§ 5. Измерительный мост, как основной прибор измерения

сигнала рассогласованния

Датчики температуры, давления, расхода, уровня, чаще всего являются преобразователями этих величин в механическое перемещение, поэтому обычно измерительные устройства дополняются еще и вторичными преобразователями механического перемещения в электрический сигнал, а в качестве измерительного прибора, как правило, применяют измерительный мост.

Измерительный мост может работать как на постоянном токе, так и на переменном. Измерительный мост постоянного тока представляет собой четыре резистора, соединенные в замкнутый четырехугольник. В одну диагональ этого четырехугольника включен источник питания с минимально возможным внутренним сопротивлением (для уменьшения влияния на величину рабочих токов, протекающих через плечи моста), во вторую диагональ включен измерительный прибор. Обычно величина резисторов в плечах моста подбирается таким образом, чтобы ток через измерительную диагональ не протекал. Такой мост называется уравновешенным или сбалансированным. Датчик измеряемой величины, включается в одно из плеч моста. При изменении исследуемой величины будет изменяться и величина сопротивления в данном плече моста и, как следствие, мост окажется разбалансированным. В системах автоматизированного управления (регулирования) обычно сигнал разбалансирования после усиления поступает на исполнительный механизм, который, воздействуя на регулирующий орган, стремиться устранить сигнал рассогласования (разбалансировки), т.е. стремиться вернуть мост к состоянию равновесия (согласования).

Условие равновесия моста может быть получено на основании законов Кирхгофа, записанных для токов в плечах моста:

(1.1)

I₁R₁ – I₃R₃ = 0, I₂R₂ – I₄R₄ = 0,

откуда

(1.2)

I₁R₁ = I₃R₃,

(1.3)

I₂R₂ = I₄R₄.

Разделив (1.2) на (1.3), получим:

(1.4)

I₁R₁/(I₂R₂) = I₃R₃/(I₄R₄).

Так как в уравновешенном мосте ток в цепи прибора I_ПР = 0, то I₁ = I₂, I₃ = I₄ и равенство (1.4) примет вид:

(1.5)

R₁/R₂ = R₃/R₄ или R₁R₄ = R₂R₃,

т.е. условие равновесия моста может быть сформулировано в следующем виде: для равновесного моста произведение сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны.

Кроме того, на основании тех же законов Кирхгофа могут быть получены выражения для тока в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, через напряжение питания U:

(1.6)

I_ПР = U (R₁R₄ – R₂R₃)/M,

(1.7)

I_ПР = I (R₁R₄ – R₂R₃)/N,

где:

(1.8)

М = (R₁ + R₂)(R₃ + R₄) R_ПР + R₁R₂(R₃ + R₄) + R₃R₄(R₁ + R₂),

(1.9)

N = (R₁ + R₂ + R₃ + R₄) R_ПР + (R₁ + R₃)(R₂ + R₄),

Сложное соединение R₁ – R₄ в мостовой схеме можно преобразовать в эквивалентное сопротивление R_М. Если учесть также, что любой источник энергии обладает внутренним сопротивлением R_Е, то в зависимости от соотношения R_М и R_Е различают низкоомные и высокоомные измерительные мостовые схемы.

Если R_М  R_Е, то мост называют низкоомным. В таких мостах изменение сопротивления плеч моста практически не влияет на величину питающего мост тока, т.е. можно считать, что I_ПИТ  const. При расчете таких мостов обычно пользуются соотношением (1.7)

Если R_М  R_Е, то мост называют высокоомным. В этом случае можно считать постоянной величиной напряжение питания моста, т.е. U_ПИТ  const. Для таких мостов пользуются соотношением (1.6).

Разделив (1.6) на (1.7), получим значение входного сопротивления моста:

(1.10)

R_М = U / I = M / N

Измерительный мост переменного тока отличается от моста постоянного тока, тем, что в плечи моста могут быть включены, как емкости (конденсаторы), так и индуктивности. В этом случае при расчете моста необходимо учитывать полное комплексное сопротивление.

В качестве измерительного прибора в измерительную диагональ моста включают миллиамперметр (микроамперметр). Кроме того, ток в измерительной диагонали моста все таки зависит от напряжения питания моста. Колебания напряжения питания приводят к появлению погрешности. Для снижения влияния напряжения питания моста применяют логометрические схемы измерения. Логометром называется магнитоэлектрический прибор, противодействующий момент в котором создается не механически (пружиной, как в милливольтметре), а электрически, за счет двух катушек на подвижной рамке, установленных под определенным углом друг к другу и включенных определенным образом. Противодействующий момент на рамке создается за счет изменения ширины зазора в магнитном сердечнике и включения в плечи моста уже двух элементов: фиксированного резистора, подключенного к одной из катушек и собственно датчика, подключенного к другой катушке.