Измерительные цепи( мост сопротивления)

Измерительные цепи(мост сопротивления)

 Мостовые цепи применяются для измерения сопротивления, индуктивности, емкости, добротности и угла потерь, методом сравнения с образцовой мерой.. 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

 - возможностью измерения различных величин.

Мосты выпускаются с ручным и автоматическим уравновешиванием.

 

Мостовые схемы бывают:

 - четырехплечевые

 - многоплечевые

Мосты сопротивления бывают:

 - по постоянному току - применяются для измерения сопротивления электрической цепи и преобразования входного параметра в ток и напряжение исследовании кабелей и линий связи для установления места их повреждения.

 - переменному току - для измерения сопротивления, емкости,индуктивности или фильтров.

1) измерительный мост уравновешиваемый;

2) измерительный мост постоянного тока;

3) измерительный мост полного сопротивления;

4) измерительный мост частоты;

5) измерительный мост индуктивности;

6) измерительный мост переменного тока (мост измерительный Вина);

7) измерительный мост емкостный;

8) измерительный мост декадный;

9) измерительный мост нелинейных искажений;

10) измерительный мост Нернста—Хагена;

11) измерительный мост неуравновешенный;

12) измерительный мост реохордный и т. д.

Измерительный мост уравновешиваемый - являются наиболее распространёнными приборами для измерения сопротивлений. Поэтому они широко применяются и для работы в комплекте с термопреобразователями(термометром) сопротивления.

 

Цепь между двумя смежными вершинами наз плечо моста а между двумя противоположными вершинами - диагонали моста. Диагональ к которой подключен источник питания - наз диагональю питания. Вторая диагональ - диагональ нагрузок, выходной или указательной.

 

Рис.2. Схема уравновешенного моста

Сопротивления R₁, R₃ постоянные.

R₂ –сопротивление реохорда (переменное);

R_t – термометр сопротивления;

НП – нуль-прибор.

В измерительной схеме ток от источника U_{пит .}протекает по двум ветвям: асb и adb. Меняя значение R₂ можно добиться такого состояния, при котором разность потенциалов в точках с и d, а следовательно и ток в диагонали моста с и d, равны нулю. Это состояние называется равновесием моста.

Мост считается уравновешенным, когда произведение сопротивлений противоположных плеч моста равны, т.е. R₁R_t=R₂R₃. При этом, каждому значению R_t будет соответствовать определённое значение R₂.

 

Измерительный мост постоянного тока – мост измерительный, работает на постоянном токе. Такие мосты используются в измерительной, управляющей и регулирующей технике для измерения неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в постоянное или переменное значение сопротивления.

Моста Уитстона

 

Если же верхние резисторы одинаковы, а нижние не одинаковы, то ток устремится через диагональ, от плеча с большим нижним сопротивлением к плечу с меньшим нижним сопротивлением, и стрелка гальванометра отклонится в соответствующую сторону.

 

Измерительный мост полного сопротивления – мост измерительный переменного тока для измерения полных сопротивлений. В зависимости от преобладающей реактивной части сопротивления различают емкостные и индуктивные измерительные мосты. Рассмотрим мост для измерения емкости и угла потерь конденсаторов (рис.10.3).

Рисунок 10.3 – Схема моста для измерения емкости

Два его плеча составлены из магазинов сопротивлений R₂ и R₄. Третье плечо образовано последовательно соединенными образцовыми конденсатором С_о и переменным резистором с малым сопротивлением R_o. В четвертое плечо включен измеряемый конденсатор С_х, сопротивление потерь в котором R_x.

 

 

Полные сопротивления плеч моста равны:

Подставив в формулу равновесия моста (10.3) эти значения, получим

Приравняв отдельно вещественные и мнимые части, получим

(10.8)

Из анализа векторной диаграммы цепи R_xC_x следует, что угол δ_х, дополняющий до 90^о φ_х, определяется как

tg δ_х = ωR_xC_x.

Уравновешивание моста переменного тока для измерения индуктивности рассмотрим на примере схемы, представленной на (рис.10.4).

 

Рисунок 10.4 – Схема моста для измерения индуктивности

Здесь для измерения индуктивности L_x используют образцовый конденсатор С_о, включенный в плечо, противоположное плечу с измеряемой индуктивностью. Параллельно с конденсатором С_о включен резистор R_o. В остальные плечи включены магазины сопротивлений R₂ и R₃.

Полные сопротивления плеч равны

Равновесие моста согласно (10.2) определяется как

Отсюда следует, что

(10.9)

На основании изложенного можно заключить, что для мостов, у которых два плеча содержат только активные сопротивления, а два других – реактивные (рис.10.3 и 10.4), справедливы следующие утверждения:

- если активные сопротивления находятся в смежных плечах (рис.10.3) R₂ и R₄ и φ₂ = φ₄ = 0, то два других плеча должны содержать сопротивления одного характера (индуктивного или емкостного), что обеспечивает выполнение условия φ₁ = φ₃;

- если активные сопротивления расположены в противоположных плечах (рис.10.4) R₂ и R₃ и φ₂ = φ₃ = 0, то характер сопротивлений двух других плеч должен быть противоположным, что обеспечивает выполнение условия φ₁ = -φ₄.

Погрешности измерений параметров цепей с использованием рассмотренных мостов составляет сотые доли % от измеряемой величины. Они обусловлены следующими причинами:

- погрешностью значений образцовых элементов моста;

- влиянием паразитных связей между элементами схемы;

- влиянием нестабильностью параметров элементов схемы;

- нестабильностью амплитуды и частоты источника переменного напряжения.

 

 

Измерительный мост частоты является примером, работающим на переменном токе, предназначен для измерения частоты. В мостах измерительных переменного тока для измерения частоты в качестве рабочего используется напряжение измеряемой частоты. Процесс измерения в данном случае заключается в подборе отдельных элементов мостовой схемы, а уравновешивание достигается при условии равенства значений измеряемой и собственной частоты моста. При таких измерениях используются обычно две схемы: измерительный мост Вина—Робинсона и мост измерительный резонансного типа.

Измерительный мост индуктивности является измерительным мостом полных сопротивлений, предназначен для измерения индуктивности. Различные типы мостов измерительных индуктивных применяются для измерения собственной индуктивности и добротности катушек и индуктивно связанных цепей, а также для измерения взаимной индуктивности и коэффициента связи соответствующих цепей.

Измерительный мост переменного тока – мост измерительный, работающий на переменном токе. Такой мост позволяет измерять сопротивление, частоту или какие-либо искажения. Выполнение условий равновесия измерительного моста контролируется нуль-индикатором переменного тока. Частота рабочего или измерительного напряжения в зависимости от данного практического случая может быть различной. Она может находиться в пределах от 50 Гц до 5 кГц. На практике во многих случаях используется кГц. С увеличением частоты растет влияние паразитных связей между различными цепями моста и взаимодействия с внешней средой. С этим борются с помощью высокоомной изоляции, бифилярных кабельных линий, выполнением специальных требований при конструировании, а также непосредственным или косвенным заземлением и экранированием.

Измерительный мост емкостный представляет собой измерительный мост полных сопротивлений для измерения емкости. Мосты измерительные емкостные конструируют таким образом, что они используются исключительно для измерения емкости и коэффициента потерь конденсаторов и других устройств емкостного характера.

Измерительный мост декадный – такой мост измерительный, у которого отношения плеч имеют неизменные значения, а для уравновешивания моста применяется образцовое сопротивление, регулируемое малыми ступенями. У моста измерительного декадного (в отличие от реостатного моста) отношение плеч b = R ₃ R ₄ во время измерений постоянно. Изменение диапазона измерений осуществляется варьированием старших декад. Уравновешивание данного моста осуществляется регулировкой сопротивления R_N до тех пор, пока индикатор не покажет нуль. Во многих случаях образцовое сопротивление выполняется в виде декад сопротивлений, на которых с учетом отношения плеч моста значение неизвестного сопротивления R_X считывается в цифровой форме:

R_X = bR_N

Измерительные цепи(мост сопротивления)

 Мостовые цепи применяются для измерения сопротивления, индуктивности, емкости, добротности и угла потерь, методом сравнения с образцовой мерой.. 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

 - возможностью измерения различных величин.

Мосты выпускаются с ручным и автоматическим уравновешиванием.

 

Мостовые схемы бывают:

 - четырехплечевые

 - многоплечевые

Мосты сопротивления бывают:

 - по постоянному току - применяются для измерения сопротивления электрической цепи и преобразования входного параметра в ток и напряжение исследовании кабелей и линий связи для установления места их повреждения.

 - переменному току - для измерения сопротивления, емкости,индуктивности или фильтров.

1) измерительный мост уравновешиваемый;

2) измерительный мост постоянного тока;

3) измерительный мост полного сопротивления;

4) измерительный мост частоты;

5) измерительный мост индуктивности;

6) измерительный мост переменного тока (мост измерительный Вина);

7) измерительный мост емкостный;

8) измерительный мост декадный;

9) измерительный мост нелинейных искажений;

10) измерительный мост Нернста—Хагена;

11) измерительный мост неуравновешенный;

12) измерительный мост реохордный и т. д.

Измерительный мост уравновешиваемый - являются наиболее распространёнными приборами для измерения сопротивлений. Поэтому они широко применяются и для работы в комплекте с термопреобразователями(термометром) сопротивления.

 

Цепь между двумя смежными вершинами наз плечо моста а между двумя противоположными вершинами - диагонали моста. Диагональ к которой подключен источник питания - наз диагональю питания. Вторая диагональ - диагональ нагрузок, выходной или указательной.

 

Рис.2. Схема уравновешенного моста

Сопротивления R₁, R₃ постоянные.

R₂ –сопротивление реохорда (переменное);

R_t – термометр сопротивления;

НП – нуль-прибор.

В измерительной схеме ток от источника U_{пит .}протекает по двум ветвям: асb и adb. Меняя значение R₂ можно добиться такого состояния, при котором разность потенциалов в точках с и d, а следовательно и ток в диагонали моста с и d, равны нулю. Это состояние называется равновесием моста.

Мост считается уравновешенным, когда произведение сопротивлений противоположных плеч моста равны, т.е. R₁R_t=R₂R₃. При этом, каждому значению R_t будет соответствовать определённое значение R₂.

 

Измерительный мост постоянного тока – мост измерительный, работает на постоянном токе. Такие мосты используются в измерительной, управляющей и регулирующей технике для измерения неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в постоянное или переменное значение сопротивления.

Моста Уитстона

 

Если же верхние резисторы одинаковы, а нижние не одинаковы, то ток устремится через диагональ, от плеча с большим нижним сопротивлением к плечу с меньшим нижним сопротивлением, и стрелка гальванометра отклонится в соответствующую сторону.

 

Измерительный мост полного сопротивления – мост измерительный переменного тока для измерения полных сопротивлений. В зависимости от преобладающей реактивной части сопротивления различают емкостные и индуктивные измерительные мосты. Рассмотрим мост для измерения емкости и угла потерь конденсаторов (рис.10.3).

Рисунок 10.3 – Схема моста для измерения емкости

Два его плеча составлены из магазинов сопротивлений R₂ и R₄. Третье плечо образовано последовательно соединенными образцовыми конденсатором С_о и переменным резистором с малым сопротивлением R_o. В четвертое плечо включен измеряемый конденсатор С_х, сопротивление потерь в котором R_x.

 

 

Полные сопротивления плеч моста равны:

Подставив в формулу равновесия моста (10.3) эти значения, получим

Приравняв отдельно вещественные и мнимые части, получим

(10.8)

Из анализа векторной диаграммы цепи R_xC_x следует, что угол δ_х, дополняющий до 90^о φ_х, определяется как

tg δ_х = ωR_xC_x.

Уравновешивание моста переменного тока для измерения индуктивности рассмотрим на примере схемы, представленной на (рис.10.4).

 

Рисунок 10.4 – Схема моста для измерения индуктивности

Здесь для измерения индуктивности L_x используют образцовый конденсатор С_о, включенный в плечо, противоположное плечу с измеряемой индуктивностью. Параллельно с конденсатором С_о включен резистор R_o. В остальные плечи включены магазины сопротивлений R₂ и R₃.

Полные сопротивления плеч равны

Равновесие моста согласно (10.2) определяется как

Отсюда следует, что

(10.9)

На основании изложенного можно заключить, что для мостов, у которых два плеча содержат только активные сопротивления, а два других – реактивные (рис.10.3 и 10.4), справедливы следующие утверждения:

- если активные сопротивления находятся в смежных плечах (рис.10.3) R₂ и R₄ и φ₂ = φ₄ = 0, то два других плеча должны содержать сопротивления одного характера (индуктивного или емкостного), что обеспечивает выполнение условия φ₁ = φ₃;

- если активные сопротивления расположены в противоположных плечах (рис.10.4) R₂ и R₃ и φ₂ = φ₃ = 0, то характер сопротивлений двух других плеч должен быть противоположным, что обеспечивает выполнение условия φ₁ = -φ₄.

Погрешности измерений параметров цепей с использованием рассмотренных мостов составляет сотые доли % от измеряемой величины. Они обусловлены следующими причинами:

- погрешностью значений образцовых элементов моста;

- влиянием паразитных связей между элементами схемы;

- влиянием нестабильностью параметров элементов схемы;

- нестабильностью амплитуды и частоты источника переменного напряжения.

 

 

Измерительный мост частоты является примером, работающим на переменном токе, предназначен для измерения частоты. В мостах измерительных переменного тока для измерения частоты в качестве рабочего используется напряжение измеряемой частоты. Процесс измерения в данном случае заключается в подборе отдельных элементов мостовой схемы, а уравновешивание достигается при условии равенства значений измеряемой и собственной частоты моста. При таких измерениях используются обычно две схемы: измерительный мост Вина—Робинсона и мост измерительный резонансного типа.

Измерительный мост индуктивности является измерительным мостом полных сопротивлений, предназначен для измерения индуктивности. Различные типы мостов измерительных индуктивных применяются для измерения собственной индуктивности и добротности катушек и индуктивно связанных цепей, а также для измерения взаимной индуктивности и коэффициента связи соответствующих цепей.

Измерительный мост переменного тока – мост измерительный, работающий на переменном токе. Такой мост позволяет измерять сопротивление, частоту или какие-либо искажения. Выполнение условий равновесия измерительного моста контролируется нуль-индикатором переменного тока. Частота рабочего или измерительного напряжения в зависимости от данного практического случая может быть различной. Она может находиться в пределах от 50 Гц до 5 кГц. На практике во многих случаях используется кГц. С увеличением частоты растет влияние паразитных связей между различными цепями моста и взаимодействия с внешней средой. С этим борются с помощью высокоомной изоляции, бифилярных кабельных линий, выполнением специальных требований при конструировании, а также непосредственным или косвенным заземлением и экранированием.

Измерительный мост емкостный представляет собой измерительный мост полных сопротивлений для измерения емкости. Мосты измерительные емкостные конструируют таким образом, что они используются исключительно для измерения емкости и коэффициента потерь конденсаторов и других устройств емкостного характера.

Измерительный мост декадный – такой мост измерительный, у которого отношения плеч имеют неизменные значения, а для уравновешивания моста применяется образцовое сопротивление, регулируемое малыми ступенями. У моста измерительного декадного (в отличие от реостатного моста) отношение плеч b = R ₃ R ₄ во время измерений постоянно. Изменение диапазона измерений осуществляется варьированием старших декад. Уравновешивание данного моста осуществляется регулировкой сопротивления R_N до тех пор, пока индикатор не покажет нуль. Во многих случаях образцовое сопротивление выполняется в виде декад сопротивлений, на которых с учетом отношения плеч моста значение неизвестного сопротивления R_X считывается в цифровой форме:

R_X = bR_N