5.1 多用电表的设计与校准
电表在电测量中有着广泛的应用,因此了解电表和使用电表就显得十分重要。 电流计(表头)由于构造的原因,一般只能测量较小的电流和电压,如果要用它来测量较大的电流或电压,就必须进行改装,以扩大其量程。 万用表就是对微安表头进行多量程改装而来的,在电路的测量和故障检测中广泛应用。
【实验目的】
①用实验方法测定电流表表头内阻及满度电流。
②掌握扩大电表量程的原理和方法。
③学会校准电流表和电压表,理解电表准确度等级的含义。
【预习思考题】
①什么是电流计的量程?
②电流计的工作原理是什么?
③如何用中值法和替代法测内阻,哪种方法更准确?
④电表扩大量程的方法和条件是什么?
⑤电表的每伏欧姆数有什么意义,它有何用处? 现有某电表,其Ig=100 μA,Rg=1 kΩ,欲将它改装成量程为100 V 的电压表,计算RM。
⑥为何要校正电表? 方法特点是什么?
⑦各电路中R1 起什么作用? 开始时活动端应放在什么位置? R2 起什么作用? 应如何正确调节?
【供选择的器材】
DH4508 型电表改装与校准实验仪、ZX21 电阻箱、导线等。
【供选择的研究课题】
①将小量程电流表改装为大量程电流表;
②将小量程电流表改装为大量程电压表;
③改装毫安表为欧姆表。
【设计要求】
①依据实验报告要求写明实验目的、实验原理,根据电学原理设计所需电路图。
②确定测量表头内阻及满程电流的方法,确定各元件参数。
③根据电表扩大量程的方法和条件,画出电路图。
④连接电路,测量实验数据;进行数据处理,画出校正曲线图。
⑤提交规范的设计实验报告。
【设计原理及方法】
1.电流计的工作原理
常见的磁电式电流计主要由放在永久磁场中的(由细漆包线绕制的可以转动)线圈、用来产生机械反力矩的游丝、指示用的指针和永久磁铁组成。 当电流通过线圈时,载流线圈在磁场中就产生一磁力矩M 磁,使线圈转动,从而带动指针偏转。 线圈偏转角度的大小与通过的电流大小成正比,所以可由指针的偏转直接指示出电流值。
2.电流计的重要参数
电流计允许通过的最大电流称为电流计的量程,用Ig 表示,电流计的线圈有一定内阻,用Rg 表示,Ig 与Rg 是两个表示电流计特性的重要参数。
3.测量内阻Rg 常用方法
(1)半电流法
半电流法也称中值法,测量原理如图5.1 所示,当被测电流计接在电路中时,使电流计满偏,再用十进位电阻箱与电流计并联作为分流电阻,改变电阻值即改变分流程度,当电流计指针指示到中间值,且标准表读数总电流强度仍保持不变,可通过调电源电压和Rw 来实现,显然这时分流电阻值就等于电流计的内阻。
(2)替代法
测量原理如图5.2 所示,当被测电流计接在电路中时,用十进位电阻箱替代它,且改变电阻值,当电路中的电压不变,且电路中的电流(标准表读数)也保持不变时,电阻箱的电阻值即为被测电流计内阻。
替代法是一种运用很广的测量方法,具有较高的测量准确度。
(3)测量表头的内阻
用中值法或替代法测出表头的内阻,按图5.1 或图5.2 接线,并测量,Rg=____Ω。
图5.1 半电流法测量电表内阻
图5.2 替代法测量电表内阻
4.改装为大量程电流表
(1)将表头改装为大量程电流表的原理
用电流表测量电流时,电流表应串联在被测电路中,所以要求电流表应有较小的内阻。 另外,在表头上并联阻值不同的分流电阻,便可制成多量程的电流表。
(2)将量程为1 mA 的表头改装成5 mA 量程的电流表
图5.3 电流表的改装与校准电路图
①根据式(5.1)计算出分流电阻值,先将电源调到最小,Rw 调到中间位置,再按图5.3 接线。
②慢慢调节电源,升高电压,使改装表指到满量程(可配合调节Rw 变阻器),这时记录标准表读数。 注意:Rw 作为限流电阻,阻值不要调至最小值。 然后调小电源电压,使改装表每隔1 mA(满量程的1/5)逐步减小读数直至零点;(将标准电流表选择开关打在20 mA 挡量程)再调节电源电压按原间隔逐步增大改装表读数到满量程,每次记下标准表相应的读数于表5.1 中。
表5.1 将量程为1 mA 的表头改装成5 mA 量程的电流表实验数据
③以改装表读数为横坐标,以标准表由大到小及由小到大调节时两次读数的平均值为纵坐标,在坐标纸上作出电流表的校正曲线,并根据两表最大误差的数值定出改装表的准确度级别。
5.将表头改装为电压表
(1)将表头改装为大量程电压表的原理
一般表头能承受的电压很小,不能用来测量较大的电压。 为了测量较大的电压,可以给表头串联一个阻值适当的电阻RM,如图5.4 所示,使表头上不能承受的那部分电压降落在电阻RM 上。 这种由表头和串联电阻RM 组成的整体就是电压表,串联的电阻RM 称为扩程电阻。选取不同大小的RM,就可以得到不同量程的电压表。 由图5.4 可求得扩程电阻值为
图5.4 电压表的改装与校准电路图
实际的扩展量程后的电压表原理如图5.4 所示。
用电压表测电压时,电压表总是并联在被测电路上,为了不因并联电压表而改变电路中的工作状态,要求电压表应有较高的内阻。
(2)将1 mA 的表头改装成1.5 V 量程的电压表
①根据式(5.2)计算扩程电阻RM 的阻值,可用R1、R2 进行实验。
②按图5.4 连接校准电路。 用量程为2 V 的数显电压表作为标准表来校准改装的电压表。
③调节电源电压,使改装表指针指到满量程(1.5 V),记下标准表读数。 然后每隔0.3 V逐步减小改装读数直至零点,再按原间隔逐步增大到满量程,每次记下标准表相应的读数于表5.2 中。
④以改装表读数为横坐标,以标准表由大到小及由小到大调节时两次读数的平均值为纵坐标,在坐标纸上作出电压表的校正曲线,并根据两表最大误差的数值定出改装表的准确度级别。
表5.2 将量程为1 mA 的表头改装成1.5 V 量程的电压表实验数据
6.改装毫安表为欧姆表(选作)
用来测量电阻大小的电表称为欧姆表。 根据调零方式的不同,可分为串联分压式和并联分流式两种。 其原理电路如图5.5 所示。
图5.5 欧姆表原理图
图中E 为电源,R3 为限流电阻,RW 为调“零”电位器,RX 为被测电阻,Rg 为等效表头内阻。 图5.5(b)中,RG 与RW 一起组成分流电阻。
欧姆表使用前先要调“零”点,即a、b 两点短路,(相当于RX=0),调节RW 的阻值,使表头指针正好偏转到满度。 可见,欧姆表的零点是就在表头标度尺的满刻度(量限)处,与电流表和电压表的零点正好相反。
在图5.5(a)中,当a、b 端接入被测电阻RX 后,电路中的电流为
对于给定的表头和线路来说,Rg、RW、R3 都是常量。 由此可见,当电源端电压E 保持不变时,被测电阻和电流值有一一对应的关系,即接入不同的电阻,表头就会有不同的偏转读数,RX 越大,电流I 越小。 短路a、b 两端,即RX=0 时
这时指针满偏。
当RX=Rg+RW+R3 时
这时指针在表头的中间位置,对应的阻值为中值电阻,显然R中=Rg+RW+R3。
当RX=∞(相当于a、b 开路)时,I=0,即指针在表头的机械零位。
所以欧姆表的标度尺为反向刻度,且刻度是不均匀的,电阻R 越大,刻度间隔越密。 如果表头的标度尺预先按已知电阻值刻度,就可以用电流表来直接测量电阻了。
并联分流式欧姆表是利用对表头分流来进行调零的,具体参数可自行设计。
欧姆表在使用过程中电池的端电压会有所改变,而表头的内阻Rg 及限流电阻R3 为常量,故要求RW 要跟着E 的变化而改变,以满足调“零”的要求,设计时用可调电源模拟电池电压的变化,范围取1.3 ～1.6 V 即可。
【附】
DH4508 型电表改装与校准实验仪使用说明
1.概述
指针式电流表、电压表、多用表广泛应用于各种电测场合,它们的指示都是用电流计来实现的。 单纯的电流计一般只能用来测量较小的电流和电压,所以必须对电流计进行改装,才能运用于各种测量领域。 本仪器通过连线能完成改装电流表、电压表、欧姆表实验,通过实验能提高使用者运用电表的能力。
2.主要技术参数
指针式被改装表:量程1 mA,内阻约155 Ω,精度1.5 级;
电阻箱:调节范围0 ～11 111.0 Ω,精度0.1 级;
标准电流表:0 ～2 mA,0 ～20 mA 两量程,三位半数显,精度±0.5%;
标准电压表:0 ～2 V,0 ～20 V 两量程,三位半数显,精度±0.5%;
可调稳压源:输出范围0 ～2 V,0 ～10 V 两量程,稳定度0.1% /min,负载调整率0.1%。
3.实验仪器使用说明
DH4508 型电表改装与校准实验仪面板面板各部件如图5.6 所示。
图5.6 DH4508 型电表改装与校准实验仪面板
仪器内有指针式电流计、标准电压表、标准电流表、可调直流稳压电源、十进式电阻箱、专用导线及其他部件,无需其他配件便可完成多种电表改装实验。
可调直流稳压源分为2 V、10 V 两个量程,通过“电压选择开关”选择所需的电压输出,调节“电压调节”电位器调节需要的电压。 指针式电压表的指示也分为2 V、10 V 两个量程。
标准数显电压表有2 V、20 V 两个量程,通过“电压量程选择开关”选择不同的电压量程,需连接到对应的测量端方可测量。
标准数显电流表有2 mA、20 mA 两个量程,通过“电流量程选择开关”选择不同的电流量程,需连接到对应的测量端方可测量。
4.使用步骤
①打开仪器后部电源开关,接通交流电源。
②检查标准电压表、标准电流表,应正常显示。 标准电压表在空载时因内阻较高会出现跳字现象,属正常现象。
③调节稳压电源,应正常输出。
④按实验内容进行电流表改装,并用改装成的电流表测未知电流。
⑤按实验内容进行电压表改装,并用改装成的电压表测未知电压。
⑥按实验内容进行串联式和并联式欧姆表改装,并用改装成的欧姆表测未知电阻。