常用电工仪表的使用及减小仪表测量误差的方法

实验一　常用电工仪表的使用及减小仪表测量误差的方法

一、实验目的

1．掌握电压表、电流表的使用方法。

2．了解电压表、电流表内阻的测量方法。

3．了解电压表、电流表内阻对测量结果的影响及减小仪表内阻产生的测量误差的方法。

二、实验内容

1．用标准表校验20mA量程的直流毫安表和5V量程的万用电表直流电压挡。

2．用分压法测定万用电表（MF30）直流电压1V和5V挡量限的内阻。

3．用分流法测定直流毫安表2mA和20mA挡量限的内阻。

4．采用同一量程两次测量法测量电路负载R_L上的电流。

三、实验仪器与设备

四、实验原理

1．根据被测量的性质选择仪表的类型

被测量分为直流量和交流量，交流量又分为正弦交流量和非正弦交流量，应选择相应的直流仪表和交流仪表。如果是正弦交流电压（或电流），采用任何一种交流电压表（或电流表）均可，一般可从仪表直接读出有效值。如果是非正弦交流电压（或电流），则测有效值可用电磁系或电动系仪表；测平均值可用整流系仪表；测瞬时值可用示波器；从波形中可求出各点的瞬时值和最大值，测最大值还可用峰值表。

测量交流量时，还应考虑被测量的频率。一般电磁系、电动系和感应系仪表适用频率范围较窄，但特殊设计的电动系仪表可用于中频。整流系仪表适用频率较大。

2．根据被测线路和被测负载阻抗的大小选择内阻合适的仪表

对电路进行测量时，仪表的接入对电路工作情况的影响应尽可能小，否则测量出来的数据将不反映电路的实际情况。因此用电压表测量负载电压时，电压表内阻越大越好，一般若电压表内阻R_V≥100 R（R为被测负载的总电阻），就可以忽略电压表内阻的影响；电流表串联接入电路进行测量时，其内阻越小，对电路的影响也越小，一般当电流表内阻是与电流表串联的总电阻）时，即可忽略电流表内阻的影响。

电压表、电流表内阻大小与仪表的测量机构（即表头）的灵敏度有关。磁电系仪表灵敏度高，用作电压表时内阻常在2 000Ω／V以上，高的可达100kΩ／V；用作电流表时，因灵敏度高的表头所用的分流电阻的阻值小，故磁电系电流表内阻小。电磁系和电动系电压表、电流表内阻的情况与磁电系相反。

3．根据测量的需要合理选择仪表的准确度等级

仪表准确度就是仪表在规定条件下工作，其标度尺的工作部分的全部分度线上，可能出现的最大基本误差的百分数值。我国目前生产的电工仪表，其准确度有8级：即0．05、0．1、0．2、0．5、1．0、1．5、2．5、5．0级。仪表准确度等级数值越小，准确度越高，基本误差越小。例如标称准确度为1．0的表头，相应量程的最大相对误差为±1．0%。一般电工仪表中，单向标度尺的仪表用得最多，其准确度以标度尺工作部分上量限的百分数表示。若以K表示，则有±K%＝是以绝对误差表示的最大基本误差；A_m是测量上限。在电工仪表的表盘上一般都标出了仪表的准确度等级符号。仪表的准确度越高，测量误差越小，结果越可靠。但并不是说测量时要尽量选用准确度高的仪表，因为仪表的准确度越高，价格越贵，维修也困难。在准确度较低的仪表可以满足测量要求的情况下，就不必选用准确度高的仪表。通常准确度为0．1级和0．2级的仪表作标准表和精密测量用；0．5～1．5级的仪表用于实验室一般测量；1．0～5．0级的仪表用于一般工业生产测量。

仪表的准确度等级应该定期进行校验。用比较法校验直流电流表、直流电压表时，选取一块比被校表的准确度等级高1～2级的仪表作为标准表。校验电压表时，将标准表与被校表并联接入电路中；校验电流表时，将标准表与被校表串联接入电路中，如图4－1所示。在表的整个刻度范围内，逐点比较被校表与标准表的差值，并作出校正曲线，横坐标是被校表的读数，纵坐标是被校表读数与标准表读数之差。从校正曲线可查出被校表读数的校正量Δ。根据最大Δ的绝对值与量程之比的百分数，确定被校表的等级。

图4－1　比较法校验仪表电路

4．按照被测量的大小选用量限合适的仪表

选择仪表时，一般应使被测量的大小在仪表量限的以上，如果被测量的大小不到仪表量限的那就是不合理的。如果用量限比被测量数值大得多的仪表进行测量，则测量误差很大。当然，被测量的大小也不能超过仪表的量限，特别是灵敏度高的电工仪表，因为这可能造成仪表的损坏。

5．电流表、电压表内阻的测量

（1）测量电流表的内阻可采用分流法，如图4－2（a）所示。为被测电流表，内阻设为R_A。首先断开开关S，调节电流源的输出电流I_S，使电流表指针满偏转。然后合上开关S，并保持I_S值不变，调节可调电阻R_W，使电流表的指针在满偏转位置，此时有R_W，再测量可调电阻的阻值R_W即为电流表的内阻。

图4－2　测量仪表内阻电路

（2）测量电压表的内阻可采用分压法，如图4－2（b）所示。为被测电压表，内阻设为R_V。首先合上开关S，调节电压源的输出电压U_S，使电压表指针满偏转。然后断开开关S，并保持U_S值不变，调节可调电阻R_W，使电压表的指针在满偏转位置，此时有R_W，再测量可调电阻的阻值R_W即为电压表的内阻。

6．减小仪表测量误差的方法

若电流表或电压表的内阻不理想，可采用同一量程两次测量法减小由此造成的误差。其中，第一次测量与一般测量一样，但在进行第二次测量时，必须在电路中串入一个已知阻值的附加电阻R。

图4－3　两次测量法测开路电压

（1）电压测量——测量如图4－3所示电路的开路电压U₀

图4－3是两次测量某电路开路电压的示意图。第一次测量，电压表的读数为U₁（设电压表的内阻为R_V），第二次测量时电压表应串接一个已知电阻值的电阻R，电压表读数为U₂，由图4－3可知

解以上两式，可得

图4－4　两次测量法测短路电流

（2）电流测量——测量如图4－4所示电路的短路电流I

第一次测量电流表的读数为I₁（设电流表内阻为R_A），第二次测量时电流表应串接一个已知电阻值的电阻R，电流表读数为I₂，由图4－4可知

解以上两式，可得

五、实验注意事项

1．可调恒流源可通过粗调旋钮和细调旋钮调节其输出量，并由直流毫安表显示其输出量的大小。打开电路分析实验箱电源之前，应使其输出旋钮置于零位，实验时再缓慢地增、减输出。

2．直流稳压源的输出不允许短路，恒流源的输出不允许开路。

3．电压表应与电路并联使用，电流表应与电路串联使用，并且都要注意极性与量限的合理选择。

六、实验内容与步骤

1．按图4－1接好电路，U_S接可调直流稳压电源，调节输出旋钮，使电压从零缓慢地增加。选取一块比被校表的准确度等级高1～2级的仪表作为标准表。用标准表校验20mA量程的直流毫安表和5V量程的万用电表直流电压挡。在表的整个刻度范围内，逐点比较被校表与标准表的差值，记录校验数据于表4－1、表4－2中。

表4－1　校验直流毫安表的数据

表4－2　校验直流电压表（万用电表直流电压挡）的数据

2．根据“分压法”原理测定万用电表（MF30）直流电压1V和5V挡量限的内阻（数字电压表测量精度高，内阻很大，因而可用于测定指针式万用电表的电压挡内阻）

实验线路如图4－2（b）所示，其中R_W为可调电阻箱的阻值。先将开关S闭合，万用电表置1V挡，调节可调电压源输出U_S，使电压表满偏；再将开关S断开，将分压电阻接入电路，保持可调电压源输出U_S不变，调节可调电阻箱阻值R_W，使电压表指示为满偏时的一半，数据记入表4－3中，并计算电压表内阻R_V。改变万用电表量程，重复上述步骤，并将实验数据记入表中。

表4－3　分压法测电压表内阻

3．根据“分流法”原理测定直流毫安表2mA、20mA挡量限的内阻。

实验线路如图4－2（a）所示，其中R_W为可调电阻箱的阻值。先将开关S断开，直流毫安表置2mA挡，调节可调恒流源输出I_S，使电流表满偏；再将开关S闭合，将分流电阻接入电路，保持可调恒流源输出I_S不变，调节可调电阻箱阻值R_W，使电流表指示为满偏时的一半，数据记入表4－4中，并计算电流表内阻R_A。改变直流毫安表量程，重复上述步骤，并将实验数据记入表4－4中。

表4－4　分流法测电流表内阻

图4－5　两次测量法测负载电流

4．用直流毫安表20mA挡，采用同一量程两次测量法测量如图4－5所示的电路负载R_L上的电流（直流毫安表20mA挡量限的内阻R_A用实验内容3的测定结果）

第一次测量，电流表直接串接到负载R_L支路上，读数记为I₁（设电流表内阻为R_A）。第二次测量时电流表串接一个已知电阻值的电阻R，再串接到负载R_L支路上，读数记为I₂。根据两次测量结果，计算电路负载R_L上的电流。

七、实验报告要求

1．做出直流电流表（20mA挡）的校验报告，标定仪表的等级、内阻。

2．做出直流电压表（5V挡）的校验报告，标定仪表的等级、内阻。

3．做出图4－5同一量程两次测量法测试负载电阻电流的测试报告，给出误差分析。

4．回答实验思考题。

八、实验思考题

1．用200mA挡量程、0．5级电流表测量电流时，可能产生的最大绝对误差为多少？

2．用量程为20A的电流表测试实际值为16A电流时，仪表读数为16．1A，求测量的绝对误差和相对误差。

3．计算如图4－5所示电路负载电阻上的电压和电流，并与测量值相比较。

4．设计一个记录理论计算和两次测量法测量如图4－5所示电路电阻R_L上的电流数据的表格。