Измерительные мосты

В измерительных мостах реализуется метод сравнения измеряемой величины с мерой. Измерения заключаются в установлении равенства или определённого соотношения между значениями измеряемой величины и меры.

Мостовые схемы широко используются в электроизмерительной технике. Они позволяют измерять сопротивление, индуктивность, ёмкость, угол потерь конденсатора, взаимную индуктивность, частоту, добротность и др. Широкое применение мостовых схем объясняется большой точностью измерений, высокой чувствительностью измерения различных величин, включая неэлектрические.

Распространение получили два варианта мостов: одинарные и двойные.

Приведём схему одинарного моста постоянного и переменного (в скобках даны обозначения для моста переменного тока).

Резисторы образуют плечи моста. К вершинам моста ab подключают источник питания, к вершинам cd – нуль-прибор (магнитоэлектрический прибор, имеющий шкалу с нулём посредине), которые образуют соответственно диагональ питания и измерительную (индикаторную) диагональ.

Рисунок 43. -???

Сила тока в диагонали cd:

, (26)

где - сопротивление нуль-прибора.

При мост находится в равновесии, такой мост называют уравновешенным.

Мосты, в которых измеряемая величина находится по силе тока или напряжению , называются неуравновешенными.

Из (26) следует, что мост будет уравновешенным, когда соблюдается равенство

,

откуда

.

т.е. значение сравнивается со значением в масштабе отношения .

Для мостов переменного тока условие равновесия выражается через комплексные значения сопротивлений

, (27)

где ; ; ; .

Подставив эти значения в (27), имеем

.

Условия равновесия выполняются, если

. (28)

Из (28) следует, что для достижения равновесия мостов переменного тока необходимо регулировать не менее двух параметров схемы.

Измерительные мосты постоянного тока изготавливают в виде многодекадного рычажного магазина резисторов, используемого для плавного уравновешивания (включается в плече ad нашей схемы).

Рисунок 44. -???

При двухзажимной схеме включения резистора сопротивления соединительных проводов и вносят погрешность в измерения. Четырёхзажимная схема подключения резистора позволяет исключить влияние сопротивлений соединительных проводов и переходные сопротивления контактов если выполнить условие >> и >> .

Другие сопротивления и включены в диагонали моста и поэтому не влияют на условия равновесия моста.

При измерении весьма малых сопротивлений (порядка Ом) применяют двойные мосты. Условие равновесия моста, при котором ток через нуль-индикатор равен нулю имеет вид

. (29)

Рисунок 45. -???

Элемент, имеющий сопротивление изготовляют в виде короткого отрезка медного провода большого сечения. С учётом этого вторым слагаемым выражения (29) можно пренебречь

,

при соблюдении условия и .

Предел допускаемой основной погрешности мостов постоянного тока, выраженный в процентах

,

где и - числовые коэффициенты, характеризующие погрешность моста, - конечное значение сопротивления данного диапазона измерений, - измеряемое сопротивление.

Рассмотрим схемы мостов для измерения ёмкости и индуктивности.

Рисунок 46. -???

а)??, б)????

Для схемы а) – измерения ёмкостей в плечи моста включены: измеряемый конденсатор , конденсатор образцовой ёмкости (или магазин ёмкостей), магазины сопротивлений и резисторы и (обычно магазины сопротивлений).

Полные сопротивления плеч моста

.

Условие равновесия моста

,

,

откуда получаем два условия равновесия

.

Измерение происходит в следующем порядке:

Установив , изменяют соотношение до тех пор, пока нуль-индикатор не укажет ток наименьшей силы. После этого, изменяя добиваются дальнейшего уменьшения силы тока. Затем снова повторяют эти операции до тех пор, пока не будет найдено положение равновесия. Равновесия можно достигнуть и изменением ёмкости .

Угол потерь , дополняющий до угол сдвига тока относительно напряжения, определяется из выражения

.

В схеме б) – индуктивного моста для измерения индуктивности одно из плеч моста образованного испытуемой катушкой, индуктивность которой , а другое – образцовой катушкой (магазином индуктивностей) .

Сопротивления плеч моста

.

Условие равновесия моста

,

откуда имеем два условия равновесия

.

Последовательность уравновешивания этой схемы такая же, как и схемы ёмкостного моста.

Добротность катушки

.

Диапазон измерений мостов:

- ёмкости мкФ;

- индуктивности Гн;

- сопротивления Ом;

- тангенса угла потерь .

Основная погрешность измерения: ёмкости 0,02%, индуктивности 0,05%, сопротивления 0,1%, тангенса потерь 1%.

Существенным недостатков мостов является плохая сходимость при измерениях при малых значениях добротности.

Хорошую сходимость в этом случае имеют шестиплечие мосты (рисунок 47).

Рисунок 47.

Для нахождения условия равновесия моста заменим схему соединения треугольника bd2 эквивалентной схемой соединения звездой.

Эта замена преобразует шестиплечий мост в четырёхплечий.

Из общего условия равновесия моста находим

.

Хорошая сходимость моста объясняется независимостью второго условия равновесия от сопротивления резистора . Поэтому второе условие не нарушается регулировкой моста резистором , необходимой для выполнения первого условия.

Для точных измерений параметров цепей переменного тока, а также магнитных материалов применяются трансформаторные мосты.

Рисунок 48.

Мост (см. рисунок 48) будет уравновешен, когда напряжения на вторичных обмотках трансформатора равны по значению и совпадают по фазе с падениями напряжений на и . Если принять, что напряжения на вторичных обмотках пропорциональны числу витков, а также не учитывать потоков рассеяния обмоток, то условие равновесия имеет вид

.

Точность измерения 0,01…0,002%.

В автоматических мостах для уравновешивания используют реверсивный двигатель, который присоединяют к выходу полупроводникового усилителя, включаемого в измерительную диагональ моста. Двигатель перемещает ползунок переменного резистора (реохорда) и стрелочный указатель прибора до полного уравновешивания моста.

Автоматические мосты обычно используют для измерения неэлектрических величин (температур).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: