电位差计的使用

1、电位差计郑凤翼主编.电工仪表与测量.人民邮电出版社,1999年11月第1版.浙江工学院 中国计量学院 浙江丝绸工学院 杭州高等专科学校.工科物理实验教程.浙江大学出版社,1991年08月第1版.赵文杰主编.工科物理实验教程.中国铁道出版社,2002年02月第1版.江影主编.新编物理实验教程.科学出版社,2009年09月第1版.辛旭平，周芹主编.一级物理实验.科学出版社,2008年06月第2版. 电位差计是电磁学测量中用来直接精密测量电动势或电位差的主要仪器之一。补偿法是电磁测量的一种基本方法。电位差计就是利用补偿原理来精确测量电动势或电位差的一种精密仪器，补偿法的测量准确度高。这种方法是将被测

2、电压与仪器的标准电压进行比较而实现电压测量。电路在补偿状态时，被测电压回路无电流，测量结果准确度仅取决于电位差计的电源、标准电池、标准电阻和高灵敏度检流计，故它的测量准确度可达001或更高。可用于精确测量电动势、电压、电流、电阻等电学量。其优点是，在测量时几乎不消耗被测对象的能量，不影响被测量原来的数值，测量结果稳定可靠，且具有很高的精度。电位差计又叫电位计，它有多种类型，其中十一线电位差计是一种教学仪器，它结构简单、直观性强，便于学习和掌握；而箱式电位差计是测量电位差的专用仪器，它使用方便、测量准确、稳定性好，在科学实验和工业生产中经常用到。它用途很广泛，不但可以用来精确测量电动势、电压，与

3、标准电阻配合还可以精确测量电流、电阻和功率等，还可以用来校准精密电表和直流电桥等直读式仪表，有些电器仪表厂则用它采确定产品的准确度和定标，而且在非电参量(如温度、压力、位移和速度等)的电测法中也占有极其重要的地位。因此在工业测量自动控制系统的电路中得到普遍的应用。【实验目的】1.了解电位差计测量电位差或电动势的原理和方法。2.学习并掌握UJ31型电位差计的使用方法。3.用箱式电位差计测电源电动势及电压。【实验原理】 一直流电位差计的结构电位差计线路是较为复杂的，类型也很多。尽管如此，一台较完善的直流电位差计主要有三个回路组成：工作电流回路、标准回路和测量回路。这三个回路组成了电位差计的一个整体

4、，如图344所示。在用标淮电池校准工作电流式电位差计中，工作电流回路由E、RPl、RP2、Rs等组成；标准回路由Es、Rs、G及开关S等组成；测量回路由Ex、Rx、G、开关S等组成。 在分析任何一个电位差计的原理、结构及线路时，都必须紧紧记住上述三个组成部分中所包含的特有元件，千万不能相互混淆。 电位差计主要结构组件有测量盘、工作电流调节盘、温度补偿盘、测量选择开关、极性变换开关、量限变换开关、电键按钮、接线端钮、面板、屏蔽层及外壳等。开关、按钮、端钮等是大家所熟悉的。所谓“盘”实质上是可调电阻，不过它呈圆盘形。可调电阻分两类，一类是滑线式的，是连续式可调电阻；另一类是步进式的，是阶梯式可调电

5、阻。它们做得讲究、精密，并且都有分度。如滑线式分度值为滑线全长的1100仍或11000或更小，步进式有十位、百位步进盘。工作电流回路： 工作电流回路又称工作电流调节回路，也有叫校准工作回路的。工作电路调节盘是电位差计的一个组成部分，它有滑线和步进两种形式。另外，在工作电流回路中，总的电阻值应该保证工作电流的调节范围。在采用步进式时要保证调节的细度。标准回路： 标准回路又称工作电流校准回路。在回路中调定电阻Rs可以做到准确稳定，标准电池Es也可以很准确，使用时按照标准电池温度修正标出室温下的Es。二.补偿原理图补偿原理补偿原理就是利用一个电压或电动势去抵消另一个电压或电动势，其原理可用图来说明。

6、两个电源En和Ex正极对正极、负极对负极，其中En为可调标准电源电动势，Ex为待测电源电动势，中间串联一个检流计G接成闭合回路。如果要测电源Ex的电动势，可通过调节电源En，使检流计读数为0，电路中没有电流，此时表明En=Ex，Ex两端的电位差和En两端的电位差相互补偿，这时电路处于补偿状态。若已知补偿状态下En的大小，就可确定Ex，这种利用补偿原理测电位差的方法称为补偿法，该电路称为补偿电路。由上可知，为了测量Ex，关键在于如何获得可调节的标准电源，并要求这电源便于调节、稳定性好、能够迅速读出其准确的数值。补偿原理的特点是在测量时，仪器不从被测电路中分流，不影响被测电路的状态。三电位差计工作

7、原理在直流电路中，电源电动势在数值上等于电源开路时两电极的端电压。因此，在测量时要求没有电流通过电源，测得电源的端电压，即为电源的电动势。但是，如果直接用伏特表去测量电源的端电压，由于伏特表总要有电流通过，而电源具有内阻，因而不能得到准确的电动势数值，所测得的电压值总是小于实际的电压值。为了准确的测量电源的电动势，必须使分流到测量支路上的电流等于零，直流电位差计就是为了满足这个要求而设计的。1简单电位差计原理 (1)最简单电位差计 原理如图341所示，Ex是被测量未知电势，G为检流计，RP为可调标准电阻，PB1为毫安表，E为干电池或稳压电源。当调节可变电阻RP的滑动触点位置，使检流计G指示到零

8、时，则电位差计达到平衡。此时，检流计两端没有电位差，则被测电势Ex和电压UK相互补偿，即 (341) 在式(341)中，I可从PB1中读出，RK可从电阻标度尺上读出。由上面测量可见，电位差计平衡时，被测电势无电流通过，因此没有损耗能量。(2)定流变阻式电位差计根据式(341)，如果每次测量时，使电流I保持在某一固定的数值，并由PB1进行监视，在可变的标准电阻RP1上就能直接标度电压UK值。如图342所示。图342与图341不同的是增加了一个可调电阻RP2。测量时，首先调节电阻RP2，使工作电流I调到规定值，然后调节RP1使检流计G指示到零，最后直接从可变电阻BP1上读出UK值。 341最简单电

9、位差计原理图 342定流变阻式电位差计原理图 最简单电位差计原理图 定流变阻式电位差计原理图综上所述，要保证测量电势(或电压)的准确度，关键取决于标推电阻RK和毫安表指示电流I的准确度。实际中，标准电阻RK可以做得准确、稳定，而毫安表就难以办到。2用标准电池校准工作电流式电位差计原理电路如图344所示，采用标准电池电压Es校准工作电流I。 当开关“S”拨向“Es”位置，调节可变电阻RP1(称为调定电阻)，可以使检流计G指示零，此时电位差计达到平衡，说明IRs与Es数值相等，相互补偿，即 或者写成为 再将开关S倒向“Ex”位置，测量未知电势Ex，此时，调节可变标准电阻RP2，也可以使检流计G再次

10、指示零，电位差计又获得平衡，说明IRK与Ex数值相等，相互补偿，即344用标准电池校准工作电流式电位差计的工作原理图将式代入上式，可得 上式称为电位差计的测量方程式。 由上式可知，用电位差计测量未知电势Ex的过程，实质上是将Ex与压EN进行比较的过程。由于标准电池Es的电动势准确、稳定，因此Ex的测量准确度只取决于的比值。当选用数值固定的标准电阻Rs时，则可在标准电阻Rk上刻以的标度，直接读出被测电势Ex的值。这种测量方法获得的结果，精度是非常高的。3. UJ-31型电位差计原理图电位差计定标原理图电位差计的测量原理可分别用图和图4.1.3来说明。图4.1.2为电位差计定标原理图，其中ABCD

11、为辅助工作回路，由电源E、限流电阻R、粗细均匀电阻丝AB串联成一闭合回路；MN为补偿电路，由待测电源En和检流计G组成。电阻箱R用来调节回路工作电流I的大小，通过调节I可以调整每单位长度电阻丝上电位差的大小，M、N为电阻丝AB上的两个活动触点，可以在电阻丝上移动，以便从AB上取适当的电位差来与测量支路上的电位差补偿，它相当于补偿电路图4.1.1中的En，提供了一个可变电源。当回路接通时，根据欧姆定律可知，电阻丝AB上任意两点间的电压与两点间的距离成正比。因此，可以改变MN的间距，使检流计G读数为0，此时MN两点间的电压就等于待测电动势Ex。要测量电动势Ex，必须分定标和测量两步进行：（1）定标

12、利用标准电源En高精确度的特点，使得工作回路中的电流I能准确地达到某一标定值I0，这一调整过程叫电位差计的定标。本实验采UJ-31型电位差计，电阻RAB是11m长粗细均匀电阻丝。根据定标原则，按图连线，移动滑动触头M、N，将M、N之间的长度固定在Lmn上，调节工作电路中的电阻R，使补偿回路中的定标回路达到平衡，即流过检流计G的电流为零，此时： 在工作过程中，ABCD中工作电流保持不变，因电阻RAB是均匀电阻丝，令： （） 其中V0是电阻丝RAB上单位长度的电压降，称为工作电流标准化系数，单位是V/m。为使读数方便起见，取V0为0.1、0.2，1.0V/m等数值。对于V0，由于电阻丝阻值稳定，所

13、以只有调节ABCD中工作电流的大小，才能得到所需的V0值，这一过程通常称作“工作电流标准化”。在实际操作中，只要确定出V0，也就完成了定标过程。（2）测量图电位差计测量原理图测量待测电动势Ex的过程与工作电流标准化的过程正好相反。当上面定标结束后，按图连线，调节M、N之间长度Lmn，使M、N两点间电位差Vmn等于待测电动势Ex，达到补偿，此时流过检流计G的电流为零。即： ()结合式（）得： （）4. UJ-31型箱式电位差计UJ-31型电位差计是一种实用电位差计，它用于测量小电压值。其原理如图所示。重要的参数有：测量范围：1V171mV；准确度等级：0.05；电源电压：5.76.4V。电路可分

14、为两大部分：下半部为工作回路，上半部为补偿回路；其中左边为校准回路，右边为测量回路。UJ-31型电位差计面板图如图所示。面板（见图）上各旋钮和接线柱功能如下：Rs是标准电池的温度补偿旋钮。K1是电位差计量程扩展旋钮，由K1和、三个不同倍率电阻转盘直接读出电压值。工作状态选择旋钮K2共有五个档位。“断”位置是将被补偿电动势与工作回路断开；“标准”是校准电位差计；“未知1”、“未知2”是测定未知电动势。电流调节粗调Rp1、中调Rp2、细调Rp3，在校准工作状态下，用它校准工作电流的大小，以保证刻度盘示值与测量实际值一致。“粗”、“细”、“短路”按钮分别指不同的电流接通方式。按下“粗”时，检流计与保

15、护电阻串联后与电路接通；按下“细”时，检流计与电路直接接通；按下“短路”时，可使检流计两端短路，起到阻尼开关作用。 图 UJ-31型电位差计原理图 UJ-31型电位差计面板图（1）工作电流标准化将K合上，K2拨向Es，从粗到细调节工作回路的电阻RP（包括RP1、RP2、RP3），使G中无电流，此时校准回路处于补偿状态，则式中，Es、RS都是准确的或选定的，工作回路中电流I0就能被精确地校准到所需要的值，这一步骤称为工作电流标准化。（2）测Ex或UxI0校准后，RP不能再改变，立即将K2拨向Ex或Ux，调节Rx（即转动图中的测量盘、 、），使检流计G中无电流，此时测量回路处于补偿状态，则 则此时

16、流经Rx的电流为标准电流，在Rx不同位置处输出的电位差也确定了。于是就可以把Rx不同位置处电阻的数值转换成电位差值直接标在测量盘上，就直接可从测量盘所标的刻度，读出待测Ex或Ux值。（3）标准电池温度补偿校准回路中的Es为仪器外接的标准电池，它的电动势随温度有微小变化，而它标出的数值是20时的电动势，为修正温度变化引入的误差，在UJ31型电位差计面板上专门有一个温度补偿旋钮Rs，对应于电路中的是一个可变的标准电阻Rs。使用时按照标准电池温度修正标出室温下的Ets，将面板上旋钮Rs转至Ets值，然后调节Rp使G中无电流，这样工作回路中的电流为测量读数盘刻度时的标准电流。举例说，若测量时温度为20

17、，查得此时标准电池的电动势为：1.0183V，则选取标准电阻Rs为101.83。校准后工作电路中电流的大小为I=0.010000A。因而在精密电阻箱R的一部分电阻Rx上电位差为（0.010000×Rx）V。（4）电位差计的量程一般箱式电位差计的量限为mV数量级。UJ-31型箱式电位差计量程分为17.1mV(最小分度1V，倍率开关K1旋至×1)和171.0mV(最小分度10V，倍率开关K1旋至×10)两档。（5）电位差计基本误差表达式：=Ux（S%）+bU式中S电位差计准确度等级；Ux测量盘示值；U测量盘最小步进值（或分度值）；b附加误差系数，实验型电位差计一般取b

18、=0.5。实际使用中，滑动接触装置往往是误差的主要来源。因为：滑触点的接触电阻会引起误差。滑触点移动时会产生温差电动势。（6）使用方法1.将外按的标难电池、检流计、工作电源和被测电动势(或电位差)，按其极性接入电位差计。 2测量前先调整捡流计指针正对零位，灵敏度档选择合适的量程。再根据室温算出标准电池在该温度下的标准电动势，并依此将Rs调至相应的位置。将K1接待测电势的大小置于“×1或“×10”处，K2置于标准。3校准工作电流：按下“粗”按钮。先调RP1(粗)，再调RP2(中)，使G的指针无偏转。再按下“细”按钮，用Rp3来精确补偿至G无偏转，则电流得以校准(在此过程中，可

19、利用短路按钮使摆动的检流计指针迅速静止)。 4测量未知电动势(或电位差)：保持Rp不变，将K2置旋钮“未知1”或“未知2”，依次调节测量转盘(即Rx)I、 、，使电位差计处于补偿状态。在调节中应先估计一下未知电势的大小，并把测量转盘I置于估计数值上，然后先按下“粗”钮大致补偿后，再按下“细”钮精确补偿之。测量结果是三个读数盘的读数相加值与Kl的倍率乘积。 注意：调节滑线读数盘3时不允许逆时针旋过0mV处，也不允许顺时针旋过最大刻度处。【实验仪器】箱式电位差计，检流计，标准电池，干电池，直流稳压电源，变阻器，分压箱，开关。【实验内容与步骤】UJ-31型箱式电位差计测电动势时，按照以下步骤进行：（

20、1）电路连接：将外接标准电池、检流计、工作电源与对应的接线柱连接；（2）标准电池电池温度修正：先按仪器显示值或标准电池温度修正值Ets，将面板上旋钮Rs转至Ets值；（3）工作电流标准化：将K2置于标准，按下“粗”按钮，检流计G的指针偏转，调Rp1使检流计G的指针无偏转，放开“粗”按钮再按下“细”按钮，用Rp2、Rp3来精确补偿至G的指针无偏转，使得电流得以校准。工作电流即被校准到所需的标准电流。（4）测电动势：在工作电流标准化后，将K2置于“未知1”或“未知2”，保持Rp不变，依次调节面板上转盘、 、，使电位差计处于补偿状态；（5）读数：实验内容1.根据补偿法测电压的原理和电位差计的介绍，了

21、解其结构和使用方法，用UJ-31型电位差计测出一干电池的电动势Ex值，将数据记入表中。使用UJ-31型电位差计测干电池的电动势Ex值时，先接好外接标准电池、检流计、工作电源和被测电动势，检流计机械调零；再根据实际Ex值，将Rs调节相应位置，量程扩展旋钮K1根据待测电动势的大小置于“×1”或“×10”，工作状态选择旋钮K2置于标准。按下“粗”按钮，按照先“粗”后“细”的顺序调Rp1、Rp2，使检流计G的指针无偏转，再按下“细”按钮，用Rp3来精确补偿至G的指针无偏转，使得电流得以校准。最后进行测量，将工作状态选择旋钮置于“未知1”或“未知2”，保持Rp不变，依次调节转盘、 、

22、，使电位差计处于补偿状态，仍然是先“粗”后“细”。 （mV） （）倍率取“×1”或“×10”。测量完毕，务必将“粗”、“细”按钮松开，并把工作状态旋钮转到“断”处。表干电池的电动势测量数据测量次数123平均值E1E2电位差计量程 mV标准电池电压 mV 电阻R0 2. 用UJ-31型电位差计测如下电路中滑线变阻器间距变化时产生的电压，将数据记入表中。准备工作：1打开稳压直流电源调节E1=6V，E2=1V后关闭电源。2将检流计G的锁扣指向白点，按下电计旋钮，并校零。3调K1×10，K2为断位。4调Rs使Es=20=1.01851.0186V。5按电路图接线并检查，确

23、认无误后通电。校准： 调K2为标准，按下粗细旋钮，调节Rp1，Rp2，Rp3使检流计G=0，松开粗细旋钮。测量： 调K2为未知2，调滑线变阻器间距L x=60mm，按下粗细旋钮，调节读数盘、使检流计G=0，读数为Ux= mV。依次测出其它数据填入表中。整理： 测量完毕，关闭电源并拆线；将K2调在断位，粗细旋钮释放；打开检流计电计旋钮，将检流计锁扣指向红点；将导线、设备摆放整齐。表线性电阻长度及电压的关系长度/mm6080100120140160180200220电压/mv3测量电流其电路如图3413所示，RN为标准电阻。测得RN两端电压后，即可根据欧姆定律算出通过负载的电流I。选用标准电阻时要注意，额定电流应大于被测电流，标准电阻上的压降不应超过电位差计的测量上限值。3413测量电流的电路4测量功率测量功率就是分别测得负载两端的电压和通过负载的电流，因此按照前面的方法将测得的I和U两者相乘即是功率P。但在测量过程中应注意，要保持电压和电流稳定，不能使其变化。5测量电