实验六 电位差计的应用

实验六 电位差计的应用 实验六 电位差计的应用 【实验目的】 1. 掌握电位差计的工作原理和结构特点; 2. 学习使用电位差计测电池电动势和电压的方法。 【实验仪器】 UJ-25型电位差计、检流计、标准电池、电阻箱、标准电阻、电池、单刀开关等。 【实验原理】 电位差计是用来测量电位差的仪器，其精度高，在生产科研和计量等部门得到了广泛应用。 电位差计不仅用于测量直流电动势(电压)，而且还常用于测电流、电阻和功率，并还可 通过转换器件用来测量非电量，如温度、压力、位移等。 一、电位差计的电路原理 如果要测未知电动势Ex，原则上可按图3-42安排电路，其中E0是可调电压的电源。 调节E0使检流计指零，这就表示在这个回路中两电源(E0, Ex)的电动势必然是方向 相反、大小相等，故数值上有: Ex=E0 这时，我们称电路达到补偿。在补偿条件下，若E0的数值已知，则Ex即可求出。据此 原理制成的测量电动势或电位差的仪器称为电位差计。可见，电位差计需要有一个E0，而 且它要满足两个要求:(1) 它的大小应便于调节，以使E0能够和Ex补偿;(2) 它 的电 压应该很稳定，并能读出准确的电压值。 图3-42 图3-43 在实际的电位差计中，E0是通过下述方法(如图3-43)得到的:电源E、限流电阻R′和精 密电阻Rab串联成一闭合回路，当有一恒定的标准电流I0流过电阻Rab时，改 变Rab上两滑动头C，D的位置，就能改变C，D间的电位差V的大小，V正比CDCD于电阻Rab中 C，D之间的那部分电阻值，由于测量时应保证I0恒定不变，所 以在实际的电位差计中都根据I0的大小把电阻的数值转换成电压刻度标在仪器上，V相当于 CD 上面所需要的“E0”。测量时把滑动头C，D两端的电压V引出与未 CD 知电动势Ex进行比较。ExCDGEx(或EsC′D′GEs)称为补偿回路。要注意的是在电 路中E和Ex(或Es)必须接成同极性相对抗，即Ex的负极要接在ab线上电位较低的一点， 而Ex的正极经检流计后，接在电位较高的一点。 1. 校准 把开关K倒向Es一边，为了使Rab中流过的电流是标准电流I0， 根据标准电池电动势Es的大小，选定C，D间的电阻为Rs，调节R′使: Es=I0?Rs (1) 即调节R′改变辅助回路中的电流，当检流计指零时，Rs上的电位降恰与补偿回路标准 电池的电动势Es相等，由于Es和Rs的数值都能很准确地知道，这样辅助回路中的电流 也就能被精确地校准为所需要的I0值。 2. 测量 把开关K倒向Ex一边，只要Ex?I0Rab，总可以滑动C，D到C′，D′ (如虚线所示)，使检流计再度指零，这时C′，D′间的电位降即和待测的电动势Ex相等。 设C′，D′之间的电阻为Rx，可得: Ex=I0?Rx=Rx?Es/Rs (2) I0已被校准，Ex也就被测出。同理，如果要测任一电路两点间的电位差，只需将待测 两点接入补偿回路来代替Ex即可。 二、电位差计的优缺点 由式(2)可知，用电位差计测电位差的实质是通过电阻的比较把待测电压与标准电池的电 动势作比较，因而它具有下述优点: 1. 准确度高(因为标准电池的电动势Es准确稳定、检流计灵敏度高，同时，精密电 阻Rab也可以做得很均匀准确)，可作为标准器用来校电表。 2. 测量范围广，可测小电压或电压的微小变化，学生式电位差计的低量程档可测到 -6 10V。 3. “内阻”高，不影响待测电路。我们知道用电压表测量电位差时总要从被测电路中分 出一部分电流，从而改变了被测电路的工作状态，电压表的内阻越低，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)，故可测出电源电动势。 但是，在电位计测量过程中，其工作条件常易发生变化(如辅助回路电源E不 稳定、限流 电阻R′不稳定等)，为保证工作电流标准化，每次测量都必须经过校准和测量两个基本步骤， 且每次要达到补偿都要进行细致的调节，所以操作繁琐费时。 7近年来，数字式仪表有了很大发展，数字式电压表的内阻高(,10Ω)，准确度高，测 量范围也广，而且操作方便，结果显示快，正在越来越多的场合代替电位差计而成为测量 电位和电动势的高精度仪器。 三、标准电池 由于电位差计的测量精度依赖于Es，故Es一般由精度很高的标准电池提供。常用的标 准电池是镉汞电池，分为H形封闭玻璃管式和单管式，前者只能正立使用，且不能晃动 或倒置。图3-44为H型标准电池示意图，其两极为汞和镉汞齐，正、负极引出线都是铂丝，电 解液为硫酸镉溶液，按溶液浓度H型标准电池又可分为饱和式和不饱和式两种，饱和式 的电动势最稳定，但其电动势易随温度变化，t?时电动势Et为: -6-62E=E-39.94×10(t-20)-0.929×10(t-20) t20 -63-64 +0.0090×10(t-20)-0.00006×10(t-20)(V) 图3-44 式中，E20=1.01863V为20?时电动势。不饱和式则不必作温度校正。本实验采 用饱和式H型封闭玻璃管式标准电池。 标准电池准确度分为?，?，?级。?，?级的最大容许电流为1μA，内阻不大于1 kΩ;?级的最大容许电流为10μA，内阻不大于600Ω。可见，标准电池 只能作电动势的参考标准，绝不能作为电源使用，也不准直接用伏特计测量其电压(为什么?)。 在用电位差计时，若使用需做温度修正的标准电池，必须考虑温度修正。 四、UJ25型高电势直流电位差计简介 UJ25型电位差计的面板如图3-45所示。检流计G、标准电池E和工作电源N不包含 在电位差计中，皆为外接。电计控制按钮“粗、细、短路”为控制检流计用，按下“精”或 “细”按钮，检流计G方能接入电位差计。按下“粗”较按下“细”检流计呈现的灵敏 度低。“短路”按钮与检流计自身的“短路”按钮作用相同。调节工作电流用的“粗、中、 细、微”四个旋钮的电阻相当于图3-43中的R′。标有“N，X1，X2，断”的转换开 关旋钮相当于图3-43中的K。校准时，旋钮指在“N”位置，此时标准电池EN接入电位差 计;测量时，旋钮指在“X1”(或“X2”)时面板上方中间标有“未知1”(或“未知2”) 的两接线柱之间的电位差被接入电位差计。通过“未知1”和“未知2”，电位差计可分别测 量两个电位差。中间六个旋钮为电压测量盘，相当于图3-43中的Rx，各旋钮所对应的窗 口标有电位差值，其总的电位差值为六个窗口示值之和。另外，温度补偿旋钮实为两可变电 阻，使用电位差计时，把两旋钮旋在Et值，以补偿标准电池电动势Et随温度的 变化。Et值 可根据插入标准电池中的温度计读数和由实验室给出的Et,t的修正值表计算，或用前面 所给出的Et值的温度公式计算。 【实验内容】 用UJ25型电位差计校正毫安表。 仪表在使用一段时间之后，都要对它的质量进行检查。按照国家规定，0.1，0.2，0.5级 电表每年至少要校检一次，其余等级的电表可根据使用情况决定校验周期，以看其是否符合 电表上所标明的准确度级别，如果不符合就要降级使用。表的检验就是用被校表与精度比它 高级的表(简称标准表)分别对同一量进行测量，从而确定出被校表的误差。取标准表测量结 果作为被测量的标准值，则被校表的误差为: 误差值=被校表指示值-标准表的测量值 此误差用相对于满刻度量限值的百分数表示: 图3-45UJ25的面板示意图及用其校毫安表的电路图 若此值对于所有被校准点均小于被校表的级别，则认为该表符合要求，如有一点超过，则 该表就应降级。 本实验用电位差计校准毫安表。电位差计测量的是电压，而毫安表通过的是电流，为此，让 通过毫安表的电流同时通过一标准电阻，用电位差计去测量标准电阻两端的电位差，即可间 接测量出流过毫安表中的电流，以此为标准值。此即用电位差计校准电流表的方法。 对仪表的校正结果还可用校正曲线表示。作法是(如对本实验):由待校表各个指示值Ix 去减标准表对应的指示值Is，得出各个修正值ΔI=Is-Ix，作ΔI,Ix图线， 即待校表的校正曲线(注意，Ix为横坐标，ΔI为纵坐标，两相邻校准点用直线连接)。 【实验步骤】 1. 电位差计使用前，首先将转换开关旋在“断”，将电计按钮全部松开。按图3-45接好 电路，图中R0为标准电阻(四端电阻)。调检流计零位调整旋钮使检流计指零。算出室温下 标准电池的Et值，调节电位差计上的温度补偿旋钮使其指在Et值。按下检流计面板上的 “电计”按钮并转动使之不弹起，此时检流计便已接入电位差计，可以完全由电位差计控制。 2. 校准，将转换开关旋钮白色指针由“断”转至“N”处，按下电计控制按钮“粗”，调 节“粗、中、细、微”旋钮使检流计G指零，再按下电计控制按钮“细”，再调至使G 指零，此时表明电位差计已被校准好。 3. 根据校表要求，对待校毫安表进行校准。 闭合K，调R，使待校表指示待校的刻度值，并估计接到“未知1”两接线柱的电位差 值，调节测量盘使其接近此值。 将测量转换旋钮转至X1，此时待测电压从“未知1”处接入，先按下电计控制按钮 “粗”，调测量盘使G指零，再按电计控制按钮“细”，再调至使G指零，测量盘上的读 数即为待测电压值。 注意，在每次测量之后，都要再将转换开关旋钮转至“N”处，检查电位差计是否处于校 准好的状态(即按下电计控制钮“细”时G指零)。若已偏离，应重新校准，并重新测量 待测电压值。 4. 测量结束后，将测量转换旋钮转至“断”处。 5. 将有关资料列成表格。 6. 做出校正曲线，讨论待校表是否还符合原标定的准确度级别。 【思考题】 1. 在使用标准电池时要注意什么问题?图3-45中，四端电阻R0应如何接? 2. 为什么用电位差计可以直接测量电池的电动势? 3. 电位差计校准好后，在测电位差时检流计不动或总向一个方向偏转，试分析可能的原因。