相关知识

知识一 仪表基本知识

1.仪表的种类

（1）按用途分为电流表、电压表、功率表、功率因数表、电能表、绝缘电阻测试仪、万用表等。

（2）按被测电流分为直流表、交流表和交直流两用表。

（3）按仪表的使用方式分为安装式和便携式等。

（4）按仪表的工作原理分为电磁系、电动系、感应系、电子式等。

（5）按准确度等级分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0 七个等级。数字越小，仪表的准确度等级越高。

2.仪表的组成

电测量仪表是先将被测量转换为可动部分的角位移，然后通过可动部分的指示器（如指针等）在标度尺上的位移直接读出被测量的大小。为了实现这种变换，这类仪表基本结构大致相同，都由测量线路和测量机构两部分组成，其结构方框图如图1.2所示。

在电工测量中，因有的被测量数值较大或因其他原因不能直接加到仪表的测量机构进行测量，因此需要通过测量线路将被测量（如电流、电压、功率等）按一定比例关系变换成测量机构可以接受的过渡电量，例如，利用分流器、附加电阻等测量线路进行转换。同一系列的仪表，通常采用相同的测量机构，加上不同的测量线路，就可构成测量不同电量的仪表。如变换式仪表，就是采用磁电系仪表作为测量机构，根据被测量对象的不同分别配上不同的测量线路（即变换器）就可实现对功率、频率、相位等多种电量的测量。

测量机构是电测量指示仪表的核心，它的作用是将被测电量（或过渡电量）所产生的电磁力转换成仪表指针的角位移。测量机构一般可由固定部分和可动部分组成。不同类型的测量机构，其可动部分和固定部分的具体结构各不相同。根据可动部分在偏转过程中各元件所完成的功能和作用，可分为驱动装置、控制装置和阻尼装置三部分。

（1）驱动装置

当被测量作用于仪表后，就会产生一个力矩作用到仪表的测量机构，推动仪表的可动部分发生偏转，通常把这个力矩称为转动力矩或者转矩，产生转动力矩的装置称为驱动装置。

（2）控制装置

如果指示仪表的测量机构只有转动力矩的作用，而没有反作用力矩与之平衡，则不论被测量多大，可动部分都要偏转到极限位置。就像用秤称物体的重量而不用秤砣一样，不论所称的物体有多重，秤杆总会向一端高高翘起，这样一来，就不能准确称出物体的重量。因此，游丝产生的反作用力与被测量大小成一定的比例关系，使仪表能准确测量出被测量。为了使可动部分偏转角的大小与被测量大小成一定比例，使仪表能准确测量出被测量的数值，就必须有一个方向总是和转动力矩相反、大小与活动部分的偏转角变化的力相等，这个力矩称为反作用力矩。产生反作用力矩的装置称为控制装置，一般用游丝，即螺旋弹簧，如图1.3所示。

（3）阻尼装置

由于测量机构的可动部分具有一定的惯性，当力平衡时，不可能立刻停留在平衡位置，而是在平衡位置左右摆动，这样不能及时读数。为了使可动部分尽快静止，方便读数，需要一种吸收这种震荡能量的装置，这种装置就称为阻尼装置。常用的是空气阻尼器和磁感应阻尼器，如图1.4所示为空气阻尼器。

3.测量的基本方法

（1）静态测量和动态测量

静态测量和动态测量是根据测量过程中被测量是否随时间变化来区分的。前者是指测量时，被测电路不加输入信号或只加固定电位，如放大器静态工作点的测量；后者是指在测量时，被测电路需加上一定频率和幅度的输入信号，如放大器增益的测量。

（2）直接测量法和间接测量法

① 直接测量法

使用按已知标准定度的电子仪器，对被测量值直接进行测量，从而测得其数据的方法，称为直接测量法，例如用电压表测量交流电源电压等。

需要说明的是，直接测量并不意味着就是用直读式仪器进行测量，许多比较式仪器虽然不一定能直接从仪器度盘上获得被测量之值，但因参与测量的对象就是被测量，所以这种测量仍属直接测量。一般情况下直接测量法的精确度比较高。

② 间接测量法

使用按照已知标准定度的电子仪器，不直接对被测量值进行测量，而对一个或几个与被测量具有某种函数关系的物理量进行直接测量，然后通过函数关系计算出被测量值，这种测量方法称为间接测量法。例如，要测量电阻的消耗功率，可以通过直接测量电压、电流或测量电流、电阻，然后根据P=UI=I2R=U2/R求出电阻的功率。

有的测量需要直接测量法和间接测量法兼用，称为组合测量法。例如将被测量和另外几个量组成联立方程，通过直接测量这几个量最后求解联立方程，从而得出被测量的大小。

（3）直读测量法与比较测量法

直读测量法是直接从仪器仪表的刻度上读出测量结果的方法。如一般用电压表测量电压；利用频率计测量信号的频率等都是直读测量法。这种方法是根据仪器仪表的读数来判断被测量的大小，这种方法简单方便，因而被广泛采用。

比较测量法是在测量过程中，通过被测量与标准直接进行比较而获得测量结果的方法，电桥就是典型的例子，它是利用标准电阻（电容、电感）对被测量进行测量。

（4）测量方法的选择

采用正确的测量方法，可以得到比较精确的测量结果，否则会出现测量数据不准确或错误，甚至会出现损坏测量仪器或损坏被测设备和元件等现象。例如用万用表的R×1挡测量小功率三极管的发射结电阻时，由于仪表的内阻很小，使三极管基极注入的电流过大，结果晶体管尚未使用就可能会在测试过程中被损坏。

在选择测量方法时，应首先考虑被测量本身的特性、所处的环境条件、所需要的精确程度，以及所具有的测量设备等因素，综合考虑后正确地选择测量方法、测量设备并编制合理的测量程序，才能顺利地得到正确的测量结果。

知识二 感应系电度表的原理介绍

电作为一种重要的能源跟我们的生活紧密地联系着，如果没有了电，人类社会就不能正常地运转，所以，如何来计量它就具有了重要的意义。在物理课里我们知道常用的电能单位是“度”，科学的叫法是“千瓦时”。从电能单位的定义可见，要累计某段时间耗费了多少电能，必须把电流的安培数、电压的伏特数、时间的小时数全都测出来，然后把三者相乘，才能得到瓦时数。这看起来挺复杂，但安在各家墙上的电度表轻松地完成了上述计算功能。

电度表的种类有很多种，电度表按其用途可分为有功电度表、无功电度表、最大需量表、标准电度表、复费率分时电度表、预付费电度表、多功能电度表。按照被测电路的进表相线可分为单项电度表、三相三线电度表和三相四线电度表等。一般家用的是“单相电度表”，常用的有两种，一种是机械式的，又叫感应式；还有一种是电子式的。区别很明显，机械式的有个铝盘在用电时会转，而电子式的通常是LCD显示屏直接显示已用度数，通常还有一个红色的LED在闪烁，闪烁的频率与用电功率成正比。在日常生活及工厂中，最常用的是感应系电度表，本知识点将主要介绍感应系单项电度表的工作原理，其外形如图1.5（a）所示。

1.电度表的工作原理

如图1.5所示，电度表共由四部分组成：

（1）驱动元件：电流部件和电压部件；

（2）转动元件：铝制圆盘和转轴；

（3）制动元件：制动磁铁和铝盘；

（4）计算机构：计算电度表转盘的转数。

当把电度表接入被测电路时，电流线圈和电压线圈中就有交变电流流过，这两个交变电流分别在它们的铁芯中产生交变的磁通；交变磁通穿过铝盘，在铝盘中感应出涡流；涡流又在磁场中受到力的作用，从而使铝盘得到转矩（主动力矩）而转动。负载消耗的功率越大，通过电流线圈的电流越大，铝盘中感应出的涡流也就越大，使铝盘转动的力矩就越大，即转矩的大小跟负载消耗的功率成正比。功率越大，转矩也越大，铝盘转动也就越快。铝盘转动时，又受到永久磁铁产生的制动力矩的作用，制动力矩与主动力矩方向相反；制动力矩的大小与铝盘的转速成正比，铝盘转动得越快，制动力矩也越大。当主动力矩与制动力矩达到暂时平衡时，铝盘将匀速转动。负载所消耗的电能与铝盘的转数成正比。铝盘转动时，带动计数器，把所消耗的电能指示出来。

2.电度表常数C

它是电度表的一个重要参数，国产电度表在表盘上会给出这个 C 的参数值，它代表了KWT/转，即电度表铝盘转动1圈所消耗的电量。

P=C·v

W=P·T=C·v·T=C·N

其中 P——被测功率；

C——电度表常数W/n（千瓦时/转）；

v——转盘的转速（转/小时）；

N——转数。

日常所使用的电度表为直读式，通过显示的数字可直接读取负载所消耗的电能。

电度表按准确度等级可分为普通安装式电度表《0.2、0.5、1.0、2.0、3.0级》和携带式精密电度表《0.01、0.02、0.05、0.1、0.2》。

3.电表铭牌标志上字母和数字的含义

我国采用220V的电压制式，交流电的频率是50Hz。应特别关注标示的电流值：如5（20）A，括号前的电流值叫基本电流，是作为计算负载基数电流值的，括号内的电流叫额定最大电流，是能使电表长期正常工作，而误差与温升完全满足规定要求的最大电流值。根据规程要求，直接接入式的电表，其基本电流应根据额定最大电流和过载倍数来确定，其中，额定最大电流应按经核准的客户报装负荷容量来确定；过载倍数，对正常运行中的电表实际负荷电流达到最大额定电流的30%以上的，宜取2 倍表；实际负荷电流低于30%的，应取4 倍表。超负荷用电是不安全的，是引发火灾的隐患。铭牌上还标有产品采用的标准代号、制造厂、商标和出厂编号等。

（1）型号含义

电表型号是用字母和数字的排列来表示的，内容如下：

类别代号+组别代号+设计序号+派生号

① 类别代号：D——电表。

② 组别代号：表示相线：D——单相；S——三相三线有功；T——三相四线有功。

用途：A——安培小时计；B——标准；D——多功能；F——复费率；H——总耗；J——直流；L——长寿命；M——脉冲；S——全电子式；Y——预付费；X——无功；Z——最大需量。

③ 设计序号用阿拉伯数字表示，如862、864、201等。

④ 派生号有以下几种表示方法：T——湿热、干燥两用；T H——湿热带用；TA——干热带用；G——高原用；H——船用；F——化工防腐用等，如：

DD——表示单相电表，如DD862型、DD702型；

DS——表示三相三线有功电表，如DS864型、DS8型；

DT——表示三相四线有功电表，如DT862型、DT864型；

DX——表示无功电表，如DX963型、DX862型；

DJ——表示直流电表，如DJ1型；

DB——表示标准电表，如DB2型、DB3型；

DBS——表示三相三线标准电表，如DBS25型；

DZ——表示最大需量表，如DZ1型；

DBT——表示三相四线有功标准电表，如DBT25型；

DSF——表示三相三线复费率分时电表，如DSF1型；

DSSD——表示三相三线全电子式多功能电表，如DSSD331型；

DDY——表示单相预付费电表，如DDY59型。

（2）铭牌标志

① 计量单位名称或符号，如：有功电表为“千瓦·时”或“kWh”；无功电表为“千乏·时”或“kvarh”。

② 基本电流和额定最大电流。基本电流（也叫标定电流）是确定电表有关特性的电流值，以 Ib表示；额定最大电流是仪表能满足其制造标准规定的准确度的最大电流值，以Imax表示。

③ 参比电压。指确定电表有关特性的电压值，以 UN表示。对于三相三线电表以相数乘以线电压表示，如3×380V；对于三相四线电表则是相数乘以相电压/线电压表示，如3×220/380V；对于单相电表则以电压线路接线端上的电压表示，如220V。

④ 参比频率。指确定电表有关特性的频率值，以赫兹（Hz）表示。

⑤ 电表常数。指电表记录的电能和相应的转数或脉冲数之间关系的常数。有功电表以kWh/r（imp）或r（imp）/kWh形式表示；无功电表kvarh/r（imp）或r（imp）/kvarh形式表示，两种常数互为倒数关系。

⑥ 准确度等级。以记入圆圈中的等级数字表示。如铭牌上标有①或②的标志，①代表电表的准确度为1%，或称1级表；②代表电表的准确度为2%，或称2级表。

⑦ 相数、线数的符号。

⑧ 耐受环境条件的能力级别，分P、S、A、B四组。

⑨ 制造标准。

⑩ 若电表带有止逆器，则有标志为：止逆。

有的电表的铭牌上会有A、A1、B、B1的标志，其代表的意义如下：

① A表示电表使用的外界环境温度应为0～+40℃，相对温度应为95%；

② A1表示环境温度为0～+40℃，相对湿度为85%；

③ B表示环境湿度为-10～50℃，相对湿度为95%；

④ B1表示环境温度为-10～+50℃，相对湿度为85%。

当环境温度改变时，电表的制动磁通和电压、电流工作磁通及其相位角φ都发生改变，从而引起附加误差。如当温度升高时，制动磁通减少，制动力矩随之减小，电表转速加快，同时电表转盘电阻增大，电流工作磁通与总电流间的夹角减小，总电流的激磁分量与相应磁通皆增大，使电表转速变快；而且，电压工作磁通的这部分磁路磁阻随之减小，使电压工作磁通增加，电表转速变快，以上三者作用都产生正的温度附加误差。

知识三 电动系功率表的原理介绍

功率表是测量直流、交流电路中功率的机械式指示电表。直流电路和交流电路中的功率分别为 P=UI 和 P=UIcosφ，U，I 为负载电压和电流，φ为电流向量与电压向量的夹角，c o sφ为功率因数。对于交流电路测量，功率表可分为有功功率表和无功功率表。虽然各系电表的测量机构都有可能构成测量功率的电表，但最适合制成功率表的是电动系电表。一般单项功率表是由电动系测量机构和附加电阻构成的，其中附加电阻与可动线圈串联构成了动圈支路，其结构如图1.6所示。

一般固定线圈平均分成两组并排放置，中间留有间隙，以便在固定线圈内部获得较均匀的磁场。可动线圈放在固定线圈的磁场中，它与指针、可动线圈、空气阻尼器的阻尼片、游丝一起固定在转轴上，组成了电动系测量机构的可动部分。电动系测量机构的游丝分别承担着产生反作用力矩和导通动圈电流的任务，其实物如图1.7所示。

1.单相电动系功率表的工作原理

功率表接线图如图1.8所示，当进行功率测量时，功率表的固定线圈与负载串联反映负载的电流；其可动线圈支路与负载并联反映负载的电压。所以固定线圈也叫电流线圈，可动线圈也叫电压线圈。当负载工作时，固定线圈中的电流 I1为负载电流，此时建立一个磁场，该磁场对可动线圈中的电流产生偏转力，使可动线圈发生偏转，偏转的角度与受力成正比，即磁场越强，可动线圈受力越大，偏转角越大。

2.功率表的量程

功率表的量程是由电压量程和电流量程共同决定的。电压量程也即功率表的电压线圈支路所能承受的最大工作电压；电流量程也即电流线圈中允许通过的最大工作电流。而功率表的量程就是电压量程和电流量程的乘积。因此在实际使用时不能单纯考虑功率表的量程，同时也要考虑电流量程和电压量程是否满足，也就是说负载的电压和电流必须小于功率表所选择的电压量程和电流量程。如被测量的电压、电流分别为220V、5A，则功率表的电压、电流的量程必须大于220V、5A。

一般便携功率表做成多量程的，电流量程一般有两个，它是通过改变固定线圈的串、并联来改换量程的，如图1.9（a）所示。通过改变与动圈串联的附加电阻值，可改变电压量程，如图1.9（b）所示。

3.读数

由于便携功率表是多量程的，所以功率表的刻度为其标尺的分格数，而不是瓦数。要想读出测量值，首先应计算出每一小格代表的瓦数，即分格常数 C。C 的值由所选的电压量程、电流量程和功率表的满格数决定，即

式中，UN为功率表的电压量程；IN为功率表的电流量程；N为功率表的满格数。

算出 C 后乘以指针偏转的格数即为被测负载的功率值。如功率表的电压量程为300V，电流量程为5A，表盘的满刻度值为10，则C=300×5/10=150W。若指针偏转格数为5时，则被测功率为150W×5=750W。

知识四 电动系功率因数表的原理介绍

随着经济的日益发展，电力需求不断提高，伴随而来的突出问题是能源无效的巨大消耗，资源利用率低下。

电力系统是一个庞大的系统，其电能损耗的数值相当可观，能源的合理配置是亟需解决的问题。功率因数是决定发供电系统经济效益的一个极为重要的因素，它直接反映了系统中有功功率与无功功率的分配。对于发、供电系统来说，对负荷不但要求有高的负荷率，而且也要求有高的功率因数。

功率因数是交流电路的重要技术数据之一。功率因数的高低，对于电气设备的利用率和分析、研究电能消耗等问题都具有十分重要的意义。

所谓功率因数，是指任意二端网络（与外界有两个接点的电路）两端电压 U 与其中电流 I 之间的位相差的余弦。在二端网络中消耗的功率是指平均功率，也称为有功功率，它等于

1.功率因数表的结构

单相功率因数表结构如图1.10所示，其可动部分由两个互相垂直的动圈组成。动圈1 与电阻器R串联后接以电源电压 U，并和通以负载电流 I 的固定线圈（定圈）组合，相当于一个功率表，从而使可动部分受到一个与功率 UIcosφ和偏转角正弦sinα的乘积成正比的力矩 M1，M1=K1UIcosφsinα。K1 为系数，cosφ为负载功率因数。动圈2 与电感器L串联后接以电源电压 U，并与定圈组合，相当于无功功率表，从而使可动部分受到一个与无功功率 UIsinφ和偏转角余弦cosα的乘积成正比的力矩 M2，M2=K2UIsinφcosα，K2为系数。

对纯电阻负载，φ=0°，M2=0，电表可动部分在 M1的作用下，指针转到φ=0°，即c o sφ=1的标度处。对纯电容负载，φ=90°，M1=0，电表可动部分在 M2的作用下，指针逆时针转到φ=90°即c o sφ=0（容性）的标度处。对纯电感负载，由于定圈电流 I 及力矩 M2改变了方向，电表可动部分在M2的作用下，指针顺时针转到φ=90°即c o sφ=0（感性）的标度处。对一般负载，在力矩 M1和 M2的作用下，指针转到相应的c o sφ值的标度处。

其实物如图1.11所示。

2.功率因数表的读数

功率因数表的读数为直读式，表盘的一侧标有L，另一侧标有C。当指针偏向L侧时，表示此时电路呈感性；当指针偏向C侧时，表示此时电路呈容性。

知识五 钳形表的原理

钳形电流表是由一个特殊电流互感器、一个整流磁电系电流表、量程转换开关及内部线数组成，其结构示意图如图1.12所示。一般常见型号为T301 型和T302 型。T301 型钳形电流表只能测量交流电流，而T302 型是交直流两用型。此外，还有交直流两用袖珍钳形电流表，如MG20、MG26、MG36等型号。

钳形电流表的工作原理建立在电流互感器工作原理的基础上，其互感器的铁芯有一活动部分在钳形表的上端，并与手柄相连，当握紧钳形电流表手柄时，电流互感器的铁芯可以张开，被测电流的导线进入钳口内部作为电流互感器的一次绕组。当放松手柄时，铁芯闭合。铁芯中的磁通在二次绕组中产生感应电流，使电流表指示出被测电流的数值，其原理如图1.13所示。

知识六 电磁系电流表、电压表的原理

钳形表一般常用在在线监测、实时监控中，即测量电路工作过程中的电流、电压值，以便及时发现电路故障。而且钳形表的电流量程较大，适用于测量大电流，对于被测电流值较小时则不适合使用钳形表，在这种情况下常用电磁系的电流、电压表来测量交流电流和电压，而且在电路初装检测及线路故障检修时也常用电磁系仪表。下面来介绍电磁系电流和电压表。

根据电磁力相互作用的不同类型，电磁系仪表的测量机构可以分为吸引型、排斥型两种结构。

1. 吸引型

吸引型电磁系测量机构是利用通有电流的线圈和铁片之间的吸引力来产生转动力矩的。吸引型电磁系测量机构的结构示意图如图1.14所示，这种机构主要由固定线圈和可动铁片构成一个电磁系统，它的固定部分是扁形的固定线圈。活动部分由偏心地装在转轴上的可动铁片、阻尼片、永久磁铁、磁屏蔽体、游丝、指针等组成。固定线圈的形状是扁平的，中间有一条窄缝，可动铁片可以转入此窄缝内。当扁形的线圈中有电流通过时，线圈的附近就产生磁场，使可动铁片磁化，线圈与可动铁片之间产生吸引力，从而产生转动力矩，引起指针偏转。当转动力矩与游丝产生的反作用力矩相等时，指针便稳定在某一平衡位置，从而指示出被测量的大小。当线圈中的电流方向改变时，线圈所产生的磁场的极性和被磁化的铁片的极性同时随着改变，因此它们之间的作用力方向仍保持不变，也就是说，指针的偏转方向不会随电流的方向而改变。

吸引型结构的测量机构，由于结构上的原因，无法达到较高的准确度，一般只用于安装式仪表或0.5级及以下的可携式仪表。

2.排斥型

排斥型测量机构的结构如图1.15所示，这种机构的固定部分由圆形线圈和固定在线圈内壁的铁片组成，活动部分由固定在转轴上的可动铁片、游丝、指针及阻尼片等组成。

当线圈中通入电流时，电流产生磁场，固定铁片和可动铁片在磁场作用下同时被磁化，两个铁片同一侧极性相同，二者之间产生排斥力，从而产生转动力矩，使可动铁片旋转并带动指针偏转。当转动力矩与游丝产生的反作用力矩平衡时，指针便稳定在某一位置，从而指示出被测量的大小。当线圈中的电流方向发生改变时，它所建立的磁场方向随之改变，两个被磁化的铁片的极性也同时随之改变，但两个铁片仍然相互排斥。因此转动力矩的方向依然保持不变，即指针的偏转方向不会改变。

排斥型结构的标尺刻度较其他结构的均匀，在结构上采用无骨架线圈，张丝支承，高导磁材料铁镰合金做铁芯，可以制成0.2级或0.1级高准确度仪表。目前，国内外准确度等级较高的电磁系仪表一般都采用这种排斥型结构。

电流、电压表的实物如图1.16所示。

在使用交流电流表测量电路电流时，电流表必须串联到负载电路中；用电压表测量电压时，电压表并联到被测负载的两端。

器件清单