電位差計的使用

1、電位差計鄭鳳翼主編.電工儀表與測量.人民郵電出版社,1999年11月第1版.浙江工學(xué)院 中國計量學(xué)院 浙江絲綢工學(xué)院 杭州高等?？茖W(xué)校.工科物理實驗教程.浙江大學(xué)出版社,1991年08月第1版.趙文杰主編.工科物理實驗教程.中國鐵道出版社,2002年02月第1版.江影主編.新編物理實驗教程.科學(xué)出版社,2009年09月第1版.辛旭平，周芹主編.一級物理實驗.科學(xué)出版社,2008年06月第2版. 電位差計是電磁學(xué)測量中用來直接精密測量電動勢或電位差的主要儀器之一。補償法是電磁測量的一種基本方法。電位差計就是利用補償原理來精確測量電動勢或電位差的一種精密儀器，補償法的測量準(zhǔn)確度高。這種方法是將被測

2、電壓與儀器的標(biāo)準(zhǔn)電壓進行比較而實現(xiàn)電壓測量。電路在補償狀態(tài)時，被測電壓回路無電流，測量結(jié)果準(zhǔn)確度僅取決于電位差計的電源、標(biāo)準(zhǔn)電池、標(biāo)準(zhǔn)電阻和高靈敏度檢流計，故它的測量準(zhǔn)確度可達001或更高?？捎糜诰_測量電動勢、電壓、電流、電阻等電學(xué)量。其優(yōu)點是，在測量時幾乎不消耗被測對象的能量，不影響被測量原來的數(shù)值，測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，且具有很高的精度。電位差計又叫電位計，它有多種類型，其中十一線電位差計是一種教學(xué)儀器，它結(jié)構(gòu)簡單、直觀性強，便于學(xué)習(xí)和掌握；而箱式電位差計是測量電位差的專用儀器，它使用方便、測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好，在科學(xué)實驗和工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到。它用途很廣泛，不但可以用來精確測量電動勢、電壓，與

3、標(biāo)準(zhǔn)電阻配合還可以精確測量電流、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采確定產(chǎn)品的準(zhǔn)確度和定標(biāo)，而且在非電參量(如溫度、壓力、位移和速度等)的電測法中也占有極其重要的地位。因此在工業(yè)測量自動控制系統(tǒng)的電路中得到普遍的應(yīng)用?！緦嶒?zāi)康摹?.了解電位差計測量電位差或電動勢的原理和方法。2.學(xué)習(xí)并掌握UJ31型電位差計的使用方法。3.用箱式電位差計測電源電動勢及電壓。【實驗原理】 一直流電位差計的結(jié)構(gòu)電位差計線路是較為復(fù)雜的，類型也很多。盡管如此，一臺較完善的直流電位差計主要有三個回路組成：工作電流回路、標(biāo)準(zhǔn)回路和測量回路。這三個回路組成了電位差計的一個整體

4、，如圖344所示。在用標(biāo)淮電池校準(zhǔn)工作電流式電位差計中，工作電流回路由E、RPl、RP2、Rs等組成；標(biāo)準(zhǔn)回路由Es、Rs、G及開關(guān)S等組成；測量回路由Ex、Rx、G、開關(guān)S等組成。 在分析任何一個電位差計的原理、結(jié)構(gòu)及線路時，都必須緊緊記住上述三個組成部分中所包含的特有元件，千萬不能相互混淆。 電位差計主要結(jié)構(gòu)組件有測量盤、工作電流調(diào)節(jié)盤、溫度補償盤、測量選擇開關(guān)、極性變換開關(guān)、量限變換開關(guān)、電鍵按鈕、接線端鈕、面板、屏蔽層及外殼等。開關(guān)、按鈕、端鈕等是大家所熟悉的。所謂“盤”實質(zhì)上是可調(diào)電阻，不過它呈圓盤形?？烧{(diào)電阻分兩類，一類是滑線式的，是連續(xù)式可調(diào)電阻；另一類是步進式的，是階梯式可調(diào)電

5、阻。它們做得講究、精密，并且都有分度。如滑線式分度值為滑線全長的1100仍或11000或更小，步進式有十位、百位步進盤。工作電流回路： 工作電流回路又稱工作電流調(diào)節(jié)回路，也有叫校準(zhǔn)工作回路的。工作電路調(diào)節(jié)盤是電位差計的一個組成部分，它有滑線和步進兩種形式。另外，在工作電流回路中，總的電阻值應(yīng)該保證工作電流的調(diào)節(jié)范圍。在采用步進式時要保證調(diào)節(jié)的細度。標(biāo)準(zhǔn)回路： 標(biāo)準(zhǔn)回路又稱工作電流校準(zhǔn)回路。在回路中調(diào)定電阻Rs可以做到準(zhǔn)確穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)電池Es也可以很準(zhǔn)確，使用時按照標(biāo)準(zhǔn)電池溫度修正標(biāo)出室溫下的Es。二.補償原理圖補償原理補償原理就是利用一個電壓或電動勢去抵消另一個電壓或電動勢，其原理可用圖來說明。

6、兩個電源En和Ex正極對正極、負極對負極，其中En為可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電源電動勢，Ex為待測電源電動勢，中間串聯(lián)一個檢流計G接成閉合回路。如果要測電源Ex的電動勢，可通過調(diào)節(jié)電源En，使檢流計讀數(shù)為0，電路中沒有電流，此時表明En=Ex，Ex兩端的電位差和En兩端的電位差相互補償，這時電路處于補償狀態(tài)。若已知補償狀態(tài)下En的大小，就可確定Ex，這種利用補償原理測電位差的方法稱為補償法，該電路稱為補償電路。由上可知，為了測量Ex，關(guān)鍵在于如何獲得可調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)電源，并要求這電源便于調(diào)節(jié)、穩(wěn)定性好、能夠迅速讀出其準(zhǔn)確的數(shù)值。補償原理的特點是在測量時，儀器不從被測電路中分流，不影響被測電路的狀態(tài)。三電位差計工作

7、原理在直流電路中，電源電動勢在數(shù)值上等于電源開路時兩電極的端電壓。因此，在測量時要求沒有電流通過電源，測得電源的端電壓，即為電源的電動勢。但是，如果直接用伏特表去測量電源的端電壓，由于伏特表總要有電流通過，而電源具有內(nèi)阻，因而不能得到準(zhǔn)確的電動勢數(shù)值，所測得的電壓值總是小于實際的電壓值。為了準(zhǔn)確的測量電源的電動勢，必須使分流到測量支路上的電流等于零，直流電位差計就是為了滿足這個要求而設(shè)計的。1簡單電位差計原理 (1)最簡單電位差計 原理如圖341所示，Ex是被測量未知電勢，G為檢流計，RP為可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)電阻，PB1為毫安表，E為干電池或穩(wěn)壓電源。當(dāng)調(diào)節(jié)可變電阻RP的滑動觸點位置，使檢流計G指示到零

8、時，則電位差計達到平衡。此時，檢流計兩端沒有電位差，則被測電勢Ex和電壓UK相互補償，即 (341) 在式(341)中，I可從PB1中讀出，RK可從電阻標(biāo)度尺上讀出。由上面測量可見，電位差計平衡時，被測電勢無電流通過，因此沒有損耗能量。(2)定流變阻式電位差計根據(jù)式(341)，如果每次測量時，使電流I保持在某一固定的數(shù)值，并由PB1進行監(jiān)視，在可變的標(biāo)準(zhǔn)電阻RP1上就能直接標(biāo)度電壓UK值。如圖342所示。圖342與圖341不同的是增加了一個可調(diào)電阻RP2。測量時，首先調(diào)節(jié)電阻RP2，使工作電流I調(diào)到規(guī)定值，然后調(diào)節(jié)RP1使檢流計G指示到零，最后直接從可變電阻BP1上讀出UK值。 341最簡單電

9、位差計原理圖 342定流變阻式電位差計原理圖 最簡單電位差計原理圖 定流變阻式電位差計原理圖綜上所述，要保證測量電勢(或電壓)的準(zhǔn)確度，關(guān)鍵取決于標(biāo)推電阻RK和毫安表指示電流I的準(zhǔn)確度。實際中，標(biāo)準(zhǔn)電阻RK可以做得準(zhǔn)確、穩(wěn)定，而毫安表就難以辦到。2用標(biāo)準(zhǔn)電池校準(zhǔn)工作電流式電位差計原理電路如圖344所示，采用標(biāo)準(zhǔn)電池電壓Es校準(zhǔn)工作電流I。 當(dāng)開關(guān)“S”撥向“Es”位置，調(diào)節(jié)可變電阻RP1(稱為調(diào)定電阻)，可以使檢流計G指示零，此時電位差計達到平衡，說明IRs與Es數(shù)值相等，相互補償，即 或者寫成為 再將開關(guān)S倒向“Ex”位置，測量未知電勢Ex，此時，調(diào)節(jié)可變標(biāo)準(zhǔn)電阻RP2，也可以使檢流計G再次

10、指示零，電位差計又獲得平衡，說明IRK與Ex數(shù)值相等，相互補償，即344用標(biāo)準(zhǔn)電池校準(zhǔn)工作電流式電位差計的工作原理圖將式代入上式，可得 上式稱為電位差計的測量方程式。 由上式可知，用電位差計測量未知電勢Ex的過程，實質(zhì)上是將Ex與壓EN進行比較的過程。由于標(biāo)準(zhǔn)電池Es的電動勢準(zhǔn)確、穩(wěn)定，因此Ex的測量準(zhǔn)確度只取決于的比值。當(dāng)選用數(shù)值固定的標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs時，則可在標(biāo)準(zhǔn)電阻Rk上刻以的標(biāo)度，直接讀出被測電勢Ex的值。這種測量方法獲得的結(jié)果，精度是非常高的。3. UJ-31型電位差計原理圖電位差計定標(biāo)原理圖電位差計的測量原理可分別用圖和圖4.1.3來說明。圖4.1.2為電位差計定標(biāo)原理圖，其中ABCD

11、為輔助工作回路，由電源E、限流電阻R、粗細均勻電阻絲AB串聯(lián)成一閉合回路；MN為補償電路，由待測電源En和檢流計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的大小，M、N為電阻絲AB上的兩個活動觸點，可以在電阻絲上移動，以便從AB上取適當(dāng)?shù)碾娢徊顏砼c測量支路上的電位差補償，它相當(dāng)于補償電路圖4.1.1中的En，提供了一個可變電源。當(dāng)回路接通時，根據(jù)歐姆定律可知，電阻絲AB上任意兩點間的電壓與兩點間的距離成正比。因此，可以改變MN的間距，使檢流計G讀數(shù)為0，此時MN兩點間的電壓就等于待測電動勢Ex。要測量電動勢Ex，必須分定標(biāo)和測量兩步進行：（1）定標(biāo)

12、利用標(biāo)準(zhǔn)電源En高精確度的特點，使得工作回路中的電流I能準(zhǔn)確地達到某一標(biāo)定值I0，這一調(diào)整過程叫電位差計的定標(biāo)。本實驗采UJ-31型電位差計，電阻RAB是11m長粗細均勻電阻絲。根據(jù)定標(biāo)原則，按圖連線，移動滑動觸頭M、N，將M、N之間的長度固定在Lmn上，調(diào)節(jié)工作電路中的電阻R，使補償回路中的定標(biāo)回路達到平衡，即流過檢流計G的電流為零，此時： 在工作過程中，ABCD中工作電流保持不變，因電阻RAB是均勻電阻絲，令： （） 其中V0是電阻絲RAB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。為使讀數(shù)方便起見，取V0為0.1、0.2，1.0V/m等數(shù)值。對于V0，由于電阻絲阻值穩(wěn)定，所

13、以只有調(diào)節(jié)ABCD中工作電流的大小，才能得到所需的V0值，這一過程通常稱作“工作電流標(biāo)準(zhǔn)化”。在實際操作中，只要確定出V0，也就完成了定標(biāo)過程。（2）測量圖電位差計測量原理圖測量待測電動勢Ex的過程與工作電流標(biāo)準(zhǔn)化的過程正好相反。當(dāng)上面定標(biāo)結(jié)束后，按圖連線，調(diào)節(jié)M、N之間長度Lmn，使M、N兩點間電位差Vmn等于待測電動勢Ex，達到補償，此時流過檢流計G的電流為零。即： ()結(jié)合式（）得： （）4. UJ-31型箱式電位差計UJ-31型電位差計是一種實用電位差計，它用于測量小電壓值。其原理如圖所示。重要的參數(shù)有：測量范圍：1V171mV；準(zhǔn)確度等級：0.05；電源電壓：5.76.4V。電路可分

14、為兩大部分：下半部為工作回路，上半部為補償回路；其中左邊為校準(zhǔn)回路，右邊為測量回路。UJ-31型電位差計面板圖如圖所示。面板（見圖）上各旋鈕和接線柱功能如下：Rs是標(biāo)準(zhǔn)電池的溫度補償旋鈕。K1是電位差計量程擴展旋鈕，由K1和、三個不同倍率電阻轉(zhuǎn)盤直接讀出電壓值。工作狀態(tài)選擇旋鈕K2共有五個檔位?！皵唷蔽恢檬菍⒈谎a償電動勢與工作回路斷開；“標(biāo)準(zhǔn)”是校準(zhǔn)電位差計；“未知1”、“未知2”是測定未知電動勢。電流調(diào)節(jié)粗調(diào)Rp1、中調(diào)Rp2、細調(diào)Rp3，在校準(zhǔn)工作狀態(tài)下，用它校準(zhǔn)工作電流的大小，以保證刻度盤示值與測量實際值一致?！按帧薄ⅰ凹殹?、“短路”按鈕分別指不同的電流接通方式。按下“粗”時，檢流計與保

15、護電阻串聯(lián)后與電路接通；按下“細”時，檢流計與電路直接接通；按下“短路”時，可使檢流計兩端短路，起到阻尼開關(guān)作用。 圖 UJ-31型電位差計原理圖 UJ-31型電位差計面板圖（1）工作電流標(biāo)準(zhǔn)化將K合上，K2撥向Es，從粗到細調(diào)節(jié)工作回路的電阻RP（包括RP1、RP2、RP3），使G中無電流，此時校準(zhǔn)回路處于補償狀態(tài)，則式中，Es、RS都是準(zhǔn)確的或選定的，工作回路中電流I0就能被精確地校準(zhǔn)到所需要的值，這一步驟稱為工作電流標(biāo)準(zhǔn)化。（2）測Ex或UxI0校準(zhǔn)后，RP不能再改變，立即將K2撥向Ex或Ux，調(diào)節(jié)Rx（即轉(zhuǎn)動圖中的測量盤、 、），使檢流計G中無電流，此時測量回路處于補償狀態(tài)，則 則此時

16、流經(jīng)Rx的電流為標(biāo)準(zhǔn)電流，在Rx不同位置處輸出的電位差也確定了。于是就可以把Rx不同位置處電阻的數(shù)值轉(zhuǎn)換成電位差值直接標(biāo)在測量盤上，就直接可從測量盤所標(biāo)的刻度，讀出待測Ex或Ux值。（3）標(biāo)準(zhǔn)電池溫度補償校準(zhǔn)回路中的Es為儀器外接的標(biāo)準(zhǔn)電池，它的電動勢隨溫度有微小變化，而它標(biāo)出的數(shù)值是20時的電動勢，為修正溫度變化引入的誤差，在UJ31型電位差計面板上專門有一個溫度補償旋鈕Rs，對應(yīng)于電路中的是一個可變的標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs。使用時按照標(biāo)準(zhǔn)電池溫度修正標(biāo)出室溫下的Ets，將面板上旋鈕Rs轉(zhuǎn)至Ets值，然后調(diào)節(jié)Rp使G中無電流，這樣工作回路中的電流為測量讀數(shù)盤刻度時的標(biāo)準(zhǔn)電流。舉例說，若測量時溫度為20

17、，查得此時標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢為：1.0183V，則選取標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs為101.83。校準(zhǔn)后工作電路中電流的大小為I=0.010000A。因而在精密電阻箱R的一部分電阻Rx上電位差為（0.010000×Rx）V。（4）電位差計的量程一般箱式電位差計的量限為mV數(shù)量級。UJ-31型箱式電位差計量程分為17.1mV(最小分度1V，倍率開關(guān)K1旋至×1)和171.0mV(最小分度10V，倍率開關(guān)K1旋至×10)兩檔。（5）電位差計基本誤差表達式：=Ux（S%）+bU式中S電位差計準(zhǔn)確度等級；Ux測量盤示值；U測量盤最小步進值（或分度值）；b附加誤差系數(shù)，實驗型電位差計一般取b

18、=0.5。實際使用中，滑動接觸裝置往往是誤差的主要來源。因為：滑觸點的接觸電阻會引起誤差。滑觸點移動時會產(chǎn)生溫差電動勢。（6）使用方法1.將外按的標(biāo)難電池、檢流計、工作電源和被測電動勢(或電位差)，按其極性接入電位差計。 2測量前先調(diào)整撿流計指針正對零位，靈敏度檔選擇合適的量程。再根據(jù)室溫算出標(biāo)準(zhǔn)電池在該溫度下的標(biāo)準(zhǔn)電動勢，并依此將Rs調(diào)至相應(yīng)的位置。將K1接待測電勢的大小置于“×1或“×10”處，K2置于標(biāo)準(zhǔn)。3校準(zhǔn)工作電流：按下“粗”按鈕。先調(diào)RP1(粗)，再調(diào)RP2(中)，使G的指針無偏轉(zhuǎn)。再按下“細”按鈕，用Rp3來精確補償至G無偏轉(zhuǎn)，則電流得以校準(zhǔn)(在此過程中，可

19、利用短路按鈕使擺動的檢流計指針迅速靜止)。 4測量未知電動勢(或電位差)：保持Rp不變，將K2置旋鈕“未知1”或“未知2”，依次調(diào)節(jié)測量轉(zhuǎn)盤(即Rx)I、 、，使電位差計處于補償狀態(tài)。在調(diào)節(jié)中應(yīng)先估計一下未知電勢的大小，并把測量轉(zhuǎn)盤I置于估計數(shù)值上，然后先按下“粗”鈕大致補償后，再按下“細”鈕精確補償之。測量結(jié)果是三個讀數(shù)盤的讀數(shù)相加值與Kl的倍率乘積。 注意：調(diào)節(jié)滑線讀數(shù)盤3時不允許逆時針旋過0mV處，也不允許順時針旋過最大刻度處。【實驗儀器】箱式電位差計，檢流計，標(biāo)準(zhǔn)電池，干電池，直流穩(wěn)壓電源，變阻器，分壓箱，開關(guān)?！緦嶒瀮?nèi)容與步驟】UJ-31型箱式電位差計測電動勢時，按照以下步驟進行：（

20、1）電路連接：將外接標(biāo)準(zhǔn)電池、檢流計、工作電源與對應(yīng)的接線柱連接；（2）標(biāo)準(zhǔn)電池電池溫度修正：先按儀器顯示值或標(biāo)準(zhǔn)電池溫度修正值Ets，將面板上旋鈕Rs轉(zhuǎn)至Ets值；（3）工作電流標(biāo)準(zhǔn)化：將K2置于標(biāo)準(zhǔn)，按下“粗”按鈕，檢流計G的指針偏轉(zhuǎn)，調(diào)Rp1使檢流計G的指針無偏轉(zhuǎn)，放開“粗”按鈕再按下“細”按鈕，用Rp2、Rp3來精確補償至G的指針無偏轉(zhuǎn)，使得電流得以校準(zhǔn)。工作電流即被校準(zhǔn)到所需的標(biāo)準(zhǔn)電流。（4）測電動勢：在工作電流標(biāo)準(zhǔn)化后，將K2置于“未知1”或“未知2”，保持Rp不變，依次調(diào)節(jié)面板上轉(zhuǎn)盤、 、，使電位差計處于補償狀態(tài)；（5）讀數(shù)：實驗內(nèi)容1.根據(jù)補償法測電壓的原理和電位差計的介紹，了

21、解其結(jié)構(gòu)和使用方法，用UJ-31型電位差計測出一干電池的電動勢Ex值，將數(shù)據(jù)記入表中。使用UJ-31型電位差計測干電池的電動勢Ex值時，先接好外接標(biāo)準(zhǔn)電池、檢流計、工作電源和被測電動勢，檢流計機械調(diào)零；再根據(jù)實際Ex值，將Rs調(diào)節(jié)相應(yīng)位置，量程擴展旋鈕K1根據(jù)待測電動勢的大小置于“×1”或“×10”，工作狀態(tài)選擇旋鈕K2置于標(biāo)準(zhǔn)。按下“粗”按鈕，按照先“粗”后“細”的順序調(diào)Rp1、Rp2，使檢流計G的指針無偏轉(zhuǎn)，再按下“細”按鈕，用Rp3來精確補償至G的指針無偏轉(zhuǎn)，使得電流得以校準(zhǔn)。最后進行測量，將工作狀態(tài)選擇旋鈕置于“未知1”或“未知2”，保持Rp不變，依次調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤、 、

22、，使電位差計處于補償狀態(tài)，仍然是先“粗”后“細”。 （mV） （）倍率取“×1”或“×10”。測量完畢，務(wù)必將“粗”、“細”按鈕松開，并把工作狀態(tài)旋鈕轉(zhuǎn)到“斷”處。表干電池的電動勢測量數(shù)據(jù)測量次數(shù)123平均值E1E2電位差計量程 mV標(biāo)準(zhǔn)電池電壓 mV 電阻R0 2. 用UJ-31型電位差計測如下電路中滑線變阻器間距變化時產(chǎn)生的電壓，將數(shù)據(jù)記入表中。準(zhǔn)備工作：1打開穩(wěn)壓直流電源調(diào)節(jié)E1=6V，E2=1V后關(guān)閉電源。2將檢流計G的鎖扣指向白點，按下電計旋鈕，并校零。3調(diào)K1×10，K2為斷位。4調(diào)Rs使Es=20=1.01851.0186V。5按電路圖接線并檢查，確

23、認(rèn)無誤后通電。校準(zhǔn)： 調(diào)K2為標(biāo)準(zhǔn)，按下粗細旋鈕，調(diào)節(jié)Rp1，Rp2，Rp3使檢流計G=0，松開粗細旋鈕。測量： 調(diào)K2為未知2，調(diào)滑線變阻器間距L x=60mm，按下粗細旋鈕，調(diào)節(jié)讀數(shù)盤、使檢流計G=0，讀數(shù)為Ux= mV。依次測出其它數(shù)據(jù)填入表中。整理： 測量完畢，關(guān)閉電源并拆線；將K2調(diào)在斷位，粗細旋鈕釋放；打開檢流計電計旋鈕，將檢流計鎖扣指向紅點；將導(dǎo)線、設(shè)備擺放整齊。表線性電阻長度及電壓的關(guān)系長度/mm6080100120140160180200220電壓/mv3測量電流其電路如圖3413所示，RN為標(biāo)準(zhǔn)電阻。測得RN兩端電壓后，即可根據(jù)歐姆定律算出通過負載的電流I。選用標(biāo)準(zhǔn)電阻時要注意，額定電流應(yīng)大于被測電流，標(biāo)準(zhǔn)電阻上的壓降不應(yīng)超過電位差計的測量上限值。3413測量電流的電路4測量功率測量功率就是分別測得負載兩端的電壓和通過負載的電流，因此按照前面的方法將測得的I和U兩者相乘即是功率P。但在測量過程中應(yīng)注意，要保持電壓和電流穩(wěn)定，不能使其變化。5測量電