常用電測儀表測量誤差分析

朱碧香

摘 ?要：電測儀表是檢測和監(jiān)測系統(tǒng)的核心，其誤差大小直接影響測量的準(zhǔn)確性。文章對電測儀表的誤差進行分類描述，對誤差的表示方法作簡要介紹，并在兩者基礎(chǔ)上就誤差起因進行深入分析，最后，總結(jié)性提出減小誤差的措施，以提高電測儀表測量的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：電測儀表;測量誤差;分類;起因

中圖分類號：TM930 ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）02-0065-02

電測量是指對電磁量（包括由其他形式的物理量通過轉(zhuǎn)換而成的直流電量）的測量，它是當(dāng)前檢測領(lǐng)域中最主要的一種方式。完成電測量任務(wù)的是各種電測儀表，如電能表、電流表、電壓表等。大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)證明，在檢測中產(chǎn)生誤差有其普遍性和必然性。分析誤差成因，有助于減小誤差，提高測量精度。

1 ?電測儀表的誤差分類

1.1 ?隨機誤差

隨機誤差具有偶然性，其方向和大小不固定。其具體表現(xiàn)為：在完全相同的條件下，運用相同的測試方法進行多次測量，所觀察到的測量結(jié)果不同。引起隨機誤差的根本原因是微觀世界的不確定和劇烈起伏。隨機誤差不能消除，但可以處理。如采用增加重復(fù)性測試次數(shù)，然后求取算術(shù)平均值。一般來說，重復(fù)測量的次數(shù)越多，其算術(shù)平均值越接近真值。

1.2 ?系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差具有固定的方向（負(fù)或正）和大小，一般由確定的原因引起。系統(tǒng)誤差可以校正，甚至完全消除。

1.3 ?疏失誤差

疏失誤差是由于工作人員的疏忽，如錯誤接線、錯誤記錄、錯誤讀數(shù)等引起的，在實際測量過程中，應(yīng)該堅決避免該類誤差的產(chǎn)生。

2 ?電測儀表的誤差表示

2.1 ?絕對誤差

即儀表示值與真值之間的差值。公式為：

？駐絕對=A示-A真（1）

絕對誤差特點：①分正負(fù);②其量綱與被測量相同。

2.2 ?相對誤差

即絕對誤差與真值的比值，其沒有量綱，常用百分比表示。

？駐相對=■×100%≈■×100%（2）

相對誤差的優(yōu)勢：能用于不同測量方法的比較。舉例：在測50 A電流時，？駐1絕對為“+0.2 A”;在測20 A電流時，？駐2絕對為“+0.1 A”，從絕對誤差角度講，？駐1絕對大于？駐2絕對，但顯然不能就此認(rèn)為測50 A的方法比測20 A的方法的要落后（因為按誤差百分比，前者為0.4%，后者為0.5%，說明后者的誤差的相對影響更大）。工程上常常采用的也是相對誤差的形式。

2.3 ?引用誤差

主要用來表征儀表自身的準(zhǔn)確性能。

？駐引用=■×100%（3）

其中，A上限是指儀表測量上限。引用誤差其實是測量上限所對應(yīng)的相對誤差。

3 ?電測儀表的誤差起因分析

3.1 ?設(shè)備因素

3.1.1 ?量程選擇不當(dāng)

選用儀表的時候，固然要關(guān)注精度，但同時也要注重量程的考量。舉例：被測直流功率大概為1 760 W左右，A功率表參數(shù)為220 V/30 A/0.2級，B功率表參數(shù)為220 V/10 A/0.5級。顯然，A表比B表要精確，但用這兩塊表來測量目標(biāo)功率時，A表的測量誤差（相對誤差形式）約為0.75%，B表的測量誤差（相對誤差形式）約為0.5%。因此，應(yīng)選用精度低的B表，若錯誤選擇了A表，則誤差會增大。

3.1.2 ?零流影響

數(shù)字式儀表由運算放大器等半導(dǎo)體元件構(gòu)成，所以存在不可避免的零流現(xiàn)象，且該零流大小和輸入信號大小成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.1.3 ?接觸不良

某些電測儀表配換擋開關(guān)、電鍵按鈕等部件，若這些部件磨損嚴(yán)重或與儀表主回路接觸不良，將導(dǎo)致儀表工作不穩(wěn)定、示值誤差增大。可用工業(yè)酒精在相關(guān)地方擦拭來消除這種不穩(wěn)定。

3.1.4 ?輔助設(shè)備的問題

①電橋類測試儀器中，若電橋供電出現(xiàn)問題（如供電不足），其測量精度將受到嚴(yán)重影響，因此電橋電源的配置須嚴(yán)格按說明書，若無說明書，電源的工作電流須限定在標(biāo)準(zhǔn)電阻額定電流的1/2以下。

②工作電流大于1 mA的要配蓄電池（新充電蓄電池要人工放電至電勢穩(wěn)定），小于1 mA用甲電池，標(biāo)準(zhǔn)電池只提供電勢、不提供電流。這幾項是儀表電池的配選原則，違反了它們，將使誤差增大。另外，標(biāo)準(zhǔn)電池長時間使用后內(nèi)阻變大，也會影響儀表的精度。

③一些電測儀表對連接導(dǎo)線的電阻有嚴(yán)格要求，不能使用專用導(dǎo)線外的導(dǎo)線代替。

3.2 ?環(huán)境因素

部分電測儀表對周圍環(huán)境因素比較敏感，環(huán)境指標(biāo)不能超出其限定范圍。

3.2.1 ?溫度因素

譬如，由錳銅制成的標(biāo)準(zhǔn)電阻，其阻值隨溫度升降而增減（變化規(guī)律由溫度系數(shù)描述），但如果溫度系數(shù)事先未知，當(dāng)不在標(biāo)準(zhǔn)條件（20 ℃）下使用，電阻值就無法確知，從而使檢測失去意義;又如，內(nèi)置穩(wěn)壓源的電位差計，其穩(wěn)壓值受溫度影響。

雖然在物理上存在一些公式和系數(shù)可對溫度引發(fā)的測量偏差進行換算，但這永遠(yuǎn)是近似的，當(dāng)溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)值過大時，這些公式和系數(shù)的有效性將大大降低。

3.2.2 ?濕度因素

濕度偏高的時候（如梅雨季節(jié)），儀表中的電子器件容易受潮，從而產(chǎn)生兩類不利的現(xiàn)象：

①儀表內(nèi)部銹蝕、霉變，表現(xiàn)在外部則是接觸不良和性能下降，嚴(yán)重的還會使儀表絕緣等級降低，以致出現(xiàn)不安全因素。

②因靜電感應(yīng)的作用，儀表上積累過量靜電荷，導(dǎo)致在操作時發(fā)生“儀表-人體”之間的放電，并損壞內(nèi)部電子器件。

控制測量時的濕度相對簡單，可在房間內(nèi)配置除濕空調(diào)或干燥劑。

3.2.3 ?電磁干擾

可歸納為兩大類：測量鏈路各儀表之間的相互干擾或測量儀表內(nèi)部器件之間的相互干擾，定義為“內(nèi)部干擾”;測量系統(tǒng)以外的電磁源對測量鏈路或測量儀表所造成的干擾，定義為“外部干擾”。

其中，“內(nèi)部干擾”具體分為四種：

①工作電源在通過儀表的絕緣電阻或鏈路的分布電容時引發(fā)漏電而形成的干擾。

②有用信號-傳輸導(dǎo)線-地線-電源這幾者相互耦合產(chǎn)生的干擾。

③儀表中高電壓或大功率元件產(chǎn)生的交變電磁場對其他部件的影響。

④儀表使用過程中，內(nèi)部一些元件因發(fā)熱而影響引發(fā)的不穩(wěn)定因素。

“外部干擾”具體也分為兩種：

①儀表所處環(huán)境有變壓器、開關(guān)柜等高壓設(shè)備，這些設(shè)備在運行中將產(chǎn)生極強的電磁場，由此給電測儀表的測量鏈路或內(nèi)部電路帶來耦合干擾。

②空間普遍存在的電磁波對測量系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾（這個只對如靜電放電發(fā)生器之類的敏感設(shè)備起作用）。

可見，影響電測儀表誤差的最復(fù)雜因素是各種電磁干擾。

3.2.4 ?其他因素

①指針式儀表放置不規(guī)范（如要求水平而不水平），則表計零點會偏移。

②若測量環(huán)境中存在震動，一方面會影響儀表性能，另一方面還可能損壞精密器件。

③儀表受單側(cè)光照或單側(cè)熱源輻射，將會產(chǎn)生熱偏差。

3.3 ?人為因素

部分電測儀表在測量中需要專業(yè)人員的操作，因此人的因素也成為綜合誤差的可能來源之一。

①錯誤接線（如雙臂電橋測量中四個端子接線容易搞錯）、接線不規(guī)范（如插孔處接觸不良）等，這時不但誤差增大，而且可能會損壞電子元件。

②量程或級別選擇錯誤，造成誤差擴大化。

③使用檢驗不合格或者未經(jīng)檢驗的儀表。

4 ?改善電測儀表誤差的措施

由上一節(jié)分析可知，電測儀表誤差的可能來源是多種多樣的。這些來源中有些是可以消除的，有些則只能盡量減弱。

4.1 ?正確使用儀表

①合理選擇儀表類型，如指針式和數(shù)字式都可用的情況下，優(yōu)先選擇數(shù)字式。②正確確定儀表量程、精度等參數(shù)，避免“大馬拉小車”的情形。③參照標(biāo)準(zhǔn)進行正確和規(guī)范接線，如端鈕處接線應(yīng)確保擰緊、插孔處接線應(yīng)確保插牢，且測試前做好檢查。④避免儀表靠近震源、單方面的光源或熱源等，必要時可選擇用不透光容器覆蓋。⑤嚴(yán)格按操作規(guī)程使用儀表，尤其要注意儀表指針的調(diào)零。

4.2 ?盡量改善環(huán)境

①控制環(huán)境溫度穩(wěn)定在20 ℃，若有小幅偏差，必須按相關(guān)方法進行修正。②如有需要，可對測量系統(tǒng)（包括測量儀表和被測設(shè)備）進行（恒溫）預(yù)熱。③對信號線采用金屬屏蔽，將某些測量機構(gòu)（如電磁系儀表）置入導(dǎo)磁較好的屏蔽罩內(nèi)或者采用雙屏蔽。④工作電源與電測儀表之間配置隔離變，同時避免與電機類設(shè)備共用供電線路。

4.3 ?注重細(xì)節(jié)

①對連接導(dǎo)線也進行有效固定，以防止使用中的突發(fā)振動。

②做好接地工作，如使儀表、信號源外殼等可靠接地，始終保持在零電位。

③低電平測量時，二次儀表應(yīng)“浮地”，以徹底切斷共模干擾電壓的泄漏途徑。

5 ?結(jié) ?語

鑒于電測儀表誤差的多樣性和誤差成因的復(fù)雜性，我們應(yīng)該盡可能減小誤差。對于可消除誤差（如系統(tǒng)誤差和疏失誤差），我們可通過合理選用儀表、合理選定精度等級和量程、規(guī)范使用方法、采用金屬屏蔽等一系列有效措施來消除;對于不可消除誤差（如隨機誤差），我們應(yīng)該采用先進的數(shù)學(xué)工具（如多次測試取平均值、對測試結(jié)果進行不確定度評價等）來降低誤差絕對值。

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