王 婷，談 勇，郭 鵬

(蘭州交通大學，甘肅蘭州 730070)

在對于要求實現(xiàn)測量的高精度、快速度、自動化的信息化社會中，傳統(tǒng)的模擬指針式儀表是無法完成的［1-2］。用UJ31型電位差計校準電流表是電磁學實驗中的一項重要內(nèi)容。操作過程中最重要的環(huán)節(jié)是附件設備--平衡指示器檢流計決定電路是否達到補償狀態(tài)。傳統(tǒng)的指針式檢流計給學生操作實驗帶來諸多不便。用數(shù)字式儀表替代，不僅給實驗的操作帶來很多方便，還能大大提高實驗的測量精度。

1 實驗目的

加深對補償法測量原理的理解和運用，學習用電位差計校準精度較高的電流表的原理;

練習測量電路的設計和測量條件的選擇，畫出校正電流表的電路原理圖;

學會用校準曲線確定被校表的級別;

比較兩種不同平衡指示器的測量結果。

2 工作原理

2.1 補償法測量原理

UJ31型電位差計是基于補償法原理進行設計制作的。補償原理就是利用一個電壓或電動勢去抵消另一個電壓或電動勢。補償法是電磁測量的一種基本方法，特點是在測量時儀器不從被測電路中分流，不影響被測電路的狀態(tài)［3］。UJ31型電位差計電路原理圖如圖1所示［4］，具體工作時首先要對標準電池的電動勢Es進行溫度補償;其次要對工作電流標準化，工作回路中電流要被精確地校準為所需要的10 mA值;最后從測量盤所標的刻度，讀出待測未知電勢EX值［5］。

圖1 UJ-31型電位差計工作原理圖

2.2 校準電流表工作原理

校準電流表是指將待校準的電表和一個準確度等級較高的標準表同時測量一定的電流，分別讀出被校準電表各個刻度的示值I和標準表所對應的示值IN，得到各刻度的修正值△I，以I為橫坐標、△I為縱坐標畫出電表的校正曲線［6］。

3 實驗內(nèi)容與步驟

采用不同平衡指示器用UJ31型電位差計對實驗室學生頻繁使用的一塊150 mA、0.5級的電流表進行校準。

3.1 實驗器材選取

400 Ω滑線變阻器，DH1718D-5雙路跟蹤穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，ZX21型直流電阻箱，開關，導線，與UJ31型電位差計配套使用的附件設備(檢流計、標準電池、溫度計)等。

3.2 校準電路設計

在校準回路中，被校電流表與標準電阻RN串聯(lián)，流過相同的電流。在此用高精度的UJ31型電位差計測RN兩端的電壓，從而求出電流IN，將IN作為標準電流。因UJ31型電位差計的最大量程為171.1 mV，被校電流表最大量程為150 mA，所以RN應選用最大值為1.14 Ω的電阻，則標準電阻選取時只要小于1.14 Ω即可。

根據(jù)實驗內(nèi)容設計電路見圖2［7］。選用合適的參數(shù):穩(wěn)壓電源固定輸出2 V，要求控制電路的電流調(diào)節(jié)范圍為0-150 mA，選取適當?shù)目烧{(diào)限流電阻(0-99 999.9 Ω)、滑動變阻器(400 Ω)和標準電阻(用0.1級電阻箱調(diào)阻值為1.1 Ω)。

圖2 校準電流表的電路圖

3.3 實驗數(shù)據(jù)采集

根據(jù)圖2連線，測得RN(RN為標準電阻)兩端電壓后，即可根據(jù)歐姆定律算出通過負載的電流IN。進行校正時要求選取多個測量點逐一進行，然后將數(shù)據(jù)記錄下來，見表1。

表1 電位差計校準電表實驗數(shù)據(jù)記錄

4 兩種平衡指示器的實驗比較

由電位差計工作原理可知，在具體測試過程中兩次用到補償，而確定是否達到補償狀態(tài)關鍵取決于其平衡指示器檢流計在操作規(guī)范的情況下，指針指示位置是否在零位，所以平衡指示器檢流計的精度將決定測量數(shù)值的準確度。

4.1 指針式平衡指示器校準電流表

平衡指示器檢流計采用機械式AC5/4型直流指針式檢流計。實際操作時，要將檢流計的鎖扣接入通路狀態(tài)，指針指示在零位，電計旋鈕接通［5］。確定指針是否在零位時要做到三合一(即指針、刻度線、鏡中的像三線重合)。事實上會造成人為的測量誤差和操作誤差。

4.2 數(shù)字式平衡指示器校準電流表

數(shù)字儀表操作簡單，測量過程自動化，可以自動地判斷極性。數(shù)字化測量原理、方法及儀器結構等方面完全不同于傳統(tǒng)的指針式儀表，它具有測量速度快、精確度高、操作方便等優(yōu)點［6］。測量過程直接以數(shù)字形式給出，所以在兩次補償過程中，平衡指示器的操作簡單、指零示數(shù)觀察方便，不會產(chǎn)生視覺和操作誤差。

4.3 兩種平衡指示器的校準曲線

將實驗數(shù)據(jù)用Excel軟件進行處理，做出△II校準曲線，見圖3。校準曲線兩點之間以直線段相連，整個圖形是折線狀［8］。結果表明:指針式平衡指示器校準電流表△Im=0.92 mA;數(shù)字式平衡指示器校準電流表△Im=0.70 mA。

圖3 △I-I校準曲線

4.4 待校電表的準確度等級K

待校電流表的精度確定:電表級別由K=△Im/I×100%確定，△Im是測量值中差值最大的一個，I是被校表量程。根據(jù)國標(GB)規(guī)定，電表的精度級別分為 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共7級，由K的大小定出電表的級別［8］。從△I-I校準曲線知:

指針式平衡指示器校準電流表K=△Im/I×100%=0.61%，則0.5% ＜K＜1.0%，所以被校電表級別為1.0級。

數(shù)字式平衡指示器校準電流表K=△Im/I×100%=0.47%，則0.2% ＜K＜0.5%，所以被校電表級別為0.5級。

綜合以上結果，可知被校電表的最大絕對誤差為0.92 mA。以后使用這塊電表時，可根據(jù)校準曲線修正電表的讀數(shù)，得到準確的測量結果。

4.5 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)比較測試結果

由測試數(shù)據(jù)對兩種平衡指示器的實驗結果比較知:指針式儀表測量誤差為0.61%;數(shù)字式儀表測量誤差為0.47%。

所以，平衡指示器為數(shù)字式的測量結果優(yōu)于平衡指示器為指針式的測量結果。

5 實驗研究結果

經(jīng)過具體分析，使用UJ31型電位差計校準電流表時，采用指針式平衡指示器操作繁瑣，誤差較大;采用數(shù)字式平衡指示器操作簡單、方便。

在UJ31型電位差計實驗中，采用數(shù)字顯示儀表模塊替代機械式檢流計，使學生在實驗操作過程中步驟簡單、測量省時、讀數(shù)容易且準確、避免錯誤操作損壞檢流計設備，能更準確的測得實驗數(shù)據(jù)。

［1］符時民，姜秀娟.數(shù)字式儀表在電磁學實驗中的應用研究［J］渤海大學學報:自然科學版，2012，33(4):229-333.

［2］張潔，李敬兆.基于PWM的數(shù)字電位差計設計［J］.大學物理實驗，2014(1):22-24.

［3］張兆奎.大學物理實驗［M］.上海:華東化工學院出版社，1994.

［4］潘人培.物理實驗教學參考書［M］.北京:高等教育出版社，1990.

［5］李建豐，王婷.大學物理實驗教材［M］.北京:科學出版社，2012.

［6］朱世坤，辛旭平，等.設計創(chuàng)新型物理實驗導論［M］.北京:科學出版社，2010.

［7］周珺，王婷.工科物理實驗教程［M］.北京:高等教育出版社，2013.

［8］劉平，陳巖.大學物理實驗［M］.南京:南京大學出版社，2012.

［9］楊述武，趙立竹，沈國土，等.普通物理實驗［M］.北京:高等教育出版社，2007.