技能训练2 常用电工仪器仪表的使用

2.常用电工仪器仪表

电工测量是电工试验与实训中必不可缺少的一部分，它的任务是借助各种仪器仪表对电流、电压、功率、电能等进行测量，以便了解各种电气设备的运行特性与情况。

可以把电工测量的方法分为直读法和比较法。直读法是利用指示仪表直接读取被测电量的值。例如，用电压法直接测量电压。这种测量方法的准确度不高，但简单、方便。比较法测量是将被测量和标准量在较量仪器中比较，以确定测量的值。例如，用电桥测量电阻等。这种测量方法的准确度较高，但比较复杂，测量速度也较慢。

电工测量具有以下两个主要优点：

（1）电工仪表构造简单、准确、可靠。

（2）能做远距离测量。

因此，正确掌握测量技术是十分必要的。

1.电工仪表的分类

电工仪表种类很多，分类方法也很多，一般有四种分类方法：按准确度分类、按被测量的种类分类、按被测电流的种类分类和按工作原理分类。

1）按准确度分类

根据国家标准GB776—76，电工测量仪表可以分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0七个精度等级，这些数字是指仪表的最大引用误差值，如表1.1所示。其中，0.1、0.2和0.5级的较高准确度仪表常用来进行精密测量或作为校正表；1.5级的仪表一般用于实验室；2.5和5.0级的仪表一般用于工程测量。

表1.1 电工仪表的准确度和最大引用误差

不管仪表的质量如何，仪表的指示值与实际值之间总有一定的差值，称为误差。显然，仪表的准确度与其误差有关。误差有两种：一种是基本误差，它是由仪表本身的因素引起的，如由弹簧永久变形或刻度不准确等造成的固有误差；另一种是附加误差，它是由外加因素引起的，如测量方法不正确、读数不准确、电磁干扰等。仪表的附加误差是可以减小的，使用者应尽量让仪表在正常情况下进行测量，这样可以近似认为只存在基本误差。

仪表的准确度是根据仪表的最大引用误差来分级的。最大引用误差是指仪表在正常工作条件下测量时可能产生的最大基本误差AΔ与仪表的满量程mA之比，习惯上用百分数表示，即

由式（1.20）可以求得仪表的最大基本误差。例如，一个准确度为1.0，量程为10A的仪表，可能产生的最大基本误差为

ΔA=γAm=±1.0%×10=±0.1（A）

在正常工作条件下，仪表的最大基本误差（最大绝对误差）是不变的。要衡量测量值的准确度，必须使用相对误差。

相对误差是指最大基本误差AΔ与被测量真值0A之比的百分数，即

相对误差越小，测量的准确度越高。例如，用上述电流表分别测量8A和2A的电流，则相对误差分别为±1.25%和±5%。因此，在选用仪表的量程时，应该使被测量的值尽量接近满标值。通常当被测量的值接近满刻度的2/3时，测量结果较为准确。

例1.8说明，为了获得较准确的测量结果，除了选用准确度等级较高的仪表外，还要注意选择合适的量程。

2）按被测量的种类分类

按照被测量的种类可以将电工仪表分为电流表、电压表、欧姆表、功率表、频率表、电度表、相位表等，如表1.2所示。

表1.2 电工仪表按被测量的种类分类

3）按被测电流的种类分类

按被测电流的种类可以将电工仪表分为直流表，交流表和交、直流两种表三种，如表1.3所示。

表1.3 电工仪表按被测电流的种类分类

4）按工作原理分类

电工仪表按工作原理不同可分为磁电式仪表、电磁式仪表、电动式仪表、整流式仪表等，如表1.4所示。

表1.4 电工仪表按工作原理分类

在仪表的表面上通常都标有仪表类型、准确度等级、所通电流种类、仪表的绝缘耐压强度和放置位置等，如表1.5所示。

表1.5 某一电工仪表上的符号

2.电压表

用来测量电压的仪表称为电压表。根据被测电压的大小可分为毫伏表、伏特表和千伏表。

测量某一段电路的电压时，应将电压表并联在被测电压的两端，电压表的端电压等于被测电压，如图1.34所示。电压表并入电路必然会分掉原来支路的电流，影响电路的测量结果，为了尽量减小测量误差，不影响电路的正常工作状态，电压表的内阻应远大于被测支路的电阻。但电压表的测量机构本身电阻不大，所以在电压表的测量机构中都串联一个阻值很大的电阻。

直流电压的测量一般使用磁电式电压表。要扩大仪表的量程，应该在测量机构中串联分压电阻，此分压电阻称为倍压器，如图1.35所示。此时，测量机构上所测电压为被测电压的一部分，即

由上式可得分压电阻为

可以看出，电压表要扩大的量程越大，所串联的倍压器的阻值越大。多量程的电压表内部具有多个分压电阻，不同的量程串接不同的分压电阻。

测量交流电压时，一般采用电磁式电压表，精密测量时采用电动式电压表。要想扩大交流电压表的量程，可以采用线圈串、并联的方法来实现，也可以在电磁式电压表内部串联倍压器来实现。测量600V以上的电压时，应先使用电压互感器把电压降低，然后再配合测量。

3.电流表

用来测量电流的仪表称为电流表。根据被测电流的大小可分为微安表、毫安表和安培表。

测量某一支路的电流时，只有被测电流流过电流表时，电流表才能指示其结果，因此电流表应串联在被测量电路中，如图1.36所示。考虑到电流表有一定的电阻，串入之后不应该影响电路的测量结果，所以电流表的内阻必须远小于电路的负载电阻。

测量直流电流一般用磁电式电流表。磁电式电流表的测量机构只能通过几十微安到几十毫安的电流，要测量较大的电流时，应该在测量机构上并联一个低值电阻以进行分流，如图1.37所示。这样仪表测得的电流是被测电流的一部分，但它们之间有如下关系：

则可得出分流电阻为

可以看出，想要扩大的仪表量程越大，分流电阻的阻值应越小。多量程的电流表内部具有多个分流电阻，一个分流电阻对应一个量程。

测量交流电流一般用电磁式电流表，进行精密测量时用电动式电流表。由于所测的是交流电流，所以其测量机构既有电阻又有电感，要想扩大量程就不能单纯地并联分流电阻，而应将固定线圈绕组分成几段，采用线圈串联、并联及混联的方法来实现多个量程。

当被测电流很大时，可利用电流互感器来扩大量程。

4.功率表

除了需要测量电气设备的电压、电流外，还需要测量电功率，通常用功率表直接测量有功功率。

1）功率表的构造

功率表大多为电动系结构，其中两个线圈的接线如图1.38所示。图1.38中，1是固定线圈，它与负载串联，线圈中通过的是负载电流，作为电流线圈，它的匝数较少，导线较粗；2是可动线圈，线圈串联附加电阻后，与负载并联，线圈上承受的电压正比于负载电压，作为电压线圈，它的匝数较多，导线较细；3是阻值很大的附加电阻。指针偏转角的大小取决于负载电流和负载电压的乘积。测量时，在功率表的标度尺上可以直接指示出被测有功功率的大小。功率表的图形符号如图1.39所示。水平线圈为电流线圈，垂直线圈为电压线圈。电压线圈和电流线圈上各有一端标有“*”号，成为电源端钮，表示电流应从这一端钮流入线圈。

2）使用功率表的注意事项

（1）正确选择功率表的量程。选择功率表的量程，实际上是要正确选择功率表的电流量程和电压量程，务必使电流量程能允许通过负载电流，电压量程能承受负载电压，不能只从功率角度考虑。例如，有两个功率表，量程分别为300V、5A和150V、10A。显然，它们的功率量程都是1500W。如果要测量一个电压为220V、电流为4.5A的负载功率，则应选用300V、5A的功率表；而150V、10A的功率表，则因电压量程小于负载电压，不能选用。一般在测量功率前，应先测出负载的电压和电流，这样在选择功率表时可做到心中有数。

（2）正确读出功率表的读数。便携式功率表一般都是多量程的，标度尺上只标出分度格数，不标瓦特数。读数时，应先根据所选的电压、电流量程及标度尺满度时的格数，求出每格瓦特数（又称功率表常数），然后再乘以指针偏转的格数，即得到所测功率的瓦特数。如图1.40所示为多量程功率表的外形图及内部接线图。

例如，用一个电压量程为500V、电流量程为5A的功率表测量功率，标度尺满度时为100格，测量时指针偏转了60格，则功率表常数为

被测功率为 25×60=1500（W）

（3）功率表的正确接线。功率表转动部分的偏转方向和两个线圈中的电流方向有关，如果改变其中一个线圈的电流方向，指针就反转。为了使功率表在电路中不接错，接线时必须使电流线圈和电压线圈的电源端钮都接到同一极性的位置，以保证两个线圈的电流都从标有“*”号的电源端钮流入，而且从“+”极到“-”极。满足这种要求的接线方法有两种，如图1.41所示，其中图1.41（a）为电压线圈前接法；图1.41（b）为电压线圈后接法。

当负载电阻远远大于电流线圈内阻时，应采用电压线圈前接法。这时，电压线圈所测电压是负载和电流线圈的电压之和，功率表反映的是负载和电流线圈共同消耗的功率。此时，可以略去电流线圈分压所造成的功率损耗影响，其测量值比较接近负载的实际功率值。

当负载电阻远远小于电压线圈支路电阻时，应采用电压线圈后接法。这时，电流线圈中的电流是负载电流和电压线圈支路电流之和，功率表反映的是负载和电压线圈支路共同消耗的功率。此时，可以略去电压线圈支路分流所造成的功率损耗影响，测量值也比较接近负载的实际功率值。

如果被测功率本身较大，不需要考虑功率表的功率损耗对测量值的影响，则两种接线法可以任意选择，但最好选用电压线圈前接法，因为功率表中电流线圈的功率损耗一般都小于电压线圈支路的功率损耗。

测量功率时，如果出现接线正确而指针反偏的现象，则说明负载侧实际上是一个电源，负载支路不是消耗功率而是发出功率。这时，可以通过对换电流端钮上的接线使指针正偏。如果功率表上有极性开关，也可以通过转换极性开关，使指针正偏。此时，应在功率表读数前加上负号，以表明负载支路是发出功率的。

5.万用表

万用表是一种多用途的仪表。一般它可以用来测量交流电压、直流电压、直流电流和直流电阻等，因此在电气设备的安装、维修、检查等工作中应用极为广泛。

常用的MF-30型万用表的面板图如图1.42所示。

1）万用表的构造

万用表主要由以下三大部分组成。

（1）表头。通常采用磁电式测量机构作为万用表的表头。这种测量机构的灵敏度和准确度较高，满刻度偏转电流一般为几微安到数百微安。满刻度偏转电流越小，灵敏度就越高，表头特性就越好。

（2）测量电路。万用表的测量电路由多量程直流电流表、多量程直流电压表、多量程交流电压表及多量程欧姆表组成，个别型号的万用表还有多量程交流挡。实现这些功能的关键是通过测量电路的变换把被测量变换成磁电系统所能接受的直流电流，它是万用表的中心环节。测量电路先进，可使仪表的功能多、使用方便、体积小和质量轻。

（3）转换开关。转换开关是用来选择不同的被测量和不同量程时的切换元器件。转换开关里有固定接触点和活动接触点，当活动接触点和固定接触点闭合时就可以接通一条电路。

2）万用表的工作原理

（1）直流电流的测量。如图1.43所示是用MF-30型万用表测量直流电流时的原理图。此时，转换开关在直流电流挡，将万用表串联在被测电路中。电流从“+”端流入，从“-”端流出。直流电流挡有5个量程，从图1.43可以看出，不同的量程对应不同的分流电阻，改变转换开关的位置实际上是改变了其分流电阻值，从而改变了量程。例如，打到5mA挡，分流器的阻值为RA1+RA2+RA3，其余电阻与表头串联。指针偏转时，应该按照表盘上第二条线读数，但要注意量程与满刻度值之间的关系。

实际使用时，如果对被测电流的大小不了解，应该先用最大量程来测量，然后再根据指针的偏转程度来选用合适的量程，以减小误差。转换量程时，要注意不可带电转换。

（2）直流电压的测量。测量直流电压时，万用表的转换开关打到直流电压挡，将万用表并联在被测电压两端，其原理图如图1.44所示。直流电压表由直流电流表串联不同的电阻构成，串联的电阻越大，电压表的量程越大。

电压表的内阻越高，从测量电路分到的电流越小，被测电路受到的影响越小。通常用仪表的灵敏度来表示这一特征，即用仪表的总内阻与电压量程的比值来表示。如MF-30型万用表的500V挡，其总内阻为2500kΩ，则灵敏度为2500/500=5（kΩ/V）。

（3）交流电压的测量。由于磁电式仪表只能测直流，所以测交流电压时需要在测量电路中增加整流装置，如图1.45所示。电路中设置了整流二极管1VD和2VD。

测量时，在正弦交流电的正半周，二极管VD1导通，VD2截止，这时万用表与测量直流电压时的电路相同；在正弦交流电的负半周，VD2导通，VD1截止，表头被短接，没有电流通过万用表。可见，用万用表测交流电压时，测的是正弦波正半周的电流平均值，而正半周的电流平均值与交流电压的有效值之间有一定的比例关系，因此可以直接用万用表来测量正弦交流电压的有效值。一般用万用表测量的电量频率为45Hz～1kHz，只能用于测正弦交流电的电压。

交流电压挡的量程改变与直流电压相同，灵敏度比直流电压挡低。

（4）电阻的测量。测量电阻时，万用表打到电阻挡。把待测电阻分别与万用表的两个表笔相接触，则待测电阻与万用表内的干电池、调节电阻、表头形成一个闭合回路，如图1.46所示，万用表面板上的“+”端接内部电源的负极，而“-”端接内部电源的正极，这样回路中将有电流产生，使指针偏转，指示被测电阻值。

从图1.46中可以看出，被测电阻越大，回路电流越小，偏转角越小。当被测电阻为零时，偏转角最大；当被测电阻无穷大时，偏转角为零。因此，测量电阻时，万用表的刻度刚好与测量电压、电流时的刻度方向相反。表盘上的刻度与量程挡之间成比例关系，如对于×10挡，指示值乘以10即为当前所测电阻值。

实际测量时，首先要将万用表调零，方法是将万用表打到电阻挡，两个表笔短接，若指针偏转后指在零刻度，则说明该万用表不需要调零；否则应转动调节电位器，使指针指到零。每换一个量程，都需要调零一次。如果调零后指针调不到零刻度，则说明表内电池不足或接触不良，需要更换电池或维修。

为了提高测量电阻的准确性，应尽量使用刻度盘的中间段，因此需要选择合适的量程。

使用电阻挡测量电阻时应特别注意不要带电测量，以免外电路电压在电阻测量电路中产生电流，烧坏万用表。测量小电阻时，要注意表笔要接触电阻；测量大电阻时，应注意不要与人体形成并联电路。测量结束后，应将转换开关转到高电压挡，避免造成电池的浪费。

6.兆欧表

1）用途

兆欧表又称摇表，主要用于测量绝缘电阻，以判定电动机、电气设备和电路的绝缘是否良好，这关系到这些设备能否安全运行。由于绝缘材料常因发热、受潮、污染、老化等原因使其电阻值降低、泄漏电流增大，甚至绝缘损坏，从而造成漏电和短路等事故，因此必须对设备的绝缘电阻进行定期检查。各种设备的绝缘电阻都有具体要求。一般来说，绝缘电阻越大，绝缘性能就越好。

2）结构

兆欧表主要由两部分组成：磁电式比率表和手摇发电机。手摇发电机能产生500V、1000V、2500V或5000V的直流高压，以便与被测设备的工作电压相对应。目前有的兆欧表采用晶体管直流变换器，可以将电池的低压直流转换成高压直流。如图1.47所示是兆欧表的外形平面图，L、E、G是它的三个接线柱，一个为“电路”（L），另一个为“接地”（E），还有一个为“屏蔽”（G）。转动手柄，手摇发电机发电，指针显示电阻值的读数。

3）兆欧表的使用

（1）兆欧表的选用。选用兆欧表测试绝缘电阻时，其额定电压一定要与被测电气设备或电路的工作电压相适应；兆欧表的测量范围也应与被测绝缘电阻的范围吻合。在施工验收规范的测试篇中有明确规定，应按其规定标准选用。一般低压设备及电路使用500～1000V的兆欧表；1000V以下的电缆使用1000V的兆欧表；1000V以上的电缆使用2500V的兆欧表。在测量高压设备的绝缘电阻时，必须选用电压高的兆欧表，一般用2500V以上的兆欧表才能测量，否则测量结果不能反映工作电压下的绝缘电阻。同时还要注意：不能用电压过高的兆欧表测量低压设备的绝缘电阻，以免设备的绝缘受到损坏。

各种型号的兆欧表，除了有不同的额定电压外，还有不同的测量范围，如ZC11-5型兆欧表，额定电压为2500V，测量范围为0～10000MΩ。选用兆欧表的测量范围，不应过多地超出被测绝缘电阻值，以免读数误差过大。有些表的标尺不是从零开始，而是从1MΩ或2MΩ开始，则不宜用来测量低绝缘电阻的设备。

（2）兆欧表的接线方法。一般测量时，应将被测绝缘电阻接在L和E接线柱之间。在测量电缆芯线的绝缘电阻时，要用L接芯线，E接电缆外皮，G接电缆绝缘包扎物。

①照明及动力电路对地绝缘电阻的测量。如图1.48（a）所示，将兆欧表接线柱E可靠接地，接线柱L与被测电路连接。按顺时针方向由慢到快摇动兆欧表的发电机手柄，待兆欧表指针读数稳定后，这时兆欧表指示的数值就是被测电路的对地绝缘电阻值。

②电动机绝缘电阻的测量。拆开电动机绕组的星形或三角形连接的连线。用兆欧表的两接线柱E和L分别接电动机两相绕组，如图1.48（b）所示。摇动兆欧表发电机手柄，应以120r/min的转速均匀摇动手柄，待指针稳定后读数，测出电动机绕组相间绝缘电阻。如图1.48（c）所示是电动机绕组对地绝缘电阻的测量接线，接线柱E接电动机机壳上的接地螺钉或机壳（勿接在有绝缘漆的部位），接线柱L接电动机绕组，摇动兆欧表发电机手柄，测出的是电动机绕组对地的绝缘电阻。

③电缆绝缘电阻的测量。测量接线如图1.48（d）所示。将兆欧表接线柱E接电缆外皮，接线柱G接电缆线芯与外皮之间的绝缘层，接线柱L接电缆线芯，摇动兆欧表发电机手柄，读数。测出的是电缆线芯与外皮之间的绝缘电阻值。

（3）使用兆欧表应注意的事项。使用兆欧表测量设备和电路的绝缘电阻时，必须在设备和电路不带电的情况下进行；测量前应先将电源切断，并使被测设备充分放电，以排除被测设备感应带电的可能性。

兆欧表在使用前必须进行检查，检查的方法如下：将兆欧表平稳放置，先使L、E两个端钮开路，摇动手摇发电机的手柄并使转速达到额定值，这时指针应指向标尺的“∞”处；然后再把L、E端钮短接，再缓缓摇动手柄，指针应指在“0”位；如果指针不指在“∞”或“0”位，则必须对兆欧表进行检修，然后才能使用。

在进行一般测量时，应将被测绝缘电阻接在L和E接线柱之间。如果测量电路对地的绝缘电阻，则将被测端接到L接线柱，而E接线柱接地。

接线时，应选用单根导线分别连接L和E接线柱，不可以将导线绞合在一起，因为绞线间的绝缘电阻会影响测量结果。

测量电解电容器的介质绝缘电阻时，应按电容器耐压的高低选用兆欧表，并要注意极性。电解电容器的正极接L，负极接E，不可反接，否则会使电容器击穿。测量其他电容器的介质绝缘电阻时可不考虑极性。

测量绝缘电阻时，发电机手柄应由慢向快摇动。若表的指针指零，则说明被测绝缘物有短路现象，此时不能继续摇动，以防止表内线圈因发热而损坏。摇柄的速度一般规定为120r/min，切忌忽快忽慢，以免指针摆动加大而引起误差。当兆欧表没有停止转动和被测物没有放电之前，不可用手触及被测物的测量部分，尤其是在测量大电容设备的绝缘电阻之后，必须先将被测物对地放电，然后再停止兆欧表的发电机转动，以防止因电容器放电而损坏兆欧表。

7.直流单臂电桥

直流电桥的种类很多，根据结构不同，直流电桥可分为单电桥、双电桥和单双电桥。单电桥比较适合测量中值电阻（1～6 10Ω）；双电桥适合测量低值电阻（1Ω以下）。这里仅介绍用于测量直流电阻的直流单臂电桥。

1）工作原理

直流单臂电桥由R1、R2、R三个标准电阻和被测电阻组成四边形ABCD的桥式电路，四条支路AB、BC、CD、DA称为桥臂，如图1.49所示。在电桥的A、C两端接入直流电源E和开关SB，在B、D两端接入一个检流计G和开关SG作为指零仪。测量电阻时，先闭合开关SB，接通电源，再闭合开关SG，接通检流计。这时检流计的指针可能向左或向右偏转，然后调整电阻R1、R2和R，使检流计的指针停在中间的零点，电桥达到平衡。此时IG=0，B端和D端的电位相等，这样，UAB=UAD，UBC=UDC，即

IxRx=IR，I1R1=I2R2

两式相除，有

由于IG=0，所以Ix=I1，I=I2，代入上式可得

电桥中的电阻R称为电桥的比较臂，R1、R2称为电桥的比例臂，称为电桥比例臂的倍率。此时用比较臂的阻值乘以比例臂的倍率，就得到被测电阻Rx的阻值。由于R1、R2、R都是高精度的标准电阻，检流计的灵敏度也很高，故Rx的测量精度很高。比例臂的倍率分为7挡，分别为10-3、10-2、10-1、1、10、102、103，由倍率转换开关选择。比较臂R由4组可调电阻串联而成，每组约有9个相同的电阻，第一组为9个1Ω电阻，第二组为9个10Ω电阻，第三组为9个100Ω电阻，第四组为9个1000Ω电阻，由比较臂转换开关调解。这样，面板上的4个比较臂转换开关构成了个、十、百和千位，比较臂R的阻值为4组读数之和。如图1.50所示为直流单臂电桥面板图。

2）使用步骤

（1）首先将检流计锁扣打开，调节机械调零旋钮，使指针位于零位。

（2）将被测电阻Rx接在接线端钮上，根据Rx的阻值范围选择合适的比例臂倍率，使比较臂的4组电阻都用上。

（3）调解平衡时，先按电源按钮BS，再按检流计按钮GS；测量完毕后，先松开检流计按钮GS，再松开电源按钮BS，以防被测对象产生感应电势损坏检流计。

（4）按下按钮后，若指针向“+”侧偏转，应增大比较臂电阻；若向“-”侧偏转，则应减小比较臂电阻。调平衡过程中不要把检流计按钮按死，待调到电桥接近平衡时，才可按死检流计按钮进行细调；否则，检流计指针可能因猛烈撞击而损坏。

（5）被测电阻Rx的正确读数（单位为欧姆）可按下式计算：

Rx=倍率×比较臂的读数

（6）测量结束后，应锁上检流计锁扣，以免检流计受到振动而损坏。