Приборы и методы непосредственной оценки (измерительные мосты).
Измерительные мосты – это приборы, служащие для измерения сопротивлений, в основе работы которых заложен дифференциальный или нулевой метод. При дифференциальном методе делают неуравновешенные мосты, а при нулевом – уравновешенные или нулевые. Уравновешенный мост – это 4х-полюсник, питаемый от одного источника и имеющий две равнопотенциальные точки, обнаруживаемые индикатором равновесия (вольтметром). Измерительные мосты различают по роду тока источника питания и схемному выполнению.
Мосты постоянного тока используют для измерения больших и малых сопротивлений.
Мосты переменного тока – для измерений сопротивления, индуктивности и емкости.
А) Мосты постоянного тока.
В уравновешенных одинарных мостах постоянного тока (рис. 5.4) при любом напряжении U в диагонали питания (между точками 3 и 4) ток и напряжение в диагонали индикатора равновесия (между точками 1 и 2) равны нулю. С помощью законов Кирхгофа нетрудно показать, что условием равновесия будет соотношение: R1 / R2 = R4 / R3 , откуда измеряемое сопротивление Rx , обычно включаемое вместо R1, будет равно
Rx = R2 R4 / R3 (5.1)
Из (5.1) следует, что уравновешивание моста постоянного тока можно выполнить регулированием отношения сопротивлений R4 / R3 (при некотором неизменном значении R2 ) или сопротивления R2 (при постоянном отношении R4 / R3 ). Важное свойство моста – чувствительность по току или напряжению, т.е. отношение изменений тока или напряжения к относительному (или абсолютному) изменению сопротивления одного из плеч мостовой схемы : S I = D I i / D R i ; S U = D U i / D R i .
Одинарный мост применяют для измерения больших сопротивлений
(10 – 106) Ом. Для измерения малых сопротивлений (10 –8- 10) Ом применяют
двойной мост. (рис. 5.5).
Рис. 5.4. Схема одинарного моста постоянного тока.
Рис. 5.5. Схема двойного моста постоянного тока.
При R1= R3 , R2= R4 и малом сопротивлении R (представляющем собой короткий провод большого сечения) измеряемое сопротивление
R x » Ro R1 / R2 (5/2)
Уравновешенный
одинарно-двойной мост постоянного тока
типа Р329 совмещает в себе оба моста и
позволяет измерять сопротивления
10 – 8- 10 6 Ом. Измерение высокоомных сопротивлений сопровождается уменьшением токов в измерительных цепях моста, понижением его чувствительности и увеличением влияния внешних электромагнитных помех (возрастают требования к экранированию моста).
Б) Мосты переменного тока.
В уравновешенных мостах переменного тока измерение R, L и C выполняется одинарными мостами (рис. 5.6).
Рис. 5.6. Схема одинарного моста переменного тока.
Так как сопротивления плеч моста переменного тока в общем случае комплексные, то необходим учет фазовых соотношений. Условие равновесия
Z1 Z3 = Z2 Z4 (5.3)
Если записать комплексные сопротивления в показательной форме:
Z i = zi exp j ji , то условия равновесия будут содержать равенство произведений модулей сопротивлений, входящих в (5.3), и равенство сумм их фазовых углов:
j1 + j3 = j2 + j4 (5.4)
В алгебраической форме условия равновесия записываются как:
R1 R3 – X1 X3 = R2 R4 – X2 X4 ; R1 X3 + R3 X1 = R2 X4 + R4 X2 (5.5)
Уравновешивание моста по двум величинам требует наличия в его схеме не менее двух регулируемых элементов.
Для удобства регулирования мосты строят таким образом, чтобы регулировочными элементами являлись резисторы. Правильный выбор регулируемых элементов моста и питание моста напряжением повышенной частоты (100, 1000, 3000 Гц) обеспечивают быстроту его уравновешивания («сходимость»). К индикаторам равновесия в мостах переменного тока предъявляются следующие требования: высокая чувствительность и возможность ее регулирования в широких пределах, а также минимальный порог чувствительности. Чем ниже порог чувствительности, тем с большей точностью уравновешивается мост. Поэтому в схемах мостов переменного тока используются электронные индикаторы, в состав которых входят: многокаскадный усилитель, полупроводниковый преобразователь переменного тока в постоянный и выходной магнитоэлектрический микроамперметр. На рис. 5.7 и 5.8 приведены схемы мостов переменного тока для измерения индуктивности катушек и емкости конденсаторов .