電工儀表的非工頻測量

 摘要：電氣測量在日常生產生活中是非常重要和*的。電氣測量的精度是由很多因素決定的。其中，頻率和波形兩個因素對測量結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字式儀表，論述了頻率和波形對測量結果是否會造成影響和影響的趨勢，給出了適合其使用的頻率范圍。

1常用指針式電氣測量儀表的特點

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、電動式儀表、感應式儀表、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準表、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構，其準確度和靈敏度zui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為直流后，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行測量，所以磁電式儀表是電氣測量儀表中使用zui多的。

1.2電磁式儀表

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

1.3電動式儀表

利用固定線圈和可動線圈分別通過電流時的轉動力矩，正比于兩個電流瞬時值乘積的原理制成，用于功率測量zui為理想。對于電流或電壓測量，平方刻度不便于讀數。可作為標準表使用，作為攜帶用和配電盤用功率表時需加入鐵芯。

1.4感應式儀表

其應用的zui典型的例子就是電能表，也應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。

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。其優點是耗電量很小，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，被作為交直流轉換器，并以此和其它工作原理的儀表相區別。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zui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

這種儀表是根據發熱現象制成的，在交流儀表中，它能zui可靠地指示有效值。同時由于這種儀表的高頻特性好，所以廣播頻率范圍內的電流測量都采用這種儀表。

2數字式儀表的特點

數字式儀表的準確度很高，如數字式電壓表測量直流量的準確度可達0.001%，甚至更高；數字式儀表的基本量限的輸入阻抗高達2500MW，輸入阻抗高于1000MW的數字電壓表很常見，因此，吸收被測量的功率很小，測量結果以數字形式給出，指示數讀出方便，沒有讀數誤差；測量速度快，一般都可達到50次/s；靈敏度高，現代的積分式數字電壓表的分辨率可達0.001mV；數字式儀表操作簡單，測量過程自動化，可自動判斷極性甚至切換量程，它還可以方便地與計算機配合，以便進一步計算和控制。對于大多數的測量，數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。

31.5級整流式毫安表的實驗

3.1頻率對測量結果的影響

整流式毫安表的等效電路如圖1所示，其一次與二次線圈匝數比為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；zui后，從1kHz增至19kHz，每次增加1kHz。在10Hz和20Hz時，由于電流的頻率很低，指針會對瞬時力矩有所響應，出現指針在電流平均值附近擺動和抖動的現象。在10～50Hz范圍內，指示讀數隨著頻率的增加而增大，根據以上電路圖可知，整流環節中存在二極管，它的導通需要一定的電壓，在其兩端的電壓未達到此值之前，電路未導通，正弦波的開始部分不能通過表頭。且在頻率較低時，由于波形的上升比較緩慢，二極管兩端的電壓達到導通電壓需要的時間較長；隨著頻率的上升，這一時間會逐漸變短，這樣在一個周期內流過表頭的電流的平均值，會隨著頻率的上升而增大，當頻率大于或等于50Hz時，在一個周期內流過表頭的電流的平均值基本不會有太大的變化。在50Hz到19kHz的頻率范圍內，指示隨著頻率的上升而減小，這是因為整流器存在某些靜電電容，頻率升高時，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波形對測量結果的影響

整流式儀表指示交流整流電流的平均值，在實際使用時則按照正弦波的有效值進行刻度，波形差距越大，誤差越大。考慮到整流環節中，三角波導通時間大于正弦波，方波導通時間zui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用。

其他指針式儀表都可用于交流的測量。其中，感應式儀表只能在工頻下工作，在其他頻率下將會產生很大的誤差；電磁式和電動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，波形對測量結果的影響不大，一般可滿足測量的要求，除非波形畸變很嚴重；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，但頻率升高會使保護電阻的容抗減小，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對測量結果產生影響，但只要在以上頻率范圍內且波形畸變不嚴重，其測量精度仍可滿足一般測量的要求。