Мостовые измерения

Измерительный мост



Измерительный мост широко применяется во многих отраслях промышленно-хозяйственного комплекса России нескольких видов (в частности, в электротехнических и радиоэлектронных производствах). Еще в 1970-х гг.

была принята классификация измерительных мостов такого вида: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 представляет собой соединение четырех полных сопротивлений, при этом путем изменения как минимум одного из четырех сопротивлений (так называемых плеч) мостовая уравновешивается, т. е.

выходная величина на выводах делителей напряжения обращается в нуль.

В зависимости от типа схемы различаются условия равновесия моста, обеспечивающие это состояние, причем положение равновесия контролируется посредством нуль-органа.

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.

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.

Комбинированные измерительные мосты для измерения различных электрорадиоэлементов часто также называют измерительными мостами полных сопротивлений.

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}R4 во время измерений постоянно.

Изменение диапазона измерений осуществляется варьированием старших декад. Уравновешивание данного моста осуществляется регули-
ровкой сопротивления RN 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 Ry считывается в цифровой форме.

Измерительный мост нелинейных искажений

Измерительный мост нелинейных искажений представляет собой мостовую измерительную схему для измерения коэффициента гармоник.

Принцип действия данного прибора основан на сравнении эффективного значения совокупного сигнала (основная и высшие гармоники) U с эффективным значением высших гармоник UQ.

Для этого мостовая уравновешивается по основной гармонике, вследствие чего основная гармоника не создает разности потенциалов между точками А и В, тогда как напряжение высших гармоник U0 вызывает большое рассогласование мостовой схемы.

При этом коэффициент нелинейности искажений определяется соотношением:
На практике прибор снабжают переключателем, выставляют при помощи делителей напряжения одинаковые значения напряжений. Полученное при этом отношение плеч делителей напряжения принимают за значение коэффициента гармоник.

Измерительный мост Нернста—Хагена

Измерительный мост Нернста—Хагена представляет собой измерительный мост переменного тока, предназначен для измерения сопротивления гальванических элементов.

Суть мостовой схемы заключается в соединении трех конденсаторов Су С4 и Св таким образом, чтобы на выходе гальванического элемента ток отсутствовал.

Перемещением движка уравновешивающего потенциометра (переменного резистора) R2 добиваются минимальных показаний нуль-индикатора переменного тока.

Измерительный мост неуравновешенный (или измерительный мост рассогласования) — мост измерительный, использующий комбинацию компенсационного метода измерений и метода оценки.

Измерительный мост неуравновешенный может работать как на постоянном, так и на переменном токе, он предназначен для точной индикации отклонений (малых) сопротивлений в плечах моста от установленного номинального значения. Основной сферой применения такого моста является измерение неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в изменение сопротивления.

Мост уравновешивается номинальным значением измеряемой величины, изменение которой вызывает рассогласование схемы. Нуль-индикатор данного моста непосредственно градуируется в единицах измеряемой величины.

Измерительный мост реохордный

Измерительный мост реохордный — мост измерительный, содержащий постоянное образцовое сопротивление и реохорд в качестве плеч мостовой схемы. Мост измерительный реохордный отличается от измерительного моста со ступенчатым уравновешиванием тем, что образцовое сопротивление в течение измерений имеет постоянное значение.

Для изменения поддиапазона измерения это сопротивление варьируется подекадно. Сопротивления двух других плеч моста R3 и R4 выполнены из однородной резистивной проволоки, по которой перемещается вывод индикатора для уравновешивания моста. Положение скользящего контакта определяет отношение плеч моста.

Значение известного сопротивления Rx получается путем умножения отношения плеч моста на значение образцового сопротивления Rx = dRN. Измерительный преобразователь широко применяется во многих отраслях промышленно-хозяйственного комплекса России, и в частности в электротехнических и радиоэлектронных производствах.

Измерительный преобразователь подразделяется по сфере применения и устройству на несколько видов:

1)    измерительный преобразователь аналоговый;

2)    измерительный преобразователь функциональный;

3)    измерительный преобразователь цифровой и др.

Измерительный преобразователь аналоговый — преобразователь, осуществляющий преобразование входного аналогового сигнала в пропорциональный ему выходной сш нал (например, измерительный усилитель, трансформатор тока, трансформатор напряжения). Во многих случаях выходной сигнал из измерительного преобразователя приводится к стандартному виду.

Измерительный преобразователь функциональный — средство измерения, предназначенное для преобразования измеряемой величины или другой величины, связанной с измеряемой функциональной зависимостью, к виду, пригодному для передачи, обработки и (или) запоминания.

Выходная величина измерительного преобразователя функционального может сниматься как автоматически, так и непосредственно оператором (наблюдателем). Примером измерительного функционального преобразователя являются преобразователи измерительные аналоговый и цифровой, трансформаторы измерительные электрические.

Измерительный преобразователь цифровой — прибор, осуществляющий цифровую обработку сигнала, отличается от других преобразователей наличием цифрового сигнала на входе и (или) на выходе.

Большую группу составляют так называемые первичные измерительные преобразователи, к которым относятся:

1)    измерительный преобразователь первичный электродинамический — первый элемент в измерительной цепи при измерении ускорения или косвенном измерении перемещения. Принцип действия такого прибора заключается в перемещении электрической катушки относительно магнита.

При внешнем ускорении устройства возникает относительное движение катушки и магнита, вследствие чего в катушке индуцируется напряжение, которое по закону электромагнитной индукции пропорционально скорости изменения магнитного поля в катушке.

Таким образом, мгновенное значение индуцированного напряжения есть мера ускорения. Путем компьютерной обработки выходного сигнала (в виде интегрирования) определяется значение измеряемой величины (перемещения или скорости).

Подобные измерительные преобразователи первичные (электродинамические) применяются главным образом в системах автоматических производственных линий во многих отраслях машиностроения России;

2)    измерительный преобразователь первичный пьезоэлектрический — первый элемент в измерительной цепи при измерении усилия.

Данное устройство использует пьезоэлектрический эффект, заключающийся в возникновении электрического напряжения между двумя пластинками из определенных материалов (например, турмалина, кварца) при прикладывании к ним внешнего усилия. Это напряжение пропорционально усилию.

Вследствие нестабильности явления во времени применение пьезоэлектрических первичных измерительных преобразователей целесообразно при динамических нагрузках;

3)    измерительный преобразователь омический первичный (резистивный) — первый элемент в измерительной цепи при измерении перемещения.

В этом устройстве преобразование длины (перемещения) в электрическую величину (ток, напряжение, сопротивление) осуществляется на основе пропорциональной зависимости омического сопротивления линейного проводника от его длины.

Измерительный преобразователь омический первичный применяется главным образом при невысоких требованиях (производственного характера) в условиях статических измерений, а при более высоких требованиях используются омические преобразователи, выполненные в виде тензометрических преобразователей;

4)    измерительный преобразователь емкостный первичный — первый элемент в измерительной цепи при измерении перемещения. Данный вид измерительного преобразователя представляет собой конденсатор с пластинчатыми или цилиндрическими электродами, расстояние между которыми может изменяться.

Пропорциональность между емкостью конденсатора и межэлектродным зазором облегчает переход от длины (т. е. перемещения) к электрической величине. Изменение емкости измеряется с помощью мостовой емкостной схемы.

Преобладающее распространение во многих современных отраслях промышленного производства с автоматизированными системами управления получила дифференциальная конструкция емкостного первичного измерительного преобразователя;

5)    измерительный преобразователь индуктивный первичный — первый элемент измерительной цепи при измерении перемещения.

Принцип работы такого устройства основан на том, что индуктивность электрической катушки пропорциональна ее магнитному сопротивлению.

Ее изменение (например, путем изменения воздушного зазора в магнитопроводе) определяется измерительным индуктивным мостом. В зависимости от конструкции различают измерительные преобразователи с поперечным и втяжным (продольным) якорем;

6)    измерительный преобразователь термоэлектрический первичный — измерительный преобразователь для электрического измерения температуры.

К термоэлектрическим первичным измерительным преобразователям относятся термоэлементы (термопары) и термосопротивления (термисторы).

Данные измерительные преобразователи широко применяются во многих отраслях промышленно-хозяйственного комплекса России, и прежде всего в производствах с автоматизированными системами управления, причем с подключением к локальной компьютерной сети.

Источник: http://enciklopediya-tehniki.ru/promyshlennost-na-i/izmeritelnyy-most.html

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.

Читайте также:  Преобразователи напряжения постоянного тока

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:

Рисунок 3.4.3

                z1 × z3 = z2 × z4.         

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

              |z1| × |z3| = |z2| × |z4|.      

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

                j1+ j3 = j2 + j4,       

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).

Источник: https://students-library.com/library/read/48723-mostovoj-metod-izmerenia-parametrov-cepej-izmeritelnye-mosty

Мостовые схемы измерителей параметров элементов

Для измерения параметров элементов цепей методом сравнения применяют мосты. Сравнение измеряемой величины (сопротивления, индуктивности, емкости) с образцовой мерой при помощи моста в процессе измерения осуществляют вручную или автоматически, на постоянном или переменном токе.

Мостовые схемы обладают высо­кой чувствительностью, большой точностью, широким диапазоном измеряемых значений параметров элементов.

На основе мостовых методов строят средства измерения, предназначенные как для изме­рения какой-либо одной величины, так и универсальные аналоговые и цифровые приборы.

Существует несколько разновидностей мостовых схем измерения элементов R, L, С: четырехплечие, уравновешенные, неуравновешен­ные и процентные. Управление этими мостами может осуществляться как вручную, так и автоматически.

Наибольшее распространение получили схемы четырехплечих уравновешенных мостов (рис. 14.4). Для установления равновесия электронный или цифровой нуль-индикатор НИ включают в диаго­наль уравновешенного моста ( рис. 14.4, а). Сопротивления четырехплечего моста в общем случае имеют комплексный характер:

                        (14.7)

где Z1, Z2, Z3, Z4,- модули комплексных сопротивлений; φ1, φ2, φ3, φ4 – их соответствующие фазы.

а                                                   б

Рис. 14.4. Структурные схемы четырехплечих мостов:

а – обобщенная; б – для измерения активных сопротивлений

Условия равновесия моста определяются равенствами:

                                                                     (14.8)

                                                                 (14.9)

Для выполнения этих равенств необходимо наличие в плечах моста элементов с регулируемыми параметрами. Для обеспечения условия равенства амплитуд (14.8) наиболее удобно применять образцовое (эталонное) регулируемое активное сопротивление. Условий равновесия фаз (14.9) может выполнить эталонный конденсатор ем­костью Со
с малыми потерями.

14.3.1. Измерение параметров элементов на постоянном токе

Схема четырехплечего уравновешенного моста постоянного тока для измерений активных сопротивлений представлена на рис. 14.4, б. Ток в диагонали моста в момент измерения активного сопротивления устанавливают равным нулю. Согласно условию (14.8), для рав­новесия моста необходимо, чтобы выполнялось равенство RХR4
= R2R3
, откуда неизвестное сопротивление

                                                              Rx = R2R3/R4.                                                            (14.10)

Для достижения равновесия моста с активными сопротивлении-ми достаточно иметь один регулируемый параметр (например, сопро­тивление резистора R4), как показано на рис.14.4, б. Пределы изме­ряемых сопротивлений для этих мостов составляют от 10-2
до 107 Ом; погрешности измерения – от долей процента до нескольких процен­тов в зависимости от диапазона измерения.

Показанная на рис. 14.4, б схема моста может быть частично реа­лизована на цифровых элементах.

Для этого регулируемый резистор изготавливают в виде набора сопротивлений, выполненных в соот­ветствии с двоично-десятичным кодом.

Сопротивления поочередно включают в плечо измерительного моста до тех пор, пока мост не уравновесится. Положение ключей характеризует код измеряемой ве­личины, поступающий затем на цифровое отсчетное устройство.

14.3.2. Измерение индуктивностн, емкости и тангенса угла потерь мостами     переменного тока

Схемы четырехплечих мостов на переменном токе для измере­ния индуктивности и добротности катушек показаны на рис. 14.5.

В них используют источники гармонического тока с напряжени­ем U и угловой частотой ω. Эти четырехплечие мосты обеспечивают наилучшее уравновешивание. Эквивалентные схемы замещения для катушек индуктивности с потерями могут быть последовательными или параллельными в зависимости от потерь, отраженных активным сопротивлением.

Рисунок 14.5. Мостовые схемы измерения индуктивности и добротности

с образцовыми элементами:

а – катушкой; б – конденсатором

Условие равновесия моста для схемы, показанной на рис. 14.5, а:

                   ,                                                                (14.11)

где Lx и Rx
– измеряемые индуктивность и сопротивление омических потерь в катушке; Lо
и Rо – образцовые индуктивность и сопротивление.

Приравняв действительные и мнимые члены в (14.11), находим:

Rx = R0 R2
/ R1 ;           Lx = L0 R2 / R1                                                (14.12)

Поскольку изготовление высокодобротных образцовых катушек вызывает определенные трудности, часто в качестве образцовой меры  в мостах переменного тока применяют конденсатор (рис. 14.5, б). Для этой схемы справедливо

               Rx + jωLХ = R2 R3(1/Rо
+ jωCo).                                                       (14.13)

Если в данном уравнении приравнять отдельно вещественную н мнимую части, то получим следующие выражения для определения  параметров катушки индуктивности:

                                 RХ = R2R3/Ro;                   LХ = CоR2R3.                                           (14.14)

Добротность катушки


= ωLх /Rх = RoωCo
                                                        (14.15)

Для измерения емкости и тангенса угла потерь конденсаторов с дос­таточно малыми потерями применяют мостовую схему, показанную на рис. 14.6, а (последовательное соединение СХ и Rx), а с большими потеря­ми – на рис. 14.6, б (параллельное соединение Сх и Rx).

а                                             б

Рисунок. 14.6. Мостовые схемы измерения емкости и тангенса угла со значениями потерь конденсаторов:

а – малыми; б – большими

Условие равновесия для схемы, показанной на рис. 14.6, а:

R4 [Rx + 1/(jωСх)] = R2

[Rо  +1/(jωСх)]

Разделив вещественную и мнимую части этого выражения, полу­чим формулы для определения параметров конденсатора:

Сх
= CoR4/R2
;     Rx
= R2Rо/R4
.                                                  (14.16)

Тангенс угла потерь конденсатора

tg δх = ωCхRх
= ωСоRо 
                                                        (14.17)

Для моста с параллельным соединением элементов  Сх  и Rx
(см. рис. 14.6, б) условие равновесия имеет следующий вид:

 Отсюда

                                        (14.18)

При параллельной схеме замещения конденсатора eгo тангенс угла потерь определяется выражением

                                           (14.19)

Уравновешивание схем обеспечивают поочередным регулирова­нием переменных образцовых сопротивлений или емкостей. Эту про­цедуру называют шагами, а количество шагов определяет сходимость моста. Мост с хорошей сходимостью имеет не более пяти шагов.

Мосты переменного тока используются на низких частотах (500… 5000 Гц), поскольку при работе на повышенных частотах по­грешности измерения резко возрастают.

Погрешность измерений моста переменного тока определяют погрешности элементов обра­зующих мост, переходных сопротивлений контактов и чувствитель­ность схемы. Мосты переменного тока больше, чем мосты постоянного тока, подвержены влиянию помех и паразитных связей между плечами, плечами и землей и т д.

Поэтому даже при тщательном экранировании моста и принятии других мер защиты погрешности у мостов перемен­ного тока больше, чем у мостов постоянного тока.

Читайте также:  Заземление силового оборудования и цеховых сетей

Источник: http://univer64.ru/mostovye-shemy-izmeritelej-parametrov-jelementov.html

Мостовые методы измерения сопротивлений

Мостовые средства измерения сопротивлений широко применяются в теплоэнергетических установках. На рис.5,а показана простейшая схема четырехплечего моста. Мост состоит из четырех резисторов, источника питания и измерительного прибора.

Точки а и b образуют диагональ питания, а точки с и d – измерительную диагональ. Точки а, b, c, d называются вершинами моста. Резисторы между двумя соседними вершинами – R1, R2, RM, RX образуют плечи моста, RX – резистор, сопротивление которого нужно измерить.

Плечи, не имеющие общих вершин называются противолежащими (резисторы R1 и RM, R2 и RX). Плечи, имеющие общую вершину, называются смежными (резисторы R1 и RX, RM и RX, R1 и R2, R2 и RM. Плечи моста могут состоять из нескольких резисторов, резисторы могут быть включены также в диагонали.

Плечи моста могут быть образованы не только активными сопротивлениями, но и индуктивными, емкостными, а также их сочетаниями.

Рис. 5. Схемы уравновешенного (а) и неуравновешенного (б) мостов

Мостовые схемы подразделяются на уравновешенные (рис.13,а) и неуравновешенные (рис.5,б). Состояние моста, при котором напряжение между точками с и d равна нулю, называют равновесным, а мост в таком состоянии называется уравновешенным.

Для уравновешивания моста при измерениях RX используется переменное сопротивление известной величины, например, магазин сопротивлений RM. Очевидно, что при равновесии моста RXI1 = R1I2 и RМI1 = R2I2.

Разделив эти равенства, получим

RX /RM = R1 /R2 или RX R2 = R1 Rм, т.е. условием равновесия моста является равенство произведений сопротивлений противолежащих плеч моста. Из уравнения следует, что

Плечи R1 и R2 называются плечами соотношения, так как они определяют масштаб уравновешивающего сопротивления магазина.

Из полученного уравнения видно, что результат измерения не зависит от напряжения источника питания. Измерительный прибор выполняет только функции нуль-индикатора (НИ), фиксирующего отклонение напряжения измерительной диагонали от нулевого значения.

В неуравновешенных мостах напряжение измерительной диагонали изменяется с изменением измеряемого сопротивления, и плечи моста не содержат уравновешивающих элементов. Сопротивление плеч моста выбирается так, чтобы при температуре 0°С мост находился в равновесии.

В этом случае указательная стрелка милливольтметра будет находиться на нулевом делении шкалы. При увеличении температуры сопротивление терморезистора RX возрастает и между вершинами c и d появляется положительное напряжение разбаланса.

Питание моста осуществляется от генератора стабильного тока (ГСТ), который обеспечивает постоянство тока в цепи питания вне зависимости от сопротивления его нагрузки.

Применение генератора стабильного тока для питания моста обеспечивает линейную зависимость напряжения в измерительной диагонали от величины изменения RX.

В схеме моста на рис.5 не учтены сопротивления двух соединительных проводов, с помощью которых термометр сопротивления подключается к схеме моста. Обозначим сопротивление каждого из проводов через RЛ (рис.6,а), сопротивление терморезистора – RT. Тогда при равновесии моста будет выполнятся условие (RT + 2RЛ)R2 = R1 Rм. Из уравнения следует

Рис. 6. Подключение термометра сопротивления по двухпроводной (а) и трехпроводной (б) схемам

Длина соединительных проводов может изменяться в широких пределах, поэтому для стабилизации характеристик моста сопротивление RЛ увеличивают с помощью добавочного сопротивления до стандартного значения (обычно 2,5 Ом). Для этой цели в схеме моста имеются специальные подгоночные катушки.

Но даже в этом случае сопротивление соединительных проводов будет меняться при изменении температуры окружающей среды. Очевидно, что на изменение RЛ ( при неизменном RT) мост будет реагировать как на изменение RT. В результате возникнет дополнительная погрешность.

Для снижения этой погрешности используют трехпроводную схему подключения термометра сопротивления (рис.6,а). В этой схеме источник питания подключается не к точке a моста, как в двухпроводной схеме, а к третьему выводу термометра сопротивления в точке e.

Перенос диагонали питания приводит к изменению плеч моста и, соответственно, изменению условия равновесия R2(RT + RЛ) = Rм(R1 + RЛ). Отсюда получаем уравнение для определения RT:

Из уравнений видно, что применение трехпроводной схемы подключения термометра сопротивления уменьшает влияние соединительной линии на измерение RT. Если R2 = Rм, то сопротивление соединительной линии вообще не будет влиять на результаты измерения.

В теплоэнергетике широко применяются автоматические уравновешенные мосты типа КСМ. Упрощенная схема такого моста с двухпроводной схемой подключения термометра сопротивления приведена на рис.7,а. Уравновешивание моста при изменении сопротивления RT осуществляется автоматически реверсивным двигателем РД, перемещающим движок реохорда РР.

Реохордом называется проволочный резистор, намотанный на изолированный стержень определенной длины. Сопротивление реохорда имеет фиксированное значение (обычно 90 Ом), линейно распределенное по заданной длине, равной длине шкалы (100 мм для автоматических мостов КСМ1 и 250 мм для КСМ4).

На реохорде находится подвижный контакт – движок, который перемещается по проволочной намотке реохорда реверсивным двигателем через кинематическую связь (показана штриховой линией). Движок реохорда образует вершину моста с. С движком жестко связана указательная стрелка, перемещающаяся вдоль показывающей шкалы прибора.

Балластный резистор RБ ограничивает ток через термометр сопротивления, во избежание его нагрева рабочим током.

Рис. 7. Схема автоматического уравновешенного моста с двухпроводным (а) и трехпроводным (б) подключением термометра сопротивления

Измерительная диагональ моста образована вершинами с и d, а диагональ питания – вершинами а и b. Движок реохорда делит сопротивления реохорда на две части. Сопротивление правой части реохорда обозначим RРП, а левой – RРЛ. Из рисунка видно, что левая и правая части реохорда относятся к разным плечам моста.

Условие равновесия моста определяется выражением R2(RT +2RЛ + RРЛ) = R1(R3 + RРП). При любом изменении измеряемой температуры происходит разбаланс моста и между вершинами с и d появляется напряжение ΔU с фазой, определяющей направление смещения движка реохорда.

Напряжение усиливается усилителем УЭД и подается на реверсивный двигатель РД. Двигатель через кинематическую связь начинает перемещать движок реохорда в направлении равновесия мостовой схемы. Перемещение движка продолжается до установления нового равновесного состояния моста.

Это равновесное состояние будет соответствовать новому значению измеряемой температуры.

В рассмотренной схеме, как и в схеме рис.6,а, на показания прибора будет оказывать влияние изменение сопротивления соединительной линии при изменении температуры окружающей среды. Для уменьшения этого влияния применяется трехпроводная схема подключения термометра сопротивления (рис.7,б).

Для этой схемы условие равновесия моста определяется выражением R2(RT + RЛ + RРЛ) = ( R1 +)(R3 + RРП).

Поскольку сопротивление RЛ входит в обе части уравнения равновесия, то изменение сопротивления соединительных проводов будет оказывать меньшее влияние по сравнению с двухпроводной схемой.

Источник: https://cyberpedia.su/14xb6d2.html

Рекомендации по работе с потенциометром Мостовые методы измерения сопротивлений (стр. 1 из 5)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

«ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ»

А.В. Багинский, О.А. Брагин, А.А. Дорошкин

Работа 4.1-4.2

КОМПЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Учебно-методическое пособие

Новосибирск

2008

Представлено описание модернизированной лабораторной работы измерительного практикума кафедры общей физики НГУ. Работа выполняется студентами 1–2-го курсов физического факультета, факультета информационных технологий, геолого-геофизического, медицинского факультетов и факультета естественных наук.

При выполнении работы студенты знакомятся с компенсационными методами измерений ЭДС и сопротивления. Работа может быть использована при обучении студентов других естественнонаучных и технических факультетов.

Рецензент

Д.ф.-м.н. А. Д. Косинов

университет, 2008

Содержание

Введение…………………………………………………………………………4

4.1 Потенциометр……………………………………………………………….4

Принцип действия потенциометра…………………………………………….4

Одноконтурный потенциометр…………………………………………………6

Многоконтурные потенциометры.…………………………………………….7

Термопара….……………………………………………………………………8

Задания…………………………………………………………………………12

Приложение. Органы управления потенциометра и некоторые

рекомендации по работе с потенциометром…………………………………14

4.2 Мостовые методы измерения сопротивлений……………………………17

Одинарный мост ………………………………………………………………17

Двойной мост………………………………………………………………..…19

Органы управления и клеммы для подключения

внешних элементов моста……………………………………………….……21

Задания…………………………………………………………………………21

Лабораторная работа 4 (4.1, 4.2)

КОМПЕНСАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Цель работы: изучение компенсационных методов измерения ЭДС, напряжений и сопротивлений.

Оборудование

4.1. Потен­циометр постоянного тока; нормальный элемент Вестона; батарея питания потенциометра; нуль-индикатор, милливольтметр; термопара; нуль-термостат; печь с тиглем; источник питания печи; регистратор ЭДС термопары.

4.2. Мост постоянного тока, нуль-индикатор, источник питания моста (батарея, аккумулятор или др.), плата с сопротивлениями, малое проволочное сопротивление, образцовое сопротивление или магазин сопротивлений, катушка из тонкого медного провода, рамка с натянутой медной проволокой и подвижными потенциальными контактами, амперметр, переключатель полярности, реостат, штангенциркуль, микрометр.

Введение

Существует класс электроизмерительных приборов, принцип действия которых основан на сравнения измеряемой (неизвестной) величины с известной, образцовой.

В качестве элемента сравнения в таких приборах используются, как правило, рабочие эталоны единиц соответствующих величин: эталон напряжения, эталон сопротивления, эталон индуктивности и другие.

Этим обеспечивается высокая точность и надежность измерений. Представителями данного класса приборов являются мосты и потенциометры.

4.1 потенциометр

Принцип действия потенциометра

Потенциометры предназначены для измерения электродвижущих сил (ЭДС) и напряжений методом компенсации измеряемого напряжения эталонным. Суть компенсационного метода измерения напряжения ясна из рис. 1.1.

Источник измеряемого напряжения Ux включается встречно регулируемому образцовому источнику Uобр .

Меняя напряжение образцовогоисточника, можно добиться нулевых показаний нуль-индикатора А (чувствительного вольтметра или амперметра) и тем самым произвести измерение Ux = Uобр .

Выше отмечалось, что для обеспечения высокой точности измерений в качестве элемента сравнения Uобр необходимо применять эталон напряжения. К сожалению, регулируемых эталонов напряжения не существует. Поэтому измерение проводится в два этапа, как показано на рис. 1.2.

Здесь регулируемое опорное напряжение снимается с движка переменного сопротивления R 0 , к которому поочередно подключаются источник эталонного напряжения E N (рис. 1.2а) и источник измеряемого напряжения E x (рис. 1.2б).

Если U больше E N и E x , то, перемещая движок R 0 , мы всегда “найдем” точку, в которой напряжение, снимаемое с делителя, равно напряжению подключенного к нему источника (E N или E x ) и скомпенсирует его (нуль-индикатор А покажет ноль).

Пусть компенсация E N и E x произошла при сопротивлениях делителя R N (рис. 1.2а) и R x (рис. 1.2б), т.е.:

, .

Отсюда:

.

Таким образом, зная R N и R X , мы, тем самым, определили отношение измеряемого напряжения к эталонному. Именно эта методика (немного модифицированная) реализована в потенциометрах.

Одноконтурный потенциометр

Схема измерений, показанная на рис. 1.2, вполне работоспособна, однако процедура измерений не удобна и, кроме того, возникают определенные технические трудности, связанные с очень большим внутренним сопротивлением рабочего эталона напряжения – нормального элемента Вестона.

В реальном потенциометре строго фиксируют ток, протекающий через R 0 (рабочий ток потенциометра). Если ток, протекающий через R 0 всегда один и тот же, то делитель напряжения можно заранее отградуировать (т.е.

Читайте также:  Кондуктометрические датчики уровня - устройство и принцип работы

разметить и оцифровать положения движка R 0 ) непосредственно в Вольтах (а не в Омах), что делает процедуру измерений гораздо более удобной – сразу после компенсации напряжения E x его значение можно прочитать по оцифровке делителя.

Рабочий ток настраивается с использованием эталона напряжения (нормального элемента) перед началом измерений.

Упрощенная схема потенциометра, показанная на рис. 1.3, отличается от схемы, приведенной на рис. 1.

2, дополнительным сопротивлением R б , предназначенным для регулирования тока в цепи R 0 , отдельным входом для подключения рабочего эталона напряжения (нормального элемента Вестона) и переключателем П , при помощи которого можно подключать к делителю R 0 либо измеряемое, либо эталонное напряжение.

Для настройки рабочего тока при подготовке потенциометра к работе нормальный элемент, как видно из схемы, подключается в фиксированную точку делителя. Эта специальная контрольная точка, выбранная таким образом, чтобы при протекании через R 0 рабочего тока напряжение в этой точке было в точности равным ЭДС нормального элемента Вестона.

Поэтому, если при помощи переключателя П подключить нормальный элемент к делителю, то при токе равном рабочему нуль-индикатор должен показать ноль. Если же это не так, то ток следует отрегулировать при помощи R б , добившись нулевых показаний индикатора. После того как рабочий ток установлен, потенциометр готов к работе. Более подробно о настройке потенциометра прочтите в приложении.

Чтобы не загромождать рис. 1.3 деталями не существенными для понимания принципа работы потенциометра элементы схемы изображены здесь упрощенно, а некоторые узлы, имеющиеся в реальном приборе, не показаны. Дополнительные сведения, в т.ч. о назначении органов управления и настройки потенциометра, содержатся в приложении .

Многоконтурные потенциометры

Из изложенного выше ясно, что настроенный потенциометр представляет собой не что иное, как регулируемый источник напряжения с высокой дискретностью его изменения. Так 6-декдый потенциометр перекрывает диапазон более 1 В с дискретностью 1 мкВ (см. приложение).

Создание прецизионного источника с таким большим динамическим диапазоном является сложной технической задачей. Проще использовать два или три включенных последовательно источника, каждый из которых обладает меньшей относительной дискретностью изменения выходного напряжения. Так, если вернуться к схеме, приведенной на рис 1.

1, то вместо одного источника Uобр с выходным напряжением, например, 0…1 В и дискретностью его установки 1 мкВ можно включить последовательно два источника: 0…1 В с дискретностью 1 мВ и 0…1 мВ с дискретностью 1 мкВ.

Многоконтурный потенциометр построен именно по этому принципу и представляет собой два (или больше) одноконтурных потенциометров, смонтированных в одном корпусе и соединенных так, чтобы снимаемые с них напряжения суммировались на едином входе многоконтурного потенциометра.

Часть имеющихся в лаборатории потенциометров являются двухконтурными. При подготовке такого потенциометра к работе, необходимо установить два рабочих тока. Ток в “старшем” контуре настраивается с использованием нормального элемента, точно так же как у одноконтурного потенциометра.

Образцовое напряжение для настройки рабочего тока во втором контуре поступает с делителя первого контура. Поэтому настройка многоконтурного потенциометра, должна производиться в строгом порядке – нельзя настраивать ток в “младшем” контуре, не настроив предварительно ток в “старшем” контуре.

Что же касается собственно процесса измерений, то он ничем не отличается от описанного ранее.

Источник: http://MirZnanii.com/a/288798/rekomendatsii-po-rabote-s-potentsiometrom-mostovye-metody-izmereniya-soprotivleniy

Мостовые измерители

Мостовые измерители являются важным классом средств измерения, предназначенных для измерения параметров элементов электрических цепей методом сравнения.Мост содержит четыре резистора, соединённых в кольцевой замкнутый контур.

Резисторы R1, R2, R3 и R4 этого контура называются плечами моста͵ а точки соединœения сосœедних плеч – вершинами моста. Цепи, соединяющие противоположные вершины, называют диагоналями. Диагональ ab содержит источник питания и принято называть диагональю питания.

Диагональ cd, в которую включен индикатор Г, принято называть измерительной диагональю. В мостах постоянного тока в качестве индикатора обычно используется гальванометр.

Измерение сопротивления может производиться в одном из двух режимов работы моста: уравновешенном либо неуравновешенном. Мост принято называть уравновешенным, если разность потенциалов между вершинами с и d равна нулю и ток через гальванометр равен нулю:

I1R­1= I2R­3 и I1R­2= I2R­4, (1.1)

где I1 – ток через резисторы R­1 и R­2, I2 – ток через резисторы R­3 и R­4. Из (1.1) следует:

R­1 R­4= R­2R­3 (1.2)

Это условие равновесия одинарного моста постоянного тока (1.

2) можно сформулировать следующим образом: для того, чтобы мост был уравновешен, произведения сопротивлений противолежащих плеч моста должны быть равны.

В случае если сопротивление одного из плеч моста (к примеру, R4) неизвестно, то уравновесив мост путём подбора сопротивлений плеч R1, R2 и R3, находим это неизвестное сопротивление.

Для измерения ёмкости, индуктивности, взаимной индуктивности и тангенса угла потерь конденсаторов применяются мосты переменного тока

В качестве примеров использования мостовых измерителœей рассмотрим принципы работы трех видов газоанализаторов – измерительных приборов для определœения качественного и количественного состава смесей газов

Термокондуктометрические газоанализаторы

Работа основана на зависимости теплопроводности газовой смеси от наличия различных компонентов, входящих в ее состав.

Измерительная ячейка датчика представляет обычно цилиндрический канал, заполняемый анализируемым газом и выполненный из материала хорошо проводящего тепло. Внутри канала располагается нагревательный элемент, запитанный от источника напряжения.

При заполнении ячейки воздухом и при стабильном значении тока, температура нагревательного элемента будет иметь определœенную температуру, при которой количество тепла, полученное элементом, будет равно количеству тепла, отдаваемого им материалу канала вследствие теплопроводности воздуха.

В случае если вместо воздуха канал будет заполнен газом со значительно отличающейся теплопроводностью, то температура нагревательного элемента измениться, причем, в случае если теплопроводность газа будет больше теплопроводности воздуха, то температура элемента снизится, а если меньше – повысится. Измеряя температуру нагревательного элемента с помощью датчиков температуры, можно судить о процентном содержании в смеси компонентов с определœенной теплопроводностью.

Конструктивно датчик газоанализатора представляет мостовую схему. Во всœе четыре плеча моста включены равные по величинœе платиновые резисторы. Резисторы R1 и R3 являются рабочими и размещены в каналах, через которые транспортируется анализируемая смесь, а резисторы R2 и R4 – сравнительные и расположены в закрытых каналах, заполненных воздухом.

При протекании через рабочие камеры анализируемой смеси мост разбалансируется, причем величина разбаланса пропорциональна теплопроводности анализируемого компонента и, следовательно, его концентрации, которая фиксируется вторичным прибором 2.

Термохимические датчики концентрации

Принцип работы газоанализаторов, использующих термохимические датчики концентрации, основан на измерении повышения температуры нагретой платиновой нити, на поверхности которой происходит каталитическое сгорание горючих компонентов газовой смеси.

Основой измерительной схемы датчика является мостовая схема, но только в отличие от классической схемы в два плеча встроены терморезисторы R2 и R3: рабочий терморезистор R3 размещен в камере, через которую продувается анализируемая смесь, второй терморезистор R2 является сравнительным и установлен в герметичной камере, заполненной воздухом. В остальные два плеча встроены резисторы R1 и R4 из манганиновой проволоки.

Терморезисторы нагреваются током источника стабилизированного напряжения 1 до температуры, при которой на ее поверхности происходит каталитическое сгорание анализируемого компонента.

В результате реакции горения температура терморезистора R3 резко повышается и, как следствие, увеличивается его сопротивление, что нарушает равновесное состояние моста.

Величина разбаланса моста пропорциональна концентрации анализируемого компонента и фиксируется измерительным прибором 2, включенным в диагональ моста.

Кондуктометры

Процесс измерения электропроводности производится теми же методами, что и измерение сопротивления. Зависимость электропроводности от концентрации раствора имеет практически линœейный характер и определяется его физико-химическими свойствами.

Чувствительным элементом устройства служит кондуктометрическая ячейка, состоящая из двух электродов определœенной площади и расположенных на определœенном расстоянии между собой.

Для определœения электропроводности в большинстве случаев используют мостовую схему, которая применяется для контроля сопротивления. Для исключения явления поляризации электродов, мост запитывается переменным напряжением: изменение направления движения тока устраняет поляризационное сопротивление.

Источник: http://referatwork.ru/category/metally-svarka/view/184473_mostovye_izmeriteli

Презентация на тему “Мостовые методы измерения”

  • Скачать презентацию (0.81 Мб)
  • 10 загрузок
  • 0.0 оценка

ВКонтакте

Одноклассники

Facebook

Твиттер

Телеграм

Ваша оценка презентации

Оцените презентацию по шкале от 1 до 5 баллов

Презентация для школьников на тему “Мостовые методы измерения” по физике. pptCloud.ru — удобный каталог с возможностью скачать powerpoint презентацию бесплатно.

  • Формат

    pptx (powerpoint)

  • Количество слайдов

    11

  • Слова

  • Конспект

    Отсутствует

  • Слайд 2

    В середине ХIХ века началось бурное развитие техники: прокладывались проводные телеграфные и телефонные линии связи. Постоянные обрывы и различные повреждения были в те годы обычным явлением.

    И для выявления этих повреждений нужен был прибор, который мог бы выявить их.

    Этим прибором стал мостик Уинстона, впервые предложенный английским физиком Чарльзом Уинстоном (1802 – 1875), который является одним из создателей телеграфного аппарата.

  • Слайд 3

    U1 = IR1; U2 = IR2; Если R1 = R2, то U1=U2. U2 + U1=Uобщ. U2 = UAB=Uобщ/2 (1)

  • Слайд 4

    В этом делителе действуют те же отношения, только ток Iобщсостоит из двух токов: I1и I2 (правило Кирхгофа). U3 = I2 R3; U4 = I2 R4; Если R3=R4, то U3=U4, Uвд=Uобщ/2 (2) UВД=UАВ, если R1=R2; R3=R4. Отсюда следует важный практический вывод: между точками АD – нет напряжения. Очевидно, это напряжение появится если в одном из резисторов сопротивления будут не равны.

  • Слайд 5

    Мостик Уинстона представляет собой схему, употребляемую для сравнения некоторого неизвестного сопротивления Rx с известным сопротивлением Rо.

  • Слайд 6

    Прибор для измерения неизвестного сопротивления с помощью (мост Уинстона).

  • Слайд 7

    Принцип действия моста Сотти такой же как и моста Уинстона: условие равновесия моста достигается при предполагая, что С1 = С2, получаем Сэт = Сх.

  • Слайд 8

    Экспериментальный емкостной мост (мост Сотти), индикатором является громкоговоритель

  • Слайд 9

    Экспериментальный емкостной мост, индикатором являются головные телефоны

  • Слайд 10

    Электронно-измерительный прибор по схеме моста (термометр)- автоматический уравновешенный мост.

  • Слайд 11

    Работу выполнили: Бережной Андрей Шумаков Борис

Посмотреть все слайды

Источник: https://pptcloud.ru/fizika/mostovye-metody-izmereniya

Ссылка на основную публикацию