第三節(jié) 電工監(jiān)測技術(shù)

一、概述

電工測量的對象主要是電流、電壓、電功率、電能、相位、頻率、功率因數(shù)、電阻等。測量各種電量(包括磁量)的儀器儀表，統(tǒng)稱為電工測量儀表。電工測量儀表的種類很多，其中最常用的是測量基本電量的儀表。電工測量在電氣設(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。

從測量原理上講，所謂電工測量就是將被測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，如被測量單位的符號、工作原理符號、電流種類符號、準(zhǔn)確度等級符號、工作位置符號和絕緣強(qiáng)度符號等。

電工儀表的準(zhǔn)確度等級分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0共7級，數(shù)字越小表示準(zhǔn)確度越高。按防御外界磁場或電場干擾的能力可分為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、電流和電壓的測量

電流、電壓一般都采用直接測量方法，即采用直讀式模擬或數(shù)字的電流、電壓表測量。測電流時(shí)與被測電路串聯(lián)，測電壓時(shí)與被測電路并聯(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量

測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。可動(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度是均勻的，其中產(chǎn)生均勻的輻射方向的磁場。

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)，通過測量機(jī)構(gòu)的電流仍為Ic，且Ic與被測電壓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量

測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)測量中應(yīng)用十分廣泛。

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

雖然電磁系儀表結(jié)構(gòu)簡單、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。因?yàn)榫€圈需要足夠的電流來產(chǎn)生磁場，故其靈敏度低;又由于本身磁場較弱，抗干擾能力差。

電磁系測量機(jī)構(gòu)本身就是電流表，只要將被測電流接入固定線圈中即可。被測電流通過固定線圈，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，可以直接用這種測量機(jī)構(gòu)去測量較大的電流。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。一般測量機(jī)構(gòu)本身可測量的最大電流為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。

電磁系儀表與被測電路并聯(lián)即可作為電壓表測量電壓，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。

對于交流精密測量，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，可以測量功率、電能。

三、電功率和電能的測量

測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分布，也便于改換電流量程。可動(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)。可動(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，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)角正比于被測功率。

值得注意的是，電動(dòng)系功率表既可測量直流功率，也可測量交流功率。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)角與被測電流平方或被測電壓平方成正比，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)電場才能做能量轉(zhuǎn)換。而建立磁場和電場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、相位和頻率的測量

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

(1)模擬測相位方法，如相乘器法、矢量法。相乘器法依據(jù)2個(gè)同頻率的正弦信號通過乘法器、濾波電路得到直流電壓，由直流電壓表測量顯示;矢量法依據(jù)2個(gè)同頻率等幅的正弦信號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，而且對元器件要求高。

(2)數(shù)值取樣法。它的基本原理是對正弦信號以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)行兩信號相位差的測量，僅需要對2路信號分別進(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量誤差，對信號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。它通過對兩信號過零點(diǎn)時(shí)間的測量間接獲得它們的相位差，利用汁數(shù)脈沖對相位差脈寬進(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)測的相位測量中常采用快速、方便的直讀式相位表來測量。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、低壓伏安相位檢測表等，其中數(shù)字雙鉗相位伏安表是一種具有多種電量測量功能的便攜式儀表。該表最大的特點(diǎn)是可以測量兩路電壓之間、兩路電流之間及電壓與電流之間的相位和工頻頻率。

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

其中電子計(jì)數(shù)器測量法在電氣監(jiān)測中應(yīng)用最為普遍。圖2-87所示為計(jì)數(shù)器測量頻率的原理。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，使整形后的被測脈沖信號通過并送往計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù);④計(jì)數(shù)和顯示電路。