電位差計校準電流表

1、電位差計校準電流表電位差計校準電流表專業(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。由于結構中采用了高精密度的電阻元件，標準電池和靈敏的檢流計，因而測量結果 具有很高的精度。 由于學生式電位差計準確度等級為 0.1 級，而通常所用的電流表只有 0.5 級。本實驗通過設計一個合理的電路和選定合適的器材，校準一個20mA電流表。關鍵字： 電位差計 等級 電流表 校準引言：通過用電位差計校準電表和測電阻， 加強對設計性實驗的練習， 培養(yǎng)獨立工作能力； 并且學習到校準電表和測電阻的一種方法；還能更好地掌握電位差計的使用方法， 加深對電位差計工

2、作原理的理解。實驗目的：1、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、學習用電位差計校準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1/5lm為最大工作電流一、實驗中應用的原理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，根據全電路歐姆定律有：Ex 二V I rV = Ex - I rkA

3、圖1補償法原理圖E電源電動勢；r電源內阻；I 回路中電流；V 電壓表指示數；電壓表的指示數V ,表示電源的端電壓；Ir為電源內阻上的電壓降。由于電源內阻是未知的，因此由上式不能 根據V的值準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是可調節(jié)電動勢大小的標準電源。兩個電源通過檢流計G對接在一起。調節(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E

4、s的大小，就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 E°“ +”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ExmE0,E回路中必有電流，檢流計指針偏轉；如果電動勢Eo可調并已知，那么一"二一"|改變Eo的大小，使電路滿足 Ex=Eo，則回路中沒有電流， 檢流計指示 人為零，這時待測電動勢 Ex得到己知電動勢 Eo的完全補償。可以根據 已知電動勢值 Eo定出Ex，這種方法

5、叫補償法。如果要測任一電路中 土：*H 兩點之間的電壓，只需將待測電壓兩端點接入圖2上述補償回路代替 Ex,根據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為標準電池，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、R!及Rn串聯(lián)組成的電路稱為輔助電路( R Rs Rn E)。 調節(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)校準工

6、作電流根據標準電池Es的電動勢調節(jié)工作電流，將開關 K置于“1”位置，則Es, G , Rs形成補 償電路(Es K G Rs Es),調節(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 標準電池的電動勢 Es相補償，檢流計 G中無電池通過，此時有Es=|Rs,即輔助回路(E R Rs Rn E小的電流1達標準化，噸(2 )測量未知電動勢將開關K合在“ 2”位置，此時待測電動勢為 Ex,檢流計G與R上的Rx段構成待測補償 電路(Ex Rx G K Ex)，當調節(jié)電阻R上的C點位置再次使檢流計 G指針指零，此時有EsEx =IRx- Rx (1)Rs這里的電流I就是前面經過標準化的工作電

7、流，從上式可知，如果Es、Rs均為準確已知值，則被測電動勢 Ex的大小，在電流標準化的基礎上，在電阻為Rx的位置上可以直接標出與 IRx對應的電動勢(電壓)值。也就是說，調節(jié)Rx的值使檢流計指示為零時，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，必須用上述校準電路標準工作流后，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 )準確度高。因其電阻 Rs，Rx和校準電池都很準確，檢流計靈敏度高，電源穩(wěn)定，故 可以作為標準儀器來校準電表。(3) 靈敏度高，可測小電壓。(3)內阻高，不影響待測電路，因為用伏特計

8、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量(可轉化為電壓來測)、電位差計按電壓補償原理構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應有兩點要求：(1)可調。能 使Eo和Ex補償。(2)精確。能方便而準確地讀出補償電壓 Eo大小，數 值要穩(wěn)定。左圖是實現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 Red和Io數值精確

9、，則圖中虛線內 cd之間的電壓即 為精確的可調補償電壓 Eo， Eo和Ex組成的回路edGEx稱為補償回路。三、電位差計的標準圖4要想使回路的工作電流等于設計時規(guī)定的標準值I。，必須對電位差計進行校準。方法如圖4所示。ES是已知的標準電動勢，根據它的大小，取 ed間電阻為Red，使Red=Es/Io,將開關K倒向 Es，調節(jié)R使檢流計指針無偏轉，電路達到補償，這時Io滿足關系Io= Es/Red，由于已知的Es、Red都相當準確，所以Io就被精確 地校準到標準值，要注意測量時R不可再調，否則工作電流不再等于I。四、幾種常見電位差計電位差計實質上是一個電壓壓連續(xù)可調的裝置，它的電阻絲通以電流后，

10、其上任意長度的 兩點的電壓大小都是已知的。如果調節(jié)已知電壓與未知電動勢相平衡，就可測出未知電動 勢。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，但由于結構上、工藝上的許多原因，目 前所能達到的測量準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、電阻和校準各種精密電表，有著廣泛的用途。電位差計是根據補償原理將被測電動勢與

11、準確已知的標準電動勢相比較而工作的。1、線式電位差計線式電位差計電路圖如圖所示，穩(wěn)壓電源 E、變阻器R和均勻電阻絲 AB組成一個回路，C、D是可以在電阻線 AB上任意滑動的接觸點，5是標準電池，將開關 K倒向1,調節(jié)C D兩觸點的位置，使檢流計指針指零，則有 二一上！，設此時C D間的電阻為 ！，就得出CD間每 單位電阻上的電位差為 氏;再將開關K倒向2，接入待測電池 1，又調節(jié)觸點 C D的位置（此時切不可變動R）,設觸點在 、丄時，檢流計指針重新指在零線上 （此時 、 I間的電阻為，則待測電池的電動勢 2為：由于電阻絲 AB是均勻的，上式中兩段電阻絲電阻之比可用兩段電阻絲的長度比表示，因而

12、因此，只要測出 CD和二兩段電阻絲的長度，便可算出待測電池的電動勢的大小。4、由電阻箱組成電位差計電阻箱 二和標準電源（或被測電源如圖2所示，穩(wěn)壓電源、電鍵 匚1,電阻箱 二和 二：構成工作電流回路，而在補償回路中,一）相并聯(lián)。當開關 K接通1時，調節(jié) h和I ,使檢流計指零，則：二，而工"'1， 則有：':廠當K接通2時，調節(jié) h和匚且使兩電阻箱的阻值之和保持不變，則工作電流就不會發(fā)生變 化，設此時兩電阻箱電阻分別為-和匚，若某一時刻檢流計指零，則可得到待測電源電動勢為：圖2箱式電位差計原理圖5、學生式電位差計100學生式電位差計內部電路如圖5虛線內所示，電阻 Ra

13、、Rb、Rc相當于圖4中的電阻Rab,可見BA+和 R-兩個接頭相應于圖 4的ba兩點，E-E+兩個接頭則相應于 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 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 Q不變，確保圖4中a、b

14、間總電阻值不 變。為了實施量程變換，在產生測量補償電壓支路上并聯(lián)了一條分流支路。當X1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X 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。使用學生電位差計時，必須加接外電路，如圖5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，K2可保持Es和Ex相互 迅速替換，K3作檢流計的開關，Rb是可變電阻箱，用以保護檢流計和標準電池。學生式電位差計的外電路所需配套件，除了電源E、標準電池和R

15、b可變電阻箱要外配外,其它均已安裝在同一木箱內，各部分之間連接導線也成套供應。實驗儀器與器材：實驗室提供的儀器有 ：學生式電位差計、檢流計、標準電池、直流穩(wěn)壓電源、量程20mA勺電流表、滑線變阻器、電阻箱（0.1級、1/4W）、標準電阻及開關、導線等。標準電池標準電池是用汞鎘電醇液化學溶液配制而成，而極為汞和鎘汞齊，其電動勢很穩(wěn)定，但隨溫度略有變化，在室溫為20 C時，電動勢為 E20=1.0186V在其它溫度下其電動勢可按下式（我國部頒標準、計算：Et = E20 39.9（t 20）+0.929（t 20）2- 0.0090（t 20）3+0.00006（t 20）4 X10-6V使用標準

16、電池應注意下面兩點：1 、標準電池不能作電源使用， 不允許通過的電流大于幾微安，量標準電池端電壓，否則將使電動勢下降，失去標準值。2、由于標準電池是化學溶液配制而成，因此不能傾斜或震動，池內部結構受到破壞。實驗步驟：1、按照電路圖連接電路2、電位差計的校準使用電位差計之前，先要進行校準，使電流達到規(guī)定值。先放好刻度等于標準電池電動勢，取掉檢流計上短路線，用所附導線將嚴格禁止用伏特表直接測更不可倒置，否則會使電Ra、Rb和Rc,使其電壓Ki、心、K3、G、R、Rb和電位差計等各相應端鈕間按原理線路圖進行連接，經反復檢查無誤后，接入工作電源E,標準電池Es和待測電動勢Ex, Rb先取電阻箱的最大值

17、，（使用時如果檢流計不穩(wěn)定，可將其值調小， 直到檢流計穩(wěn)定為止），合上Ki、K3,將K2推向Es （間歇使用），并同時調節(jié) R,使檢流計無 偏轉（指零），為了增加檢流計靈敏度，應逐步減少Rb,如此反復開、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準電阻Rs串聯(lián),只要用電位差計測量Rs兩端的電壓 Us,則流過標準電阻 Rs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準電流，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. 9Q電阻箱，實驗中，調節(jié)RP的值，使流過電路中的

18、電流在 0-20m A范圍內。 研究中標準電阻 RS的阻值選擇尤其重要，其選擇依據是 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 艮=80Q實驗原理圖4、校準量程為20mA勺電流表。在測量電路里，將電流表與一個已知阻值的標準電阻Ro（Ro也可用電阻箱代替）串聯(lián)，用電位差計測得標準電阻 R0兩端的電壓U0，然后就可計算出電流。設計的測量電路應能滿足流過電流表的電流在020mA范圍內變化。應合理選擇電阻 R0的阻值，要求：電阻 R0上的電位差小于171m V,流過Ro的電流要 小于該電阻的額定電流。數據記錄及處理:毫安表示數11(mAUs(mV)實際

19、電流I2 (mA修正值C(mA增大過程(Us1)減小過程(Us2)平均(Us3)3227.1225.0226.12.8-0.25379.3374.9377.14.7-0.37543.2544.6543.96.8-0.29689.1687.6688.48.6-0.410776.5768.0772.29.7-0.311858.5885.5872.010.9-0.1131001.61080.01040.813.00.0151148.91188.01168.914.6-0.4181391.21456.81424.617.8-0.2201581.01581.01581.019.8-0.2<修正值m

20、A毫安表示數(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)X 100 最大示值誤差是在所測量的數據中，電位差計與電表示數差值中最大的一個數值。我國國家標準規(guī)定電表準確度為 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:，導線電阻引起的電流減小的誤差電表的不準確性（包括標準電阻，電位差計，電阻箱等）2，隨機誤差：電源的波動，地磁場的影響，估讀數據的讀數誤差，做修正曲線時描點等的誤差等注意事項:1、 隨產品的七根連線為圖 5中的粗線部分，當進行“校準”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、標準電池只能短時間通過 1 yA左右的電流，否則將影響標準電池的精度直到造成永久性電動