相關知識

知識一 儀表基本知識

1.儀表的種類

（1）按用途分為電流表、電壓表、功率表、功率因數表、電能表、絕緣電阻測試儀、萬用表等。

（2）按被測電流分為直流表、交流表和交直流兩用表。

（3）按儀表的使用方式分為安裝式和便攜式等。

（4）按儀表的工作原理分為電磁系、電動系、感應系、電子式等。

（5）按準確度等級分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七個等級。數字越小，儀表的準確度等級越高。

2.儀表的組成

電測量儀表是先將被測量轉換為可動部分的角位移，然后通過可動部分的指示器（如指針等）在標度尺上的位移直接讀出被測量的大小。為了實現這種變換，這類儀表基本結構大致相同，都由測量線路和測量機構兩部分組成，其結構方框圖如圖1.2所示。

在電工測量中，因有的被測量數值較大或因其他原因不能直接加到儀表的測量機構進行測量，因此需要通過測量線路將被測量（如電流、電壓、功率等）按一定比例關系變換成測量機構可以接受的過渡電量，例如，利用分流器、附加電阻等測量線路進行轉換。同一系列的儀表，通常采用相同的測量機構，加上不同的測量線路，就可構成測量不同電量的儀表。如變換式儀表，就是采用磁電系儀表作為測量機構，根據被測量對象的不同分別配上不同的測量線路（即變換器）就可實現對功率、頻率、相位等多種電量的測量。

測量機構是電測量指示儀表的核心，它的作用是將被測電量（或過渡電量）所產生的電磁力轉換成儀表指針的角位移。測量機構一般可由固定部分和可動部分組成。不同類型的測量機構，其可動部分和固定部分的具體結構各不相同。根據可動部分在偏轉過程中各元件所完成的功能和作用，可分為驅動裝置、控制裝置和阻尼裝置三部分。

（1）驅動裝置

當被測量作用于儀表后，就會產生一個力矩作用到儀表的測量機構，推動儀表的可動部分發生偏轉，通常把這個力矩稱為轉動力矩或者轉矩，產生轉動力矩的裝置稱為驅動裝置。

（2）控制裝置

如果指示儀表的測量機構只有轉動力矩的作用，而沒有反作用力矩與之平衡，則不論被測量多大，可動部分都要偏轉到極限位置。就像用秤稱物體的重量而不用秤砣一樣，不論所稱的物體有多重，秤桿總會向一端高高翹起，這樣一來，就不能準確稱出物體的重量。因此，游絲產生的反作用力與被測量大小成一定的比例關系，使儀表能準確測量出被測量。為了使可動部分偏轉角的大小與被測量大小成一定比例，使儀表能準確測量出被測量的數值，就必須有一個方向總是和轉動力矩相反、大小與活動部分的偏轉角變化的力相等，這個力矩稱為反作用力矩。產生反作用力矩的裝置稱為控制裝置，一般用游絲，即螺旋彈簧，如圖1.3所示。

（3）阻尼裝置

由于測量機構的可動部分具有一定的慣性，當力平衡時，不可能立刻停留在平衡位置，而是在平衡位置左右擺動，這樣不能及時讀數。為了使可動部分盡快靜止，方便讀數，需要一種吸收這種震蕩能量的裝置，這種裝置就稱為阻尼裝置。常用的是空氣阻尼器和磁感應阻尼器，如圖1.4所示為空氣阻尼器。

3.測量的基本方法

（1）靜態測量和動態測量

靜態測量和動態測量是根據測量過程中被測量是否隨時間變化來區分的。前者是指測量時，被測電路不加輸入信號或只加固定電位，如放大器靜態工作點的測量；后者是指在測量時，被測電路需加上一定頻率和幅度的輸入信號，如放大器增益的測量。

（2）直接測量法和間接測量法

① 直接測量法

使用按已知標準定度的電子儀器，對被測量值直接進行測量，從而測得其數據的方法，稱為直接測量法，例如用電壓表測量交流電源電壓等。

需要說明的是，直接測量并不意味著就是用直讀式儀器進行測量，許多比較式儀器雖然不一定能直接從儀器度盤上獲得被測量之值，但因參與測量的對象就是被測量，所以這種測量仍屬直接測量。一般情況下直接測量法的精確度比較高。

② 間接測量法

使用按照已知標準定度的電子儀器，不直接對被測量值進行測量，而對一個或幾個與被測量具有某種函數關系的物理量進行直接測量，然后通過函數關系計算出被測量值，這種測量方法稱為間接測量法。例如，要測量電阻的消耗功率，可以通過直接測量電壓、電流或測量電流、電阻，然后根據P=UI=I2R=U2/R求出電阻的功率。

有的測量需要直接測量法和間接測量法兼用，稱為組合測量法。例如將被測量和另外幾個量組成聯立方程，通過直接測量這幾個量最后求解聯立方程，從而得出被測量的大小。

（3）直讀測量法與比較測量法

直讀測量法是直接從儀器儀表的刻度上讀出測量結果的方法。如一般用電壓表測量電壓；利用頻率計測量信號的頻率等都是直讀測量法。這種方法是根據儀器儀表的讀數來判斷被測量的大小，這種方法簡單方便，因而被廣泛采用。

比較測量法是在測量過程中，通過被測量與標準直接進行比較而獲得測量結果的方法，電橋就是典型的例子，它是利用標準電阻（電容、電感）對被測量進行測量。

（4）測量方法的選擇

采用正確的測量方法，可以得到比較精確的測量結果，否則會出現測量數據不準確或錯誤，甚至會出現損壞測量儀器或損壞被測設備和元件等現象。例如用萬用表的R×1擋測量小功率三極管的發射結電阻時，由于儀表的內阻很小，使三極管基極注入的電流過大，結果晶體管尚未使用就可能會在測試過程中被損壞。

在選擇測量方法時，應首先考慮被測量本身的特性、所處的環境條件、所需要的精確程度，以及所具有的測量設備等因素，綜合考慮后正確地選擇測量方法、測量設備并編制合理的測量程序，才能順利地得到正確的測量結果。

知識二 感應系電度表的原理介紹

電作為一種重要的能源跟我們的生活緊密地聯系著，如果沒有了電，人類社會就不能正常地運轉，所以，如何來計量它就具有了重要的意義。在物理課里我們知道常用的電能單位是“度”，科學的叫法是“千瓦時”。從電能單位的定義可見，要累計某段時間耗費了多少電能，必須把電流的安培數、電壓的伏特數、時間的小時數全都測出來，然后把三者相乘，才能得到瓦時數。這看起來挺復雜，但安在各家墻上的電度表輕松地完成了上述計算功能。

電度表的種類有很多種，電度表按其用途可分為有功電度表、無功電度表、最大需量表、標準電度表、復費率分時電度表、預付費電度表、多功能電度表。按照被測電路的進表相線可分為單項電度表、三相三線電度表和三相四線電度表等。一般家用的是“單相電度表”，常用的有兩種，一種是機械式的，又叫感應式；還有一種是電子式的。區別很明顯，機械式的有個鋁盤在用電時會轉，而電子式的通常是LCD顯示屏直接顯示已用度數，通常還有一個紅色的LED在閃爍，閃爍的頻率與用電功率成正比。在日常生活及工廠中，最常用的是感應系電度表，本知識點將主要介紹感應系單項電度表的工作原理，其外形如圖1.5（a）所示。

1.電度表的工作原理

如圖1.5所示，電度表共由四部分組成：

（1）驅動元件：電流部件和電壓部件；

（2）轉動元件：鋁制圓盤和轉軸；

（3）制動元件：制動磁鐵和鋁盤；

（4）計算機構：計算電度表轉盤的轉數。

當把電度表接入被測電路時，電流線圈和電壓線圈中就有交變電流流過，這兩個交變電流分別在它們的鐵芯中產生交變的磁通；交變磁通穿過鋁盤，在鋁盤中感應出渦流；渦流又在磁場中受到力的作用，從而使鋁盤得到轉矩（主動力矩）而轉動。負載消耗的功率越大，通過電流線圈的電流越大，鋁盤中感應出的渦流也就越大，使鋁盤轉動的力矩就越大，即轉矩的大小跟負載消耗的功率成正比。功率越大，轉矩也越大，鋁盤轉動也就越快。鋁盤轉動時，又受到永久磁鐵產生的制動力矩的作用，制動力矩與主動力矩方向相反；制動力矩的大小與鋁盤的轉速成正比，鋁盤轉動得越快，制動力矩也越大。當主動力矩與制動力矩達到暫時平衡時，鋁盤將勻速轉動。負載所消耗的電能與鋁盤的轉數成正比。鋁盤轉動時，帶動計數器，把所消耗的電能指示出來。

2.電度表常數C

它是電度表的一個重要參數，國產電度表在表盤上會給出這個 C 的參數值，它代表了KWT/轉，即電度表鋁盤轉動1圈所消耗的電量。

P=C·v

W=P·T=C·v·T=C·N

其中 P——被測功率；

C——電度表常數W/n（千瓦時/轉）；

v——轉盤的轉速（轉/小時）；

N——轉數。

日常所使用的電度表為直讀式，通過顯示的數字可直接讀取負載所消耗的電能。

電度表按準確度等級可分為普通安裝式電度表《0.2、0.5、1.0、2.0、3.0級》和攜帶式精密電度表《0.01、0.02、0.05、0.1、0.2》。

3.電表銘牌標志上字母和數字的含義

我國采用220V的電壓制式，交流電的頻率是50Hz。應特別關注標示的電流值：如5（20）A，括號前的電流值叫基本電流，是作為計算負載基數電流值的，括號內的電流叫額定最大電流，是能使電表長期正常工作，而誤差與溫升完全滿足規定要求的最大電流值。根據規程要求，直接接入式的電表，其基本電流應根據額定最大電流和過載倍數來確定，其中，額定最大電流應按經核準的客戶報裝負荷容量來確定；過載倍數，對正常運行中的電表實際負荷電流達到最大額定電流的30%以上的，宜取2 倍表；實際負荷電流低于30%的，應取4 倍表。超負荷用電是不安全的，是引發火災的隱患。銘牌上還標有產品采用的標準代號、制造廠、商標和出廠編號等。

（1）型號含義

電表型號是用字母和數字的排列來表示的，內容如下：

類別代號+組別代號+設計序號+派生號

① 類別代號：D——電表。

② 組別代號：表示相線：D——單相；S——三相三線有功；T——三相四線有功。

用途：A——安培小時計；B——標準；D——多功能；F——復費率；H——總耗；J——直流；L——長壽命；M——脈沖；S——全電子式；Y——預付費；X——無功；Z——最大需量。

③ 設計序號用阿拉伯數字表示，如862、864、201等。

④ 派生號有以下幾種表示方法：T——濕熱、干燥兩用；T H——濕熱帶用；TA——干熱帶用；G——高原用；H——船用；F——化工防腐用等，如：

DD——表示單相電表，如DD862型、DD702型；

DS——表示三相三線有功電表，如DS864型、DS8型；

DT——表示三相四線有功電表，如DT862型、DT864型；

DX——表示無功電表，如DX963型、DX862型；

DJ——表示直流電表，如DJ1型；

DB——表示標準電表，如DB2型、DB3型；

DBS——表示三相三線標準電表，如DBS25型；

DZ——表示最大需量表，如DZ1型；

DBT——表示三相四線有功標準電表，如DBT25型；

DSF——表示三相三線復費率分時電表，如DSF1型；

DSSD——表示三相三線全電子式多功能電表，如DSSD331型；

DDY——表示單相預付費電表，如DDY59型。

（2）銘牌標志

① 計量單位名稱或符號，如：有功電表為“千瓦·時”或“kWh”；無功電表為“千乏·時”或“kvarh”。

② 基本電流和額定最大電流。基本電流（也叫標定電流）是確定電表有關特性的電流值，以 Ib表示；額定最大電流是儀表能滿足其制造標準規定的準確度的最大電流值，以Imax表示。

③ 參比電壓。指確定電表有關特性的電壓值，以 UN表示。對于三相三線電表以相數乘以線電壓表示，如3×380V；對于三相四線電表則是相數乘以相電壓/線電壓表示，如3×220/380V；對于單相電表則以電壓線路接線端上的電壓表示，如220V。

④ 參比頻率。指確定電表有關特性的頻率值，以赫茲（Hz）表示。

⑤ 電表常數。指電表記錄的電能和相應的轉數或脈沖數之間關系的常數。有功電表以kWh/r（imp）或r（imp）/kWh形式表示；無功電表kvarh/r（imp）或r（imp）/kvarh形式表示，兩種常數互為倒數關系。

⑥ 準確度等級。以記入圓圈中的等級數字表示。如銘牌上標有①或②的標志，①代表電表的準確度為1%，或稱1級表；②代表電表的準確度為2%，或稱2級表。

⑦ 相數、線數的符號。

⑧ 耐受環境條件的能力級別，分P、S、A、B四組。

⑨ 制造標準。

⑩ 若電表帶有止逆器，則有標志為：止逆。

有的電表的銘牌上會有A、A1、B、B1的標志，其代表的意義如下：

① A表示電表使用的外界環境溫度應為0～+40℃，相對溫度應為95%；

② A1表示環境溫度為0～+40℃，相對濕度為85%；

③ B表示環境濕度為-10～50℃，相對濕度為95%；

④ B1表示環境溫度為-10～+50℃，相對濕度為85%。

當環境溫度改變時，電表的制動磁通和電壓、電流工作磁通及其相位角φ都發生改變，從而引起附加誤差。如當溫度升高時，制動磁通減少，制動力矩隨之減小，電表轉速加快，同時電表轉盤電阻增大，電流工作磁通與總電流間的夾角減小，總電流的激磁分量與相應磁通皆增大，使電表轉速變快；而且，電壓工作磁通的這部分磁路磁阻隨之減小，使電壓工作磁通增加，電表轉速變快，以上三者作用都產生正的溫度附加誤差。

知識三 電動系功率表的原理介紹

功率表是測量直流、交流電路中功率的機械式指示電表。直流電路和交流電路中的功率分別為 P=UI 和 P=UIcosφ，U，I 為負載電壓和電流，φ為電流向量與電壓向量的夾角，c o sφ為功率因數。對于交流電路測量，功率表可分為有功功率表和無功功率表。雖然各系電表的測量機構都有可能構成測量功率的電表，但最適合制成功率表的是電動系電表。一般單項功率表是由電動系測量機構和附加電阻構成的，其中附加電阻與可動線圈串聯構成了動圈支路，其結構如圖1.6所示。

一般固定線圈平均分成兩組并排放置，中間留有間隙，以便在固定線圈內部獲得較均勻的磁場。可動線圈放在固定線圈的磁場中，它與指針、可動線圈、空氣阻尼器的阻尼片、游絲一起固定在轉軸上，組成了電動系測量機構的可動部分。電動系測量機構的游絲分別承擔著產生反作用力矩和導通動圈電流的任務，其實物如圖1.7所示。

1.單相電動系功率表的工作原理

功率表接線圖如圖1.8所示，當進行功率測量時，功率表的固定線圈與負載串聯反映負載的電流；其可動線圈支路與負載并聯反映負載的電壓。所以固定線圈也叫電流線圈，可動線圈也叫電壓線圈。當負載工作時，固定線圈中的電流 I1為負載電流，此時建立一個磁場，該磁場對可動線圈中的電流產生偏轉力，使可動線圈發生偏轉，偏轉的角度與受力成正比，即磁場越強，可動線圈受力越大，偏轉角越大。

2.功率表的量程

功率表的量程是由電壓量程和電流量程共同決定的。電壓量程也即功率表的電壓線圈支路所能承受的最大工作電壓；電流量程也即電流線圈中允許通過的最大工作電流。而功率表的量程就是電壓量程和電流量程的乘積。因此在實際使用時不能單純考慮功率表的量程，同時也要考慮電流量程和電壓量程是否滿足，也就是說負載的電壓和電流必須小于功率表所選擇的電壓量程和電流量程。如被測量的電壓、電流分別為220V、5A，則功率表的電壓、電流的量程必須大于220V、5A。

一般便攜功率表做成多量程的，電流量程一般有兩個，它是通過改變固定線圈的串、并聯來改換量程的，如圖1.9（a）所示。通過改變與動圈串聯的附加電阻值，可改變電壓量程，如圖1.9（b）所示。

3.讀數

由于便攜功率表是多量程的，所以功率表的刻度為其標尺的分格數，而不是瓦數。要想讀出測量值，首先應計算出每一小格代表的瓦數，即分格常數 C。C 的值由所選的電壓量程、電流量程和功率表的滿格數決定，即

式中，UN為功率表的電壓量程；IN為功率表的電流量程；N為功率表的滿格數。

算出 C 后乘以指針偏轉的格數即為被測負載的功率值。如功率表的電壓量程為300V，電流量程為5A，表盤的滿刻度值為10，則C=300×5/10=150W。若指針偏轉格數為5時，則被測功率為150W×5=750W。

知識四 電動系功率因數表的原理介紹

隨著經濟的日益發展，電力需求不斷提高，伴隨而來的突出問題是能源無效的巨大消耗，資源利用率低下。

電力系統是一個龐大的系統，其電能損耗的數值相當可觀，能源的合理配置是亟需解決的問題。功率因數是決定發供電系統經濟效益的一個極為重要的因素，它直接反映了系統中有功功率與無功功率的分配。對于發、供電系統來說，對負荷不但要求有高的負荷率，而且也要求有高的功率因數。

功率因數是交流電路的重要技術數據之一。功率因數的高低，對于電氣設備的利用率和分析、研究電能消耗等問題都具有十分重要的意義。

所謂功率因數，是指任意二端網絡（與外界有兩個接點的電路）兩端電壓 U 與其中電流 I 之間的位相差的余弦。在二端網絡中消耗的功率是指平均功率，也稱為有功功率，它等于

1.功率因數表的結構

單相功率因數表結構如圖1.10所示，其可動部分由兩個互相垂直的動圈組成。動圈1 與電阻器R串聯后接以電源電壓 U，并和通以負載電流 I 的固定線圈（定圈）組合，相當于一個功率表，從而使可動部分受到一個與功率 UIcosφ和偏轉角正弦sinα的乘積成正比的力矩 M1，M1=K1UIcosφsinα。K1 為系數，cosφ為負載功率因數。動圈2 與電感器L串聯后接以電源電壓 U，并與定圈組合，相當于無功功率表，從而使可動部分受到一個與無功功率 UIsinφ和偏轉角余弦cosα的乘積成正比的力矩 M2，M2=K2UIsinφcosα，K2為系數。

對純電阻負載，φ=0°，M2=0，電表可動部分在 M1的作用下，指針轉到φ=0°，即c o sφ=1的標度處。對純電容負載，φ=90°，M1=0，電表可動部分在 M2的作用下，指針逆時針轉到φ=90°即c o sφ=0（容性）的標度處。對純電感負載，由于定圈電流 I 及力矩 M2改變了方向，電表可動部分在M2的作用下，指針順時針轉到φ=90°即c o sφ=0（感性）的標度處。對一般負載，在力矩 M1和 M2的作用下，指針轉到相應的c o sφ值的標度處。

其實物如圖1.11所示。

2.功率因數表的讀數

功率因數表的讀數為直讀式，表盤的一側標有L，另一側標有C。當指針偏向L側時，表示此時電路呈感性；當指針偏向C側時，表示此時電路呈容性。

知識五 鉗形表的原理

鉗形電流表是由一個特殊電流互感器、一個整流磁電系電流表、量程轉換開關及內部線數組成，其結構示意圖如圖1.12所示。一般常見型號為T301 型和T302 型。T301 型鉗形電流表只能測量交流電流，而T302 型是交直流兩用型。此外，還有交直流兩用袖珍鉗形電流表，如MG20、MG26、MG36等型號。

鉗形電流表的工作原理建立在電流互感器工作原理的基礎上，其互感器的鐵芯有一活動部分在鉗形表的上端，并與手柄相連，當握緊鉗形電流表手柄時，電流互感器的鐵芯可以張開，被測電流的導線進入鉗口內部作為電流互感器的一次繞組。當放松手柄時，鐵芯閉合。鐵芯中的磁通在二次繞組中產生感應電流，使電流表指示出被測電流的數值，其原理如圖1.13所示。

知識六 電磁系電流表、電壓表的原理

鉗形表一般常用在在線監測、實時監控中，即測量電路工作過程中的電流、電壓值，以便及時發現電路故障。而且鉗形表的電流量程較大，適用于測量大電流，對于被測電流值較小時則不適合使用鉗形表，在這種情況下常用電磁系的電流、電壓表來測量交流電流和電壓，而且在電路初裝檢測及線路故障檢修時也常用電磁系儀表。下面來介紹電磁系電流和電壓表。

根據電磁力相互作用的不同類型，電磁系儀表的測量機構可以分為吸引型、排斥型兩種結構。

1. 吸引型

吸引型電磁系測量機構是利用通有電流的線圈和鐵片之間的吸引力來產生轉動力矩的。吸引型電磁系測量機構的結構示意圖如圖1.14所示，這種機構主要由固定線圈和可動鐵片構成一個電磁系統，它的固定部分是扁形的固定線圈。活動部分由偏心地裝在轉軸上的可動鐵片、阻尼片、永久磁鐵、磁屏蔽體、游絲、指針等組成。固定線圈的形狀是扁平的，中間有一條窄縫，可動鐵片可以轉入此窄縫內。當扁形的線圈中有電流通過時，線圈的附近就產生磁場，使可動鐵片磁化，線圈與可動鐵片之間產生吸引力，從而產生轉動力矩，引起指針偏轉。當轉動力矩與游絲產生的反作用力矩相等時，指針便穩定在某一平衡位置，從而指示出被測量的大小。當線圈中的電流方向改變時，線圈所產生的磁場的極性和被磁化的鐵片的極性同時隨著改變，因此它們之間的作用力方向仍保持不變，也就是說，指針的偏轉方向不會隨電流的方向而改變。

吸引型結構的測量機構，由于結構上的原因，無法達到較高的準確度，一般只用于安裝式儀表或0.5級及以下的可攜式儀表。

2.排斥型

排斥型測量機構的結構如圖1.15所示，這種機構的固定部分由圓形線圈和固定在線圈內壁的鐵片組成，活動部分由固定在轉軸上的可動鐵片、游絲、指針及阻尼片等組成。

當線圈中通入電流時，電流產生磁場，固定鐵片和可動鐵片在磁場作用下同時被磁化，兩個鐵片同一側極性相同，二者之間產生排斥力，從而產生轉動力矩，使可動鐵片旋轉并帶動指針偏轉。當轉動力矩與游絲產生的反作用力矩平衡時，指針便穩定在某一位置，從而指示出被測量的大小。當線圈中的電流方向發生改變時，它所建立的磁場方向隨之改變，兩個被磁化的鐵片的極性也同時隨之改變，但兩個鐵片仍然相互排斥。因此轉動力矩的方向依然保持不變，即指針的偏轉方向不會改變。

排斥型結構的標尺刻度較其他結構的均勻，在結構上采用無骨架線圈，張絲支承，高導磁材料鐵鐮合金做鐵芯，可以制成0.2級或0.1級高準確度儀表。目前，國內外準確度等級較高的電磁系儀表一般都采用這種排斥型結構。

電流、電壓表的實物如圖1.16所示。

在使用交流電流表測量電路電流時，電流表必須串聯到負載電路中；用電壓表測量電壓時，電壓表并聯到被測負載的兩端。

器件清單