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?

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

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

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

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.

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)

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.

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.

Источник

Измерительные мосты переменного тока и их использование

В цепях переменного тока для измерительных целей применяют мостовые схемы. Данные схемы позволяют определять величины емкостей и индуктивностей, тангенсы угла диэлектрических потерь конденсаторов, а также взаимные индуктивности катушек.

Измерительные мосты переменного тока — это схемы совершенно разнообразные, о них и пойдет речь далее. Наиболее популярны четырехплечевые уравновешенные мосты, в которых процессы измерения индуктивностей, емкостей и тангенсов угла диэлектрических потерь могут сопровождаться компенсацией паразитных параметров.

Особенно выразительны две группы схем измерительных мостов переменного тока: трансформаторные мосты (с индуктивно-связанными плечами) и емкостные мосты. Емкостные мосты — это четырехплечевые схемы, у которых в плечах установлены емкостные и активные элементы. Мостам трансформаторным свойственно наличие в двух плечах вторичных обмоток трансформаторов, которые служат для подачи на мост питания.

Что касается схем емкостных, то в них могут входить как постоянные емкости и переменные (активные) резисторы, так и постоянные (активные) резисторы и переменные емкости. Мост с постоянными емкостями проще в построении, ведь ему не нужно конденсаторов переменной емкости, особым образом градуированных, вместо этого достаточно магазинов резисторов (активных сопротивлений).

Благодаря переменным резисторам, мостовую схему можно уравновесить по реактивной и активной составляющим напряжения. Один переменный резистор градуируется соответственно значениям емкости, другой — в значениях тангенса угла диэлектрических потерь. В итоге получается эквивалентная последовательная схема исследуемого конденсатора. И следующее равенство будет отражать то самое равновесное состояние моста, а приравнивание мнимых и вещественных частей даст как раз значения искомых величин:

Так, для того чтобы скомпенсировать паразитную индуктивность — присоединяют параллельно второму резистору подстроечный конденсатор. Кроме того, паразитные емкости и паразитные сопротивления возникают из-за наличия изоляционных деталей и трансформатора, поэтому необходимо, чтобы сам трансформатор имел двойное экранирование. Для снижения влияния емкостей и проводимостей деталей — их изготавливают из качественных диэлектриков, таких как фторопласт. В качестве источника питания подойдет генератор звуковой частоты.

Применяемые в мостах постоянные сопротивления дают преимущество: не нужно градуировать никакой переменный резистор. В плечах стоят лишь постоянные сопротивления, постоянный конденсатор и переменные конденсаторы. Измерения их емкостей возможны напрямую. Исследуемая емкость просто подключается к зажимам, затем мост уравновешивается регулировкой переменных конденсаторов. Вычисления ведутся по формулам, из которых видно, что шкала для тангенса получается прямо из шаклы переменной емкости, поскольку сопротивление и частота неизменны:

Измерительные мосты с индуктивно-связанными плечами (трансформаторные мосты) превосходят емкостные по ряду аспектов: выше чувствительность по тангенсу и емкости, слабое влияние паразитных проводимостей, включенных как-бы параллельно плечам.

Многосекционные трансформаторы позволяют существенно расширить рабочий диапазон (измерительную шкалу) моста. Существует несколько типичных схем трансформаторных мостов, однако самая популярная — двойной трансформаторный мост:

Схема целиком регулируется перебором количества витков, ей не нужны ни переменные конденсаторы, ни переменные резисторы. Так можно создавать измерительные приборы большого диапазона на многосекционных трансформаторах, причем образцовых элементов потребуется минимум.

Цепи здесь гальванически развязаны, то есть очевидно, что помехи в силу паразитных связей минимальны, поэтому и присоединительные провода могут быть относительно длинными. Справедливы следующие уравнения в условиях равновесия моста:

Как известно, когда речь заходит об измерении емкостей конденсаторов, активные потери в виде тангенса угла диэлектрических потерь вылезают на первый план. Так, конденсаторы по данному параметру подразделяются на три группы (и схемы замещения на данной частоте, соответственно, различаются):

Следующие соотношения отражают полное сопротивление конденсатора в цепи переменного тока и его тангенс при последовательной и параллельной схемах замещения:

Измерение емкости конденсатора, не обладающего потерями, проводят по следующей схеме, в которой два активных плеча определяют пределы измерения соотношением своих значений, а образцовая емкость является переменной. Здесь в процессе измерения подбирают соотношения резисторов, изменяют величину образцовой емкости. Выражение равновесия моста таково:

Измерение емкости с малыми потерями проводят по схеме последовательного замещения конденсатора, при этом уравновешивают мост изменяя емкость и активное сопротивление, достигая минимального показания на шкале индикатора нуля. Условие равенства дает следующие выражения:

Конденсаторы с существенными потерями в диэлектрике требуют, чтобы в схеме замещения сопротивление было бы включено параллельно образцу, согласно приведенной выше схеме. Формула для тангенса будет иметь следующий вид:

Так, с помощью мостов возможно проводить измерения емкостей реальных конденсаторов номиналами от единиц пф до десятков мкф, причем с высокой степенью точности (от 1 до 3 порядка).

Измеряя индуктивности, пользуясь описанным выше подходом, возможно сравнивать их с емкостями, а не обязательно с индуктивностями, ведь изготовить точную переменную индуктивность — непростая задача. Так и пользуются схемами замещения с образцовыми емкостями вместо индуктивностей. Условие равновесия позволяет найти сопротивление и индуктивность, записывается результат в следующем виде:

Далее можно найти добротность:

Конечно, межвитковая емкость даст небольшие искажения, однако они зачастую оказываются пренебрежимо малы.

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