直流电位差计

直流电位差计的原理与应用

比较式仪表是将被测量和已知标准量进行比较而确定被测量大小的仪表，分为补偿测量仪表和电桥测量仪表。用来与被测量进行比较的已知标准量具有标准电池、标准电阻、标准电容和标准电感等。比较仪表借助检流计指零实现平衡。通常，比较式测量仪表的测量过程就是通过调节可调元件使比较所得的差值逐步减小到零的过程。这种方法比直读测量具有更高的精确度。

补偿法是电磁测量的一种基本方法。补偿法测量仪表有全补偿和差值补偿两种。全补偿法是将被测量（仅限电压）与标准量比较，检测为0，两值相等。测量仪表理论上不从被测对象获取能量。差值补偿是利用标准量将被测量绝大部分补偿掉，微差检出，减少测量误差。

电位差计是电磁学测量中利用补偿原理来直接精密测量电动势或电位差的一种精密仪器。其突出优点是在测量电学量时，它不从被测量电路中吸取任何能量，也不影响被测电路的状态和参数，所以在计量工作和高精度测量中被广泛利用。测量的直流电压的误差可小于±0.005%。它用途很广泛，可以用来精确测量电动势、电压，与标准电阻配合还可以精确测量电流和电阻和功率等，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来确定产品的准确度和定标，它不仅被用于直流电路，也用于交流电路。因此在工业测量自动控制系统的电路中得到普遍的应用。

一、直流电位差计工作原理

1.补偿原理

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，由于伏特表通过电流反应电压总要有电流通过，而电源具有内阻，因而不能得到准确的电动势数值，所测得的电位差值总是小于电位差真值。为了准确的测量电位差，必须使分流到测量支路上的电流等于零，直流电位差计就是由此而设计的。

补偿原理就是利用一个电动势去抵消另一个电动势，其原理可用图一来说明。两个电源E 和x E 正极对正极，其中E 为可调标准电源电动势，x E 为未知电源电动势，中间串联一个检流计G 接成闭合回路。如果要测电源x E 的电动势，可通过调节电源E ，使检流计读数为零，电路中没有电流，此时表明E X =E ，x E 两端的电位差和E 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E 的大小，就可确定x E ，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。

图一 补偿电路 2.电位差计原理

根据补偿法测量电位差的实验装置称为电位差计，其测量原理可分别用图二和图三来说明。图二为电位差计定标原理图，其中ABCD 为辅助工作回路，由电源E 、限流电阻R 、长粗细均匀电阻丝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V 0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（图一）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x E 。要测量电动势（电位差）x E ，必须分两步进行：

(1) 电位差计的标准化

利用标准电源n E 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 0I ，这一调整过程叫电位差计的标准化，也叫电位差计的定标。

图二 电位差计定标原理图 根据定标原则，按图二连线，移动滑动触头M 、N ，将M 、N 之间的长度固定在mn L 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AB R 是均匀电阻丝，令

① 那么有

② 很明显0V 是电阻丝AB R 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 。在实际操作中，只要确定0V ，也就完成了定标过程。

由②式可知，当0V 保持不变时（即ABCD 中工作电流保持不变），可以用电阻丝MN 两点间的长度mn L （力学量）来反映待测电动势x E （电学量）的大小。为此，必须确定0V 的数值。为使读数方便起见，取0V 为1.0V/m 等数值。由于00I S

V ρ=，而且电阻丝阻值稳定，所以只有调节ABCD 中工作电流0I 的大小，才能得到所需的0V 值。

（2）测量未知电动势x E

测量待测电动势x E 的过程与定标的过程正好相反。

当上面定标结束后，按图三连线，调节M’、N’之间长度''n m L ，使M’、N’两点间电位差''n m V 等于待测电动势x E ，达到补偿，此时流过检流计G 的电流为零。即 mn 0mn 0mn n L S

I R I V E ρ===00I S V ρ='n 'm 0'n 'm x L S

I V E ρ==mn

0s L V E =

图三 电位差计测量原理图 结合式②得

''0n m x L V E ③

这样就测出了待测电压x E 。

二、直流电位差计的分类

1.按获得可变标准电压的方法不同，分为定阻变流式（图四）和定流变阻式（图五）。

（1）定阻变流式测量过程

闭合开关S ，产生电流I 0=I 1+I 2+…+I n ，U s =I 0R ，调节R 使检流计P 指零，所以测出U x =U s =I 0R 。

图四 定阻变流式电位差计原理电路 但是，电流表的准确度限制了电位差计的准确度。

（2）定流变阻式测量过程

S 拨在1，调节R0，使检流计P 指零，I 0=E n /R n 。S 拨在2，调节R 使P 再次指零，所以测出U x =I 0R’=R’/R n ×E n 。

图五 定流变阻式电位差计原理电路 精度由标准电池、电阻精度确定，比较准确。

2.按被测电压端口输出电阻的高低，分为高阻电位差计（输出电阻大于10K?/V，用于测量大电阻的电压及高内阻电源的电动势，工作电流小，不需要大容量工作电源供电。）和低电阻电位差计（输出电阻小于100?/V，用于测量小电阻的电压及低内阻电源的电动势，工作电流大，应由大容量电源供电）。

3.按量程，分为高电压电位差计（测量上限2V ，输出电阻高达2×204?，工作电流I 0=0.1mA ）和低电压电位差计（测量上限20mV ，输出电阻20?，工作电流I 0=1mA ）。

4.按使用条件，分为实验室型与便携性。

三、直流电位差计的优缺点

直流电位差计测量的准确度主要取决于下列因素：

1.电阻丝每段长度的准确性和粗细的均匀性；

2.标准电源的准确度；

3.检流计的灵敏度；

4.工作电流的稳定性。

用电位差计测量电位差具有下述优点：

1.准确度高，仅依赖于标准电阻、检流计、标准电源，如果电阻丝

R很均匀准确，

AB

标准电源的电动势准确稳定，检流计很灵敏，那可作为标准仪器来校验电表。

2.测量范围宽广，灵敏度高，可测量小电压或电压的微小变化。

3.“内阻”高，不影响待测电路。它避免了伏特计测量电位差时总要从被测电路上分流的缺点。由于采用电位补偿原理，测量时不影响待测电路的原来状态。用伏特表测量电压时总要从被测电路上分出一部分电流，从而改变了待测电路的原来状态，伏特表内阻越低，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（当然不是绝对的，检流计灵敏度越高，越接近于零），对待测电路的影响可以忽略不计。

缺点：

电位差计在测量过程中，其工作条件易发生变化（如辅助回路电源E不稳定、可变电阻R变化等），所以测量时为保证工作电流标准化，每次测量都必须经过定标和测量两个基本步骤，且每次达到补偿都要进行细致的调节，所以操作繁琐、费时。

四、直流电位差计的应用

电位差计所具有的优点，使得它在高精度测量电压方面得到广泛的应用。

1.测量各种电动势，特别是微小电动势。

例如温差电偶的温差电动势，各种电解液、电极组成的化学电池电动势，霍尔元件的霍尔电动势等。

2.测量电阻

标准电阻Rs与未知电阻Rx串联，用电位差计分别测得Us与Ux，则

图六电位差计测量电阻

3.测量电流

串入已知标准电阻做取样电阻，测出两端电压，则。

图七电位差计测量电流

4.测量高电压

R1、R2构成分压电路，适应电位差计量限。分压电路电阻不能太小。实际测量时，有不同的准确度、分压比的直流分压器供选择。

图八电位差计测量高电压

5．测量功率

功率测量时，需分别测量电压、电流，功率为P=Ux×Ix。

6．校准伏特计。

另配一个大小合适输出可调的待测电动势，将伏特计并接在待测电动势两端，调节待测电动势输出电压，同时记录直流电位差计和伏特计的读数E x和V，则ΔV=E x-V，ΔV-V 曲线即为伏特计的校正曲线。

7．校准安培计

将待校准的安培计与一标准电阻串联，当安培计读数为I时，用电位差计测出Rs上电压Us，则流经Rx上的电流为Is=Us/Rs.由于电位差计对电路无分流作用，所以Is为流过安培计的电流，?=（Ix-Is）/Is即为安培计的测量误差。

实际测量时，一定要注意：①标准电阻的额定电流应大于被测电流；②标准电阻上的压降不能超过电位差计的测量上限。

图九电位差计校准安培计

五、使用直流电位差计的注意事项

1.直流电位差计配套仪器的选择

直流电位差计的配套仪器有：工作电源、检流计、标准电池等。

（1）电源。要求工作电池有足够的容量，一般要大于工作电流的1千倍以上；或者具有高稳定度的稳压电流。要保证因工作电流相对变化而引起的测量误差不超过电位差计允许误差的十分之一。

（2）检流计。它是电位差计的标准回路和测量回路中的平衡指示仪。在测量过程中，占有很重要的地位。能否正确适用，会直接影响测量结果。可按以下原则合理适用：

①选择与测量准确度相适应的灵敏度。一般在线路灵敏度都能够满足的情况下，尽量不选用灵敏度太高的检流计。

②选择在稍欠阻状态下工作。在一般的测量装置中，接入检流计回路的电阻是随被测量值的改变而变化的。因此，在必要的情况下需接上一个万能分流器，适当选择其阻值，使检流计始终工作在接近临界阻尼状态。

总之，在满足灵敏度要求的前提下，检流计应工作在稍欠阻尼的状态下，尽量选用周期较短的检流计。

（3）标准电池。标准电池是电位差计标准工作电流的标准，要求内阻小。其准确度等级的允许误差应小于被检器具误差的1/5至1/10，年变化值应满足相应等级的技术要求。

2.除了要注意合理选择电位差计的配套仪器之外，尚须注意以下几点.

（1）电位差计的电源应根据其工作电流的大小进行选择.工作电流小于10mA时，一般可用干电池供电，大于10 mA时应当用蓄电池供电。

（2）测量时要注意标准电池、辅助电源、被测电势的极性，以及被测量大略数值，因而不接错极性，并选择恰当的量程。

（3）在使用时由于种种原因会使工作电流发生微小变化，使用中应随时检查工作电流，发现变化要及时校准。

（4）不要将标准电池长时间接入电路. 否则将有持续给标准电池充电或放电的可能，导致标准电池的逐渐损坏。