[科普中国]-电位差计

特点

亦称电势差计、 电位计。根据被测电压和已知电压相互补偿 (即平衡)的原理制成的高精度测量电位差的仪器。与电压表相比的主要优点是测量时不需要待测电路供给电流，因而不影响待测电路，可准确测出电源电动势。一般有转柄式和滑线式两种。

由于采用电位补偿的方法， 因此测量精度高。避免了由于电源内阻产生的误差， 在没有电流通过电源的情况下测量它的路端电压， 极大地提高了精确度和灵敏度1。

补偿方法的特点是不从测量对象中支取电流，因而不干扰被测量的数值，测量结果准确可靠，电位差计用途很广，配以标准电池、标准电阻等器具，不仅能在对准确度要求很高的场合测量电动势、电势差(电压)、电流、电阻等电学量，而且配合以各种换能器，还可用于温度、位移等非电量的测量和控制。

原理当没有电流流过时，电池的正负极间的电势差等于电池的电动势。如有电流流过，因在电池内阻上有一定电压降(用电压表测量电池两极间的电压，就是这种情形)，这时测得的不再是电池电动势，而只能称作端电压。若能在无电流流过时进行测量，就可直接测量电动势了。补偿法就是这样一种方法。

电位差计分交流和直流两种，在生产和科研中广泛使用。例如生产半导体材料和 元件时，常用铂—铂铑合金组成的温差电偶测 量炉温，而温差电动势的变化只有几十微伏，不 宜用电压表测量，一般都要用电位差计。电位差计还被用来准确测量电流和电阻。交流电位差计可用于磁性测量。2

补偿法测电压如图一所示的电路可以用来测定未知的电动势，图中 Ex 是被测电动势，EN 是可以调节的已知电源。如调整 EN 值使回路中检流计指示零值(即回路里电流为零)，则 Ex 与 EN 的关系是电动势方向相反，大小相等，故数值上有 Ex =EN 。这时电路达到电压补偿 , 这种方法称为补偿法 。2

补偿法测电流将电位差计的电压补偿法原理应用于电流测量中，避免了电流测量中因电表的内阻而引起的测量误差。利用实验室现有仪器设计了一个切实可行的新实验，是个有趣的探索 。待测电流电路如图所示 。为了不改变电路状态而实现对电流的测量 ,还可利用“电流补偿”原理， 结合电位差计测电压的方法，实现对电路电流的测量。 Rn为己知标准电阻，选择电源电压 E 并调节电阻 R0 使电流计 G 指示零电流值，用电位差计测得标准电阻 Rn上的电压降 Vn， 即可得电流 I =Vn/Rn。2

补偿法测电阻这种电压补偿的方法又可以用来测电阻，这是电位差计的又一个扩展使用 。利用补偿法测电阻 , 既能够避免伏安法测电阻由于电表内阻引入的误差 , 又可以避免电桥法测电阻由于比率臂电阻不精确引入的误差 ,不失为一种精确测量电阻的方法 。可用一标准己知电阻民与待测电阻串联通电 , 用电位差计测得 Rn 和 Rx 的压降分别为 Vn 和 Vx , 由下式求得Rx 。

Rx =(Vx/Vn)Rn

当 Vn 和 Vx 的测量值超过电位差计“测量补偿电压”En调节范围时，应选择图 3 分压补偿电路进行测量 。2

分类电位差计的种类很多， 常见的有板式和箱式电位差计1。板式电位差 计具 有结 构简单 、 直观 , 便 于 分 析讨论等优点，但它的电阻丝不可能完全均匀，长度也不十分准确，存在一定的测量误差，且体积大，使用不便 ，箱式电位差计克服板式电位差计的缺点，准确度更高、更为实用。3

相同点：

两种电位差计的构想原理都是电路补偿原理；

在测量过程中，都不需要测出线路中电流的大小；

当完全补偿时，测量回路与被测量回路间无电流流过，无须从被测电路中取用电流；

测量的准确度都是依赖于标准电池 E3 、补偿电阻R和 Rx以及工作电流的稳定性。

由于两种电位差计在制作上有所不同，因此，使用所达到的准确度和应用范围也有所不同，不同点：

箱式电位差计中电阻均采用锰铜合金线，以双线无感绕制，并经人工老化和精确调整， 阻值稳定，而板式电位差计的电阻则是用镍铬合金制作；

箱式电位差计可以测量直流电压 ( 或电动势 )，对各种直流毫伏表及电子电位差计进行刻度校正，板式电位差计可用于粗测电源电动势，结构直观，易于了解原理构件。3

传统电位差计电位差计分直流电位差计和交流电位差计。直流电位差计用于测量直流电压，使用时调节标准电压的大小，以达到两个电压的补偿。交流电位差计用于测量工频到声频的正弦交流电压。两同频率正弦交流电压相等时，要求其幅值和相位均相等，因此交流电位差计的线路要复杂一些，并且至少有两个可调量。交流电位差计在市场上只有用于工频的产品，其他频率的交流电位差计均需自行设计制作。 随着直流电流比较仪的理论和技术不断发展和完善，出现了准确度很高的直流电流比较仪式电位差计，其测量误差约为百万分之一数量级。

在用电位差计校准电流表时，是通过用电位差计测量标准电阻上的电压来转化成标准电流，进而对电流表各点进行校正。估算电表校验装置的误差，并判断它是否小于电表基本误差限的1/3，进而得出校验装置是否合理的结论。估算时只要求考虑电位差计的基本误差限及标准电阻 的误差，可用下式确定：

显然，电表校验装置的误差还应包括标准电动势欠准、工作电流波动、线间绝缘不良等其它因素的影响，但考虑这些因素对教学实验就过于复杂了。式中电位差计测电压的不确定度用上面（5.8.1）式式来估算； 级的标准电阻（本实验 ）的不确定度 可用下式简化估算

数字电位差计数字电位差计/电子电位差计 型号：tx-YJ108B/1

TX-YJ108B/1型数字电位差计是传统直流电位差计的更新换代产品，它采用先进的数字化、智能化技术同传统工艺相结合，在使用功能上完全覆盖原电位差计UJ33a、UJ33a-1等产品，可对热电偶和传感器、变送器等一次仪表输出的毫伏信号进行精密检测，也可作为标准毫伏信号源直接校验多种变送器及仪表。

u 产品特点：数字直读发生（输出）和测量（输入）电压值；输出标准电压信号可带负载，直接校验各种低阻抗仪表；采用四端钮方式，消除小信号输出时测量导线误差；可发生对应多种热电偶分度号常用温度范围的毫伏值，温度直读显示；内附精密基准源，去除标准电池，避免环境污染，同时省却反复对标准要求，方便用户操作；带RS232标准接口，可与计算机通讯；外形尺寸：88×215×285mm

早期研究在19世纪40年代初，已经知道了测量电动势的方法，但当时只是以电动势恒定为根本的假设，另外当时多数的测量使用的是伽伐尼电池，它严重地受到极化的影响，所以测量中很难得到一致的结果。在 1860 年 Clark 发明了锌——汞标准电池，这个电池的电压在 15℃时是 1.435v，它的温度系数大约是温度每升高 1℃，电压变化 0.0008v，这对以前使用的伽伐尼电池是一个相当大的改进。不久 Clark 发表了与这个新的标准电池一起使用的装置的详细情况，并将它命名为“电子电位计”，此装置如右图所示。

法国科学家 J.S.Heari Pellat 克服平衡电流仍然要流过标准电池支路的缺陷，图 7 是他设计的电位计电路。 Pellat 没有把他的标准电池放在一个独立的支路上，而是和电流计串联，接入了选择开关。利用这个开关标准电池就可以从电路中移走，再并上未知电压替代它。通过直滑线的电流最先由变阻器 R 调整，以 1 000 分度去平衡一个Clark 标准电池，这样就能够在平衡时以标准电池的千分度来直接读取。

大约在 1889 年，德国科学家 Feussner 设计了使用能准确到 0.1%的高电阻的电位差计，在那个时代这是一个令人钦佩的数据，如图 8 所示。在这个装置中改用了滑动导线，而且使用了有标度的锰铜电阻。

1893 年英国科学家制造了第一台商业性的电位差计，电位差计的整个尺寸缩小到大约 1m，由于有一个选择开关和 n 对触点大大减化了仪器的操作。这台仪器的电路如图 9 所示。他们把电位差计的电阻线分成 15 份，将 14 份绕成一个螺旋线，剩下那部分作为滑线本身。那个螺旋线被分成 14 部分，每一部分很准确地与滑线电阻匹配。以这种方式，由导线的非均匀性导致的误差以及由于滑动接触在它上面的磨损效果所产生的误差都在很大程度上减少了。 两个电流调节电阻串联在电位差计电路中，一个作为粗调，另一个作为细调，依此标准化的平衡就可以迅速而准确地完成。4