第一章 电工仪表与测量的基本知识

第一章电工仪表与测量的基本知识•第一节测量方法的分类•第二节电工仪表的分类•第三节电工仪表的组成和基本原理•第四节测量误差及其表示方法•第五节工程上最大测量误差的估计及系统误差的消除•第六节随机误差的估计ElectricalMeasure本章要点•本章第一、二、三节主要介绍有关仪表的基本概念与工作原理，掌握有关变换的概念，了解各类仪表在测量过程中，都是通过变换，把被测电磁量转换为可阅读的数字或机械偏移，以达到测量的目的。•本章第四、五、六节主要是介绍产生误差的原因、误差的估计、误差的表示方法，以及如何在测量中减少误差。第一节测量方法的分类•测量：其实质就是将被测量与标准量在测量设备上进行比较，得出被测量量值的过程。测量过程是一个比较的过程。一、测量方式（即测量手段）分类测量方式直接测量间接测量组合测量指被测量与中间量的函数式中还有其他未知数，须通过改变测量条件，得出不同条件下的关系方程组，然后解联立方程组求出被测量的数值。指要利用某种中间量与被测量之间的函数关系，先测出中间量，再算出被测量。例如用伏安法测电阻。指仪表读出值就是被测的电磁量，例如用电流表测量电流，用电压表测量电压。组合测量•如右图：测量有源二端网络的内阻R0，其中UAB为网络端口电压，E为等效电动势，图中R0和E均为未知量。•采用直接或间接测量都不能得出结果，可采用组合测量法。•改变二端网络的负载RL，得到不同的电压表读数UAB1、UAB2和不同的电流表读数I1、I2，代入回路电压定律E=IR0+UAB得•E=I1R0+UAB1E=I2R0+UAB2求得R0=（UAB2—UAB1）/(I1—I2)RLVAABR0E+_二、测量方法(即数据读取方法)分类测量方法直读法比较法利用仪表直接读取测量数据。零值法较差法替代法将已知量与被测量先后置于同一测量装置中，若两次测量装置都处于相同状态，可认为被测量等于已知量，再从已知量读出被测量值。从比较仪求得差值，根据度量器数值和比较差值，求得被测量的数值。比较仪表指零时，从度量器读出被测量的数值将被测量与度量器放在比较仪器上进行比较，从而求得被测量的数值。第二节电工仪表的分类一、模拟指示仪表模拟指示仪表是将被测电磁量转换为可动部分的角位移，然后根据可动部分指针在标尺上的位置直接读出被测量的数值。二、数字仪表数字仪表是将被测电磁量转换为电压，再转换为数字量，并以数字方式直接显示。三、比较仪器指使用电桥、补偿等方法，将标准度量器与被测量置于比较仪器中进行比较，从而求得被测量。这类仪器除需要仪表本体外（如电桥、电位差计等）还需要检流设备、度量器等参与。返回本章首页第三节电工仪表的组成和基本原理一、模拟指示仪表的组成模拟指示仪表中的三大部件1.产生转动力矩的装置：利用电磁力的有磁电式、电磁式、电动式、感应式、振动式等。利用电荷作用力的有静电式等。2.产生反作用力矩的装置：主要有游丝、悬丝等。3.产生阻尼力矩的装置：可以利用电磁阻尼、空气阻尼、油阻尼等。二、数字仪表的组成返回本章首页通过A/D转换将电压转换为数字脉冲由于A/D转换的对象必须是电压,所以需要测量线路将被测量转换为电压数字脉冲经译码加到显示器测量线路A/D转换数字显示器电压U被测量x第四节测量误差及其表示方法一、测量误差的分类测量误差系统误差基本误差：由仪表结构造成的误差附加误差：偏离规定的工作条件造成的误差随机误差疏忽误差偶发原因引起大小方向都不确定的误差疏忽误差：测量人员疏忽造成二、测量误差的表示方法1.绝对误差用测量值与被测量真值之间的差值所表示的误差称为绝对误差。⊿2.相对误差绝对误差⊿与被测量真值之比，称为相对误差。0AAX%1000A%100XA或写成%100mmmA二、测量误差的表示方法3.引用误差以绝对误差Δ与仪表上量限的比值所表示的误差称为引用误差，其中绝对误差若取可能出现的最大值则称为最大引用误差，可以用来评价仪表性能,即仪表的准确度等级。正确度、精密度、准确度正确度：表征系统误差的大小。精密度：指在多次精密测量中，测量读数重复一致的程度，表征即随机误差的大小。准确度：表示测量中系统误差和随机误差两者的综合影响，系统误差小称之为正确度高，随机误差小称之为精密度高，准确度高则是指系统误差和随机误差都比较小。指既“正确”又“精密”的测量。可见准确度可以表示测量结果与被测真值的一致程度。返回本章首页第五节工程上最大测量误差的估计及系统误差的消除一、直接测量方式的最大误差若直接测量所用仪表的准确度为K，则直接测量可能出现的相对误差最大值不会超过K值。%100%mmmAK二、间接测量方式的最大误差若被测量为n个中间量之和332211321321321321，yxyxyxyxyxyx。yxyxyxyyyx、x、xnyy、、即之时量的相对误差符号相同最大误差出现在各中间可能产生的相对误差为则生的相对误差测量每个中间量可能产为之和个中间量为若被测量二、间接测量方式的最大误差若被测量为两个中间量之差221212112121yxxxxxx，，、xxyy、的相对误差为所产生则被测量对误差个中间量可能产生的相为测量每之差为中间量若被测量最大误差不仅与各中间量的相对误差有关，而且与中间量之差有关，差越小，被测量y的相对误差就越大。例如在并联电路中，用测到的总电流与一个支路电流去求得另一支路的电流，这种方法不可取。二、间接测量方式的最大误差若被测量为若干中间量之积或商321332211321321321。dddd、、)pmnxxpxxmxxnyyy，，、x、xxm、、（n、、x、xxyypmn即相同时最不利情况发生在符号的相对误差为则被测量误差中间量可能产生的相对为测量每个的指数为之积或商为若干中间量若被测量p三、系统误差产生原因及消除办法•1.仪表本身结构造成的误差:这种误差可通过改善材料性能与制造工艺来消除.例如摩擦误差,是仪表的可动部分采用转轴式结构必然会产生的一种误差.只要改善转轴材料或采用悬丝结构或选用数字显示形式代替.误差就可以减小或消除。•2.外界干扰造成的误差:如电磁干扰,地磁干扰.可以在结构上采用屏蔽法、或在测量方法上采取比较法、正负误差补偿法，减少或消除干扰所造成的影响。例如测量后将仪表调转180°，重测一次，用两次测量平均值作为测量值，以消除地磁的影响，或利用校正值求得被测量的真值。•3.环境条件变化造成的误差:只要改善环境条件，例如使用空调,或在内部结构中进行补偿,例如电阻温度的的正负补偿，都能使误差得以减少或消除。第六节随机误差的估计一.随机误差的特点随机误差是由一些偶发原因引起的误差，例如电磁场微变、热起伏、空气扰动、大地微振等。在一组测量数据列中，随机误差通常呈正则分布，表现为有界性、单峰性和对称性的特点。随机误差值一般都比较小，工程上的测量可以不予考虑。只有在精密实验时才需要进行计算。计算前首先要进行多次测量，取得大量数据，然后按以下步骤进行。二、计算步骤第一步：先从多次测量值中求得其算术平均值。nAnAAAAAniin1321第二步：求出每次测量值的剩余误差，并且只有测量列的剩余误差总和为0时，才说明所计算的算术平均值是正确的。否则必须重算01niiiAA要满足第三步：用贝塞尔公式求出标准差的估计值第四步：三倍标准差的估计值称为极限误差，应检查测量列中的剩余误差，是否有超过极限误差的数据，如有则该项测量值属于坏值应予剔除，然后按以上步骤重新计算。第五步：求算术平均值的标准差，并用表示测量结果的可信赖程度。1){1121212nAAnnniiniiniiˆ3inxˆˆxˆ3返回本章首页