電位差計(jì)校準(zhǔn)電流表

1、電位差計(jì)校準(zhǔn)電流表電位差計(jì)校準(zhǔn)電流表專(zhuān)業(yè)： 摘要：電位差計(jì)不需要從待測(cè)電路中取出電流，不會(huì)干擾到待測(cè)電路的工作狀態(tài)，因而可以進(jìn)行精密測(cè)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(jì)，因而測(cè)量結(jié)果具有很高的精度。由于學(xué)生式電位差計(jì)準(zhǔn)確度等級(jí)為0.1級(jí)，而通常所用的電流表只有0.5級(jí)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)合理的電路和選定合適的器材，校準(zhǔn)一個(gè)20mA電流表。        關(guān)鍵字：電位差計(jì) 等級(jí) 電流表 校準(zhǔn)引言：通過(guò)用電位差計(jì)校準(zhǔn)電表和測(cè)電阻，加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的練習(xí)，培養(yǎng)獨(dú)立工作能力；并且學(xué)習(xí)到校準(zhǔn)電表和測(cè)電阻的一種方法；還

2、能更好地掌握電位差計(jì)的使用方法，加深對(duì)電位差計(jì)工作原理的理解。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、了解補(bǔ)償法測(cè)電動(dòng)勢(shì)的原理2、掌握電位差計(jì)測(cè)電動(dòng)勢(shì)的使用方法3、學(xué)習(xí)用電位差計(jì)校準(zhǔn)電表的方法原理簡(jiǎn)述：實(shí)驗(yàn)前，計(jì)算RX允許通過(guò)的Imax，為避免發(fā)熱，常取1/5Im為最大工作電流一、實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的原理1、 電位補(bǔ)償原理一定的電源具有一定的電動(dòng)勢(shì)，如果直接用伏特計(jì)接在電源的兩極，用電壓表不能準(zhǔn)地測(cè)電動(dòng)勢(shì)。電壓表可以測(cè)量電路各部分的電壓，但不能測(cè)量具有內(nèi)阻的電源的電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)殡妷罕聿⒙?lián)在電源的兩端時(shí)（圖1），根據(jù)閉合歐姆定律可知，電壓表的指示是此時(shí)電源的端電壓，而不是它的電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)檫@時(shí)電路中有電流通過(guò)，根據(jù)全電路歐姆定律有：

3、即圖1 補(bǔ)償法原理圖E電源電動(dòng)勢(shì)；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(dòng)勢(shì)。顯然只有在待測(cè)電路中沒(méi)有電流通過(guò)的條件下，測(cè)得的電源兩極之間的端電壓才是電源的電動(dòng)勢(shì)的準(zhǔn)確值。利用補(bǔ)償法可以滿(mǎn)足這種條件。其原理如圖1所示。圖中Ex是被測(cè)電動(dòng)勢(shì)，Es是可調(diào)節(jié)電動(dòng)勢(shì)大小的標(biāo)準(zhǔn)電源。兩個(gè)電源通過(guò)檢流計(jì)G對(duì)接在一起。調(diào)節(jié)電動(dòng)勢(shì)Es的大小，使回路中檢流計(jì)指針指示為零（即回路電流為零），則Ex與Es的電動(dòng)勢(shì)大小相等，則有Ex=Es。此時(shí)稱(chēng)電路達(dá)到平衡。知道了平衡狀態(tài)下Es的大小，就

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

5、代替Ex，根據(jù)補(bǔ)償原理就可以測(cè)出它的大小。我們知道，用電壓表測(cè)量電壓時(shí)，總要從被測(cè)電路上分出一部分電流，從而改變了被測(cè)電路的狀態(tài)，用補(bǔ)償法測(cè)電壓時(shí)，補(bǔ)償電路中沒(méi)有電流，所以不影響被測(cè)電路的狀態(tài)。這是補(bǔ)償測(cè)量法最大的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。2、電位差計(jì)的工作原理電位差計(jì)的原理線(xiàn)路如圖2所示。其中Es為標(biāo)準(zhǔn)電池，Ex為被測(cè)電源，E是工作電源，G是檢流計(jì)。由工作電源E，電阻R、R1及Rn串聯(lián)組成的電路稱(chēng)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(jì)可分兩個(gè)步驟。（1）校準(zhǔn)工作電流根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電池Es的電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)工作電流，將開(kāi)關(guān)K置于“1”位置，則Es，G，Rs形成補(bǔ)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(shí)，使Rs兩端的電壓與標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)Es相補(bǔ)償，檢流計(jì)G中無(wú)電池通過(guò)，此時(shí)有Es=IRs，即輔助回路（ERRsRnE）中的電流I達(dá)標(biāo)準(zhǔn)化，（2）測(cè)量未知電動(dòng)勢(shì)將開(kāi)關(guān)K合在“2”位置，此時(shí)待測(cè)電動(dòng)勢(shì)為Ex，檢流計(jì)G與R上的Rx段構(gòu)成待測(cè)補(bǔ)償電路（ExRxGKEx），當(dāng)調(diào)節(jié)電阻R上的C點(diǎn)位置再次使檢流計(jì)G指針指零，此時(shí)有 （1）這里的電流I就是前面經(jīng)過(guò)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(cè)電動(dòng)勢(shì)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(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)（電壓）值。也就是說(shuō)，調(diào)節(jié)Rx的值使檢流計(jì)指示為零時(shí)

7、，電位差計(jì)達(dá)到平衡。這時(shí)即為被測(cè)電動(dòng)勢(shì)（電壓）的測(cè)量值。在測(cè)量過(guò)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(cè)量前，必須用上述校準(zhǔn)電路標(biāo)準(zhǔn)工作流后，才能進(jìn)行測(cè)量。3、用電位差計(jì)測(cè)量電位差（或電動(dòng)勢(shì)）的優(yōu)點(diǎn)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(jì)靈敏度高，電源穩(wěn)定，故可以作為標(biāo)準(zhǔn)儀器來(lái)校準(zhǔn)電表。（3） 靈敏度高，可測(cè)小電壓。（3）內(nèi)阻高，不影響待測(cè)電路，因?yàn)橛梅赜?jì)測(cè)量電位差時(shí)，總要從被測(cè)電路上分出一部分電流，從而改變被測(cè)電路的工作狀態(tài)，伏特計(jì)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，故可測(cè)出電源電動(dòng)勢(shì)。（4）能測(cè)出一切直接電學(xué)量（可轉(zhuǎn)化為電

8、壓來(lái)測(cè)）二、電位差計(jì)按電壓補(bǔ)償原理構(gòu)成的測(cè)量電動(dòng)勢(shì)的儀器稱(chēng)為電位差計(jì)。由上述補(bǔ)償原理可知，采用補(bǔ)償法測(cè)量電動(dòng)勢(shì)對(duì)EO應(yīng)有兩點(diǎn)要求：（1）可調(diào)。能使EO和EX補(bǔ)償。（2）精確。能方便而準(zhǔn)確地讀出補(bǔ)償電壓EO大小，數(shù)值要穩(wěn)定。左圖是實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償法測(cè)電動(dòng)勢(shì)的原理線(xiàn)路，即電位差計(jì)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(xiàn)內(nèi)cd之間的電壓即為精確的可調(diào)補(bǔ)償電壓EO，EO和EX組成的回路cdGEX稱(chēng)為補(bǔ)償回路。三、電位差計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要想使回路的工作電流等于設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值IO，必須對(duì)電位差計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。方法如圖4所示。ES是已

9、知的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)它的大小，取cd間電阻為Rcd，使Rcd=ES/IO，將開(kāi)關(guān)K倒向ES，調(diào)節(jié)R使檢流計(jì)指針無(wú)偏轉(zhuǎn)，電路達(dá)到補(bǔ)償，這時(shí)IO滿(mǎn)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(cè)量時(shí)R不可再調(diào)，否則工作電流不再等于IO。圖4四、幾種常見(jiàn)電位差計(jì)各種系列的指針式直流儀表（主要是磁電式、電磁式和電動(dòng)式儀表），雖然工作可靠，使用方便，造價(jià)低廉，可以滿(mǎn)足許多實(shí)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(dá)到的測(cè)量準(zhǔn)確度在使用到滿(mǎn)量限時(shí)，最優(yōu)者只為+0.1%。更重要的是儀表工作時(shí)，要從被測(cè)電路中吸收小部分功率，從而不可避免地要破

10、壞被測(cè)電路的原始工作狀態(tài)，造成所謂的“方法誤差”。電位差計(jì)是電子測(cè)量中直接用來(lái)精密測(cè)量電動(dòng)勢(shì)或電位差的儀器。也可用來(lái)間接測(cè)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(jì)是根據(jù)補(bǔ)償原理將被測(cè)電動(dòng)勢(shì)與準(zhǔn)確已知的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)相比較而工作的。 5、學(xué)生式電位差計(jì)學(xué)生式電位差計(jì)內(nèi)部電路如圖5虛線(xiàn)內(nèi)所示，電阻RA、RB、RC相當(dāng)于圖4中的電阻Rab，可見(jiàn)BA+和R-兩個(gè)接頭相應(yīng)于圖4的ba兩點(diǎn)，E-E+兩個(gè)接頭則相應(yīng)于c、d兩點(diǎn)。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(xiàn)盤(pán)電阻，電阻值為2.2歐姆。RB電阻在測(cè)量時(shí)，會(huì)隨測(cè)量

11、檔的變化而變化，這勢(shì)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(shí)，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(shí)施量程變換，在產(chǎn)生測(cè)量補(bǔ)償電壓支路上并聯(lián)了一條分流支路。當(dāng)×1時(shí)，流過(guò)測(cè)量補(bǔ)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(shí)，流過(guò)補(bǔ)償電壓支路電流為0.5 mA，流過(guò)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(jì)時(shí)，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(jì)G、保護(hù)電阻Rb等組成補(bǔ)償回路。K1為電源開(kāi)關(guān)，K2可保持ES和EX相互迅速替換，K3作檢流計(jì)的開(kāi)關(guān)，Rb是可變電阻箱，用以保護(hù)檢流計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)電池。 圖6學(xué)生式電位差計(jì)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(xiàn)也成套供應(yīng)。實(shí)驗(yàn)儀器與器材：實(shí)驗(yàn)室提供的儀器有：學(xué)生式電位差計(jì)、檢流計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)電池、直流穩(wěn)壓電源、量程20mA的電流表、滑線(xiàn)變阻器、電阻箱（0.1級(jí)、1/4W）、標(biāo)準(zhǔn)電阻及開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線(xiàn)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(dòng)勢(shì)很穩(wěn)定，但隨溫

13、度略有變化，在室溫為20時(shí)，電動(dòng)勢(shì)為E20=1.0186V在其它溫度下其電動(dòng)勢(shì)可按下式（我國(guó)部頒標(biāo)準(zhǔn)）計(jì)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(diǎn)：（1）標(biāo)準(zhǔn)電池不能作電源使用，不允許通過(guò)的電流大于幾微安，嚴(yán)格禁止用伏特表直接測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電池端電壓，否則將使電動(dòng)勢(shì)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(dòng)，更不可倒置，否則會(huì)使電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞。實(shí)驗(yàn)步驟：1、按照電路圖連接電路2、電位差計(jì)的校準(zhǔn) 使用電位差計(jì)之前，先要進(jìn)行校準(zhǔn)，使電流達(dá)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(dòng)勢(shì)，取掉檢流計(jì)上短路線(xiàn)，用所附導(dǎo)線(xiàn)將K1、K2、K3、G、R、Rb和電位差計(jì)等各相應(yīng)端鈕間按原理線(xiàn)路圖進(jìn)行連接，經(jīng)反復(fù)檢查無(wú)誤后，接入工作電源E，標(biāo)準(zhǔn)電池ES和待測(cè)電動(dòng)勢(shì)EX，Rb先取電阻箱的最大值，（使用時(shí)如果檢流計(jì)不穩(wěn)定，可將其值調(diào)小，直到檢流計(jì)穩(wěn)定為止），合上K1、K3，將K2推向ES（間歇使用），并同時(shí)調(diào)節(jié)R，使檢流計(jì)無(wú)偏轉(zhuǎn)（指零），為了增加檢流計(jì)靈敏度，應(yīng)逐步減少Rb，如此反復(fù)開(kāi)、合K2 ，確認(rèn)檢流計(jì)中無(wú)電流流過(guò)時(shí)，則IO已達(dá)到規(guī)定值3、測(cè)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(jì)測(cè)量RS 兩端的電壓US,則流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻RS

15、的電流可計(jì)算出來(lái),此電流也是流過(guò)微安表的電流,將該電流作為流過(guò)電路的標(biāo)準(zhǔn)電流,即I =USRS,再與電流表指示值進(jìn)行比較,可對(duì)電流表進(jìn)行修正,實(shí)驗(yàn)原理如圖。電路中可變電阻Rp 用0- 99999. 9電阻箱,實(shí)驗(yàn)中,調(diào)節(jié)RP 的值,使流過(guò)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(guò)RS的電流小于或等于其額定電流.本實(shí)驗(yàn)取Rs=80實(shí)驗(yàn)原理圖4、校準(zhǔn)量程為20mA的電流表。在測(cè)量電路里，將電流表與一個(gè)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(jì)測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)電阻R0兩端的電壓U0，然后就可計(jì)算出電

16、流。設(shè)計(jì)的測(cè)量電路應(yīng)能滿(mǎn)足流過(guò)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(guò)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(shí)際電流I2（mA）修正值C（mA）增大過(guò)程（Us1）減小過(guò)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(jí)=2.0，則此電表屬于2.5級(jí)附：電表等級(jí)(最大示值誤差/量程)×100最大示值誤差是在所測(cè)量的數(shù)據(jù)中，電位差計(jì)與電表示數(shù)差值中最大的一個(gè)數(shù)值。我國(guó)國(guó)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(jí)。實(shí)驗(yàn)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(jì)，電阻箱等），

18、導(dǎo)線(xiàn)電阻引起的電流減小的誤差等2， 隨機(jī)誤差：電源的波動(dòng)，地磁場(chǎng)的影響，估讀數(shù)據(jù)的讀數(shù)誤差，做修正曲線(xiàn)時(shí)描點(diǎn)等的誤差等注意事項(xiàng)：1、 隨產(chǎn)品的七根連線(xiàn)為圖5 中的粗線(xiàn)部分，當(dāng)進(jìn)行“校準(zhǔn)”時(shí)取掉短路線(xiàn)，不使用本儀器時(shí)，檢流計(jì)一定要短路，否則檢流計(jì)處于開(kāi)路狀態(tài)。2、 使用電位差計(jì)必須先接通其他電路，然后再接補(bǔ)償回路，斷電時(shí)須先斷開(kāi)補(bǔ)償回路，再斷開(kāi)其他電路。3、 標(biāo)準(zhǔn)電池只能短時(shí)間通過(guò)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(dòng)勢(shì)衰落。所以，校準(zhǔn)中要注意選用“Rb”，使用K2要短促，以保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)電池，不能用伏特計(jì)測(cè)它的電動(dòng)勢(shì)，要防止標(biāo)準(zhǔn)電池震動(dòng)。 待測(cè)電池不能供給大電流，所以測(cè)其內(nèi)阻 時(shí)R值不能太小。應(yīng)先定好R=100再接入路。實(shí)驗(yàn)中只在測(cè)量E 時(shí)才合上開(kāi)關(guān)K4，測(cè)量完畢立即斷開(kāi)，以免干電池放電過(guò)多。圖7結(jié)束語(yǔ)1，電位差計(jì)是電子測(cè)量中直接用來(lái)精密測(cè)量電動(dòng)勢(shì)或電位差的儀器。也可用來(lái)間接測(cè)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(jì)是根據(jù)補(bǔ)償原理將被測(cè)電動(dòng)勢(shì)與準(zhǔn)確已知的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)相比較而工作的. 電位差計(jì)測(cè)量結(jié)果具有很高的精度。3，做實(shí)驗(yàn)前，要熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，了解實(shí)驗(yàn)器材工作原理，學(xué)會(huì)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(jì)與標(biāo)準(zhǔn)電阻