電表改裝實(shí)驗(yàn)中電路設(shè)計(jì)及其電表校準(zhǔn)研究

章國榮 王懷軍 賀梅英

（寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315016）

電表改裝實(shí)驗(yàn)中電路設(shè)計(jì)及其電表校準(zhǔn)研究

章國榮 王懷軍 賀梅英

（寧波工程學(xué)院，浙江 寧波 315016）

在電表改裝設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膶?shí)現(xiàn)，與每一步設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是分不開的，其中相關(guān)的電路及參數(shù)的設(shè)置至關(guān)重要，尤其是設(shè)計(jì)的邏輯思路。而改裝后的電表校準(zhǔn)又是這一設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)不可或缺的一環(huán)。

電表；改裝；電路；可變電阻；設(shè)計(jì)；校準(zhǔn)

1 前言

電表改裝的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是把量程小的電表改裝成量程大的電表，它是普通物理綜合設(shè)計(jì)性的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生按照改裝理論完成實(shí)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)、元件的選擇、理論計(jì)算、改裝后的校準(zhǔn)等一系列的環(huán)節(jié)，從中提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)能力和創(chuàng)新能力。

對(duì)于電表改裝的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，關(guān)鍵在于電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)的設(shè)置，以及對(duì)改裝后電表的校準(zhǔn)測量。其中，校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)，相關(guān)書籍沒有詳細(xì)說明，對(duì)每個(gè)元器件的功能用途及參數(shù)如何設(shè)定沒有論述。本文對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的剖析研究。

2 實(shí)驗(yàn)簡介

電表改裝是通過提供的量程較小的表頭設(shè)計(jì)成為量程較大的電流表和電壓表。實(shí)驗(yàn)按下列幾個(gè)步驟完成：

第一步，在改裝之前，首先要精確測得此表頭的量程和內(nèi)阻的大小，這二者的數(shù)值準(zhǔn)確與否直接決定了改裝后的電流表和電壓表精度的高低。

第二步，按電表改裝原理完成電流表和電壓表的改裝。

第三步，改裝后電表的校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)這一環(huán)節(jié)中，校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)和元器件參數(shù)的設(shè)置是重中之重，校準(zhǔn)過程必須注意對(duì)表頭的保護(hù)，通過測量得到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后，得到改裝后的電表精度的等級(jí)大小。

3 表頭參數(shù)測量

表頭二個(gè)重要參數(shù)分別是表頭的滿偏電流值Ig和表頭的內(nèi)阻Rg。這二個(gè)參數(shù)在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中必須進(jìn)行測量，得到相應(yīng)數(shù)值后才能設(shè)計(jì)擴(kuò)大量程的電流表和電壓表的改裝。一般情況下，提供的表頭，其滿偏電流值Ig是已知的，而內(nèi)阻Rg必須經(jīng)過測量才能獲得。

如果，提供的表頭其Ig不清楚，那必須進(jìn)行測量。測量的電路圖如下圖1：

圖1

測量電路設(shè)計(jì)說明：G是待測的表頭，一般情況下，表頭的滿偏電流比較小，其等級(jí)為微安級(jí)；G′是標(biāo)準(zhǔn)測量電流計(jì)，要求其靈敏度高，能測量微安級(jí)的電流；電阻R0是起限流作用，其目的是讓電路有微安級(jí)的電流通過，且E/R0＞Ig；可變電阻器Rw是改變電路電流的大小，Rw處于最大值時(shí)應(yīng)滿足E/（R0+R）＜Ig。根據(jù)上述這二個(gè)技術(shù)要求，分別來確定R0和Rw的阻值大?。ㄗ髡甙矗喝≈档拇笮〔皇蔷唧w的值是多大，而是可取的范圍）。

測量參數(shù)Ig時(shí)，通過調(diào)節(jié)RW使表頭的指針處于滿偏位置，此時(shí)測量表G的示數(shù)，就是表頭的滿偏電流值Ig。

而測量表頭內(nèi)阻Rg的方法，這里介紹二種，一種是半流法，另一種是替代法，測量電路如下圖2：

圖2

測量電路設(shè)計(jì)說明：半流法中R1是起限流作用，同時(shí)起保護(hù)表頭的作用，使電路的總電流控制在表頭滿偏狀態(tài)時(shí)的附近，并滿足條件：E/R1＞Ig；可變電阻器RW的作用，是通過其阻值的變化，實(shí)現(xiàn)電流變化，并能使表頭的指針能達(dá)到滿偏狀態(tài)，RW最大值的大小應(yīng)滿足 E/（R1+RW）＜1/2Ig。 而可變電阻R2一般是用電阻箱，起測量表頭阻值的作用，在半流法中，當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，通過調(diào)節(jié)RW使表頭處于滿偏狀態(tài)，并記錄標(biāo)準(zhǔn)毫安表的示數(shù)。然后把S合上，再同時(shí)調(diào)節(jié)RW和R2，使標(biāo)準(zhǔn)毫安表數(shù)值保持不變，又能使表頭的指針指向滿刻度的一半處，調(diào)節(jié)得到這種狀態(tài)時(shí)，此時(shí)的R2的值就是表頭的內(nèi)阻Rg。

而替代法測量表頭內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)步驟是這樣：以替代法實(shí)驗(yàn)電路圖二為例，先把單刀雙擲開關(guān)接通表頭的一側(cè)，調(diào)節(jié)RW使表頭指針偏轉(zhuǎn)（此時(shí)，不一定滿偏，只要達(dá)到滿偏的三分之二即可），記錄標(biāo)準(zhǔn)毫安表的示數(shù)。然后，再把單刀雙擲開關(guān)擲向電阻箱R2側(cè)，改變電阻箱R2的值 （此過程RW不能改變），直至毫安表的示數(shù)與記錄的數(shù)值一樣，此時(shí)R2的值就是表頭的內(nèi)阻Rg值。

4 電表改裝

電表二個(gè)重要參量測定完畢后，接下來的工作就是進(jìn)行電表量程擴(kuò)大的改裝。電表改裝包括二大部分，其一是改裝成什么樣的表。一般表頭可以改裝成為電壓表、電流表、歐姆表、功率表、溫度表等等。其二是改裝成多大量程的表。一般情況，表頭所測的電流或電壓都非常的小，必須經(jīng)過改裝后才能測量較大的電流或電壓，也只能通過改裝才能測量溫度、壓力等非電流或電壓的其它物理量。在此文中，只討論電流表的改裝和電壓表的改裝。

4.1 電流表的改裝

4.1.1 改裝原理。電路原理告訴我們，并聯(lián)電路具有分流作用。當(dāng)一電流I進(jìn)入一并聯(lián)電路時(shí)，每一支路只流過總電流I的一部分，支路電阻越大，分流的電流越小，反之，電阻越小承擔(dān)的分流電流越大。每一支路流過的電流總和與總電流I相等，即：I1+I2+I3+…＝I。要把一個(gè)滿偏電流很小的表頭改裝成一個(gè)量程很大的電流表，那么，必須與表頭并接一個(gè)阻值比表頭阻值小得多的電阻R，讓絕大部分的電流從這一電阻R上流過，從而實(shí)現(xiàn)量程的擴(kuò)大。

4.1.2 改裝電路。圖3是電流表的改裝電路

圖3

改裝后的電表可以看成圖4這樣演化：

圖4

4.2 電壓表的改裝

4.2.1 改裝原理。電路原理同樣告訴我們：串聯(lián)電路具有分壓作用。當(dāng)一電壓加在一串聯(lián)電路上，則電路上的每一個(gè)電阻都承擔(dān)一部分的電壓，且電阻越大，承擔(dān)的電壓越多。反之，則越小。每個(gè)電阻承擔(dān)的電壓之和與總電壓相等。即：U1+U2+U3+…＝U。電壓表的量程擴(kuò)大改裝就是以串聯(lián)電路的特性為原理：與表頭串接一個(gè)比表頭內(nèi)阻Rg大得多的電阻R就能實(shí)現(xiàn)電壓表量程擴(kuò)大的改裝。

4.2.2 改裝電路。圖5是電壓表的改裝電路：

圖5

若量程擴(kuò)大 n 倍，即：U/（Ig*Rg）=n，則：R=（n-1）*Rg

改裝后的電表可以看成圖6演化：

圖6

5 電表的校準(zhǔn)

電表的校準(zhǔn)是電表改裝中的重要一環(huán)，校準(zhǔn)的目的是評(píng)定該表在擴(kuò)大量程或改裝后是否仍符合原電表的準(zhǔn)確等級(jí)，而等級(jí)是測量儀器的一個(gè)技術(shù)性參數(shù)。

繪制校準(zhǔn)曲線也是電表校準(zhǔn)的一大內(nèi)容，是對(duì)改裝后的電表示值進(jìn)行修正的一個(gè)依據(jù)。

校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)是電表改裝實(shí)驗(yàn)中的重要一環(huán)，其中電路設(shè)計(jì)及元件參數(shù)設(shè)定必須要符合設(shè)計(jì)思路和校準(zhǔn)原則。下面對(duì)電流表和電壓表的改裝校準(zhǔn)分別進(jìn)行剖析研討。

5.1 改裝電流表的校準(zhǔn)

5.1.1 校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)。這有幾方面要注意：一是在該電路中必須對(duì)表頭有保護(hù)電路或有保護(hù)措施；二是電路中必須有可以改變電流大小的設(shè)置，能使電流從0逐漸增大，并能使表頭指針發(fā)生滿偏；三是必須有校準(zhǔn)表，在校準(zhǔn)過程中與改裝電表進(jìn)行對(duì)比測量。

為滿足上述設(shè)計(jì)，校準(zhǔn)電路設(shè)計(jì)成如下圖7：

圖7

要說明的是：圖中的虛線方框內(nèi)是改裝的電流表。而表A是校準(zhǔn)電流表；R1是可變電位器。在此電路中作為分壓電路，其目的是提供校準(zhǔn)電路電壓。把R1設(shè)計(jì)成一個(gè)可變電位器，除了給校準(zhǔn)電路有一個(gè)相對(duì)安全的電壓外，還能實(shí)現(xiàn)電壓從0開始逐漸增大且連續(xù)可變，使校準(zhǔn)電路上的校準(zhǔn)電流從0開始變化且能逐漸增大。除此外，R1還具有保護(hù)表頭的作用；

可變電位器R2的作用是讓校準(zhǔn)電路的電流能產(chǎn)生連續(xù)的變化，與R1配合，去實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)電路上的電流從0開始且連續(xù)變化增大到改裝的量程最大值（即表頭滿偏）。

5.1.2 元件參數(shù)設(shè)置。此電路中元件參數(shù)設(shè)置主要是二個(gè)可變電阻的阻值及功率選擇。

根據(jù)設(shè)計(jì)電路特性，R1是提供校準(zhǔn)電路電壓，具有分壓作用，因此，R1的阻值不能過大（相對(duì)校準(zhǔn)電路總電阻而言），一般選擇幾百歐到一千歐之間。而功率選擇可以按功率計(jì)算公式P=U2/R得出，一般電源E提供的電壓不會(huì)選擇很大，只有5-10V之間，為保障R1工作正常，選擇其功率在1W以上即可。

而R2在校準(zhǔn)電路中的作用是為了讓校準(zhǔn)電流從小到大的變化，使表頭的指針從0到滿偏位置連續(xù)偏轉(zhuǎn)。在整個(gè)校準(zhǔn)過程中，電流的變化與R2阻值的變化是互為逆向，即：電流為0時(shí)，R2的阻值比較大（不一定是最大），當(dāng)電流達(dá)到滿偏時(shí)，其阻值相對(duì)而言卻是比較小。至于R2阻值的大小的選擇，還應(yīng)注意滿足R2＞R1條件，主要考慮校準(zhǔn)電路對(duì)R1分壓作用不能有太大的干擾。所以，R2的大小應(yīng)在幾千歐至10千歐之間，而其功率大小同樣可選擇在1W以上。

5.1.3 改裝電流表的校準(zhǔn)。為確保表頭的安全，整個(gè)校準(zhǔn)電路必須在下述狀態(tài)下開始：R2處于最大值，R1提供給校準(zhǔn)電路的電壓為0。

接下來改變R1，使校準(zhǔn)電路增壓，同時(shí)減小R2值，使校準(zhǔn)電流增大，當(dāng)指針到達(dá)校準(zhǔn)刻度處時(shí)（即標(biāo)度值處），記錄此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電流表A示數(shù)IX；同樣，R1與R2配合改變，增大校準(zhǔn)電流，在每一處的校準(zhǔn)點(diǎn)記錄校準(zhǔn)電流表A的示數(shù)IX。當(dāng)增大方向校準(zhǔn)電流測試完成后，再進(jìn)行減小方向校準(zhǔn)電流IX的測試，同樣，在每一處校準(zhǔn)點(diǎn)記錄校準(zhǔn)電流表A的示數(shù)IX。

從整個(gè)測試過程來看，在同一校準(zhǔn)測試點(diǎn)上有二個(gè)數(shù)據(jù)（除滿偏處和0處外），即增大方向和減小方向的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，把這二個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，這就是校準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)。如下表1所示。

表1 電流表改裝校準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)表

說明：標(biāo)度值 10、20、30…100，應(yīng)把這些數(shù)換算成為改裝后的具體標(biāo)度。如：改裝成量程為1A的電流表，則10處標(biāo)度處應(yīng)是100mA，20處應(yīng)是200 mA，依此類推。

5.1.4 繪制校準(zhǔn)曲線。根據(jù)表1測得和處理的數(shù)據(jù)，繪制出ΔI-Ix校準(zhǔn)曲線圖，兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)之間用折線連接。如圖8。

圖8

5.1.5 確定改裝后電表的等級(jí)。用表示改裝表的準(zhǔn)確度等級(jí)，則有式中“允許誤差”是指表一中最大的ΔI，a0為表頭的不確定度。根據(jù)上述關(guān)系式計(jì)算出的值，最后確定其中改裝后電表的等級(jí)。根據(jù)我國國標(biāo)（GB）規(guī)定，電表的等級(jí)分為 7 級(jí)，即 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。 電表等級(jí)的確定，也決定了它測量誤差大小的確定。每一等級(jí)含義表示其相對(duì)不確定度是多少。如：等級(jí)是1.0，則該表測量的相對(duì)不確定度是 1.0%。

5.2 改裝電壓表的校準(zhǔn)

5.2.1 校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)。與改裝電流表校準(zhǔn)電路一樣，其校準(zhǔn)電路的設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮以下環(huán)節(jié)：一是電路中電源電壓必須能達(dá)到校準(zhǔn)電壓的最大值；二是校準(zhǔn)電路中必須有相應(yīng)保護(hù)表頭的措施或?qū)嵤┓桨福蝗切?zhǔn)電路中必須能讓校準(zhǔn)電壓從0開始連續(xù)增大變化；四是校準(zhǔn)電路中必須有校準(zhǔn)電壓表，對(duì)測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比參照。

為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)要求，改裝電壓表的校準(zhǔn)電路如圖9所示：

圖9

設(shè)計(jì)電路說明：虛線框是改裝電壓表；V是校準(zhǔn)電壓表；R1是可變電位器，它的功能是提供校準(zhǔn)電路電壓，并使校準(zhǔn)電壓能從0開始連續(xù)增大變化，直到表頭指針滿偏。同時(shí)，R1又具有保護(hù)表頭的作用。

5.2.2 元件參數(shù)設(shè)置。主要是對(duì)可變電位器R1的參數(shù)設(shè)置。因校準(zhǔn)電壓表V及改裝表的內(nèi)阻都很大，對(duì)R1的分壓作用影響不是很明顯。所以，R1的阻值選擇范圍很廣，可從幾百歐到幾K歐都沒問題。至于R1功率大小選擇能大于E2/R1即可，一般可選擇0.5W以上。

5.2.3 改裝電壓表的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)前的電路起始狀態(tài)應(yīng)是讓校準(zhǔn)電路上的電壓處于0位。整個(gè)校準(zhǔn)過程與電流改裝校準(zhǔn)相類似，在校準(zhǔn)電路電壓增大過程中，讓表頭指針處于標(biāo)度值位置時(shí)，記錄校準(zhǔn)電壓表的示數(shù)。同樣，測量電壓增大方向和減小方向二組數(shù)據(jù)，記錄在表2中。

表2 電壓表改裝校準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)表

表中標(biāo)度值中的數(shù)據(jù)也應(yīng)根據(jù)不同量程的電壓表改裝進(jìn)行具體的改進(jìn)，方法與電流改裝相同。

電壓表改裝后最后一個(gè)校準(zhǔn)環(huán)節(jié)是進(jìn)行校準(zhǔn)曲線的繪制和電表等級(jí)的確定，這與電流表改裝一樣，在此不再累贅。

6 結(jié)語

通過電表改裝設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，應(yīng)把設(shè)計(jì)放在實(shí)驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)上，強(qiáng)調(diào)邏輯思維與設(shè)計(jì)的合理性，保證設(shè)計(jì)完整、全面。既能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的原理，又能反映綜合解決問題能力，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際和分析問題與解決問題的能力是一條比較有效的途徑。

參考資料：

[1]彭力，李豐果.有關(guān)大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的幾點(diǎn)體會(huì)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，（8）：47-52.

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[3]沈元華.設(shè)計(jì)性研究性物理實(shí)驗(yàn)教程[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2004.

[4]郭歡.高師物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[D].長春：東北師范大學(xué)，2007.

[5]金軼峰.電表改裝實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與測試[J].渭南師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，（5）.

【責(zé)任編輯：熊榮生】

Circuit Design and Electric Meter Calibration in Ammeter Refitting Experiment

ZHANG Guo-rongWANG Huai-jun HE Mei-ying
（Ningbo University of Technology， Ningbo 315016， China）

In the electric meter modified design experiments， the implementation of the experiment purpose with every step of the design links are inseparable.The related circuit and parameter setting is essential， especially the design of logical thinking.The modified electric meter calibration is a key link in the designing experiment.

electric meter；modified；circuit；variable resistance；design；partial and calibration

TM933.4

A

1671-9565（2015）03-092-05

2015-07-23

章國榮（1965－），男，浙江寧波人，寧波工程學(xué)院講師，主要從事實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)方面研究；王懷軍（1981－），男，山東曲阜人，寧波工程學(xué)院副教授，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)與量子光學(xué)方面研究；賀梅英（1964－），女，湖南攸縣人，寧波工程學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面研究。