综合实验直流电位差计的应用

综合实验直流电位差计的应用 直流电位差计的应用 一(引言 补偿法是电磁测量的一种基本方法。电位差计就是利用补偿原理来精确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。 电位差计是电磁学测量中用来直接精密测量电动势或电位差的主要仪器之一。它用途很广泛，不但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。而且在非电参量(如温度、压力、位移和速度等)的电测法中也占有极其重要的地位。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。 用于直流电路精确测量电压的电位差计。又称直流补偿器。分为经典式直流电位差计和直流电流比较仪式电位差计两大类。 1841年，J.C.波根多尔夫提出一种补偿方法，使被测电压与大小已知且可调的另EX 一电压(称为补偿电压或标准电压)按相同极性对接，调节标准电阻器 使检流计指RG零，则对接的两根导线中没有电流，此时被补偿，与补偿电压相等:，已EEEIR,XXX知电流和电阻 即可求得。 IREX 补偿电压是恒定电流在三端可变标准电阻器上产生的，这是波根多尔夫的第一种IR 补偿方法??恒定电流法，如图(1)所示。若令图中电阻不变而改变电流，同样可RI以得到大小已知且可调的补偿电压，这是波根多尔夫的第二种补偿方法??恒定电阻法。 图(2)直流电位差计的原理电路 图(1)波根多尔夫第一种补偿方法 用于直流电路精确测量电压的电位差计，又称直流补偿器。分为经典式直流电位差计和直流电流比较仪式电位差计两大类。 经典式直流电位差计以电阻网络为基础，主要采用波根多尔夫的第一种补偿方法，也 I可采用第二种或兼容第一、第二种补偿方法。为了将电流标定到一个准确的固定数值，直流电位差计中设置了由标准电池、标准电阻器组成的另一个补偿电路，如图ERXX ENI,(2)所示。当开关K在位置N时，改变调节电阻r使检流计G指零，从而得到;测量RN RREIRE,,时，开关K放在位置X，调节标准电阻器使检流计指零，得到。是RXNRRNN 1 两个电阻的比值，只要这个比值(而不是每一个个别的电阻器)保持较高的准确度和稳定性，测量得到的数据的准确度就很高。这是直流电位差计比较容易做到较高的测量准确度的主要原因，也是直流电位差计按元件自检的根据。 直流电位差计包括 3个电路:测量电路即、和;电流调定电路即、和RGEREXXX;辅助电源E和其调节电路即、，其中是一个调节细度很高的网络。通常、GGErr 和都是外接的。准确度较高的直流电位差计还有防泄漏屏蔽电路和静电屏蔽电路。EEX 产生补偿电压的标准电阻器，实际上是一个复杂的多样化的电阻网络,可构成多种直流R 电位差计的电路，例如测量低电压的迪塞霍斯特电路、维纳电路，测量高电压的福伊斯纳-布鲁克斯电路等。 使用直流电位差计主要用于精确测量(或比较)电压，或已转换为电压的各种电量、电参数。其主要优点是测量时不从被测回路取出电流，也无电流注入被测回路。当被测电压的大小超过电位差计的测量上限(一般只有几伏)时，要用分压器先将被测电压分压，然后进行测量。用直流电位差计测量被测电流在已知的标准电阻器上产生的电压降，可以间接测量电流。用直流电位差计比较四端电阻时，可以彻底消除电位端引线的影响。使用直流电位差计时，夏天因相对湿度较大，应注意消除泄漏电流的影响;冬天因相对湿度较低，应注意防止静电引起的干扰。测量低电压时，还应注意消除温差电动势等杂散电动势的影响。 直流电位差计按准确级别分为0.2、0.1、0.05、0.02、0.01、0.005、0.002、0.001等级别。 二(预习提示 此实验是一个基本的综合性实验，也是电位差计应用实验。重点要求学生能根据实验原理和实验要求设计出简单的被测电路;及利用电位差计测量电压时准确度高和不影响被测线路功率的特点，来校正高准确度级别的指示仪表和电工仪器。 1、复习“实验2.7电表改装与校准”，主要明确电压表的改装与校准过程，及FB-308型实验仪的原理和使用方法; 2、预习本实验的基本原理，明确补偿原理; 3、初步了解直流电位差计的基本结构及工作原理; 4、认真阅读实验仪器的使用说明书，了解UJ33-2D型直流电位差计的正确使用方法，明确仪器的基本参数; 5、如何用UJ33-2D型直流电位差计测量电压及校准电压表; 6(设计实验原始数据表格。 按上述内容和要求写出预习。 三(实验目的 1、理解电位差计的工作原理,,补偿原理; 2、了解电位差计的结构，正确使用电位差计; 3、明确电表校准的基本方法，会用UJ33-2D型直流电位差计校准电表; 4、充分利用实验室现有的实验仪器，培养学生综合运用的能力; 5、学会查阅相关资料，了解热电偶电动势相关知识; 6、培养学生初步综合运用物理学实验知识的能力。 四(实验原理 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，直流电位差计就是为了满足这个要求而设计的。 补偿原理就是利用一个电压或电动势去抵消另一个电压或电动势，其原理可用图(3)来说明。两个电源和正极对正极、负极对负极，其中为可调标准电源电动势，EEENXN 为待测电源电动势，中间串联一个检流计G 接成闭合回路。如果要测电源的电动EEXX 2 势，可通过调节电源 ，使检流计读数为0，电路中没有电GEN 流，此时表明，两端的电位差和两端的电位差相EE,EEXNXN 互补偿，这时电路处于补偿状态。若已知补偿状态下的大EN 小，就可确定，这种利用补偿原理测电位差的方法称为补偿EX 法，该电路称为补偿电路。由上可知，为了测量，关键在于 EX 如何获得可调节的标准电源，并要求这电源:?便于调节;?稳 图(3)补偿原理定性好，能够迅速读出其准确的数值。 2、电位差计工作原理 (4)所示，由工作电源、电阻、限流电阻、标准电阻构成基本电如图ERRRABPN路，主要的作用是给电位差计提供一个稳定的已知工作电流;标准电池、标准电阻ERNN及检流计构成标准电路，作用就是来确定电位差计G 的工作电流。通过调节，目的是调节基本电路中的RP 工作电流，使标准电池电动势与的电压相IER0NN 等，实现补偿，从而完成电位差计工作电流的确定过 程，即定标过程。此时工作电流;电阻IER,0NN 、待测电动势(或电压)及检流计G，构成URABX 电位差计的测量电路。保持电位差计定标过程时，电 源和不变，其中稳定而准确的工作电流流过ERIP0 ，同时也流过，调节的阻值，使两端RRRRNABABAB 图(4)电位差计工作原理图 电压与待测电动势(或电压)达到补偿，此时UX ，这样就可以确定待测电动势(或电UUIR,X0ABX 压)。 3、UJ33D-2型电子电位差计的工作原理 电动势测量是高校物理及化学实验中的基本实验。传统的实验由电位差计、检流计、工作电源和标准电池四部分组成一套电位差计测量电动势装置，这样的装置有助于学生明确电位差计的基本原理，掌握平衡法测量电动势的原理，在测量过程中测量装置不需要从被测信号源吸收电流以保证测得真正的电动势而不是端电压，但使用起来比较麻烦，不便于操作。 UJ33D-2型数字式电子电位差计线路设计采用了全集成器件，内置的可代替标准电池的精度较高的参考电压集成块作比较电压，除掉了传统直流电位差计的外设标准电池，不但携带方便，而且减少了环境污染。同时还保留了普通电位差计平衡法测量的原理，电位差计自动进行工作，完成传统电位差计的定标、校准及测量比较过程，使被测电动势与参考电压经过高精度的仪表放大器比较输出，达到平衡时即可知被测电动势的大小，有操作简单、精度高的优点。 UJ33D-2型数字电位差计工作 原理框图如图(5)所示，电位差 计测量或输出所得的直流mV信号， 经精密衰减、隔离放大后由四端方 式输出，量程转换选择所需测量/ 输出量程范围，功能转换选择测量 或输出方式，测量或输出信号经精 密放大后送A/D转换成数字信号， 经单片机处理后由LCD数字直读显 示和送RS232通讯口。 图(5)电位差计工作原理框图 UJ33D-2型数字电位差计内附 标准电压源，可以输出标准电压信号，通过调节粗、细调电位器即可获得所需量值的准 3 确、稳定的电压。 五(实验仪器及描述 UJ33D-2型数字电位差计、GPS2303C型直流稳压电源、FB-308型电表改装与校准实验仪 ZX—21型电阻箱 1、UJ33D-2型数字电位差计 (1)概述 UJ33D-2型数字电位差计是传统直流电位差计更新换代型产品，它采用先进的数字化、智能化技术同传统工艺相结合，其具有以下特点: a)数字直读发生和测量电压值; b)可直读对应于输出或测量毫伏值的5种常用热电偶分度号的温度值，省却使用者查表之麻烦; c)输出标准电压信号可带负载，直接校验各种低阻抗仪表; d)采用四端钮输出方式，消除小信号输出时测量导线产生的压降误差; e)内附精密基准源，去除标准电池，避免环境污染，同时省却反复对标准要求，方便用户操作; f)带RS232标准接口，可与计算机通信。 仪器可对热电偶和传感器、变送器等一次仪表输出的毫伏信号进行精密检测，也可作为标准毫伏信号源直接校验各种变送器和数字式、动圈式仪表。仪器功耗小，采用便携式机箱，内附工作电源电池盒，便于携带，适用于生产现场、野外作业和实验室用。 (2)结构特征 面板及底座面结构排列图如图(6)所示。 图(6)面板、底座结构排列图 1信号端钮 2功能转换开关 3导电片 4电源开关 ???? 5外接电源插座 6调零旋钮 7粗调旋钮 8细调旋钮 ???? 9量程转换开关 10温度直读开关 11发光指示管 12LCD显示器 ???? 13分度号选择开关 14RS-232接口针座 15底座搁脚 16电池盒 ???? (3)主要技术指标 ?主要性能参数 参比条件:环境温度20?2?，相对湿度(40,60)%。 标称条件:环境温度20?15?，相对湿度(25,75)%。 主要参数 量程 测量/输出范围 基本误差 分辩率 额定负载 2V 0,1999.9 mV ?(0.05%U+200μV) 100μV 2 mA X 200mV 0, 199.9 mV ?(0.05%U+20μV ) 10μV 2 mA X 20mV 0, 19.9 mV ?(0.05%U+ 2μV ) 1μV 2 mA X 75mV 0, 74.999mV ?(0.05%U+ 2μV ) 3μV 2 mA X 4 分度号 直读温度范围 基本误差 分辨率 K(75 mV) 0,1300.0? ?(0.1%T+0.2?) 0.1? X E(75 mV) 0, 900.0? ?(0.1%T+0.2?) 0.1? X J(75 mV) 0,1048.0? ?(0.1%T+0.2?) 0.1? X S(75 mV) 0,1768.0? ?(0.1%T+1.0?) 0.5? X T(75 mV) 0, 380.0? ?(0.1%T+0.2?) 0.1? X 表中U——测量/输出电压显示值，单位mV T——测量/输出温度显示值，单位? XX ?温度附加误差: 环境温度超出参比范围，但在标称范围内，温度每变化10?而引起的变差不超过基本误差允许极限的100%。 量程过载指示: ? 当输出或测量mV信号超过量程满幅范围时，显示器以全“0”闪烁方式显示;当温度信号超过量程满幅范围时，显示器以全“1”闪烁方式显示。此时应减小调节输出或输入信号直至正常读数，或增大量程。 (4)使用方法 ?准备:在仪器背面电池盒内，按极性装入8节1号1.5V(R20型)干电池。按下电源开关，选择开关旋置“电池检查”，量程旋置2V档，仪器显示其中1节电池电压(应不小于1.3V)。若用交流电供电，则应在不装电池条件下将电源附件的插头插入面板上5外接电?源插座，预热时间约10分钟。 ?调零:将功能选择开关旋置“调零”，根据需要将量程开关 选择20 mV 或75mV档，调节调零电位器数字显示为零。 ?保护连接:仪器在使用时，若由于环境共模干扰引起跳字 不稳定，这时应将输入、输出低端COM应与仪器保护端G相连接， 如图7所示。 ?输出 a)接线方法:若被样表为高阻输入，采用二线制接法，如图 (8)所示。若被校表为低阻输入，应采用四线制接法，如图图(7)保护端连接 (9)所示。注意信号端钮与短路导电片必须旋紧。 图(8)二线制输出方式接线图(9)四线制输出方式接线 图 图 b)操作程序:功能转换开关旋置“输出”，量程转换开关旋置合适量程，调节粗、细调电位器即可获得所需量值的稳定电压。在200mV、2V档使用时不用预热，开机即可获得符合精度要求的电压输出。在20mV、75mV档量程使用应有5至10分钟预热时间，并在使用前调零。在校验低阻抗仪表时应采用四端输出方式，以消除测量导线压降带来的读数误差，此时应去掉信号端钮上短路导电片，接线方法如图(9)所示，仪器显示读数即为被校表输入端子上的实际电压值。 ?测量 如图(10)所示接线，在20mV、75mV档量程测量时按?方法调零，功能转换开关置“测量”，选择合适量程，显示读数即为被测电压值。 5 ?温度直读 根据需要，将功能转换开关置于“测量”或 “输出”，接线方式同测量或输出方式，热电偶分度 号选择开关置于需要位置，量程开关置于20 mV (S、T)或75 mV(K、E、J)，“温度直读”开关拨 至向上，显示器显示温度测量值，或输出显示温度 所对应的电压值。若量程置于200 mV或2V时，显示 器将全“2”闪烁，提示量程设置有误，应更正。 ?电池检查 功能选择开关旋置“电池检查”，量程旋置2V图(10)测量方式接档，当显示读数低于1.3V时应考虑更换电池。 线图 ?关机 按下电源开关到“0”，或拔去外接电源插头，仪器即停止工作，仪器若长期不使用，应将电池盒内电池取出。 2、GPS2303C型低压稳压电源 (1)概述 ?二路独立输出 0,30V连续可调，最大电流为3A;二路串联输出时，最大电压为60V，最大电流为3A;二路并联输出时，最大电压为30V，最大电流为6A。 ? 主回路变压器的付边无中间抽头，故输出直流电压为0,30V不分档。 ? 独立 、串联、并联，是由一组按钮开关在不同的组合状态下完成的。 根据两个不同值的电压源不能并联，两个不同值的电流源不能串联的原则，在电路设计上将两路0,30V直流稳压电源在独立工作时电压、电流独立可调，并由两个电压表和两个电流表分别指示，在用作串联或并联时，两个电源分为主路电源和从路电源。 (2)面板介绍 图(11) GPS-2303C型直流稳压电源面板图 图(11) CPS-2303C型直流稳压电源面板图 6 1电源开关 ? 2显示 CH1 或 CH3 的输出电压。 ? 3显示 CH1 或 CH3 的输出电流。 ? 4显示 CH2 或 CH4 的输出电压。 ? 5显示 CH2 或 CH4 的输出电流。 ? 6调整CH1输出电压。.并在并联或串联跟踪模式时,用于CH2最大输出电压的调整。. ? 7调整CH1输出电流.并在并联模式时,用于CH2最大输出电流的调整。 ? 8用于独立模式的CH2输出电压的调整。 ? 9用于CH2 输出电流的调整。. ? 10输出开关:打开/关闭输出。 ? 11输出指示灯:输出开关指示灯。 ? 12C.V./ C.C.指示灯:当CH2 输出在恒压源状态时，C.V.灯(绿灯)就会亮。在并联追踪? 模式， CH2 输出在恒流源状态时，C.C.灯(红灯)就会亮。 13C.V./ C.C.指示灯:当CH1 输出在恒压源状态时,或在并联或串联追踪模式，CH1 和? CH2 输出在恒压源状态时，C.V.灯(绿灯)就会亮。当CH1 输出在恒流源状态时，C.C.灯(红灯)就会亮。 14","输出端子:CH2 负极输出端子。 ? 15"+"输出端子:CH2 正极输出端子。 ? 16 GND 端子:大地和底座接地端子。 ? 17.","输出端子:CH1 负极输出端子。 ? 18."+"输出端子:CH1 正极输出端子。 ? 1920跟踪和跟踪模式按键:两个按键可选独立、串联或并联的跟踪模式，依据以下?? 步骤: 当两个按键都未按下时，是在独立模式和CH1 和CH2 的输出分别独立。只按下左键，不按右键时,是在串联跟踪模式。在此模式下，CH1 和CH2 的输出最大电压完全由CH1 电压控制(CH2 输出端子的电压跟踪CH1 输出端子电压)， CH2 输出端子的正端(红)则自动与CH1 输出端子负端(黑)连接，此时CH1 和CH2 两个输出端子可提供0~2 倍的额定电压。两个键同时按下时，是在并联跟踪模式。在此模式下，CH1 输出端和CH2 输出端会并联起来，其最大电压和电流由CH1 主控电源供应器控制输出。CH1 和CH2 可各别输出或由CH1 输出提供0~额定电压和0~2 倍的额定电流输出。 六(实验步骤与内容 实验(一)用数字电位差计测量微小电压 1、将电源附件的插头插入面板上的外接电源插座，预热时间约10分钟。 2、设计待测电路:该步骤的目的，是要获得待测电压。 UX 待测电路可由一个电阻箱和直流电源构成，如图 (12)所示。已知，和为电阻箱内E,1.5VRRR12 的两部分电阻;“0”、“9.9Ω”、和“99999.9Ω”分别 是电阻箱上的三个接线柱，可在0,9.9Ω的范围R1 内变化，其两端电压即为被测电压;(可在()RR，12 0,99999.9Ω的范围内选择。 图(12)待测电路 7 设计待测电路时，要求取9.9Ω，而必须满足: UR1X (1) 020mV,,UX1 (2) 20mV75mV,,UX2 (3) 75mV2V,,UX3 本次实验取?15mV，?65mV，?145mV，故可估算出的相应值为URUUX1X2X32''''''，， R,,980R,,210R,,100222 3、按照图12连接电路，根据步骤1的设计，先将电阻箱的、两电阻分别拨到RR12 和，电源电压调节到。则电阻两端的电压即为待测电压。 9.9,980,1.5VR1 4、按照图(10)所示线路，把电阻两端电压接入数字电位差计，把量程转换开关R1 档，“电压、温度直读”开关拨向下。按照使用方法中?方法调零，再把功能转换置于20mV 开关置于“测量”，此时，显示读数即为被测电压值。重复测量5次。记录测量数据。 次数 1 2 3 4 5 平均值 被测 电压 /UmVx1 '() R,,9802 U/ mVx2 ''() R,,2102 U/ mVx3 '''() R,,1002 '''''5、调节的阻值为、，使被测电压为?65mV、 R,,210R,,100RU2X222 ?145mV，选择适当量程，重复以上操作步骤，记录测量数据。 UX3 当量程选择200m65mV或2V时，测量过程中，不需要调零，可直接测量。 实验(二)用数字电位差计校准直流电压表 1、根据“实验一 电表改装与校准实验”，把100微安电流表改装成1.5V电压表。 2、按照图(8)连接电路，依照“使用方法?输出”的操作方法进行操作。 3、对“实验2.7电表改装与校准实验”中，改装的1.5V电压表进行校准。在校准过程中，电压值从小到大逐渐增大，选择10个点,按照“实验一 电表改装与校准实验”中的方法进行校准，分别从被校电压表和数字电位差计读出示值。设计原始数据表格并记录数据。 七(注意事项 1、用UJ33D-2型数字电位差计测量电压时，使用20、75量程时，每次测量前要mVmV 调零。 2、校准电压表时电压要从大到小和从小到大两个过程校准，校准时只能从一个方向趋近每一个校准点，而不能混乱，一会儿从左边趋近，一会儿从右边趋近。 3、注意接入改装表电信号的极性与量程大小，避免指针反偏或超量程时出现“打针”现象。 八(数据处理 实验(一)用数字电位差计测量微小电压数据处理 1、计算出被测电压的平均值; 2、评定被测电压的不确定度，包括A类的统计不确定度，B类的仪器不确定度参照仪器 8 说明。 3、测量结果写成标准式形式。 实验(二)用数字电位差计校准直流电压表 1、整理所测实验数据，计算改装表被校准点的标称误差，作出电压表的校准曲线图; 2、参考“实验2.7电表改装与校准实验”的数据处理方法，确定改装表的标称等级; 3、最终确定改装表的不确定度等级。 九(思考题 1、电位差计测电压的方法与用电压表测电压的方法有什么不同, 2、电位差计的测量结果为什么能具有很高的精度, 3、测量时，若被测电压的极性接反了，会发生什么现象, 4、用电位差计是否能校准电流表， 十(讨论与拓展 电位差计因其独特的电位补偿设计,避免了由于电路电阻或电源内阻的存在而产生误差, 不会干扰被测量的数值，从而具有精确度和灵敏度高的优点。新式的电位差计内置平衡系统，因而不需配以标准电池，就可以与被测电压或电动势达到补偿，从而实现测量目的。所以携带更加方便，且消除了因电池泄漏而产生的危害与污染。还内置有热电偶装置，对可以温度进行直读。或配以相应的各种换能器，不仅能在对准确度要求很高的场合测量电动势、电势差(电压)、电流、电阻等电学量，而且还可用于压力、位移、速度等非电量的测量和控制。 参考文献 [1] 9