电位差计的测量精度和灵敏度的讨论.doc

本科学生毕业论文（设计）题目 电位差计的测量精度和灵敏度的讨论 学院 物理与电子信息学院 专业 物理学 学生姓名 陈海涛 学号 0708006 指导教师 金伟 职称 讲师 论文字数 完成日期 年 月 日电位差计的测量精度和灵敏度的讨论陈海涛，物理与电子信息学院摘 要：文章介绍了作为精密测量用的电位差计的工作原理，尤其针对电位差计的误差产生原因进行了分析并提出了消除方法。关键词：电位差计；灵敏度；干扰；误差分析Erps millions of measuring precision and sensitivity of the discussionChen haitao, physics and electronic information instituteAbstract:this article introduces precision measurement with differences as millions of working principle, especially to the potentials of thousands of error reasons were analyzed and puts forward elimination method. Keywords:erps plans； Sensitivity；Interference；The error analysis1 引言 电位差计是精密测量中应用最广的仪器之一，可用于精确测量直流电动势，电压，电流和电阻等，还可用来校准精密电表和直流电桥等直读式仪表。采用的测量方法是比较测量法，其原理是使被测电位与已知点位相互补偿。但是这类仪表对外界干扰十分敏感，特别是近代的电子电位差计已向高精度、高灵敏度、快速的方向发展，因此对仪表的抗干扰能力要求也相应提高，因为外界干扰的引入，会使原来性能良好的仪表示值超差、指示不稳定、不灵敏区增大、指针运行迟缓等，严重时将导致仪表不能正常工作，给生产和科研带来损失。本文意在研究仪表干扰的来源及采取抗干扰措施，同时提高测量精度和灵敏度。2 直流电位差计的工作原理电位差计不仅准确度等级高，而且测量结果稳定可靠。它不从被测对象中取用电流，因此测量时不会使被测对象改变原来的数值。采用的测量方法是比较测量法，其原理是使被测电位与已知点位相互补偿。 电位差计的工作原理如图2-1所示：电位差计工作原理图 图2-1 由图2-1可以知道，电位差计的结构由三部分组成：1） 工作电流调节回路：由工作电源、调节工作电流的变阻器、补偿电阻、校准工作电流的组成。2）校正工作电流回路：由标准电池、单刀双掷开关、检流计、电阻是电阻的一部分或者全部组成。3）待测回路：由待测电源、单刀双掷开关、检流计、电阻是电阻的一部分或全部组成。 在工作电流调节回路中，设工作电流为，则在电阻和上产生电压降。把开关指向S，接通电路，则检流计中有电流通过，先选定电阻，再调节变阻器，使检流计指零，这时标准电池的电动势被电阻上的电压所补偿，于是有 (1)则 (2)保持不变再将开关指向测量电路，调节上的的大小使检流计上的指针再次指向零位，则在上的电压降与值相等。即 (3)由于(3)式中、都可以准确测定或已知，所以被测电动势可以准确测知。3 直流电位差计的误差的产生原因和消除方法 尽管电位差计在测量时几乎不损耗被测量对象的能量，测量结果有很高的精确度，但是在使用中也避免不了产生误差。随着测量精度的提高，对于直流电位差计及其配套设备的误差要求也越来越严格，因此必须正确分析其误差产生的原因及其消除方法，才能获得正确的测量结果，这一点对于精密测量尤为重要。3.1热电势产生的误差 在测量过程中热电势产生的误差最为常见。不同的金属接触在一起，如果接触端和不接触端的温度不同，就会产生热电势。电位差计中包含元件较多，如开关、电阻、端钮等，它们之间是用导线连接在一起的，使用时又要连检流计、电池等，使其金属接触点较多，回路中各处温度也不完全相同，因此各接触电位差在测量回路中的总和相当于回路中存在一个电动势，即热电动势，又称温差电动势，由单一导体的温差电势（汤姆逊电势）和两种导体的接触电势（珀尔贴电势）所组成。这也是电位差计差生热电势的主要原因。由于热电势的存在，使测量结果产生系统误差，当被测电动势较低时，热电势带来的系统误差较大，所以要分析热电势产生原因并消除热电势影响。 导致金属元件间温度不同的因素很多，如开关摩擦生热、外部热源使仪器内部温度不均、手的热传导等。 消除热电势的方法如下: 1)采用相互间热电势小的金属来做端钮，如镉铜和紫铜导线之间的热电势小，所系电位差计对检时用的连接导线是单股的铜线。 2）防止仪器元件产生不同温度，如可以把电位差计放在恒温室中工作、把开关浸在油中（油可以带走转换差生的摩擦热）、热屏蔽等。 3）消除热电势的影响也可以用“抵消法”。由于热电势的大小，只与电位差计的结构和温度差有关，而与工作电流无关，因而可以根据这一特点利用实验的方法来减少或消除热电势的误差。用“抵消法”对被测电动势进行两次适当的测量，使两次测量结果产生的系统误差大小相等、方向相反，取两次测量的平均值作为最终测量结果，从而达到消除系统误差的目的。 “抵消法”具体如下，设在测量回路中有一个保持不变的热电势，总和为，在第一次测量时，取的极性与被测电动势的极性相同，则电位差计平衡时，其补偿电压=+。第二次测量时，将工作电流和被测电动势同时反向，的极性保持不变，这时当电位差计平衡时，其补偿电压=-。取两次测量结果的平均值作为补偿电压。则=（+)/2=。这样就消除了电动势的影响。 4）也可以使用热电势补偿器串接在测量回路中，使其的电势的大小与的大小和方向相反，从而消除热电势的影响。 此外，在测量回路中要采用较小的工作电流，以减小元件的升温、尽量减少焊接点、电刷、电键等。3.2 由于工作电流不准确、不稳定导致的误差及其消除方法 由于工作电流调节回路中电源电压不稳定，这样工作电流可能经常在变化，如果工作电流变化的值超过其允许的值时，将导致很大的误差。在要求很准确的测量，以保证其变化的大小在允许范围内时，应选择足够大容量的电源。通常要求工作电流回路中电源的容量为电位差计工作电流的1000倍。如果使用的电源容量达不到1000倍的要求时，则可以使用多个电动势的值非常相近的单个电池进行并联使用。要使所使用的电源具有足够的稳定性，就要在检定的前几天就要连接好，而且每个端钮必须旋紧。 环境温度对电位差计的标准电池的影响很大，如果环境温度突然变化，标准电池就要产生滞后效应，这种现象老电池表现得尤为严重。同时还要求在使用中两电极温差很小，保证标准电池温度系数是一固定值，因此标准电池都应在充分的静止恒温后才可使用。标准电池在偏离环境温度20时其电动势值应通过下式进行重新确定，此外，为了保证工作电流非常接近于额定值，测量前也要使用下面公式： (4) 式中：为在温度下的电动势值，为在温度20下的电动势值，为环境温度。 计算，而后用温度补偿盘来补偿标准电池受温度变化而产生的数值影响。再将电位差计开关指向位置，与标准电池进行对比，调整工作电流，然后再进行测量。测量过程中，还要注意每间隔一段时间使用标准电池检查和矫正工作回路的电流，来减少工作电流不准确导致的误差。通过公式使用温度补偿盘补偿标准电池受温度变化而产生的影响，由于标准电池充放电的发生会导致极化，使电极电位偏离平衡值，因此应尽量避免充放电作用，尤其不要用电压表或万用表这类内阻小而取用电流大的设备来测量电池的电动势。3.3 由于检流计灵敏度不够导致的误差及消除方法 如果使用的检流计的灵敏度越高，则能发觉的回路被测量的变化就越小；如果所使用检流计的灵敏度不高，则能发觉的被测量的变化就会有一定的限度。当被测量的变化范围小于这个限度的时候，检流计就不能测出被测量，这就会出现因灵敏度不够高所导致的误差。因此，在选用检流计时，检流计的灵敏度要与电位差计的准确度一致。一个设计合理的电位差计，它的准确度应由相应的灵敏度（电位差计的灵敏度）来保证，即因灵敏度不够引起的测量误差可以忽略不计。灵敏度与允许误差的关系可由下式决定 (5) 式中为人能分辨的检流计的指示值，一般可取0.20.3格（mm），为允许误差的绝对值。0.30.1是根据微小误差分配原则取的系数。根据上式，即可求出允许误差所要求的灵敏度。 在实际工作中，当电位差计的灵敏度由上式确定后，就应合理分配线路部分和检流计部分的灵敏度。原则上应尽量使电位差计的线路灵敏度高些，检流计的灵敏度低些，以免因检流计过于灵敏使电位差计工作不稳定。对于电位差计，要根据测量要求，首先选择量限（测量范围）和准确度等级，对其灵敏度则在量限和准确度等级选定后，再选择合适的检流计，使总灵敏度满足测量准确度的要求。 最后，根据以上要求选定检流计后，还应实际检查一下，调整电位差计一个最小示值所引起的检流计偏转是否足够23格（mm）。 除应按灵敏度要求选择检流计外，还应考虑使检流计工作在微欠阻尼状态。但是外临界电阻大的检流计，其电流灵敏度（）较高，而电压灵敏度（）较低，反之则相反。因此，高阻电位差计因采用临界电阻大的检流计而电压灵敏度降低，故不适于测量低电位差，而用低阻电位差计测量低电位差比较合理。当然，低阻电位差计测量的低电位差的内阻也应该是低的。3.4 元件误差及消除方法 元件误差是指因元件问题而产生的仪器误差。根据(3)式，可得相对误差公式： (6)因是标准电池，故属量具误差。通常处理量具误差的办法是选用准确度等级足够高的量具，使该项误差成微小误差而可以忽略不计。“足够高”是指标准电池的电动势的相对变化不超过0.1a%。a为电位差计的准确度等级，0.1是由微小误差分配原则确定的。因此量具的准确度等级应比仪器的准确度等级高一个数量级，这样就能使该项误差忽略不计。这样电位差计的元件误差就为： (7) 若这两部分误差的大小和符号都相同，就可以互相抵消。因此在设计、制造电位差计时，和这两组电阻总是尽量选用时间稳定性和温度稳定性以及误差符号（正或负）都相同的电阻。在使用电位差计时，应合理选择量限而使全部读数盘都用到。这不仅能保证足够多的有效位数，而且可使上述两部分元件误差得到比较充分的抵消。 一般说，只要使用电阻来调节和的比例，这一项误差就总是存在。电阻元件的准确度、电阻的时间稳定性和温度稳定性限制了电位差计的准确度等级。3.5 标准电阻阻值细调不够带来的误差及其消除方法 如果工作电流回路调节电阻选用不恰当，调节不细，检流计就不能完全指零，即电位差计不能完全达到平衡，必然产生误差。根据微小误差分配原则，应使的调节细度小于0.1a%，即要求在整个工作电流调节范围内调节时，可任意使检流计指针的变化小于0.20.3格（mm）。4 结束语 通过以上文中分析讨论，可以知道直流电位差计随着检测精度的提高，对仪表本身的误差影响因素要求也越来越严格。直流电位差计作为一种精密测量仪器，研究其误差特性产生因素、条件，探讨消除误差