光源电路的电气测量

电气测量的范围涉及内容十分广泛，本书中只叙述光源电路中有关的电器基本测量知识，其中包括基础知识，光源电路电气测量中应用的仪器仪表介绍，光源及有关的电源与附件的电参数测量等内容。

1.  电气测量的基础知识

10-1-1测量与误差

1. 测量的基本概念

测量，是人们借助于专门的设备，通过实验的方法，对客观事物取得数量观念的认识过程。测量的结果可能是纯粹的数字，也可能是一条曲线，或者是某种图形。不论是何种形式，其结果总包含有一定的数值及单位。由于种种因素的影响，测量结果中不可避免地存在着误差，所以在表示测量结果时，一般要注明测量误差数值或误差范围。

测量的过程实质上是一个比较过程，即把一个被测量与一个充当测量单位的已知量进行比较，确定它是该测量单位的若干倍或若干分之一。体现测量单位的器具称为量具，在使用量具测量时，一般都要配以相应的比较仪。然而，这种测量方法使用时很麻烦，并且有一些参量的测量又无相应的量具，因此在实际工程测量中，广泛使用直读式仪表或仪器。比较仪、直读式仪表或仪器都属于测量仪器。在实际工作中，为了完成某种测量任务，需要把几台测量仪器以及辅助设备组成一个整体，这个整体就称为测量装置。在实际测量中，对各种参量进行综合测量的有关测量仪器和测量装置的组合，称为测试系统。在近代测量中，有些参量的测量必须经过变换才能既方便又精确地进行。

测量的过程既然是一个比较过程，就必然涉及到计量的有关知识，如测量的基准或标准，量值的传递和鉴定，以及对比。其中经常要做的一项工作就是，由上一级计量机构的基准或标准，对本部门或本单位的量具、仪表或仪器进行检定。

2. 测量方法的分类

1. 直接测量：用已经由标准量定标好的测量仪器对某一未知量直接进行测量，得知未知量的数值，这就是直接测量。如用电压表测量电压。
2. 间接测量：对几个与被测量有确切函数关系的参量进行直接测量，然后通过函数关系求得被测量。这就是间接测量。如直接测量某电阻R的阻值及其两端的电压V值，然后由公式I=V/R求出被测量电流I的值。
3. 组合测量：当各个未知量以一定的组合形式出现，通过直接测量和间接测量测得数据后，再解一组联立方程，最后求出未知量的数值，这就是组合测量。
4. 在测量中主要的、经常使用的方法是直接测量和间接测量。
5. 误差与修正值
   3. 测量误差与修正值

测量者通过使用一定的测量仪器对被测量进行测量，总希望获得被测量的真值。但是实际的测量结果与被测量的真值之间总存在着误差。真值是指在一定的时间、空间条件下，某参量所体现的真实数值，这个真实数值是利用理想无误差的测量仪器获得的。

1. 绝对误差

令被测量的真值为A₀,测量仪器的示值为x，则绝对误差为：

Δx=x-A₀

由于真值A₀一般无法求得，因此在实际中是用上一级标准仪器的示值A代替真值A₀,当然A不等于A₀，但A总比x更接近于A₀，所以通常以x与A之差(仪器的示值误差)表示绝对误差：

Δx=x-A₀

修正值与Δx的绝对值对等，但符号相反，用C表示：

C=-Δx=A-x

通常由上一级标准通过检定给出受检测量仪器的修正值，利用修正值便可求出被测量的实际值：

A=x+C.

必须说明两点：

1. 根据我国有关标准，绝对误差定义为：Δx=A-x。
2. 仪器的示值与读数是有区别的。读数是指从测量仪器的刻度盘、指针、显示器等直接读到的数字。而示值是该读数所代表的被测量的数值。如一只电流表线性该度为0~100，量程为500mA，当指针指到85分度时，读数为85，而示值为：
   1. x=85/100×500=425(mA)。

2. 相对误差

为了判断测量结果的精确度，经常采用相对误差的表示形式。

1. 实际相对误差：绝对误差Δx与被测量的实际值A之比以百分数形式表示，就是实际相对误差，即ν_A=Δx/A×100%。
2. 示值相对误差：绝对误差Δx与测量仪器的示值x之比以百分数形式表示，就是示值相对误差，即：
3. ν_X=Δx/x×100%
4. 如果ν_A和ν_X很小，则A与x很接近，二者的差别不大，当然，如果误差本身很小，就需要注意区别了。一般在实际测量中，为了计算方便，相对误差就是示值相对误差。
5. 满度相对误差(引用误差)：满度相对误差又称满度误差，就是指绝对误差Δx与测量仪器的满度值x_m之比以百分数形式表示，即νm=Δx/ x_m ×100%。

x_m 就是测量仪器某一量程的上限–––––常数，所以满度相对误差(引用误差)实际上给出的是绝对误差。电工仪表的精确度分级正是按ν_m之值来确定的。因此在使用这类仪表进行测量时，为了减少测量中的示值误差，在选择量程时应使指针尽可能接近于满度值，一般最好能工作在不小于满度值2/3以上的区域。

3. 允许误差

允许误差是指根据一定的技术要求，规定某一类测量仪器不应超过的最大范围。

允许误差只表示某一类测量仪器可能的最大误差范围，并不是某台具体测量仪器的实际误差。允许误差的表示方法可以是绝对误差形式，也可以是相对误差的形式。

4. 测量误差的主要来源

测量误是指用测量仪器进行测量时，所得到的数值与被测量的实际值之差，有时简称为误差。根据产生误差的原因，测量误差的主要来源有：

1. 仪器误差：这是由于仪器本身性能不完善所引起的误差，如读数误差、内部噪声引起的误差、稳定误差和动态误差等。
2. 使用误差：又称操作误差，是指在使用仪器的过程中，由于安装、调节等操作不当所引起的误差。
3. 人身误差：这是指由于人的感觉器官和运动器官不完善所引起的误差。
4. 影响误差：又称环境误差，是指受到外界环境影响，如温度、湿度、气压、电磁场和机械震动等所引起的误差。
5. 方法误差：又称理论误差，是指使用的测量方法不完善，依据的理论不完备等所引起的误差。

5. 误差的性质和分类

1. 系统误差：是指在一定条件下误差的数值保持恒定或按某种已知的函数规律变化的误差，又称系差。包括有恒定系差和变值系差。
2. 随机误差：又称偶然误差或随差，是一种具有随机变量特点的在一定条件下服从统计规律的误差。
3. 粗大误差：是指在一定条件下测量结果显著地偏离其实际值所对应的误差，又称粗差。其性质可能是系统误差，也可能是随机误差，但不论是哪一种，其绝对值都特别大。产生的原因有：①测量方法不当；②随机因素的影响；③测量人员的粗心；由于这些原因产生的误差又称疏失误差。

6. 近似数与有效数字

在测量中得到的数，有准确数和近似数之分；在近似数中有一部分是不可靠数字。准确数和近似数两者总称为有效数字。在有效数字中，尤其是要注意“0”的使用，不可随意取舍。

1. 只与计量单位有关的“0”不计入有效数字；
2. 小数点以后的“0”不能随意省略；
3. 若数目很大，“0”也不能随意取舍，尤其要注意表示方法，不能因表示方法不同而影响有效数字；
4. 只有在注明具体被表示数字误差的条件下，“0”的取舍才可以不十分严格。

7. 仪表读数的化整规定

在不同准确度级别的仪表中，它们的标度尺分度不一样，读数也就不是随意的，有着严格的检定规程，在具体测量中必须注意。表10-1就是检定规程中的“化整规定”。举例说明：

1. 对于标度尺分度为100的0.1级仪表，在小数点以后可以读两位数，但最后一位数必须是2的整数倍(即偶数)，这样误差就取到0.02%。
2. 对于标度尺分度为100的0.2级仪表，在小数点以后可以读两位数，但最后一位数必须是5的整数倍，这样读数误差就取到0.05%。
3. 对于标度尺分度为100的0.5级仪表，在小数点以后只能读一位数，这位数可以是0~9的任何数，这样误差就取到0.1%。

表10-1

10-1-2测量技术与测量仪器

在光源电路的电气测量中，所应用的测量技术与测量仪器由被测量的电参量决定，在被测量的电参量中，有直流和交流两类，交流又分为正弦交流、非正弦交流和脉冲等几种。根据电参量的特点，还有电压、电流、功率、频率、阻抗、波形等等，所用的测量技术也各不相同。从目前实际测量的情况分析，主要的测量技术有直流电测量技术(包括电压、电流、功率、功率因素、交流阻抗等)，脉冲测量技术等。测量仪器主要有两大类：电气测量指示仪表(又称电工仪表)和电子测量仪器。从发展看，电子测量仪器的应用将会愈来愈多，因为电子测量仪器具有很多特点：频率范围极宽、量程非常广、精确度很高，可以遥测、快测，甚至测量过程可以自动化，测量内容也大大超过电气测量指示仪表的内容范围。目前在光源电路的测量中，仍以电气测量指示仪表为主，电子测量仪器正在逐步扩大其应用范围。

2. 常用电气测量指示仪表

10-2-1分类

电气测量指示仪表种类繁多，应用广泛，根据不同的原则可以分成很多类别。

根据工作原理分类则有：磁电系、电磁系、电动系、感应系、静电系和热电系等。

根据测量参数分类则有：电流表、电压表、功率表、欧姆表、电度表、相位表、频率表和多用途仪表等。

根据使用方式分类则有：开关板式和便携式。

根据测量方法分类则有：直读式和比较式。

根据工作电流分类则有：交流表、直流表和交直流两用表等。

根据精确度分类，则有：.01、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0等七个级别。

另外还可以根据对电磁场防御能力分类(分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四级)和根据使用条件分类(分A、B、C三组)，还有根据仪表尺寸等分类和有关附件分类的。

10-2-2电气测量指示仪表的组成和基本工作原理

电气测量指示仪表的主要作用是将被测电量变换成仪表活动部分的偏转角位移。电气测量指示仪表组成如图10-1所示。

图10-1 电气测量指示仪表组成的方框图

测量线路的作用是将被测之量变换成测量机构可以直接测量的电磁量。

测量机构是仪表是主要工作部分，它的作用在于使电磁能变为使仪表可动部分偏转的机械能，从而使被测参量能够显示出来。测量机构有固定和可动两部分，其主要作用是：产生转动力矩、反作用力矩和阻尼力矩。其中，转动力矩和反作用力矩是仪表指示的两个不可缺一的重要因素；由于它们的相互作用，最后决定仪表指针的稳定偏转位置。这就是电气测量指示仪表的基本工作原理，不同种类的仪表就是采用不同的方法和结构来产生上述几种力矩的。

10-2-3常用仪表

1. 磁电系仪表

1. 原理

磁电系仪表是利用永久磁铁的磁场与载流线圈相互作用的原理而制成的。测量机构中的固定部分就是永久磁铁，活动部分就是载流线圈(又称载流载圈)。磁电系仪表的原理性结构如图10-2所示。

图10-2 磁电系仪表的原理性结构图

当可动线圈通过电流I时，在动圈两侧产生作用力F₁和F₂，如参数选择适当，则有：F₁=F₂=F=BNIl,

式中：B为空气隙中的磁感应强度；

N为载流动圈的匝数；

I为载流动圈流过的电流；

l为载流动圈受力边的长度。

在载流动圈上产生的力矩M为：

式中：b为载流动非受力边的长度；

S为载流动圈的有效面积，S=bl

当转动力矩和反作用力矩平衡时，仪表的载流动圈将有一个稳定的偏转角α，则

式中:W为游丝(或张丝)的反作用力矩系数.因S,B,N和W均为定值,通常用S_L代替,则有:

式中:S_L称为仪表的电流灵敏度,而1/S_L称为仪表的电流常数.

如果载流动圈的电阻R已知，则α可换算成与动圈两端所加电压U的关系式了：

式中：Sr为仪表的电压灵敏度，1/Sr称为仪表的电压常数。

2. 特点和应用

磁电系仪表的特点是灵敏度高、工作稳定可靠、消耗功率小、精密度高等，缺点是过载能力差、结构复杂、价格昂贵等。磁电系仪表的型号以“C”代表，符号为“⊙”。

磁电系仪表只能在直流电路中测量电流(几微安到几千安；外附分流器)、电压(几毫伏到几千伏；外附电阻)等参数。如果配以整流器或变送器，也可以测量交流电路的电参数和其它非电量参数。

2. 电磁系仪表

1. 原理

电磁系仪表是一种交直流两用的电气测量指示仪表，其测量机构的固定部分是一个固定线圈，简称定圈；活动部分是一个可动铁芯，它被置于固定线圈内，由软磁材料制成。根据固定部分与可动部分相互的关系，有三种类型的结构形式：

i吸引型：由扁平型的固定线圈和可动铁芯组成，当被测以流过固定线圈时，定圈吸引可动铁芯使得指针产生相应偏移(图10-3)。

图10-3 吸引型测量机构示意图

ii排斥型：测量机构的固定部分由圆筒形固定线圈和固定于线圈内壁上的铁芯两部分组成；可动部分仍由可动铁芯组成，当被测电流流过固定线圈时，固定于线圈内壁上的铁芯被磁化，固定的铁芯与可动铁芯之间产生排斥力，使可动铁芯及相应的指针产生偏移(图10-4)。

    图10-4 排斥型测量机构示意图

iii排斥吸引型：测量机构的固定部分由圆筒形固定线圈和固定于线圈内壁两侧上、下的两组铁芯等两部分组成；可动部分由两个可动铁芯组成，当被测电流流过固定线圈时，固定于线圈内壁上的铁芯被磁化，在两组固定铁芯与两组可动芯之间分别产生吸引力和排斥力，使可动铁芯及相应的指针产生偏移(图10-5)。

图10-5 排斥--吸引型

三种结构型式虽有不同，但都有同样的工作原理。当被测电流方向改变时，固定线圈的磁场方向及铁芯被磁化的极性同时改变，所以相互之间的吸引、排斥作用仍保持不变，这样，转动力矩的方向与电流的方向无关，这就是电磁系仪表能测量交流电气参数的原理。

在测量交流电气参数时，被测交流电流流过固定线圈所产生的磁场使可动体发生偏转的电磁能量为：

式中：i为流过固定线圈的交流电流

 L为固定线圈电感。

则产生的转动力矩是：

式中:dα是能量dA产生的偏转角;

     M_t是随I变化的转动力矩瞬时值

由于可动部分惯性较大，最后实际可动体的偏转是反映转动力矩的平均值M_P，则

这样，电磁系仪表在应用于交流电路测量时，其转动力矩与流过固定线圈中交流电流的有效值的平方成正比。

在测量直流电气参数时，有同样的结果：

式中：I_O为流过固定线圈的直流电流；

 K_O为直流条件下的仪表系数。

2. 特点和应用

电磁系仪表的特点是结构简单，牢固，过载能力强，稳定，成本较低。近年来随着工艺的改进与提高，电磁系仪表的准确度等级在逐步提高，功率消耗也逐渐降低。电磁系仪表的型号以“T”代表。

电磁系仪表不仅可以测量交直流电路中的电流和电压，还可以测量电路中的电容、相位和频率。

目前，电磁系仪表已和电动系仪表配套作为交流测量中的标准仪表。

3. 电动系仪表

1. 原理

电动系仪表是利用在磁场中的载流体要受电磁力作用的原理而制成的，其测量机构的固定部分是一个线圈，称为固定线圈，简称定圈；可动部分也是一个线圈，称为可动线圈，简称动圈。结构原理如图10-6