補(bǔ)償法測量電壓和電流的研究
摘要:電壓、電流的測量是工程實(shí)踐中最基本的測量內(nèi)容之一,由于電壓表、電流表的內(nèi)阻是客觀存在的,必然給測量帶來誤差。為了減小甚至消除這種誤差,可以改進(jìn)測量方法,補(bǔ)償測量法就是其中重要的一種。文中對有源二端網(wǎng)絡(luò)中開路電壓和短路電流測量的幾種補(bǔ)償測量方法進(jìn)行了研究和比較,并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算相吻合。
關(guān)鍵詞:電壓;電流;補(bǔ)償測量;實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
0 引言
對有源二端網(wǎng)絡(luò)開路電壓和短路電流的測量,通常采用直接測量法,由于電壓表、電流表內(nèi)阻的存在,這種測量的誤差是必然的,有時(shí)可能還是很大的。造成這種誤差的原因是由于電表的接入改變了原電路的工作狀態(tài)。那么,如何減小甚至消除電表內(nèi)阻的存在給測量帶來的誤差?當(dāng)然是改進(jìn)測量方法。文獻(xiàn)提出了兩次測量計(jì)算法,文獻(xiàn)均提出了采用補(bǔ)償測量法,文獻(xiàn)進(jìn)行了用補(bǔ)償法補(bǔ)償電表的討論,文獻(xiàn)討論了應(yīng)用萬用表準(zhǔn)確測量直流電壓的方法,其中也談到了補(bǔ)償測量法,可見,補(bǔ)償測量法是一種重要的方法。補(bǔ)償測量的方法不止一種,在多種方法中,用哪種方法更好,以上文獻(xiàn)均缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文對開路電壓和短路電流幾種補(bǔ)償測量方法進(jìn)行了討論,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
1 短路電流和開路電壓補(bǔ)償測量法
1.1 短路電流補(bǔ)償測量法
對于任何一個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò),它的外部特性可以等效為理想電流源ISC和電阻RS的并聯(lián)組合支路,其中,ISC為原網(wǎng)絡(luò)的短路電流,RS為原網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有獨(dú)立電源置零后端口處的入端電阻。若電流表內(nèi)阻為RA,則短路電流直接測量的相對誤差??梢?,直接測量法只適用于RA<<RS的情況(工程上認(rèn)為,RS≥100RA時(shí)屬于這種情況)。
1.1.1 電流源補(bǔ)償法
短路電流的電流源補(bǔ)償測量法如圖1所示,其中,虛線框內(nèi)為補(bǔ)償電路。方法是,先用電流表粗測有源二端網(wǎng)絡(luò)的短路電流,再用一個(gè)可調(diào)直流穩(wěn)流源按圖1連接電路,調(diào)節(jié)穩(wěn)流源輸出電流,當(dāng)檢流計(jì)G的讀數(shù)為零時(shí),C,D兩點(diǎn)等電位,CD兩端相當(dāng)于短路,即補(bǔ)償電路的接入沒有改變原電路的工作狀態(tài),因此,這種補(bǔ)償測量法完全消除了電流表內(nèi)阻對測量短路電流帶來的誤差,電流表的讀數(shù)即為有源二端網(wǎng)絡(luò)的短路電流。
1.1.2 電壓源補(bǔ)償法
短路電流的電壓源補(bǔ)償測量法如圖2所示,其中,虛線框內(nèi)為補(bǔ)償電路。方法是,調(diào)節(jié)電位器RP,使毫伏表讀數(shù)為零,此時(shí)CD兩端相當(dāng)于短路,電流表的讀數(shù)即為有源二端網(wǎng)絡(luò)的短路電流。由于補(bǔ)償電路的接入沒有改變原電路的工作狀態(tài),因此,這種補(bǔ)償法也完全消除了電流表內(nèi)阻對測量帶來的誤差。
1.2 開路電壓補(bǔ)償測量法
對于任何一個(gè)有源二端網(wǎng)絡(luò),它的外部特性可以等效為理想電壓源U0C和電阻RS的串聯(lián)組合支路,其中,U0C為原網(wǎng)絡(luò)的開路電壓,RS為原網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有獨(dú)立電源置零后端口處的入端電阻。若電壓表內(nèi)阻為RV,則開路電壓直接測量的相對誤差,可見,直接測量法只適用于RS<<RV,的情況(工程上認(rèn)為,RV≥100RS時(shí)屬于這種情況)。
如果有可調(diào)直流穩(wěn)壓電源,可以采用如圖3所示的電路,虛線框內(nèi)為補(bǔ)償電路。方法是:先用電壓表粗測CD兩端的開路電壓,然后調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓源的輸出電壓近似等于所測開路電壓,將C’,D’兩點(diǎn)分別與C,D兩點(diǎn)相接,再細(xì)調(diào)直流穩(wěn)壓源輸出電壓。當(dāng)檢流計(jì)G中的電流為零時(shí),CD兩端相當(dāng)于開路,即補(bǔ)償電路的接入沒有改變原電路的工作狀態(tài),此時(shí)電壓表的讀數(shù)即為有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓。因此,這種補(bǔ)償測量法完全消除了電壓表內(nèi)阻對測量開路電壓帶來的誤差。
如果直流穩(wěn)壓電源不可調(diào),則可以采用如圖4所示的分壓電路,虛線框內(nèi)為補(bǔ)償電路。方法是:先用電壓表粗測CD兩端的開路電壓,然后閉合開關(guān)K,調(diào)節(jié)分壓器輸出電壓,使分壓器輸出電壓近似等于所測開路電壓,將C’,D’兩點(diǎn)分別與C,D兩點(diǎn)相接,再細(xì)調(diào)分壓器輸出電壓,使檢流計(jì)G中的電流為零,此時(shí)CD兩端相當(dāng)于開路,即補(bǔ)償電路的接入沒有影響原電路的工作狀態(tài),電壓表的讀數(shù)即為CD兩端的開路電壓。可見,采用這種補(bǔ)償測量法也完全消除了電壓表內(nèi)阻對測量開路電壓帶來的誤差。
2 實(shí)驗(yàn)測試
2.1 短路電流補(bǔ)償測量法測試結(jié)果
按圖1,圖2所示電路,取ISC=4 mA,RS分別為50 Ω和500 Ω,補(bǔ)償法測量有源二端網(wǎng)絡(luò)短路電流的結(jié)果如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合。
2.2 開路電壓補(bǔ)償測量法測試結(jié)果
按圖3,圖4所示電路,取U0C=8 V,RS分別為10 kΩ和30 kΩ,補(bǔ)償法測量有源二端網(wǎng)絡(luò)開路電壓的結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相吻合。
3 結(jié)語
由于電壓表、電流表內(nèi)阻的客觀存在,直接用電壓表和電流表測量有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓和短路電流,必然帶來一定的測量誤差,原因是電表的接入改變了原電路的工作狀態(tài)。為了減小甚至消除由于電表內(nèi)阻的存在給測量帶來的誤差,可以改進(jìn)測量方法,補(bǔ)償測量法就是其中重要的一種。從以上的理論分析和實(shí)際測試結(jié)果表明,采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償測量法,可以減小甚至消除電表內(nèi)阻的存在給測量帶來的誤差。
應(yīng)該說明是,補(bǔ)償測量的方法并不止文中討論的幾種,但不管哪種方法,補(bǔ)償?shù)哪康亩际鞘闺姳淼慕尤氩粦?yīng)改變原電路的工作狀態(tài),同時(shí)使電表的讀數(shù)顯示的是被測量的數(shù)值。補(bǔ)償測量法由于受條件和儀器設(shè)備等因素的影響,一般來說只適用于高精度測量的科研工作中,不適用于一般的工程測量。具體測量時(shí),采用哪種方法更好,必須由實(shí)驗(yàn)條件和儀器設(shè)備以及對測量精度的要求來決定。