1、实验八 箱式电位差计【实验目的】1了解箱式电位差计的结构和补偿原理。2学会用箱式电位差计测电动势。【实验原理】一般用伏特表测电位差或电动势时，由于伏特表自身的内阻在电路中有分流作用，往往产生较大的测量误差。而用电位差计测电位差或电动势时，却不存在这个问题。箱式电位差计是用来精确测量电池电动势或电位差的专门仪器。它采用电位比较方法依据补偿原理进行测量，由于与之配合使用的标准电池电动势非常稳定，用做检测电流的灵敏电流计灵敏度很高，加上箱式电位差计的电压比较电路精确度较高，因此，它能精确地测量待测的电位差和电池的电动势。同时，因为箱式电位差计精度很高，常用来校正电压表和电流表。图 8-1 电压补偿原
2、理图 图 8-2 电位差计原理简图1电压补偿原理图 8-1 为电压补偿原理图。在图 8-1 中，E x 为被测未知电动势，E 0 为可以调节的已知电源，G 为检流计。在此回路中，若 E0E x，则回路中一定有电流，检流计指针偏转。调整 E0 值，总可以使检流计 G 指示零值，这就说明此时回路中两电源的电动势必然是大小相等，方向相反，数值上有 Ex=E0，因而相互补偿（平衡） 。这种测电压或电动势的方法称为补偿法。电位差计就是应用这种补偿原理设计而成的测量电动势或电位差的仪器。由上可见，构成电位差计需要有一个特定的可调电源 E0，而且要求它满足两个条件：它的大小便于调节，使 E0 能够和 Ex
3、补偿；它的电压很稳定，并能读出精确的伏特值。2电位差计原理图 8-2 为电位差计原理图。电位差计应用的补偿原理，是用可调的已知电压 E0=IR0与被测电动势 Ex 相比较，当检流计指示零时，两者相等从而获得测量结果，如图 8-2 所示。由欧姆定律 U=IR 可知，要想得到可调的已知电压 E0，可先使电流 I 确定为一恒定的已知标准电流 I0，然后使 I0 流过电阻 R，如果 Ra 的大小可调并可知（ Ra 是 R 在补偿回路ExKGRa 中的部分） ，则 Ra 两端的电压降 U 即为可调已知，有 U=I0Ra，将 Ra 两端的电压U 引出，并与未知电动势 Ex 进行比较，组成补偿回路，则 U
4、相当于上面所要求的“E 0”。在图 8-2 中，ERR sRp 组成辅助回路，E xKGRa 和 EsRsGK 各组成一个补偿回路。 校准工作电流辅助回路中的电流叫工作电流。为使 Ra 中通过的电流是已知的标准电流 I0，在图 8-2中，使开关 K 倒向右端 1，调节 Rp 改变辅助回路中的电流，当检流计指示零时，R s 上的电压降恰与补偿回路中标准电池的电动势 Es 相等，有 Es=I0. Rs， ，由于 Es 和 Rs 都s0是很准确的，所以这时辅助回路中的工作电流就被精确地校准到所需要的 I0 值。图 8-3 UJ-31 型电位差计面板示意图 测量未知电动势在图 8-2 中，把 K 倒向
5、左端 2，保持 I0 不变，只要 ExI 0R，总可以滑动 Ra 使检流计再度指示为零，此时可得 saaxRIE0由于测量时保证 I0 恒定不变，所以 Ex 与 Ra 一一对应。一般，箱式电位差计在制造时，用可调节的标准电动势取代 Ex 给 Ra 定标，在测量未知电动势 Ex 时就可以从 Ra 示值上直接读出所测电动势 Ex 值。补偿法具有以下优点： 电位差计是一个电阻分压装置，其中被测电压 Ux 和一标准电动势 Es 二者接近于直接加以并列比较。U x 的值仅取决于电阻比 Ra/Rs 及标准电动势 Es，因而可能达到的测量准确度较高。 上述“校准”和“测量”两步骤中电流计两次均指零，表明测量
6、时既不从标准回路内的标准电动势源（通常用标准电池）中吸取电流，也不从测量的回路中吸取电流。因此，不改变被测回路的原有状态及被测电压值等参量，同时可避免测量回路导线电阻、标准电池内阻及被测回路等效内阻等对测量准确度的影响，这是补偿法测量的准确度较高的另一原因。【实验仪器】电 位差计，标准电池，直流稳压 电源，检流计，硅光电池，灯泡， 导线等。图 8-4 用 UJ-31 型电位差计测量电源电动势 Ex本实验所用电位差计为 UJ-31 型低电势直流电位差计，图 8-3 是 UJ-31 型电位差计的面板示意图。图 8-4 是用电位差计测电源电动势的原理图，图中虚线框内是 UJ-31 型电位差计的原理简
7、图，详图见附录中附图 1。UJ-31 型电位差计是一种测量低电位差的仪器，分为量程 17mV（最小分度 1V，倍率开关 P 旋到1）和量程 170mV（最小分度 10V，倍率开关 P 旋到10）两档。图 8-3 面板示意图上方的五对接线端钮从左到右依次接入标准电池、检流计、5.7V6.4V 直流电源和待测的两组未知电压（未知 1 和未知 2） 。面板上各旋钮、开关及调节盘的名称、作用及操作注意事项见表 8-1。表 8-1 UJ-31 型电位差计的面板及操作注意事项图 9-3 中标记及名称 图-的标记 作用、特点及操作注意事项S：操作步骤选择开关 S进行“校准”时 S 旋至“标准”位置， “测量
8、”时旋至“未知 1”或“未知 2”位置，不用时旋至“断”位置RN：温度补偿盘 RN“校准”前根据室温查出当时的标准电池电动势 EN，将 RN 盘旋至对应位置，该盘已直接按电池电动势值标注。R N 的电阻值=E N/0.010 000校准 r1、r 2、r 3：电流调节盘 r1、r 2、 r3“校准”时旋转面板上三个粗、中、细调节盘，使检流计指零，这时 I0=10.000mAP：倍率选择开关 图中未画出“测量”前根据被测电压的约值预先选定，让最大的一位测量盘用上。未知电压=测量盘读数倍率（有1 或10 两档）测量 、：测量盘 Rx测量未知电压用的粗、中、细调节盘，已按倍率为1 时的电压值标定分度
9、，可直接读数粗、细、短路：电流计按钮开关 粗、细、短路进行“校准”或“测量”的操作时，应先按“粗”按钮，这时检流计回路串联有 10k 电阻，经调节待测检流计几乎指零后再按下“细”按钮继续调节，直至指零。按下“短路”按钮时，检流计被短路，检流计光标或指针能很快停住。当光标或指针左右摆动，长久不停时可用它，一般不用G灵敏检流计；EN标准电池；E6V 左右的电源；EX未知电源UJ-31 型电位差计的准确度等级为0.05，在环境温度与 20相差不大等条件下，其基本误差限 Ux 为Ux=（0.05%U x+U）= B （8-1）式中的 U 当倍率为10 时取 5V，当倍率为1 时取 0.5V。2标准电池
10、本实验采用饱和标准电池（电解液为饱和硫酸镉溶液） （见图 8-5）作标准电动势源。标准电池 20时的电动势为EN（20） ，可求得 0t40时的电动势为EN（t）=E N（20）- 39.9（t -20） +0.94（t -20） 2-0.009（t -20） 210-6上式中单位为 V。使用标准电池应注意以下几点： 根据使用时的室温算出或查出当时的电动势值（实验室有算好的表格可查见表 8-2） ；存放地点温度波动要小，远离热源，并避免强光直接照射到电池上；正负极不能接错，严禁短路，流经电池的电流应小于10A； 轻拿轻放，不得振动和倒置。表 9-2温度/ 标准电池 ES/V 温度/ 标准电池
11、ES/V10 1.018 91 20 1.018 6011 1.018 89 21 1.018 5612 1.018 86 22 1.018 5213 1.018 84 23 1.018 4714 1.018 81 24 1.018 4215 1.018 78 25 1.018 3716 1.018 75 26 1.018 3217 1.018 71 27 1.018 2718 1.018 68 28 1.018 2119 1.018 64 29 1.018 16【实验步骤】1测量前的准备工作 线路没有接通前，先将操作步骤选择 S 转到“断”的位置，并将面板左下角“粗” 、“细”按钮松开，将倍
12、率选择开关 P 按测量需要指标在“10”或“1”的位置上。 因为标准电池的电动势随温度也有微小的变化，所以应按照实验室温度计示值，参照参考资料，把温度补偿器 RN 转到所查得的数值位置上。 按图 8-3 上分布的接线柱的极性，按图 8-4 分别接上“辅助电源” （辅助电源 E 值电压范围是 5.7V6.4V） 、 “标准电池” 、 “检流计”及测量导线。2校准工作电流将操作步骤选择开关 S 转到“标准”位置，将图 8-3 中左下角的电键按钮“粗”按下，用变阻器 r1、r 2、r 3（或称工作电流调节器） ，按粗、中、细顺序校准工作电流，使检流计指示到零位置，再将图 8-3 中左下角电键按钮 “
13、细”按下，进一步调节 r2、r 3 使检流计重图 8-5 标准电池结构图新指示到零位置，这时工作电流校准完毕。3测量未知电动势 Ex工作电流校准完毕后，将硅光电池箱中的灯泡接通电源，电池两端接“未知 1”或“未知 2”的位置，将 S 转到对应的“未知 1”或“未知 2”，调节 Ra（即依次转动测量盘、） ，使检流计指示到零。此时所得待测电动势 Ex 的大小，是电位差计所有测量盘、上读数乘以各量程的总和再乘以倍率选择开关 P 所指示的“10”或“1”的值。【数据处理】重复上述步骤 2、3，测得 8 个 Ex 值，求出 Ex 值的平均值及不确定度，最后以表达测量结果 注：B（ 仪 ）由（8-1）式
14、计算出 。【注意事项】1辅助电源、标准电池以及待测电动势的极性绝对不可接错，否则得不到电压补偿，若按下电键按钮，检流计线圈中将有很大电流通过，易使仪器损坏。2在测量过程中，工作条件经常发生变化（如辅助回路电源 E 不稳定等） ，为保证工作电流标准化，使测量结果更准确，应经常校正工作电流，在校正工作电流时，应和调节工作电流一样，S 指示在“标准”位置。3检流计线圈中不允许通过大电流，所以和检流计内部相接的面板左下角的电键必须按先“粗”后“细”的顺序操作。【思考题】1在工作电流标准化过程中，总调不到平衡，即检流计指针总是偏向一边，试分析可能的原因？2如何利用低量程电位差计较准比其量程高的电压表？请
15、设计一简单电路。3怎样运用电位差计较准一电流表？请设计一简单电路。4当用一个已被校准好的箱式电位差计去测电动势时，发现无论如何也调不到平衡，分析哪些因素会导致上述现象发生？5怎样用电位差计测量待测电阻的阻值？参考资料直流检流计使用方法本实验用两种直流检流计：AC15/4 型和 AZ19 型。1AC15/4 型直流检流计外形如图 8-6 所示的检流计为磁电式指针电流计，电流常数为 2710 -7A/div，在电位差计实验中做示零器。它的零点位于刻度盘中央，有调零旋钮，若通电前指针偏离了零点，则应先利用检流计上的调零旋钮调零，然后方可使用。安全制动拨钮平时处于锁定位置（拨钮指向红色圆点） ，检流计
16、处于断开状态，以防止因震动造成机心损坏，只有使用时才打开（拨钮指向白色圆点） ，使指针能自由摆动。直接将检流计线圈短路的按键称“短路”按键。检流计指针偏离零位时断电，指针会在零位左右摆动不停，影响下一次测量，这时只需在指针过零位时，按下此键，指针便在电磁阻尼作用下迅速停止于零位。 “电计”按钮的作用相当于串接在电路中的开关，按下此键电路才会接通。这种指针式检流计常用来检测电路中的小电流和小电压。2AZ19 型直流检流计是高增益、低漂移、低噪声，放大器配以大表的指针式表头而构成的新型直流检流计。使用方法： 插上 220V 电源，接通仪器后面电源开关。 检流计预热 10 分钟左右，将量程开关旋至“调零”档，进行准确调零。 将电位差计面上检流计接线端子与检流计输入端子相连，选择合适的量程（例10mV） ，即可使用。注意：检流计在检零放大时，指针有不应有的偏移，说明信号源内存在热电势或接触电势。图 8-6
