用电位差计校准电表(三)

电位差计校准电流表

机设二班 王晓亮201010310217

[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

[实验原理]

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。

1、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，测出来的将不是电动势，而是端电压，因为这时电路中有电流通过，根据全电路欧姆定律有：

即 r

I E V r I V E x x ?-=?+=

图1 补偿法原理图

式中r 为电源内阻，V 是伏特计的指示值，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E x 是被测电动势，E s 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E s 的大小，使回路中检流计指针指示为零（即回路电流为零），则E x 与E s 的电动势大小相等，则有E x =E s 。

此时称电路达到平衡。知道了平衡状态下E s 的大小，就可以确定被测电动势E x 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。

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E s 为标准电池，E x 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 、R 1及R n 串联组成的电路称为辅助电路（R －R s －R n －E ）。调节R n 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E s 的电动势调节工作电流，将开关K 置于“1”位置，则E s ，G ，R s 形成补偿电路（E s －K －G －R s －E s ），调节R n 使辅助电路的工作电流I 为某值时，使R s 两端的电压与标准电池的电动势E s 相补偿，检流计G 中无电池通过，此时有E s =IR s ，即辅助回路（E －R －R s －R n －E ）中的电流I 达标准化，s

s R E I = （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E x ，检流计G 与R 上的R x 段构成待测补偿电路（E x

－R x －G －K －E x ），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

x s

s x x R R E IR E == （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E s 、R s 均为准确已知值，则被测电动势E x 的大小，在电流标准化的基础上，在电阻为R x 的位置上可以直接标出与IR x 对应的电动势（电压）值。也就是说，调节R x 的值使检流计指示为零时，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。

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R s ，R x 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。

（2）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（可转化为电压来测）

[实验仪器]

UJ31型电位差计，标准电池，标准电阻，滑线变阻器，检流计，直流稳压电源，甲电池，微安表，开关等。

1、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，但随温度略有变化，在室温为20℃时，电动势为E 20=1.0186V

在其它温度下其电动势可按下式（我国部颁标准）计算：

E t = E 20－[39.9(t －20)+0.929(t －20)2－0.0090(t －20)3+0.00006(t －20)4×10-6]V

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。

2、UJ31型电位差计

这是一种低电势直流电位差计，其面板如图3所示。各端钮、旋钮及读数盘的用法说明如下：

（1）接线端钮有5组，分别接标准电池（“标准”端钮），检流计（“检流计”端钮），电位差计工作电源（“5.7~6.4”端钮）以及待测电压（“未知1”，“未知2”端组钮），两组未知端钮可相继测未知电压（或电动势）。

图2 电位差计原理图

（2）可变电阻“R n ”分为“粗”、“中”、“细”用来调节辅助电路的工作电流（即标准电流）。

（3）“R s ”为标准电池电动势的补偿电阻。电于标准电池电动势随温度有微小变化，为保证电位差计中有固定的工作电流，在实验时，调节R s 来补偿不同温度时的电动势的大小。

（4）“K 1”为量程转换开关，是用来改变测量回路中电流的。当K 1指在“×1”时，测量范围为0~17.1mv ，分度值为1μV （游标可指示0.1μV ）；当K 1指在“×10”时，测量范围为0~171mV ，分度值为10μV （游标可指示到1μV ），K 1位于“×1”与“×10”的中间“断”位，即切断工作电源。

（5）“K 2”为测量转换开关。当标准工作电流时，将K 2指在“标准”位置，进行测量时将K 2指在“未知1”或“未知2”位置。

（6）电阻R 上的Rx 段的电压是由3个读数转盘（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）的示值读得的。当调节测量盘使测量回路中Rx 间的电压与被测电动势补偿时，3个测量盘上所指示的读数之和即为被测电动势或电位差，测量盘（III ）旁装有游标A ，以提高读数精度。

（7）“K 3”为3个按键开关“粗”、“细”，“短路”，当按下检流计时回路才接通。不论标准工作电流或测量电压时，必须应先按“粗”键（检流计串接一只保护电阻，防止电流过大）调R n （或R x ）使检流计指针接近零点。然后再按“细”键，再调R n （或R x ）使检流计指针指示为零点不动，才算调好电位差计的平衡。如果检流计指针有剧烈摆动或不停的晃动，可在零点附近时按“短路”键使它停止晃动（用跃接法）。

[实验内容]

用电位差计校准微安表

（1）按图4连接实验测量线路。图中E 为电源（1.5V 甲电池），R H 和R A 为分压器和限流器的调节变阻器，用以调节微安表的电流值，开始时，两个变阻器的滑动端都要置于安全位置（哪一端？）R N 是标准电阻，由电位差计测出R N 两端的电位差V N ，可知回路的电流N

N N R V I ，与微安表的电流值读数相比较，其差值（I －I N ）即为微安表在电流值的绝对误差，而（I －I N ）为该点的标准值。

（2）将电位差计的测量转换旋钮K 2置于“断”，量程转换旋钮K 1置于“×1”档（或“×10”档，要视被测电压大小而定），分别接上标准电池，检流计，工作电流和被测电压。

表1 测量数据表 R N = （Ω）

微安表电流示值（μA ）

20 40 60 80 100 标准电阻R N 上

电压V N （mV ） 1 2

平均

标准电流值(),()N N N V I A R μ

（3）根据温度修正公式计算出标准电池的电动势E s 的值，调补偿电阻R s 的示值为此值。经指导教师检查线路后，接通电源。

（4）校准工作电流：先调准检流计的机械零点后，将K 2旋至“标准”档，调R n1和R n2为适当位置，按下K 3“粗”按键，调节R n1、R n2、R n3使检流计指针指零，再按K 3“细”按键，用R n3精确调节检流计指零，注意出现检流计剧烈震动或震动过快，松开“粗”或“细”，用跃接法按“短路”键使检流计指针回复到零后再继续调节。

（5）进行测量：把K 2旋至“未知1”（或“未知2”），根据标准电阻R N 的大小和通过的电流值估算出电压值，确定K 1是置“×1”或“×10”的档。合上开关K ，调节R H 和R A 使微安表指示为20μA ，按下K 3“粗”调节测量盘I 、II 、III ，使检流计指针指零，再按K 3“细”键，精确调节测量盘III 使检流计稳定在零点，此时测量盘I 、II 、III 的读数之和乘以相应的倍率即为被测的R N 上的电压V N 。

（6）调节R H 和R A 使微安表依次为40，60，80，100μA ，测出标准电阻R N 上相应的电压V N —系列值，由100μA 逐次再降为80，60，40，20μA 。测出相应的电压值（测量步骤同（5）），将测量数据填入表1。

[数据处理]

1、记录数据填入表1中，由式N

N N R V I =计算出校准的电流值。 表1测量数据表 R N = （Ω）

2、由测得的数据，计算微安表的各校准刻度的标准值ΔI ，以微安表的示值I 为横坐标，校准值ΔI 为纵坐标，画出ΔI~I 校正曲线。

3、计算误差。在温度为15~25℃时电位差计仪器的允许基本误差为b V a x +≤?%，式中a 为准确度级别，V N 为测量盘示值，b 为常数，其值与量程准确度级别有关。UJ31型电位差计的a = 0.05，b =

1.3×10-6V （“×10”档）或b = 1.3×10-7V （“×1”档）分别计算出不同V N 测量误差。

[思考题]

1、使用电位差计必须先接通辅助回路，然后再接补偿回路，断电时须先断开补偿回路，再断开辅助回路，为什么？

2为什么电位差计可以准确地测出动势？

3用电位差计测量电动势，接通电路后，将转换开关倒向“标准”电池Es 或未知电池E x 时，无论怎样调节也不能使检流计为零，只向一个方向偏转，试分析有哪些可能原因？