电工仪表的非工频测量

摘要：电气测量在日常生产生活中是非常重要和必不可少的。电气测量的精度是由很多因素决定的。其中，频率和波形两个因素对测量结果的影响是非常重要和显著的。该文针对七种常用的指针式电气测量仪表和数字式仪表，论述了频率和波形对测量结果是否会造成影响和影响的趋势，给出了适合其使用的频率范围。
    关键词：电气测量仪表；频率；波形
    中图分类号：TM933.4文献标志码：B文章编号：1003-0867(2008)02-0016-02
    1 常用指针式电气测量仪表的特点
    按照工作原理来讲，常用指针式电气测量仪表包括磁电式仪表、电磁式仪表、电动式仪表、感应式仪表、静电式仪表、整流式仪表和热电式仪表。常见的各种固定式标准表、携带式仪表、配电盘式仪表和面板式仪表，都是在以上仪表的基础上加以改装而形成的。
    1.1 磁电式仪表
    可以说所有的直流仪表都是这种结构，其准确度和灵敏度最高。这种仪表在交流条件下不能工作，但对热电式和整流式仪表而言，它们是采用热电偶和整流器把交流变为直流后，再用磁电式仪表作为指示的仪表。除此之外，还可以把各种被测量的交流量变换成直流电流或电压进行测量，所以磁电式仪表是电气测量仪表中使用最多的。
    1.2 电磁式仪表
    主要用于测量工频电压和电流，其结构牢固。原理上可用于直流的测量，但由于铁片的磁滞作用易产生误差，所以在直流条件下很少使用这种仪表。
    1.3 电动式仪表
    利用固定线圈和可动线圈分别通过电流时的转动力矩，正比于两个电流瞬时值乘积的原理制成，用于功率测量最为理想。对于电流或电压测量，平方刻度不便于读数。可作为标准表使用，作为携带用和配电盘用功率表时需加入铁芯。
    1.4 感应式仪表
    其应用的最典型的例子就是电能表，也应用于许多广角仪表中。不能在直流下工作，并且容易受到频率的影响，其使用频率被限制在工频范围内。
    1.5 静电式仪表
    在原理上，它是唯一用电压来工作的仪表，在交流和直流条件下都可使用。其优点是耗电量很小，适用于高阻电源的高压测量。
    1.6 整流式仪表
    它是内附整流器的磁电式仪表。整流器和热电式仪表中的热电偶一样，被作为交直流转换器，并以此和其它工作原理的仪表相区别。原理上只对平均值起作用，所以有波形误差。但由于采用磁电式仪表，所以它是交流仪表中最灵敏的，且相对输入刻度大致是线性的。近年来，采用了锗二极管整流器，改善了其各种特性和可靠性。
    1.7 热电式仪表
    这种仪表是根据发热现象制成的，在交流仪表中，它能最可靠地指示有效值。同时由于这种仪表的高频特性好，所以广播频率范围内的电流测量都采用这种仪表。
    2 数字式仪表的特点
    数字式仪表的准确度很高，如数字式电压表测量直流量的准确度可达0.001%，甚至更高；数字式仪表的基本量限的输入阻抗高达2500MW，输入阻抗高于1000MW的数字电压表很常见，因此，吸收被测量的功率很小，测量结果以数字形式给出，指示数读出方便，没有读数误差；测量速度快，一般都可达到50次/s；灵敏度高，现代的积分式数字电压表的分辨率可达0.001mV；数字式仪表操作简单，测量过程自动化，可自动判断极性甚至切换量程，它还可以方便地与计算机配合，以便进一步计算和控制。对于大多数的测量，数字式仪表都可以胜任，一般的频率和波形误差对它的影响极小。
    3 1.5级整流式毫安表的实验
    3.1 频率对测量结果的影响
    整流式毫安表的一次与二次线圈匝数比为4.300/0.665，即6.466。在整流式毫安表的一次线圈两端加上峰值为100mV的正弦电压。 
    令其频率从10Hz增至100Hz，每次增加10Hz；再从100Hz增至1kHz，每次增加100Hz；最后，从1kHz增至19kHz，每次增加1kHz。在10Hz和20Hz时，由于电流的频率很低，指针会对瞬时力矩有所响应，出现指针在电流平均值附近摆动和抖动的现象。在10～50Hz范围内，指示读数随着频率的增加而增大，根据以上电路图可知，整流环节中存在二极管，它的导通需要一定的电压，在其两端的电压未达到此值之前，电路未导通，正弦波的开始部分不能通过表头。且在频率较低时，由于波形的上升比较缓慢，二极管两端的电压达到导通电压需要的时间较长；随着频率的上升，这一时间会逐渐变短，这样在一个周期内流过表头的电流的平均值，会随着频率的上升而增大，当频率大于或等于50Hz时，在一个周期内流过表头的电流的平均值基本不会有太大的变化。在50Hz到19kHz的频率范围内，指示随着频率的上升而减小，这是因为整流器存在某些静电电容，频率升高时，反向工作器件的静电电容，对电流的分流作用使指示值减小。
    3.2 波形对测量结果的影响
    整流式仪表指示交流整流电流的平均值，在实际使用时则按照正弦波的有效值进行刻度，波形差距越大，误差越大。考虑到整流环节中，三角波导通时间大于正弦波，方波导通时间最长，所以对于三种波形来说，同频率三角波的指示值大于正弦波，方波大于三角波。
    以上七种指针式仪表中，磁电式仪表只能用于直流的测量，但它适用于高灵敏度的仪表且刻度均匀，所以得到了广泛的应用。
    其他指针式仪表都可用于交流的测量。其中，感应式仪表只能在工频下工作，在其他频率下将会产生很大的误差；电磁式和电动式仪表在交流下的使用频率范围基本相同，可以满足大致从20～600Hz的一般精度的测量，波形对测量结果的影响不大，一般可满足测量的要求，除非波形畸变很严重；静电式仪表的使用频率范围较以上两者更广，约为20Hz～2kHz，虽然它在原理上不受频率影响，但频率升高会使保护电阻的容抗减小，使指示值偏小；整流式仪表的使用频率范围更广，约为20Hz～10kHz，虽然频率和波形都会对测量结果产生影响，但只要在以上频率范围内且波形畸变不严重，其测量精度仍可满足一般测量的要求。