电位差计的误差分析.doc

电位差计的误差分析 电位差计是精密测量应用极广的仪器，可以用来精确测定电动势、电压、电流、电阻等电学量，还可以用于校准精密电表和直流电桥等直读式仪表，在非电量（如温度、压力、位移等）的电测法中也占有重要地位。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。电位差计可直接用来精密测量电池电动势及电位差。箱式电位差计的工作原理图都采用图1所示的线路，包括三个部分：（1）工作电流调节回路，主要由E、Rn、R1、R、K。等组成；（2）校正工作电流回路：主要由Es、RS、K1、K2等组成；（3）待测回路：主要由EX、RX、G、K1、K2组成。当电位差计达到平衡（实现补偿）时，有（1）电位差计虽是一种测量电池电动势及电位差等的精密仪器，但其本身也有一定的误差存在。1 元件误差元件误差是指因元件问题而产生的仪器误差。根据（1）式，可得相对误差公式：（2）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：（3）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，元件误差是电位差计各种误差因素中影响最大的一项，约占总误差的一半。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。2温差电动势产生的误差不同金属相接触（如焊接点、电键、电刷、接线端钮等）时，将产生接触电位差。当各接触点温度不同时，则产生温差电动势，简称热电势。对于精密电位差计，特别在被测量很小时，热电势的影响不容忽视。此外，因测量回路的热电势直接与被测电动势（或电位差）相串接，其影响最大。为了减小这项误差，在设计、制造电位差计时，应尽量选用彼此接触电位差小的金属元件和导线；在测量回路中应尽量减少焊接点、电键、电刷等；采用较小的工作电流，以减小元件的升温等。在使用时应注意，不要靠近冷源或热源（例如在直射阳光下进行测量）。当要求较高时，要采用恒温措施。此外，有一种比较简单的操作方法可以减小热电势带来的误差。根据热电势方向与回路电流无关的性质，而两个电路中电流的方向是对称的，可以用电流换向法（复测法）进行测量来消除热电势的影响，如图2所示。以代表测量回路中各处热电势的等效热电势，设其方向如图2所示。测量时先将开关K。合向“1”（只能合向“1”），调整工作电流。测量被测电动势时，再将开关K。、K3分别同时合向“1”和“2”。当电路达到平衡时，得（K。、K3均合向“1”）（K。、K3均合向“2”）和分别为两次电路平衡时测得的电动势，取两次测量的平均值（4）这样就消除了热电势的影响。当然这种方法只能消除恒定的热电势，变化的热电势消除不了。图23 工作电源电压不稳产生的误差用做电位差计的工作电源通常有两种。一种是电子稳压电源，其特点是长时间的电压稳定性较好，但瞬时稳定性不够。选用这类电源时应注意其电压稳定度与电位差计的准确度相适应。即当电网电压变化10%时，工作电流的变化应小于（0.20.3）a%。其中a为电位差计的准确度等级，0.2、0.3是由微小误差分配原则确定的。另一种是蓄电池或干电池，其特点是瞬时的电压稳定性较好，而长时间的稳定性不够。使用这类电源时应注意在电压稳定阶段使用，并缩短校准和测量的时间间隔，使电源端电压下降的影响可以忽略。4 检流计灵敏度不够产生的误差检流计的灵敏度越高，所能发觉的被测量的变化越小。如果检流计的灵敏度不够，所能发觉的被测量的变化将有一定的限度。当被测量的变化小于这个限度时，检流计就不能再测出，这就产生因灵敏度不够造成的误差。因此，选用检流计时其灵敏度应与电位差计的准确度相适应。换句话说，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（5）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（5）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。5 工作电流调节电阻细调不够产生的误差如果工作电流调节电阻选用不当，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）。此外，还有理论不够完善产生的误差；接触不良，接触电阻产生的误差；绝缘不良，绝缘电阻产生的误差等等。以上各种误差，有些是随被测量大小的变化而变化的，有些则是不随被测量大小的变化而变化。因此，电位差计的允许基本误差应包括两项，如下式（6）式中为电位差计准确度