電位差計校準(zhǔn)電流表

1、電位差計校準(zhǔn)電流表電位差計校準(zhǔn)電流表專業(yè)： 摘要：電位差計不需要從待測電路中取出電流，不會干擾到待測電路的工作狀態(tài)，因而可以進行精密測量。由于結(jié)構(gòu)中采用了高精密度的電阻元件，標(biāo)準(zhǔn)電池和靈敏的檢流計，因而測量結(jié)果具有很高的精度。由于學(xué)生式電位差計準(zhǔn)確度等級為0.1級，而通常所用的電流表只有0.5級。本實驗通過設(shè)計一個合理的電路和選定合適的器材，校準(zhǔn)一個20mA電流表。        關(guān)鍵字：電位差計 等級 電流表 校準(zhǔn)引言：通過用電位差計校準(zhǔn)電表和測電阻，加強對設(shè)計性實驗的練習(xí)，培養(yǎng)獨立工作能力；并且學(xué)習(xí)到校準(zhǔn)電表和測電阻的一種方法；還

2、能更好地掌握電位差計的使用方法，加深對電位差計工作原理的理解。實驗?zāi)康模?、了解補償法測電動勢的原理2、掌握電位差計測電動勢的使用方法3、學(xué)習(xí)用電位差計校準(zhǔn)電表的方法原理簡述：實驗前，計算RX允許通過的Imax，為避免發(fā)熱，常取1/5Im為最大工作電流一、實驗中應(yīng)用的原理1、 電位補償原理一定的電源具有一定的電動勢，如果直接用伏特計接在電源的兩極，用電壓表不能準(zhǔn)地測電動勢。電壓表可以測量電路各部分的電壓，但不能測量具有內(nèi)阻的電源的電動勢。因為電壓表并聯(lián)在電源的兩端時（圖1），根據(jù)閉合歐姆定律可知，電壓表的指示是此時電源的端電壓，而不是它的電動勢。因為這時電路中有電流通過，根據(jù)全電路歐姆定律有：

3、即圖1 補償法原理圖E電源電動勢；r電源內(nèi)阻；I回路中電流；V電壓表指示數(shù)；電壓表的指示數(shù)V ，表示電源的端電壓；Ir為電源內(nèi)阻上的電壓降。由于電源內(nèi)阻是未知的，因此由上式不能根據(jù)V的值準(zhǔn)確確定電源的電動勢。顯然只有在待測電路中沒有電流通過的條件下，測得的電源兩極之間的端電壓才是電源的電動勢的準(zhǔn)確值。利用補償法可以滿足這種條件。其原理如圖1所示。圖中Ex是被測電動勢，Es是可調(diào)節(jié)電動勢大小的標(biāo)準(zhǔn)電源。兩個電源通過檢流計G對接在一起。調(diào)節(jié)電動勢Es的大小，使回路中檢流計指針指示為零（即回路電流為零），則Ex與Es的電動勢大小相等，則有Ex=Es。此時稱電路達到平衡。知道了平衡狀態(tài)下Es的大小，就

4、可以確定被測電動勢Ex的值了，這種測定電源電動勢的方法叫補償法。利用補償法制成的測量電位差（或電動勢）的儀器就叫做電位差計。圖2是將被測電動勢的電源Ex與一已知電動勢的電源EO“+”端對“+”端，“-”端對“-”端地聯(lián)成一回路，在電路中串聯(lián)檢流計“G”，若兩電源電動勢不相等，即ExE0， 回路中必有電流，檢流計指針偏轉(zhuǎn)；如果電動勢EO可調(diào)并已知，那么改變EO的大小，使電路滿足EX=E0，則回路中沒有電流，檢流計指示為零，這時待測電動勢EX得到己知電動勢EO的完全補償?？梢愿鶕?jù)已知電動勢值EO定出EX，這種方法叫補償法。如果要測任一電路中兩點之間的電壓，只需將待測電壓兩端點接入圖2 上述補償回路

5、代替Ex，根據(jù)補償原理就可以測出它的大小。我們知道，用電壓表測量電壓時，總要從被測電路上分出一部分電流，從而改變了被測電路的狀態(tài)，用補償法測電壓時，補償電路中沒有電流，所以不影響被測電路的狀態(tài)。這是補償測量法最大的優(yōu)點和特點。2、電位差計的工作原理電位差計的原理線路如圖2所示。其中Es為標(biāo)準(zhǔn)電池，Ex為被測電源，E是工作電源，G是檢流計。由工作電源E，電阻R、R1及Rn串聯(lián)組成的電路稱為輔助電路（RRsRnE）。調(diào)節(jié)Rn可改變電路的工作電流。使用電位差計可分兩個步驟。（1）校準(zhǔn)工作電流根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電池Es的電動勢調(diào)節(jié)工作電流，將開關(guān)K置于“1”位置，則Es，G，Rs形成補償電路（EsKGRsEs）

6、，調(diào)節(jié)Rn使輔助電路的工作電流I為某值時，使Rs兩端的電壓與標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢Es相補償，檢流計G中無電池通過，此時有Es=IRs，即輔助回路（ERRsRnE）中的電流I達標(biāo)準(zhǔn)化，（2）測量未知電動勢將開關(guān)K合在“2”位置，此時待測電動勢為Ex，檢流計G與R上的Rx段構(gòu)成待測補償電路（ExRxGKEx），當(dāng)調(diào)節(jié)電阻R上的C點位置再次使檢流計G指針指零，此時有 （1）這里的電流I就是前面經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的工作電流，從上式可知，如果Es、Rs均為準(zhǔn)確已知值，則被測電動勢Ex的大小，在電流標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，在電阻為Rx的位置上可以直接標(biāo)出與IRx對應(yīng)的電動勢（電壓）值。也就是說，調(diào)節(jié)Rx的值使檢流計指示為零時

7、，電位差計達到平衡。這時即為被測電動勢（電壓）的測量值。在測量過程中，為了避免工作電源E不穩(wěn)定所造成的影響。在每次測量前，必須用上述校準(zhǔn)電路標(biāo)準(zhǔn)工作流后，才能進行測量。3、用電位差計測量電位差（或電動勢）的優(yōu)點是：（1）準(zhǔn)確度高。因其電阻Rs，Rx和校準(zhǔn)電池都很準(zhǔn)確，檢流計靈敏度高，電源穩(wěn)定，故可以作為標(biāo)準(zhǔn)儀器來校準(zhǔn)電表。（3） 靈敏度高，可測小電壓。（3）內(nèi)阻高，不影響待測電路，因為用伏特計測量電位差時，總要從被測電路上分出一部分電流，從而改變被測電路的工作狀態(tài)，伏特計內(nèi)阻越低，這種影響就越大。而用電位差計測量時，補償回路中電流為零，故可測出電源電動勢。（4）能測出一切直接電學(xué)量（可轉(zhuǎn)化為電

8、壓來測）二、電位差計按電壓補償原理構(gòu)成的測量電動勢的儀器稱為電位差計。由上述補償原理可知，采用補償法測量電動勢對EO應(yīng)有兩點要求：（1）可調(diào)。能使EO和EX補償。（2）精確。能方便而準(zhǔn)確地讀出補償電壓EO大小，數(shù)值要穩(wěn)定。左圖是實現(xiàn)補償法測電動勢的原理線路，即電位差計的 原理圖。采用精密電阻Rab組成分壓器，再用電壓穩(wěn)定的電源E和限流電阻R串聯(lián)后向它供電。只要 Rcd 和IO數(shù)值精確，則圖中虛線內(nèi)cd之間的電壓即為精確的可調(diào)補償電壓EO，EO和EX組成的回路cdGEX稱為補償回路。三、電位差計的標(biāo)準(zhǔn)要想使回路的工作電流等于設(shè)計時規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值IO，必須對電位差計進行校準(zhǔn)。方法如圖4所示。ES是已

9、知的標(biāo)準(zhǔn)電動勢，根據(jù)它的大小，取cd間電阻為Rcd，使Rcd=ES/IO，將開關(guān)K倒向ES，調(diào)節(jié)R使檢流計指針無偏轉(zhuǎn)，電路達到補償，這時IO滿足關(guān)系IO= ES/Rcd，由于已知的ES、Rcd都相當(dāng)準(zhǔn)確，所以IO就被精確地校準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)值，要注意測量時R不可再調(diào)，否則工作電流不再等于IO。圖4四、幾種常見電位差計各種系列的指針式直流儀表（主要是磁電式、電磁式和電動式儀表），雖然工作可靠，使用方便，造價低廉，可以滿足許多實際工作的需要，但由于結(jié)構(gòu)上、工藝上的許多原因，目前所能達到的測量準(zhǔn)確度在使用到滿量限時，最優(yōu)者只為+0.1%。更重要的是儀表工作時，要從被測電路中吸收小部分功率，從而不可避免地要破

10、壞被測電路的原始工作狀態(tài)，造成所謂的“方法誤差”。電位差計是電子測量中直接用來精密測量電動勢或電位差的儀器。也可用來間接測量電流、電阻和校準(zhǔn)各種精密電表，有著廣泛的用途。電位差計是根據(jù)補償原理將被測電動勢與準(zhǔn)確已知的標(biāo)準(zhǔn)電動勢相比較而工作的。 5、學(xué)生式電位差計學(xué)生式電位差計內(nèi)部電路如圖5虛線內(nèi)所示，電阻RA、RB、RC相當(dāng)于圖4中的電阻Rab，可見BA+和R-兩個接頭相應(yīng)于圖4的ba兩點，E-E+兩個接頭則相應(yīng)于c、d兩點。RA全電阻是320歐姆，分16檔，每檔20歐姆；RB全電阻是20歐姆，分10檔，每檔2歐姆電阻；RC為滑線盤電阻，電阻值為2.2歐姆。RB電阻在測量時，會隨測量

11、檔的變化而變化，這勢必引起如圖4中a、b間電阻變化，破壞了工作電流IO的不變的規(guī)定。為此，引入RB所謂的替代電阻。RB和RB同軸變化。當(dāng)RB每增加一檔電阻時，RB則減少一檔電阻，反之亦然。保證RB不論處于哪一檔，RB+ RB=20不變，確保圖4中a、b間總電阻值不變。為了實施量程變換，在產(chǎn)生測量補償電壓支路上并聯(lián)了一條分流支路。當(dāng)×1時，流過測量補償電壓支路的電流為5mA，分流支路電流為0.5 mA；當(dāng)×0.1時，流過補償電壓支路電流為0.5 mA，流過分流支路電流5mA。顯然，后者量程由于電流減少到十分之一，量程也變小十分之一。 使用學(xué)生電位差計時，必須加接外電路，如圖5

12、所示。而RA、RB、RC（由c到d）和外電路的檢流計G、保護電阻Rb等組成補償回路。K1為電源開關(guān)，K2可保持ES和EX相互迅速替換，K3作檢流計的開關(guān)，Rb是可變電阻箱，用以保護檢流計和標(biāo)準(zhǔn)電池。 圖6學(xué)生式電位差計的外電路所需配套件，除了電源E、標(biāo)準(zhǔn)電池和Rb可變電阻箱要外配外，其它均已安裝在同一木箱內(nèi)，各部分之間連接導(dǎo)線也成套供應(yīng)。實驗儀器與器材：實驗室提供的儀器有：學(xué)生式電位差計、檢流計、標(biāo)準(zhǔn)電池、直流穩(wěn)壓電源、量程20mA的電流表、滑線變阻器、電阻箱（0.1級、1/4W）、標(biāo)準(zhǔn)電阻及開關(guān)、導(dǎo)線等。標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)準(zhǔn)電池是用汞鎘電醇液化學(xué)溶液配制而成，而極為汞和鎘汞齊，其電動勢很穩(wěn)定，但隨溫

13、度略有變化，在室溫為20時，電動勢為E20=1.0186V在其它溫度下其電動勢可按下式（我國部頒標(biāo)準(zhǔn)）計算：Et = E2039.9(t20)+0.929(t20)20.0090(t20)3+0.00006(t20)4×10-6V使用標(biāo)準(zhǔn)電池應(yīng)注意下面兩點：（1）標(biāo)準(zhǔn)電池不能作電源使用，不允許通過的電流大于幾微安，嚴格禁止用伏特表直接測量標(biāo)準(zhǔn)電池端電壓，否則將使電動勢下降，失去標(biāo)準(zhǔn)值。（2）由于標(biāo)準(zhǔn)電池是化學(xué)溶液配制而成，因此不能傾斜或震動，更不可倒置，否則會使電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞。實驗步驟：1、按照電路圖連接電路2、電位差計的校準(zhǔn) 使用電位差計之前，先要進行校準(zhǔn)，使電流達到規(guī)定值。

14、先放好RA、RB和RC，使其電壓刻度等于標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢，取掉檢流計上短路線，用所附導(dǎo)線將K1、K2、K3、G、R、Rb和電位差計等各相應(yīng)端鈕間按原理線路圖進行連接，經(jīng)反復(fù)檢查無誤后，接入工作電源E，標(biāo)準(zhǔn)電池ES和待測電動勢EX，Rb先取電阻箱的最大值，（使用時如果檢流計不穩(wěn)定，可將其值調(diào)小，直到檢流計穩(wěn)定為止），合上K1、K3，將K2推向ES（間歇使用），并同時調(diào)節(jié)R，使檢流計無偏轉(zhuǎn)（指零），為了增加檢流計靈敏度，應(yīng)逐步減少Rb，如此反復(fù)開、合K2 ，確認檢流計中無電流流過時，則IO已達到規(guī)定值3、測量方式將微安表與標(biāo)準(zhǔn)電阻RS串聯(lián),只要用電位差計測量RS 兩端的電壓US,則流過標(biāo)準(zhǔn)電阻RS

15、的電流可計算出來,此電流也是流過微安表的電流,將該電流作為流過電路的標(biāo)準(zhǔn)電流,即I =USRS,再與電流表指示值進行比較,可對電流表進行修正,實驗原理如圖。電路中可變電阻Rp 用0- 99999. 9電阻箱,實驗中,調(diào)節(jié)RP 的值,使流過電路中的電流在0-20m范圍內(nèi)。研究中標(biāo)準(zhǔn)電阻RS 的阻值選擇尤其重要,其選擇依據(jù)是RS兩端的電壓US 小于或等于171mV,且流過RS的電流小于或等于其額定電流.本實驗取Rs=80實驗原理圖4、校準(zhǔn)量程為20mA的電流表。在測量電路里，將電流表與一個已知阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻R0(R0也可用電阻箱代替)串聯(lián)，用電位差計測得標(biāo)準(zhǔn)電阻R0兩端的電壓U0，然后就可計算出電

16、流。設(shè)計的測量電路應(yīng)能滿足流過電流表的電流在020mA范圍內(nèi)變化。應(yīng)合理選擇電阻R0的阻值，要求：電阻R0上的電位差小于171mV，流過R0的電流要小于該電阻的額定電流。數(shù)據(jù)記錄及處理： 毫安表示數(shù)I1（mA）Us(mV)實際電流I2（mA）修正值C（mA）增大過程（Us1）減小過程（Us2）平均（Us3）3227.1225.0226.12.8-0.25379.3374.9377.14.7-0.37543.2544.6543.96.8-0.29689.1687.6688.48.6-0.410776.5768.0772.29.7-0.311858.5885.5872.010.9-0.113100

17、1.61080.01040.813.00.0151148.91188.01168.914.6-0.4181391.21456.81424.617.8-0.2201581.01581.01581.019.8-0.2 毫安表示數(shù)（mA） 由圖可看出Cmax=0.4mA，故電表等級=2.0，則此電表屬于2.5級附：電表等級(最大示值誤差/量程)×100最大示值誤差是在所測量的數(shù)據(jù)中，電位差計與電表示數(shù)差值中最大的一個數(shù)值。我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電表準(zhǔn)確度為0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0等七級。實驗誤差分析1， 系統(tǒng)誤差：電表的不準(zhǔn)確性（包括標(biāo)準(zhǔn)電阻，電位差計，電阻箱等），

18、導(dǎo)線電阻引起的電流減小的誤差等2， 隨機誤差：電源的波動，地磁場的影響，估讀數(shù)據(jù)的讀數(shù)誤差，做修正曲線時描點等的誤差等注意事項：1、 隨產(chǎn)品的七根連線為圖5 中的粗線部分，當(dāng)進行“校準(zhǔn)”時取掉短路線，不使用本儀器時，檢流計一定要短路，否則檢流計處于開路狀態(tài)。2、 使用電位差計必須先接通其他電路，然后再接補償回路，斷電時須先斷開補償回路，再斷開其他電路。3、 標(biāo)準(zhǔn)電池只能短時間通過1A左右的電流，否則將影響標(biāo)準(zhǔn)電池的精度直到造成永久性電動勢衰落。所以，校準(zhǔn)中要注意選用“Rb”，使用K2要短促，以保護標(biāo)準(zhǔn)電池，不能用伏特計測它的電動勢，要防止標(biāo)準(zhǔn)電池震動。 待測電池不能供給大電流，所以測其內(nèi)阻 時R值不能太小。應(yīng)先定好R=100再接入路。實驗中只在測量E 時才合上開關(guān)K4，測量完畢立即斷開，以免干電池放電過多。圖7結(jié)束語1，電位差計是電子測量中直接用來精密測量電動勢或電位差的儀器。也可用來間接測量電流、電阻和校準(zhǔn)各種精密電表，有著廣泛的用途。2，電位差計是根據(jù)補償原理將被測電動勢與準(zhǔn)確已知的標(biāo)準(zhǔn)電動勢相比較而工作的. 電位差計測量結(jié)果具有很高的精度。3，做實驗前，要熟悉實驗內(nèi)容，了解實驗器材工作原理，學(xué)會安全使用器材。4，為了使被校準(zhǔn)電流表校準(zhǔn)后有較高的準(zhǔn)確度，電位差計與標(biāo)準(zhǔn)電阻