Класифікація вимірювальних приладів порівняння

Методи вимірювань, основані на безпосередньому порівнянні вимірюваної величини з мірою, реалізують за допомогою спеціальних засобів вимірювань - вимірювальних приладів порівняння, загальну класифікацію яких наведено на рис. 4.

Рис. 4. Класифікація вимірювальних приладів, в яких реалізується метод безпосереднього порівняння з мірою (приладів порівняння)

Надалі більш докладно розглянуто прилади порівняння, які найширше застосовуються для вимірювання електричних, неелектричних та магнітних величин:

• мости постійного і змінного струму, в яких реалізується метод протиставлення;

• компенсатори постійного і змінного струму, в яких реалізується компенсаційний метод вимірювання;

• компаратори напруг, струмів, опорів та потужностей, в яких реалізується компенсаційний метод вимірювання .

В усіх приладах порівняння може бути реалізований як нульовий, так і диференціальний метод вимірювання.

Характерною особливістю приладів порівняння є високі метрологічні характеристики

• висока точність,

• широкий диапазон вимірювання,

• мале обо зовсім відсутнє власне споживання потужності тощо.

У зв'язку з цим їх переважно застосовують в метрологічних лабораторіях для метрологічної перевірки технічних засобів вимірювальної техніки.

Мостові вимірювальні прилади

Мости постійного струму

Мости постійного струму є найточнішими засобами вимірювавння електричного опору в широкому диапазоні Ом. Їх використовують як у метрологічних лабораторіях, так і у виробнгичих умовах. Для вимірювання великих опорів у диапазоні Ом застосовують одинарні мости, а для вимірювань малих опорів у диапзоні Ом застосовують подвійні мости постфйного струму.

Границі допустимої основної абсолютної похибки мостів визначаються двочленою формулою

Ом, (1)

Де с – число, яким позначено клас точності моста, % (значення вибирають з ряду: 0,001;0,002;0,005;0,01;0,02;0,05; 0,1;0,2;0,5;1;2;5;10);

- верхня границя піддиапазону вимірювання або нормувальне значення, Ом;

- показ моста, Ом.

Границі допустимої основної відносної похибки

. (2)

У мостах з широким диапазоном вимірювання клас точності встановлюється для кожного піддиапазону, але за клас точності приймають його найлільше значення.

Схема та умова рівноваги одинарного моста постійног струму.

Принципова схема одинарного або чотириплечого моста постійного оструму зображена на рис. 5, а. Вона складається з чотирьох резисторів R1, R2 R3,R4, з'єднаних в кільце, які називають плечами моста. Точки a, b, c, d називаються вершинами моста, а кола між протилежними вершинами а і b, с і d— діагоналями моста. Одна із діагоналей - (а - b ), в яку вмикається джерело живлення ДЖ, називається діагоналлю живлення, а інша (с - d), в яку вмикається нуль-індикатор НІ, - індикаторною діагоналлю.

Значення струму І_НІ в індикаторній діагоналі залежно від напруги живленн моста U та опорів плечей моста знаходять за законами Кірхгофа

(3)

де R_HI - внутрішній (вхідний) опір нуль-індикатора.

Міст, в якому струм нуль-індикатора або напруга в індикаторній діагоналі U_cd # 0, називають незрівноваженим.

Рис. 5. Принципіальна схема одинарного моста постійного струму

Змінюючи опір одного або декількох плечей моста, добиваються, щоб струм нуль-індикатора І_НІ = 0, тобто зрівноважують міст. Рівновага моста настає за умови,

(4)

тобто добутки опорів протилежних плечей моста повинні бути рівні між собою.

Плечі R₁ і R₄, суміжні в мостовій схемі, називають плечами порівняння (найчастіше цю назву застосовують тільки до плеча R₄). Два інші суміжні між собою плечі моста, опори яких входять до рівняння (5) у вигляді відношення R₂/R₃ називають плечами відношення.

Умову рівноваги моста (4) використовують для вимірювання електричного опору об'єктів, оскільки опір одного плеча легко знайти через відомі значення опорів трьох інших плечей моста.

Наприклад, якщо об'єкт з невідомим опором увімкнений в плече R_Х ( рис. 6 ) , то відповідно до (4) отримаємо

(5)

де Rnoр - опір плеча порівняння ;

R_A/R_B- опори плечей відношення.

У мостах із широким діапазоном вимірювання опору плече порівняння R_ПОР являє собою багатодекадний магазин опору (див. рис. 6) із кроком зміни опору , достатнім для зрівноваження мосту, а плечі відношення R_A і R_B - набори резисторів з опором, кратним (де n - ціле число).

Рис. 6. схема з двопровідним під 'єднанням досліджуваного об 'єкта Rx (r₁ і r₂ – опори з'єднувальних проводів)

Це дає можливість отримувати відношення R_A/R_B=N=10n, що спрощує встановлення значення Rx з рівняння (4):

(4)

Зміна відношення R_A/R_B досягається незалежною зміною опору кожного із пліч R_A і R_B за допомогою штепсельних перемикачів (див. рис. 6). Наприклад, для мосту, схема якого зображена на рис. 6, значення відношення R_A /R_B = N змінюється дискретно від 10^-4 до 10⁴. Таке виконання пліч мосту забезпечує широкий діапазон вимірювання опору, який для сучасних одинарних мостів лежить у межах від 10^-4 до 10¹⁶ Ом.

Якщо міст попередньо зрівноважити, тобто виконати умову (4), а потім змінити опір одного з плечей мосту, наприклад, плеча Rx на величину ΔR_X (ΔR_X«R_X), то на основі (3) в індикаторній діагоналі з'явиться напруга Ucd=ΔU_HI і в колі нуль-індикатора буде протікати струм

(5)

тобто в околі точки рівноваги струм в індикаторній діагоналі змінюється пропорційно до зміни опору одного із плечей мосту.

Відповідно зміна напруги в індикаторній діагоналі

(6)

Мости в такому режимі роботи називаються незрівноваженими та використовуються, наприклад, для розбраковки резисторів по класах точності при їх виробництві та при вимірюванні неелектричних величин,наприклад, температури.

Однією з важливих характеристик мосту є його чутливість, тобто відношення зміни струму ΔΙ _НІ ,напруги ΔU_HI або потужності ΔР_НІ в колі нуль-індикатора до абсолютної ΔR або відносної δR₁ = ΔRi/Ri зміни опору одного із плечей моста Ri:

де Sі - чутливість мостової схеми за струмом;

де Sv - чутливість містової схеми за напругою.

Важливою задачею в розрахунку мостової схеми є раціональний вибір опорів плечей моста Rпор, R_A, R_B, напруги живлення мосту U та параметрів нуль-індикатора R_HI для забезпечення максимальної чутливості схеми.

Як нуль-індикатори рівноваги в мостах постійного струму застосовують високочутливі магнітоелектричні гальванометри або електронні нуль-індикатори з фотоелектричними підсилювачами.

Похибка прямого вимірювання опору одинарним мостом за нормальних умов, крім основної похибки моста δМ, містить ще дві складові — похибку кван­тування δкв , зумовлену дискретною зміною опору плеча порівняння, і похибку δr від впливу опорів з'єднувальних проводів, тобто

Оскільки дійсні значення похибок δr і δ_M невідомі, то для визначення сумарної похибки вимірювання необхідно попередньо визначити наближені оцінки цих похибок. Для заданих класів точності засобів вимірювальної техніки такими оцінками є граничні значення похибок.

Граничне значення допустимої основної відносної похибки моста δM знаходять за формулою (1) або (2).

Граничне значення відносної похибки квантування

де ΔRкв — крок квантування або найменша зміна опору плеча порівняння, яка викликає достатнє для впевненого спостереження відхилення вказівника нуль-індикатора (0,5... 1 под) під час зрівноважування моста;

Rnop - значення опору плеча порівняння.

Для того, щоб вплив похибки квантування на результат вимірювання опору був нехтовно малим, слід забезпечити співвідношення

(7)

що досягається вибором відповідного значення опору плеча порівняння Rпор .

Для виконання умови (7) опір плеча порівняння вибирають таким, що дорівнює або є більшим від деякого мінімального значення Rпор мин , яке визначають за виразом

Відносна похибка від впливу з'єднувальних проводів. Для двопровідного під'єднання Rx до моста (див. рис. 6), коли опори r₁ і r₂ обох провідників додаються до R_X дорівнює

(8)

Як видно з (8), із зменшенням Rx похибка зростає, тому для вимірювання порівняно малих опорів (Rx<100 Ом) використовують чотирипровідне під 'єднання Rx до мосту (рис. 7). У цій схемі проводи r₃ і r₄ увімкнені послі­довно з джерелом живлення та нуль-індикатором і не впливають на результат вимірювання (їх опори не входять у рівняння умови рівноваги мосту), а вплив проводів г₁ і r₂ може бути значно зменшений порівняно з двопровідною схемою, тому що їх опори додаються до опорів пліч моста Rnop і Ra, значення яких можна вибрати значно більшими, ніж Rx

Відносна похибка, зумовлена впливом опорів проводів r₁, r₂ для чотирипровідного під'єднання Rx до мосту (рис. 7), дорівнює

Рис. 7. Схема одинарного моста із чотирипровідним під 'єднанням досліджуваного об'єкта

Використання чотирипровідного підєднання Rx до мосту дає можливість знизити границю вимірювання опору одинарного мста до 0,0001 Ом. Для вимірювання меншіх опорів застосовуються подвійні мости.

Схема та умова рівноваги подвійного моста постійного стру.

Принципова схема подвійного або шестиплечого моста постійного струму зображена на рис.8. Вона складається з шести резисторів, які називаються плечами моста, причому: Rx - досліджуваний об'єкт, опір якого необхідно виміряти; R_N - однозначна міра опору; Rпор , R’пор - плечі порівняння; R_A, R_B - плечі відношення. Крім цього, у схемі позначено: r₁, r₂,, r₃, r₄, r₅, r₆, r - з'єднувалні провідники, НІ— нуль-індикатор, ДЖ- джерело живлення, А - амперметр, Rрег - реостат для встановлення необхідного значення струму живлення мосту.

Використання подвійного мосту для вимірювання опорів резисторів ґрунтується на певному співвідношенні між опорами плечей моста, яке називаєті умовою рівноваги і визначається як:

(9)

Користуватися виразом (9) незручно, тому створюють такі умови, при которих « « було б рівно нулю. Цього можна досягти виконавши умову R_пор/ R_В = R’_пор / R_А (без урахування опорів зєднувальних проводів. На практиці роблять R_пор = R’_пор (плече порівняння виконане у вигляді так званих подвійних декад, що дають можливість сінхронно змінювати опори R_пор , R’_пор на одгнакове значення) і R_В = R_А. Тоді для визначення результату вимірювання користуються спрощеною формулою

Ом.

Рис. 8. Принципова схема подвійного моста постійного струму

Відношення R_A/ R_B дорівнює 10ⁿ (де n - ціле число), оскількизначення опорів R_A і R_B кратні цілому степеню числа 10.

Подвійні мости використовуються для вимірювання плрівнянно малих ополрів у диапазоне 10^-8 … 10² Ом, що можливо завдяки використанню як Rx низькоомних однозначних мір опору 10-5 … 10 Ом