电表的改装与校准

    实验39　电表的改装与校准

    【实验目的】

    （1）学会测定微安表（表头）的量程和内阻；

    （2）熟悉电流表、电压表的构造原理，学会改装和校准电流表、电压表的基本方法。

    【实验仪器】

    标准电流表、标准电压表、待改装的微安表头、电源、滑线变阻器、电阻箱、开关等。

    【实验原理】

    磁电式电表的核心内部构造如图5-39-1所示，一般称为表芯或表头。它的构造原理是：在固定的均匀幅向磁场内，装有可活动的线圈，流过线圈的电流大小与线圈偏转的角度成正比，因此可用线圈的偏转角度来标志流过线圈的电流大小。再根据测量电流和电压的需要，将电表适当改装，便可得到不同测量范围。

    

    

    图5-39-1　表头的内部结构图

    1.微安表（表头）量程与内阻的测定

    如图5-39-1所示，表头的量程，是指针偏转满刻度时的电流值I_g，也称表头的满偏电流。表头的内阻R_g是偏转线圈的直流电阻。

    

    

    图5-39-2　代替法测G₁表的量程和内阻

    表头的量程和内阻是表征表头性能的参数，将表头改装为电流表或电压表时都要用到这两个参数。因此，必须掌握测量这些参数的方法。

    测定表头内阻有许多方法，下面仅介绍代替法。

    图5-39-2所示，G₁为待测的微安表头，标准表G₂的准确度等级要比表头G₁高2级，其量程与表头G₁的量程相接近。合上开关K₁之前，先置滑线变阻器R的滑动端C于B端，使U_{C B}为零；合上开关K₁，开关K₂打向1，调节R，使标准表G₂的偏转值为n整数格，注意不能超出G₁表的量程。把开关K₂打向2，电阻箱R_n代替表头G₁，调节R_n，使G₂的偏转值仍为n格，此时R_n的示值就等于待测表头G₁的内阻R_g。

    若K₂打向1，调节变阻器R使G₁刚好满偏，此时G₂的示值即为G₁的量程I_g。

    2.将表头改装成电流表

    扩大表头量程的办法是，在表头两端并联一个阻值较小的分流电阻R_P（如图5-39-3），使流过表头的电流只是总电流的一部分。表头G和R_P组成的整体就是电流表。选用不同阻值的R_P可以得到不同量程的电流表。

    

    

    图5-39-3　改装成电流表的结构

    在图5-39-3中，当表头满偏时，通过电流表的总量程为I通过表头的电流为I_g，根据欧姆定律有

    I_gR_g＝（I-I_g）R_P

    故得

    

    若I＝n_iI_g，即表头的量程要扩大n_i倍（n_i＝I/I_g为表头电流扩程倍数），则分流电阻为

    

    测出表头的量程I_g和内阻R_g，按照所需的电流表量程I，利用式（5-39-1）或式（5-39-2）可算出分流电阻R_P。

    3.将表头改装成电压表

    根据欧姆定律U＝IR，内阻为R_g的表头，若通以电流I_g，则表头两端电压降为U_g＝I_gR_g，通常I_g和R_g的数值不大，若表头作为直流电压表，其量程U_g也很小。为了测量较高的电压，将表头改装成电压表的办法是，在表头上串联一个阻值较大的分压电阻R_S（如图5-39-4），使超过表头电压量程的那部分电压降落在电阻R_S上。R_S亦称为扩程电阻。表头和R_S组成的整体就是电压表。选用不同阻值的R_S可以得到不同量程的电压表。

    

    

    图5-39-4　改装成电压表的结构

    在图5-39-4中，当表头满偏时，通过表头的电流为I_g，设改装后电压表总量程为U，因为U＝I_g（R_g＋R_S），则

    

    根据所需要的电压表量程U和表头量程I_g、内阻R_g，由式（5-39-3）可算出分压电阻R_S。

    4.电表的校准

    电表改装后必须经过校准才能使用，所谓校准，就是将改装后的电表与标准表，同时对同一个对象（如电流或电压）测量，进行比较。

    校准电表时，必须先调好零点，再校准量程（满刻度点）。若量程不对，可调节R_P或R_S，使量程与标准表指示数一致。

    校准刻度时，要同时记下待校表和标准表的读数，分别记为I_x和I_S（或U_x和U_S）。从而得到该刻度的修正值ΔI＝I_S-I_x（或ΔU＝U_S-U_x）。将改装表的同一量程的各个刻度都校准一遍，可绘出ΔI-I_x（或ΔU-U_x）的折线图，即校准曲线，如图5-39-5所示。在以后使用这个电表时，可以根据校准曲线对测量值作出修正，以获得较高的准确度。

    

    

    图5-39-5　电流表的校准曲线示意图

    【实验内容与步骤】

    1.用代替法测定微安表量程I_g和内阻R_g

    按图5-39-2接线。根据待测表头G₁的量程，选好标准表G₂的量程。电源选取适当的大小（如0.3V）。通电之前，滑线变阻器R的滑动端C应放置在U_{C B}＝0的位置，R_n初始状态不能为零可选取接近表头G₁的内阻值（即约几千几百欧）。仔细检查电路和各仪器的初始状态，调好各电表的零点。

    根据实验原理，按拟好的实验步骤进行操作。记录待测表头G₁的量程I_g和内阻R_g的测量值。注意：调节R、R_n时，电表G₁、G₂均不能超偏。

    

    

    图5-39-6　校准改装电流表

    2.将微安表改装成毫安表

    将表头扩程成量程I＝1mA的电流表。

    （1）计算分流电阻R_P的理论值。

    （2）按图5-39-6连接电流表的校准电路，虚线框内为改装后的电流表，其改装后的量程为I。

    （3）注意：适当选取标准表的量程和电源的大小（如0.5V）。开关K合上之前，应使滑线变阻器R的滑动端C放置于B处。

    （4）量程的校准。先将分流电阻R_P拨至理论值。合上开关K，调节R和R₁，使标准表的示值为改装电流表的量程I，此时表头指示数应正好是满刻度值。如果有所偏离，可适当调节分流电阻R_P，这个步骤有时需要反复稍调节R_P、R和R₁，直至改装表的量程符合设计值I，记录此时R_P的实际值R′_P。

    （5）刻度的校准。在校准量程的基础上（即保持R_P不变），调节R和R₁，使改装表的电流从零到满刻度均匀地分成五个刻度值（零值只作检查、不作记录），改装表的读数从小到大逐点校准，列表记录对应的改装表读数I_{x i}和标准表读数I_S，求各点偏差ΔI_i＝I_{s i}-I_{x i}。

    （6）找出最大值｜ΔI_i｜max，计算改装表的最大相对误差E_I＝×100%，并初步定出改装后电流表的准确度等级。

    国家标准规定，电表的准确度等级分为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0七个级别。在校准电表实验中，如果电表的最大引用误差为0.52%，则该电表的准确度等级为1.0级，但不能写作1级或第四级。

    （7）以I_x为横坐标、ΔI为纵坐标，作ΔI-I_x校准曲线。各校准点的误差具有独立性，所以要用折线联结相邻之点。

    

    

    图5-39-7　校准改装的电压表

    3.将微安表改装成电压表

    将表头扩程成量程U＝1V的电压表。

    （1）计算分压电阻R_S的理论值。

    （2）按图5-39-7连接电压表的校准电路，虚线框内为改装后的电压表，其改装后的量程为U。

    （3）电源约取1.2V，选择标准表的量程。开始时R的滑动端C放置于最安全的位置。

    （4）量程的校准。将分压电阻R_S拨至理论值。合上开关K，逐步调节变阻器R，使标准表的示值为改装电压表的量程U值，此时表头指示数应正好是满刻度值。如果有所偏离，可适当调节R_S，使改装电压表的量程符合设计值U，记录此时R_S的实际值R′_S。

    （5）刻度的校准。在校准量程的基础上（即R_S不变），调节R，使改装表的电压从零到满刻度均匀地分成五个刻度值（零值只作检查、不作记录），改装表的读数U_x从小到大逐点校准，列表记录对应的改装表读数U_{x i}和标准表读数U_{s i}，求各点偏差ΔU_i＝U_{s i}-U_{x i}。

    找出最大值｜ΔU_i｜_max，计算改装表的最大相对误差E_U，初步定出改装电压表的准确度等级。作出ΔU-U_x校准曲线。

    【实验注意事项】

    （1）用回路法连线，注意分压器R的正确连接和安全初始的状态。

    （2）调节电阻箱时，要防止电阻值从9到0的突然减小而烧坏电表。实验前后，都应仔细检查各电表是否完好，有问题应及时报告老师。

    （3）改装表的量程校准后，在校准刻度的过程中，分流电阻R_P或分压电阻R_S不能改变。

    （4）要注意正确进行读数和记录测量值的有效数字。

    预习思考题

    （1）分流电阻R_P越小改装的电流表量程越＿＿。在校准电流表时，如果发现改装表的读数均相对于标准表的读数都偏高，说明改装表的量程不够＿＿＿＿（选：大或小），若要达到标准表的数值，改装表的分流电阻R_P应调＿＿＿＿（选：大或小）。

    （2）分压电阻R_S的大小对改装电压表的量程有何影响？校准电压表时，如果发现改装表的读数相对于标准表的读数都偏高，若要达到标准表的数值，此时改装表的分压电阻R_S应调大还是调小？为什么？

    （3）图5-39-6中的滑线变阻器R的主要作用是＿＿＿＿，开始时滑动触头C应放在＿＿＿＿位置。

    （4）改装表的量程校准后，在校准刻度的过程中，为什么分流电阻R_P或分压电阻R_S不能变？

    思　考　题

    （1）试用半偏法测量表头内阻。要求画出电路图和写出简要的实验步骤。实验仪器有待测表头、电阻箱、直流电源、开关以及导线。

    （2）能否把量程为100μA、内阻为900Ω的表头改装为50μA的微安表或0.1V电压表。

    （3）试将量程为100μA、内阻为1000Ω的表头设计为一个多量程的电流表（如1、10mA、100mA）和电压表（如1、10V、100V），画出设计电路图，计算出各分流电阻、分压电阻的阻值。

    （4）一个多量程电表如图5-39-8所示，若表头G的量程为100μA、Rm＝R_g＋R₀＝R_S＝2kΩ，I₁、I₂、U1、U2的量程分别为10mA、1mA、1V、10V，试分别求出电阻R₁、R₂、R₄、R₅的阻值。

    

    图5-39-8　多量程电表

    （5）测定表头内阻有许多方法，考虑电表内阻不可忽略，比较以下几种测定微安表头内阻的方法，＿＿测表头内阻的系统误差最大，测量的准确度最低；＿＿测表头内阻的系统误差最小，测量的准确度最高。

    A-半偏法　B-代替法　C-伏安法　D-伏安补偿法　E-0.02级电势差计补偿法　F-电桥法