第一章交直流模拟仪器计量基础知2.docx
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第一章交直流模拟仪器计量基础知2
第一章交直流模拟仪器计量基础知识
本篇所述的交直流模拟仪器是指电流表、电压表、电阻表(通称三表)及电位差计,其基本结构是由测量机构(机械部分)和测量线路(电子部分)两部分构成。
测量线路的作用是实现被测电量的转换;测量机构的作用是实现被测电量的模拟指示,从而达到直接判读所测电参目的。
本章主要介绍交直流模拟仪器计量基础知识,包括交直流模拟仪器的分类及主要用途、交直流模拟仪器的技术标准及在国内外的发展与现状。
第一节交直流模拟仪器概述
从电测量的发展史来讲,电流表、电压表及电阻表是电磁测量领域中出现最早的一种电参数测试仪表,已有二百多年的历史,其基本结构和测量原理已经达到了相当完善的地步。
其特点是结构简单、稳定可靠、成本低廉、操作简便;缺点是仪表的灵敏度低、刻度特性不惟一、温度特性差异大、抗干扰特性差及测量精度较低等,适用于满足对测量精度要求低的测试需求。
而电位差计是电磁测量领域中另一种重要的精密测量仪器,由于其测量线路是彩补偿测量法原理,在测量时几乎不损耗被测对象的能量,因而测量结果稳定可靠由于电位差计在测量过程中具有稳定而可靠的特点,因而其在小信号电量的测量方面应用较广。
交直流模拟仪器所测的电参量计量单位中,只有电流单位安培(A)是国际单位制中的基本单位,其他如电压单位伏(V)、电阻单位欧姆(Ω)、功率单位瓦特(W)都是导出单位。
第二节交直流模拟仪器的分类及主要用途
一、交直流模拟仪器的分类
根据三表和电位差计的特点不同,可分别对三表和电位差计进行如下分类。
(一)三表的分类
根据不同的分类方法,三表可作如下分类:
1.按准确度分类
仪表按准确度分为13级,即0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、2.0、2.5、3.0、5.0、10及20级。
2.按表外壳的防护性能分类
仪表按其外壳的防护性能分为七种,即普通式、防尘式、防溅式、防水式、水密式,气密式和隔爆式。
3.按耐受机械力作用的性能分类
仪表按耐受机械力作用的性能分两类,即普通仪表和能耐受机械力作用的仪表。
4.按防御外界磁场和电场的性质分类
仪表按防御外界磁场和电场的性能分为四等,即I、Ⅱ、Ш和Ⅳ。
5.按作用原理分类
仪表按作用原理分为磁电系、动磁系、电磁系、极化电磁系、电动系.铁磁电动系,静电系.振簧系、双金属系、热电系,整流系及电子系。
6.按机械可动部分的支撑方式分类
仪表按机械可动部分的支撑方式分为轴颈轴承式、张丝式及吊丝式。
7.按表头的读数装置分类
按仪表表头的读数装置分为指针式、振簧式及光电指示器式。
8.按表头零位标度位置的不同分类
仪表按表头零位标度位置的不同分为单向标度方式、双向标度方式及无标度方式。
9.按使用的形式分类
仪表按使用的形式分为可携带式和可安装式。
10.按标度的特点分类
仪表按标度的特点分为均匀式和非均匀式。
11.按外形分类
仪表按外形分为微型、小型.中型和大型四种类型。
(二)直流电位差计的分类
1.按电位差计的使用条件分类
(1)实验室型主要在实验室条件下供精密测量用。
(2)携带型主要在生产现场供—般测量用.携带型电位差计具有内附检流计、工作电源和标准电池(或标准稳压源)。
2.按电位差计的测量范围分类
(1)高电势电位差计第一测量盘的步进电压△U1≥0.1V(对第一测量盘为百步进盘时,则△U1≥0.01V),能配用分压箱测量电压,并具有泄漏和静电屏蔽作用。
(2)低电势电位差计第一测量盘的步进电压△U1≥0.01V。
3.按电位差计未知端钮输出电阻的大小分类
(1)高阻电位差计输出电阻≥1000Ω。
(2)低阻电位盏计输出电阻≤几百Ω。
4.按测量量限的多少分类
(1)单量限电位差计。
(2)多量限电位差计。
5.按电位差计的准确度等级分类
(1)实验室型0.000l级、0.0002级、0.0005级、0.001级、0.002级、0.005级、0.0l级、0.02级、0.05级。
(2)携带型0.02级、0.05级、0.1级、0.2级。
6.按电位差计测量盘的结构或补偿电压的方式分类
(1)简单分压式线路测量电阻是由简单的分度十进盘和附加的滑线电阻盘组成的,如303,UJ22,UJ23,UJ27,UJ36,UJ37,UJ43等;
(2)串联代换式线路测量电阻是由代换十进盘组成的,如308,UJ9,UJ24,UJ25,UJ29,UJ31,UJ2l等;
(3)并联分路式线路测量电阻是由分路十进盘组成的,如UJl,UJ14,UJ41等;
(4)十进电流叠加线路测量电阻是按十进电流叠加线路组成,补偿电压(又叫测量电压)是由几个互成十进制关系的电流在同一测量电阻上产生的十进位补偿电压,如UJ5,UJ26,P306,7559,P330等;
(5)电压叠加式线路补偿电压是由不同工作电流在不同测量电阻上产生的补偿电压串联叠加而成的,如UJ30,UJ35,2773,2783等;
(6)桥式线路补偿电压是由两个方向相反的工作电流分别在两部分电阻上的电压降之差产生的,如KJI-48,3589R,UJ32,UJ35,2234等;
(7)双电源及多电源电位差计电位差计是由几个电压回路组成。
每个电压回路由一个辅助电源供电,补偿电压由这几个回路的补偿电压相加而成,如UJ30,英国的5400,44248等;
(8)电流比较仪式电位差计补偿电压取决于测量盘的匝数比。
即补偿电压是利用改变比较仪中测量线圈的匝数,从而改变固定电阻上的电流来获得的,如UJ42,UJ47等。
对属于上述线路综合运用的,可称为综合线路电位差计,也可按几个主盘的线路形式命名。
(三)交流电位差计的分类
根据移相电路作用原理不同,交流电位差计可分为:
1.互感移相型电位差计;
2.阻容移相型电位差计。
二、交直流模拟仪器的主要用途
无论电流表、电压表、电阻表还是电位差计,就其用途来讲都是用来测量相应的电参量。
具体来讲,电压表是用来测量交直流电压;电流表是用来测量交直流电流;电阻表是用来测量电阻的;而电位差计是用来直接测量电动势或电压,间接测量电流、电阻以及其他电量和非电量的量值。
第三节交直流模拟仪器的技术标准
交直流电压、交直流电流及电阻的检定依据检定规程JJGl28—93进行。
直流电位差计的检定依据检定规程JJGl23—88进行。
第四节交直流模拟仪器计量技术在国内外的发展与现状
随着计量技术的发展,数字仪表及智能化仪表迅速发展并普及,交直流模拟仪器自身的缺点,也逐渐显露出来,即:
三表作为指针式仪表有准确度低,读数不方便等缺点;而电位差计具有操作繁琐、不简单的缺点,因此国内外交直流模拟仪器的使用量在逐渐减少。
但交直流模拟仪器的价格便宜及稳定性好等优点也是数字类仪表所不能比的。
目前电子式电位差计已经在国外生产并使用。
但其昂贵的价格使其还不能在国内被广泛使用。
在国内许多领域还有不少单位将交直流模拟仪器用于计量测试、科研生产和维修等。
但在这些领域中三表一般只用作电参量的测量,不用作量值传递。
第二章电位差计的原理
电位差计按使用功能可分为直流电位差计和交流电位差计两大类。
本章主要介绍直流电位差计中的电阻型直流电位差计和电流比较仪式电位差计以及交流电位差计的工作原理。
第一节直流电位差计的基本原理
本节所讲直流电位差计是指电阻型直流电位差计,这种电位差计发展较早,它的原理产生于1841年,当时称之为“补偿方法”。
目前,测量仪器发展和更新速度很快,仪器仪表的自动化程度也越来越高,但是由于直流电位差计稳定可靠且具有很高的准确度的特点,所以它在计量、生产、科研及维修等部门还广泛使用。
它是以标准电池的电动势为标准,直接测量电动势或电压,间接测量电流、电阻以及其他电量和非电量的。
一、直流电位差计的构成
在结构上,直流电位差计一般包括工作电流调节盘电阻、测量盘电阻(或补偿电阻)、温度补偿盘电阻(或调定电阻)、转换开关几部分。
除此之外,有的电位差计(如便携式直流电位差计)还具有内附检流计、工作电源和标准电池。
一般直流电位差计的检流计、辅助工作电源、标准电池等部件都是外附的。
二、直流电位差计的工作原理
直流电位差计是一个测量电动势或电压的仪器,它用一个已知电压与被测电压相平衡,该已知电压可以由固定电流流过可调电阻产生,称为恒定工作电流的电位差计,也可以由精确的可调电流流过固定电阻而获得,称为恒定电阻的电位差计,还可以是两种结构的相互组合。
直流电位差计的工作原理图如图2—l所示。
由图2—1。
可知,一台电位差计基本上由三个回路组成:
1.标准回路,也可叫做校准工作电流回路。
主要是由标准电池EN、调定电阻RN、检流计G和开关K等部件组成。
2.测量回路。
主要是由未知电动势Ex、测量电阻RK、检流计G和开关K等部件组成。
3.工作电流回路。
主要是由辅助电源B、调节电阻只RP、调定电阻RN、测量电阻RK等部件组成。
RN——温度补偿盘电阻(或调定电阻);
RK——测量盘电阻(或补偿电阻);
Rp——工作电流调节盘电阻;
G———作平衡指示用的检流计;
EN——外接标准电池的电动势;
Ex——被测电动势;
B——电位差计的工作电源;
K——转换开关。
由辅助电源B所建立的工作电流I,在调定电阻RN和测量电阻RK上产生电压降。
当开关K倒向“标准’’位置时,则在检流计G中将有电流流过,若调节工作电流,即调节RP,使检流计G指零,这时实现了调定电阻RN上的电压降与标准电池电动势EN之间的相互补偿,即有E
所以校准后的工作电流为:
I=
(2-1)
保持工作电流I不变,再将开关K倒向“未知”位置,调节RN,使检流计再次指零,即RK上的电压降Ux(称为补偿电压)与被测电动势Ex相等,即.
Ex=IRK(2-2)
将式(2—1)代人式(2—2)得:
Ex=
(2-3)
由(2—3)式可知,如果知道比值RK/RN和标准电池电动势EN,就能求出未知电动势EX值,这就是电位差计测量电压的基本原理。
由此可见,电位差计是一种比例仪器,它是将已知标准电池电动势EN分成连续可调而又已知的若干比例等分kEN,即用已知电压kEN去补偿未知电压Ex,从而确定未知电压的数值,所以电位差计测量电压的方法又称补偿测量法.一般电位差计的辅助电源B、检流计G、标准电池EN等部件都是外附的,它的误差不包括标准电池EN的误差,所以补偿电压的误差仅取决于测量电阻(补偿电阻)RK与调定电阻RN的比值,也就是说电位差计是按RK和RN的比值进行工作的。
由电位差计的原理可知,如果电位差计的示值超差,那么超差的实质就是RK/RN的比值误差变大了,此时应对电位差计进行维修,修理时只要设法保持比值在规定误差范围内就能使电位差计合格。
第三章电位差计的技术要求
第一节检定的环境条件
规程规定,电位差计检定所需的温度和相对湿度范围见表3—l。
第二节电位差计的主要技术指标
一、电位差计的允许基本误差
电位差计的允许基本误差由下面两部分组成:
1.与基准值有关的常数项;
2.与测量盘示值成比例的可变项。
其计算表达式为:
Elim=±
(3—1)
式中:
Elim——允许基本误差,单位为V;
Un——基准值,单位为V;
χ——测量盘示值,单位为V;
α——准确度等级。
允许基本误差公式中包括零电势和热电势。
基准值Un应按以下方法确定:
电位差计各有效量程的基准值应为该量程内最大10的整数幂。
另外,电位差计的允许基本误差公式也可用相对误差公式来计算。
即
ξlim=±
(3—2)
二、电位差计测量盘的增量线性
1.同一被测量值所获得的任意两个测量盘示值之误差的差值,不应超过允许基本误差的一半。
表达式为:
(3-3)
式中:
△U
——为第n个测量盘第i点示值的修正值(i=0,l,2,…),单位为μV;
E
——为第n个测量盘第i+1点示值的允许基本误差,单位为μV。
2.在任何一个测量盘任意两个相邻度盘示值间的误差的差值,不应超过两个相邻度盘示值的允许基本误差(符号相同)平均值的一半。
表达式为:
I(3—4)
三、电位差计测量盘的最小步进值或滑线盘分度值
电位差计测量盘的最小步进值或滑线盘分度值应符合下式
△U≤0.5
四、电位差计的标准化独立线路
如果电位差计在任何量程上不用测量盘,而是用独立线路进行标准化时,由这种标准化引人的误差不应超过允许基本误差的l/2。
五、电位差计的内附工作电流调节装置
电位差计的内附工作电流调节装置,其调节细度应小于
%,在调节范围内应平滑连续。
六、电位差计的端电压(或电流)
当电位差计测量盘在任意示值下,其接标准电池的端钮电压(或工作电流)的相对变化应小于
%。
第三节电位差计的内附检流计
具有内附检流计的电位差计,其检流计应满足下列技术要求:
一、灵敏度
1.在测量回路处,当测量盘电压变化α%时,引起检流计偏转应不小于lmm。
当达不到上述要求时,应具有外接检流计端钮,测量条件如下:
(1)电源电压为额定工作电压;
(2)测量盘的示值处于上限;
(3)被测端钮的外接电阻等于电位差计测量回路的输出电阻。
2.在标准回路处,当标准电势(或工作电流)变化α%时,引起检流计偏转应不小于0.5mm(如果是电子放大检流计应不小于lmm)。
3.多量程电位差计,至少要有一个量程满足上述要求,如果其他量程不能满足上述要求时,则应具有外接检流计端钮。
二、阻尼时间
应不超过5s。
三、结构
检流计应具有机械调零装置,无机械锁定装置的检流计,应具有使检流计短接的装置。
四、采用电子放大检流计的要求
1.预热时间0.1级:
大于或等于5min;0.02级、0.05级:
大于或等于15min。
2.漂移预热后10min,零位变化小于或等于lmm,4h零位变化小于或等于5mm。
3.抖动眼睛不易看出。
4.面板上应具有电气调零器。
如果在使用温度范围内,检流计的漂移小于lmm,则可允许不装电气调零器。
第四节电位差计的检定装置
一、检定装置的构成
电位差计的检定装置是由标准电位差计及其辅助设备构成的。
辅助设备一般包括:
检流计、工作电源、标准电阻、标准电池、调节装置和其他辅助仪器。
二、标准电位差计
选用的标准电位差计应满足下述两条要求,即:
1.标准电位差计的量限应等于或大于被检电位差计的量限,测量盘的最小步进值不得大于被检电位差计的最小步进值。
当使用的标准电位差计,其上限与最小步进值不能同时满足要求时,允许用若干台标准电位差计联合组成。
2.标准电位差计的误差不应超过被检电位差计允许基本误差的l/5。
为满足这一条件,可选择:
(1)比被检电位差计高二级并仍满足上述“1/5”条件。
若不能满足“l/5”的条件,应引入修正值。
(2)用整体检定或按元件检定的电位差计,其检定误差小于被检电位差计允许基本误差的1/7,引入修正值后可以检定同级电位差计。
(3)标准电位差计的年稳定度,不应超过被检电位差计允许基本误差的l/10。
如果年变化没有经过足够时间的考核,则应缩短检定周期,一般是半年检定一次。
(4)前三个测量盘内有分路盘的电位差计,一般不宜做标准电位差计使用。
另外,还应注意选择标准电位差计时要根据被检电位差计类型来选择(高电势或低电势电位差计;高阻或低阻电位差计)。
选择原则是要能用上第一测量盘并且最好是能接近测量盘的上限,这样可减小测量误差。
下面用0.01级的UJ25型高电势直流电位差计来测量一个未知电动势来说明这一选择原则。
例:
如果待测量为1.8V左右即x=1.8V,则测量时用上了第一测量盘的上限即第18个示值,根据公式3—1可知,电位差计的允许基本误差为
E
相对误差为
ξlim=±
=±1.05×10
如果待测量为0.1V左右,测量时用上了第一测量盘的第1个示值,则允许基本误差为
E
=土2.0×10-5V
相对误差为
ξlim=土2×10-4V
如果用0.0l级的UJ5l型低电势直流电位差计测量,则用上了第一测量盘的上限即10个示值,此时允许基本误差为
E
=土1.1×10-5V
相对误差为
ξlim==土1.1×10-4
可以看出,用第一测量盘的上限要比用同一测量盘的下限测量精度高,测量0.1V点时用低电势电位差计要比用同级别的高电势电位差计测量精度高。
所以在检定电位差计时,—定要看被检的测量上限而选择合适的标准电位差计。
三、辅助设备
(一)检流计
在检定装置中,由于检流计灵敏度不够而引起的误差,应不超过被检电位差计允许基本误差的l/10。
例:
检定一台UJ25型电位差计,α=0.01,Un=1.0V,x=0.1V。
假定检定员的分辨误差为1格(1mm),检第一盘第一点时,要求检流计分辨力为
=
2×10-6V=2μV
即当电位差计示值变化2μV时,检流计要能偏转1格,或当电位差计测量盘变动一个步进值(10μV)时,检流计应能偏转5小格。
当检流计灵敏度不够时,可将标准电位差计和被检电位差计的工作电流同时增加一倍(提高电压),但电流增加后,电位差计内每只电阻消耗的功率不能超过0.05W。
如果检定装置用的是光电放大式检流计,则要求放大器经过一段时间预热,使其达到热平衡,以防止光点漂移。
(二)工作电源
检定装置的工作电源应保证工作电流相对变化引起的误差不超过被检电位差计允许基本误差的l/10。
给电位差计供电用的工作电源,要求能够稳定供电,以保证工作电流不变,因此,电源容量不能太小。
一般要求电源容量应为电位差计工作电流的一千倍。
电位差计工作电流小于5mA的可以由干电池供电。
如果工作电流大于10mA时,应用精密稳压电源(如上海电表厂的YJ42)或蓄电池等大容量电源做电位差计的辅助电源。
蓄电池充电后,需稳定一段时间(约4~6h),然后放电至正常容量的80%左右才能使用。
若要知道标准电位差计和被检电位差计的两套供电电源工作电流的相对变化引起的误差是否超过了规定值,可首先将标准电位差计和被检电位差计按直接比较检定法连接好线路,然后在标准回路中检查或在未知回路中检查,具体方法为:
,
1.在标准回路中检查
将电位差计各开关、端钮处于校对工作电流的位置,调好工作电流。
先确定检流计的电压常数,即改变温度补偿盘的一个步进值△Un,观察检流计的偏转格数△
(单位为mm),则得到检流计的电压常数CV(μV/mm)
CV=
(μV/mm)
将电压常数化为相对于1.01860V的相对变化值
(1/mm)
然后记下两次读数之间所需的时间检流计的偏转格数△α,则
即为这段时间工作电流的相对变化量,若超过被检电位差计允许基本误差的l/10,则需要再稳定一段时间或采取其他措施加以稳定。
2.在未知回路中检查
将标准和被检两台电位差计的N-X开关先放在“N”位置,调节工作电流调节盘使检流计指零。
将两台电位差计的N-X开关放在“X”位置,第一测量盘转到“l”位置,其他各测量盘示值转到“0”,“标准”与“被检”平衡好,使检流计指零。
然后等5min,如果检流计不指零而发生偏转,此时将“标准”电位差计测量盘的末盘变动几个步进值(假定4μV),使检流计仍然零位。
那么可以说,由于工作电流的不稳定,5min变化了4μV。
若电源稳定度超过了被检电位差计允许基本误差的l/10,则需要再稳定一段时间或采取其他措施加以稳定。
(三)标准电阻
对于差值法和改变量限用的标准电阻,其准确度等级应不低于0.1%,检定量程系数比用的标准电阻,引入修正值后所引起的误差应不超过被检电位差计允许基本误差的1/7。
(四)标准电池
要求准确度等级为被检电位差计准确度等级的1/10。
为了防止标准电池短路,在使用时应特别注意接线顺序为:
先将电位差计上的“标准电池’’端钮接好线,再将测试线按极性分别接到标准电池上。
(五)检定装置的开关
一个开关的质量好坏,常用接触电阻变差、绝缘电阻和热电势三个指标来衡量。
在电位差计检定装置中,由于被测电压Ex值可以很小,平衡时(即检流计指零)回路中没有电流流动,所以检定装置测量回路中的开关主要是热电势影响测量准确度而不是接触电阻变差影响测量准确度。
而在工作电流回路(即电源回路)中,由于辅助电源B的电压是比较大的(至少几伏),而回路电阻不一定大,所以检定装置工作电流回路中的开关主要是接触电阻变差影响测量准确度而不是热电势影响测量准确度。
因此,在直流电位差计检定规程中规定了检定装置电压回路的开关(主要指外接转换开关、标准电位差计本身的“标准一未知’’(“N—X”)开关及检流计开关等工作电流不经过的开关),其热电势的变差不得大于被检电位差计测量盘中最小允许误差的1/10。
检定装置中工作电流回路内的开关(主要是辅助电源换向开关),其接触电阻变差与所在回路总电阻之比不得大于
%,如果工作电流回路内的开关达不到本项要求,则开关每动作一次,应重新校对一次工作电流。
检定装置内开关接触电阻的变差应在检定装置工作台组装之前用双电桥或电位差计对其进行测定,然后除以所在回路的总电阻,看是否大于
%。
第四章电位差计的检定
本章所检定的电位差计为电阻型直流电位差计,其中的元件主要为锰铜电阻。
由于这种电位差计是按测量电阻RK与调定电阻RN的比值进行工作的,因此它是—种比例仪器,并具有很高的精度和稳定性。
但它的测量电阻RK与调定电阻RN的阻值可能会随时间的变化而发生一定的变化,如果RK/RN的比值误差超过允许范围,电位差计示值就会超差,因此新生产的、使用中和维修过的电位差计必须每隔一定的时间进行一次检定,以确定它的各项技术指标是否符合JJGl23—88《直流电位差计检定规程》中的规定。
第一节检定要求
一、检定装置
对检定装置的要求如下:
,
1.检定电位差计时,由标准电位差计、辅助设备及环境条件等所引起的检定装置的总不确定度应不超过被检电位差计允许基本误差的1/3。
这样才能保证检定的准确性。
2,检定装置中下列任何两个部件(相互不连接时)之间的绝缘电阻,应不低于下式的规定;
Rj
式中:
Rj——绝缘电阻,单位为MΩ;α——标准电位差计的准确度等级;
R——被测电压的内阻,为10kΩ。
检定装置中的部件为:
(1)标准电位差计;
(2)标准电位差计的工作电源;
(3)供标准电位差计校准用的标准电池;
(4)检流计;
(5)被检电位差计;
(6)被检电位差计的工作电源;
(7)供被检电位差计校准用的标准电池;
(8)彼此分开的其他辅助设备。
如果标准电位差计和被检电位差计对检定装置绝缘电阻的要求各不相同,则应根据较大者确定。
同时为了保证绝缘良好,检定装置的连接导线应采用绝缘良好的单股紫铜线,并用架空接法。
3.如果在检定过程中发现有泄漏电流和静电感应的现象,则应采取相应的屏蔽和接地等措施予以消除。
二、检定项目
直流电位差计要求检定的项目主要包括:
1.外观及内部线路;
2.绝缘电阻;
3.线路绝缘电压试验(对新生产及修理后);
4.调节电阻平滑性和精细度的检查;
5.电源回路电阻相对变化的检查;
6.内附检流计的检查;
7.零电势和热电势;
8.测量盘示值基本误差及变差;
9.其他量程;
10.温度补偿盘误差;
11.内附电子式电源稳定度;
12.数据处理。
以上内容综合成图4—l。
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