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    电位差计的工作原理和性能

    来宝网2007年11月18日 17:24 点击:5699

    电位差计 工作原理
    电位差计是根据补偿法(或称对消法)测量原理设计的一种平衡式电压测量仪器。其基本工作原理如图所示。En为标准电池,它的电动势准确测定。Ex是被测电池的电动势。G为灵敏检流计,用来做示零仪表。Rn为标准电池的补偿电阻,其电阻值大小是根据工作电流来选择的。R是被测电池的补偿电阻,它由以知电阻值的各进位盘组成,通过它可以调节不同的电阻值使其电位降与Ex相对消。r是调节工作电流的变阻器,E为工作电源,K为换向开关。

    测量时先将开关K?#26174;?的位置上,然后调节r,使G的指示为零点,这时有以下关系:
    En=IRn
    式中En为标准电池的电动势,I为流过Ran和R的电流,称为电位差计的工作电流,即
    工作电流调节好后,将K?#29616;?的位置上,同时旋转各进位盘的触头C,再次使G指示零位。设C处的电阻值为RC
    由此可知,用补偿法测量电池电动势的特点是:在完全补偿(G在零位)时,工作回路与被测回?#20998;?#38388;并无电流通过,不需要测出工作回路中的电流I的数值,只要测得RC与Rn的比值即可,而这两个补偿电阻的制造精度很高,且En也经过用标准方法精确测定,所以只要用高灵敏度检流计示零,就能准确测出被测电池的电动势。

    电位差计线路分析举例

    一.学生型电位差计
    学生型电位差计虽然精度不高,接线麻烦,包括调定电阻,电键等附件后要另外配置。但对于学生的基本训练和掌握电位差计的基本原理来说,具有一定的意义。?#34892;?#22320;方,包括国外有的学校的基本实验,还使用学生型电位差计。

    学生型电位差计内部电路如图Ⅲ-6-2所示。其作用只是相当于图Ⅲ-6-1中的可变电阻r。它是由一个步进式的分压电阻器P1和一个滑线式的分压电阻器P2串联组成。P1中每个固定的电阻的阻值为10.0Ω,共十五级,总的阻值为150.0Ω;P2滑线电阻的总的阻值为10.0Ω。借助于刻度盘?#30830;?#20026;100小格,则每小格的电阻为0.1Ω。当标定的电阻为0.1Ω。当标定的10.00mA的工作电流I流过P2。P1,将分别产生一个0.100V和.500V的电位差。由于P2?#30830;?#20026;100小格,因此每小格代表0.001V的电位差,P1是由十五级固定电阻串联组成的,每步进一级,电位差升高0.100V。从图Ⅲ-6-3可以看出,改变P1上的刷形开关和P2上的滑动触点的位置,在接线柱E+,E-两端可以获得一个0~1.600的可调电位差输出,以作为补偿法测量中与被测电势互相对消之用,因此P1,P2在习惯上被称为“测量盘”。

    显然,图Ⅲ-6-2中的学生型电位差计还必须配合其他配件,才能进行实际的电位差测量,图Ⅲ-6-3是一个完整的学生型电位差计测试电路。现将各个部分(虚线框)的功能?#20013;?#22914;下:

    1. 调定电阻箱 它与工作电池(3V)串联起来,然后接到学生型电位差计的接线柱“BA+”,”1”?#20808;ァ?#35843;定电阻箱内有一个降压电阻和两个电阻值分别为30、2Ω的可变电阻。降压电阻是用来使工作电池中的一部分电压在这一电阻上,对工作电流能起一定的稳定作用。两个可变电阻是用来在标定时调定工作电流的,一个作为?#20540;鰨?#19968;个作为细调。如果被测电势值小于16mV,而又要保持原有的测试精度,可在工作电流回路标定之后,保?#20540;?#23450;电阻值不变,将其输出端改接到电位差计的“0.014”接线柱?#20808;ィ?#30001;于阻值为160Ω的电阻所起的分流作用,这时通过P1,P2的工作电流就只有原来的1%,因此,从测量盘上读得的数值都乘以0.01。

    2. 双?#31471;?#25527;开关 按需要分别将标准电池或被测电势切换到测量回路中去。特别当工作电流不太稳定的时候。为了保证测量数据的准确度,必须经常对工作电流进行标定。有了双?#31471;?#25527;开关可以免除测试和标定过程中反复接线的麻烦。

    3. 检流计保护单元 学生型电位差计的测试精度为0.001V,如有0.001V的电势未被对消时,要求能通过检流计检测出来。如测量回路的电阻为1000Ω。则检流计的灵敏度应达到1*10-6A。mm-1。由于被测电势值是未知的,在几次测试中,其未被对消的电势必然是很大的,如按一下电键,则通过检流计的电流将比它的灵敏度大几个数量级,导致检流计被打坏,因此必须加保护装置。,办法是先按图Ⅲ-6-3中的电键K1,这时,测试回路中串联了一个阻值约为10kΩ的保护电阻。因此?#35789;?#26377;0.1V的电势未被对消,通过检流计的电流也只有1*10-3A,在检流计允许范围内。若按一下K1,,检流计已检不出有电流通过,白哦名电势未被对消的程度已比较小,可直接接按电键K2,这时因绕过保护电阻,测量回路的灵敏度重又提高。保护电阻阻值的选择,决定于电位差测试精度的要求以及所用的检流计的灵敏度。图Ⅲ-6-3中K1、K2是两个单?#31471;?#25527;电键,当K1、K2均未按下时,有一个“临界阻尼电阻”通过k1、K2并接到检流计输入端的接线柱上,当检流不接通测量回路时,它能使指针或光点迅速回到零位,以待下次检测。这个临界阻尼问题在后面检流计这一小节中,还将作详?#38468;?#32461;。

    至此,已对一个简单的电位差计电路作了剖析。学生只?#20449;?#25026;了图Ⅲ-6-3的电路原理后,才能正确、熟练地接地线。但有时仍会由于一些偶然的客观原因而出现?#25910;稀?#22914;果检流计本身是完好的,则大多数?#25910;?#21644;错接,都可以按一下电键。如检测计总是向一个方向所呈现出的各种动态现象上判断出来。通过检流计不动,表明测量回路中必有?#19979;貳?#22303;检测计总是向一个方向偏转,则表明达不到补偿,其原因可能有下面四种:①被测电势高于电位差计的量限;②工作电池没有电动势输出,或工作电池电动势低于规定值;③工作回路中有?#19979;罰虎?#34987;测电势或标准电池、工作电池的极性接错。显然,从检流计向那个方向偏转,还可以判断出该?#25910;?#23646;于这四种情况中的哪一种。

    在测试中,按电键的时间要短(‹1s),以防止过多的电量通过标准电池或被测原电池,造成?#29616;?#30340;极化现象,破坏后者的电化学可逆状态。

    二、UJ-25型电位差计
    UJ-25型电位差计是一种实验室用的精密度高电势电位差计,其内部电路如图Ⅲ-6-4所示。图中E为工作电池,En为标准电池,Ex为被测电池。

    该电路图的工作回路由下列各部分组成:

    1. 第I测量十进盘为18个1000Ω的电阻组成,其中第5个电阻是由一个999Ω和温度补偿B的十进盘10个0.1Ω电阻串联而成,第16个电阻则由1个180Ω,1个810Ω及温度补偿B的十进盘10个1Ω电阻串联而成。

    2. 第Ⅱ测量十进盘为11个100Ω的电阻组成。

    3. 第Ⅲ测量十进盘为10个10Ω电阻组成,另有10个10Ω电阻为其替代盘。

    4. 第Ⅳ测量十进盘为10个1Ω电阻组成,另有10个1Ω电阻为其替代盘。

    5. 第Ⅴ,Ⅵ测量十进盘为分路十进盘,分别由10个1Ω及10个0.1Ω电阻(有10个0.1Ω为替代盘)组成。它与1个889Ω电阻串联后,并联在第Ⅱ测量十进盘的1个100Ω电阻上。

    以上五个部分,I~Ⅵ测量盘的电阻值共计19200Ω。

    6. 工作回路中的电流由调节电阻(分粗,中,细,微四档)来调节,使其达到电流为0.0001ΩA。调节电阻是由3个17档进位盘(粗:17*240Ω,中:17*14.5Ω,细:17*1Ω)和一个21档进位盘(微:21*0.05Ω)组成。相当于图Ⅲ-6-1中的r。

    若工作电池的电动势为2V,要使电流为0.0001A,则必须使回路电阻值19200Ω,总共20000Ω,这样就达到电流为0.0001A。

    其标准电池回路中标准电池电动势的补偿电阻包括下列电阻:

    (1) 第I测量十进盘从5~15的10个1000Ω电阻个1个180Ω电阻工10180Ω。

    (2) 温度补偿十进盘A,B分别由10个1Ω和10个0.1Ω电阻组成。

    当标准电池的电动势在一定室温下为1.01863V,要使检流计中没有电流通过,必须使标准电池回路与工作电池回路电流相等(方向相反),检流计两端电压相等。可以通过调节,回路中电阻值为10186.3Ω(电流0.0001A),既把A盘放在“6”,B盘放在“3”的位置上(总电阻就是10000+180+6+0.3=10186.3Ω),这样就达到对消的目的。

    在测量未知电动势时,把开关由标准推向未知,由于工作电流固定为0.0001A,放在未知回路中的每只电阻的电压降为:第Ⅰ测量十进盘为1000Ω*0.0001A=1*10-1

    (来源: 来宝网 )


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