直流电表的选择使用

直流电表的选择使用

在电学实验中，经常用到直流电流表、直流电压表、直流微安表和灵敏电流表四种电表。这四种电表的名称在不断地变化，1980年教育部(原教委，以下均称教育部)制订的标准《JY57—80直流安培计、伏特计、灵敏电流计》(已作废)以及1987年教育部制订的标准《JY214—87直流微安表》(已作废)分别称之为直流安培计、直流伏特计、直流微安表和灵敏电流计。在1993年教育部制订的标准《JY0330—93教学用指针式电表》(有效)中分别称之为直流电流表(安培级)、直流电压表、直流电流表(微安级)和检流计。在教育部2000年制订的《中学理科教学仪器配备目录(根据调整意见修订本)》中分别称之为直流电流表(编号J0407)、直流电压表(编号J0408)、直流电流表(编号J0415)和灵敏电流计(编号J0409)。在全日制普通高级中学教科书(必修加选修)《物理》第二册把检流计称为灵敏电流表。

一、电表的准确度

测量仪器的准确度指测量仪器给出的示值接近真值的能力。

(一)基本误差

基本误差为仪器测量的绝对误差Δ与基准值的比值。关系式为?，其中，基准值可能是仪表测量范围的上量限、量程或者其他明确规定的量值。基本误差的表示方法:

(1)单向标度尺的仪表(单向标度尺:零位与标度尺上量限或下量限相重合的标度尺)——以标度尺工作部分上量限的百分数表示。

式中，γ——仪表的基本误差，Δ——测量的绝对误差，A_m——仪表的上量限，A——示值，A₀——实际值。

(2)双向标度尺的仪表(双向标度尺:零位在标度尺上量限与下量限之间的标度尺)——以标度尺工作部分两上量限绝对值之和的百分数表示。

式中，B_m——仪表负向上量限，A_m——仪表正向上量限，其他同单向标度尺。

测量范围的上限又叫满量程或满刻度，习惯用F.S(Full Scale的缩写，有的写成f.s或FS)表示。有的资料和仪器仪表的生产厂家把它理解为量程。

量程是指标称范围两极限之差的模，即标称范围的上限与其下限之差的绝对值。例如，某电压表的标称范围为－10～+10V，则标称范围的上限为+10V，下限为－10V，量程为20V。

(二)仪表的准确度等级

一般习惯于用准确度等级来说明仪表的准确程度，仪表的准确程度取决于基本误差的极限值。仪表的准确度就是去掉基本误差极限值的正负号和百分数。例如，某仪表基本误差的极限值为±2.5%，则准确度等级为2.5。按国家统一规定把电表划分为七个等级，见表1。在中学实验中所用的电学仪表一般为2.5级或5级。

表1

(三)准确度的标志符号(以准确度2.5为例)

表2是国家标准《GB776—1976电测量指示仪表通用技术条件·电测量指示仪表和附件的符号》规定的符号。

表2

表3是教育部标准《JY0330—93教学用指针式电表》和国家标准《GB/T7676.2—1998直接作用模拟指示电测量仪表及其附件》规定的符号。

表3

由于表2和表3中符号的含义不完全相同，在使用仪表时要特别注意。尤其是出现双向标度尺时更容易出现问题，加之不同厂家对常用术语的理解不同也造成歧义。最好与厂家取得联系，弄清标志符号的确切含义，以下通过实例说明。

杭州电表厂生产的J0408型直流伏特计，在表盘上标注了2.5。说明书上标明，测量范围:－1～0～3V;准确度:±2.5% f.s。厂家答复该表是单向标度尺仪表，指针指在－1V～0说明接反了，测量时不用，测量时使用0～3V。仪表的最大允许误差为3V×(±2.5%)=±0.075V。厂家认为该仪表是单向标度尺仪表，并把f.s理解成测量范围的上限。

台州电表厂生产的J0408型直流伏特表，在表盘上标注了∣2.5∣。说明书上标明，测量范围:－1～0～3V;准确度:±2.5%f.s。厂家认为该仪表是双向标度尺仪表，仪表的最大允许误差为|1+3|V×(±2.5%)=±0.1V。很显然厂家把f.s理解成了量程。

杭州电表厂生产的J0409型灵敏电流计，在表盘上标注了2.5。说明书上标明，灵敏度:300μA;偏差:5%。厂家认为该仪表是双向标度尺仪表，仪表的最大允许误差可以按准确度等级计算，为(300+300)μA×(±2.5%)=±15μA，也可以按偏差计算，为300μA×(±5%)=±15μA。

台州电表厂生产的J0409型灵敏电流计，在表盘上标注了∣2.5∣。说明书上标明，测量范围:－300μA～0～300μA;准确度:±2.5%f.s。厂家答复该仪表是双向标度尺仪表，仪表的最大允许误差为(300+300)μA×(±2.5%)=±15μA。很显然厂家把f.s理解为量程。

可见，弄清了厂家对符号的解释，才能更好地了解电表的误差。

二、电测量指示仪表和检流计的区别

(1)电测量指示仪表包括电流表(按量级分为安培级、毫安级和微安级)和电压表(按量级分为伏特级、毫伏级)等，不包括检流计。直流电流表用来测量直流电路中的电流;直流电压表用来测量直流电路中的电压。《JY0330—93教学用指针式电表》要求直流电流表和直流电压表的准确度等级都是2.5级，而且要求在进行基本误差试验时要“使指针顺序地指示在包括最低和最高极限在内的至少有五个近似等距离的每一条分度线上”。可见，在中学实验中电测量仪表的线性比较好。由于指针指示在任何位置的最大允许误差都是一样的，所以越靠近满刻度，测量的相对误差就越小。

(2)检流计，英文名字为Galvanometer，常以字头G表示。1992年制订的国家标准《GB—T13743直流磁电系检流计》对检流计有着严格的技术要求，和电测量仪表的要求不同，不使用基本误差和准确度等级等术语，而是规定电流分度值(每单位分度所表示的电流)所允许的偏差范围，其中标度尺内装型检流计所允许的偏差范围是标志值的±5%或±10%。电流分度值?，I表示通过检流计的电流，α为检流计指针的偏转值。通过检流计的电流I=C_iα，由于电流分度值C_i的偏差范围是一定的，所以偏转值α越大，I的误差就越大，偏转值越小，误差就越小。由此可见，检流计和电测量仪表有着本质的不同。

《JY0330—93教学用指针式电表》对检流计的技术要求中仍然使用准确度一词，而且要求等级为2.5，这说明教育部的标准，是把检流计当作电测量指示仪表对待的。尽管标准称之为检流计，但其本质不是检流计，而是可以当作检流计使用的电流表。

教学仪器生产厂家按《JY0330—93教学用指针式电表》标准在仪表上标注了准确度等级为2.5级，但基准值是量程，即最大允许误差为测量范围上限的5%。《JY0330—93教学用指针式电表》没有对检流计的检验提出要求，仪表的生产厂家一般都是按着仪表的误差在标度尺工作部分的所有分度线上不超过测量范围上限的5%进行设计和生产的。中学实验所用检流计的示值范围是－300μA～300μA，而微安级电流表的示值范围是0～200μA，两者的标度尺长度差不多。很显然，检流计的读数误差要大。所以测量直流电路中的微小电流时应该使用微安级的电流表，而不用检流计;同样也不能用检流计改装电流表和电压表，可以用微安级或毫安级的电流表进行改装。在没有微安级电流表时，也可以用检流计代替，但误差较大。

现在大多学校实验室配备的检流计是按着旧标准《JY57—80直流安培计、伏特计、灵敏电流计》设计和生产的，在此标准中，对检流计的检验要求是:只对－300μA和+300μA两个刻度进行检测，只要偏差不超过300μA的±5%即可，而对其他刻度不要求进行检测。这就说明旧的检流计的线性更差。

三、电表测量项目的更换

(一)电流表能不能测电压

安培级电流表的表头压降为75mV，微安级电流表表头压降有两个，分别为100mV和500mV，能用它们来测电压吗?《JY0330—93教学用指针式电表》对电流表的表头压降的误差没有要求。《JY57—80直流安培计、伏特计、灵敏电流计》和《JY214—87直流微安表》要求直流安培计和直流微安表的表头压降的最大允许误差分别为满刻度值的±10%和±2.5%，而且检验时只检验满刻度时的电表压降，对其他刻度线不进行检测。可见，把电流表当作电压表使用准确性较差。相比较而言，微安级电流表测电压的误差比安培级电流表的要小。鉴于中学实验室一般不配备毫伏级的电压表，可以用微安级电流表测量毫伏级的电压。

(二)电压表能不能测电流

中学用到的电压表为伏特级的电压表，其满偏电流为1mA，《JY0330—93教学用指针式电表》对电压表满偏电流的误差没有要求。《JY57—80直流安培计、伏特计、灵敏电流计》要求伏特计满偏电流的最大允许误差为满刻度值的±2.5%，且检验时只检测满偏时的电流。可见，把电压表当作电流表使用不能保证其线性。但在中学阶段一般不配备毫安级的电流表，所以可以用电压表来测量毫安级的电流。

四、电表的使用

电表的表头部分在通恒定电流时，指针稳定指在一个位置，表内的线圈处于静止状态，此时的表头就是一个电阻。常用的电流表、电压表是由表头并联或串联一个电阻构成的。所以，电流表和电压表的本质是一样的，都是电阻，不过这个电阻与一般电阻的不同之处是可以显示自身通过的电流或自身两端的电压。

在没有合适量程的电压表时，如果知道电流表的准确内阻，也可以用电流表测量电压。同样，在没有合适量程的电流表时，如果知道电压表的准确内阻，也可以用电压表测量电流。

【例1】(1997年全国高考题)某电压表内阻在20～50kΩ之间，要测量其内阻，实验室提供下列可选用的器材，见图1:

待测电压表V(量程3V)

电流表A₁(量程200μA)

电流表A₂(量程5mA)

电流表A₃(量程0.6A)

滑动变阻器R(最大阻值1kΩ)

电源E(电动势4V)

电键K

(1)所提供的电流表中，应选用_________。

图1

(2)为了尽量减小误差，要求测量多组数据，画出符合要求的实验电路图。

分析:电压表的本质是一电阻，这个电阻可以显示自身两端的电压。电流表可以测通过其中的电流，把电压表和电流表串联，分别测出电压表两端的电压和通过其中的电流，根据R=U/I可以测量其电阻。因待测电压表可能通过的最大电流为?= 150μA，所以应选用的电流表为A₁。由于电压表的内阻为20～50kΩ，而滑动变阻器的最大电阻为1kΩ，若将滑动变阻器用作限流器，电路中的电流改变很小，电压表中的电压变化也很小，会造成较大误差。若滑动变阻器用作分压器，电压表中的电压变化范围可以达到0～3V，电流的变化也很大。所以滑动变阻器应作分压器使用。

【例2】实验室内有一只指针在中间的检流计G，其一侧的总格数为N，满偏电流、内阻未知，但估计其满偏电流不超过1mA，内阻大约不超过100Ω，现要较准确地测量其满偏电流，需进行多组测量。可用如下器材，见图2:

A.电流表A(满偏电流0.6A，内阻0.3Ω)

B.电压表V(量程3V，内阻3kΩ)

C.变阻器R(最大阻值50Ω)

D.电源E(电动势3V，内阻不计)

E.开关K，导线若干

(1)画出电路图，标明器材代号。

(2)在所得的若干组数据中，其中一组为检流计G偏转了n格，则I_g=________，式中其他符号的意义是________。

图2

分析:电流表A的量程与检流计G的量程相差太多，所以用电流表A测量检流计G通过的电流误差太大。电压表V的内阻为3kΩ，用它测电流，其量程为?= 1mA，所以，电压表可看成量程为1mA的电流表，与检流计G串联，用以测量检流计G中的电流.为实现多组测量，滑动变阻器应作分压器使用。

其中?，U为电流表指针偏转n格时电压表的示数，R_V为电压表内阻。当然，由于检流计的线性较差，这种测量的误差可能较大。

【例3】从表4中选出适当的实验器材，设计一电路来测量电流表A₁的内阻r₁，要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测出多组数据。

表4

续表

(1)画出电路图，标明所用器材的代号。

(2)若选测量数据中的一组来计算r₁，则所用的表达式为r₁=_____________，式中各符号的意义是:________________________________。

图3

分析:电流表A₁量程10mA，内阻r₁约40Ω，也就是其两端的电压最大约0.4V，如果用量程10V的电压表V₁测其两端的电压误差太大。电流表A₂的内阻为750Ω，用来测电压，其量程为0.375V。电流表A₁是一个电阻，并且可以显示通过自身的电流。根据R= U/I可以准确测量其电阻。?，I₁表示通过电流表A₁的电流，I₂表示通过电流表A₂的电流，r₂表示电流表A₂的内阻。

参考文献

［1］GB/T13983—1992，仪器仪表基本术语.北京:中国标准出版社，1993.

［2］GB776—1976，电测量指示仪表通用技术条件.北京:技术标准出版社，1978.

［3］GB/T13743—1992，直流磁电系检流计.北京:中国标准出版社，1992.