第三節(jié) 電工監(jiān)測(cè)技術(shù)

一、概述

電工測(cè)量的對(duì)象主要是電流、電壓、電功率、電能、相位、頻率、功率因數(shù)、電阻等。測(cè)量各種電量(包括磁量)的儀器儀表，統(tǒng)稱為電工測(cè)量?jī)x表。電工測(cè)量?jī)x表的種類很多，其中最常用的是測(cè)量基本電量的儀表。電工測(cè)量在電氣設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)、合理運(yùn)行與故障檢修中起著十分重要的作用。

從測(cè)量原理上講，所謂電工測(cè)量就是將被測(cè)的電量或磁量與同類量進(jìn)行比較的過程。根據(jù)比較方法的不同，測(cè)量方法也不一樣。電工儀表種類多，有不同的分類方法。除按準(zhǔn)確度分類外，還可以按使用方法分為開關(guān)板式儀表和可攜式儀表;按儀表外形尺寸分則有微型、小型、中型、大型和巨型5種，按儀表的工作原理通常分為磁電系、電磁系和電動(dòng)系三類。為了表示常用電工儀表的技術(shù)性能，在電工儀表的表盤上有許多符號(hào)，如被測(cè)量單位的符號(hào)、工作原理符號(hào)、電流種類符號(hào)、準(zhǔn)確度等級(jí)符號(hào)、工作位置符號(hào)和絕緣強(qiáng)度符號(hào)等。

電工儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0共7級(jí)，數(shù)字越小表示準(zhǔn)確度越高。按防御外界磁場(chǎng)或電場(chǎng)干擾的能力可分為I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4等，其中I等的防御能力最好。按使用條件則分為A、B、C三組，A、B兩組用于室內(nèi)，C組用于室外或船艦、飛機(jī)、車輛上。

二、電流和電壓的測(cè)量

電流、電壓一般都采用直接測(cè)量方法，即采用直讀式模擬或數(shù)字的電流、電壓表測(cè)量。測(cè)電流時(shí)與被測(cè)電路串聯(lián)，測(cè)電壓時(shí)與被測(cè)電路并聯(lián)，但應(yīng)注意連接在電路中的位置，即電流表線圈應(yīng)接在低電位端，電壓表接地標(biāo)志應(yīng)接在低電位端，如圖2-81所示。

(一)直流電流和電壓的測(cè)量

測(cè)量直流電流和電壓的儀表多為磁電系儀表。磁電系儀表結(jié)構(gòu)如圖2-82所示。它可分為固定部分和可動(dòng)部分。固定部分包括馬蹄形永久磁鐵、極掌NS及圓柱形鐵芯等?？蓜?dòng)部分則有鋁框及線圈、兩根半軸、螺旋彈簧及指針。極掌與鐵芯之間空氣隙的長(zhǎng)度是均勻的，其中產(chǎn)生均勻的輻射方向的磁場(chǎng)。

磁電系儀表工作原理是可動(dòng)線圈通電后，由于線圈在磁場(chǎng)中受到電磁力矩的作用使指針產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)可動(dòng)線圈穩(wěn)定后，可認(rèn)為驅(qū)動(dòng)力矩等于反作永久磁鐵用力矩，此時(shí)指針偏轉(zhuǎn)的角度與流經(jīng)線圈的電流成正比。

磁電系儀表可以用于測(cè)量直流電壓、直流電流及電阻，其優(yōu)點(diǎn)是刻度均勻、靈敏度和準(zhǔn)確度高、阻尼強(qiáng)、消耗電能量小、受外界磁場(chǎng)影響小、工作穩(wěn)定可靠、易制成多量程儀表;它的缺點(diǎn)是過載能力小、只能測(cè)量直流、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。

值得注意的是，因?yàn)樵搩x表內(nèi)部永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向恒定，所以只有通人直流電流才能產(chǎn)生穩(wěn)定的偏轉(zhuǎn)。如果線圈中通入的是交流電流，則由于電流方向不斷改變，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也是在交變，可動(dòng)的機(jī)械部分來不及反應(yīng)，指針只能在零位附近擺動(dòng)而得不到正確的讀數(shù)。所以它只能測(cè)量直流電流。

磁電系儀表可以通過分流器擴(kuò)大其量程，也可以并聯(lián)若干個(gè)電阻，通過更換輸入接頭，可組成多量程的電流表。分流電阻一般采用電阻率較大、電阻溫度系數(shù)很小的錳銅制成。目前，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外附分流器在通入額定電流時(shí)，對(duì)應(yīng)的額定電壓為30、45、75、100、150mV和300mV共6種規(guī)格。例如，有一磁電式測(cè)量機(jī)構(gòu)的電壓量程為100mV，要將其改裝成100A的電流表，只要選擇額定電壓為100mV、額定電流為100A的外附分流器與測(cè)量機(jī)構(gòu)并聯(lián)，就能組成100A的電流表，標(biāo)度尺也按100A來刻度。

磁電系直流電壓表是由磁電系測(cè)量機(jī)構(gòu)與分壓電阻串聯(lián)組成的，見圖2-83，根據(jù)歐姆定

律可知，一只內(nèi)阻為Rc、滿刻度電流為Ic的磁電系測(cè)量機(jī)構(gòu)，本身就是一只量程為UC=IcRc的直流電壓表，只是其電壓量程太小。如果需要測(cè)量更高的電壓，就必須擴(kuò)大其電壓量程，即串聯(lián)分壓電阻。分壓電阻的計(jì)算方法如下：

設(shè)磁電系測(cè)量機(jī)構(gòu)的額定電壓為Ulc=IcRc，串聯(lián)適當(dāng)分壓電阻Rv后，可使電壓量程擴(kuò)大為U，此時(shí)，通過測(cè)量機(jī)構(gòu)的電流仍為Ic，且Ic與被測(cè)電壓U成正比。所以，可以用儀表指針偏轉(zhuǎn)角的大小來反映被測(cè)電壓的數(shù)值。

上式說明，要使電壓表量程擴(kuò)大m倍，需要串聯(lián)的分壓電阻應(yīng)是涮量機(jī)構(gòu)內(nèi)阻Rc的(m-1)倍。

分壓電阻一般應(yīng)采用電阻率大、電阻溫度系數(shù)小的錳銅絲繞制而成。分壓電阻也分為內(nèi)附式和外附式兩種。通常量程低于600V時(shí)可采用內(nèi)附式的，以便安裝在表殼內(nèi)部;量程高于600V時(shí)，應(yīng)采用外附式的。外附式分壓電阻是單獨(dú)制造的，并且要與儀表配套使用。

多量程直流電壓表由磁電系測(cè)量機(jī)構(gòu)與不同阻值的分壓電阻串聯(lián)組成。通常采用共用式分壓電路。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是高量程分壓電阻共用了低量程的分壓電阻，達(dá)到了節(jié)約材料的目的;缺點(diǎn)是一旦低量程分壓電阻損壞，高量程電壓擋就不能使用。

(二)交流電流和電壓的測(cè)量

測(cè)量交流電壓和交流電流最常用的是電磁系儀表，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、過載能力強(qiáng)、價(jià)格便宜、可以交直流兩用等一系列優(yōu)點(diǎn)，在試驗(yàn)室、工業(yè)測(cè)量中應(yīng)用十分廣泛。

電磁系儀表的工作原理是被測(cè)電流通過一固定線圈，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁化鐵芯，鐵芯與線圈或者鐵芯與鐵芯相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。它和磁電系測(cè)量?jī)x表的區(qū)別是，它的磁場(chǎng)由被測(cè)電流通過固定線圈產(chǎn)生，而磁電系測(cè)量機(jī)構(gòu)的磁場(chǎng)是由永久磁鐵產(chǎn)生的。

電磁系儀表結(jié)構(gòu)有吸引型、推斥型和吸引一推斥型三種形式(見圖2-84)。吸引型的驅(qū)動(dòng)力矩是利用線圈通電后，對(duì)可動(dòng)鐵芯產(chǎn)生吸引力.使指針偏轉(zhuǎn)。推斥型則靠線圈同時(shí)對(duì)固定、可動(dòng)鐵芯進(jìn)行磁化，由于磁化的極性相同，產(chǎn)生互斥而形成驅(qū)動(dòng)力矩。顯然驅(qū)動(dòng)力矩與通過線圈的電流大小有關(guān)，因此根據(jù)儀表指針偏轉(zhuǎn)角的大小即可得到電流值。但由于指針偏轉(zhuǎn)角與被測(cè)電流的平方成正比，因此標(biāo)尺呈平方律特性，前密后疏。另外，電磁系儀表的固定線圈有感抗，鐵片有渦流，這些都隨頻率而改變，使讀數(shù)產(chǎn)生誤差。所以電磁系儀表一般只適用于工頻測(cè)量。

雖然電磁系儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、過載能力強(qiáng)，但由于存在磁滯現(xiàn)象，準(zhǔn)確度低，最高為0.5級(jí)。因?yàn)榫€圈需要足夠的電流來產(chǎn)生磁場(chǎng)，故其靈敏度低;又由于本身磁場(chǎng)較弱，抗干擾能力差。

電磁系測(cè)量機(jī)構(gòu)本身就是電流表，只要將被測(cè)電流接入固定線圈中即可。被測(cè)電流通過固定線圈，不通過可動(dòng)部分，固定線圈的線徑較粗，可以流人大電流，因而一般不需分流器，可以直接用這種測(cè)量機(jī)構(gòu)去測(cè)量較大的電流。量限小于30A時(shí)，線圈用絕緣導(dǎo)線，量限大時(shí)可用粗銅條繞制。一般測(cè)量機(jī)構(gòu)本身可測(cè)量的最大電流為200A，大于200A以上的電流表采用電流互感器擴(kuò)大量限。

為改變量程，一般是將固定線圈分段，利用各段線圈的串聯(lián)或并聯(lián)來改變電流量程。當(dāng)構(gòu)成多量程電流表時(shí)，不宜采用分流器。通常是將固定線圈分段繞制，采用線圈串并聯(lián)結(jié)合的方法改變量程。

電磁系儀表與被測(cè)電路并聯(lián)即可作為電壓表測(cè)量電壓，若要擴(kuò)大量程，可采用由固定線圈串聯(lián)附加電阻。但是附加電阻不宜過大，否則通過固定線圈的電流很小，需要增加固定線圈的匝數(shù)，使誤差增大。

對(duì)于交流精密測(cè)量，通常采用電動(dòng)系儀表，即所謂交流標(biāo)準(zhǔn)表。與電磁系儀表的區(qū)別是：由可動(dòng)線圈代替可動(dòng)鐵芯。這樣可以消除磁滯和渦流的影響，使測(cè)量的準(zhǔn)確度提高。此外，電動(dòng)系儀表具有固定和可動(dòng)兩套線圈，可以測(cè)量功率、電能。

三、電功率和電能的測(cè)量

測(cè)量電功率通常使用功率表。功率表是電動(dòng)系儀表，其結(jié)構(gòu)如圖2-85所示。固定線圈分為兩段，目的是獲得較均勻的磁場(chǎng)分布，也便于改換電流量程?？蓜?dòng)部分包括可動(dòng)線圈、指針、阻尼翼片等。它們均固定在轉(zhuǎn)軸上。游絲既作為產(chǎn)生反作用力矩，又作為引導(dǎo)電流的元件。阻尼力矩由空氣阻尼裝置產(chǎn)生。固定線圈導(dǎo)線較粗，匝數(shù)較少，它與負(fù)載串聯(lián)?？蓜?dòng)線圈為電壓線圈，導(dǎo)線較細(xì)，匝數(shù)較多，且串聯(lián)附加電阻，它與負(fù)載并聯(lián)。

電動(dòng)系儀表的工作原理如圖2-86所示。固定線圈通人直流電I1，產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，可動(dòng)線圈通入直流電I2，可動(dòng)線圈在磁場(chǎng)中受到電磁力F作用，并產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。作為功率表使用，指針偏轉(zhuǎn)角正比于被測(cè)功率。

值得注意的是，電動(dòng)系功率表既可測(cè)量直流功率，也可測(cè)量交流功率。若電動(dòng)系儀表作為電流或電壓表使用，如果兩線圈通以同一電流，或被測(cè)電流的一部分，且互感變化率為常數(shù)，則指針偏轉(zhuǎn)角與被測(cè)電流平方或被測(cè)電壓平方成正比，或與交流電流或電壓有效值平方成正比。

用來計(jì)量用電設(shè)備消耗電能的儀表稱為電能表，俗稱電度表、火表。電能表按結(jié)構(gòu)可分為電氣機(jī)械式電能表、電子式電能表和機(jī)電一體式電能表。根據(jù)相數(shù)分，則有單相和三相電能表。目前，家庭用戶基本是單相表，工業(yè)動(dòng)力用戶通常是三相表。

按接人電源性質(zhì)，電能表又可分為有功電能表和無功電能表。眾所周知，電能可以轉(zhuǎn)換成各種能量。例如，通過電爐轉(zhuǎn)換成熱能、通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能、通過電燈轉(zhuǎn)換成光能等。在這些轉(zhuǎn)換中所消耗的電能為有功電能。而記錄這神電能的電表為有功電能表。

有些電氣裝置在能量轉(zhuǎn)換時(shí)先得建立一種轉(zhuǎn)換的環(huán)境，如電動(dòng)機(jī)、變壓器等要先建立一個(gè)磁場(chǎng)才能做能量轉(zhuǎn)換，還有些電氣裝置是要先建立一個(gè)電場(chǎng)才能做能量轉(zhuǎn)換。而建立磁場(chǎng)和電場(chǎng)所需的電能都是無功電能。而記錄這種電能的電表為無功電能表。無功電能在電氣裝置本身中是不消耗能量的，但會(huì)在電氣線路中產(chǎn)生無功電流，該電流在線路中將產(chǎn)生一定的損耗。無功電能表是專門記錄這一損耗的，一般只有較大的用電單位才安裝這種無功電能表。在各種電能表中，電氣機(jī)械式感應(yīng)電能表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格便宜，是目前應(yīng)用最廣的一種電能表。其工作原理為：當(dāng)把電能表接人被測(cè)電路時(shí)，電流線圈和電壓線圈中就有交變電流流過，這兩個(gè)交變電流分別在它們的鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通;交變磁通穿過鋁盤，在鋁盤中感應(yīng)出渦流;渦流又在磁場(chǎng)中受到力的作用，從而使鋁盤得到轉(zhuǎn)矩(主動(dòng)力矩)而轉(zhuǎn)動(dòng)。負(fù)載消耗的功率越大，通過電流線圈的電流越大，鋁盤中感應(yīng)出的渦流也越大，使鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩就越大，即轉(zhuǎn)矩的大小與負(fù)載消耗的功率成正比。功率越大，轉(zhuǎn)矩也越大，鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)也就越快。鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，又受到永久磁鐵產(chǎn)生的制動(dòng)力矩的作用，制動(dòng)力矩與主動(dòng)力矩方向相反;制動(dòng)力短的大小與鋁盤的轉(zhuǎn)速成正比，鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)得越快，制動(dòng)力矩也越大。當(dāng)主動(dòng)力矩與制動(dòng)力矩達(dá)到暫時(shí)平衡時(shí)，鋁盤將勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。負(fù)載所消耗的電能與鋁盤的轉(zhuǎn)數(shù)成正比。鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)計(jì)數(shù)器，從而把所消耗的電能指示出來。

電子式電能表運(yùn)用模擬或數(shù)字電路得到電壓和電流向量的乘積，然后通過模擬或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量功能。

四、相位和頻率的測(cè)量

在電氣測(cè)量中，相位和頻率都是很重要的測(cè)量參數(shù)。目前比較典型的相位檢測(cè)方法有：

(1)模擬測(cè)相位方法，如相乘器法、矢量法。相乘器法依據(jù)2個(gè)同頻率的正弦信號(hào)通過乘法器、濾波電路得到直流電壓，由直流電壓表測(cè)量顯示;矢量法依據(jù)2個(gè)同頻率等幅的正弦信號(hào)相減后得到與相位成正比的矢量差的模再求得相位差值，這些方法電路復(fù)雜，而且對(duì)元器件要求高。

(2)數(shù)值取樣法。它的基本原理是對(duì)正弦信號(hào)以At為間隔連續(xù)采樣3點(diǎn)，通過計(jì)算即可求出頻率，為了進(jìn)行兩信號(hào)相位差的測(cè)量，僅需要對(duì)2路信號(hào)分別進(jìn)行5個(gè)點(diǎn)的采樣，即可計(jì)算出相位。該方法從原理上不存在測(cè)量誤差，對(duì)信號(hào)的采樣間隔沒有特殊要求，采樣點(diǎn)少，計(jì)算量小，但軟件實(shí)現(xiàn)方面要求高，且時(shí)間間隔的控制比較繁雜。

(3)過零檢相法，又稱時(shí)間重合法。它通過對(duì)兩信號(hào)過零點(diǎn)時(shí)間的測(cè)量間接獲得它們的相位差，利用汁數(shù)脈沖對(duì)相位差脈寬進(jìn)行填充，然后計(jì)算計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，再取平均值求相位。過零檢相法用得較普遍。

在電氣監(jiān)測(cè)的相位測(cè)量中常采用快速、方便的直讀式相位表來測(cè)量。這類相位表形式很多，有數(shù)字或非數(shù)字的雙鉗相位伏安表、雙鉗相位表、鉗形相位表、鉗形相位伏安表、低壓伏安相位檢測(cè)表等，其中數(shù)字雙鉗相位伏安表是一種具有多種電量測(cè)量功能的便攜式儀表。該表最大的特點(diǎn)是可以測(cè)量?jī)陕冯妷褐g、兩路電流之間及電壓與電流之間的相位和工頻頻率。

測(cè)量頻率的方法也很多，如示波器測(cè)量法、電子計(jì)數(shù)器測(cè)量法、倍頻和差頻測(cè)量法等。

其中電子計(jì)數(shù)器測(cè)量法在電氣監(jiān)測(cè)中應(yīng)用最為普遍。圖2-87所示為計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率的原理。從圖中可以看出，它是由以下幾部分組成：①輸入通道，一般由通道放大電路和整形電路組成;②時(shí)間基準(zhǔn)電路，通常采用石英晶體振蕩器經(jīng)整形和一系列分頻電路構(gòu)成時(shí)間基準(zhǔn);③控制電路，用來使主閘門在所選擇的基準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)打開，使整形后的被測(cè)脈沖信號(hào)通過并送往計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù);④計(jì)數(shù)和顯示電路。