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电位差计

发布时间：2009/12/14 阅读次数：1217 字体大小: 【小】【中】【大】

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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。E_n为标准电池，它的电动势准确测定。E_x是被测电池的电动势。G为灵敏检流计，用来做示零仪表。R_n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E_x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合在1的位置上，然后调节r，使G的指示为零点，这时有以下关系：

E_n=IR_n

式中E_n为标准电池的电动势，I为流过R_an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合至2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R_C，则有

并考虑2式，则有

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，工作回路与被测回路之间并无电流通过，不需要测出工作回路中的电流I的数值，只要测得R_C与R_n的比值即可，而这两个补偿电阻的制造精度很高，且E_n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。有些地方，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。借助于刻度盘等分为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P_2。P₁，将分别产生一个0.100V和.500V的电位差。由于P₂等分为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P_1，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）的功能分叙如下：

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“B_A⁺”,”1”上去。调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，一个作为粗调，一个作为细调。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，保持调定电阻值不变，将其输出端改接到电位差计的“0.014”接线柱上去，由于阻值为160Ω的电阻所起的分流作用，这时通过P_1，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．双刀双掷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。有了双刀双掷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。因此即使有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是两个单刀双掷电键，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，还将作详细介绍。

至此，已对一个简单的电位差计电路作了剖析。学生只有弄懂了图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故障。如果检流计本身是完好的，则大多数故障和错接，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断路。土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工作回路中有断路；④被测电势或标准电池、工作电池的极性接错。显然，从检流计向那个方向偏转，还可以判断出该故障属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，造成严重的极化现象，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

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