Включение преобразователей в мостовые схемы

В зависимости от требований к чувствительности мостовой схемы и к линейности функции преобразования можно различить три способа включения преобразователей в мостовую схему:

• Мост с преобразователем, включенным в одно плечо моста.

• Мост с двумя рабочими преобразователями, включенными в противоположные плечи.

• Мост с двумя рабочими преобразователями, включенными в два соседних плеча моста.

Рис. 4.5. Способы включения преобразователей в мостовую схему.

Преобразователь включен в одно плечо моста (R_пр = R₁) (см. рис. 4.5.а).

В этом случае при симметрии R₁ = R₂, R₃ = R₄ и при выполнении условий оптимального режима работы моста ток в гальванометре будет равен

(4.1)

Это уравнение показывает, что при таком включении преобразователя имеет место большая степень нелинейности функции преобразования ( - входит в числитель и знаменатель), достигающая 2—3%.

Мост с двумя рабочими преобразователями, включенными в противоположные плечи (R_пр = R₁ = R₄) (см. рис. 4.5.б).

Такое включение применяют, если хотят увеличить чувствительность схемы. Действительно, как известно, отклонение стрелки гальванометра пропорционально разности R₁R₄ = R₂R₃. Если R₁ и R₄ увеличатся (или уменьшатся) на одну и ту же величину, то чувствительность схемы возрастет вдвое по сравнению со схемой с одним рабочим преобразователем.

При таком включении преобразователей для компенсации температурной погрешности требуется включение в остальные два плеча нерабочих преобразователей, аналогичных R₁ и R₄.

Недостатком такого включения рабочих преобразователей является большая нелинейность функции преобразования. Действительно, при R₁R₄ = R₂R₃ R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = R и D R₁ = D R₄ ток в гальванометре будет равен

(4.2)

Из этого уравнения видно, что в данном случае нелинейность шкалы будет гораздо больше, чем в предыдущем случае (7—10%).

Мост с двумя рабочими преобразователями, включенными в два соседних плеча моста (R_пр=R₁=R₃) (см. рис. 4.7.в).

Это так называемые преобразователи дифференциального типа. Два сопротивления (активных, реактивных или полных) под действием неэлектрической величины изменяются с противоположными знаками. Тогда ток в гальванометре будет пропорционален разности

,

т. е. чувствительность схемы по сравнению со случаем включения преобразователя в одно плечо увеличится в два раза. Одновременно достигается и температурная компенсация.

При выполнении оптимальных условий (симметрии R₁=R₂ и Rз = R₄) получим

(4.3)

откуда видно, что шкала прибора с дифференциальным преобразователем имеет наибольшую линейность по сравнению с двумя предыдущими схемами (изменение сопротивления e входит в знаменатель в квадрате и при достаточно малом D R является бесконечно малой величиной). Максимальная степень нелинейности может быть около 0,5%.

ВЫВОД: для достижения наибольшей чувствительности мостовой схемы в сочетании с наименьшей нелинейностью функции преобразования нужно пользоваться схемой с дифференциальным преобразователем.

Все положения, изложенные выше, могут быть отнесены к мостам как постоянного, так и переменного тока, с той лишь разницей, что в мостах переменного тока вместо активного сопротивления R вводится комплексное - Z, а при балансировке моста необходимо компенсировать еще и фазовые сдвиги между током и напряжением в плечах моста.

Как уже было указано выше, если мостовая цепь работает на указатель конечного сопротивления, то для получения наибольшей чувствительности необходимо согласовывать сопротивление указателя с выходным сопротивлением моста.

В практике измерения неэлектрических величин часто применяются симметричные мостовые схемы (см. рис. 4.5 а). Имеются два вида симметрии мостовых схем:

а) R₁=R₂, R₃=R₄,

б) R₁=R₃, R₂=R₄.

Первый вид симметрии получается, если активными элементами моста считать плечи R₁ и R₂; тогда максимальный ток в указателе будет при R₃=R₄ ®0.

Второй вид симметрии получается, если активными элементами моста считать R₁=R₃ и тогда максимальный прирост напряжения на указателе будет при R₂=R₄®¥.

Оптимальные соотношения между сопротивлениями мостовой цепи различны для каждого вида симметрии.

Более подробно вопрос равновесия мостовых схем рассмотрен в Теме 2 (стр. 83).