電位差計

在19世紀40年代初，已經知道了測量電動勢的方法，但當時只是以電動勢恆定為根本的假設，另外當時多數的測量使用的是伽伐尼電池，它嚴重地受到極化的影響，所以測量中很難得到一致的結果。在1860 年 Clark 發明了鋅——汞標準電池，這個電池的電壓在 15℃時是 1.435v，它的溫度係數大約是溫度每升高 1℃，電壓變化 0.0008v，這對以前使用的伽伐尼電池是一個相當大的改進。不久 Clark 發表了與這個新的標準電池一起使用的裝置的詳細情況，並將它命名為“電子電位計”，此裝置如右圖所示。

法國科學家 J.S.Heari Pellat 克服平衡電流仍然要流過標準電池支路的缺陷，圖 7 是他設計的電位計電路。 Pellat 沒有把他的標準電池放在一個獨立的支路上，而是和電流計串聯，接入了選擇開關。利用這個開關標準電池就可以從電路中移走，再並上未知電壓替代它。通過直滑線的電流最先由變阻器 R 調整，以 1 000 分度去平衡一個Clark 標準電池，這樣就能夠在平衡時以標準電池的千分度來直接讀取。

大約在 1889 年，德國科學家 Feussner 設計了使用能準確到 0.1%的高電阻的電位差計，在那個時代這是一個令人欽佩的數據，如圖 8 所示。在這個裝置中改用了滑動導線，而且使用了有標度的錳銅電阻。

1893 年英國科學家製造了第一台商業性的電位差計，電位差計的整個尺寸縮小到大約 1m，由於有一個選擇開關和 n 對觸點大大減化了儀器的操作。這台儀器的電路如圖 9 所示。他們把電位差計的電阻線分成 15 份，將 14 份繞成一個螺旋線，剩下那部分作為滑線本身。那個螺旋線被分成 14 部分，每一部分很準確地與滑線電阻匹配。以這種方式，由導線的非均勻性導致的誤差以及由於滑動接觸在它上面的磨損效果所產生的誤差都在很大程度上減少了。兩個電流調節電阻串聯在電位差計電路中，一個作為粗調，另一個作為細調，依此標準化的平衡就可以迅速而準確地完成。

根據被測電壓和已知電壓相互補償 (即平衡)的原理製成的高精度測量電位差的儀器。與電壓表相比的主要優點是測量時不需要待測電路供給電流，因而不影響待測電路，可準確測出電源電動勢。一般有轉柄式和滑線式兩種。

由於採用電位補償的方法，因此測量精度高。避免了由於電源內阻產生的誤差，在沒有電流通過電源的情況下測量它的路端電壓，極大地提高了精確度和靈敏度。

補償方法的特點是不從測量對象中支取電流，因而不干擾被測量的數值，測量結果準確可靠，電位差計用途很廣，配以標準電池、標準電阻等器具，不僅能在對準確度要求很高的場合測量電動勢、電勢差(電壓)、電流、電阻等電學量，而且配合以各種換能器，還可用於溫度、位移等非電量的測量和控制。

當沒有電流流過時，電池的正負極間的電勢差等於電池的電動勢。如有電流流過，因在電池內阻上有一定電壓降(用電壓表測量電池兩極間的電壓，就是這種情形)，這時測得的不再是電池電動勢，而只能稱作端電壓。若能在無電流流過時進行測量，就可直接測量電動勢了。補償法就是這樣一種方法。

電位差計分交流和直流兩種，在生產和科研中廣泛使用。例如生產半導體材料和 元件時，常用鉑—鉑銠合金組成的溫差電偶測 量爐溫，而溫差電動勢的變化只有幾十微伏，不 宜用電壓表測量，一般都要用電位差計。電位差計還被用來準確測量電流和電阻。交流電位差計可用於磁性測量。

如圖一所示的電路可以用來測定未知的電動勢，圖中 E是被測電動勢，EN 是可以調節的已知電源。如調整 E 值使迴路中檢流計指示零值(即迴路里電流為零)，則 Ex 與 E 的關係是電動勢方向相反，大小相等，故數值上有 E =E。這時電路達到電壓補償 , 這種方法稱為補償法。

將電位差計的電壓補償法原理應用於電流測量中，避免了電流測量中因電錶的內阻而引起的測量誤差。利用實驗室現有儀器設計了一個切實可行的新實驗，是個有趣的探索。待測電流電路如圖所示。為了不改變電路狀態而實現對電流的測量 ,還可利用“電流補償”原理，結合電位差計測電壓的方法，實現對電路電流的測量。 R為己知標準電阻，選擇電源電壓 E 並調節電阻 R0 使電流計 G 指示零電流值，用電位差計測得標準電阻 R上的電壓降 V，即可得電流 I =V/R。

這種電壓補償的方法又可以用來測電阻，這是電位差計的又一個擴展使用。利用補償法測電阻 , 既能夠避免伏安法測電阻由於電錶內阻引入的誤差 , 又可以避免電橋法測電阻由於比率臂電阻不精確引入的誤差 ,不失為一種精確測量電阻的方法。可用一標準己知電阻民與待測電阻串聯通電 , 用電位差計測得 R 和 R的壓降分別為 V 和 V , 由下式求得R。

R =(V/V)R

當 V 和 V 的測量值超過電位差計“測量補償電壓”En調節範圍時，應選擇圖 3 分壓補償電路進行測量。

電位差計的種類很多，常見的有板式和箱式電位差計。板式電位差 計具 有結 構簡單、直觀 , 便 於 分 析討論等優點，但它的電阻絲不可能完全均勻，長度也不十分準確，存在一定的測量誤差，且體積大，使用不便，箱式電位差計克服板式電位差計的缺點，準確度更高、更為實用。

相同點：

1.兩種電位差計的構想原理都是電路補償原理；

2.在測量過程中，都不需要測出線路中電流的大小；

3.當完全補償時，測量迴路與被測量迴路間無電流流過，無須從被測電路中取用電流；

4.測量的準確度都是依賴於標準電池 E3 、補償電阻R和 R以及工作電流的穩定性。

由於兩種電位差計在製作上有所不同，因此，使用所達到的準確度和應用範圍也有所不同，不同點：

1.箱式電位差計中電阻均採用錳銅合金線，以雙線無感繞制，並經人工老化和精確調整，阻值穩定，而板式電位差計的電阻則是用鎳鉻合金製作；

2.箱式電位差計可以測量直流電壓 ( 或電動勢 )，對各種直流毫伏表及電子電位差計進行刻度校正，板式電位差計可用於粗測電源電動勢，結構直觀，易於了解原理構件。

電位差計分直流電位差計和交流電位差計。直流電位差計用於測量直流電壓，使用時調節標準電壓的大小，以達到兩個電壓的補償。交流電位差計用於測量工頻到聲頻的正弦交流電壓。兩同頻率正弦交流電壓相等時，要求其幅值和相位均相等，因此交流電位差計的線路要複雜一些，並且至少有兩個可調量。交流電位 差計在市場上只有用於工頻的產品，其他頻率的交流電位差計均需自行設計製作。隨著直流電流比較儀的理論和技術不斷發展和完善，出現了準確度很高的直流電流比較儀式電位差計，其測量誤差約為百萬分之一數量級。

在用電位差計校準電流表時，是通過用電位差計測量標準電阻上的電壓來轉化成標準電流，進而對電流表各點進行校正。估算電錶校驗裝置的誤差，並判斷它是否小於電錶基本誤差限的1/3，進而得出校驗裝置是否合理的結論。估算時只要求考慮電位差計的基本誤差限及標準電阻 的誤差，可用下式確定：

顯然，電錶校驗裝置的誤差還應包括標準電動勢欠准、工作電流波動、線間絕緣不良等其它因素的影響，但考慮這些因素對教學實驗就過於複雜了。式中電位差計測電壓的不確定度用上面（5.8.1）式式來估算；級的標準電阻（本實驗）的不確定度 可用下式簡化估算

數字電位差計/電子電位差計 型號：tx-YJ108B/1

TX-YJ108B/1型數字電位差計是傳統直流電位差計的更新換代產品，它採用先進的數字化、智能化技術同傳統工藝相結合，在使用功能上完全覆蓋原電位差計UJ33a、UJ33a-1等產品，可對熱電偶和感測器、變送器等一次儀錶輸出的毫伏信號進行精密檢測，也可作為標準毫伏信號源直接校驗多種變送器及儀錶。

u 產品特點：數字直讀發生（輸出）和測量（輸入）電壓值；輸出標準電壓信號可帶負載，直接校驗各種低阻抗儀錶；採用四端鈕方式，消除小信號輸出時測量導線誤差；可發生對應多種熱電偶分度號常用溫度範圍的毫伏值，溫度直讀顯示；內附精密基準源，去除標準電池，避免環境污染，同時省卻反覆對標準要求，方便用戶操作；帶RS232標準介面，可與計算機通訊；外形尺寸：88×215×285mm