将微安表改装成多量程电流表并进行初校

图

1

多量程电流表的改装

摘要：惠斯登电桥测微安表内阻。扩大表头电流量程的方法是在表头两端并联一个电阻，使超过表

头量程的那部份电流从电阻流过。这样表头与电阻就组成了一个能测量较大电流的电流表。电表由于

不可避免地存在结构的缺陷，在使用任一量程测量时，电表的指示值同电流的真值之间总是存在误差。

需进行校准。

关键词：惠斯登电桥；微安表；多量程；电表改装；校准。

引言

单一量程的电流表不能满足实验室使用需求，加之微安表的适用范围小，因此提出微安

表改装成多量程电流表的方案。多量程电流表大大增加了微安表的适用范围，实现能够选择量程的功能。研究多量程电流表的改装，为研究万用表的结构原理提供帮助。

正文

一 实验仪器

量程A μ500的微安表一块，电阻箱(0.1级)三个，惠斯登电桥、数字电压表[精度

(0.08%U+0.1)mV ]、3V 直流稳压电源、开关各一个、滑线变阻器两个（高值、低值各一个）。

二 实验原理

1 用惠斯登电桥测微安表内阻实验原理

惠斯登电桥的原理性电路如图1所示，4个电阻R 1、R 2、R 3和R 4联成一个四边形abcd ，

每条边称为电桥的一个“桥臂”，在对角a 和c 之间接上工作电源E ，在对角线bd 上再接上检流计G 。电桥的“桥”就是指bd 这条对角线而言;它的作用是将桥两端的电位直接进行比较。电源接通后，bd 两点的电位一般并不相同，因此检流计中有电流通过，指针必然偏转。测量时若适当调节桥臂电阻，可使桥上没有电流通过(I g =0)，检流计指零，此时称为电桥平衡。

电桥平衡时，

d b U U =，x I I =1，s I I =2

于是

2211R I U R I U ab ad ===

S cb x cd R I U R I U 21===

将两式相除，得4个桥臂电阻的关系为

s x R R R R 21=

因此待测电阻Rx ，可表示为

s s x MR R R R R ==

21 (1-1)

(1-1)式称为电桥的平衡条件。式中，R1 、R2称为比例臂电阻，其比值M 称为倍率，

RS 称为比较臂电阻。若M （或R1 、R2）和RS 已知，待测电阻Rx 就可由（1-1）式求出。

调节电桥平衡的方法有：a. 对滑线式电桥，是保持Rs 不变，通过调节R1/R2的比值使

电桥平衡；b. 对箱式电桥，是保持R1/R2不变，通过调节Rs 使电桥平衡

本实验所用QJ23型惠斯登电桥，电桥的结构形式基本类同，只是将4个十进位电阻器

串联成RS ；Rl 、R2也由8只特定阻值的标准电阻组成，通过调节位置使倍率M 分成7档（×0.001、×0.01、×0.1、×1、×10、×100、×1000)。测量时，应根据被测电阻的阻值选取倍率，以保证RS 有4位读数。待测臂Rs 设有供接入待测电阻的接线柱。检流计左侧三个接线柱是检流计的连接端，当连接片连通“外接”时，检流计被接入桥路，当连通“内接”时，检流计被短接，此时既可“锁住”了检流计，又可从“外接”处接入灵敏度更高的检流计，电源既可接在一对接线柱“B ”上，也可装在箱内，外接电源电压U<=2V 。该电桥测量范围为1～9.999×106 Ω，基本量限为10~9999Ω。在基本量限以内，用内部电源和检流计时，该电桥的准确度等级为0.2级。测量时仪器的允许误差为：

max %2.0R R x ?=?

式中max R 为电桥读数的满刻度值。

2 使用方法

测量前，通常先将检流计连片从“内接”换到“外接”，调整检流计的指针到零点，接

入Rx ，根据测电阻器的粗略值按附表1选择恰当的倍率，并使比较臂也有相应的读数，然后操作开关B 和G ，调节电桥平衡。

附表1

阻值范围

（Ω） 1~10 10~102 102~103 103~104 104

~105 105~106 10

6~107

倍率 0.001 0.01

0.1 1 10 100

1000

3 将微安表头改装成两量程的直流电流表

扩大表头电流量程的方法是在表头两端并联一个电阻 Rs ，使超过表头量限的那部份电流从Rs 流过，Rs 称为分流电阻。这样表头与

Rs 就组成了一个能测量较大电流的电流表，如图2所示。选用不同的分流电阻，可以得到不同量程的电流表。

设表头改装后的量程为I ，根据欧姆定律有

(1-2) 若将微安表的量程扩大n 倍，即，则

(1-3)

可见，如果在表头上并联阻值为Rs=Rg/(n-1)的分流 电阻，就将微安表的量程扩

大了n 倍。若要将表头改装成量程为 I1=n1Ig, I2=n2Ig 两量程电

流表，则只需给表头并联两个分流电阻R1=Rg/(n1-1)，R2=Rg/(n2-1)

即可。两个量程可以通过一个转换开关来选择，如图3所示。

一般多量程电流表采用抽头式分流器，如图3所示。在图3中，

当转换开关转到I1时，表头量程为两量程中最小量程I1，分流电

阻Rs=R1+R2。此时

(1-4) 当开

关转到I2时，表头量程为两量程中最大量程I2，分流电阻Is= I2。此时

(1-5)

解(3)和(4)式得

R1=Rg n n n n )11(212--=Rg

181

R2=Rg n n n )11(21-=Rg

181 (1-6)

图2

4 改装电表的校正

电表由于不可避免地存在结构的缺陷，在使用任一量程测量时，电表的指示值同电流的

真值之间总是存在误差。而且在整个量程的不同指示值处绝对误差不同。

校正的目的：1）评定该表在扩大量程或改装后是否仍符合原电表准确的等级；2）绘制

校正曲线，以便于对扩大量程或改装后的电表能准确读数。

所谓准确度等级乃是国家对电表规定的指标，它

以数字标在电表表盘上。如标明为S （S 为0.1，0.2，

0.5，1，1.5，2.5，5七个中的一个），则各点的最大

示值误差Δ仪=量程×S%。 我国国家标准规定，对单向标尺电表以最大引用

误差表示电表的基本误差，并以电表的基本误差表示

电表的准确度等级。电表的最大引用误差（或标称误

差）是电表标尺工作部分所出现的最大绝对误差ΔXm

与量程Xm 之比：

S=r m =ΔXm/Xm ×100% 根据最大引用误差的大小,可以定出被校电表精确等级.例如0.5<最大引用误 差

r m <=1.0,则该表为1.0级.常用的简便的校正方法就是比较法,将待校正的电表与级别较高的标准电表进行比较.对扩大量程后电流表可用数字万用表的电压档作为标准表进行校正,线路如图4所示.校正点应先在扩大量程的电表的全偏转范围各个标度值的位置上,确定各校正点的ΔI=I x -I s 值，其中I s 通过公式： I s = U/R 求得。这样不仅可与等级度误差Δ仪作比较,判定校正点的ΔI 是否超过ΔI 仪，而且可作ΔI ~I x 曲线，供使用时作读数修正。作图时以校正的表的指示值I 为横坐标轴，以偏差ΔI 为纵坐标轴，根据校正数据I i 和ΔI i 绘出的图线呈曲折线。

5实验步骤

1 测量微安表的内阻

1) 首先调准检流计的机械零点

2) 根据待测电阻的阻值，选择倍率值，安排桥臂的Rs 值，使电桥在接近平衡的情况下

开始使用，以避免有过大的电流通过检流计。

3) 为保护检流计，应注意开关次序。接通电路时，应先合B ，后合G 。断开电路时，应

先断G ，后断B 。在测量电感的直流电阻应特别注意。

电源开关B 应短时间接通，特别是在测量额定功率较小的电阻时，通电时间长会导致电

阻发热，引起阻值变化。

k

k 图4

2 测量满刻度的电流实际值Ig

根据图6所示计算出微安表的电流实际值Ig，其中Ig=U/R。

3 将微安表改装成5mA、10mA双量程电流表。

1）根据表头参数Ig，Rg及量程扩大倍数n,按式（1-6）计算出分流电阻R1、R2。

2）接好校正电路，对改装表进行校正。校正前应检查电表指针指零。校正时先校正改

装表满刻度示值，然后在扩大量程表上有标度值的点，使电流单调上升和下降各校一次，将

标准表两次读数的平均值作Is，计算出各校正点的ΔI= I x-I s。画出校正曲线，并定出改

装后微安表的等级度。

5 数据记录表格

1 微安表参数

量程：500uA 等级：1.5 读数误差：0.0075uA 内阻Rg= 151.5Ω

2 微安表扩大量程

1）改装成5mA的电流表时：

改装表量程：5mA 扩大量程倍数：10 R1= 8.42Ω

数字电压表量程：2v 分度值：0.001 读数误差：0.001

2）改装成10mA的电流表时：

改装表量程：10mA 扩大量程倍数：20 R2=8.42Ω

数字电压表量程：2v 分度值：0.001 读数误差：0.001

微安表内阻数据记录表：(单位: Ω)

倍率M R1 R2 R3 R4 R5 平均值Rg

0.1

151.2Ω151.6Ω151.6Ω151.9Ω151.4Ω151.5Ω校正数据记录表：

把表头改装成5mA的数据记录表(其中电源电压U=2V,R=100Ω)

Ix(mA) 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00

U(上升)(V) 0.049 0.101 0.151 0.199 0.248 0.297 0.348 0.394 0.447 0.496 U(下降)(V) 0.047 0.102 0.150 0.201 0.247 0.295 0.353 0.396 0.443 0.498 U（平均值）(V) 0.048 0.102 0.151 0.200 0.248 0.296 0.350 0.395 0.445 0.497

I s=U/R(mA)

0.48 1.02 1.51 2.00 2.48 2.96 3.50 3.95 4.45 4.97 ΔI= I x-I s(mA)

0.02 -0.02 -0.01 0.00 0.02 0.04 0.00 0.05 0.05 0.03

将表头改装成10mA的数据记录表(其中电源电压U=2V,R=100Ω)

Ix(mA) 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 U(上升)(V) 0.104 0.206 0.294 0.398 0.495 0.594 0.693 0.799 0.901 0.997 U(下降)(V) 0.102 0.198 0.298 0.394 0.497 0.596 0.694 0.798 0.898 0.996 U（平均值）(V) 0.103 0.202 0.296 0.396 0.496 0.595 0.694 0.799 0.900 0.997

I s=U/R(mA)

1.03

2.02 2.96

3.96

4.96

5.95

6.94

7.99 9.00 9.97 ΔI=I x-I s(mA)

-0.03 -0.02 0.04 0.04 0.04 0.05 0.06 0.01 0.00 0.03

6 数据处理

1)内阻：Rg=5

1

(151.2+151.6+151.6+151.9+151.4)Ω=151.5Ω

内阻的

A类不确定度：

S x=

σ

n

n

t

p

)1

(-

x=1.24×

2

)

(

1

5

1

Rg

R

i

-

∑

-=1.24×

[]

22222)5.1514.151()5.1519.151()5.1516.151()5.1516.151()5.1512.151(41-+-+-+-+-?=0.328Ω

内阻的B 类不确定度：由于 inst ?=max %2.0R R x ?=?=2Ω 所以 u=3/inst ?=2/3Ω=1.15Ω

总的不确定度：U Rg =

22u S x +=)15.1328.0(22+Ω=1.20Ω U r U ±=Rg /Rg =±(1.12/151.5 )×100%=0.79%

结果表达:R g =(151.5±1.2) Ω U r =0.79%

2) 分流电阻:R1=R2=Rg 181=Ω

?5.151181=8.42Ω

电阻箱的误差：（保留两位小数）

％小数％＋个位％＋十位％＋百位％＋千位万位5%215.01.01.0?+?????=?inst R inst R ?=100×0.5%=0.50Ω

Ω=?+?=?18.0%54.0%281inst R

inst R 2?=inst R 1?=0.18Ω

所以分流电阻为：R1=（8.42±0.18）Ω R2=(8.42±0.18) Ω

对比表内阻:R=(100.00±0.50) Ω

3) 改装表的等级

1. 改装为5mA 后电表的等级：

S1= r 11m m I I ?=

×100=0.05/5 ×100=1.0

所以改装为5mA 后电表的等级为：1.0级 2 改装为10mA 后电表的等级： S2= r 22m m I I ?=

×100=0.06/10 ×100=0.6>0.5 所以改装为10mA 后电表的等级为：1.0级

4) 校正曲线 改装成5mA的校正曲线

-0.03

-0.02

-0.01

0.00

0.01

0.020.030.04

0.05

0.06

0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00I/(mA)ΔI /(m A )系列1

改装成10mA的校正曲线

-0.04

-0.03

-0.02

-0.01

0.00

0.01

0.020.030.04

0.05

0.06

0.07

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.0010.00I/(mA)ΔI /(m A )系列1