电位差计校准电流表

1、电位差计校准电流表电位差计校准电流表专业： 摘要：电位差计不需要从待测电路中取出电流，不会干扰到待测电路的工作状态，因而可以进行精密测量。由于结构中采用了高精密度的电阻元件，标准电池和灵敏的检流计，因而测量结果具有很高的精度。由于学生式电位差计准确度等级为0.1级，而通常所用的电流表只有0.5级。本实验通过设计一个合理的电路和选定合适的器材，校准一个20mA电流表。        关键字：电位差计 等级 电流表 校准引言：通过用电位差计校准电表和测电阻，加强对设计性实验的练习，培养独立工作能力；并且学习到校准电表和测电阻的一种方法；还

2、能更好地掌握电位差计的使用方法，加深对电位差计工作原理的理解。实验目的：1、了解补偿法测电动势的原理2、掌握电位差计测电动势的使用方法3、学习用电位差计校准电表的方法原理简述：实验前，计算RX允许通过的Imax，为避免发热，常取1/5Im为最大工作电流一、实验中应用的原理1、 电位补偿原理一定的电源具有一定的电动势，如果直接用伏特计接在电源的两极，用电压表不能准地测电动势。电压表可以测量电路各部分的电压，但不能测量具有内阻的电源的电动势。因为电压表并联在电源的两端时（图1），根据闭合欧姆定律可知，电压表的指示是此时电源的端电压，而不是它的电动势。因为这时电路中有电流通过，根据全电路欧姆定律有：

3、即图1 补偿法原理图E电源电动势；r电源内阻；I回路中电流；V电压表指示数；电压表的指示数V ，表示电源的端电压；Ir为电源内阻上的电压降。由于电源内阻是未知的，因此由上式不能根据V的值准确确定电源的电动势。显然只有在待测电路中没有电流通过的条件下，测得的电源两极之间的端电压才是电源的电动势的准确值。利用补偿法可以满足这种条件。其原理如图1所示。图中Ex是被测电动势，Es是可调节电动势大小的标准电源。两个电源通过检流计G对接在一起。调节电动势Es的大小，使回路中检流计指针指示为零（即回路电流为零），则Ex与Es的电动势大小相等，则有Ex=Es。此时称电路达到平衡。知道了平衡状态下Es的大小，就

4、可以确定被测电动势Ex的值了，这种测定电源电动势的方法叫补偿法。利用补偿法制成的测量电位差（或电动势）的仪器就叫做电位差计。图2是将被测电动势的电源Ex与一已知电动势的电源EO“+”端对“+”端，“-”端对“-”端地联成一回路，在电路中串联检流计“G”，若两电源电动势不相等，即ExE0， 回路中必有电流，检流计指针偏转；如果电动势EO可调并已知，那么改变EO的大小，使电路满足EX=E0，则回路中没有电流，检流计指示为零，这时待测电动势EX得到己知电动势EO的完全补偿。可以根据已知电动势值EO定出EX，这种方法叫补偿法。如果要测任一电路中两点之间的电压，只需将待测电压两端点接入图2 上述补偿回路

5、代替Ex，根据补偿原理就可以测出它的大小。我们知道，用电压表测量电压时，总要从被测电路上分出一部分电流，从而改变了被测电路的状态，用补偿法测电压时，补偿电路中没有电流，所以不影响被测电路的状态。这是补偿测量法最大的优点和特点。2、电位差计的工作原理电位差计的原理线路如图2所示。其中Es为标准电池，Ex为被测电源，E是工作电源，G是检流计。由工作电源E，电阻R、R1及Rn串联组成的电路称为辅助电路（RRsRnE）。调节Rn可改变电路的工作电流。使用电位差计可分两个步骤。（1）校准工作电流根据标准电池Es的电动势调节工作电流，将开关K置于“1”位置，则Es，G，Rs形成补偿电路（EsKGRsEs）

6、，调节Rn使辅助电路的工作电流I为某值时，使Rs两端的电压与标准电池的电动势Es相补偿，检流计G中无电池通过，此时有Es=IRs，即辅助回路（ERRsRnE）中的电流I达标准化，（2）测量未知电动势将开关K合在“2”位置，此时待测电动势为Ex，检流计G与R上的Rx段构成待测补偿电路（ExRxGKEx），当调节电阻R上的C点位置再次使检流计G指针指零，此时有 （1）这里的电流I就是前面经过标准化的工作电流，从上式可知，如果Es、Rs均为准确已知值，则被测电动势Ex的大小，在电流标准化的基础上，在电阻为Rx的位置上可以直接标出与IRx对应的电动势（电压）值。也就是说，调节Rx的值使检流计指示为零时

7、，电位差计达到平衡。这时即为被测电动势（电压）的测量值。在测量过程中，为了避免工作电源E不稳定所造成的影响。在每次测量前，必须用上述校准电路标准工作流后，才能进行测量。3、用电位差计测量电位差（或电动势）的优点是：（1）准确度高。因其电阻Rs，Rx和校准电池都很准确，检流计灵敏度高，电源稳定，故可以作为标准仪器来校准电表。（3） 灵敏度高，可测小电压。（3）内阻高，不影响待测电路，因为用伏特计测量电位差时，总要从被测电路上分出一部分电流，从而改变被测电路的工作状态，伏特计内阻越低，这种影响就越大。而用电位差计测量时，补偿回路中电流为零，故可测出电源电动势。（4）能测出一切直接电学量（可转化为电

8、压来测）二、电位差计按电压补偿原理构成的测量电动势的仪器称为电位差计。由上述补偿原理可知，采用补偿法测量电动势对EO应有两点要求：（1）可调。能使EO和EX补偿。（2）精确。能方便而准确地读出补偿电压EO大小，数值要稳定。左图是实现补偿法测电动势的原理线路，即电位差计的 原理图。采用精密电阻Rab组成分压器，再用电压稳定的电源E和限流电阻R串联后向它供电。只要 Rcd 和IO数值精确，则图中虚线内cd之间的电压即为精确的可调补偿电压EO，EO和EX组成的回路cdGEX称为补偿回路。三、电位差计的标准要想使回路的工作电流等于设计时规定的标准值IO，必须对电位差计进行校准。方法如图4所示。ES是已

9、知的标准电动势，根据它的大小，取cd间电阻为Rcd，使Rcd=ES/IO，将开关K倒向ES，调节R使检流计指针无偏转，电路达到补偿，这时IO满足关系IO= ES/Rcd，由于已知的ES、Rcd都相当准确，所以IO就被精确地校准到标准值，要注意测量时R不可再调，否则工作电流不再等于IO。图4四、几种常见电位差计各种系列的指针式直流仪表（主要是磁电式、电磁式和电动式仪表），虽然工作可靠，使用方便，造价低廉，可以满足许多实际工作的需要，但由于结构上、工艺上的许多原因，目前所能达到的测量准确度在使用到满量限时，最优者只为+0.1%。更重要的是仪表工作时，要从被测电路中吸收小部分功率，从而不可避免地要破

10、坏被测电路的原始工作状态，造成所谓的“方法误差”。电位差计是电子测量中直接用来精密测量电动势或电位差的仪器。也可用来间接测量电流、电阻和校准各种精密电表，有着广泛的用途。电位差计是根据补偿原理将被测电动势与准确已知的标准电动势相比较而工作的。 5、学生式电位差计学生式电位差计内部电路如图5虚线内所示，电阻RA、RB、RC相当于图4中的电阻Rab，可见BA+和R-两个接头相应于图4的ba两点，E-E+两个接头则相应于c、d两点。RA全电阻是320欧姆，分16档，每档20欧姆；RB全电阻是20欧姆，分10档，每档2欧姆电阻；RC为滑线盘电阻，电阻值为2.2欧姆。RB电阻在测量时，会随测量

11、档的变化而变化，这势必引起如图4中a、b间电阻变化，破坏了工作电流IO的不变的规定。为此，引入RB所谓的替代电阻。RB和RB同轴变化。当RB每增加一档电阻时，RB则减少一档电阻，反之亦然。保证RB不论处于哪一档，RB+ RB=20不变，确保图4中a、b间总电阻值不变。为了实施量程变换，在产生测量补偿电压支路上并联了一条分流支路。当×1时，流过测量补偿电压支路的电流为5mA，分流支路电流为0.5 mA；当×0.1时，流过补偿电压支路电流为0.5 mA，流过分流支路电流5mA。显然，后者量程由于电流减少到十分之一，量程也变小十分之一。 使用学生电位差计时，必须加接外电路，如图5

12、所示。而RA、RB、RC（由c到d）和外电路的检流计G、保护电阻Rb等组成补偿回路。K1为电源开关，K2可保持ES和EX相互迅速替换，K3作检流计的开关，Rb是可变电阻箱，用以保护检流计和标准电池。 图6学生式电位差计的外电路所需配套件，除了电源E、标准电池和Rb可变电阻箱要外配外，其它均已安装在同一木箱内，各部分之间连接导线也成套供应。实验仪器与器材：实验室提供的仪器有：学生式电位差计、检流计、标准电池、直流稳压电源、量程20mA的电流表、滑线变阻器、电阻箱（0.1级、1/4W）、标准电阻及开关、导线等。标准电池标准电池是用汞镉电醇液化学溶液配制而成，而极为汞和镉汞齐，其电动势很稳定，但随温

13、度略有变化，在室温为20时，电动势为E20=1.0186V在其它温度下其电动势可按下式（我国部颁标准）计算：Et = E2039.9(t20)+0.929(t20)20.0090(t20)3+0.00006(t20)4×10-6V使用标准电池应注意下面两点：（1）标准电池不能作电源使用，不允许通过的电流大于几微安，严格禁止用伏特表直接测量标准电池端电压，否则将使电动势下降，失去标准值。（2）由于标准电池是化学溶液配制而成，因此不能倾斜或震动，更不可倒置，否则会使电池内部结构受到破坏。实验步骤：1、按照电路图连接电路2、电位差计的校准 使用电位差计之前，先要进行校准，使电流达到规定值。

14、先放好RA、RB和RC，使其电压刻度等于标准电池电动势，取掉检流计上短路线，用所附导线将K1、K2、K3、G、R、Rb和电位差计等各相应端钮间按原理线路图进行连接，经反复检查无误后，接入工作电源E，标准电池ES和待测电动势EX，Rb先取电阻箱的最大值，（使用时如果检流计不稳定，可将其值调小，直到检流计稳定为止），合上K1、K3，将K2推向ES（间歇使用），并同时调节R，使检流计无偏转（指零），为了增加检流计灵敏度，应逐步减少Rb，如此反复开、合K2 ，确认检流计中无电流流过时，则IO已达到规定值3、测量方式将微安表与标准电阻RS串联,只要用电位差计测量RS 两端的电压US,则流过标准电阻RS

15、的电流可计算出来,此电流也是流过微安表的电流,将该电流作为流过电路的标准电流,即I =USRS,再与电流表指示值进行比较,可对电流表进行修正,实验原理如图。电路中可变电阻Rp 用0- 99999. 9电阻箱,实验中,调节RP 的值,使流过电路中的电流在0-20m范围内。研究中标准电阻RS 的阻值选择尤其重要,其选择依据是RS两端的电压US 小于或等于171mV,且流过RS的电流小于或等于其额定电流.本实验取Rs=80实验原理图4、校准量程为20mA的电流表。在测量电路里，将电流表与一个已知阻值的标准电阻R0(R0也可用电阻箱代替)串联，用电位差计测得标准电阻R0两端的电压U0，然后就可计算出电

16、流。设计的测量电路应能满足流过电流表的电流在020mA范围内变化。应合理选择电阻R0的阻值，要求：电阻R0上的电位差小于171mV，流过R0的电流要小于该电阻的额定电流。数据记录及处理： 毫安表示数I1（mA）Us(mV)实际电流I2（mA）修正值C（mA）增大过程（Us1）减小过程（Us2）平均（Us3）3227.1225.0226.12.8-0.25379.3374.9377.14.7-0.37543.2544.6543.96.8-0.29689.1687.6688.48.6-0.410776.5768.0772.29.7-0.311858.5885.5872.010.9-0.113100

17、1.61080.01040.813.00.0151148.91188.01168.914.6-0.4181391.21456.81424.617.8-0.2201581.01581.01581.019.8-0.2 毫安表示数（mA） 由图可看出Cmax=0.4mA，故电表等级=2.0，则此电表属于2.5级附：电表等级(最大示值误差/量程)×100最大示值误差是在所测量的数据中，电位差计与电表示数差值中最大的一个数值。我国国家标准规定电表准确度为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0等七级。实验误差分析1， 系统误差：电表的不准确性（包括标准电阻，电位差计，电阻箱等），

18、导线电阻引起的电流减小的误差等2， 随机误差：电源的波动，地磁场的影响，估读数据的读数误差，做修正曲线时描点等的误差等注意事项：1、 随产品的七根连线为图5 中的粗线部分，当进行“校准”时取掉短路线，不使用本仪器时，检流计一定要短路，否则检流计处于开路状态。2、 使用电位差计必须先接通其他电路，然后再接补偿回路，断电时须先断开补偿回路，再断开其他电路。3、 标准电池只能短时间通过1A左右的电流，否则将影响标准电池的精度直到造成永久性电动势衰落。所以，校准中要注意选用“Rb”，使用K2要短促，以保护标准电池，不能用伏特计测它的电动势，要防止标准电池震动。 待测电池不能供给大电流，所以测其内阻 时R值不能太小。应先定好R=100再接入路。实验中只在测量E 时才合上开关K4，测量完毕立即断开，以免干电池放电过多。图7结束语1，电位差计是电子测量中直接用来精密测量电动势或电位差的仪器。也可用来间接测量电流、电阻和校准各种精密电表，有着广泛的用途。2，电位差计是根据补偿原理将被测电动势与准确已知的标准电动势相比较而工作的. 电位差计测量结果具有很高的精度。3，做实验前，要熟悉实验内容，了解实验器材工作原理，学会安全使用器材。4，为了使被校准电流表校准后有较高的准确度，电位差计与标准电阻