1.2 電工測量與儀表

1.2.1 電工測量的意義

一個完整的測量過程，通常包含如下兩個方面：

1.測量對象

電工測量的對象主要是反映電和磁特征的物理量，如電流（I）、電壓（V）、電功率（P）、電能（W）以及磁感應強度（B）等；反映電路特征的物理量，如電阻（R）、電容（C）、電感（L）等；反映電和磁變化規律的非電量，如頻率（f）、相位（?）、功率因數（cosφ）等。

根據測量的目的和被測量的性質，可選擇不同的測量方式和不同的測量方法。

2.測量設備

對被測量與標準量進行比較的測量設備，包括測量儀器和作為測量單位參與測量的度量器。進行電量或磁量測量所需的儀器儀表，統稱電工儀表。電工儀表是根據被測電量或磁量的性質，按照一定原理構成的。電工測量中使用的標準電量或磁量是電量或磁量測量單位的復制體，稱為電學度量器。電學度量器是電氣測量設備的重要組成部分，它不僅作為標準量參與測量過程，而且是維持電磁學單位統一、保證量值準確傳遞的器具。電工測量中常用的電學度量器有標準電池、標準電阻、標準電容和標準電感等。

除以上主要方面外，測量過程中還必須建立測量設備所必需的工作條件；慎重地進行操作，認真記錄測量數據；并考慮測量條件的實際情況進行數據處理，以確定測量結果和測量誤差。

1.2.2 測量方式和測量方法的分類

1.測量方式的分類

主要測量方式如下：

（1）直接測量 在測量過程中，能夠直接將被測量與同類標準量進行比較，或能夠直接用事先刻度好的測量儀器對被測量進行測量，從而直接獲得被測量數值的測量方式稱為直接測量。例如，用電壓表測量電壓、用電度表測量電能以及用直流電橋測量電阻等都是直接測量。直接測量方式廣泛應用于工程測量中。

（2）間接測量 當被測量由于某種原因不能直接測量時，可以通過直接測量與被測量有一定函數關系的物理量，然后按函數關系計算出被測量的數值，這種間接獲得測量結果的方式稱為間接測量。例如，用伏安法測量電阻，是利用電壓表和電流表分別測量出電阻兩端的電壓和通過該電阻的電流，然后根據歐姆定律R=U/I計算出被測電阻R的大小。間接測量方式廣泛應用于科研、實驗室及工程測量中。

2.測量方法的分類

在測量過程中，作為測量單位的度量器可以直接參與也可以間接參與。根據度量器參與測量過程的方式，可以把測量方法分為直讀法和比較法。

（1）直讀法 用直接指示被測量大小的指示儀表進行測量，能夠直接從儀表刻度盤上讀取被測量數值的測量方法，稱為直讀法。直讀法測量時，度量器不直接參與測量過程，而是間接地參與測量過程。例如，用歐姆表測量電阻時，從指針在刻度尺上指示的刻度可以直接讀出被測電阻的數值。這一讀數被認為是可信的，因為歐姆表刻度尺的刻度事先用標準電阻進行了校驗，標準電阻已將它的量值和單位傳遞給歐姆表，間接地參與了測量過程。直讀法測量的過程簡單，操作容易，讀數迅速，但其測量的準確度不高。

（2）比較法 將被測量與度量器在比較儀器中直接比較，從而獲得被測量數值的方法稱為比較法。例如，用天平測量物體質量時，作為質量度量器的砝碼始終都直接參與了測量過程。在電工測量中，比較法具有很高的測量準確度，可以達到±0.001%，但測量時操作比較麻煩，相應的測量設備也比較昂貴。

根據被測量與度量器進行比較時的不同特點又可將比較法分為零值法、較差法和替代法三種。

1）零值法又稱平衡法，它是利用被測量對儀器的作用，與標準量對儀器的作用相互抵消，由指零儀表做出判斷的方法。即當指零儀表指示為零時，表示兩者的作用相等，儀器達到平衡狀態；此時按一定的關系可計算出被測量的數值。顯然，零值法測量的準確度主要取決于度量器的準確度和指零儀表的靈敏度。例如，用天平測量物體質量，用電位差計測量電勢都是零值法測量方法。

2）較差法是通過測量被測量與標準量的差值，或正比于該差值的量，根據標準量來確定被測量的數值的方法。較差法可以達到較高的測量準確度。例如，用不平衡電橋測量電阻就是較差法測量。

3）替代法是分別把被測量和標準量接入同一測量儀器，在標準量替代被測量時，調節標準量，使儀器的工作狀態在替代前后保持一致，然后根據標準量來確定被測量的數值。用替代法測量時，由于替代前后儀器的工作狀態是一樣的，因此儀器本身性能和外界因素對替代前后的影響幾乎是相同的，有效地克服了所有外界因素對測量結果的影響。替代法測量的準確度主要取決于度量器的準確度和儀器的靈敏度。例如，用玻璃管水銀溫度計測量溫度時，可直接由水銀柱高度讀取溫度數值。

1.2.3 電工指示儀表的基本原理及組成

電工指示儀表的基本原理是把被測電量或非電量變換成儀表指針的偏轉角。因此，它也稱為機電式儀表，即用儀表指針的機械運動來反映被測電量的大小。電工指示儀表通常由測量線路和測量機構兩部分組成。測量機構是實現電量轉換為指針偏轉角，并使兩者保持一定關系的機構。它是電工指示儀表的核心部分。測量線路將被測電量或非電量轉換為測量機構能直接測量的電量，測量線路的構成必須根據測量機構能夠直接測量的電量與被測量的關系來確定；它一般由電阻、電容、電感或其他電子元件構成。

1.電工指示儀表的分類

電工指示儀表可以根據原理、結構、測量對象、使用條件等進行分類。

根據測量機構的工作原理分類，可以把儀表分為磁電系、電磁系、電動系、感應系、靜電系、整流系等。

根據測量對象分類，可以分為電流表（安培表、毫安表、微安表）、電壓表（伏特表、毫伏表、微伏表以及千伏表）、功率表（又稱瓦特表）、電度表、歐姆表、相位表等。

根據儀表工作電流的性質分類，可以分為直流儀表、交流儀表和交直流兩用儀表。

按儀表使用方式分類，可以分為安裝式儀表和可攜式儀表等。

按儀表的使用條件分類，可以分為A、A1、B、B1和C五組。有關各組的規定可以查閱國家標準GB/T 776—1976《電測量指示儀表通用技術條件》。

按儀表的準確度分類，有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共七個準確度等級。

2.電工指示儀表的標志

電工指示儀表的表盤上有許多表示其技術特性的標志符號。根據國家標準的規定，每一個儀表必須有表示測量對象的單位、準確度等級、工作電流的種類、相數、測量機構的類別、使用條件級別、工作位置、絕緣強度試驗電壓的大小、儀表型號和各種額定值等標志符號。可參見表1-3。

圖1-5 安裝式儀表型號的編制規則

3.電工指示儀表的型號

（1）安裝式儀表型號的組成 如圖1-5所示。其中第一位代號按儀表面板形狀最大尺寸特征編制；系列代號按測量機構的系列編制，如磁電系代號為“C”，電磁系代號為“T”，電動系代號為“D”等。

（2）可攜式儀表型號的組成 由于可攜式儀表不存在安裝問題，所以將安裝式儀表型號中的形狀代號可省略，即是它的產品型號。

表1-3 常見電工指示儀表和附件的表面標志符號

1.2.4 電工指示儀表的誤差和準確度

1.誤差

電工指示儀表的誤差有基本誤差和附加誤差。儀表的基本誤差是指儀表在規定的使用條件下測量時，由于結構上和制作上不完善引起的誤差。例如，儀表可動部分的摩擦、刻度尺刻度不均勻等原因引起的誤差均屬基本誤差。

當儀表不能在規定的使用條件下工作時，除了基本誤差外，由于溫度、外磁場等因素的影響，還將產生附加誤差。

2.準確度

儀表的基本誤差通常用準確度來表示，準確度越高，儀表的基本誤差就越小。

對于同一只儀表，測量不同大小的被測量，其絕對誤差變化不大，但相對誤差卻有很大變化，被測量越小，相對誤差就越大，顯然，通常的相對誤差概念不能反映出儀表的準確性能，所以，一般用引用誤差來表示儀表的準確度性能。

儀表測量的絕對誤差與該表量程的百分比，稱為儀表的引用誤差。

儀表的準確度就是儀表的最大引用誤差，即儀表量程范圍內的最大絕對誤差與儀表量程的百分比。顯然，準確度等級表明了儀表基本誤差最大允許的范圍。表1-4是國標GB/T776—1976中對儀表在規定的使用條件下測量時，各準確度等級的基本誤差范圍。

表1-4 準確度等級和基本誤差表

1.2.5 電氣測量指示儀表的選擇

無論用怎樣完善的測量儀表進行測量，都會產生誤差。引起測量誤差的原因，除了儀表的基本誤差外，還因為儀表使用不當和選擇不合理而造成。為減小儀表的測量誤差，必須合理地選擇儀表。

1.技術特性比較

各種電氣測量指示儀表的技術特性，見表1-5。

2.儀表的選擇原則

根據被測量的性質選擇儀表類型：根據被測量是直流電還是交流電來選擇直流儀表或交流儀表。測量交流時，應區別是正弦波還是非正弦波，還要考慮被測量的頻率范圍。

1）根據工程實際，合理地選擇儀表的準確度等級：儀表的準確度越高，測量誤差越小，但價格貴，維修也困難，因此在滿足準確度要求的情況下，不選用高準確度儀表。

2）根據測量范圍選用量限：測量結果的準確程度，不僅與儀表準確度等級有關，而且與它的量限也有關。一般應使測量范圍在儀表滿刻度的1/2～2/3以上區域。

3）根據工作環境和條件選擇儀表：按儀表使用條件（溫度、相對濕度），國家規定分為A、B、C三組，見表1-6。

表1-5 各種電氣測量指示儀表的技術特性

（續）

表1-6 儀表使用條件

1.2.6 萬用表

萬用表主要用來測量交、直流電壓、電流、直流電阻及晶體管電流放大倍數等。現在常見的主要有數字式萬用表和機械式萬用表兩種。

（1）數字式萬用表（圖1-6a）在萬用表上可見到轉換旋鈕及測量的擋位：

U：交流電壓擋

U：直流電壓擋

mA：直流電流擋

Ω（R）：電阻擋

HFE：晶體管電流放大位數

萬用表的紅筆表示接外電路正極，黑筆表示接外電路負極。優點：防磁、讀數方便、準確（數字顯示）。

（2）機械式萬用表（圖1-6b）機械式萬用表的外觀和數字表有一定區別，但它們倆的轉擋旋鈕是差不多的，擋位也基本相同。在機械表上會見到有一個表盤，表盤上有八條刻度尺：

圖1-6 萬用表

a）數字式萬用表 b）機械式萬用表

標有“Ω”標記的是測電阻時用的刻度尺

標有“～”標記的是測交直流電壓、直流電流時用的刻度尺

標有“HFE”標記的是測晶體管時用的刻度尺

標有“LI”標記的是測量負載的電流、電壓的刻度尺

標有“DB”標記的是測量電平的刻度尺

（3）萬用表的使用 數字式萬用表：測量前先打到測量的擋位，要注意的是擋位上所標的是量程，即最大值；

機械式萬用表：測量電流、電壓的方法與數學式相同，但測電阻時，讀數要乘以擋位上的數值才是測量值。例如：現在打的擋位是“×100”，讀數是200，測量結果是200×100Ω=20000Ω=20kΩ，表盤上“Ω”尺是從左到右，從大到小，而其他物理量是從左到右，從小到大。

（4）注意事項

調“零點”（機械表才有）。在使用表前，先要看指針應指在左端“零位”上，如果不是，則應慢慢旋轉表殼中央的“起點零位”校正螺釘，使指針指在零位上。

使用萬用表時應水平放置（機械才有），測試前要確定測量內容，將量程旋鈕旋到所要測量的相應擋位上，以免燒毀表頭，如果不知道被測物理量的大小，要先從大量程開始試測。表筆要正確地插在相應的插口中，測試過程中，不要任意旋轉擋位變換旋鈕。

使用完畢后，一定要將擋位變換旋鈕調到交流電壓的最大量程擋位上。測直流電壓、電流時，要注意電壓的正、負極、電流的流向，表筆相接要正確，千萬不能用電流檔測電壓。在不明白的情況下測交流電壓時，最好先是從高擋位測起，以防萬一。

1.2.7 示波器

示波器是顯示被測電壓信號波形的儀器，是電工測量領域最為常見的儀器之一。利用示波器，不僅可以直觀地看到被測電壓信號的波形形態，而且可以用示波管上的刻度，測量被測信號的周期、幅度、上升時間、下降時間、變化速率，電源電壓中的紋波，信號中的噪聲，以及兩個信號之間的幅度差、相位差等。由于示波器具有較高的輸入電阻，在大多數情況下，示波器探頭接在被測電路中，不會影響被測電路的正常工作。

圖1-7 是一個示波器實物照片。

圖1-7 示波器外觀

1.示波器種類和應用場合

示波器被分為模擬示波器和數字存儲示波器兩大類。沒有存儲設備，僅能依賴被測信號的周期性，完成信號的穩定顯示的，都是模擬示波器；將被測電壓信號轉變成數字量存儲在內存中，然后轉換到示波管顯示，或者直接利用顯示器顯示的，都屬于數字存儲示波器。

模擬示波器的優點是價格低、易操作，廣泛應用于教學和一般要求的科研、維修等領域。在甚高頻領域，模擬示波器仍占據著主導地位。

數字示波器的優點是功能全，使用靈活：

1）可以穩定顯示低頻信號和瞬態的非周期性信號。

2）可以將被測信號記錄轉存到計算機中，甚至直接驅動打印機將波形打印出來。

3）有些數字示波器自帶FFT功能，可以在屏幕上顯示頻譜。

4）有些數字示波器具備便攜式功能，可在野外工作。

隨著數字示波器價格的降低，在很多場合，模擬示波器正被數字示波器所取代，這類似于數碼相機逐漸取代傳統的膠片相機。但是，由于使用習慣、價格、特殊領域要求等因素，傳統的模擬示波器仍然存在較大的應用領域。

2.示波器應用中的注意事項

示波器使用前需要了解的注意事項如下：

1）示波器內部存在高壓。當示波器出現故障時，不得擅自打開機殼，應該通知實驗員或者專門的維修人員。

2）不得隨意改變示波器的交流電壓選擇，否則可能引起示波器燒毀，也可能引起觸電等事故。

3）不得自行更換示波器的保險管，否則容易引起保險失靈，導致內部電路損壞。

4）示波器的輸入端都存在輸入電壓上限，當輸入電壓超過其規定的上限，有可能發生擊穿等故障或者引起更大的危險。

5）示波管類似于電視機的顯像管，屬于易老化部件。長期不使用的示波器，不應該處于開機狀態。

6）一般情況下，示波器探頭接入被測電路，不會影響被測電路原先的工作狀態。但是，在高頻或者被測電路具有較高輸出電阻時，示波器的引入可能引起被測電路狀態變化，這需要引起使用者的注意。

7）示波器的所有旋鈕和轉動式開關，都難以承受過大的扭動力。特別是內選開關，要求右旋到底時，極易發生用力過大，導致旋鈕或者開關斷裂的情況。當右旋受到較大阻力時，不能用力右旋，而應該通過左旋試探來保證右旋到底。

8）關閉示波器后，不要隨意改變示波器旋鈕、開關狀態。這樣有利于下次使用。

9）有些示波器的探頭，是與主機配套的，具有補償作用，因此，不要輕易將探頭與示波器分離。

1.2.8 絕緣電阻表

在用電過程中就存在著用電安全問題，在電器設備中，例如電動機、電纜、家用電器等。它們的正常運行之一就是其絕緣材料的絕緣程度即絕緣電阻的數值。當受熱和受潮時，絕緣材料便老化。其絕緣電阻便降低。從而造成電器設備漏電或短路事故的發生。為了避免事故發生，就要求經常測量各種電器設備的絕緣電阻，判斷其絕緣程度是否滿足設備需要。普通電阻的測量通常有低電壓下測量和高電壓下測量兩種方式。而由于絕緣電阻一般數值較高（一般為兆歐級），在低電壓下的測量值不能反映在高電壓條件下工作的真正絕緣電阻值。絕緣電阻表習稱兆歐表，它是測量絕緣電阻最常用的儀表。它在測量絕緣電阻時本身就有高電壓電源，這就是它與測電阻儀表的不同之處。絕緣電阻表用于測量絕緣電阻既方便又可靠。但是如果使用不當，它將給測量帶來不必要的誤差，我們必須正確使用絕緣電阻表進行測量。

總之，絕緣材料電阻可用絕緣電阻表來測量，絕緣電阻表又稱搖表，用于測量電氣設備或配電設備的絕緣電阻，其單位為兆歐（MΩ）。絕緣電阻表的額定電壓應根據被測電氣設備的額定電壓來選擇。測量500V以下的設備，選用500V或1000V的絕緣電阻表；額定電壓在500V以上的設備，應選用1000V或2500V的絕緣電阻表；對于絕緣子、母線等材料要選用2500V或3000V絕緣電阻表。本次訓練為低壓380V異步電動機的測試，采用500V指針式絕緣電阻表（見圖1-8）。

圖1-8 500V指針式絕緣電阻表