Измерительный мост

Измерительный мост – электрическая схема, усовершенствованная английским физиком Чарльзом Уинстоном. Она источник постоянного тока и базовая мостовая схема, которую применяют в конструкциях многих измерительных приборов. Например, в устройствах контроля и измерения температур – термометрах.

Что такое измерительный мост?

Как пример, объясняющий электросхему моста, возьмём терморезистор или термометр. В таких системах механизм ставят в одной ветви схемы. Можно провести аналогию с аптечными весами. Разница только в том, что мост — электрическое устройство.

Рычажные весы и приборы с мостовой схемой действуют компенсационным способом. Величина тока в по Уинстону есть разница между сопротивлениями — чем она выше, тем обширнее протекает электрический ток. При изменении разности меняется и количество электрических зарядов.

Это свойство применяют в различных системах и приборах контроля. Точность замеров достигается за счет изменения сопротивления. Во время измерения электричества, проходящего через измерительный мост постоянного тока, обнаруживаются любые изменения физической величины сопротивления.

Принцип работы моста Уитстона

Мостовая схема Ч. Уинстона состоит из 2-х плеч. В каждом 2 резистора. Соединяет 2 параллельные ветви еще одна. Ее название – мостик. Ток проходит от клеммы с минусом к верхнему пику мостовой схемы.

Разделившись по 2 параллельным ветвям, ток идёт к положительной клемме. Величина сопротивления в каждой ветви непосредственно влияет на количество тока. Равное сопротивление на обеих ветвях говорит о том, что в них течет аналогичное количество тока. В таких условиях мостовой элемент уравновешен.

Если в ветвях неравное сопротивление, ток в электросхеме начинает движение от ветви с высоким уровнем сопротивления к ветви с наименьшим. Так продолжается, пока 2 верхних элемента цепей остаются равны по своей величине. Аналогичное положение резисторы имеют в схемах, которые используют в системах контроля и измерения.

Типы и модификации измерительных мостов

Основная схема измерительного моста – Уинстона. Одинарный мост меряет сопротивление от 1 Ом до 100 Мом. Но есть и модификации, позволяющие измерять разные типы сопротивлений — те, для которых базовая схема не годится.

Разновидности

Схемы измерительных мостов

Измерительные мосты переменного тока делят на 2 группы: двойные и одинарные. Одинарные имеют 4 плеча. В них 3 ветви создают цепь с 4 точками подключения.

В диагонали моста есть электромагнитный гальванометр, показывающий равновесие. В другой диагонали моста действует источник постоянного питания. Измерения могут происходить с погрешностями, которые зависят от их диапазона. По мере роста сопротивления чувствительность прибора уменьшается.

Двойной мост называют шестиплечим. Его плечи – измеряемое сопротивление (Rx), резистор (Ro) и 2 пары дополнительных резисторов (Rl, R2, R3, R4).

Двойные измерительные мосты

Небольшие сопротивления измеряются двойными мостами, состоящими из таких компонентов:

Чтобы узнать условия, при которых возникает равновесие, для замкнутых контуров применяют уравнение Кирхгофа. Соблюдается условие: по гальванометру должен идти нулевой ток.

Где используют измерительный мост Уитстона?

Измерительные элементы применяют в работе с кабельными линиями из металла. Они позволяют нейтрализовать постороннее влияние для более эффективной локализации дефектов. Гарантированы высокоточные результаты в рамках диапазона измеряемых величин.

С помощью мостовой схемы Уитстона можно вычислить сопротивление изменяющегося элемента. Схемы используют в конструкциях электронных весов, электронных термометров и терморезисторов.

Среди промышленных образцов широко известны приборы с ручной калибровкой равновесия:

Заключение

С помощью прибора Уинстона можно мерить индуктивность, содержание газа в воздухе или другом веществе, емкость и иные физические величины. Подробно о данных схемах можно прочитать в учебнике «Измерительные соединения». В книге представлены основные понятия, базовые методики, примеры, иллюстрирующие принцип действия.

Источник

Как устроены и работают измерительные мосты постоянного тока

Устройство одинарных измерительных мостов постоянного тока

Одинарный мост постоянного тока состоит из трех образцовых резисторов (обычно регулируемых) R1, R2, R3 (рис. 1, а), которые включают последовательно с измеряемым сопротивлением Rx в мостовую схему.

К одной из диагоналей этой схемы подают питание от источника ЭДС GB, а в другую диагональ через выключатель SA1 и ограничивающее сопротивление Ro включают высокочувствительный гальванометр РА.

Рис. 1. Схемы одинарных измерительных мостов постоянного тока: а — общая; б — с плавным изменением отношения плеч и скачкообразным изменением плеча сравнения.

Задача измеряющего заключается в том, чтобы уравновесить мост, то есть сделать потенциалы точек φb и φd одинаковыми, другими словами, уменьшить ток гальванометра до нуля.

Для этого начинают изменять сопротивления резисторов Rl, R2 и R3 до тех пор, пока ток гальванометра не станет равным нулю.

Разделив первое равенство на второе, получим R х / R1 = R3 / R2 или R х R2 = R1 R3

Из него следует, что мост сбалансируется тогда, когда произведения сопротивлений противолежащих плеч будут одинаковыми. Отсюда измеряемое сопротивление определится по формуле R х = R 1 R 3 / R 2

В реальных одинарных мостах изменяют либо сопротивление резистора R1 (его называют плечом сравнения), либо отношение сопротивлений R 3 /R2.

Есть измерительные мосты, у которых меняется только сопротивление плеча сравнения, а отношение R3/R2 остается постоянным. И наоборот, изменяется только отношение R3/R2, а сопротивление плеча сравнения остается постоянным.

Наибольшее распространение получили измерительные мосты, у которых плавно изменяется сопротивление R1 и скачками, обычно кратными 10, изменяется отношение R3/R2 (рис. 1,б), например в распространенных измерительных мостах Р333.

Рис. 2. Измерительный мост постоянного тока Р333

Иногда пользуются понятием относительной чувствительности измерительного моста:

где dR / R — относительнее изменение сопротивления в измеряемом плече, d a — угол отклонения стрелки гальванометра.

В магазинном измерительном мосте сопротивления плеч выполнены в виде штепсельных или рычажных многозначных мер электрических сопротивлений (магазинов сопротивлений), в реохордных мостах плечо сравнений делают в виде магазина сопротивлений, а плечи отклонения — в виде резистора, разделяемого ползунком на две регулируемые части.

По допустимой погрешности одинарные измерительные мосты постоянного тока имеют класс точности : 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 1,0; 5,0. Числовое значение класса точности соответствует наибольшему допустимому значению относительной погрешности.

Погрешность одинарного моста постоянного тока зависит от степени соизмеримости сопротивлений соединительных проводов и контактов с измеряемым сопротивлением. Чем меньше измеряемое сопротивление, тем больше погрешность. Поэтому для измерения малых сопротивлений применяют двойные мосты постоянного тока.

Устройство двойных мостов постоянного тока

Плечами двойного (шестиплечего) измерительного моста служат измеряемое сопротивление Rx (выполняют четырехзажимным для уменьшения влияния переходных контактных сопротивлений и включают в сеть через специальное четырехзажимное приспособление), образцовый резистор Ro и две пары вспомогательных резисторов Rl, R2, R3, R4.

Рис. 3 Схема двойного измерительного моста постоянного тока

Равновесие моста определяется формулой:

Отсюда видно, что если два отношения плеч R1/R2 и R4/R3 равны между собой, то вычитаемое равно нулю.

Несмотря на то, что сопротивления R1 и R4, перемещая движок D, устанавливают одинаковыми, из-за разброса параметров сопротивлений R2 и R4 этого добиться очень сложно.

Значение измеряемого сопротивления можно определить по формуле: R х = Ro R1 / R2

Двойные измерительные мосты постоянного тока рассчитаны на работу только с переменным отношением плеч. Чувствительность двойного моста зависит от чувствительности нулевого указателя, параметров мостовой схемы и значения рабочего тока. С увеличением рабочего тока чувствительность увеличивается.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Измерительный мост постоянного тока

Аналоговые приборы компенсационного типа

Для измерений различных величин находят применение изме­рительные приборы — мосты и компенсаторы, которые строятся на основе метода сравнения с мерой.

Мосты широко используют для измерения сопротивления, индуктивности, емкости, добротности и угла потерь. На основе мостовых схем выпускают приборы для измерения неэлектрических величин (температуры, перемещений и др.) и различные устройства автоматики. Широкое применение мостов объясняется возможностью получения высокой точности результатов измерений, высокой чувствительности и возможностью измерения различных величин.

В зависимости от характера сопротивлений плеч, образующих мост, и рода тока, питающего мост, выделяют мосты постоянного тока и мосты переменного тока. В зависимости от вида схемы (числа плеч) мосты постоянного тока бывают четырехплечие (одинарные) и шестиплечие (двойные). Мосты выпускаются с ручным и автоматическим уравновешиванием.

Для измерений напряжений и ЭДС постоянного и переменного тока применяют компенсаторы постояного и переменного тока. Они также применяются для измерения других величин при использовании измерительных преобразователей и косвенного способа измерений.

Компенсаторы дают возможность получать результаты с высокой точностью, они обладают высокой чувствительностью.

Приборостроительная промышленность выпускает компенсаторы как с ручным, так и с автоматическим уравновешиванием.

Мост называется уравновешенным, если разность потенциалов между точками 1 и 2 равна нулю, т.е. напряжение на диагонали, содержащей индикатор нуля, отсутствует и ток через индикатор равен нулю.

Рис.4.23. Схема четырехплечего (одинарного) моста постоянного тока

Соотношение между сопротивлениями плеч, при котором мост урав­новешен, называется условием равновесия моста. Это условие можно получить, используя законы Кирхгофа для расчета мостовой схемы. Например, для одинарного моста постоянного тока зависимость проте­кающего через индикатор нуля (гальванометр) PG тока I_G от со­противлений плеч, сопротивления гальванометра R_G и напряжения питания U имеет вид

Это и есть условие равновесия одинарного моста постоянного тока, которое можно сформулировать следующим образом: для того чтобы мост был уравновешен, произведения сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны. Если сопротивление одного из плеч неизвест­но (например, R₁ = R_x), то условие равновесия будет иметь вид

(4.39)

Таким образом, измерение при помощи одинарного моста можно рассматривать как сравнение неизвестного сопротивления R_x с образцовым сопротивлением R₂ при сохранении неизменным отношения R₃/R₄. По этой причине плечо R₂ называют плечом сравнения, плечи R₃ и R₄ — плечами отношения.

Если в предварительно уравновешенном мосте первое плечо получает приращение ΔR₁ то в диагонали моста возникает ток, который в первом приближении (при условии ΔR₁ 6 Ом). В широкодиапазонных одинарных мостах плечо сравнения (R₂) изготавливают в виде многодекадного магазина сопротивлений. Плечи отношений (R₃, R₄) выполняют в виде штепсельных магазинов сопротивления, которые могут иметь значения 10, 100, 1000 и 10 000 Ом.

При измерении сопротивлений величиной менее 10 Ом на результат измерения оказывают существенное влияние сопротивление контактов и соединительных проводов. Уменьшить это влияние можно следующими способами:

1. использовать 4-х зажимное подключение измеряемого резистора в схеме одинарного (четырехплечего) моста.

2. использование двойного (шестиплечевого) моста.

Конструктивно современные мосты обычно выполняют в металлическом корпусе, на панели которого размещаются ручки магазина сопротивлений (плечо сравнения), переключатели плеч отношения, зажимы для подключения измеряемого объекта, наружного гальванометра, источника питания. Некоторые мосты выпускаются со встроенными гальванометрами.

Источник

Измерительные мосты и компенсаторы

Измерительные мосты

Измерительный мост – это обычно четырехплечая электрическая цепь, составленная из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, предназначенная для определения отношения параметров этих компонентов. К одной паре противоположных полюсов цепи подключается источник питания, а к другой – нуль-детектор. Измерительные мосты применяются только в тех случаях, когда требуется повышенная точность измерения. (Для измерений со средней точностью лучше пользоваться цифровыми приборами, поскольку они проще в обращении.) Наилучшие трансформаторные измерительные мосты переменного тока характеризуются погрешностью (измерения отношения) порядка 0,0000001%.

Наиболее точные измерения сопротивления постоянному току выполняются с помощью мостов постоянного тока. Мосты делятся на две группы: одинарные и двойные.

Одинарный мост, называемый мостом Уитстона, применяют для измерения сопротивлений от 1 Ом до 100 Мом.

Двойной мост, называемый мостом Томпсона, используют для измерения малых величин сопротивлений – менее 1 Ом.

Одинарный мост состоит из четырех плеч: три известных сопротивления в плечах моста вместе с измеряемым сопротивлением образуют замкнутый четырехполюсник. В измерительную диагональ моста включен указатель равновесия, в качестве которого используют магнитоэлектрический гальванометр. В другую диагональ моста включается источник постоянного тока.

Рис. 7.1 Схемы одинарных мо­стов постоянного и переменного тока

Подбором сопротивлений добиваются отсутствия тока через гальванометр. В состоянии равновесия моста выполняется условие:

, .

Отношение двух сопротивлений в плече моста является фиксированным множителем (…) для регулируемого сопротивления в плече моста содержащем неизвестное сопротивление.

Погрешность измерения зависит от измеряемого диапазона, по мере увеличения измеряемого сопротивления уменьшается чувствительность прибора, возрастает влияние сопротивления изоляции. Нижний предел измерений ограничен влиянием сопротивления соединительных проводов. Эти погрешности исключаются в двойном мосте. Мост называется двойным, так как содержит два комплекта плеч отношения. При этом реализуется дифференциальный принцип измерения.

Для создания мостовых схем на переменном токе используют трансформаторные и емкостные измерительные схемы. Используют для измерения активного сопротивления, индуктивности и емкости.

Равновесие такого моста достигается при выполнении условия:

. (7.1)

Из данного условия следует, что для уравновешивания моста с комплексными сопротивлениями необходима регулировка активной и реактивной составляющих. Равенство фаз указывает, какими по характеру должны быть сопротивления плеч моста для обеспечения равновесия мостовой схемы. Правильный выбор регулируемых элементов моста и питание напряжением повышенной частоты обеспечивает быстрое уравновешивание моста и его хорошую сходимость.

Сходимость моста – это возможность достижения состояния равновесия определенным числом переходов от регулировки одного параметра к регулировке другого.

Погрешность мостов переменного тока складывается из следующих составляющих: погрешности исполнения элементов схемы, погрешности их подгонки, от неполного учета активной и реактивной составляющих сопротивлений плеч моста, погрешности отсчетного устройства. С повышением частоты погрешности возрастают.

К резистору трудно подсоединить провода, не привнеся при этом сопротивления контактов порядка 0,0001 Ом и более. В случае сопротивления 1 Ом такой токоподвод вносит ошибку порядка всего лишь 0,01%, но для сопротивления 0,001 Ом эта ошибка будет составлять уже 10%. В таких случаях используют двойной измерительный мост (мост Томсона), предназначенный для измерения сопротивления резисторов малого номинала. Сопротивление таких четырехполюсных резисторов определяют как отношение напряжения на их потенциальных зажимах к току через их токовые зажимы. При такой методике сопротивление присоединительных проводов не вносит ошибки в результат измерения искомого сопротивления. Два дополнительных плеча исключают влияние соединительного провода между зажимами.

Рис. Двойной измерительный мост (мост Томсона – более точный вариант моста Уитстона, пригодный для измерения сопротивлений в области микроом).

Наиболее распространенные измерительные мосты переменного тока рассчитаны на измерения либо на сетевой частоте 50–60 Гц, либо на звуковых частотах (обычно вблизи 1000 Гц); специализированные же измерительные мосты работают на частотах до 100 МГц.

Как правило, в измерительных мостах переменного тока вместо двух плеч, точно задающих отношение напряжений, используется трансформатор. К исключениям из этого правила относится измерительный мост Максвелла – Вина. Такой измерительный мост позволяет сравнивать эталоны индуктивности (L) с эталонами емкости на не известной точно рабочей частоте. Эталоны емкости применяются в измерениях высокой точности, поскольку они конструктивно проще прецизионных эталонов индуктивности, более компактны, их легче экранировать, и они практически не создают внешних электромагнитных полей. Мост уравновешивается даже в случае «нечистого» источника питания (т.е. источника сигнала, содержащего гармоники основной частоты).

Одно из преимуществ измерительных мостов переменного тока – простота задания точного отношения напряжений посредством трансформатора. В отличие от делителей напряжения, построенных из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности, трансформаторы в течение длительного времени сохраняют постоянным установленное отношение напряжений и редко требуют повторной калибровки. На рис. 4 представлена схема трансформаторного измерительного моста для сравнения двух однотипных полных сопротивлений.

Рис. Трансформаторный измерительный мост.

К недостаткам трансформаторного измерительного моста можно отнести то, что отношение, задаваемое трансформатором, в какой-то степени зависит от частоты сигнала. Это приводит к необходимости проектировать трансформаторные измерительные мосты лишь для ограниченных частотных диапазонов, в которых гарантируется паспортная точность.

Измерительные мосты необходимо тщательно заземлять и экранировать, чтобы паразитные емкости между разными частями схемы моста не вносили ошибку уравновешивания.

В измерительных мостах переменного тока чаще всего применяются нуль-детекторы двух типов. Нуль-детектор одного из них представляет собой резонансный усилитель с аналоговым выходным прибором, показывающим уровень сигнала. Нуль-детектор другого типа – это фазочувствительный детектор, который разделяет сигнал разбаланса на активную и реактивную составляющие. Такие устройства пригодны в тех случаях, когда требуется точно уравновешивать только одну из неизвестных составляющих (скажем, индуктивность L, но не сопротивление R катушки индуктивности).

Источник

Изучение основных свойств мостов постоянного и переменного тока. Экспериментальное измерение сопротивлений, емкостей и индуктивностей при помощи мостовых схем

Измерительные мосты постоянного и переменного тока. Принципы измерений: мост Уитстона

При обслуживании металлических кабельных линий наиболее часто пользуются измерительными мостами, хотя для поиска мест повреждения кабеля существуют и другие приборы. Во-первых, они обеспечивают высокую точность в широком диапазоне измеряемых величин. Во-вторых, их применение позволяет организовать измерения таким образом, чтобы компенсировать посторонние влияния, что незаменимо для локализации неисправности. В-третьих, они недороги.
Учитывая сказанное, полезно ознакомиться не только с устройством измерительных мостов, но и с принципами их применения для локализации неисправностей. Впрочем, говоря языком математики, для построения оптимальных схем измерения такие знания необходимы, но недостаточны. Диагностика — это всегда и опыт, и искусство.

Принцип работы мостовой схемы измерения продемонстрировано на Рисунке 1 (RM1a), а способ ее применения на практике — на Рисунке 2 (RM2a). Сопротивление R1 вычисляется исходя из полученного при балансировке моста соотношения R4/R3, в качестве R2 используется резистор с известным значением. Конечно, сказанное дает только самое общее представление об измерительной схеме моста. На самом деле он устроен гораздо сложнее — современные мосты создаются на основе цифровых процессоров. Микропроцессорное ядро позволяет автоматизировать процедуру измерения (в первых моделях оператор должен был пользоваться калькулятором, сегодня же все расчеты выполняются аппаратурой), обеспечить многофункциональность устройства (многие мосты интегрированы с другими измерительными приборами — мультиметрами, рефлектометрами и т. п.), устранить помехи (посторонние постоянные и переменные напряжения почти всегда присутствуют на жилах кабелей), организовать дальнейшую обработку накопленных результатов измерений (хранение, обмен с компьютером, печать протоколов) и др.

Рассмотренный выше мост, используемый для измерения сопротивления, носит имя Уитстона (Wheatstone). Для подключения измеряемых цепей в нем применяются всего две клеммы (B и C). Более сложные схемы реализованы в двух других мостах — Муррея (Murray) и Купфмюллера (Kupfmuller) (RM2в). Здесь измеряемые цепи подключаются с помощью трех клемм (A, B и C). В более сложных схемах Хиборна/Графа (Hilborn/Graf) задействуются четыре клеммы (A, B, B’ и C) (RM3). Смысл увеличения числа точек подключения станет понятен при рассмотрении схем измерения с применением мостов.

Еще один момент. Все упомянутые мостовые схемы используются для измерений при постоянном токе (определяются величины активных сопротивлений, подключенных к клеммам). Кроме того, мостовые схемы Уитстона и Муррея используются для измерений при переменном токе (определяются величины емкостей, подключенных к клеммам). В таких мостах источником напряжения служит генератор синусоидального напряжения.

Теперь остановимся на схемах измерений. С помощью моста Уитстона при постоянном токе измеряют сопротивление витой пары (шлейфа), сопротивление изоляции жил пары, сопротивление изоляции между жилами и экраном (RM3, RM4, RM5).

Значения упомянутых параметров используются для диагностики кабельных линий. Локализация же неисправностей требует определения места повреждения на кабельной линии. При помощи моста постоянного тока несложно вычислить расстояние до места повреждения. Зная сопротивление шлейфа Rшл и погонное сопротивление жил кабеля Rпог, можно воспользоваться формулой: Lпары = Rшл / 2Rпог, и рассчитать длину витой пары.

Погонное сопротивление медных жил определяется табличным способом по их сечению. Оно зависит не только от сечения жил, но и от их температуры. Чтобы избежать ошибки, нужно использовать значение погонного сопротивления для соответствующей температуры (особенно важно это для воздушных кабельных линий, где температура меняется в широких пределах). В простых мостах значения вводятся оператором вручную из таблиц. В более сложных приборах при помощи автоматической или полуавтоматической калибровочной процедуры определяется поправочный коэффициент по измеренному значению температуры (для чего в комплекте прибора присутствует щуп-датчик).

Длина витой пары может быть установлена также мостовым методом при переменном токе. В таком случае измеряемым параметром является емкость витой пары. Разделив емкость витой пары на ее погонную емкость, получим длину витой пары.

Аналогично рассмотренным выше измерениям при постоянном токе, с помощью моста Уитстона при переменном токе определяются емкость витой пары (шлейфа) и емкость каждой из жил пары относительно экрана. Длина жил может быть вычислена по их погонной емкости. Погонная емкость (нФ/км) витой пары зависит от сечения жил, типа скрутки, вида и материала изоляции и определяется табличным способом по типу кабеля.

Резкое увеличение емкости витой пары по сравнению с ее паспортным значением, как правило, свидетельствует о наличии воды в сердечнике кабеля. Для локализации повреждений этого типа применяются другие методы, прежде всего зондирование поврежденной пары с помощью рефлектометра.

Отметим, что, в отличие от сопротивления, погонная емкость слабо зависит от температуры, что существенно упрощает измерения.

Мосты переменного тока

Для измерения параметров элементов цепей методом сравнения применяют мосты. В сравнении измеряемой величины (сопротивление, индуктивность, емкость) с образцовой меры при помощи моста измеряют автоматически или вручную на переменном или постоянном токе. Мостовые схемы обладают высокой точностью, широким диапазоном измеряемых значений параметров элементов. На основе мостовых методов строят приборы, предназначенные для измерения какой-либо одной величины, так и универсальные. Существует несколько элементов мостовых схем RLC: четырехплечие, уравновешенные, неуравновешенные и процентные. В зависимости от вида мостовых схем количество входящих в ее состав ветвей (плеч) мосты можно разделить на: четырехплечие, многоплечие, Т-образные и т.д. наиболее распространенные четырехплечие (одинарные) мосты. Т-образные мосты обычно применят для измерения параметров электрических цепей на высоких и сверхвысоких частотах. В состав каждой мостовой схемы входят измеряемые параметры и переменные образцовые меры. В зависимости от соотношения между параметрами мостовой схемы может быть, а может и отсутствовать напряжение (ток), в результате чего мосты делятся на неуравновешенные (есть ток) и уравновешенные (нет тока).

Принцип действия четырехплечего (одинарного) моста.

Одинарный мост имеет 4 плеча (Z1,Z2,Z3,Z4), источник питания (U), ноль-индикатор. Если сопротивления таковы что точки А и В имеют равные потенциалы, то через ноль-индикатор отсутствует; в этом случае говорят что достигается равновесие моста. Z1*Z4=Z2*Z3 (1). Если Z4 неизвестное сопротивление, то его значение можно определить из условия равновесия Z4=Z2*Z3/Z1 (2). Отсюда следует, что равновесие не зависит от сопротивления ноль-индикатора, т.к. ток не течет через него, а также от напряжения и сопротивления источника питания. Таким образом, высокостабильный источник питания не требуется. Z3 – плечо сравнения, а отношение Z1/Z2 определяет диапазон изменения измеряемой величины. Чтобы охватить широкий диапазон известных импедансов мосты снабжают переключателем, которые изменяют сопротивление Z1 и Z2 в 10 раз. Сопротивление моста в общем случае имеет комплексный характер: Z1=Z1*ejf1, Z2=Z2*ejf2, Z3=Z3*ejf3, Z4=Z4*ejf4.

Zj – модули комплексных сопротивлений

fi – соответствующая фаза

Когда равновесие моста определяется выражениями 1 и 3 тогда мост переменного тока нуждается в регулировке двух независимых параметров, чтобы обеспечить равновесие модулей и фазовых углов.

Чувствительность моста очень важный параметр и определяется, как способность менять на малые отклонения. Оно выражается как изменение тока через ноль-индикатор при единичном отклонении моста регулируемого в положении равновесия. При максимальной чувствительности моста если Z2=Z4, то и Z1=Z3. на практике это условие выполняется редко, т.к. Z3 должно быть достаточно большим чтобы обеспечить требуемую точность. Наибольшая чувствительность достигается, когда ноль-индикатор включен между контактами двух плеч с максимальным и минимальным импедансом. Чувствительность моста также пропорциональна напряжению источника питания. В качестве ноль-индикатора в мосте постоянного тока можно использовать магнитно-электрический прибор. Простейшим индикатором для моста переменного тока является головной телефон; на частотах, на которых чувствительность уха низка применяют радиоприемник или измерительные усилители. Для достижения высокой чувствительности и избирательности требуется генератор непрерывного сигнала и гетеродинный индикатор. Для уравновешивания моста используют также подключенный к осциллографу усилитель. Напряжение источника питания не должно превышать максимально допустимого напряжения и не выделять избыточного тепла. Чем ниже напряжение, тем ниже чувствительность моста и система более восприимчива к высокочастотным помехам. Для мостов переменного тока на низкой частоте можно использовать сетевое напряжение 50 Гц. Выпускаемые промышленные мосты обычно содержат источники питания с различными частотами, т.к. чувствительность мостов с реактивными сопротивлениями пропорционально частоте и эта зависимость может быть крутой на одном конце сопротивления и пологой на другом. Максимальная частота источника питания должна быть ниже собственной резонансной частоты измеряемых элементов, чтобы уменьшить ошибки измерений. Если точка равновесия моста чувствительна к частоте, то источник питания должен иметь стабильную частоту и не генерировать гармоники, т.к. уравновешенные на одной частоте не остаются в равновесии на гармонике.

Мост Уитстона.

Наибольшее распространение получил резистивный мост называемый мостом Уитстона.

Rx – неизвестное сопротивление

R1, R2, R3 – регулируются до тех пор пока ток через ноль-индикатор не станет равным нулю. В таком положении Rх определяется: Rх=R3R2/R1 (4)

R1 и R2 – неизвестные фиксированные сопротивления в диапазоне от 1Ом до 1кОм, при этом R2/R1 составляет от 10-3 до 103.

R3 регулируется шагом 1 или 1.1Ом вплоть до 10кОм, чтобы уравновесить мост. При измерении, R1 и R2 выбираются такими, чтобы чувствительность моста была максимальной. R4 сначала включают в цепь для защиты ноль-индикатора, но может быть и закорочено для повышения чувствительности, когда равновесие достигнуто.

Мост Уитстона используют для измерения сопротивлений резистора с двумя зажимами от 1Ом до 100 МОм. Нижний предел измерения сопротивлений зависит от импеданса соединений проводов и контактов. Для измерения сопротивлений ниже 1ом используют второй мост Уитстона. При измерении до 100 Ом мост дает ошибку (5-100)10-6. В мосте используются резисторы из манганина, который имеет низкий температурный коэффициент сопротивления, высокую стабильность, и низкий термоЭДС. При проведении измерений с мотом Уитстона обычно берут 2 отсчета при разных полярностях батареи, а затем усредняют результат, исключая эффект термоЭДС. Пиковый ток через резисторы должен поддерживаться на низком уровне, чтобы избежать изменения сопротивления из-за их нагрева током. Чтобы использовать мост Уитстона для измерений выше 100 МОм требуется высокое напряжение, тогда токи утечки на землю могут приводить к заметным погрешностям. Их можно уменьшить и расширить рабочий диапазон моста до 1012 Ом, если использовать высокочувствительный индикатор и методы защиты (экранирование, заземление экрана и другое).

Мосты для измерения индуктивности.

Для измерения индуктивности в этих мостах используется метод сравнения с известной индуктивностью. Для питания используется переменный ток, при этом две составляющие моста должны быть регулируемые, чтобы обеспечить уравновешивание, как по модулю, так и по фазе. Предполагается, что неизвестная катушка имеет собственную индуктивность Lx, взаимную Nx и сопротивление Rx.

Типы Мостов

Мы можем классифицировать мостовые схемы или мосты по следующим двум категориям на основе сигнала напряжения, с которым они могут работать.

Теперь давайте кратко обсудим эти два моста.

Мосты постоянного тока

Если мостовая схема может работать только с сигналом напряжения постоянного тока, то это мостовая цепь постоянного тока или просто мост постоянного тока

. Мосты постоянного тока используются для измерения значения неизвестного сопротивления.
Принципиальная схема
моста постоянного тока выглядит так, как показано на рисунке ниже.

Вышеупомянутый мост постоянного тока имеет четыре плеча,

каждый из которых состоит из резистора. Среди которых два резистора имеют фиксированные значения сопротивления, один резистор является переменным резистором, а другой имеет неизвестное значение сопротивления.

Схема мостового измерителя

Принципиальная схема реального мостового измерителя емкости и индуктивности, который вам предлагается сегодня сделать, показана на рисунке 4. Вы, наверное уже догадались, что этот прибор будет работать от низкочастотного генератора и лабораторного источника сигнала, которые мы с вами уже сделали ранее.

При помощи моста можно измерять емкости от десятков пФ до единиц мкФ и индуктивности от десятков мкГн до единиц мГн.

В качестве индикатора баланса используются обычные головные телефоны, например, от аудиоплейера, которые подключаются в гнездо Х5

На разъем Х2 подаются прямоугольные импульсы с выхода нашего генератора, при этом S4 генератора должен быть в противоположном, показанному на схеме положении (см. «РК-12-2004, стр.36-38).

Рис. 4. Принципиальная схема мостового измерителя емкости и индуктивности.

Транзисторный ключ на VT1 (рис.4) защищает выход микросхемы генератора от перегрузки, которая может возникнуть в процессе работы с мостом. Переключателями S1-S5 выбирают пределы измерения и то, что нужно измерять (индуктивность или емкость). При измерении индуктивности измеряемые катушки нужно подключать к клеммам Х3, а измеряя емкость — измеряемые конденсаторы подключать к Х4.

Если вернуться к схемам, приведенным на рисунках ЗА и ЗБ, то, конденсаторы С1, С2 и С3 (рис. 4) это конденсатор С1 (рис.З А), а измеряемый конденсатор — это С2 (рис.ЗА). Индуктивности L1 и L2 показанные на схеме на рисунке 4, — это индуктивность L2 в схеме на рисунке ЗБ, а измеряемая индуктивность — это L1 на рисунке З Б.

Органом измерения и, одновременно, индикатором результата измерения служит переменный резистор R1. Его рукоятка имеет стрелку, а вокруг нее нанесена на корпусе прибора шкапа (таким же способом как шкала настройки генератора НЧ).

На разъем Х1 подается напряжение от лабораторного источника питания. При измерении емкостей величина этого напряжения должна быть установлена 10-12V, а при измерении индуктивностей — 4-5V. Индуктивность и емкость можно отсчитывать по одной и той же шкале

Это важно, поскольку для градуировки измерителя емкости можно приобрети достаточное количество конденсаторов разных емкостей, а с приобретением такого же количества разных катушек могут возникнуть проблемы. Поэтому, градуировав прибор на измерение емкости можно им пользоваться и для измерения индуктивности

На генераторе установите частоту около 1000 Гц. С такой частотой в дальнейшем и будет работать мост. Конденсаторы С1, С2 и С3 нужно выбрать с наименьшей погрешностью емкости. Если есть такая возможность лучше их емкости предварительно проверить при помощи какого-то точного прибора, измеряющего емкости. В качестве L2 и L1 лучше использовать готовые дроссели (на 100 мкГн и на 1 мГн).

Прибор можно собрать в любом подходящем по размерам корпусе, например, в пластмассовой мыльнице. В качестве переключателей S1-S4 можно использовать такие же как в генераторе НЧ, но не три, а пять модулей или простые тумблеры. Можно всех их заменить одним поворотным переключателем на пять положений.

Работая с прибором нужно помнить, что только один из S1-S5 может быть замкнутым, при этом все остальные разомкнуты.Шкала одна и та же для всех пределов и видов измерения. Поэтому, её можно отградуировать на одном пределе, например, «х0,01 мкФ». В этом случае, подготовьте эталонные конденсаторы, например, на 1000 пф, 1500 пф, 3000 пФ, 5000 пф, 7500 пФ, 0,01 мкФ, 0,015 мкФ, 0,02 мкФ, 0,05 мкФ, 0,1 мкФ.

Мостовой метод

2015-06-26 7135
Мостовой метод положен в основу работы измерительных мостов

(Е7), которые являются универсальными приборами. С их помощью можно измерять сопротивление резисторов, емкость конденсаторов, индуктивность катушек, добротность и тангенс потерь.

Название «мост» прибор получил потому, что между двумя параллельными ветвями (Żl, Ż2 и Ż3, Ż4) индикаторная диагональ образует как бы мост.

Ветви, в которые включены комплексные сопротивления Żl, Ż2, Ż3 и Ż4, называют плечами моста. В одну диагональ моста вклю­чен генератор Г питающего напряжения, в другую — индикатор И рав­новесия (баланса) моста.

Схемы четырехплечного моста показаны на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Схемы четырехплечного моста в общем виде (а)

и для измерения сопротивления резисторов
(6)
Измерение сопротивления резисторов выполняют в цепях посто­янного и переменного тока. Во все плечи моста включены чисто актив­ные сопротивления.

Условием равновесия моста является равенство произведений со­противлений двух противоположных плеч:

Признак равновесия моста — отсутствие показаний на индикаторе.

Если поменять местами индикаторную диагональ и диагональ пи­тания, то равновесие моста не нарушится.

Процесс уравновешивания моста постоянного тока достигается изменением (подбором) отношения R

2
/ R
1переключателя «Множи­тель» и плавным изменением сопротивления потенциометра
R
3
—
ре­гулировки «Отсчет», что позволяет значительно расширить диапазон измерения. Уравновешивание моста считается законченным при пол­ностью использованном значении напряжения питания (регулировка «Чувствительность») генератора.

Результат измерения представляет собой произведение от умно­жения показания регулировки «Отсчет» на показание переключателя «Множитель».

Чувствительность моста зависит от чувствительности используемого индикатора и значения напряжения источника питания. Поэтому в каче­стве индикатора в аналоговых мостах используется прибор магнитоэлект­рической системы с двухсторонней шкалой (с нулем посередине).

Измерение емкости конденсаторов

выполняется мостом только переменного тока. Сопротивление четырехплечного моста в общем виде носит комплексный характер, поэтому условия равновесия моста переменного тока будут определяться двумя условиями: по модулю и по фазе.

Мосты переменного тока чаще всего питаются от внутреннего гене­ратора со звуковой частотой 100 или 1000 Гц (если на лицевой панели \

моста частота не указана, то это всегда 1000 Гц). Возможно питание от внешнего генератора, для чего предусмотрены гнезда (обычно на задней панели). При питании напряжением звуковой частоты еще мало сказывается влияние паразитных емкостей и индуктивностей на по­грешность измерения.

В качестве индикатора равновесия моста служат электромехани­ческий индикатор выпрямительной системы или электронный вольт­метр типа У—Д, в точных мостах — электронный осциллограф (в мо­мент равновесия моста на экране ЭЛТ будет только горизонтальная линия развертки).

Конденсаторы различаются не только значением емкости и рабо­чим напряжением, но и активными потерями в диэлектрике, которые характеризуются тангенсом угла потерь tg δ. Эквивалентные схемы конденсатора без потерь (идеального конденсатора), с малыми и большими потерями представлены на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Эквивалентные схемы конденсаторов без потерь (а

и с большими потерями (
в
)

Отечественная промышленность и зарубежные фирмы выпускают множество разнообразных конденсаторов с малыми и большими потерями. Рассмотрим функциональную схему моста для измерения емкости конденсаторов с малыми потерями (рис. 4.8, а).

Рис. 4.8. Функциональные схемы мостов для измерения емкости конденсаторов с малыми (а

) и с большими потерями
(б)
Условие равновесия моста в комплексном виде выражается как:

Раскрыв скобки и приравняв отдельно вещественные и мнимые ча­сти, получим:

С помощью рассматриваемой схемы моста можно измерять tgδ. Элек­трическая цепь левого верхнего плеча моста показана на рис. 4.9, а.

Рис. 4.9. Электрическая цепь левого верхнего плеча моста (а

) и векторная диаграмма тока и напряжений в плече (
б
)

В векторной диаграмме (рис. 4.9, б)

угол φ — фазовый сдвиг между током и напряжением в левом плече, угол δ — угол потерь в диэлек­трике:

Определим tgδ через известные (образцовые) параметры элементов цепи. Для этого перемножим уравнение (4.9) и (4.10), умножив левую и правую части на ω:

Из выражения (4.12) следует, что при ω = const и C

Измерение сопротивлений с помощью моста Уитстона

Принцип измерения сопротивления основан на уравнивании потенциала средних выводов двух ветвей (см. ).

Другая ветвь содержит элемент, сопротивление которого может регулироваться (R2>; например, реостат).

Между ветвями (точками B и D; см. ) находится индикатор. В качестве индикатора могут применяться:

Обычно в качестве индикатора используется гальванометр.

Когда гальванометр показывает ноль, говорят, что наступило «равновесие моста» или «мост сбалансирован». При этом:

Сопротивления R1>, R3> должны быть известны заранее.

Вывод формулы см. ниже.

При плавном изменении сопротивления R2> гальванометр способен зафиксировать момент наступления равновесия с большой точностью. Если величины R1>, R2> и R3> были измерены с малой погрешностью, величина Rx> будет вычислена с большой точностью.

В процессе измерения сопротивление Rx> не должно изменяться, так как даже небольшие его изменения приведут к нарушению баланса моста.

К недостаткам предложенного способа можно отнести:

необходимость регулирования сопротивления R2>. На поиски «равновесия» тратится время. Гораздо быстрее измерить несколько параметров цепи и вычислить Rx> по другой формуле.

Мостовой метод измерения параметров цепей. Измерительные мосты

Мостовой метод является одной из разновидностей метода сравнения. Приборы, основанные на мостовом методе, называются мостами постоянного и переменного тока, в зависимости от характера напряжения питания.

Мостовая измерительная цепь (МИЦ) в общем случае состоит из четырех сопротивлений z1 – z4, имеющих в общем случае комплексный характер и образующих две параллельные ветви к источнику питания ИП (рисунок 3.4.3).

В диагональ «аб» включен индикатор равновесия И (гальванометр), и эта диагональ называется индикаторной диагональю.

Как известно, схема моста находится в равновесии (балансе), если ток в индикаторной диагонали отсутствует. При этом показания индикатора равны нулю. В данном случае МИЦ реализует одну из основных модификаций метода сравнения – нулевой метод.

Моменту равновесия МИЦ соответствует равенство потенциалов точек «а» и «б», что возможно только тогда, когда падения напряжений в плечах z1 и z4, z2 и z3 будут равны между собой, т.е. I1×z1=I2×z4; I1×z2=I2×z3 при IИ = 0. Отсюда следует условие равновесия (баланса) МИЦ:

Учитывая, что z1 … z4 величины комплексные, условие (распадается на два:

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.

т.е. произведения модулей сопротивлений противоположных плеч равны между собой;

т.е. суммы фазовых углов между токами напряжениями в противоположных плечах равны между собой.

Следовательно, для уравновешивания моста необходимо произвести две настройки: подобрать модули сопротивлений и фазы. Обычно для этой цели изменяют в одном из плеч реактивную и активную составляющие сопротивления. Очевидно, что при изменении одной из них происходит одновременное изменение как модуля, так и фазы. Поэтому равновесие моста может быть достигнуто лишь методом последовательных приближений. Это требует наличия не менее двух регулируемых элементов. Кроме того, условие (2.3) предопределяет лишь ограниченное число комбинаций сопротивлений плеч по характеру активного и реактивного сопротивления, при которых возможно уравновешивание. Это и определяет правила построения МИЦ. Например, если в двух смежных плечах могут быть включены активные сопротивления, то в двух других плечах могут быть включены катушки индуктивности или конденсаторы. Если же активные сопротивления включены в противоположные плечи, то в одно из двух противоположных плеч может включаться катушка индуктивности, а в другое – конденсатор.

Если одно из сопротивлений плеч, например z1, неизвестно, то, уравновесив мост, можно найти значение этого сопротивления из общего условия равновесия моста:

Представляя комплексное сопротивление в виде параллельного или последовательного соединения активной и реактивной составляющих (параллельной или последовательной схемы замещения), можно определить соответствующие значения их сопротивлений.

В качестве источников питания в мостах переменного тока применяется сеть 220 В 50 Гц или генераторы звуковой и высокой частоты. Напряжение источника питания моста должно быть чисто синусоидальным.

Индикаторами нуля служат гальванометры, а также электронные вольтметры.

Погрешности мостового метода измерения определяются в первую очередь чувствительностью моста, под которой понимают различимое изменение показаний индикатора Da, отнесенное к вызвавшему его изменению параметра (в данном случае сопротивление одного из плеч Dz):

где DIИ – изменение тока через индикатор, пропорциональное Da; SI – чувствительность индикатора по току; SМИЦ – чувствительность МИЦ, которого максимальна для равноплечих МИЦ (когда z1 = z2 = z3 = z4).

Другой характеристикой моста является сходимость, т.е. способность моста приходить к состоянию равновесия путем большего или меньшего числа последовательных регулировок его элементов. Хотя это число в принципе может быть двум, на практике оно больше, так как изменение сопротивления любого элемента моста одновременно влияет и на баланс амплитуд, и на баланс фаз. Необходимы, таким образом, поочередные переходы от регулировки одного элемента к регулировке другого.

Кроме того, в суммарную погрешность измерения входят погрешности калибровки и градуировки сопротивлений в плечах моста. Дополнительные погрешности определяются паразитными связями элементов моста, источника питания и индикатора друг с другом и с окружающими предметами.

Для уменьшения влияния паразитных связей применяется тщательное экранирование, симметрирование плеч и рациональный выбор точек заземления. Суммарная погрешность измерения с помощью мостов переменного тока лежит в пределах ±(1-3)%.

Измерительные мосты классифицируются по целому ряду признаков. По типу источников питания мосты подразделяются на мосты постоянного и переменного тока. В зависимости от количества плеч различают четырехплечие и многоплечие мосты. В зависимости от структуры двухполюсников, образующих плечи МИЦ, выделяют мосты типов МЕ (для измерения емкости С), МИ (для измерения индуктивности L), МИЕ (для измерения С и L), МЕП (для измерения С и tgd), МИП (для измерения L и Q) и МИЕП (универсальные).

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

Мостовой метод измерения параметров цепей. Измерительные мосты

Мостовой метод измерения параметров цепей. Измерительные мосты

Мостовой метод измерения параметров цепей. Измерительные мосты

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость

Модификации

Используя мост Уитстона, можно с большой точностью измерять сопротивление.

Различные модификации моста Уитстона позволяют измерять другие физические величины:

Прибор explosimeter (англ.) позволяет определить, превышена ли допустимая концентрация горючих газов в воздухе.

Мост Кельвина (англ. Kelvin bridge), также известный как мост Томсона (англ. Thomson bridge), позволяет измерять малые сопротивления, изобретён Томсоном.

Вид спереди прибора, построенного на основе моста Кельвина

Прибор Максвелла позволяет измерять силу переменного тока, изобретён Максвеллом в 1865 году, усовершенствован Блюмлейном около 1926 года.

Мост Максвелла (англ. Maxwell bridge) позволяет измерять индуктивность.

Мост Фостера (англ. Carey Foster bridge) позволяет измерять малые сопротивления, описан Фостером (англ. Carey Foster) в документе, опубликованном в 1872 году.

Делитель напряжения Кельвина-Варли (англ. Kelvin–Varley divider) построен на основе моста Уитстона.

Что такое измерительный мост

А теперь разберемся, — что же такое измерительный мост? Начнем с моста постоянного тока (такими можно измерять сопротивления) — рис. 1. Есть четыре резистора включенных очень похоже на то, как включены диоды в мостовом выпрямителе. На одну диагональ моста подается постоянное напряжение а в другую включен стрелочный вольтметр Р1 с нулем в центре шкалы.

Предположим, что R1=R2 (рисунок 1 А), тогда напряжение в точке соединения этих резисторов будет равно половине напряжения U. Если, при этом, R3=R4, то в точке соединения R3 и R4 будет такое же напряжение (0,5U) как и в точке соединения R1 и R2. То есть, разности потенциалов между этими двумя точками нет, и наш вольтметр показывает ноль. Такое состояние называется балансом моста.

Рис. 1. Измерительные мосты с сопротивлениями.

Теперь предположим, что сопртивление R3 взяло и уменьшилось (рисунок 1 Б) и, следовательно, стало меньше сопротивления R4. В этом случае, напряжение в точке соединения R3 и R4 возрастет и станет больше чем напряжение в точке соединения, по прежнему одинаковых, резисторов R1 и R2. А раз так, то стрелка вольтметра отклонится в сторону положительных напряжений.

Такое состояние называется разбалансировкой моста. Теперь, чтобы этот мост сбалансировать нужно изменить сопротивление одного из резисторов, так, чтобы напряжения в точках соединений R1-R2 и R3-R4 снова стили одинаковыми. Это можно сделать уменьшив сопротивление или уменьшив сопротивление R4 или увеличив сопротивление R2.

На рисунке 1В показан случай, когда R3 не уменьшилось, а увеличилось, что, само собой, привело к уменьшению напряжения в точке соединения R3-R4 по сравнению с напряжением в точке соединения R1-R2 (R1=R2). Стрелка вольтметра, при этом, отклонится в сторону отрицательных напряжений. А выправить балансировку моста можно будет, например, увеличив R4 или R1 или уменьшив сопротивление R2.

Напрашивается вывод, — условием баланса моста является выполнение соотношения : R1/R2 = R3/R4.

Измерительные мосты переменного токa

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ.

Теплота, выделяемая током в нагревателе, не зависит от частоты, поэтому термоэлектрическими приборами можно пользоваться и на постоянном токе и на переменном, включая радиочастоты.

При малых значениях измеряемых токов (150—300 мА) применяют вакуумные термопреобразователи.

Современные термопреобразователи используют как на постоянном токе, так и на частотах вплоть до 100 МГц. но с увеличением частоты вследствие поверхностного эффекта повышается сопротивление нагревателя. Кроме того, при очень высоких частотах часть измеряемого тока ответвляется через собственные емкости, минуя нагреватель.

Источник