3.6. Мосты и компенсаторы измерительные мосты постоянного тока

Распространенным средством измерения сопротивлений постоянному току являются измерительные мосты постоянного тока.

В простейшем случае мостовая схема содержит четыре резистора, соединенных в кольцевой замкнутый контур (рис. 3.19). Такую схему называют одинарным мостом и применяют для измерений средних сопротивлений (от 1 до 10¹⁰ Ом). С помощью мостовой схемы реализуется нулевой метод сравнения измеряемой величины (§1.4), например, сопротивление резистора R₁ с образцовыми мерами (резисторы R₂, R₃, R₄).

К онструктивно мост представляет собой стационарный или переносной прибор с набором образцовых (высокоточных) магазинов сопротивлений, соединенных в мостовую схему. Из условия баланса моста (I_г=0) получается простое соотношение между плечами моста. Если сопротивление одного из плеч неизвестно (например, R₁=R_x), то из условия баланса

.

Т.о. измерения при помощи одинарного моста можно рассматривать как сравнение неизвестного R_x с образцовым сопротивлением R₂ при сохранении отношения . По этой причине плечо R₂ называют плечом сравнения, плечи R₃ и R₄ – плечами отношения.

Погрешность измерения R_x определяется неточностью изготовления магазинов R₂, R₃, R₄. Кроме этого погрешность измерения зависит от чувствительности индикатора, поэтому в мостах постоянного тока применяют высокочувствительные гальванометры магнито-электрической системы.

Значительная методическая погрешность возникает при измерении малых сопротивлений, соизмеримых с сопротивлением проводов и соединительных контактов. Измерение больших сопротивлений затруднено в связи с малой чувствительностью схемы и шунтирующим действием паразитных проводимостей.

Типичные значения относительных погрешностей при измерении одинарным мостом составляют от 0,005 до 1,0 %.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ МОСТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Одинарные мосты могут работать также и на переменном токе. В этом случае сопротивления плеч являются комплексными. Такие мосты широко применяются для измерения индуктивностей и емкостей.

Индикатором баланса моста может служить электронный вольтметр или электронный индикатор нуля на базе электронно-лучевой трубки.

Условие равновесия одинарного моста переменного тока имеет вид

, при I_и=0.

Если комплексное сопротивление представить в показательной форме: , то можно заметить, что баланс моста возможен при двух условиях:

1 - при балансе амплитуд: ;

2 - при балансе фаз: φ₁+φ₄=φ₂+φ₃.

Только одновременное выполнение двух условий обеспечивает равенство нулю напряжения на измерительной диагонали, в которую включен индикатор. Чтобы обеспечить выполнение двух условий одновременно, необходимо иметь не менее двух регулирующих элементов.

В измерительных мостах переменного тока такими элементами чаще всего являются образцовые резисторы и образцовые переменные конденсаторы.

Сопротивления плеч в мостах переменного тока зависят от частоты, т.е. равновесие возможно только при некоторой достаточно постоянной частоте питающего напряжения. Наиболее употребимые частоты напряжения питания мостов переменного тока 100 и 1000 Гц. При более высоких частотах на баланс моста сильно влияют различные паразитные электрические связи через емкости монтажа.

Следует заметить, что мосты для измерения сопротивлений, индуктивностей, емкостей часто совмещают в одном приборе. Такие приборы называют универсальными измерительными мостами. Они позволяют измерять индуктивности от долей микроГенри до тысяч Генри, емкости – от единиц пикоФарад до тысяч микроФарад. Кроме этого можно измерить добротность индуктивных катушек (Q = ωL/r_к) и диэлектрические потери в конденсаторах (tg δ). Относительная погрешность измерения может не превышать сотых долей процента.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ МОСТЫ

Автоматизация производственных операций потребовала создания автоматических устройств широкого применения для измерения сопротивлений, емкостей, индуктивностей и, связанных с ними, неэлектрических физических величин, например, температуры, давления, расхода вещества и т.д.

Для целей преобразования параметров L, R, C в напряжение или ток удобно применять мостовые электрические схемы. Т.о. изменение различных неэлектрических величин с помощью моста преобразуется в приращение напряжения на измерительных диагоналях мостовой схемы.

Р ассмотрим принцип автоматического уравновешивания мостовой схемы на примере широко применяемых мостов типа КСМ4, в качестве резистивных преобразователей, у которых применяются стандартные медные или платиновые датчики температуры (рис. 3.20).

Схема представляет собой обыч-ный одинарный мост переменного тока (см. п.2), уравновешивание которого достигается перемещением ползунка реохорда при помощи реверсивного двигателя РД, ротор которого вращается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие моста, т.е. напряжение на выходе усилителя У не уменьшится до порога чувствительности двигателя.

Одновременно с перемещением ползунка, происходит движение указателя и пера регистрирующего устройства. Питание моста обычно производится переменным током, поскольку электронный усилитель У переменного тока не обладает дрейфом нуля в отличии от усилителя постоянного тока.

Шкала такого автоматического моста градуируется в единицах температуры и справедлива для стандартного резистивного датчика температуры, изготовленного из меди или платины.

Приведенная погрешность таких мостов равна 0.2 – 0.5 %, быстродействие 1-2 с.

КОМПЕНСАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

К омпенсаторами (потенциометрами) называются приборы для измерения нулевым методом сравнения (см. Гл.1, § 1.4) ЭДС, напряжений или физических величин, функционально с ними связанных.

Принцип измерения Е_X заключается в следующем (рис. 3.21). Сначала устанавливается требуемое для компенсатора значение рабочего тока I с помощью R₁. При этом переключатель П устанавливается в положение 1. Затем изменяют R₁ до тех пор, пока индикатор (гальванометр) не покажет отсутствие тока, это произойдет при равенстве .

После установления рабочего тока переключатель П устанавливается в положение 2 и перемещением подвижного контакта у резистора R₀ опять добиваются показаний индикатора, равных нулю.

Это будет при некотором значении сопротивления R_X. Тогда можно записать, что . Т.о. Е_х выразится через стабильные параметры E_N, R_H и R₀, и будет равно . Этот способ требует постоянства рабочего тока во время измерений.

Значение Е_х снимается с R₀, которое состоит из нескольких разрядов, а лимбы каждого разряда градуируются в единицах напряжения.

Точность установления момента компенсации, а следовательно и точность измерения Е_х, зависят от полной чувствительности компенсатора

,

где – чувствительность схемы компенсатора, - чувствительность гальванометра, ΔI – приращение тока в цепи гальванометра, вызванное изменением Е_х на ΔЕ_х, Δn – число делений отклонения гальванометра, при изменении в нем тока на ΔI.

Высокая точность измерения Е_х компенсатором обусловлена высокой чувствительностью применяемого гальванометра, высокой точностью ЭДС нормального элемента Е_N и резисторов R_N и R₀, а также высокой стабильностью вспомогательного источника питания, т.е. I = const.

Достоинством компенсатора является также отсутствие потребления мощности (шунтирующего действия) от источника Е_х в момент ее компенсации напряжением . Это обеспечивает высокую точность измерения ЭДС и напряжений слаботочных источников.

Классы точности компенсаторов постоянного тока находятся в пределах от 0.005 до 0.5. Верхний предел измерений не превосходит 2,5 В.

КОМПЕНСАТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Принцип действия компенсаторов переменного тока заключается в том, что измеряемая ЭДС (напряжение) уравновешивается известным напряжением, создаваемым рабочим током на участке рабочей цепи.

Д ля уравновешивания двух напряжений переменного тока необходимо равенство этих напряжений по модулю, противоположность по фазе, равенство их частот и идентичность формы кривых. Первые три условия обеспечиваются выбором принципиальной схемы компенсатора и ее питание от одного источника.

В зависимости от того, как производится уравновешивание по модулю и фазе известной и измеряемой ЭДС и в каких координатах получается отсчет Е_х, компенсаторы переменного тока делятся на полярно-координатные и прямоугольно-координатные.

На рис. 3.22 приведена схема компенсатора, измеряющего Е_х в полярной системе координат. Измеряемая ЭДС, подключенная к зажимам Е_х , определяется по положению подвижных контактов ПК1 и ПК2 на шкале калиброванного реохорда «а-б» и магазина сопротивлений «б-в». Фаза напряжения на участке рабочей цепи регулируется фазорегулятором ФР, благодаря чему можно добиться практически полного отсутствия тока в вибрационном или электронном ноль-индикаторе И. Отсчет угла сдвига φ_х производится по фазорегулятору. Необходимое значение рабочего тока I_p устанавливается по амперметру А при помощи реостата R.

Т.о. получаем не только модуль измеряемых напряжений, но и их фазы.

Компенсаторы переменного тока по точности значительно уступают компенсаторам постоянного тока (см. п.4). Это объясняется тем, что не существует меры ЭДС переменного тока, аналогичной нормальным элементам. Кроме этого рабочий ток в компенсаторах переменного тока приходиться устанавливать по амперметрам в лучшем случае класса точности 0.05 или 0.1, либо по нормальному элементу постоянного тока с использованием термоэлектрического промежуточного преобразователя и компенсатора постоянного тока, измеряющего ЭДС термопары, функционально связанной с переменным рабочим током I_p.

Прямоугольно-координатные компенсаторы имеют две рабочие цепи (электрические контуры), в которых угол фазового сдвига рабочих токов относительно друг друга составляет 90. А измеряемая ЭДС (напряжение) уравновешивается напряжением, имеющим две составляющие, сдвинутые относительно друг друга на те же 90.

АВТОМАТИЧЕСКИЕ КОМПЕНСАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Компенсаторы, у которых процесс компенсации производится автоматически называются автоматическими компенсаторами (потенциометрами). Применяются для измерения электрических и неэлектрических величин, если последние могут быть преобразованы в напряжение (ЭДС) постоянного тока. При этом обеспечивается непрерывное слежение (регистрация) за текущим значением измеряемой величины.

П рименяются компенсаторы с неполным и полным уравновеши-ванием. На рис. 3.23 приведена схема компенсатора с неполным уравнове-шиванием.

Компенсатор этого типа пред-ставляет собой, по существу, усилитель постоянного тока (УПТ), охваченный отрицательной обратной связью по току.

Для этой схемы справедливы отношения:

, ,

где S – чувствительность усилителя.

Из двух уравнений следует, что

,

т.е. между током на выходе усилителя I и измеряемым напряжением U_x существует пропорциональная зависимость, и по значению тока можно судить об U_x.

Однако показания миллиамперметра зависят от чувствительности (S) усилителя, нестабильность которой приводит к появлению погрешности измерения. Если подобрать значения R_oc и S таким образом, чтобы R_ocS>>1, обеспечив этим самым глубокую отрицательную обратную связь, стабилизирующую коэффициент преобразования усилителя, то получим . В этом случае коэффициент преобразования всей цепи определяется только сопротивлением R_oc, которое значительно стабильнее S усилителя.

Основная приведенная погрешность таких автоматических компенсаторов находится в пределах ±(0,25-1,0)%; время прохождения стрелочным указателем всей шкалы составляет единицы секунд.

Порог чувствительности составляет доли милливольта (по измеряемому напряжению).