电表改装实验中电路设计及其电表校准研究

章国荣 王怀军 贺梅英

（宁波工程学院，浙江 宁波 315016）

电表改装实验中电路设计及其电表校准研究

章国荣 王怀军 贺梅英

（宁波工程学院，浙江 宁波 315016）

在电表改装设计性实验中，实验目的的实现，与每一步设计环节是分不开的，其中相关的电路及参数的设置至关重要，尤其是设计的逻辑思路。而改装后的电表校准又是这一设计性实验不可或缺的一环。

电表；改装；电路；可变电阻；设计；校准

1 前言

电表改装的设计性实验是把量程小的电表改装成量程大的电表，它是普通物理综合设计性的一个实验项目。实验要求学生按照改装理论完成实验的电路设计、元件的选择、理论计算、改装后的校准等一系列的环节，从中提高学生分析问题和解决问题的能力，同时培养学生综合运用知识能力和创新能力。

对于电表改装的设计性实验，关键在于电路的设计和参数的设置，以及对改装后电表的校准测量。其中，校准电路的设计，相关书籍没有详细说明，对每个元器件的功能用途及参数如何设定没有论述。本文对此进行详细的剖析研究。

2 实验简介

电表改装是通过提供的量程较小的表头设计成为量程较大的电流表和电压表。实验按下列几个步骤完成：

第一步，在改装之前，首先要精确测得此表头的量程和内阻的大小，这二者的数值准确与否直接决定了改装后的电流表和电压表精度的高低。

第二步，按电表改装原理完成电流表和电压表的改装。

第三步，改装后电表的校准。在校准这一环节中，校准电路的设计和元器件参数的设置是重中之重，校准过程必须注意对表头的保护，通过测量得到校准数据并进行处理后，得到改装后的电表精度的等级大小。

3 表头参数测量

表头二个重要参数分别是表头的满偏电流值Ig和表头的内阻Rg。这二个参数在设计实验中必须进行测量，得到相应数值后才能设计扩大量程的电流表和电压表的改装。一般情况下，提供的表头，其满偏电流值Ig是已知的，而内阻Rg必须经过测量才能获得。

如果，提供的表头其Ig不清楚，那必须进行测量。测量的电路图如下图1：

图1

测量电路设计说明：G是待测的表头，一般情况下，表头的满偏电流比较小，其等级为微安级；G′是标准测量电流计，要求其灵敏度高，能测量微安级的电流；电阻R0是起限流作用，其目的是让电路有微安级的电流通过，且E/R0＞Ig；可变电阻器Rw是改变电路电流的大小，Rw处于最大值时应满足E/（R0+R）＜Ig。根据上述这二个技术要求，分别来确定R0和Rw的阻值大小（作者按：取值的大小不是具体的值是多大，而是可取的范围）。

测量参数Ig时，通过调节RW使表头的指针处于满偏位置，此时测量表G的示数，就是表头的满偏电流值Ig。

而测量表头内阻Rg的方法，这里介绍二种，一种是半流法，另一种是替代法，测量电路如下图2：

图2

测量电路设计说明：半流法中R1是起限流作用，同时起保护表头的作用，使电路的总电流控制在表头满偏状态时的附近，并满足条件：E/R1＞Ig；可变电阻器RW的作用，是通过其阻值的变化，实现电流变化，并能使表头的指针能达到满偏状态，RW最大值的大小应满足 E/（R1+RW）＜1/2Ig。 而可变电阻R2一般是用电阻箱，起测量表头阻值的作用，在半流法中，当开关S断开时，通过调节RW使表头处于满偏状态，并记录标准毫安表的示数。然后把S合上，再同时调节RW和R2，使标准毫安表数值保持不变，又能使表头的指针指向满刻度的一半处，调节得到这种状态时，此时的R2的值就是表头的内阻Rg。

而替代法测量表头内阻的实验步骤是这样：以替代法实验电路图二为例，先把单刀双掷开关接通表头的一侧，调节RW使表头指针偏转（此时，不一定满偏，只要达到满偏的三分之二即可），记录标准毫安表的示数。然后，再把单刀双掷开关掷向电阻箱R2侧，改变电阻箱R2的值 （此过程RW不能改变），直至毫安表的示数与记录的数值一样，此时R2的值就是表头的内阻Rg值。

4 电表改装

电表二个重要参量测定完毕后，接下来的工作就是进行电表量程扩大的改装。电表改装包括二大部分，其一是改装成什么样的表。一般表头可以改装成为电压表、电流表、欧姆表、功率表、温度表等等。其二是改装成多大量程的表。一般情况，表头所测的电流或电压都非常的小，必须经过改装后才能测量较大的电流或电压，也只能通过改装才能测量温度、压力等非电流或电压的其它物理量。在此文中，只讨论电流表的改装和电压表的改装。

4.1 电流表的改装

4.1.1 改装原理。电路原理告诉我们，并联电路具有分流作用。当一电流I进入一并联电路时，每一支路只流过总电流I的一部分，支路电阻越大，分流的电流越小，反之，电阻越小承担的分流电流越大。每一支路流过的电流总和与总电流I相等，即：I1+I2+I3+…＝I。要把一个满偏电流很小的表头改装成一个量程很大的电流表，那么，必须与表头并接一个阻值比表头阻值小得多的电阻R，让绝大部分的电流从这一电阻R上流过，从而实现量程的扩大。

4.1.2 改装电路。图3是电流表的改装电路

图3

改装后的电表可以看成图4这样演化：

图4

4.2 电压表的改装

4.2.1 改装原理。电路原理同样告诉我们：串联电路具有分压作用。当一电压加在一串联电路上，则电路上的每一个电阻都承担一部分的电压，且电阻越大，承担的电压越多。反之，则越小。每个电阻承担的电压之和与总电压相等。即：U1+U2+U3+…＝U。电压表的量程扩大改装就是以串联电路的特性为原理：与表头串接一个比表头内阻Rg大得多的电阻R就能实现电压表量程扩大的改装。

4.2.2 改装电路。图5是电压表的改装电路：

图5

若量程扩大 n 倍，即：U/（Ig*Rg）=n，则：R=（n-1）*Rg

改装后的电表可以看成图6演化：

图6

5 电表的校准

电表的校准是电表改装中的重要一环，校准的目的是评定该表在扩大量程或改装后是否仍符合原电表的准确等级，而等级是测量仪器的一个技术性参数。

绘制校准曲线也是电表校准的一大内容，是对改装后的电表示值进行修正的一个依据。

校准电路的设计是电表改装实验中的重要一环，其中电路设计及元件参数设定必须要符合设计思路和校准原则。下面对电流表和电压表的改装校准分别进行剖析研讨。

5.1 改装电流表的校准

5.1.1 校准电路设计。这有几方面要注意：一是在该电路中必须对表头有保护电路或有保护措施；二是电路中必须有可以改变电流大小的设置，能使电流从0逐渐增大，并能使表头指针发生满偏；三是必须有校准表，在校准过程中与改装电表进行对比测量。

为满足上述设计，校准电路设计成如下图7：

图7

要说明的是：图中的虚线方框内是改装的电流表。而表A是校准电流表；R1是可变电位器。在此电路中作为分压电路，其目的是提供校准电路电压。把R1设计成一个可变电位器，除了给校准电路有一个相对安全的电压外，还能实现电压从0开始逐渐增大且连续可变，使校准电路上的校准电流从0开始变化且能逐渐增大。除此外，R1还具有保护表头的作用；

可变电位器R2的作用是让校准电路的电流能产生连续的变化，与R1配合，去实现校准电路上的电流从0开始且连续变化增大到改装的量程最大值（即表头满偏）。

5.1.2 元件参数设置。此电路中元件参数设置主要是二个可变电阻的阻值及功率选择。

根据设计电路特性，R1是提供校准电路电压，具有分压作用，因此，R1的阻值不能过大（相对校准电路总电阻而言），一般选择几百欧到一千欧之间。而功率选择可以按功率计算公式P=U2/R得出，一般电源E提供的电压不会选择很大，只有5-10V之间，为保障R1工作正常，选择其功率在1W以上即可。

而R2在校准电路中的作用是为了让校准电流从小到大的变化，使表头的指针从0到满偏位置连续偏转。在整个校准过程中，电流的变化与R2阻值的变化是互为逆向，即：电流为0时，R2的阻值比较大（不一定是最大），当电流达到满偏时，其阻值相对而言却是比较小。至于R2阻值的大小的选择，还应注意满足R2＞R1条件，主要考虑校准电路对R1分压作用不能有太大的干扰。所以，R2的大小应在几千欧至10千欧之间，而其功率大小同样可选择在1W以上。

5.1.3 改装电流表的校准。为确保表头的安全，整个校准电路必须在下述状态下开始：R2处于最大值，R1提供给校准电路的电压为0。

接下来改变R1，使校准电路增压，同时减小R2值，使校准电流增大，当指针到达校准刻度处时（即标度值处），记录此时的标准电流表A示数IX；同样，R1与R2配合改变，增大校准电流，在每一处的校准点记录校准电流表A的示数IX。当增大方向校准电流测试完成后，再进行减小方向校准电流IX的测试，同样，在每一处校准点记录校准电流表A的示数IX。

从整个测试过程来看，在同一校准测试点上有二个数据（除满偏处和0处外），即增大方向和减小方向的校准数据，把这二个数据进行平均，这就是校准测试数据。如下表1所示。

表1 电流表改装校准测试数据表

说明：标度值 10、20、30…100，应把这些数换算成为改装后的具体标度。如：改装成量程为1A的电流表，则10处标度处应是100mA，20处应是200 mA，依此类推。

5.1.4 绘制校准曲线。根据表1测得和处理的数据，绘制出ΔI-Ix校准曲线图，两个校准点之间用折线连接。如图8。

图8

5.1.5 确定改装后电表的等级。用表示改装表的准确度等级，则有式中“允许误差”是指表一中最大的ΔI，a0为表头的不确定度。根据上述关系式计算出的值，最后确定其中改装后电表的等级。根据我国国标（GB）规定，电表的等级分为 7 级，即 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。 电表等级的确定，也决定了它测量误差大小的确定。每一等级含义表示其相对不确定度是多少。如：等级是1.0，则该表测量的相对不确定度是 1.0%。

5.2 改装电压表的校准

5.2.1 校准电路的设计。与改装电流表校准电路一样，其校准电路的设计也应考虑以下环节：一是电路中电源电压必须能达到校准电压的最大值；二是校准电路中必须有相应保护表头的措施或实施方案；三是校准电路中必须能让校准电压从0开始连续增大变化；四是校准电路中必须有校准电压表，对测试的数据进行对比参照。

为实现上述设计要求，改装电压表的校准电路如图9所示：

图9

设计电路说明：虚线框是改装电压表；V是校准电压表；R1是可变电位器，它的功能是提供校准电路电压，并使校准电压能从0开始连续增大变化，直到表头指针满偏。同时，R1又具有保护表头的作用。

5.2.2 元件参数设置。主要是对可变电位器R1的参数设置。因校准电压表V及改装表的内阻都很大，对R1的分压作用影响不是很明显。所以，R1的阻值选择范围很广，可从几百欧到几K欧都没问题。至于R1功率大小选择能大于E2/R1即可，一般可选择0.5W以上。

5.2.3 改装电压表的校准。校准前的电路起始状态应是让校准电路上的电压处于0位。整个校准过程与电流改装校准相类似，在校准电路电压增大过程中，让表头指针处于标度值位置时，记录校准电压表的示数。同样，测量电压增大方向和减小方向二组数据，记录在表2中。

表2 电压表改装校准测试数据表

表中标度值中的数据也应根据不同量程的电压表改装进行具体的改进，方法与电流改装相同。

电压表改装后最后一个校准环节是进行校准曲线的绘制和电表等级的确定，这与电流表改装一样，在此不再累赘。

6 结语

通过电表改装设计性实验，应把设计放在实验的重要环节上，强调逻辑思维与设计的合理性，保证设计完整、全面。既能体现实验的原理，又能反映综合解决问题能力，对培养学生理论联系实际和分析问题与解决问题的能力是一条比较有效的途径。

参考资料：

[1]彭力，李丰果.有关大学物理设计性实验教学的几点体会[J]. 实验技术与管理，2006，（8）：47-52.

[2]徐家坤，郭宝和.谈谈设计性物理实验的选题与设计[J]. 大学物理实验，2006，（1）：89-91.

[3]沈元华.设计性研究性物理实验教程[M].上海：复旦大学出版社，2004.

[4]郭欢.高师物理设计性实验教学研究[D].长春：东北师范大学，2007.

[5]金轶峰.电表改装实验的设计与测试[J].渭南师范学院学报，2005，（5）.

【责任编辑：熊荣生】

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

章国荣（1965－），男，浙江宁波人，宁波工程学院讲师，主要从事实验室建设与实验项目开发方面研究；王怀军（1981－），男，山东曲阜人，宁波工程学院副教授，主要从事光学设计与量子光学方面研究；贺梅英（1964－），女，湖南攸县人，宁波工程学院高级实验师，主要从事物理实验教学方面研究。