Мосты постоянного тока (МПТ)

О динарный мост, называемый мостом Уитсона, применяют для измерения сопротивлений от 1 Ом до 100 МОм. Одинарный мост (рис. 2.24) состоит из четырех плеч: ab, bc, cd и da.

Рис. 2.24. Схема одинарного моста постоянного тока

Три известных регулируемых сопротивления R ₂, R ₃, R ₄ вместе с измеряемым сопротивлением R ₁= R _х образуют замкнутый четырехполюсник abcd. В измерительную диагональ моста (bd) включен указатель равновесия Г, в качестве которого используется магнитоэлектрический гальванометр. В диагональ питания моста (ac) включается источник постоянного тока ─ аккумуляторная батарея или сухой элемент. Подбором значений сопротивлений R ₂, R ₃, R ₄ добиваются отсутствия тока через гальванометр (потенциалы точек b и d равны) и, следовательно,

I _х R _х = I ₄ R ₄

I ₂ R ₂ = I ₃ R ₃.

Поскольку в момент равновесия моста ток через гальванометр не протекает I _г = 0, то I _х = I₂ и I ₃ = I ₄.

Тогда правомерно записать R _х/ R ₂ = R ₄/ R ₃ или R _х R ₃ = R ₂ R ₄,

откуда сопротивление R _х определяется по формуле

R _х = R ₂ R ₄/ R ₃. (2.30)

Сопротивления R₂ и R₃ ─ известные фиксированные сопротивления в диапазоне 1…1000 Ом. При этом отношение R₂/R₃ составляет от 10^–3 до 10³. Регулировкой сопротивления R₄ уравновешивают мост.

Погрешности измерения с помощью мостов постоянного тока зависят от диапазона измеряемых сопротивлений, наименьшие погрешности получают в диапазоне 100 Ом…100 кОм. По мере увеличения измеряемого сопротивления уменьшается чувствительность мостов, а при измерении больших сопротивлений сказывается влияние сопротивления изоляции.

Нижний предел измеряемых сопротивлений ограничен тем, что при измерении малых по величине сопротивлений сказывается влияние сопротивления монтажных проводов и переходных контактов.

Для измерения малых величин сопротивлений от 1 Ом и меньше применяют двойной мост, называемый мостом Томсона. В нем влияние сопротивления монтажных проводов и переходных контактов, вызывающих погрешность измерения, сведены к минимуму.

На рис. 2.25. представлена схема двойного моста, в котором использованы резисторы R₃ и R₄, чтобы исключить влияние сопротивления соединительного проводника (r). Мост называется двойным, так как он содержит два комплекта плеч отношения.

Рис.2.25. Схема двойного моста постоянного тока

При равновесии моста сопротивление R_х определяется выражением

(2.31)

На практике значения R₁, R₂, R₃, и R₄ выбирают такими, чтобы выполнялось соотношение

R₁/R₂ = R₃/R₄ (2.32)

При этих условиях вторым членом в выражении (2.31) можно пренебречь. Чтобы проверить выполнение условия (2.32), мост уравновешивается, а затем проводник r убирается, что не должно влиять на равновесие моста. Следовательно, двойной мост компенсирует малое сопротивление r.

На практике для исключения влияния соединительных проводов сопротивление резисторов R₁, R₂, R₃, и R₄ выбирают больше 10 Ом, а сопротивления R_х и R₀ имеют токовые и потенциальные зажимы и примерно один порядок величины. Чтобы исключить влияние термо-ЭДС, берут два отсчета при разных полярностях батареи, а затем усредняют результат.

Наиболее точные измерения сопротивлений R постоянному току выполняются с помощью мостов постоянного тока (МПТ)

В качестве нуль-индикаторов в мостах постоянного тока применяют высокочувствительные гальванометры или электронные устройства.

Двойной мост обеспечивает погрешность менее 0,05% для сопротивлений в диапазоне 10^–6 …1 Ом.

Достоинства: широкое применение мостовых схем объясняется высокой точностью измерений, большой чувствительностью и возможностью измерения различных параметров электрических цепей (R, L, С), величин функционально с ними связанных (частота f, фазовый угол tg j, добротность Q) и ряда неэлектрических величин – таких как температуры, давления, перемещений, усилий и др.

Применение: мосты широко используют для измерения сопротивления, индуктивности, емкости, добротности и угла потерь. На основе мостовых схем выпускают приборы для измерения неэлектрических величин (температуры, перемещений и др.) и различные устройства автоматики. Широкое применение мостов объясняется возможностью получения высокой точности результатов измерений, высокой чувствительности и возможностью измерения различных величин.

Рис. 2.26. Мост постоянного тока Р-333

Мост постоянного тока Р-ЗЗЗ (рис. 2.26) предназначен для:

· измерения электрического сопротивления по схеме одинарного моста;

· определения места повреждения кабеля посредством петли Варлея;

· определения места повреждения кабеля посредством петли Муррея;

· измерения асимметрии проводов;

· использования моста, как магазина сопротивлений.

Мосты предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от 10 до 35°С и относительной влажности воз­духа от 25 до 80%. Нормальная температура эксплуатации (20±5)°С при ра­боте моста в классе 0,5; от 10 до 35°С при работе моста в классе 1,0; 5,0.

Измерение сопротивления, индуктивности и емкости выполняется одинарными мостами на переменном токе (рис. 2.27).

Рис 2.27. Схема моста переменного тока

Четыре плеча ab, bc, cd и da моста переменного тока образуются четырьмя комплексными сопротивлениями Z₁= Z_х, Z₂, Z₃ и Z₄. В одну диагональ моста включается источник питания переменного тока, в другую – нулевой индикатор НИ. При равновесии моста ток в измерительной диагонали равен нулю и, следовательно, можно записать:

Z₁Z₃ = Z₂ Z₄, (2.33)

Представив комплексное сопротивление Z в (1.5) в алгебраической форме получим

(R₁ + jX₁) (R3 + jX₃) = (R₂ + jX₂) (R₄ + jX₄),

откуда

(2.34)

где R_i и X_i - активные и реактивные составляющие сопротивления Z.

Условие равновесия моста переменного тока можно записать в показательной форме:

(2.35)

Здесь z – модули комплексов, а j - аргументы. Далее получим:

откуда

(2.36)

Оба уравнения равновесия совершенно равносильны и обязательны для достижения равновесия моста.

Из (2.36) следует, что для уравновешивания моста с комплексными сопротивлениями необходима регулировка активной и реактивной составляющих.

Равенство фаз (2.36) указывает, какими по характеру должны быть сопротивления плеч моста, что бы обеспечить равновесие мостовой схемы.

Например, если сопротивления плеч Z₁ = R₁, Z₃ = R₃, т.е. носят чисто активный характер, то φ₁ = φ₃ = 0.

Тогда из (1.8) следует

φ₂ + φ₄ = 0 или φ₂ = ─ φ₄,

а это означает, что если сопротивление Z₂ индуктивного характера, т.е.

Z₂ = R₂ + jX₂, то сопротивление Z₄ должно носить емкостной характер, т.е. Z₄ = R₄ – jX₄ (рис. 2.28,а). Аналогично получаем схемы сравнения между собой реактивных сопротивлений, содержащих индуктивности (рис. 2.28,б) и емкости (рис 2.28,в).

Рис. 2.28. Схемы мостов с реактивными сопротивлениями

а) в противоположных; б) и в) в смежных плечах

Правильный выбор регулируемых элементов моста и питание моста напряжением повышенной частоты (1000Гц и выше) обеспечивает быстрое равновесие моста или его хорошую сходимость.

Сходимость мостов ─ это возможность достижения состояния равновесия определенным числом переходов от регулировки одного параметра к регулировке другого. Хорошая сходимость обозначает малое число операций и, следовательно, сокращение времени измерения.

Погрешность мостов переменного тока складывается из следующих составляющих: погрешности выполнения отдельных элементов мостовой схемы, погрешности подгонки элементов, погрешности от неполного учета активной и реактивной составляющих сопротивлений плеч моста, погрешности отсчётного устройства.

Чем выше частота питания схемы моста, тем в большей степени проявляются эти погрешности. Для их уменьшения мост переменного тока питают от сети переменного тока через разделительный трансформатор, заземляют для уменьшения влияния паразитных емкостей и токов утечек, уменьшают влияние сопротивления соединительных проводов.

Существуют четыре класса точности мостов переменного тока: 0,05; 0,02; 0,1; 0,2. Нулевым индикатором на низкой частоте в них служит вибрационный гальванометр. При частоте 1000 Гц и выше питание осуществляется от звуковых генераторов, в качестве индикатора равновесия используются электронные нулевые индикаторы.

Рис. 2.29. Мост переменного тока Р5083.

Мост переменного тока Р5083 (рис. 2.29) предназначен для автоматического измерения: емкости (С); индуктивности (L); активного сопротивления (R) (добротности Q_R); тангенса угла потерь (tg δ); -тангенса угла сдвига (tg φ) (добротности Qc и Q_L) объектов измерений; -процентных отклонений объектов измерений от заданного значения с представлением результатов измерений в цифровом виде.

Мост может быть использован при контроле электро- и радиотехнических изделий, научных исследованиях и измерении неэлектрических величин путем использования измерительных преобразователей.

Мост обеспечивает:

- автоматический выбор характера реактивности объекта измерений по критерию «превалирующий параметр»;

- четырех зажимное подключение объекта измерения;

- автоматический выбор схемы замещения;

- учет начальных параметров;

- усреднение результатов измерений;

- устранение влияний сетевых помех;

- измерение объектов удаленных на значительное расстояние от прибора;

- измерение с десятикратным уменьшением значения напряжения переменного тока, подаваемого на объект измерения;

- два режима измерения:

o разовый - для измерения неизвестных величин,

o следящий – для непрерывного измерения изменяющихся величин;

- два вида запуска:

o автоматический – с регулируемой в пределах от 0,1 до 99 с длительностью запуска;

o ручной;

- выполнение интерфейсных функций «Источник данных» (И), «Синхронизация передачи» (СИ), «Приемник данных» (П), «Синхронизация приема» (СП).

В качестве указателей равновесия в мостах переменного тока используются осциллографические индикаторы, вибрационные гальванометры, электронные нуль-индикаторы и др.

Важной характеристикой моста является его чувствительность. Под чувствительностью моста по току к изменению сопротивления понимают отношение отклонения Da указателя нулевого индикатора, вызванного изменением сопротивления какого-либо из плеч предварительно уравновешенного моста, к величине этого изменения DZ, т.е.

(2.37)

Практически чувствительность моста удобно характеризовать отношением Da к относительному изменению сопротивления, выраженному в процентах:

(2.38)

где S¢_M – чувствительность моста к относительному изменению сопротивления.