准确度为0.2级。但是只有电桥在100～9990Ω的基本量程内，误差不超过±0.2%。在1～100Ω和9990Ω以上，实际误差会超过±0.2%，在QJ23技术说明中有明确提示，使用者需特别注意。

（3）直流单臂电桥和使用

①在使用前，先把检流计的锁扣打开，并调节调零器把指针调到零位。

②接入被测电阻时，应选择较粗较短的连接导线，并将接头拧紧，接头接触不良时，将使电桥的平衡不稳定，甚至可能损坏检流计，所以需要特别注意。

③估计被测电阻的大致数值，以便选择合适的比率臂。如对被测电阻的数值大小不了解，应先用万用表测出被测电阻的大致数值，否则在测试中可能使电桥极不平衡而损坏检流计。比率臂的选择，应使比较臂的四个档都能用上，以便使电桥易于调到平衡，并可保证测量结果的有效数字。

④进行测量时，应先接通电源按钮B，然后接通检流计按钮G。测量结束后，应先断开检流计按钮G，再断开电源按钮B。这是为了防止当被测元件具有电感时，由于电路的通断产生很大的自感电势而使检流计损坏。在测电感线圈的直流电阻时，这一点尤其需要注意。

⑤电桥电路接通后，如果检流计向“+”的方向偏转，表示需要增加比较臂的电阻；反之，如指针向“-”的方向偏转，则应减少比较臂的电阻。反复调节比较臂电阻使指针向零位趋近，直至电桥平衡为止。

⑥电桥使用完毕后，应即将检流计的锁扣锁上，以防止在搬运过程中将悬丝损坏。有的电桥电检流计不装锁扣，这时，应将按钮G断开，它的常闭触点就会自动将检流计短路，使可动部分在摆动时受到强烈的阻尼作用而得到保护。

2.直流双臂电桥

单臂电桥不适于测量1Ω以下的小电阻。这是因为，当被测电阻很小时，由于测量中连接导线的电阻和接触电阻的影响，势必造成很大的测量误差。

直流双臂电桥又称凯尔文电桥，可以消除接线电阻和接触电阻的影响，是一种专门用来测量小电阻的电桥。

（1）直流双臂电桥的原理 直流双臂电桥的电路如图2-1-13所示。它和单臂电桥不同的地方是被测电阻R_x和标准电阻R₂′共同组成电桥的一个臂，标准电阻R_n和R₁′组成了与其对应的另一个桥臂；同时，将R_x和R_n。用一根电阻为r的粗导线连接起来。为了消除接线电阻和接触电阻的影响，R_x和R_n都有两对端钮，即电流端钮C₁、C₂和C_n1、C_n2以及电位端钮P₁、P₂和P_n1、P_n2，并且均用电位端钮接入桥臂。桥臂电阻R₁、R₁′、R₂和R₂′都是＞10Ω的标准电阻，而且采用机械联动的调节装置，以使桥臂电阻在调节过程中，永远保持比值R₁′/R₁和R₂′/R₂相等。

图2-1-13 直流双臂电桥电路图

被测电阻R_x电位端钮P₁和P₂的接触电阻以及R_x和R₂、R₂′的接线电阻，是和桥臂电阻R₂及R₂′相串联的。由于R₂和R₂′的阻值都>10Ω，其数值比接线电阻和接触电阻大得多，所以造成的误差是微不足道的。同理，标准电阻R_n电位端钮R_n1和R_n2的接触电阻以及接线电阻，也并不影响标准电阻本身的数值，因为它们都算到桥臂电阻R₁及R₁′中去了。另外，电流端钮C₂和C_n2接触电阻的影响可以并入连线电阻r中一起考虑，而r是处在校正项中，因此对测量结果也不产生影响。而电流端钮C₁和C_n1的接触电阻以及它们与电源连接导线的电阻则串联在电源电路中，只对电源输出的电流有影响，而对电桥的平衡并无影响。可见，双臂电桥可以较好地消除接线电阻和接触电阻的影响，因而用来测量小电阻时，有较准确的测量结果。

（2）QJ103型直流双臂电桥 图2-1-14为QJ103型直流双臂电桥的原理电路图及面板图。

图2-1-14 QJ103型直流双臂电桥

1—倍率旋钮 2—标准电阻读数盘 3—检流计

电桥共100、10、1、0.1和0.01五个固定的倍率，倍率的改变借机械联动转换开关K进行，以保持R₁′/R₁=R₂′/R₂。转换开关的旋钮1装在面板上并标明了不同挡位的倍率。标准电阻R_n的数值，可以0.01～0.11Ω的范围内连续调节，其调节旋钮和刻度盘一起，装在面板上，以便于取得读数。当电桥平衡时，根据将所有比率乘以标准电阻的读数，就可求得被测电阻的大小。

此外，在面板上还装有被测电阻的电流和电位端钮C₁、C₂、P₁和P₂，按钮开关B和G，以及外接电源接线柱等。

QJ103直流双臂电桥在基本量程0.0011～11Ω的范围内，测量误差为±0.2%。

（3）直流双臂电桥的使用 直流双臂电桥的使用方法和注意事项，与单臂电桥基本相同，但还要注意以下几点。

①被测电阻的电流端钮、电位端钮和双臂电桥的对应端钮正确连接。当被测电阻没有专门的电位端钮和电流端钮时，也要设法引出四根线和双臂电桥相连接，并用靠近被测电阻的一对导线接到电桥的电位端钮上，如图2-1-15所示。连接导线应尽量用短线和粗线，接头要接牢。

②由于双臂电桥的工作电流较大，所以测量要迅速，以免电池的无谓消耗。

图2-1-15 被测电阻的连接方法

为了扩大使用范围，有些直流电桥还做成单双臂两用的，例如QJ19型等。