電工儀表的非工頻測量

    摘要：電氣測量在日常生產(chǎn)生活中是非常重要和必不可少的。電氣測量的精度是由很多因素決定的。其中，頻率和波形兩個(gè)因素對測量結(jié)果的影響是非常重要和顯著的。該文針對七種常用的指針式電氣測量儀表和數(shù)字式儀表，論述了頻率和波形對測量結(jié)果是否會(huì)造成影響和影響的趨勢，給出了適合其使用的頻率范圍。

    關(guān)鍵詞：電氣測量儀表；頻率；波形

    中圖分類號：TM933.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號：1003-0867(2008)02-0016-02

    1 常用指針式電氣測量儀表的特點(diǎn)

    按照工作原理來講，常用指針式電氣測量儀表包括磁電式儀表、電磁式儀表、電動(dòng)式儀表、感應(yīng)式儀表、靜電式儀表、整流式儀表和熱電式儀表。常見的各種固定式標(biāo)準(zhǔn)表、攜帶式儀表、配電盤式儀表和面板式儀表，都是在以上儀表的基礎(chǔ)上加以改裝而形成的。

    1.1 磁電式儀表

    可以說所有的直流儀表都是這種結(jié)構(gòu)，其準(zhǔn)確度和靈敏度*高。這種儀表在交流條件下不能工作，但對熱電式和整流式儀表而言，它們是采用熱電偶和整流器把交流變?yōu)橹绷骱?，再用磁電式儀表作為指示的儀表。除此之外，還可以把各種被測量的交流量變換成直流電流或電壓進(jìn)行測量，所以磁電式儀表是電氣測量儀表中使用*多的。

    1.2 電磁式儀表

    主要用于測量工頻電壓和電流，其結(jié)構(gòu)牢固。原理上可用于直流的測量，但由于鐵片的磁滯作用易產(chǎn)生誤差，所以在直流條件下很少使用這種儀表。

    1.3 電動(dòng)式儀表

    利用固定線圈和可動(dòng)線圈分別通過電流時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，正比于兩個(gè)電流瞬時(shí)值乘積的原理制成，用于功率測量*為理想。對于電流或電壓測量，平方刻度不便于讀數(shù)?？勺鳛闃?biāo)準(zhǔn)表使用，作為攜帶用和配電盤用功率表時(shí)需加入鐵芯。

    1.4 感應(yīng)式儀表

    其應(yīng)用的*典型的例子就是電能表，也應(yīng)用于許多廣角儀表中。不能在直流下工作，并且容易受到頻率的影響，其使用頻率被限制在工頻范圍內(nèi)。

    1.5 靜電式儀表

    在原理上，它是**用電壓來工作的儀表，在交流和直流條件下都可使用。其優(yōu)點(diǎn)是耗電量很小，適用于高阻電源的高壓測量。

    1.6 整流式儀表

    它是內(nèi)附整流器的磁電式儀表。整流器和熱電式儀表中的熱電偶一樣，被作為交直流轉(zhuǎn)換器，并以此和其它工作原理的儀表相區(qū)別。原理上只對平均值起作用，所以有波形誤差。但由于采用磁電式儀表，所以它是交流儀表中*靈敏的，且相對輸入刻度大致是線性的。近年來，采用了鍺二極管整流器，改善了其各種特性和可靠性。

    1.7 熱電式儀表

    這種儀表是根據(jù)發(fā)熱現(xiàn)象制成的，在交流儀表中，它能*可靠地指示有效值。同時(shí)由于這種儀表的高頻特性好，所以廣播頻率范圍內(nèi)的電流測量都采用這種儀表。

    2 數(shù)字式儀表的特點(diǎn)

    數(shù)字式儀表的準(zhǔn)確度很高，如數(shù)字式電壓表測量直流量的準(zhǔn)確度可達(dá)0.001%，甚至更高；數(shù)字式儀表的基本量限的輸入阻抗高達(dá)2500MW，輸入阻抗高于1000MW的數(shù)字電壓表很常見，因此，吸收被測量的功率很小，測量結(jié)果以數(shù)字形式給出，指示數(shù)讀出方便，沒有讀數(shù)誤差；測量速度快，一般都可達(dá)到50次/s；靈敏度高，現(xiàn)代的積分式數(shù)字電壓表的分辨率可達(dá)0.001mV；數(shù)字式儀表操作簡單，測量過程自動(dòng)化，可自動(dòng)判斷極性甚至切換量程，它還可以方便地與計(jì)算機(jī)配合，以便進(jìn)一步計(jì)算和控制。對于大多數(shù)的測量，數(shù)字式儀表都可以勝任，一般的頻率和波形誤差對它的影響極小。

    3 1.5級整流式毫安表的實(shí)驗(yàn)

    3.1 頻率對測量結(jié)果的影響

    整流式毫安表的一次與二次線圈匝數(shù)比為4.300/0.665，即6.466。在整流式毫安表的一次線圈兩端加上峰值為100mV的正弦電壓。 

    令其頻率從10Hz增至100Hz，每次增加10Hz；再從100Hz增至1kHz，每次增加100Hz；*后，從1kHz增至19kHz，每次增加1kHz。在10Hz和20Hz時(shí)，由于電流的頻率很低，指針會(huì)對瞬時(shí)力矩有所響應(yīng)，出現(xiàn)指針在電流平均值附近擺動(dòng)和抖動(dòng)的現(xiàn)象。在10～50Hz范圍內(nèi)，指示讀數(shù)隨著頻率的增加而增大，根據(jù)以上電路圖可知，整流環(huán)節(jié)中存在二極管，它的導(dǎo)通需要一定的電壓，在其兩端的電壓未達(dá)到此值之前，電路未導(dǎo)通，正弦波的開始部分不能通過表頭。且在頻率較低時(shí)，由于波形的上升比較緩慢，二極管兩端的電壓達(dá)到導(dǎo)通電壓需要的時(shí)間較長；隨著頻率的上升，這一時(shí)間會(huì)逐漸變短，這樣在一個(gè)周期內(nèi)流過表頭的電流的平均值，會(huì)隨著頻率的上升而增大，當(dāng)頻率大于或等于50Hz時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)流過表頭的電流的平均值基本不會(huì)有太大的變化。在50Hz到19kHz的頻率范圍內(nèi)，指示隨著頻率的上升而減小，這是因?yàn)檎髌鞔嬖谀承╈o電電容，頻率升高時(shí)，反向工作器件的靜電電容，對電流的分流作用使指示值減小。

    3.2 波形對測量結(jié)果的影響

    整流式儀表指示交流整流電流的平均值，在實(shí)際使用時(shí)則按照正弦波的有效值進(jìn)行刻度，波形差距越大，誤差越大。考慮到整流環(huán)節(jié)中，三角波導(dǎo)通時(shí)間大于正弦波，方波導(dǎo)通時(shí)間*長，所以對于三種波形來說，同頻率三角波的指示值大于正弦波，方波大于三角波。

    以上七種指針式儀表中，磁電式儀表只能用于直流的測量，但它適用于高靈敏度的儀表且刻度均勻，所以得到了廣泛的應(yīng)用。

    其他指針式儀表都可用于交流的測量。其中，感應(yīng)式儀表只能在工頻下工作，在其他頻率下將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差；電磁式和電動(dòng)式儀表在交流下的使用頻率范圍基本相同，可以滿足大致從20～600Hz的一般精度的測量，波形對測量結(jié)果的影響不大，一般可滿足測量的要求，除非波形畸變很嚴(yán)重；靜電式儀表的使用頻率范圍較以上兩者更廣，約為20Hz～2kHz，雖然它在原理上不受頻率影響，但頻率升高會(huì)使保護(hù)電阻的容抗減小，使指示值偏小；整流式儀表的使用頻率范圍更廣，約為20Hz～10kHz，雖然頻率和波形都會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，但只要在以上頻率范圍內(nèi)且波形畸變不嚴(yán)重，其測量精度仍可滿足一般測量的要求。