Мост измерительный постоянного тока – 28. Измерительные мосты постоянного тока. Общая теория. Мосты для измерения активных сопротивлений.

Измерительные мосты

Измерительные
мосты — устройства, предназначенные для
измерения параметров электрической
цепи (сопротивления, емкости, индуктивности
и т.д.) методом сравнения. В них измеряемая
величина сравнивается с эталоном. Это
может осуществляться вручную или
автоматически, на постоянном или
переменном токе. В простейшем случае
мостовая схема содержит четыре резистора,
соединенные в замкнутый контур. Такую
схему имеет одинарный мост постоянного
тока, рис. 7

Резисторы
RХ,
RЭ1,
RЭ2
и RЭ3
этого контура называются плечами моста,
а точки соединения соседних плеч —
вершинами моста. Цепи, соединяющие
противоположные вершины называют
диагоналями. Одна из диагоналей ( А-C)
содержит источник питания ε,
а другая ( В — D)
— нуль-гальванометр G.
В плече моста переменного тока, рис. 8,
могут быть включены не только резисторы,
но также конденсаторы и катушки
индуктивности. В этом случае сопротивление
плеч моста Z
является функцией R,
L
и С.

РЕГИСТРИРУЮЩИЕ
ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА.

В
научных исследованиях и производственной
деятельности часто возникает необходимость
автоматической регистрации измеряемых
величин. Для записи разработаны
регистрирующие приборы, которые служат
для записи изменений измеряемой величины
как функции времен. Находят также
применение двух координатные самопишущие
приборы, позволяющие регистрировать
функциональную зависимость между двумя
величинами, например, температура-время,
ток-напряжение.

Регулирующие устройства

При
электрических измерениях часто возникает
необходимость изменить силу тока или
перераспределить напряжение между
участками цепи. Для этого используют
регулирующие устройства: реостаты,
автотрансформаторы, магазины и мосты
сопротивлений.

1.
Реостаты
.
Для плавного изменения сопротивления
в цепи применяются реостаты. Наиболее
распространенной конструкцией реостата
является движковый (ползунковый) реостат.

В
случае ”а” (рис. 9) реостатом плавно
изменяют сопротивление цепи от RH
(R=0,
реостат выведен – скользящий контакт
поставлен в положение С) до R+RH
(реостат полностью введен – положение
В). В результате, по закону Ома, ток
меняется от
до.

В
этом случае (рис. 7а) реостат является
регулятором тока. В случае «б»
передвижением ползунка из положения С
в положение В меняется напряжение на
участке CD
от 0 до величины питающего цепь напряжения
источника, то есть, реостат служит
потенциометром. Как видно из схем,
назначение потенциометра состоит в
том, чтобы выделить для заданного участка
цепи (например, сопротивления нагрузки
RH)
некоторую часть общего напряжения
источника ЭДС, меняя ее в известных
пределах.

2.
Магазин сопротивлений.
Магазином
сопротивлений (рис. 8)называется набор
сопротивлений, смонтированных в одном
корпусе так, чтобы можно было по желанию
изменять в определенных пределах
ступенями значение сопротивления,
включенного в измерительную цепь.

В
декадных (курбельных) магазинах
сопротивления сгруппированы десятками.
В каждой такой декаде установлены
катушки одинакового сопротивления по
0,1; 1, 10 Ом и т.д. Катушки в каждой декаде
и декады между собой соединены
последовательно. Катушки расположены
полукругом и прикреплены к верхней
панели корпуса. В центре полукруга
смонтирована ручка с пружиной, скользящей
по контактам, к которым припаяны концы
катушек, рис.10. Например, так устроен
магазин сопротивлений РЗЗ, состоящий
из отдельных, точно подогнанных
проволочных сопротивлений, позволивших
устанавливать любое значение сопротивлений
от 0,1 до 99999,9 Ом с интервалами в 0,1 Ом.
Отсчет по прибору равен сумме произведений
цифр, стоящих против указателя декады,
на соответствующий множитель. Например,

Нетрудно
подсчитать, что сопротивление устройства,
приведенного на рис.10 равно 2,2 Ома.

КЛАССИФИКАЦИЯ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Электроизмерительные
приборы классифицируются по следующим
основным признакам:

1.По
принципу действия.

2.
По
роду измеряемого тока

Наименование

Постоянный ток

Переменный
однофазный ток

Постоянный и
переменный ток

Трехфазный ток

  1. По классу
    точности.

Наименование

Обозначение

Класс
точности при нормировании погрешности
в процентах от предела шкалы (напр.
1,5)

1,5

То
же при нормировании погрешности в
процентах от длины шкала

1,5

4.
По
роду измеряемой величины.

Род
измеряемой величины

Название
прибора

Обозначение

Сила тока

Амперметр

A

Напряжение

Вольтметр

V

Мощность

Ваттметр

W

Энергия

Счетчик
килловат-часов

KWh

Частота

Частотомер

Hz

Сопротивление

Омметр

Ω

Индуктивность

Генриметр

H

Ёмкость

Фарадметр

F

5.
По степени защищенности от внешних
магнитных полей и электрических полей.

По
степени защищенности от внешних магнитных
полей постоянного и переменного тока
(с частотой до 1 кГц тона при напряженности
400 В/м электроизмерительные приборы
разделяют на категории 1 и 2. Для приборов
первая категории допустимые измерения
показаний составляют примерно ± 0,5%, а
для приборов второй категории ± 1% и
более. На приборах первой категории
наносятся обозначения: при защите от
внешних магнитных полей .

6.
По устойчивости к климатическим условиям.

По
устойчивости к климатическим воздействиям
электроизмерительные приборы разделяются
на группы:

А
— приборы, предназначенные для работы
в сухих отапливаемых помещениях при
температуре +10 — +35°С и относительной
влажности воздуха до 80%.

Б
— приборы, предназначенные для работы
в закрытых не отапливаемых помещениях
при температуре -30 — +50°С и относительной
влажности воздуха до 95%.

В
— приборы, предназначенные для работы
в полевых и морских условиях при
температуре -50 — +80°С.

Кроме указанных
выше, на шкалы приборов наносят следующие
обозначения:

1.
Обозначения, состоящие из буквенного
символа и числа, стоящего за буквой,
например, М24. Буквенные индексы
характеризует систему прибора (принцип
действия), а число – завод — изготовитель
или организацию, разработавшую прибор.
Например:

М — прибор
магнитоэлектрической системы,

Э -прибор
электромагнитной системы

Д — прибор
электродинамической или ферромагнитной
системы,

С — прибор
электростатической системы.

2.
Положение шкалы: горизонтальное

вертикальное

3.
Измерительная цепь изолирована от
корпуса и испытана напряжением, например
2 кВ

4. Прибор испытанию
прочности изоляции не подлежит.

5.
Осторожно! Прочность изоляции измерительной
цепи по отношению к корпусу не соответствует
нормам (знак красного цвета)

6.
Внимание! Смотри дополнительные указания
в паспорте и инструкции по эксплуатации

7.
Отрицательный зажим

8.
Положительный зажим

9.
Общий зажим (для многопредельных и
комбинированных приборов)

10.
Зажим переменного тока

11.
Зажим, соединенный с корпусом

12.
Корректор

13. Арретир

Арр.

14.
Направление арретирования

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
И ЦЕНА ДЕЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ
ПРИБОРОВ.

Чувствительностью
S прибора (имеющего равномерную шкалу)
называется число делений шкалы N,
приходящихся на единицу измеряемой
величины Х, то есть
.
Например, если шкала миллиамперметра,
рассчитанного на 300 mА, имеет 60 делений,
что чувствительность прибора

Размерность
чувствительности зависит от характера
измеряемой величины (например,
чувствительность прибора к току,
напряжений и т.д.). Величина
,
обратная чувствительности, называется
ценой деления прибора, Она определяет
значение электрической величины,
вызывающей отклонение на одно деление.
В общем случае цена деления представляет
собой разность значений измеряемой
величины для двух соседних отметок.
Цена деления зависит от прибора; и от
числа делений шкалы.

КЛАССЫ
ТОЧНОСТИ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

И
ПРИБОРНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ

Важнейшей
характеристикой электроизмерительного
прибора является его класс точности,
который определяет минимальную
относительную (систематическая)
погрешность прибора, выраженную и
процентах. Все приборы классифицируется
по 9 основным классам точности: 0,02; 0,05;
0.1; 0.2; 0.5; 1,0; 1.5; 2, 5, 4, 0. Приборы первых пяти
классов вследствие высокой точности
называются особо точными. Приборы
остальных классов точности называются
техническими. Для приборов, систематическая
погрешность которых больше 4%, класс
точности не устанавливается.

По
характеру градуировки шкалы прибора,
они делятся на 2 типа. К первому типу
относятся приборы, у которых абсолютная
систематическая погрешность по всей
шкале прибора постоянна, класс точности
таких приборов указывается на шкале
прибора в виде цифры: например, 1,0. Ко
второму типу относятся приборы, у которых
постоянной является относительная
систематическая погрешность по всей
шкале прибора. Класс точности таких
приборов указывается в виде цифры,
стоящей в кружочке

Класс
точности равен отношению абсолютной
погрешности к предельному значению
измеряемой величины ХПР)
измерения в процентах, т.е. класс точности
равен

Отсюда
вычисляется абсолютная погрешность
прибора

Так,
например, если измерение осуществляется
миллиамперметром со шкалой 0-500 mА
ПР=
500 mA)
класса точности 1,5, то на любой отметке
шкалы миллиамперметра абсолютная
погрешность прибора равна

Зная
абсолютную погрешность прибора, можно
рассчитать относительную погрешность
ε проведенного в данном опыте измерения.
Пусть, например, в опыте рабочее значение
измеряемого тока было равно I=200 mA, тогда
относительная погрешность данного
измерения будет равна отношению
абсолютной погрешности прибора к
рабочему значения измеряемого тока,
т.е.

или

Для
декадных магазинов сопротивлений с
классом точности 0,2 погрешность не
превышает

где
m – число декад магазина. R – значение
включенного сопротивления.

Абсолютная
погрешность будет равна

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

1

Два
пересекающихся повода, электрически
между собой не соединенные

2

Два
пересекающихся провода электрически
между собой соединенные

3

Заземление

4

Клемма

5

Переменный ток

6

Постоянный ток

7

Плавкий
предохранитель

8

Электрическая
лампа

9

Гальванический
элемент, аккумулятор

10

Батарея
гальванических элементов или
аккумуляторов

Конденсатор
постоянной емкости

Конденсатор
переменной емкости

Омическое
сопротивление (резистор)

Переменное
сопротивление или реостат

Потенциометр

Вольтметр

Амперметр

Гальванометр

Катушка без
сердечника, соленоид

Катушка с
сердечником

Трансформатор

Электронная
лампа диод

Полупроводниковый
диод

Полупроводниковый
триод – транзистор

Неоновая лампа

Телефон

Микрофон

Электролитический
конденсатор

ПРАВИЛА СБОРКИ
ЦЕПЕЙ

Перед
выполнением работы студент должен
ознакомиться с применяемой аппаратурой
и ее техническими данными. После этого
приступает к сборке электрической цепи
по заданным схемам. При этом необходимо
руководствоваться следующими правилами:

1.
Перед сборкой цепи все рубильники должны
быть разомкнуты, реостаты поставлены
на максимальное сопротивление.

2.
Сборку схемы рекомендуется производить
по контурам: собирается основной контур,
затем вспомогательные контуры. Источник
тока не присоединяется к цепи до проверки
ее преподавателем или лаборантом. Сборку
схемы следует начинать от одного полюса
источника питания и заканчивать около
другого его полюса.

3.
Схема обязательно должна быть проверена
преподавателем или лаборантом. Производить
“пробные” включения, то есть, замыкать
цепь на источник тока без разрешения —
строго воспрещается.

4.
Любые изменения в собранной схеме
производятся обязательно при выключенном
источники тока. Последующее включение
напряжения разрешается только после
повторной проверки преподавателем или
лаборантом.

5.
При выполнении работы необходимо следить
за соблюдением правил техники безопасности.
Категорически запрещается касаться
руками проводов и зажимов, когда цепь
находится под напряжением. Запрещается
производить присоединение к схеме, не
отключенной от источника тока.

Перенос
приборов с других рабочих столов не
допускается.

По каждой
выполненной работе составляется отчет
по форме.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1. Электрическая
    цепь. Из чего она состоит?

  2. Какими
    устройствами регулируется ток,
    напряжение?

  3. Как необходимо
    включать амперметр и вольтметр в цепь?

  4. Как подключить
    шунт к амперметру и дополнительное
    сопротивление к вольтметру?

  5. На
    какие группы разделяются электроизмерительные
    аналоговые приборы прямого преобразования?

  6. Источники тока.

  7. Устройство
    и принцип работы магнитоэлектрических
    приборов.

  8. Устройство
    и принцип работы электромагнитных
    приборов.

  9. Устройство
    и принцип работы цифровых измерительных
    приборов.

  10. Устройство
    измерительных мостов.

  11. Регистрирующие
    приборы и устройства.

  12. Как определить
    систематическую погрешность, зная
    класс точности.

  13. Как определить
    относительную погрешность, зная класс
    точности.

  14. Как определяется
    цена деления прибора

  15. Как определяется
    чувствительность прибора.

studfiles.net

Измерительный мост постоянного тока | Бесплатные курсовые, рефераты и дипломные работы


Аналоговые приборы компенсационного типа

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

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

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

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

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

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

Мост постоянного тока содержит четыре резистора, соединенных в кольцевой замкнутый контур. Резисторы Rl, R2, R3 и R4 этого контура называются плечами моста, а точки соединения соседних плеч — вершинами моста. Цепи, соединяющие противоположные вершины, называют диагоналями. Одна из диагоналей (3-4) содержит источник питания GB, а другая (1-2) — указатель равновесия PG.

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

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

 

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

(4.38)

Ток IG = 0 при условии R1R4 = R2R3.

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

(4.39)

Таким образом, измерение при помощи одинарного моста можно рассматривать как сравнение неизвестного сопротивления Rxс образцовым сопротивлением R2при сохранении неизменным отношения R3/R4. По этой причине плечо R2называют плечом сравнения, плечи R3 и R4плечами отношения.

Если в предварительно уравновешенном мосте первое плечо получает приращение ΔR1 то в диагонали моста возникает ток, который в первом приближении (при условии ΔR1 <<R1)

(4.40)

Важной характеристикой моста является его чувствительность:

(4.41)

Из двух последних двух выражений следует, что чувствительность пропорциональна напряжению питания моста и максимальна при условии R1=R2 и R3=R4. Возможность увеличения напряжения питания ограничивается допустимой рассеиваемой мощностью плеч моста.

Одинарные мосты постоянного тока применяются для измерения средних величин сопротивлений (10 ‑ 106 Ом). В широкодиапазонных одинарных мостах плечо сравнения (R2) изготавливают в виде многодекадного магазина сопротивлений. Плечи отношений (R3, R4) выполняют в виде штепсельных магазинов сопротивления, которые могут иметь значения 10, 100, 1000 и 10 000 Ом.

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

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

2. использование двойного (шестиплечевого) моста.

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

Для измерения сопротивлений в широком диапазоне промыш­ленность выпускает одинарные и одинарно-двойные мосты. Например, одинарно-двойной мост Р3009 предназначен для измерений на постоянном токе сопротивлений от 10-8 до 1010 Ом. Основная допускаемая погрешность моста определяется классом точности, который для этого моста гарантируется от k = 2 до k = 0,02 в зависимости от поддиапазона измерений.

 


refac.ru

Одинарный мост постоянного тока.

Одинарные
мосты постоянного тока, собранные по
схеме, представленной на рис. 1, широко
применяются для измерения сопротивлений
средних величин (от 1 до 1010
Ом). Встречаются также одинарные мосты,
диапазон которых расширен либо в сторону
меньших (до 10-4
Ом), либо в сторону больших (до 1015
Ом) значений сопротивления. Конструктивно
мост представляет собой стационарный
или переносной прибор с набором магазинов
сопротивления, соединенных в мостовую
схему. Индикатором нуля обычно служит
гальванометр магнитоэлектрической
системы. Он может быть встроенным в
прибор или наружным, как и батарея или
блок питания.

Измеряемое
сопротивление определяется по формуле:
R1=R2R3/R4,
поэтому погрешности в изготовлении
резисторов R2,
RЗ
и R4
вносят вклад в погрешность измерения.
Значительная погрешность, особенно при
малых значениях измеряемых сопротивлений,
может быть обусловлена влиянием
сопротивления соединительных проводников,
при помощи которых измеряемое сопротивление
подключается к соответствующим зажимам.

Измерение
больших сопротивлений затруднено малой
чувствительностью схемы и влиянием
паразитных проводимостей.

Типичные
значения приведенной погрешности при
измерении сопротивлений одинарным
мостом составляет 0,005-1,0%. Однако при
измерении больших сопротивлений
погрешность может достигать 5-10%.

Двойной мост постоянного тока

Для
измерения малых сопротивлений применяют
двойной мост, схема которого приведена
на рис.7.

Двойной
мост содержит 4 резистора R1,
R2,
RЗ
и R4,
гальванометр РG,
образцовый резистор R0,
а также источник постоянного напряжения
G,
амперметр и переменный резистор для
установки рабочего тока. Резистор Rz,
сопротивление которого надо измерить,
подключается последовательно с образцовым
сопротивлением R0.
Условие равновесия двойного моста можно
получить, записывая и разрешая
относительно Rx
уравнения Кирхгофа для замкнутых
контуров при условии, что ток через
гальванометр PG
равен нулю:

рис.
7

Rz=R0R1/R3+[r/(R2+R4+r)](R4/R3
R2/R1).
(10)

Если
выполнить соотношение:

R4/R3=R2/R1, (11)

то
второй член в уравнении (9) будет ранен
нулю, а это означает, что r-
сопротивление проводника и

а)
б)

контактов,
значение которого меняется от измерения
к измерению, не будет влиять на результат
измерений.

Чтобы
обеспечить выполнение соотношения
(11), сопротивления R3
и R4
выбираю равными, а магазины резисторов
R1
и R2
конструктивно имеют механически
скрепленные друг с другом рукоятки, что
обеспечивает равенство сопротивлений
R1
и R2.

Неизвестное
сопротивление определяется по формуле:

Rx=R0R1/R3
(12)

где
R0
— образцовое
сопротивление.

При
измерении двойным мостом малых
сопротивлений особое внимание следует
обратить на способ присоединения
измеряемого сопротивления. Нужно так
же считаться с возможным влиянием ЭДС,
возникающей в контактах Rx
и R0.
Эту погрешность можно исключить,
производя измерения 2 раза с переменой
направляющей тока при помощи переключателя
SА,
показанного на рис. 3. За значение
измеряемого сопротивления принимается
среднее арифметическое из результатов
этих измерений.

Пределы
измерений двойного моста охватывают
область сопротивления от 10-6
до 1000 Ом, погрешность измерения составляет
0,1-2%.

studfiles.net

Мостовые схемы постоянного тока

Мостовые схемы постоянного тока

Никакую книгу по электрическим измерениям нельзя было бы назвать полной без раздела о мостовых схемах. Эти гениальные схемы используют индикатор баланса для сравнения двух напряжений, точно так же как и лабораторные весы сравнивают две массы и указывают на то, что они равны. В отличие от «потенциометрических» схем, используемых для простого измерения неизвестного напряжения, мостовые схемы могут использоваться для измерения всех видов электрических величин, в том числе и сопротивлений.

Стандартная мостовая схема, часто называемая мостом Уитстона (Wheatstone bridge), изображена на рисунке 1.

Рис. 1.

Когда напряжение между точкой 1 и минусом батареи равно напряжению между точкой 2 и отрицательным выводом батареи, то индикатор баланса будет показывать ноль, и про такой мост говорят что он «сбалансирован». Состояние баланса моста полностью зависит от отношений Ra/Rb и R1/R2, и оно не зависит от напряжения питания. Для измерения сопротивлений с помощью моста Уитстона на место резисторов Ra или Rb устанавливается неизвестное сопротивление, в то время как остальные три резистора являются прецизионными и их номинал известен. Каждый из этих трёх резисторов может быть заменён сопротивлением другой величины или их номиналы могут быть скорректированы, что бы мост сбалансировался, и когда это произойдёт то величина сопротивления неизвестного резистора может быть определена из соотношения величин известных сопротивлений.

Для этого необходимо, что бы измерительная система имела набор переменных резисторов с точно известными значениями, которые могут служить эталонными стандартами. Например, если мост настроен на измерение сопротивления Rx (рисунок 2), то мы должны знать точное значение остальных трёх сопротивлений при сбалансированном мосте, что бы определить величину сопротивления Rx:

Рис. 2.

Каждое из четырёх сопротивлений в мостовой схеме называют плечом. Резистор, последовательно соединённый с неизвестным сопротивлением, Rx обычно называют реостатом моста (это будет сопротивление Ra на рисунке 2), а другие два сопротивления называют плечами отношений моста.

Точные и стабильные образцовые сопротивления к счастью, не сложно изготовить. В действительности они были одними из первых электрических «Стандартных» устройств, изготовленных в научных целях. На рисунке 3 приведена фотография старинного блока стандартных сопротивлений:

Рис. 3. Магазин образцовых сопротивлений

Стандарт сопротивлений, изображённый на рисунке 3, является переменным с дискретным шагом изменения сопротивления: величина сопротивления между клеммами может изменяться в зависимости от количества и положения медных вставок, вставленных в разъёмы.

Мосты Уитстона считаются превосходным средством измерения сопротивления среди схем различных омметров. Но в отличие от всех этих схем, являющихся нелинейными (и имеющих нелинейные шкалы), и связанные с этим погрешности измерений, мостовая схема является линейной (математика описания её работы основана на простых отношениях и пропорциях) и довольно точной.

Имея стандартные сопротивления достаточной точности и нуль-детектор с необходимой чувствительностью, достижимая точность измерения сопротивления может быть не хуже +-0,05% при использовании моста Уитстона. Это метод измерения сопротивления предпочитают использовать в калибровочных лабораториях из-за его высокой точности.

Существует много вариаций основной схемы моста Уитстона. Большинство мостов постоянного тока используются для измерения сопротивления, в то время как мосты переменного тока могут быть использованы для измерения различных электрических величин, таких как индуктивность, ёмкость и частота.

Интересным вариантом моста Уитстона является двойной мост Кельвина, используемый для измерения очень малых сопротивлений (обычно менее 1/10 Ома), его схема изображена на рисунке 4:

Рис. 4. Двойной мост Кельвина.
Ra и Rx являются низкоомными сопротивлениями.

Низкоомные резисторы на рисунке изображены толстой линией, так же как и проводники, соединяющие их с источником напряжения, обеспечивающим сильный ток. Принцип работы этого измерительного моста причудливой конфигурации, пожалуй, лучше всего понять, если начать объяснение принципа его работы со стандартного моста Уитстона, настроенного для измерения низкого сопротивления, этот мост развивался шаг за шагом до его нынешнего состояния в попытке преодолеть некоторые проблемы, возникшие в мосте Уитстона стандартной конфигурации.

Если бы мы использовали стандартный мост Уитстона для измерения небольших сопротивлений, то его схема бы выглядела примерно так (рисунок 5):

Рис. 5.

Когда нуль-детектор указывает нулевое напряжение, мы знаем, что мост сбалансирован и что соотношение Ra/Rx и RM/RN математически равны друг другу. Зная значения Ra, RM, and RN поэтому мы имеем все необходимые данные, чтобы найти величину Rx. Почти.

Имеется проблема в том, что соединения и соединительные провода между Ra и Rx обладают неким сопротивлением, и эти паразитные сопротивления могут быть существенными по сравнению с низким сопротивлением Ra и Rx.

Эти паразитные сопротивления понизят реальное напряжение, учитывая большой ток, протекающий через них, и таким образом будут влиять на показания детектора нуля и на баланс моста (Рисунок 6):

Рис. 6.
Паразитное напряжение Eпров. ухудшает точность измерения Rx.

Так как мы не хотим измерять сопротивление этих паразитных проводников и сопротивление соединений, а нас интересует только измерение сопротивления Rx, то надо найти такой способ включения нуль-детектора, что бы на его показания не влияли падения напряжений, протекающего через эти сопротивления. Если мы присоединим нуль-детектор и плечи отношений RM/RN напрямую к выводам Ra и Rx, то это приведёт нас к такой реализации измерительного моста (Рисунок 7):

Рис. 7.
Теперь только два паразитных падения напряжения Eпров. являются частями цепи нуль-детектора.

Теперь два крайних падения напряжения Eпров. не оказывают воздействия на нуль-детектор и не влияют на точность измерений сопротивления Rx. Но два оставшихся падения напряжений Eпров. являются проблемой, так как проводник, соединяющий нижний по схеме вывод Ra и верхний по схеме вывод Rx теперь шунтирует оба падения напряжения и по нему будет течь существенный ток, который создаст на этом проводнике своё падение напряжения.

Зная, что левая часть нуль-детектора должна быть подключена к двум крайним выводам сопротивлений Ra и Rx, что бы не вносить ошибки, связанные с паразитными падениями напряжения Eпров. в цепи нуль-детектора, и что любой прямой провод, соединяющий выводы этих сопротивлений Ra и Rx будет сам нести значительный ток и создавать ещё большее паразитное падение напряжения, то единственным способом преодолеть эту проблему является создание соединения, имеющее существенное сопротивление, между нижнем по схеме выводом Ra и верхнем по схеме выводом Rx (Рисунок 8):

Рис. 8.

Справится с паразитными падениями напряжений между выводами сопротивлений Ra Rx можно путём изменения сопротивления двух новых резисторов таким образом, что бы отношение их величин было бы таким же, как и отношение величин сопротивлений в плече отношений, находящихся по схеме с правой стороны от нуль-детектора. Вот почему эти резисторы были помечены Rm и Rn в оригинальной схеме двойного моста Кельвина: для обозначения их соразмерности с сопротивлениями RM и RN (Рисунок 9):

Рис. 9. Двойной мост Кельвина
Ra и Rx являются низкоомными сопротивлениями.

При отношении Rm/Rn равном отношению RM/RN, резистор в плече реостата Ra регулируется до тех пор, пока нуль-индикатор не покажет, что мост сбалансирован, и тогда можно будет сказать, что отношение Ra/Rx равно отношению RM/RN, или просто найти Rx из следующего уравнения:

Полное уравнение баланса двойного моста Кельвина выглядит следующим образом (Rпров. — это сопротивление толстых соединительных проводов между низкоомным образцовым сопротивлением Ra и испытуемым сопротивлением Rx):

До тех пор пока соотношение между RM и RN равно отношению между Rm и Rn, уравнение баланса будет не сложнее чем у обычного моста Уитстона, при Rx/Ra равном RN/RM, так как последнее выражение в уравнении будет равно нулю, так что будет отсутствовать влияние всех сопротивлений, кроме Rx, Ra, RM, и RN.

Во многих двойных мостовых схемах Кельвина RM=Rm и RN=Rn. Однако чем меньше значения сопротивлений Rm и Rn, тем более чувствительным должен быть нуль-детектор, потому что там будет меньше последовательное сопротивление. Увеличение чувствительности детектора является полезным, так как оно позволит обнаруживать слабые дисбалансы, и таким образом мост можно будет сбалансировать с большой точностью. Таким образом некоторые высокоточные двойные мосты Кельвина используют сопротивления Rm и Rn со значениями в 100 раз меньше, чем значения сопротивлений RM и RN в другом плече. К сожалению, однако, чем ниже значения сопротивлений Rm и Rn, тем больший ток по ним будет течь, что увеличит влияние любого сопротивления в точке подключения Rm и Rn к Ra и Rx. Как вы можете видеть, высокая точность инструмента требует, чтобы учитывались все ошибки различных факторов, и часто лучшее, что может быть достигнуто является компромиссом минимизации двух или более различных видов ошибок.

  • ИТОГ:
  • Мостовые схемы используют чувствительный индикатор нуля для сравнения двух напряжений на их равенство.
  • Мост Уитстона (Wheatstone bridge) может быть использован для измерения сопротивлений путём сравнения сопротивления неизвестного номинала и образцового сопротивления с известной величиной, так же как с помощью лабораторных весов измеряют неизвестный вес путём сравнения его со стандартными грузами.
  • Двойной мост Кельвина является вариантом моста Уитстона для измерения очень малых сопротивлений. Его усложнение по сравнению с базовой схемой моста Уитстона является необходимым для избежания ошибок, вносимых паразитными сопротивлениями на пути тока между низкоомным образцовым сопротивлением и сопротивлением, величина которого измеряется.
BACK

zpostbox.ru

Мосты постоянного и переменного тока, измерение сопротивления заземлений

Для измерения величин сопротивления используют мостовые схемы. Схема моста постоянного тока приведена па рисунке 2.28.

Рисунок 2.28 – Схема моста постоянного тока

Мост содержит четыре резистора R1, R2, R3, R4 — образующих четыре плеча АС, AD, DB, ВС. В диагональ АВ включен индикатор нуля, а в диагональ CD — источник питания схемы. Изменяя сопротивления плеч моста, можно добиться равенства потенциалов в точках А и В, а следовательно отсутствие тока через индикатор. Если будет выполняться условие R1*R3 = R2*R4, то ток в цепи индикатора будет отсутствовать. Это условие еще называют балансом моста и резиcтop R4, включенный в плечо, смежное но отношению к измеряемому, называют образцовым плечом сравнения. Он является основным элементом при определении сопротивления Rx. Отношение сопротивлений R2/R3
меняется скачкообразно с кратностью 10n. Это обеспечивает широкие пределы измерений.

Мостовые схемы применяют в приборах ПКП для измерения электрических параметров кабельных линий — электрического сопротивления каждой жилы, электрического сопротивления шлейфа, электрического сопротивления омической асимметрии, электрического сопротивления изоляции.

Кабельная линия состоит из жил, покрытых изоляцией. Каждая жила имеет свое собственное сопротивление (например, линия двухпроводная — жилы «а» и «б»). Значит, Ra и . Сумма этих двух сопротивлений даст Rшл, т.е. Rшл = Ra + Rб. Разность этих сопротивлений называется омической асимметрией ΔR = Ra — . Так как жилы имеют изоляцию, то можно измерить сопротивление изоляции между жилами Rизаб и сопротивление изоляции между каждой жилой и землей Лиза
и Яизб.

2

Если в схеме моста постоянного тока заменить в плечах сопротивления резисторов полными сопротивлениями некоторых двухполюсников, то получим схему моста переменного тока. На рисунке 2.29 приведена общая схема моста переменного тока.

Рисунок 2.29 – Схема моста переменного тока

Такой мост питается переменным напряжением, обычно от генератора синусоидальной формы. В качестве индикатора баланса используют электронные вольтметры. Условие равновесия (баланс моста) записывается следующим образом:

Z1*Z3 = Z2* Z4

Заменив сопротивление Z его выражением в показательной форме, получим:

|Z1|еjφ1 *|Z3| еjφ3 = |Z2| еjφ2*|Z4| еjφ4

где |Z1|, |Z2|, |Z3|, |Z4| — модули полных сопротивлений плеч;

еjφ1, еjφ3, еjφ2, еjφ4 — фазовые сдвиги между током и напряжением в соответствующих плечах.

Тогда условие баланса распадается на два условия равновесия:

|Z1|*|Z3| = |Z2|*|Z4| и

еjφ1 + еjφ3 = еjφ2 + еjφ4

Из этого следует, что мост переменного тока можно уравновесить регулировкой не менее двух элементов схемы с переменными параметрами, так как нужно добиваться равновесия по модулям и фазам раздельно.

Практически мост можно привести в равновесие только последовательными приближениями, так как даже при раздельных регулировках активных и реактивных составляющих модуль и фаза изменяются одновременно.

Второе условие равновесия моста переменного тока — суммы фазовых сдвигов в противолежащих плечах должны быть равны друг другу, определяют построение схемы моста. То есть, если в первом и третьем плечах включены резисторы, то во втором и четвертом плечах должны находиться реактивные сопротивления с обратными знаками.

students-library.com

Как устроены и работают измерительные мосты постоянного тока

Устройство одинарных измерительных мостов неизменного тока

Одинарный мост неизменного тока состоит из 3-х примерных резисторов (обычно регулируемых) R1, R2, R3 (рис. 1, а), которые включают поочередно с измеряемым сопротивлением Rx в мостовую схему.

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

Рис. 1. Схемы одинарных измерительных мостов неизменного тока: а — общая; б — с плавным конфигурацией дела плеч и скачкообразным конфигурацией плеча сопоставления.

Схема работает последующим образом. При подаче питания через резисторы Rx, Rl, R2, R3 проходят токи I1 и I2. Эти токи вызовут в резисторах падение напряжений Uab, Ubc, Uad и Udc.

Если эти падения напряжения будут различными, то и потенциалы точек φa, φb и φc будут неодинаковы. Потому, если выключателем SA1 включить гальванометр, то через него будет проходить ток, равный Iг= (φb — φd) / Ro.

Задачка измеряющего состоит в том, чтоб уравновесить мост, другими словами сделать потенциалы точек φb и φd схожими, другими словами, уменьшить ток гальванометра до нуля.

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

При Iг=0 можно утверждать, что φb = φd. Это может быть только тогда, когда падение напряжения Uab — Uad и Ubc = Udc.

Подставив в эти выражения значения падений напряжений Uad =I2R3, Ubc = I1R1, Udc = I2R2 и Uab =I1Rх, получим два равенства: I1Rх = I2R3, I1R1 = I2R2

Разделив 1-ое равенство на 2-ое, получим Rх / R1 = R3 / R2 либо Rх R2 = R1 R3

Последнее равенство есть условие балансировки одинарного моста неизменного тока.

Из него следует, что мост сбалансируется тогда, когда произведения сопротивлений противолежащих плеч будут схожими. Отсюда измеряемое сопротивление обусловится по формуле Rх = R1R3 / R2

В реальных одинарных мостах изменяют или сопротивление резистора R1 (его именуют плечом сопоставления), или отношение сопротивлений R3/R2.

Есть измерительные мосты, у каких изменяется только сопротивление плеча сопоставления, а отношение R3/R2 остается неизменным. И напротив, меняется только отношение R3/R2, а сопротивление плеча сопоставления остается неизменным.

Наибольшее распространение получили измерительные мосты, у каких плавненько меняется сопротивление R1 и скачками, обычно кратными 10, меняется отношение R3/R2 (рис. 1,б), к примеру в всераспространенных измерительных мостах Р333.

Рис. 2. Измерительный мост неизменного тока Р333

Каждый измерительный мост характеризуется пределом измерений сопротивлений от Rmin до Rmax. Принципиальным параметром моста является его чувствительность Sм = SгSсх, где Sг=da/dIг — чувствительность гальванометра, Scx=dIг/dR — чувствительность схемы.

Подставляя Sг и Scx в Sм, получим Sм= da/ dR.

Время от времени пользуются понятием относительной чувствительности измерительного моста:

Sм= da/ (dR / R).

где dR / R — относительнее изменение сопротивления в измеряемом плече, da — угол отличия стрелки гальванометра.

Зависимо от конструктивного дизайна различают магазинные и линейные (реохордные) измерительные мосты.

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

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

Погрешность одинарного моста неизменного тока находится в зависимости от степени соизмеримости сопротивлений соединительных проводов и контактов с измеряемым сопротивлением. Чем меньше измеряемое сопротивление, тем больше погрешность. Потому для измерения малых сопротивлений используют двойные мосты неизменного тока.

Устройство двойных мостов неизменного тока

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

Рис. 3 Схема двойного измерительного моста неизменного тока

Равновесие моста определяется формулой:

Rх = Ro х (R1/R2) — (r R3 / (r +R3 +R4)) х (R1/R2 — R4/R3)

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

Невзирая на то, что сопротивления R1 и R4, перемещая движок D, устанавливают схожими, из-за разброса характеристик сопротивлений R2 и R4 этого достигнуть очень трудно.

Для уменьшения ошибки измерений нужно сопротивление перемычки, соединяющей примерный резистор Ro и измеряемое сопротивление Rx, брать как можно наименьшим. Обычно к прибору придается особый калиброванный резистор r. Тогда вычитаемое выражения фактически становится равным нулю.

Значение измеряемого сопротивления можно найти по формуле: Rх = Ro R1/R2

Двойные измерительные мосты неизменного тока рассчитаны на работу только с переменным отношением плеч. Чувствительность двойного моста находится в зависимости от чувствительности нулевого указателя, характеристик мостовой схемы и значения рабочего тока. С повышением рабочего тока чувствительность возрастает.

Наибольшее распространение получили комбинированные измерительные мосты неизменного тока, рассчитанные на работу по схемам одинарного и двойного моста.

elektrica.info

схема, принцип действия и т.д.

Мост Уитстона — это одна из наиболее часто используемых мостовых схем в контрольно-измерительных приборах.

Схема моста Уитстона часто используется в системах измерения температуры. В этих системах устройство, называемое термометр сопротивления или терморезистор, обычно помещается в одной из ветвей схемы мостика.

Принципиальная схема мостика Уитстона

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Величина тока в мосте Уитстона определяется величиной разности сопротивлений: чем больше разность, тем больше будет течь ток; а если разность сопротивлений меняется, количество протекающего тока будет тоже меняться. Именно это свойство делает схему мосте Уитстона очень полезной в контрольно-измерительных устройствах и системах управления. Точные измерения переменных величин процессов достигаются тем, что переменные параметры процессов изменяют сопротивление в схеме мостика. Даже очень малые изменения величины сопротивления могут быть обнаружены при измерении тока, протекающего через мостик.

Принцип работы моста Уитстона

Схема моста Уитстона имеет два плеча сопротивления, каждое из которых содержит два резистора. Третья ветвь схемы — это соединение между двумя параллельными ветвями. Эта третья ветвь называется мостиком. Ток течет от отрицательной клеммы батарейки к верхней точке мостовой схемы. Затем, ток делится между двумя параллельными ветвями, причем количество тока, протекающее по каждой из ветвей, зависит от величины сопротивления в ветви. Наконец, ток возвращается к положительной клемме батарейки.

При равных величинах сопротивлений равное количество тока течет в каждой из ветвей. По мостику ток не течет, на что указывает нулевое положение измерителя. При этом условии о мостике говорят, что он уравновешен.

Уравновешенная схема мостика Уитстона

При неравных величинах сопротивления в ветвях, ток течет в схеме от ветви с большим сопротивлением к ветви с меньшим сопротивлением. Это будет верно, пока два верхних резистора фиксированы и равны по величине, как это имеет место в схемах мостика Уитстона, используемых в контрольно-измерительных системах. Измеритель на рисунке показывает, что ток в мостике течет слева направо.

Неуравновешенная схема мостика Уитстона

kipiavp.ru