Мости змінного струму

Вимірюють параметри елементів і кіл на змінному струмі, а саме: електричного опору R резисторів; ємності С і тангенса кута втрат tgδ конденсаторів; індуктивності L і добротності Q котушок індуктивності; взаємоіндуктивності М двох котушок тощо, прямими та опосередкованими методами.

Опосередковані вимірювання параметрів R, L, С виконують за допомогою аналогових та цифрових амперметрів, вольтметрів і ватметрів (див. лекц. 9..11), а прямі вимірювання - приладами прямого перетворення (омметрами, фарадметрами, куметрами тощо) і мостами змінного струму, які ми розгдядаємо. Перевагами мостів змінного струму є широкий діапазон вимірювання, висока точність, можливість автоматизації вимірювання і безпосереднє введення інформації у комп'ютери у разі застосування цифрових мостів, що зумовило їх широке використання в електровимірювальній техніці.

Мости змінного струму застосовують для вимірювання

індуктивності L у діапазоні – 10^-9...10⁴ Гн,

ємності С – 10-'°... 10 мкФ,

тангенса кута втрат tgδ 10⁵.. 10,

добротності Q – 10^-1... 10³,

активного опору R – 10^-2... 10⁷ Ом та

активної провідності G - 10^-7...1 Сім в діапазоні частот 10...5·10⁵ Гц.

Найпростішими і найпоширенішими є чотириплечі мости змінного струму (надалі - мости), схема яких ідентична до схеми одинарного моста постійного струму (рис.9).

Рис. 9. Схема чотириплечого мосту змінного струму

За аналогією з мостом постійного струму отримаємо умову рівноваги мосту змінного струму, за якої напруга в індикаторній діагоналі Ucd = 0 і струм нуль-індикатора змінного струму I_НІ = 0:

де Z₁, Z₂,Z₃,Z₄ - комплексні значення опорів плечей мосту. Виразивши комплексний опір як

(42.5

де - модуль комплексного опору;

φ - кут зсуву фаз між струмом і напругою в цьому опорі.

Тоді умову рівноваги мосту одержимо у вигляді

Остання рівність можлива за умов, які повинні виконуватись одночасно:

Як видно, для досягнення рівноваги мосту змінного струму необхідно, щоб добутки модулів, а також суми фазових кутів опорів протилежних плечей були рівними.

Ці умови можуть бути виконані при різних комбінаціях активних і реактивних елементів у плечах мосту та роздільному регулюванні (зміні) не менше від двох параметрів плечей моста. Остання умова істотно ускладнює зрівноважування мосту, однак дає можливість роздільно визначати активну і реактивну складові комплексного опору.

Регулівними (змінними) параметрами плечей мосту можуть бути актиний опір R, ємність С або індуктивність L, однак перевагу слід надавати змінному активному опору, оскільки будувати магазини опору технологічно значно легше ніж магазини ємності чи індуктивності.

Мірою досконалості моста щодо швидкості зрівноважування є його збіжність, яка характеризується кількістю почергових регулювань параметрів плечей мосту, необхідних для досягнення рівноваги.

Мости, в яких активна і реактивна складові комплексного опору визначаються роздільно, тобто незалежно одна від одної, за значеннями регулівних параметрів плечей мосту, які звичайно проградуйовані в одиницях відповідних складових, називаються мостами з роздільним або незалежним відліком.

Розглянемо умову одержання роздільного відліку складових комплексного опору. Прийнявши, що , де R та X – відповідно активна і реактивна складові, запишемо умови рівноваги мосту як

.

Якщо вимірюваний опір увімкнений в плече , тобто і

, то отримаємо

де X_ЕКВ і R_ЕКВ - коефіціенти, що виражають активну та реактивну складові вимірюваного опору через параметри плечей мосту .

Для одержання роздільного відліку складових комплексного опору необхідно, щоб кожен із регулівних (змінних) параметрів мосту входив тільки в один із коефіціентів X_ЕКВ або R_ЕКВ.

Параметри мосту можна підібрати таким чином, щоб умова рівноваги була залежна або незалежна від частоти живлення мосту. Мости, в яких умова рівноваги не залежить від частоти, називається частотнонезалежними, а в яких залежить – частотнозалежними. Перші використовуються для вимірювання параметрів кіл змінного струму, а другі - для вимірювання частоти змінних сигналів.

Деякі схеми мостів змінного струму наведені на рис. 10 та 11.

Рис.10. Схеми мостів для вимірювання С_Х та tgδ_X конденсаторів з малими (а) і великими (б) втратами

Рис. 11. Схеми мостів для вимірювання Lx і Qx котушок індуктивності без феромагнітного осердя (а) і з феромагнітним осердям (б)