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電工儀表的非工頻測量

 
  1京東方光電科技有限公司2北京電力輸電公司金永憲1劉暢2

    摘要:電氣測量在日常生產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。

    關鍵詞:電氣測量儀表;頻率;波形

    中圖分類號:TM933.4文獻標志碼: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

    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,其準確度和靈敏度最高。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最多的。

    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,用于功率測量最為理想。對于電流或電壓測量,平方刻度不便于讀數?勺鳛闃藴时硎褂,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

    其應用的最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,它是唯一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最靈敏的,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,它能最可靠地指示有效值。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。 

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圖1整流式毫安表的等效電路

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    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;最后,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?紤]到整流環節中,三角波導通時間大于正弦波,方波導通時間最長,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;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。

 
 

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