电工仪表及其应用

1、常见电工仪表的分类

电工仪表是测量电磁类电量参数的仪表，它的分类有若干个不同的标准，可以按作用分，可以按原理分，也可以按测量对象分，还可以按使用方法、准确度等级、防护性能或使用条件分。最常见的分类方法有按测量方法的不同、测量对象的不同和按测量原理的不同划分。

按测量方法划分有指示仪表、比较仪表、数字仪表（包括巡回检测仪表）、记录仪表几大类。

按测量原理划分，电工仪表有磁电系仪表、电磁系仪表、电动系仪表、铁磁电动系仪表、感应式仪表以及整流系仪表、静电系仪表。

按测量对象划分有电流表（分交、直流）、电压表（分 交、直流）、功率表、电能表、功率因数表、频率表及多用途表等。

另外，为扩大测量范围，人们还经常要用到分压器、分流器、附加电阻、电流电压互感器等，为了实现不同电量和电量与非电量之间的变换，变换器的应用也非常广泛。

2、电工仪表的型号和标志

2.1、电工仪表的型号编制

电工仪表的型号编制是按规定的标准进行的。安装式仪表与便携式仪表的型号有不同的编制规则。

安装式仪表的型号组成如下：

形状第一位代号按仪表面板形状最大尺寸编，形状第二位代号按仪表外壳的形状尺寸特征编，如果数字为“0”，则可以省略；系列代号表示仪表的不同系列，如电磁系用C，电动系用D，电磁系用T，感应系用G，静电系用Q，整流系用L等等。例如42C3-A型电流表，42为形状代号，从有关标准中就可以查出该表的外形和面板尺寸，“C”表示该表是磁电系仪表，“3”为设计序号，“A”表示该表测量的是电流。

对于可携式仪表，则不用形状代号。其型号组成的第一位为组别号，即表示仪表的不同系列，以下型号的组成形式与安装式仪表相同。如T19-V型电压表，“T”表示该表为电磁系仪表，“19”为设计序号，“V”说明此表是用来测量电压。

2.2、电工仪表的标志符号

电工仪表有很多种类型，每种类型的仪表，都有不同于其它类型仪表的标志符号，这些符号就是仪表的标志，用来标示仪表不同的技术特性。仪表的标志符号通常标注在仪表的刻度盘或面板上，常见仪表的标志符号如下表所示。

指示仪表以外的其它类型仪表的型号，还应在组别前加上一个类别符号，也有用汉语拼音字母表示的，如电能表用“D”表示，电桥用“Q”表示，数字表用“P”表示等，这些仪表组别符号代表的意义也和指示仪表的不同。

3、常见电工仪表的基本结构及基本测量原理

    不同类型的电工仪表的结构、工作原理和应用领域不同，以下以最常用、最有代表性的指示仪表为例简要说明。

3.1、磁电系电工仪表

（1）磁电系仪表的主要结构

磁电系电工仪表的测量机构是由固定的磁路系统和可动部分组成的，其结构如图(辽宁科学技术出版社出版的《进网作业电工培训教材》P300图11-2（a）)所示。仪表的磁路系统包括永久磁铁1，固定在磁铁两极的极掌2以及处于两个极掌之间的圆柱形铁芯3。圆柱形铁芯固定在仪表支架上，用来减小磁阻，并使极掌和铁芯间的空气隙中产生均匀的辐射形磁场。处在这个磁场中的可动线圈4绕转轴偏转时，两个有效边上的磁场也总是大小相等，并且方向是与线圈边相互垂直的。可动线圈绕在铝框上。转轴分成前后两部分，每个半轴的一端固定在动圈铝框上，另一端则通过轴尖支撑于轴承中。在前半轴还装有指针，当可动部分偏转时，用来指示被测电量的大小。

反作用力矩可以由游丝、张丝或悬丝产生。当采用游丝时，还同时用它来导入和导出电流。因此，装设了两个游丝，它们的螺旋方向相反，如图辽宁科学技术出版社出版的《进网作业电工培训教材》P300图11-2（b））所示。仪表的阻尼力矩则由铝框产生。

磁电系测量机构按其磁路形式的不同，又分为外磁式、内磁式和内外磁式三种，如图辽宁科学技术出版社出版的《进网作业电工培训教材》P300图11-3所示。外磁式结构，永久磁铁在可动线圈的外部。内磁式结构，永久磁铁则在可动线圈的内部。为使气隙磁场均匀，在内磁式仪表的磁铁外面，要加装一个闭合的导磁环，以减小漏磁。内磁式结构紧凑，受外磁场的影响小，所以近年来得到广泛的使用。内外磁式结构则在可动线圈内外都用永久磁铁，因此磁场更强，仪表的结构尺寸可以做得更加紧凑。

（2）磁电系仪表的工作原理

磁电系测量机构产生转动力矩的原理如图辽宁科学技术出版社出版的《进网作业电工培训教材》P301图11-4所示。当可动线圈通电时，流过线圈的电流和永久磁铁的磁场相互作用的结果是产生电磁力，从而形成转动力矩，使可动部分发生偏转。根据安培力定律和左手定则，可以定出电磁力的大小和方向。设气隙的磁感应强度为B，线圈匝数为N，每个有效边（即能够产生电磁力的两个与磁场方向垂直的动圈边）有效长度为ι，则当线圈通入电流I时，每个有效边所受到的电磁力F的大小为  

                                F=NBιI

在图示电流和磁场的方向下，此电磁力的方向和线圈平面垂直，并使线圈顺时针方向旋转。对应的转动力矩 

                                M=2Fr=2NBιIr 

式中r—转轴中心到有效边的距离。由于线圈所包围的有效面积为

S=2rι

因此可得                            M=NBSI

考虑到均匀辐射形气隙磁场的特点，不管线圈转到什么位置，磁感应强度B值均不变。而对于已经做好的线圈，其匝数N和有效面积S也是不变的。因此，就转矩M的大小来说，它只随被测电流I的改变而成正比地变化。而转矩的方向则决定于流进线圈的电流方向。

线圈转动引起游丝的变形而产生反作用力矩。此力矩与变形的大小成正比，因而也和偏转角度α成正比，即反作用力矩

Mf=Dα

式中α—可动部分偏转角，亦即指针的偏转角；

D—游丝的反作用系数，其大小决定于游丝的材料性质和尺寸。

随着偏转角α的增大，反作用力矩Mf也将不断增大，直到反作用力矩Mf和转动力矩M相等时，可动部分的力矩达到平衡。此时，可动部分将稳定在某一个平衡位置，而指针有一个稳定的偏转角。此偏转角的大小，可根据力矩平衡Mf=M的关系求得。

即                                Dα= NBSI

所以                           α=（NBS×I）/D

对于已经做好的仪表，N、B、S、D都是常数，所以NBS/D是一个常数，用SI表示，则式α=（NBS×I）/D可写成

                                  α=SI×I

式中SI=α/I称为磁电系测量机构的灵敏度。此式说明，可动部分的稳定偏转角α和电流I的大小成正比。因此，在仪表中就可以用偏转角来衡量被测电流的大小，并通过指针在标度尺上直接标示出电流的数值。

（3）磁电系仪表的优缺点

磁电系仪表的优点是标度均匀，灵敏度较高，读数受外界磁场的影响小。缺点是此类表只能测量直流参数（带整流装置的交流仪表除外），且过载能力很差。

（4）磁电系仪表的应用

磁电系测量机构的工作原理决定了此类机构主要用于直流仪表，在直流标准表、便携式和安装式仪表中都得到广泛应用。

3.2、电磁系仪表

（1）电磁系仪表的主要结构

电磁系仪表测量机构的结构形式有扁线圈吸引型和圆线圈排斥型两种。

①扁线圈吸引型：扁线圈吸引型测量机构的结构如图辽宁科学技术出版社出版的《进网作业电工培训教材》P302图11-5所示，固定线圈1和偏心的装在转轴上的可动铁片2构成了一个电磁系统。转轴上还装有指针3，阻尼片4和游丝5等。此类机构的游丝中无电流通过，这一点与电磁系仪表不同。阻尼片4和永久磁铁6构成了磁感应阻尼器，磁屏7则用来屏蔽永久磁铁的磁场对线圈磁场的影响。

扁形线圈通电后，产生磁场将偏心铁片吸入，使可动部分发生偏转，这种结构的得名正是由此而来。

②圆线圈排斥型：如图辽宁科学技术出版社出版的《进网作业电工培训教材》P302图11-6所示，这种结构的固定部分由固定线圈1和固定在线圈里侧的定铁片2组成，可动部分由固定在转轴3上的可动铁片4、游丝5、指针6和阻尼片7组成。

圆形线圈通电后，两个铁片同时被线圈磁场磁化，互相排斥而使可动铁片转动，因而指针发生偏转。所以，这种结构被称为圆线圈排斥型。

（2）电磁系仪表工作原理

在扁线圈吸引型结构中，线圈通电后，其磁场将使可动铁片磁化。铁片磁化后的极性，即铁片靠近线圈侧是N极还是S极，完全由线圈中的电流方向所决定，如图辽宁科学技术出版社出版的《进网作业电工培训教材》P303图11-7所示。由图可见，不管线圈电流是什么方向，铁片的极性都是使铁片和线圈互相吸引。这是因为当线圈电流改变方向时，铁片被磁化后的极性也同时改变的缘故。因此，不管电流方向如何改变，而铁片转动力矩的方向不会改变。所以，这种测量机构不仅可以用来测量直流，也可以用来测量交流变量。

对圆线圈排斥型结构来说，当电流通过时，两个铁片顺同一磁场方向同时被磁化，因此在两个铁片的同一侧有相同的极性，结果就产生了互相排斥的力， 从而产生转动力矩推动可动铁片旋转。当线圈电流方向改变时，它所产生的磁场（B）的方向也跟着改变，因而仍然互相排斥，可动铁片的受力方向和转动方向不变，如图辽宁科学技术出版社出版的《进网作业电工培训教材》P303图11-8所示，可见，这种结构同样可以用于测量交流电路中。

（3）电磁系仪表的优缺点

电磁系仪表的优点是既可以用来测量直流电量，又可以用来测量交流电量，且其过载能力强，无需辅助设备而直接测量大电流，还可以用来测量非正弦量的有效值，另外，这类仪表稳定性高，结构简单、制造成本低。缺点是标度不均匀，准确度低，读数容易受到外界磁场的影响。

（4）电磁系仪表的应用

电磁系仪表的优点使它被广泛应用于交流电量的测量中。

3.3、电动系仪表

（1）电动系仪表的主要结构

    电动系仪表测量机构不是利用通电线圈和磁铁（或铁片）之间的电磁力，而是利用两个通电线圈之间的电动力来产生转动力矩的，其基本结构如图辽宁科学技术出版社出版的《进网作业电工培训教材》P304图11-9所示。

     固定线圈1分位平行排列、互相对称的两部分，中间留有空隙，以便使转轴可以穿过。这种结构可以产生均匀的工作磁场，并借助于两个固定线圈之间连接方式（串联或并联）的改变而不同的电流量程。可动部分包括套在固定线圈中心的可动线圈2、指针3以及空气阻尼器的阻尼片4等，它们都固定在转轴上。游丝5用来产生反作用力矩，同时又起引导电流的作用。电动系测量机构多不用磁感应阻尼器，以防止其漏磁对线圈磁场的影响。  

另外，有一种铁磁电动系仪表，它与一般电动系仪表在结构上的区别是，其定圈是绕在由硅钢片叠成的铁磁中，而动线圈则是处于铁轭磁路的气隙中，如图辽宁科学技术出版社出版的《进网作业电工培训教材》P304图11-10所示。

（2）电动系仪表的工作原理

 电动系测量机构的工作原理如图辽宁科学技术出版社出版的《进网作业电工培训教材》P304图11-11所示，当固定线圈和可动线圈中分别通过直流电流I1和I2时，可动线圈将受到力矩的作用而发生偏转，这是因为通电的可动线圈正处在固定线圈产生的磁场之中的缘故。根据固定线圈电流I1的方向，便可以决定它的磁场B1的方向。根据可动线圈电流I2的方向，用左手定则便可以定出力F的方向，由力F所形成的转动力矩既是可动线圈的电流I2和固定线圈的磁场（其磁场感应强度为B1）相互作用产生的，那么，当电流I2不变时，磁感应强度B1愈大，转矩愈大；当B1不变时，电流I2愈大，转矩也愈大。即转动力矩M应和B1、I2的乘积成正比，即

                                      M=k1B1I2

考虑到线圈磁场中没有铁磁性物质，在固定线圈匝数一定的情况下，B1应和产生它的电流I1成正比，即           B1=k2I1

因此转动力矩为

                                      M=k1k2I1I2=kI1I2

式中k是一个系数。k的数值既取决于线圈的结构、尺寸，又取决于偏转角α，由于固定 线圈内的磁场并不完全均匀，当α角变化（即可动线圈位置改变）时，感应强度的变化就会引起转矩的变化。另外，从电动系仪表测量机构工作原理图还可以看到，即使磁场均匀，造成转矩的力F’（F在线圈平面垂直方向上的分力）也将随α角而变。所以，电动系仪表测量机构的转动力矩不仅和电流I1及I2的乘积有关，还和偏转角α有关。

反作用力矩由游丝产生，设游丝的反作用系数为D，则当可动部分偏转α角时，产生的反作用力矩为Mf=Dα。根据力矩平衡的条件，有  

                                      Mf=M

即      Dα=KI1I2

则     α=KI1I2/D= kI1I2

上式说明，用α角可以衡量I1I2乘积的大小。如果把固定线圈和可动线圈串联起来而流过同一电流I，偏转角α就和此电流的平方成正比，于是，就可以测量这个电流的大小。

如果把电流I1和I2的方向同时改变，力F的方向不会改变，因而转动力矩的方向也不会改变，由此可见，电动系仪表也可以用来测量交流电量。

（3）电动系仪表的优缺点

 电动系仪表的优点是可以适用于交、直流电量的测量，灵敏度、准确度比用于测量交流电量的其它型式仪表高，另外，它还可以用于测量 正弦电量的有效值。缺点是标度不均匀，过载能力差，读数受外界磁场影响大。

（4）电动系仪表的应用

电动系仪表用途较磁电系、电磁系仪表更为广泛，在准确度较高的交直流两用电流表、电压表以及功率表、相位表、频率表的制造中普遍应用。

3.4、静电系仪表

（1）静电系仪表的主要结构

静电系仪表是利用电容器两极板间的静电作用力产生转矩的测量机构。它主要由转轴8、指针1、游丝2、阻尼片3以及可动电极6、固定电极5等组成，如图辽宁科学技术出版社出版的《进网作业电工培训教材》P305图11-12所示，实际上其固定电极和可动电极组成了一个空气电容器。

（2）静电系仪表的工作原理

 如果将直流电压施加到 空气电容器的两个极板上，在极板间就要形成电场并产生偏转运动。被侧电压越高，静电力产生的转矩越大，可动部分的稳定偏转角也就越大。因此，指针的偏转通过刻度尺可以直接指示被测电压值。

 由于在测量机构接入交流电压时两电极的电荷符号同时交替改变，对任一瞬间而言，两个电极上的电荷总是异号。因此，两电极间的静电作用力的方向总是互相吸引，所以，静电系仪表可以测量交流电量。

（3）静电系仪表的应用

 静电系仪表可以根据实际情况把它的电压等级做的相对比较高，所以在高电压测量领域应用比较广，譬如在直流耐压试验中应用的静电电压表。

3.5、感应式仪表

（1）感应式仪表的主要结构

 感应式仪表主要组成元件有一个铝盘和一个或数个绕在铁心上的线圈，其它还有铝盘转轴，涡轮、计数器和阻尼磁铁等， 如图石油大学出版社出版的《工程电气设备安装调试工》P55图1-72所示。

（2）感应式仪表的工作原理

当外输交流电流通过缠绕在铁心上的线圈时，在铁心的间隙中便产生出一个交变磁通，铝盘在这个交变磁通的作用下，感应产生涡流，此涡流在切割交变磁通的磁场时受力，使铝盘转动。由于可动部分的铝盘切割制动磁铁的磁力线，其二者相互作用又产生了制动力矩，该力矩和转速存在比例关系，当转动力矩和制动力矩大小相等、方向相反时铝盘转速达到平衡。计数器累计铝盘转数，通过换算即为被测电量，如电度表等。

（3）感应式仪表的应用

感应式仪表测量结果受产生交变磁通的电流频率影响大，交流电的频率过小或过大都将严重影响表的测量准确度，所以，感应系仪表只能应用于要求测量精度不很高、频率在一定范围内的交流电量测量。

4、电工仪表的测量误差和准确度

任何一次测量，都会受到仪器、仪表的结构、测量原理或操作人员的测量方法、认知能力等多方面影响，从而使测量结果与被测电量的实际值（真值）之间存在一定差异，这就是仪表的测量误差。

仪表的准确度即电量测量值与实际值的一致程度。

4.1、电工仪表测量误差的产生、分类及表达形式

（1）电工仪表测量误差的产生原因：

①仪表的结构因素：仪表本身结构的合理性及制作精度是造成仪表测量误差的直接原因之一，如指示仪表的刻度精密程度，感应式仪表铝盘切割铁心间隙磁场的垂直程度等制作因素，再如感应式仪表由于铁心间隙磁通的漏磁损耗所造成的影响属于设计结构方面的原因。

②仪表的工作环境因素：仪表工作时经常要受到其工作环境中如温度、磁场等的干扰，造成测量精确度降低。

③人为因素：仪表使用人员的测量方法和读数方法，都将影响到最终测量结果的准确度。

（2）电工仪表测量误差的分类：

     电工仪表测量误差，一般可分为基本误差和附加误差。基本误差是指仪表在正常工作条件下的固有误差，即由仪表本身的结构原因造成的误差，是仪表制作完成就存在且不能完全消除的，属于仪表所固有的。附加误差是指仪表在不正常工作条件下工作所出现的误差，是由于仪表工作环境因素、人为因素造成的误差。

（3）电工仪表测量误差的计算公式

     电工仪表测量误差的表达形式最常用的有绝对误差、相对误差、引用误差和变差。

     ①绝对误差。是指仪表测量值与被测参数的实际值（真值）A 0之间的差△A，其计算公式为：

△A =Ax- A 0

      在实际测量中，经常要用到修正值c，修正值与绝对误差值相等，符号相反，即

c=-△A= A 0- Ax

    ②相对误差。即仪表的绝对误差与实际值（真值）之比的百分数，用γ表示，计算公式为：

                  γ=（△A/ A 0）×100%= [（Ax- A 0）/ A 0]×100%

一般指示值与实际值比较接近，所以在实际值不易确定时，可以用指示值代替，则相对误差可用 下式表示：    

                                γ=（△A/ Ax）×100%

   ③相对引用误差。又称满刻度误差，是指仪表绝对误差△A与仪表测量上限Am之比，用γm表示，即

                                 γm =（△A/Am）×100%

由于相对引用误差的分母是固定的，方便比较测量不同大小被测电量的精确度，所以应用最为普遍。仪表出厂时的精度级别就是根据相对引用误差确定的。

相对引用误差对各种不同刻度的仪表上限值的选取也不同：对于单向刻度的仪表，上限值取测量上限值；对于双向刻度仪表，上限值取两个量限之和；对于没有零刻度的仪表，上限值取上下量限的算术平均值；对于功率因数表、相位表及绝缘电阻表，其相对引用误差是用刻度线上某一点用长度表示的绝对误差与刻度工作部分的总长之比的百分数表示。

④变差。即在仪表任一刻度上，被侧电量在上升和下降过程中两次测得的读数之差。 

4.2、电工仪表的准确度

    电工仪表的准确度用准确度等级表示，仪表的准确度等级实际是用仪表的最大相对引用误差表示的，常用的电气测量仪表的准确度等级有七级，即0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0。各准确度等级的仪表在规定工作条件下工作时，其基本误差不得超出下表所规定的数值。

                              各准确度等级仪表的允许误差

5、常见电工仪表的使用

5.1、电流、电压表的使用

    电流、电压表即用来测量电流、电压的仪表，在测量过程中，电流表必须和被测电路串联，而电压表则必须和被测电压的两端并联。为了使电流、电压表对电路的影响尽量小，电流表的内阻要尽量小，而电压表的内阻要尽量大，否则由于分流或分压的原因将致使被测电流或电压发生较大的误差。

由于仪表只能在其允许的测量范围内工作，为了扩大电流表、电压表的测量范围，即扩大其量程，对直流电流表可以采取在电流表两端并接分流器，对交流电流表可以假借电流互感器（变流器），对电压表则可以在电压表回路串接标准电阻或配合使用电压互感器。

无论电流表还是电压表，根据其量程的不同，分别有微安表、毫安表、安培表、检流计和毫伏表、伏特表等，为使测量结果更为精确，应合理选用不同量程的电流、电压表，对指示仪表，一般要求被测电量在仪表量程的1/2～2/3范围内。

在不断电情况下，在线测量电流，经常用到的电流表是钳形电流表，应用钳形电流表测量时须注意使铁心钳口完全闭合，使被测线路在钳口中部，以使测量结果尽量精确。钳形电流表一般只限于对不超过500V的线路的测量，且测量中不得倒换量程。

5.2、万用表的使用

    在电工作业中，特别是用电维护和电气调试工作中，最经常应用的电工仪表是万用表。随着科技的发展，现在应用的万用表多为数字式，数字表操作更为简单，一般只需要在测试前选择测量参数的种类档和量程档并合理使用表笔插孔即可，这里不进行叙述。在此只针对仍旧在用的MF型指针式万用表略做说明。

    MF型万用表测量前的准备工作：

正确连接表笔：红表笔接在标有“+”号的接线柱上，黑表笔接在标有“-”号或“*”号的接线柱上。附有2500V交直流电压测量端钮的MF型万用表，测量高电压时红表笔接在该端钮上，黑表笔不动。

机械调零：转动机械调零旋钮，使指针对准刻度盘的零位线；测量电阻时先选择倍率，再进行调零。    

    用欧姆档测量电阻：表外观检查后检查电池电量，电池检查方法是档类开关置于电阻档，倍率开关置于R×1档或R×10k档（根据电池电压确定，1.5V电池选 R×1档,较高电压电池选R×10k档）,短接表笔观察指针是否指在零位,调整“调零”旋钮后,指针仍不在零位时则需要更换电池后使用。应用此类表测量前先根据估算的电阻值选择表的量程，使表针指示在标尺中心位置附近。

MF型万用表使用中的部分注意事项：

电阻测量：测量过程中每换一次倍率档，必须进行电调零一次；严格禁止带电测量，以防烧坏表头； 测量完毕，将转换开关置于交流最高档，防止转换开关在欧姆档时表笔短路情况下电池消耗，更可以防止下次测量时，如果忘记选档即进行电压测量情况下烧坏表。  

电流、电压测量：测量过程中必须有更高技术等级的人员监护；测量操作人手不能接触表笔金属部分，只有这样，才能既可以保证安全，又不致影响测量结果的准确性；测量直流时应注意选择极性，防止因表针反打损坏仪表；测量进行中不得旋转转换开关，特别是在测量大电流、高电压时，如果旋转转换开关，可能因转换开关触头产生的电弧烧坏开关；如果被测电流或电压不易估量，表的量程应先选最高档，根据测量结果向适当的低档转换，防止由于表针快速超满偏损坏仪表。

5.3、电功率测量仪表的使用

功率表的接线规则：功率表的测量接线必须遵守的规则是按“发电机端”接线，即标有“*”号的电流端钮必须接到绕组的电源一端，另一端接负载端，将电流线圈串于电路中；标有“*”的电压端钮可以接到电流端钮的任何一端，但另一个电压端钮则必须跨接到负载的另一端，如下两图所示。

应用功率表直接测量有功及无功功率：单相有功和无功功率，可以直接应用单相有功和无功功率表测量，接线如上图，对三相有功和无功功率，可以利用三相功率表测量，也可以利用三个或两个、一个单相功率表测量。利用三相功率表测量只需要按表内附图接线，利用单相功率表测量则有如下图所示的一表法、二表法和三表法接线。

5.4、直流电桥的应用

直流电桥是有着高精度的直流电阻测量仪器，根据其测量范围的不同，又分为单臂电桥和双臂电桥。单臂电桥的测量范围为1～9999000Ω，双臂电桥的测量范围为0.00001～11Ω。随着科技的发展，有一些同样有着高精度的其它仪器可以被用来测量直流电阻，而且这些设备往往操作更为简单，但作为技术成熟、经济耐用的测量仪器，在短期内，直流电桥在直流电阻测量领域仍将占据着非常重要的位置。

1、单臂电桥

①、单臂电桥的工作原理：

直流单臂电桥又被称为惠斯登电桥，它的工作原理如图所示。标准电阻R2、R3、R4和未知电阻Rx接成四边形，在四边形的对角线上接入检流计G，在这个四边形的另一个对角线上通过按钮式开关B接入直流电源E。接通按钮B后，有电流I1、I2、I3、I4、Ig分别流过四个电阻和检流计G，从电工学原理知道，它们之间的矢量关系为I1＋I4=I2＋I3＋Ig，通过调整标准电阻R2、R3、R4，使流过检流计的电流Ig为零，此时电桥平衡，于是有

Uac=Uad（即I1Rx=I4R4），Ucb=Udb（即I2R2=I3R3），I1=I2，I3=I4，

则有           Rx=R4·（R2/R3）

R2/R3为电桥的比率臂，通常配成固定的比例值，R4为电桥的比较臂，在选取了一定的比率臂之后，通过调节比较臂使电桥平衡，便可以通过计算得到未知电阻的阻值。

②、单臂电桥的使用方法与操作步骤：

使用前首先打开检流计锁扣开关，调节调零旋钮使指针指示到零位。

选择较粗较短的导线接入被测电阻，注意将接头拧紧，如果接触不良，可能影响电桥的平衡甚至损坏检流计。 

应用万用表粗略测量或估计被测电阻的阻值， 根据估测值选择电桥的比率臂（即倍率）并初步设置比较臂。比率臂的选择应使比较臂的四个档在测量中都能被应用上，这样，即可以方便调节电桥的平衡，又可以保证测量结果的有效数字。譬如，被测电阻阻值为几百欧姆，则比率臂应选择 10-2，被测电阻为几千欧姆，则比率臂选择10-3，这样，就可以使比较臂的最大档在测量中被应用到。

应用单臂电桥进行测量开始时，应先接通电源开关，后接通检流计开关，测量结束断开开关的顺序正好相反。这种操作顺序的目的，是为了防止如果被测元件具有电感时，不会由于电路的通断产生的自感电势而损坏检流计。

测量过程中，检流计指针向“+”的方向打，说明比较臂的电阻需要增大，反之，则需要将比较臂电阻减小，反复调节比较臂电阻，直至电桥平衡。

电桥使用完毕，检流计锁扣应该锁上，防止在搬动时因振动而损坏悬丝。对于没有锁扣的电桥，则需要将其按钮“G”打开，可动部分摆动时就会由于受到的强烈的阻尼作用而得到一定保护。 

2、直流双臂电桥 

直流双臂电桥又称为凯文电桥，和单臂电桥相比，双臂电桥能够消除部分接线电阻和接触电阻的影响，使测量结果更加准确。所以，双臂电桥可以用来测量小阻值的电阻。 

①、双臂电桥的工作原理： 在双臂电桥的原理

电路图中，Rn为标准电阻，Rx为被测电阻， R1、R2、R3、R4为桥臂电阻。在Rn和Rx两端各有一对电流接线端“C”和一对电位接线端“P”，接线时电流接线应在外侧，电位接线在内侧。电桥平衡时，检流计指示为零，根据基而霍夫定律，得出方程组

       I1R1=InRn+I3R3

       I1R2=InRx+I3R4

（In－I3）R=I3（R3+R4）

解方程组得出    Rx=（R2/R1）·Rn+［（R·R2）/（R+R2+R4）］·（R3/R－R4/R2）

电桥在制造时，使得电桥在调节过程中总能保持R3/R1=R4/R2，于是上式可以简化为

                                       Rx=R2/R1·Rn

②、双臂电桥的使用：直流双臂电桥的使用方法与单臂电桥的使用方法基本一样，需要特别注意的是：被测电阻必须引出四根线与电桥双臂正确连接，靠近被测电阻的一对导线接到电位端钮上；应用双臂电桥测量的时间要短，减少因电桥工作电流大导致电池大量消耗。

5.5、QS1型交流电桥的使用

QS1、QS3型交流电桥是在测量电器设备绝缘介质损耗因数时应用最为广泛的仪器，又称西林电桥。这里以QS1型电桥为例简要说明此类仪器的工作原理、使用方法和注意事项。

⑴、QS1型电桥的工作原理： 

QS1型西林电桥的原理接线如图所示，图中，CX、RX为被试品的电容和电阻；R3为无感可调电阻；CN为高压标准电容器；C4为可调电容器（可变十进制电容箱），R4为无感固定电阻，G为振动检流计。

当电桥平衡时，检流计G中无电流通过，说明A、B两点间没有电位差。于是UCA与UCB大小相等，方向相反；UAD与UBD大小相等，方向相反。所以在桥臂CA和AD中流过同一电流Ix，在桥臂CB和BD中流过同一电流In，则各桥臂电压之比等于其阻抗之比，于是有

Zx/Z3=Zn/Z4

又由于            Zx=Rx+1/jωCx      Zn=1/jωCn        Z3=R3        Z4=1/（1/R4+jωC4）

计算可得   

Cx=（R4/R3）Cn

tgδ=ωC4 R4

在频率一定情况下，ω为常数，则有工频50Hz时，ω=2πf=100π。R4一般取10000/π或1000/π，R4=10000/π时，tgδ= C4

R4=1000/π时，tgδ= 0.1C4，         

⑵、QS1型西林电桥的接线方式：

QS1型电桥在测量时接线方式主要有正、反两种，其中反接法应用比较方便，因为被试物品有一极可以接地，不必做绝缘隔离，如果被试物品的两端均有绝缘，也可以采用正接法。另外还有对角接线法，这种接法现场很少使用，只有在被试品电容远大于寄生电容时才适宜使用，否则测量结果将很不准确，这里不多做说明。QS1型电桥的正、反两种接线法图示如下。

                 QS1型电桥正接法接线图             QS1电桥反接法接线图

正接线方式接线中，按设计的绝缘状态接线，高压部分接试验高压，低压部分接试验低压，接地部分接地。桥体引线“Cx”“Cn”、“E”处于低压，该引线不必要求绝缘，可任意设置，此种接线方式可使得在平衡电桥时所接触的R3、R4等测量部分的元件处于低电位，没有触及高压的危险，并且对外来的影响有良好的屏蔽系统，不受被试品对地电容的影响，准确度高，操作安全简便，但要求被试品两极对地均有足够的绝缘。

反接线是与电桥设计的绝缘状态成相反接线，即高压部分接地，而低压部分接入高压，桥体引线“Cx”、“Cn”、“E”均处于高压状态，同时标准电容器Cn外壳处于高压，因此引线应用绝缘绳或绝缘物悬挂支撑起来，并且对物品的距离应大于允许的安全距离，标准电容器高压极板接线端引出的接地导线对电容器外壳（带有高压）的距离也不得小于安全距离规定值。一切必要的操作都必须通过绝缘柄来进行，并且电桥的支持物和调节连接杆对外壳应有足够的绝缘强度。此时被试品连同引线的对地寄生电容会引起测量误差，尤其是Cx较小时更为显著。

⑶、QS1型交流电桥的技术特性：

QS1型电桥的额定工作电压为10KV，tgδ测量范围为0.5%～60%,被试品电容Cx为30Pf～0.4μF(当Cn为50pF时)。此类电桥测量误差是：tgδ=0.5%～3%时,绝对误差不大于±0.3%；tgδ=3%～60%时，相对误差不大于±10%。被试品电容量Cx的测量误差不大于±5%。如果工作电压超过10KV，通常只能采用正接法接线，并配用相应电压等级的标准电容器。电桥也可以降低电压使用，但会降低灵敏度，为了保持较高的灵敏度，可以相应增加Cn的电容量（可以通过并联或更换标准电容器实现）。     

⑷、使用QS1型西林电桥测量介质损失时的注意事项：

①、tgδ的测量是一项高压试验，且持续时间较长，电桥外壳必须应用足够截面的导线做可靠接地，电桥桥体或标准电容器的绝缘应该保持良好状态。应用反接线测量时，桥体内部及三根引出连接线、标准电容器外壳都带高压电，必须保持安全距离。导线对接地物的距离不得小于100～150mm。

②、正确选择接线方式，被试品两极对地均有足够的绝缘时，宜选择正接法；被试品只有一极对地绝缘时采用反接法；当被试品一极接地，电桥又没有足够的绝缘强度，不能满足反接线法对绝缘的要求时，采用对角接线法。

③、为了保证测量结果的准确度，测量应用的设备仪器需要有一个合理的平面布置，如图所示。图中标准电容器Cn和试验变压器T与电桥的距离l1、l2均不得小于500mm。

④、针对影响测量结果的多重因素，采取相应措施。现场测量tgδ时，测量结果会受被试品的绝缘材料、结构形式的不同的干扰，同时外界磁场、电场、表面泄露、环境温度等也严重影响到测量的精确度，所以，应采取相应的措施以削减各种不良因素的影响。如试验时采取屏蔽法和电源倒相法、移相法可以消除电场的干扰；在被试品上适当位置装设屏蔽环可以减小试品的表面泄露对测量结果的影响；选择适当位置放置电桥，远离磁干扰源，以及试验结果取检流计在“接通I”和“接通II”两种情况下所得结果的平均值，可以消除部分磁场的干扰；减少温度对测量结果的影响的方法，主要是将不同温度下所测得的数据，根据核算系数换算到20℃时的数据，由于换算系数在一定温度范围内误差较小，通常在10～30℃温度下进行tgδ的测量，核算结果比较准确。 

⑤、对试验结果进行检验，在tgδ的“接通II”及“- tgδ”位置分别测量，如若tgδ值变化不大，所测得结果即为合适。

⑸、QS1型交流电桥的操作要点：

①、接线并经检查无误后，将各旋钮均置于零位，确定分流器；

②、接通光源，加试验电压，将“+tgδ”置于“接通1”位置；

③、增加检流计灵敏度，旋转调谐钮，找到谐振点，再调节R3使光带缩小；

④、提高灵敏度，再顺序反复调节R3、C4，使灵敏度达到最大时光带最小；

⑤、调节Rg，使电桥平衡。                       

5.6、绝缘电阻表的使用

绝缘电阻表，又称兆欧表，高阻表，摇表等,是专门用来测量电气设备的绝缘电阻、吸收比和极化指数的便携式仪表，无论在电气设备的安装、检修，还是试验中都频繁应用。绝缘电阻表自带高压电源，可以更方便的检查电气设备的绝缘电阻。

⑴、绝缘电阻表的主要工作原理

绝缘电阻表主要由测量机构、高压电源和测量线路组成。绝缘电阻表的测量机构通常采用磁电系比率表作成，高压电源多采用手摇直流发电机，近年来由电池组结合倍压升压设施组成的高压电源的应用日渐广泛。

如绝缘电阻表原理电路图所示，图中1和2分别为磁电系比率表的两个可动线圈，成丁字形交叉放置，共同固定于转轴上，动圈1和电阻

R1、被测电阻Rx串联，动圈2和电阻R2串联，然后此两电路并联于高压电源上，两个动圈内通过的电流分别是

I1=U/（r1+R1+Rx）

I2=U/（r2+R2）

式中r1、r2分别是动圈1和动圈2的电阻。

假定比率表的指针偏转角为α，则动圈1中流过的电流I1与不均匀气隙磁场相互作用产生的力矩为

M1=I1F1（α）；

动圈2中的电流I2与不均匀磁场作用产生的力矩为

M2=I2F2（α）

由于动圈1和动圈2中电流与气隙磁场作用所产生的力矩方向相反，当动圈平衡时，则有

I1F1（α）= I2F2（α）

所以有                    α=F（I1/I2）=F［（（r2+R2）/（r1+R1+Rx）］

因为绝缘电阻表一经制作成， r1、 r2、R1、R2即都成为常数，所以可动部分的偏转角α只随被测电阻而改变，从上式还能够看出，绝缘电阻表的刻度是反向的，而且是不均匀的。

⑵、绝缘电阻表的使用

①、兆欧表的选择   测量前，兆欧表的额定电压选择应根据被测设备的额定电压进行，一般情况下，额定电压为500V以下的电气设备，选用500V或1000V兆欧表；额定电压在500V以上的电气设备，选用1000V或2500V兆欧表；带电子元件的设备，根据情况选用低电压等级的兆欧表或根据设备要求不进行绝缘测试。电压等级不同的元件组成的设备，在不能分开来测量时按较低等级的电压选择兆欧表。

②、使用前的检查   兆欧表在使用前应进行开路和短路试验，以确认兆欧表的完好状况。对于手摇发电的兆欧表，做开路试验时须摇动转速达到发电机额定转速，观察指针是否指到“∞”。对兆欧表做短路试验时，表笔接触时间须短促，即瞬间碰触即分开，手摇式表的摇动转速应缓慢。

③、正确的测量接线  绝缘表标有“线路”或“L”的端子接被测设备的“相”；标有“接地”或“E”的端子接被测设备的地线；标有“屏蔽”或“G”的端子接屏蔽线，以减少由于被测物的表面泄露而引起的误差。    

④、正确应用兆欧表测量  应用兆欧表测量设备绝缘，兆欧表必须放置平稳，数据读取必须在表计指示稳定后进行。对一般设备，兆欧表在1min以后就已经稳定。对长距离电力电缆等容性大的设备，需要测量的持续时间稍长。应用兆欧表进行设备的吸收比、极化指数测量时，需要记取时间，对手摇式兆欧表，时间的记取从转速达到120r/min后开始。测量结束，必须先取下测量引线，再停止摇动摇把或关断电源，特别是对容性设备，以免因反充电而损坏仪表。停止测量后，对被测设备须要进行充分放电，如长距离电力电缆等容性大的被测物需要多次放电，必要时悬挂接地线。特别需要提示的是，对于容性高压设备，在停电并经充分放电后，才可以进行绝缘测试。     

5.7、接地电阻表的使用

接地电阻测试仪是专门用于直接测量接地装置接地电阻的仪表，目前广泛应用的除ZC-29、ZC-8以及ZC34-1型测试仪外，还有很多新型数字仪表，如日本产4105型测试仪等。掌握接地电阻测试仪的使用方法，熟练接地装置的接地电阻的测量，是电气安装与试验人员必需的技能。

接地电阻测试仪的正确使用：

⑴、测量前将仪表放平，有调零旋钮的测试仪，通过调整使其表计指针指在零位上；

⑵、对于三端钮测试仪，将被测接地体与表计的端钮“E”连接，电位探针P与电流探针C分别接于表计的端钮P和C；对四端钮测试仪，被测电阻值不小于1Ω时，将端钮P2和C2端钮短接接被测接地体，被测电阻小于1Ω时，P2、C2分开接于接地体上，P2端钮靠近接地体接线。

⑶、根据被测接地体的估测电阻值，选择测试仪量程或调整其倍率，使测试仪测量结果最位精确。如果被测接地体接地电阻不可估测，测试仪量程或倍率均选择最大，然后根据测试结果做相应调整。

⑷、对手摇发电的接地电阻测试仪，测量初始摇动缓慢，同时转动“测量标度盘”，最终使测试仪指针指在表盘中心红线处，在测试仪检流计接衡时，加快摇动转速至其额定转速（120r/min），测试仪指针稳定地指在表盘中心红线上时读取测量数据。对于电子测试仪，由于其易受到电场、磁场等外界因素地影响，测量前应选择测量环境，测量过程中应避免有人员走动等，以使测量结果更加准确，还可以减少测量的需用时间。

5.8、示波器的使用

    示波器作为一种电子仪器，多应用于弱电检测工作中，随着电子数控设备的推广应用，在设备检测及制造领域，示波器的应用将更加广泛。 示波器有多种类型，其操作也有很多不同，但基本操作要点大多一致，这里就仅以SB-10型示波器为例简要说明示波器的使用方法及注意事项。

⑴、使用前检查所有电源和电源插头位置是否得当，然后打开电源，对示波器进行预热，预热时间根据示波器自身要求确定。

⑵、调节显示器“辉度”，以亮度适中为宜，亮度过大则会降低示波器使用寿命。

⑶、调节示波器的“聚焦”旋钮，使显示器上的光点形成一个直径不大于1mm的小圆点，然后通过调节旋钮“Y轴移位”和“X轴移位”，使光点到达屏幕正中，调节过程宜快，以免因光点长时间停留于显示器某一位置而使荧光质受损。

⑷、 将被测电压信号接到“Y轴输入”和“接地”端子，根据输入信号的副值选择“Y轴衰减”的档位，幅值越大，档位比率越小。

⑸、置“X轴衰减”于“扫描”位，即可开始观测Y轴输入电压的波形。根据被测电压的频率选择“扫描范围”，使被测电压的频率为扫描频率的整数倍，这个倍数就是在示波器的显示器上可以观察到的波形的周期数。

⑹、接入整步电源，先将“整步增幅”旋钮调至零位，通过调整“扫描微调”旋钮，使波形略呈缓慢移动，再逐渐调节“整步增幅”旋钮最终完成扫描信号与Y轴输入同步，即使扫描波形稳定。“整步选择”开关各档位的意义为，“内+”或“内－”档分别表示取机内经Y轴放大器放大后的正信号电压和负信号电压作为扫描发生器的同步电源；“电源”档表示取机内工频信号作为整步电源；“外”档表示采用由“整步输入”端钮外加整步电源。

⑺、试验市电的波形时，可以把“Y轴输入”和“试验信号”两端钮连接在一起，试验信号由机内供给。

⑻、如果要从X轴输入信号，只需要将信号接入“X轴输入”和“接地”，其余端钮的选择稍做调整即可。

6、电工仪表的校验

6.1、电工仪表校验的有关规定

   我们在施工及检修过程中接触到的电工仪表，基本都是工程仪表，它们的精度一般偏低，多为1.0级以上，对于此类准确度等级的仪表的校验，一般都采用比较法，即是将被校验仪表的指示值与标准表的指示值直接对比的方法。

⑴、校验1.5、2.5及以上等级的仪表，标准表的准确度等级选用不低于0.5级的标准表。校验1.0级仪表时，标准表的等级以0.2级最好。现场条件不能满足时，也可以应用0.5级标准表。

⑵、标准表的量限均须和被校验表的量限相适应，规定为：标准表的量限不超过被校验表量限的125%为适宜。

⑶、采用互感器配合校验0.5级仪表时，标准互感器的准确度不得低于0.2级。

⑷、校验仪表所用的调压设备，如自耦调压器、滑线电阻器等，应具有良好的调节特性，即调节电压或电流时，应该是平滑的、稳定的，不得存在突变或跳跃现象。

⑸、校表所用的电源也应是稳定的，必要时采用稳压电源，使校表电源的稳定性满足：在读数时间内，调定的电压或电流的变化值，不得大于标准表准确级别的一半。

⑹、校验仪表的工作环境，应该无外磁场的影响，且环境温度适中，一般以15～25℃为宜。

6.2、仪表校验前的一般性检查

仪表在校验前，应首先对其进行外观检查和绝缘电阻检查，外观检查项目包括：

⑴、外壳有无缺损，零部件是否完整，有无松动、残损等；

⑵、倾斜及轻轻摆动仪表时，指针能够灵活地回到原位，仪表内部无异常声音；

⑶、指针无弯曲现象，旋转调零旋钮，仪表指针能转动灵活，左右对称；

⑷、仪表外封印齐全完好。

被校仪表经过外观检查以后，应用相应电压等级的兆欧表检查其绝缘，绝缘情况良好前提下才可以进行校验。对1.0、1.5、2.5、4.0等级的仪表，在开始校验其准确度之前，需要在额定电压或电流下预热15分钟，改变电压或电流，表针转动灵活无卡阻现象。然后停电，指示调零，开始指示值校验。

6.3常见工程电工仪表的准确度校验

工程中常见电工仪表大都使指示型电流、电压表和电能表等，由于电能表属于收费计量表，在投用前需要送到当地计量部门鉴定，所以这里仅对工程中经常接触的电流、电压的校验简要说明。

1、校验点的选择确定

仪表校验点的选择数量，与被校验仪表的精度有关，被校验仪表精确度越高，校验点应选择越多，对于一般的工程仪表，只需要对其有数值的刻度点进行校验即可。对于一般数字仪表，一般只需要将其量程分4～6等份对等分点进行校验即可，为方便进行误差核算，校验点可以为等分点附近的整数点。

⑵、试验接线的确定

在仪表校验工作中，现在多应用仪表校验仪直接做电流或电压源，并由校验仪直接读取电流或电压值与被校验仪表的指示值相比较。由于专用电流、电压表校验仪量程大，调节平滑性高，相对于应用常规的电流、电压发生器与标准表配合进行，应用校验仪的试验接线简单的多。以下只对应用常规仪器进行仪表校验的试验接线做简单表述。

①、直流电流表的校验接线

校验30A以下直流电流表，按下图进行接线。在可调电阻串联时，各电阻允许通过电流必须不超过被校电流表的上限值。在电阻并联线路中，电阻的允许通过电流相对要求较小。

校验较大量程的直流电流表时，为得到大小相适应的电流源，可以使用自耦变压器、自耦降压变压器、整流器组成的电路，通过调整自耦变压器得到所需要的电流。为使电流调节的平滑性更好，可以将两个或更多的自耦调压器并联，然后给降压变压器提供电源。接线方式如图所示：

   由于外附分流器的大量程直流电流表的表头实际为一个毫伏表，又被测电流在分流器上产生的电压降与被测电流存在一定关系，所以，校验此类直流电流表时，可以按毫伏表进行校验。接线方式如图。 被校电流表不带分流器，只作为毫伏表来校验。

 ②、交流电流表的校验接线

  工程中应用的交流电流表，有直接用来测量5A以下小电流的电流表和与互感器配套用来测量大电流的电流表，校验它们的试验接线方式如下图。

③、交流电压表的校验接线

校验交流电压表的关键点是获得与被校验电压表量程相适应的交流电压源，一般有两种途径，一是直接使用交流调压器，其二是将低电压的交流电源升压为所需要的交流电压源。后者适于量程在250V以上的电压表的校验。这两种交流电压源的获得电路如图所示。

交流电压源取得以后，只需要将被校验交流电压表与标准电压表并联，即可进行下一步校验。

④、直流电压表的校验接线

直流电压表的校验电源可以直接使用直流稳压电源得到，也可以通过整流升（降）压变压器的交流输出得到，后者适用于250V直流电压表的校验。这两种获得直流稳压电源的接线如图所示。

如同直流电压表的校验，交流电源得到以后，被校验电压表只需要与标准电压表并联即可开始进行校验。

⑶、仪表校验的操作要点

①、校验电路通电前，核查确认被校验仪表的指示处于零位刻度，如果不在零位，必须首先进行调零。

②、通电校验过程中，先粗调，后微调。在线路电流或电压接近校验点时，通过微调缓慢的使电流或电压值上升或下降，不得在校验点上出现电流、电压的反复升降，在被校验仪表指示稳定后读取测量值。

③、在电流或电压上升过程中，到达被校验仪表的最高量程处后，需要调节电流、电压值使其略超被校验仪表的量限，然后开始下降过程的校验。

⑷、被校验仪表准确度的核验

仪表校验的试验结束，针对所得的试验数据，与标准表所指示的参数值对比，利用相对引用误差公式，计算出仪表误差值，核对最大误差是否在仪表准确度所允许的范围内。

7、电工仪表的维护和保养

    为使电工仪表保持良好的工作状态，除使用中应注意操作外，还需要及时进行维护保养，这就需要我们做好以下几点：

    仪表属于精密仪器，在搬运和使用中，须轻拿轻放，以防振动和撞击，避免仪表的轴承、轴尖等易损部位损坏，保证其测量精度。

仪表使用时保持清洁，每次使用完毕，都要用细软布擦拭干净。

仪表在存放期间，应置于干燥、洁净、无酸碱性气体污染的箱柜内，存放于温度适中的环境中，以免内部零部件受到各种腐蚀。

仪表的各配件及专用导线等，应随仪表妥善保存，保持仪表完整性。

仪表属于计量器具，必须定期鉴定，保证其测量结果的准确性。