電表改裝和萬用表設(shè)計
電流計表頭一般只能測量很小的電流,若要用它來測量較大的電流和電壓,就必須進(jìn)行改裝來擴(kuò)大量程 , 各種多量程表(多用途萬用表)就是用這種方法制作的 . 萬用表是一種基本的電學(xué)儀表,它測量范圍廣,構(gòu)造簡單,使用方便,是電磁學(xué)工作者的必備工具 . 本實驗要求同學(xué)先掌握有關(guān)的知識,然后設(shè)計并組裝一只簡易萬用表 .
電表改裝與校正
電學(xué)實驗中經(jīng)常要用電表(電壓表和電流表)進(jìn)行測量,常用的直流電流表和直流電壓表都有一個共同的部分,常稱為表頭 . 表頭通常是一只磁電式微安表,它只允許通過微安級的電流,一般只能測量很小的電流和電壓 . 如果要用它來測量較大的電流或電壓,就必須進(jìn)行改裝,擴(kuò)大其量程 . 經(jīng)過改裝后的微安表具有測量較大電流、電壓和電阻等多種用途 . 若在表中配以整流電路將交流變?yōu)橹绷鳎瑒t它還可以測量交流電的有關(guān)參量 . 我們?nèi)粘=佑|到的各種電表幾乎都是經(jīng)過改裝的,因此學(xué)習(xí)改裝和校準(zhǔn)電表在電學(xué)實驗部分是非常重要的 .
【預(yù)習(xí)要求】
1.掌握滑線變阻器的分壓與限流的接線方法,如何解決粗細(xì)程度的調(diào)節(jié) .
2.熟悉測量表頭內(nèi)阻時應(yīng)注意哪些事項 .
3.掌握電表擴(kuò)大量程的方法和條件 .
【實驗?zāi)康摹?
1 .學(xué)會將微安表擴(kuò)大量程以及改裝為伏特表的原理和方法 .
2 .學(xué)會測量微安表表頭滿偏電流和內(nèi)阻原理與方法 .
3 .熟悉和掌握滑線變阻器的各種用法 .
4.初步使用萬用電表檢查電路故障 .
【實驗儀器】
微安表,標(biāo)準(zhǔn)電流表,標(biāo)準(zhǔn)電壓表(所謂標(biāo)準(zhǔn)電表是其準(zhǔn)確度等級比所給表頭高兩級的表),直流穩(wěn)壓電源,滑線變阻器,電阻箱,單刀雙擲開關(guān),干電池,導(dǎo)線
【實驗原理】
一、電表的改裝
1 . 表頭內(nèi)阻的測量
表頭線圈的電阻 R g 稱為表頭內(nèi)阻.它的測定方法很多,這里介紹一種替代法,測量線路如圖 35-1 所示 . 將 K 2 置于 2 處,調(diào)節(jié) R 0 使表 A 0 在一較大示值處(同時注意表 A 的指針不要超過量程);將 K 2 置于 1 處,保持 R 0 不變,調(diào)節(jié) R n 使表 A 0 指在原來位置上,則有 R n =R g .
2. 將表頭改裝為安培計
用于改裝的微安表稱為“表頭” . 使表針偏轉(zhuǎn)到滿刻度所需要的電流 I g 稱為量程 . 表頭的滿度電流很小,只適用于測量微安級或毫安級的電流,若要測量較大的電流,就需要擴(kuò)大電表的電流量程 . 方法是:在表頭兩端并聯(lián)電阻 R p ,使超過表頭能承受的那部分電流從 R p 流過 . 由表頭和 R p 組成的整體就是安培計, R p 稱為分流電阻. 選用不同大小的 R P ,可以得到不同量程的安培計 .
如圖 35-2 所示,當(dāng)表頭滿度時,通過安培計的總電流為 I ,通過表頭的電流為 I g ,
因為
故得 ( 35-1 )
表頭的規(guī)格 I g 、 R g 事先測出 ,根據(jù)需要的安培計量程,由式( 35-1 )就可以算出應(yīng)并聯(lián)的電阻值 . 通常,由于安培計的量程 I 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表頭的量程 I g ,并聯(lián)電阻 R p 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表頭內(nèi)阻 R g .
3. 將表頭改裝為伏特計
表頭的滿度電壓也很小,一般為零點幾伏 . 為了測量較大的電壓,在表頭上串聯(lián)電阻 R s ,如圖 35-3 所示,使超過表頭所能承受的那部分電壓降落在電阻 R s 上 . 表頭和串聯(lián)電阻 R s 組成的整體就是伏特計,串聯(lián)的電阻 R s 稱為擴(kuò)程電阻 . 選用大小不同的 R s ,就可以得到不同量程的伏特計 .
因為
可得 ( 35-2 )
表頭的 I g 、 R g 事先測出,根據(jù)需要的伏特計量程,由( 35-2 )式就可以算出應(yīng)串聯(lián)的電阻值 . 一般地,由于伏特計的量程 U 遠(yuǎn)大于表頭的量程 U g ,串聯(lián)電阻 R S 會遠(yuǎn)大于表頭內(nèi)阻 R g .
當(dāng)總電壓不變時,若回路之總電阻增加一倍則電流減為一半 . 根據(jù)這個簡單原理,就可以用表頭制作一只歐姆表 . 如圖 35 — 4 所示:
1. 將歐姆表兩測筆正( A 紅表筆)、負(fù)( B黑表筆)短接,調(diào)節(jié)限流電阻 使表頭指針滿度,則此時之總電流
或
. 式中
表示歐姆表的總內(nèi)阻,即
式中 為表頭內(nèi)阻、
為分流電阻、
為限流電阻、
為電源內(nèi)阻 . 若在歐姆表兩測筆( A 、 B )正、負(fù)間接上待測電阻
,此時電流下降為
,即
當(dāng)
時,
;
時,
;
時,
時,
;
時,
.
由此可知,當(dāng)被測電阻 等于歐姆表的總內(nèi)阻
時,表頭指針在刻度盤的中心位置,故
又叫中心阻值或叫中值電阻 .理論上,任一歐姆表可測任何數(shù)值(從 0~
)的電阻 . 但事實上當(dāng)
時,其阻值無法精確讀出,從而帶來很大的讀數(shù)誤差 . 為了得到精確讀數(shù),可按 10 進(jìn)制分擋,分擋后各擋均有自己的總內(nèi)阻 .
對于分擋后仍通用一條歐姆標(biāo)度尺,這條標(biāo)度尺的分度值是以 R × 1 擋的中心阻值標(biāo)定出來的 . 此中心阻值叫姆表的表盤中心標(biāo)度阻值 . 它與某檔的中心阻值的關(guān)系是:某檔的中心阻值 = 表盤中心標(biāo)度阻值×該擋倍率 .中心阻值的大小,不僅與表頭的靈敏度有關(guān),而且與電源干電池的節(jié)數(shù)及新舊程度( E 的大小)有關(guān) .
5 .萬用電表簡述
萬用電表是常用的儀表 . 它可以測量交、直流壓,交、直流電流,還可測量電阻等 . 它用途廣泛,但準(zhǔn)確度低 . 當(dāng)選擇開關(guān)撥到直流電壓擋,就是一個多量程直流伏特表,當(dāng)選擇開關(guān)撥到直流電流擋,就是一個多量程安培表,它是將微安表并聯(lián)不同低電阻值的擋而組成 . 使用時必需串聯(lián)在電路中,并注意表筆的正負(fù)不能接反 . 使用歐姆表,每次測量前先要將表筆 A 和 B 相接(短路),調(diào)節(jié)“歐姆零點”旋鈕(它是一個變阻器)使偏轉(zhuǎn)為滿度,即指針指示零歐姆,以保證刻度的正確性 . 而且每次改變量程后都應(yīng)當(dāng)重新調(diào)節(jié)歐姆零點 . 注意:不得用歐姆表測量帶電的電阻!
二、電表的校準(zhǔn)
電表在擴(kuò)大量程或改裝后,還需要進(jìn)行校準(zhǔn) .校準(zhǔn)的目的是:(1)評定該表在擴(kuò)大量程或改裝后是否仍符合原電表準(zhǔn)確度的等級;(2)繪制校準(zhǔn)曲線,以便于對擴(kuò)大量程或改裝后的電表能準(zhǔn)確讀數(shù).
所謂準(zhǔn)確度的等級是國家對電表規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo),它以數(shù)字形式標(biāo)明在電表的表盤上 . 如標(biāo)明為 級(
為
0.1 , 0.2 , 0.5 , 1 , 1.5 , 2.5 , 5 等七個中的一個),則各點的最大示值誤差為 : ,
.
常用的簡便的校正方法就是比較法,將待校準(zhǔn)表與級別較高的標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行比較 .
(1)對擴(kuò)大量程后的電流表可用標(biāo)準(zhǔn)電流表進(jìn)行校準(zhǔn) . 線路如圖 35 — 5 所示,校準(zhǔn)點應(yīng)選在擴(kuò)大量程后的電表的全偏轉(zhuǎn)范圍內(nèi)各個標(biāo)度值的位置上, 確定各校準(zhǔn)點的 值 . 這樣不僅可與等級度誤差
作比較,以判定各校準(zhǔn)點的
是否超過
,而且可作
曲線供使用時對讀數(shù)作修正 .
(2)對改裝后的電壓表則用標(biāo)準(zhǔn)電壓表進(jìn)行校正 . 線路如圖 35 — 6 所示,校正點應(yīng)選在改裝表的所有標(biāo)度值的位置上,確定各校正點的 值,并可作
曲線 .
(3)電表的校準(zhǔn)
電表的校準(zhǔn)結(jié)果除用等級表示外,還常用校準(zhǔn)曲線表示 . 即以被校電表的指示值
I xi 為橫坐標(biāo),以校正值 Δ I i ( Δ I i 等于標(biāo)準(zhǔn)電表的指示值 I si 與被校表相應(yīng)的指示值 I xi 的差值,即 Δ I i = I si - I xi )為縱坐標(biāo),如圖 35—7 所示,注意兩個校準(zhǔn)點之間用直線段連接,根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)作出呈折線狀的校淮曲線(不能畫成光滑曲線) . 在以后使用這個電表時,根據(jù)校準(zhǔn)曲線可以修正電表的讀數(shù) .
(4)定改裝后的毫安表及伏特表的誤差和級別
取 =
;選取各絕對誤差的最大值得 δ I max .所以,擴(kuò)大量程后的毫安表的級別為
同理,改裝后的伏特表的級別為
【預(yù)習(xí)要求】
1.掌握滑 線變阻器的分壓與限流的接線方法,如何解決粗細(xì)程度的調(diào)節(jié) .
2.熟悉測量表頭內(nèi)阻時應(yīng)注意哪些事項 .
3.掌握電表擴(kuò)大量程的方法和條件 .
【實驗?zāi)康摹?
1 .學(xué)會將微安表擴(kuò)大量程以及改裝為伏特表的原理和方法 .
2 .學(xué)會測量微安表表頭滿偏電流和內(nèi)阻原理與方法 .
3 .熟悉和掌握滑線變阻器的各種用法 .
4.初步使用萬用電表檢查電路故障 .
【實驗儀器】
微安表,標(biāo)準(zhǔn)電流表,標(biāo)準(zhǔn)電壓表(所謂標(biāo)準(zhǔn)電表是其準(zhǔn)確度等級比所給表頭高兩級的表),直流穩(wěn)壓電源,滑線變阻器,電阻箱,單刀雙擲開關(guān),干電池,導(dǎo)線
【實驗原理】
一、電表的改裝
1 . 表頭內(nèi)阻的測量
表頭線圈的電阻 R g 稱為表頭內(nèi)阻.它的測定方法很多,這里介紹一種替代法,測量線路如圖 35-1 所示 . 將 K 2 置于 2 處,調(diào)節(jié) R 0 使表 A 0 在一較大示值處(同時注意表 A 的指針不要超過量程);將 K 2 置于 1 處,保持 R 0 不變,調(diào)節(jié) R n 使表 A 0 指在原來位置上,則有 R n =R g .
2. 將表頭改裝為安培計
用于改裝的微安表稱為“表頭” . 使表針偏轉(zhuǎn)到滿刻度所需要的電流 I g 稱為量程 . 表頭的滿度電流很小,只適用于測量微安級或毫安級的電流,若要測量較大的電流,就需要擴(kuò)大電表的電流量程 . 方法是:在表頭兩端并聯(lián)電阻 R p ,使超過表頭能承受的那部分電流從 R p 流過 . 由表頭和 R p 組成的整體就是安培計, R p 稱為分流電阻 . 選用不同大小的 R P ,可以得到不同量程的安培計 .
如圖 35-2 所示,當(dāng)表頭滿度時,通過安培計的總電流為 I ,通過表頭的電流為 I g ,
因為
故得 ( 35-1 ) 表頭的規(guī)格 I g 、 R g 事先測出 ,根據(jù)需要的安培計量程,由式( 35-1 )就可以算出應(yīng)并聯(lián)的電阻值 . 通常,由于安培計的量程 I 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表頭的量程 I g ,并聯(lián)電阻 R p 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表頭內(nèi)阻 R g .
3. 將表頭改裝為伏特計
表頭的滿度電壓也很小,一般為零點幾伏 . 為了測量較大的電壓,在表頭上串聯(lián)電阻 R s ,如圖 35-3 所示,使超過表頭所能承受的那部分電壓降落在電阻 R s 上 . 表頭和串聯(lián)電阻 R s 組成的整體就是伏特計,串聯(lián)的電阻 R s 稱為擴(kuò)程電阻 . 選用大小不同的 R s ,就可以得到不同量程的伏特計 .
因為
可得 ( 35-2 )
表頭的 I g 、 R g 事先測出,根據(jù)需要的伏特計量程,由( 35-2 )式就可以算出應(yīng)串聯(lián)的電阻值 . 一般地,由于伏特計的量程 U 遠(yuǎn)大于表頭的量程 U g ,串聯(lián)電阻 R S 會遠(yuǎn)大于表頭內(nèi)阻 R g .
【實驗要求】
1 .測量表頭的內(nèi)阻
2 .將量程為 100 μ A 的表頭擴(kuò)程為 1 mA , 10 mA
3 .將表頭改裝為 0-3V 、 0-10V 的電壓表
4. 歐姆表的改裝和標(biāo)定表面刻度
5. 使用萬用電表檢查電路故障
【注意事項】
1 .接通電源前,應(yīng)檢查滑線變阻器的滑鍵是否在安全位置,接分壓器線路和使用分壓器時,注意接線方法和開始使用時的規(guī)則 .
2 .對限流線路的電阻箱及滑動電阻的阻值選擇,應(yīng)開始從大阻值逐漸減小 . 防止電阻值從 9 到 0 的突然減小 .
3 .記錄時注意有效數(shù)字位數(shù) .
【思考題】
1 .為什么校準(zhǔn)電表時需要把電流(或電壓)從小到大做一遍又從大到小做一遍?
2 .校正電流表時,如果發(fā)現(xiàn)改裝表的讀數(shù)偏高,應(yīng)如何調(diào)整?
3 .設(shè)想電表內(nèi)阻測量的各種方法?
4 .畫出校準(zhǔn)曲線有何實際意義?
【預(yù)習(xí)要求】
1.按設(shè)計要求繪出測定表 頭內(nèi)阻 R s 的電路圖, 繪出電流檔、電壓檔、電阻檔的電路圖,計算并選擇元件 .
2.畫出總電路圖,列出所選取元件的名稱、型號、規(guī)格、數(shù)據(jù).(注:在選各電阻及變阻器 R p 時,除考慮其阻值大小外,還要考慮它們的誤差范圍,以免影響電表的精確度 . 考慮到多量程電表的累積誤差,各電阻的精確度等級應(yīng)不大于 1 % )
3.畫出校準(zhǔn)的電路圖,簡述校準(zhǔn)程序.
【實驗?zāi)康摹?
1.鞏固電學(xué)實驗和電路計算的基本知識.
2.培養(yǎng)和提高學(xué)生的實驗設(shè)計和動手能力.
3.掌握萬用電表的基本原理和設(shè)計方法 .
4.學(xué)習(xí)萬用電表的組裝與定標(biāo) .
【 實驗要求】
1 .要求將一微安表頭設(shè)計、安裝成如下規(guī)格的萬用表:
直流電流—— 10mA, 50mA 直流電壓—— 3V ,
10V交流電壓—— 10V , 50V 歐姆——
2 .校準(zhǔn)各檔,作出各擋的校準(zhǔn)曲線,定出準(zhǔn)確度等級 .
【實驗原理儀器】
請自行提出所需儀器及元件的規(guī)格 .
【實驗提示】
電流表、電壓表、歐姆表的各自組成和工作原理大家已熟知,把三者的線路有序地結(jié)合在一起,加一個轉(zhuǎn)換開關(guān),用同一個表頭指示,就組裝成了一只簡易萬用表 .
1.設(shè)計 1).先測定表頭內(nèi)阻 ,按已做過的實驗(多種方法),確定一個方案,畫出電路圖 .
(2).設(shè)計電流擋,計算并選擇元件.參考電路示圖35—8.
(3).設(shè)計電壓擋,計算并選擇元件.參考電路示圖35—9.
(4).設(shè)計電阻擋,計算并選擇元件.參考電路示圖35—10.(圖中, R 0 為保護(hù)電阻, R P 為調(diào)零可變電阻 .二者的選擇要根據(jù)實際使用中 電源 的電壓降范圍及 I g 、 R g 選取 .)
2.組裝
( 1)按電路圖的所選元件組裝萬用表,并進(jìn)行統(tǒng)調(diào).對不合適的元件可以經(jīng)過統(tǒng)調(diào)更換.
( 2)用白紙畫出各量程刻度表,(電阻擋的刻度可用一電阻箱逐一定標(biāo)).并用膠帶把刻度表貼在指針下的原表盤上.
3.校準(zhǔn)
列表畫出各量程的校正 曲線 .
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