1.2 电工测量与仪表

1.2.1 电工测量的意义

一个完整的测量过程，通常包含如下两个方面：

1.测量对象

电工测量的对象主要是反映电和磁特征的物理量，如电流（I）、电压（V）、电功率（P）、电能（W）以及磁感应强度（B）等；反映电路特征的物理量，如电阻（R）、电容（C）、电感（L）等；反映电和磁变化规律的非电量，如频率（f）、相位（ϕ）、功率因数（cosφ）等。

根据测量的目的和被测量的性质，可选择不同的测量方式和不同的测量方法。

2.测量设备

对被测量与标准量进行比较的测量设备，包括测量仪器和作为测量单位参与测量的度量器。进行电量或磁量测量所需的仪器仪表，统称电工仪表。电工仪表是根据被测电量或磁量的性质，按照一定原理构成的。电工测量中使用的标准电量或磁量是电量或磁量测量单位的复制体，称为电学度量器。电学度量器是电气测量设备的重要组成部分，它不仅作为标准量参与测量过程，而且是维持电磁学单位统一、保证量值准确传递的器具。电工测量中常用的电学度量器有标准电池、标准电阻、标准电容和标准电感等。

除以上主要方面外，测量过程中还必须建立测量设备所必需的工作条件；慎重地进行操作，认真记录测量数据；并考虑测量条件的实际情况进行数据处理，以确定测量结果和测量误差。

1.2.2 测量方式和测量方法的分类

1.测量方式的分类

主要测量方式如下：

（1）直接测量 在测量过程中，能够直接将被测量与同类标准量进行比较，或能够直接用事先刻度好的测量仪器对被测量进行测量，从而直接获得被测量数值的测量方式称为直接测量。例如，用电压表测量电压、用电度表测量电能以及用直流电桥测量电阻等都是直接测量。直接测量方式广泛应用于工程测量中。

（2）间接测量 当被测量由于某种原因不能直接测量时，可以通过直接测量与被测量有一定函数关系的物理量，然后按函数关系计算出被测量的数值，这种间接获得测量结果的方式称为间接测量。例如，用伏安法测量电阻，是利用电压表和电流表分别测量出电阻两端的电压和通过该电阻的电流，然后根据欧姆定律R=U/I计算出被测电阻R的大小。间接测量方式广泛应用于科研、实验室及工程测量中。

2.测量方法的分类

在测量过程中，作为测量单位的度量器可以直接参与也可以间接参与。根据度量器参与测量过程的方式，可以把测量方法分为直读法和比较法。

（1）直读法 用直接指示被测量大小的指示仪表进行测量，能够直接从仪表刻度盘上读取被测量数值的测量方法，称为直读法。直读法测量时，度量器不直接参与测量过程，而是间接地参与测量过程。例如，用欧姆表测量电阻时，从指针在刻度尺上指示的刻度可以直接读出被测电阻的数值。这一读数被认为是可信的，因为欧姆表刻度尺的刻度事先用标准电阻进行了校验，标准电阻已将它的量值和单位传递给欧姆表，间接地参与了测量过程。直读法测量的过程简单，操作容易，读数迅速，但其测量的准确度不高。

（2）比较法 将被测量与度量器在比较仪器中直接比较，从而获得被测量数值的方法称为比较法。例如，用天平测量物体质量时，作为质量度量器的砝码始终都直接参与了测量过程。在电工测量中，比较法具有很高的测量准确度，可以达到±0.001%，但测量时操作比较麻烦，相应的测量设备也比较昂贵。

根据被测量与度量器进行比较时的不同特点又可将比较法分为零值法、较差法和替代法三种。

1）零值法又称平衡法，它是利用被测量对仪器的作用，与标准量对仪器的作用相互抵消，由指零仪表做出判断的方法。即当指零仪表指示为零时，表示两者的作用相等，仪器达到平衡状态；此时按一定的关系可计算出被测量的数值。显然，零值法测量的准确度主要取决于度量器的准确度和指零仪表的灵敏度。例如，用天平测量物体质量，用电位差计测量电势都是零值法测量方法。

2）较差法是通过测量被测量与标准量的差值，或正比于该差值的量，根据标准量来确定被测量的数值的方法。较差法可以达到较高的测量准确度。例如，用不平衡电桥测量电阻就是较差法测量。

3）替代法是分别把被测量和标准量接入同一测量仪器，在标准量替代被测量时，调节标准量，使仪器的工作状态在替代前后保持一致，然后根据标准量来确定被测量的数值。用替代法测量时，由于替代前后仪器的工作状态是一样的，因此仪器本身性能和外界因素对替代前后的影响几乎是相同的，有效地克服了所有外界因素对测量结果的影响。替代法测量的准确度主要取决于度量器的准确度和仪器的灵敏度。例如，用玻璃管水银温度计测量温度时，可直接由水银柱高度读取温度数值。

1.2.3 电工指示仪表的基本原理及组成

电工指示仪表的基本原理是把被测电量或非电量变换成仪表指针的偏转角。因此，它也称为机电式仪表，即用仪表指针的机械运动来反映被测电量的大小。电工指示仪表通常由测量线路和测量机构两部分组成。测量机构是实现电量转换为指针偏转角，并使两者保持一定关系的机构。它是电工指示仪表的核心部分。测量线路将被测电量或非电量转换为测量机构能直接测量的电量，测量线路的构成必须根据测量机构能够直接测量的电量与被测量的关系来确定；它一般由电阻、电容、电感或其他电子元件构成。

1.电工指示仪表的分类

电工指示仪表可以根据原理、结构、测量对象、使用条件等进行分类。

根据测量机构的工作原理分类，可以把仪表分为磁电系、电磁系、电动系、感应系、静电系、整流系等。

根据测量对象分类，可以分为电流表（安培表、毫安表、微安表）、电压表（伏特表、毫伏表、微伏表以及千伏表）、功率表（又称瓦特表）、电度表、欧姆表、相位表等。

根据仪表工作电流的性质分类，可以分为直流仪表、交流仪表和交直流两用仪表。

按仪表使用方式分类，可以分为安装式仪表和可携式仪表等。

按仪表的使用条件分类，可以分为A、A1、B、B1和C五组。有关各组的规定可以查阅国家标准GB/T 776—1976《电测量指示仪表通用技术条件》。

按仪表的准确度分类，有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共七个准确度等级。

2.电工指示仪表的标志

电工指示仪表的表盘上有许多表示其技术特性的标志符号。根据国家标准的规定，每一个仪表必须有表示测量对象的单位、准确度等级、工作电流的种类、相数、测量机构的类别、使用条件级别、工作位置、绝缘强度试验电压的大小、仪表型号和各种额定值等标志符号。可参见表1-3。

图1-5 安装式仪表型号的编制规则

3.电工指示仪表的型号

（1）安装式仪表型号的组成 如图1-5所示。其中第一位代号按仪表面板形状最大尺寸特征编制；系列代号按测量机构的系列编制，如磁电系代号为“C”，电磁系代号为“T”，电动系代号为“D”等。

（2）可携式仪表型号的组成 由于可携式仪表不存在安装问题，所以将安装式仪表型号中的形状代号可省略，即是它的产品型号。

表1-3 常见电工指示仪表和附件的表面标志符号

1.2.4 电工指示仪表的误差和准确度

1.误差

电工指示仪表的误差有基本误差和附加误差。仪表的基本误差是指仪表在规定的使用条件下测量时，由于结构上和制作上不完善引起的误差。例如，仪表可动部分的摩擦、刻度尺刻度不均匀等原因引起的误差均属基本误差。

当仪表不能在规定的使用条件下工作时，除了基本误差外，由于温度、外磁场等因素的影响，还将产生附加误差。

2.准确度

仪表的基本误差通常用准确度来表示，准确度越高，仪表的基本误差就越小。

对于同一只仪表，测量不同大小的被测量，其绝对误差变化不大，但相对误差却有很大变化，被测量越小，相对误差就越大，显然，通常的相对误差概念不能反映出仪表的准确性能，所以，一般用引用误差来表示仪表的准确度性能。

仪表测量的绝对误差与该表量程的百分比，称为仪表的引用误差。

仪表的准确度就是仪表的最大引用误差，即仪表量程范围内的最大绝对误差与仪表量程的百分比。显然，准确度等级表明了仪表基本误差最大允许的范围。表1-4是国标GB/T776—1976中对仪表在规定的使用条件下测量时，各准确度等级的基本误差范围。

表1-4 准确度等级和基本误差表

1.2.5 电气测量指示仪表的选择

无论用怎样完善的测量仪表进行测量，都会产生误差。引起测量误差的原因，除了仪表的基本误差外，还因为仪表使用不当和选择不合理而造成。为减小仪表的测量误差，必须合理地选择仪表。

1.技术特性比较

各种电气测量指示仪表的技术特性，见表1-5。

2.仪表的选择原则

根据被测量的性质选择仪表类型：根据被测量是直流电还是交流电来选择直流仪表或交流仪表。测量交流时，应区别是正弦波还是非正弦波，还要考虑被测量的频率范围。

1）根据工程实际，合理地选择仪表的准确度等级：仪表的准确度越高，测量误差越小，但价格贵，维修也困难，因此在满足准确度要求的情况下，不选用高准确度仪表。

2）根据测量范围选用量限：测量结果的准确程度，不仅与仪表准确度等级有关，而且与它的量限也有关。一般应使测量范围在仪表满刻度的1/2～2/3以上区域。

3）根据工作环境和条件选择仪表：按仪表使用条件（温度、相对湿度），国家规定分为A、B、C三组，见表1-6。

表1-5 各种电气测量指示仪表的技术特性

（续）

表1-6 仪表使用条件

1.2.6 万用表

万用表主要用来测量交、直流电压、电流、直流电阻及晶体管电流放大倍数等。现在常见的主要有数字式万用表和机械式万用表两种。

（1）数字式万用表（图1-6a）在万用表上可见到转换旋钮及测量的挡位：

U：交流电压挡

U：直流电压挡

mA：直流电流挡

Ω（R）：电阻挡

HFE：晶体管电流放大位数

万用表的红笔表示接外电路正极，黑笔表示接外电路负极。优点：防磁、读数方便、准确（数字显示）。

（2）机械式万用表（图1-6b）机械式万用表的外观和数字表有一定区别，但它们俩的转挡旋钮是差不多的，挡位也基本相同。在机械表上会见到有一个表盘，表盘上有八条刻度尺：

图1-6 万用表

a）数字式万用表 b）机械式万用表

标有“Ω”标记的是测电阻时用的刻度尺

标有“～”标记的是测交直流电压、直流电流时用的刻度尺

标有“HFE”标记的是测晶体管时用的刻度尺

标有“LI”标记的是测量负载的电流、电压的刻度尺

标有“DB”标记的是测量电平的刻度尺

（3）万用表的使用 数字式万用表：测量前先打到测量的挡位，要注意的是挡位上所标的是量程，即最大值；

机械式万用表：测量电流、电压的方法与数学式相同，但测电阻时，读数要乘以挡位上的数值才是测量值。例如：现在打的挡位是“×100”，读数是200，测量结果是200×100Ω=20000Ω=20kΩ，表盘上“Ω”尺是从左到右，从大到小，而其他物理量是从左到右，从小到大。

（4）注意事项

调“零点”（机械表才有）。在使用表前，先要看指针应指在左端“零位”上，如果不是，则应慢慢旋转表壳中央的“起点零位”校正螺钉，使指针指在零位上。

使用万用表时应水平放置（机械才有），测试前要确定测量内容，将量程旋钮旋到所要测量的相应挡位上，以免烧毁表头，如果不知道被测物理量的大小，要先从大量程开始试测。表笔要正确地插在相应的插口中，测试过程中，不要任意旋转挡位变换旋钮。

使用完毕后，一定要将挡位变换旋钮调到交流电压的最大量程挡位上。测直流电压、电流时，要注意电压的正、负极、电流的流向，表笔相接要正确，千万不能用电流档测电压。在不明白的情况下测交流电压时，最好先是从高挡位测起，以防万一。

1.2.7 示波器

示波器是显示被测电压信号波形的仪器，是电工测量领域最为常见的仪器之一。利用示波器，不仅可以直观地看到被测电压信号的波形形态，而且可以用示波管上的刻度，测量被测信号的周期、幅度、上升时间、下降时间、变化速率，电源电压中的纹波，信号中的噪声，以及两个信号之间的幅度差、相位差等。由于示波器具有较高的输入电阻，在大多数情况下，示波器探头接在被测电路中，不会影响被测电路的正常工作。

图1-7 是一个示波器实物照片。

图1-7 示波器外观

1.示波器种类和应用场合

示波器被分为模拟示波器和数字存储示波器两大类。没有存储设备，仅能依赖被测信号的周期性，完成信号的稳定显示的，都是模拟示波器；将被测电压信号转变成数字量存储在内存中，然后转换到示波管显示，或者直接利用显示器显示的，都属于数字存储示波器。

模拟示波器的优点是价格低、易操作，广泛应用于教学和一般要求的科研、维修等领域。在甚高频领域，模拟示波器仍占据着主导地位。

数字示波器的优点是功能全，使用灵活：

1）可以稳定显示低频信号和瞬态的非周期性信号。

2）可以将被测信号记录转存到计算机中，甚至直接驱动打印机将波形打印出来。

3）有些数字示波器自带FFT功能，可以在屏幕上显示频谱。

4）有些数字示波器具备便携式功能，可在野外工作。

随着数字示波器价格的降低，在很多场合，模拟示波器正被数字示波器所取代，这类似于数码相机逐渐取代传统的胶片相机。但是，由于使用习惯、价格、特殊领域要求等因素，传统的模拟示波器仍然存在较大的应用领域。

2.示波器应用中的注意事项

示波器使用前需要了解的注意事项如下：

1）示波器内部存在高压。当示波器出现故障时，不得擅自打开机壳，应该通知实验员或者专门的维修人员。

2）不得随意改变示波器的交流电压选择，否则可能引起示波器烧毁，也可能引起触电等事故。

3）不得自行更换示波器的保险管，否则容易引起保险失灵，导致内部电路损坏。

4）示波器的输入端都存在输入电压上限，当输入电压超过其规定的上限，有可能发生击穿等故障或者引起更大的危险。

5）示波管类似于电视机的显像管，属于易老化部件。长期不使用的示波器，不应该处于开机状态。

6）一般情况下，示波器探头接入被测电路，不会影响被测电路原先的工作状态。但是，在高频或者被测电路具有较高输出电阻时，示波器的引入可能引起被测电路状态变化，这需要引起使用者的注意。

7）示波器的所有旋钮和转动式开关，都难以承受过大的扭动力。特别是内选开关，要求右旋到底时，极易发生用力过大，导致旋钮或者开关断裂的情况。当右旋受到较大阻力时，不能用力右旋，而应该通过左旋试探来保证右旋到底。

8）关闭示波器后，不要随意改变示波器旋钮、开关状态。这样有利于下次使用。

9）有些示波器的探头，是与主机配套的，具有补偿作用，因此，不要轻易将探头与示波器分离。

1.2.8 绝缘电阻表

在用电过程中就存在着用电安全问题，在电器设备中，例如电动机、电缆、家用电器等。它们的正常运行之一就是其绝缘材料的绝缘程度即绝缘电阻的数值。当受热和受潮时，绝缘材料便老化。其绝缘电阻便降低。从而造成电器设备漏电或短路事故的发生。为了避免事故发生，就要求经常测量各种电器设备的绝缘电阻，判断其绝缘程度是否满足设备需要。普通电阻的测量通常有低电压下测量和高电压下测量两种方式。而由于绝缘电阻一般数值较高（一般为兆欧级），在低电压下的测量值不能反映在高电压条件下工作的真正绝缘电阻值。绝缘电阻表习称兆欧表，它是测量绝缘电阻最常用的仪表。它在测量绝缘电阻时本身就有高电压电源，这就是它与测电阻仪表的不同之处。绝缘电阻表用于测量绝缘电阻既方便又可靠。但是如果使用不当，它将给测量带来不必要的误差，我们必须正确使用绝缘电阻表进行测量。

总之，绝缘材料电阻可用绝缘电阻表来测量，绝缘电阻表又称摇表，用于测量电气设备或配电设备的绝缘电阻，其单位为兆欧（MΩ）。绝缘电阻表的额定电压应根据被测电气设备的额定电压来选择。测量500V以下的设备，选用500V或1000V的绝缘电阻表；额定电压在500V以上的设备，应选用1000V或2500V的绝缘电阻表；对于绝缘子、母线等材料要选用2500V或3000V绝缘电阻表。本次训练为低压380V异步电动机的测试，采用500V指针式绝缘电阻表（见图1-8）。

图1-8 500V指针式绝缘电阻表