直流電位差計(jì)

1、直流電位差計(jì)的原理與應(yīng)用比較式儀表是將被測(cè)量和已知標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較而確定被測(cè)量大小的儀表，分為補(bǔ)償測(cè)量儀表和電橋測(cè)量儀表。用來與被測(cè)量進(jìn)行比較的已知標(biāo)準(zhǔn)量具有標(biāo)準(zhǔn)電池、標(biāo)準(zhǔn)電阻、標(biāo)準(zhǔn)電容和標(biāo)準(zhǔn)電感等。比較儀表借助檢流計(jì)指零實(shí)現(xiàn)平衡。通常，比較式測(cè)量儀表的測(cè)量過程就是通過調(diào)節(jié)可調(diào)元件使比較所得的差值逐步減小到零的過程。這種方法比直讀測(cè)量具有更高的精確度。補(bǔ)償法是電磁測(cè)量的一種基本方法。補(bǔ)償法測(cè)量儀表有全補(bǔ)償和差值補(bǔ)償兩種。全補(bǔ)償法是將被測(cè)量（僅限電壓）與標(biāo)準(zhǔn)量比較，檢測(cè)為0，兩值相等。測(cè)量儀表理論上不從被測(cè)對(duì)象獲取能量。差值補(bǔ)償是利用標(biāo)準(zhǔn)量將被測(cè)量絕大部分補(bǔ)償?shù)?，微差檢出，減少測(cè)量誤差。電位差計(jì)是

2、電磁學(xué)測(cè)量中利用補(bǔ)償原理來直接精密測(cè)量電動(dòng)勢(shì)或電位差的一種精密儀器。其突出優(yōu)點(diǎn)是在測(cè)量電學(xué)量時(shí)，它不從被測(cè)量電路中吸取任何能量，也不影響被測(cè)電路的狀態(tài)和參數(shù)，所以在計(jì)量工作和高精度測(cè)量中被廣泛利用。測(cè)量的直流電壓的誤差可小于±0.005%。它用途很廣泛，可以用來精確測(cè)量電動(dòng)勢(shì)、電壓，與標(biāo)準(zhǔn)電阻配合還可以精確測(cè)量電流和電阻和功率等，還可以用來校準(zhǔn)精密電表和直流電橋等直讀式儀表，有些電器儀表廠則用它來確定產(chǎn)品的準(zhǔn)確度和定標(biāo)，它不僅被用于直流電路，也用于交流電路。因此在工業(yè)測(cè)量自動(dòng)控制系統(tǒng)的電路中得到普遍的應(yīng)用。一、直流電位差計(jì)工作原理1.補(bǔ)償原理在直流電路中，電源電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于電源開

3、路時(shí)兩電極的端電壓。因此，在測(cè)量時(shí)要求沒有電流通過電源，測(cè)得電源的端電壓，即為電源的電動(dòng)勢(shì)。但是，如果直接用伏特表去測(cè)量電源的端電壓，由于伏特表通過電流反應(yīng)電壓總要有電流通過，而電源具有內(nèi)阻，因而不能得到準(zhǔn)確的電動(dòng)勢(shì)數(shù)值，所測(cè)得的電位差值總是小于電位差真值。為了準(zhǔn)確的測(cè)量電位差，必須使分流到測(cè)量支路上的電流等于零，直流電位差計(jì)就是由此而設(shè)計(jì)的。補(bǔ)償原理就是利用一個(gè)電動(dòng)勢(shì)去抵消另一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，其原理可用圖一來說明。兩個(gè)電源E和正極對(duì)正極，其中E為可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電源電動(dòng)勢(shì)，為未知電源電動(dòng)勢(shì)，中間串聯(lián)一個(gè)檢流計(jì)G接成閉合回路。如果要測(cè)電源的電動(dòng)勢(shì)，可通過調(diào)節(jié)電源E，使檢流計(jì)讀數(shù)為零，電路中沒有電流，此時(shí)表明

4、EX=E，兩端的電位差和E兩端的電位差相互補(bǔ)償，這時(shí)電路處于補(bǔ)償狀態(tài)。若已知補(bǔ)償狀態(tài)下E 的大小，就可確定，這種利用補(bǔ)償原理測(cè)電位差的方法稱為補(bǔ)償法，該電路稱為補(bǔ)償電路。圖一 補(bǔ)償電路2.電位差計(jì)原理根據(jù)補(bǔ)償法測(cè)量電位差的實(shí)驗(yàn)裝置稱為電位差計(jì)，其測(cè)量原理可分別用圖二和圖三來說明。圖二為電位差計(jì)定標(biāo)原理圖，其中ABCD為輔助工作回路，由電源E、限流電阻R、長粗細(xì)均勻電阻絲AB串聯(lián)成一閉合回路；MN為補(bǔ)償電路，由待測(cè)電源En和檢流計(jì)G組成。電阻箱R用來調(diào)節(jié)回路工作電流I的大小，通過調(diào)節(jié)I可以調(diào)整每單位長度電阻絲上電位差V0的大小，M、N為電阻絲AB上的兩個(gè)活動(dòng)觸點(diǎn)，可以在電阻絲上移動(dòng)，以便從AB上

5、取適當(dāng)?shù)碾娢徊顏砼c測(cè)量支路上的電位差補(bǔ)償，它相當(dāng)于補(bǔ)償電路（圖一）中的En，提供了一個(gè)可變電源。當(dāng)回路接通時(shí)，根據(jù)歐姆定律可知，電阻絲AB上任意兩點(diǎn)間的電壓與兩點(diǎn)間的距離成正比。因此，可以改變MN的間距，使檢流計(jì)G讀數(shù)為0，此時(shí)MN兩點(diǎn)間的電壓就等于待測(cè)電動(dòng)勢(shì)。要測(cè)量電動(dòng)勢(shì)（電位差），必須分兩步進(jìn)行：(1) 電位差計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化利用標(biāo)準(zhǔn)電源高精確度的特點(diǎn)，使得工作回路中的電流I能準(zhǔn)確地達(dá)到某一標(biāo)定值，這一調(diào)整過程叫電位差計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，也叫電位差計(jì)的定標(biāo)。圖二 電位差計(jì)定標(biāo)原理圖根據(jù)定標(biāo)原則，按圖二連線，移動(dòng)滑動(dòng)觸頭M、N，將M、N之間的長度固定在上，調(diào)節(jié)工作電路中的電阻R，使補(bǔ)償回路中的定標(biāo)回路達(dá)到

6、平衡，即流過檢流計(jì)G的電流為零，此時(shí)：在工作過程中，ABCD中工作電流保持不變，因電阻是均勻電阻絲，令 那么有 很明顯是電阻絲上單位長度的電壓降，稱為工作電流標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)，單位是V/m。在實(shí)際操作中，只要確定，也就完成了定標(biāo)過程。由式可知，當(dāng)保持不變時(shí)（即ABCD中工作電流保持不變），可以用電阻絲MN兩點(diǎn)間的長度（力學(xué)量）來反映待測(cè)電動(dòng)勢(shì)（電學(xué)量）的大小。為此，必須確定的數(shù)值。為使讀數(shù)方便起見，取為1.0V/m等數(shù)值。由于，而且電阻絲阻值穩(wěn)定，所以只有調(diào)節(jié)ABCD中工作電流的大小，才能得到所需的值。（2）測(cè)量未知電動(dòng)勢(shì)測(cè)量待測(cè)電動(dòng)勢(shì)的過程與定標(biāo)的過程正好相反。當(dāng)上面定標(biāo)結(jié)束后，按圖三連線，調(diào)節(jié)M

7、、N之間長度，使M、N兩點(diǎn)間電位差等于待測(cè)電動(dòng)勢(shì)，達(dá)到補(bǔ)償，此時(shí)流過檢流計(jì)G的電流為零。即圖三 電位差計(jì)測(cè)量原理圖結(jié)合式得 這樣就測(cè)出了待測(cè)電壓。二、直流電位差計(jì)的分類1.按獲得可變標(biāo)準(zhǔn)電壓的方法不同，分為定阻變流式（圖四）和定流變阻式（圖五）。 （1）定阻變流式測(cè)量過程 閉合開關(guān)S，產(chǎn)生電流I0=I1+I2+In ，Us=I0R，調(diào)節(jié)R使檢流計(jì)P指零，所以測(cè)出Ux=Us=I0R。圖四 定阻變流式電位差計(jì)原理電路但是，電流表的準(zhǔn)確度限制了電位差計(jì)的準(zhǔn)確度。 （2）定流變阻式測(cè)量過程S撥在1，調(diào)節(jié)R0，使檢流計(jì)P指零，I0=En/Rn。S撥在2，調(diào)節(jié)R使P再次指零，所以測(cè)出Ux=I0R=R/Rn

8、×En。圖五 定流變阻式電位差計(jì)原理電路精度由標(biāo)準(zhǔn)電池、電阻精度確定，比較準(zhǔn)確。2.按被測(cè)電壓端口輸出電阻的高低，分為高阻電位差計(jì)（輸出電阻大于10K/V，用于測(cè)量大電阻的電壓及高內(nèi)阻電源的電動(dòng)勢(shì)，工作電流小，不需要大容量工作電源供電。）和低電阻電位差計(jì)（輸出電阻小于100/V，用于測(cè)量小電阻的電壓及低內(nèi)阻電源的電動(dòng)勢(shì)，工作電流大，應(yīng)由大容量電源供電）。3.按量程，分為高電壓電位差計(jì)（測(cè)量上限2V，輸出電阻高達(dá)2×204，工作電流I0=0.1mA）和低電壓電位差計(jì)（測(cè)量上限20mV，輸出電阻20，工作電流I0=1mA）。4.按使用條件，分為實(shí)驗(yàn)室型與便攜性。三、直流電位差計(jì)

9、的優(yōu)缺點(diǎn)直流電位差計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確度主要取決于下列因素：1.電阻絲每段長度的準(zhǔn)確性和粗細(xì)的均勻性；2.標(biāo)準(zhǔn)電源的準(zhǔn)確度；3.檢流計(jì)的靈敏度；4.工作電流的穩(wěn)定性。用電位差計(jì)測(cè)量電位差具有下述優(yōu)點(diǎn)：1.準(zhǔn)確度高，僅依賴于標(biāo)準(zhǔn)電阻、檢流計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電源，如果電阻絲很均勻準(zhǔn)確，標(biāo)準(zhǔn)電源的電動(dòng)勢(shì)準(zhǔn)確穩(wěn)定，檢流計(jì)很靈敏，那可作為標(biāo)準(zhǔn)儀器來校驗(yàn)電表。2.測(cè)量范圍寬廣，靈敏度高，可測(cè)量小電壓或電壓的微小變化。3.“內(nèi)阻”高，不影響待測(cè)電路。它避免了伏特計(jì)測(cè)量電位差時(shí)總要從被測(cè)電路上分流的缺點(diǎn)。由于采用電位補(bǔ)償原理，測(cè)量時(shí)不影響待測(cè)電路的原來狀態(tài)。用伏特表測(cè)量電壓時(shí)總要從被測(cè)電路上分出一部分電流，從而改變了待測(cè)電路的

10、原來狀態(tài)，伏特表內(nèi)阻越低，這種影響就越大。而用電位差計(jì)測(cè)量時(shí)，補(bǔ)償回路中電流為零（當(dāng)然不是絕對(duì)的，檢流計(jì)靈敏度越高，越接近于零），對(duì)待測(cè)電路的影響可以忽略不計(jì)。缺點(diǎn)：電位差計(jì)在測(cè)量過程中，其工作條件易發(fā)生變化（如輔助回路電源E不穩(wěn)定、可變電阻R變化等），所以測(cè)量時(shí)為保證工作電流標(biāo)準(zhǔn)化，每次測(cè)量都必須經(jīng)過定標(biāo)和測(cè)量兩個(gè)基本步驟，且每次達(dá)到補(bǔ)償都要進(jìn)行細(xì)致的調(diào)節(jié)，所以操作繁瑣、費(fèi)時(shí)。四、直流電位差計(jì)的應(yīng)用電位差計(jì)所具有的優(yōu)點(diǎn)，使得它在高精度測(cè)量電壓方面得到廣泛的應(yīng)用。1.測(cè)量各種電動(dòng)勢(shì)，特別是微小電動(dòng)勢(shì)。例如溫差電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)，各種電解液、電極組成的化學(xué)電池電動(dòng)勢(shì)，霍爾元件的霍爾電動(dòng)勢(shì)等。2.測(cè)

11、量電阻標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs與未知電阻Rx串聯(lián)，用電位差計(jì)分別測(cè)得Us與Ux，則 Rx=UxI=UxUs/Rs=RsUxUs圖六 電位差計(jì)測(cè)量電阻3.測(cè)量電流串入已知標(biāo)準(zhǔn)電阻做取樣電阻，測(cè)出兩端電壓，則 Ix=UxRn。圖七電位差計(jì)測(cè)量電流4.測(cè)量高電壓R1、R2構(gòu)成分壓電路，適應(yīng)電位差計(jì)量限。分壓電路電阻不能太小。實(shí)際測(cè)量時(shí)，有不同的準(zhǔn)確度、分壓比的直流分壓器供選擇。Ux=R1+R2R2U'x圖八 電位差計(jì)測(cè)量高電壓5測(cè)量功率功率測(cè)量時(shí)，需分別測(cè)量電壓、電流，功率為P=Ux×Ix。6校準(zhǔn)伏特計(jì)。另配一個(gè)大小合適輸出可調(diào)的待測(cè)電動(dòng)勢(shì)，將伏特計(jì)并接在待測(cè)電動(dòng)勢(shì)兩端，調(diào)節(jié)待測(cè)電動(dòng)勢(shì)輸出電壓

12、，同時(shí)記錄直流電位差計(jì)和伏特計(jì)的讀數(shù)Ex和V，則V=Ex-V，V-V曲線即為伏特計(jì)的校正曲線。7校準(zhǔn)安培計(jì)將待校準(zhǔn)的安培計(jì)與一標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)，當(dāng)安培計(jì)讀數(shù)為I時(shí)，用電位差計(jì)測(cè)出Rs上電壓Us，則流經(jīng)Rx上的電流為Is=Us/Rs.由于電位差計(jì)對(duì)電路無分流作用，所以Is為流過安培計(jì)的電流，=（Ix-Is）/Is即為安培計(jì)的測(cè)量誤差。實(shí)際測(cè)量時(shí)，一定要注意：標(biāo)準(zhǔn)電阻的額定電流應(yīng)大于被測(cè)電流；標(biāo)準(zhǔn)電阻上的壓降不能超過電位差計(jì)的測(cè)量上限。圖九電位差計(jì)校準(zhǔn)安培計(jì)五、使用直流電位差計(jì)的注意事項(xiàng)1.直流電位差計(jì)配套儀器的選擇直流電位差計(jì)的配套儀器有：工作電源、檢流計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電池等。（1）電源。要求工作電池有足夠

13、的容量，一般要大于工作電流的1千倍以上；或者具有高穩(wěn)定度的穩(wěn)壓電流。要保證因工作電流相對(duì)變化而引起的測(cè)量誤差不超過電位差計(jì)允許誤差的十分之一。（2）檢流計(jì)。它是電位差計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)回路和測(cè)量回路中的平衡指示儀。在測(cè)量過程中，占有很重要的地位。能否正確適用，會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果?？砂匆韵略瓌t合理適用： 選擇與測(cè)量準(zhǔn)確度相適應(yīng)的靈敏度。一般在線路靈敏度都能夠滿足的情況下，盡量不選用靈敏度太高的檢流計(jì)。 選擇在稍欠阻狀態(tài)下工作。在一般的測(cè)量裝置中，接入檢流計(jì)回路的電阻是隨被測(cè)量值的改變而變化的。因此，在必要的情況下需接上一個(gè)萬能分流器，適當(dāng)選擇其阻值，使檢流計(jì)始終工作在接近臨界阻尼狀態(tài)?？傊跐M足靈敏度要求的前提下，檢流計(jì)應(yīng)工作在稍欠阻尼的狀態(tài)下，盡量選用周期較短的檢流計(jì)。（3）標(biāo)準(zhǔn)電池。標(biāo)準(zhǔn)電池是電位差計(jì)標(biāo)準(zhǔn)工作電流的標(biāo)準(zhǔn)，要求內(nèi)阻小。其準(zhǔn)確度等級(jí)的允許誤差應(yīng)小于被檢器具誤差的1/5至1/10，年變化值應(yīng)滿足相應(yīng)等級(jí)的技術(shù)要求。2.除了要注意合理選擇電位差計(jì)的配套儀器之外，尚須注意以下幾點(diǎn).（1）電位差