Мостовая схема: Мостовые схемы постоянного тока

Мостовые схемы постоянного тока

Мостовые схемы постоянного тока

Никакую книгу по электрическим измерениям нельзя было бы назвать полной без раздела о мостовых схемах. Эти гениальные схемы используют индикатор баланса для сравнения двух напряжений, точно так же как и лабораторные весы сравнивают две массы и указывают на то, что они равны. В отличие от «потенциометрических» схем, используемых для простого измерения неизвестного напряжения, мостовые схемы могут использоваться для измерения всех видов электрических величин, в том числе и сопротивлений.

Стандартная мостовая схема, часто называемая мостом Уитстона (Wheatstone bridge), изображена на рисунке 1.

Рис. 1.

Когда напряжение между точкой 1 и минусом батареи равно напряжению между точкой 2 и отрицательным выводом батареи, то индикатор баланса будет показывать ноль, и про такой мост говорят что он «сбалансирован». Состояние баланса моста полностью зависит от отношений R_a/R_b и R₁/R₂, и оно не зависит от напряжения питания. Для измерения сопротивлений с помощью моста Уитстона на место резисторов R_a или R_b устанавливается неизвестное сопротивление, в то время как остальные три резистора являются прецизионными и их номинал известен. Каждый из этих трёх резисторов может быть заменён сопротивлением другой величины или их номиналы могут быть скорректированы, что бы мост сбалансировался, и когда это произойдёт то величина сопротивления неизвестного резистора может быть определена из соотношения величин известных сопротивлений.

Для этого необходимо, что бы измерительная система имела набор переменных резисторов с точно известными значениями, которые могут служить эталонными стандартами. Например, если мост настроен на измерение сопротивления R_x (рисунок 2), то мы должны знать точное значение остальных трёх сопротивлений при сбалансированном мосте, что бы определить величину сопротивления R_x:

Рис. 2.

Каждое из четырёх сопротивлений в мостовой схеме называют плечом. Резистор, последовательно соединённый с неизвестным сопротивлением, R_x обычно называют реостатом моста (это будет сопротивление R_a на рисунке 2), а другие два сопротивления называют плечами отношений моста.

Точные и стабильные образцовые сопротивления к счастью, не сложно изготовить. В действительности они были одними из первых электрических «Стандартных» устройств, изготовленных в научных целях. На рисунке 3 приведена фотография старинного блока стандартных сопротивлений:

Рис. 3. Магазин образцовых сопротивлений

Стандарт сопротивлений, изображённый на рисунке 3, является переменным с дискретным шагом изменения сопротивления: величина сопротивления между клеммами может изменяться в зависимости от количества и положения медных вставок, вставленных в разъёмы.

Мосты Уитстона считаются превосходным средством измерения сопротивления среди схем различных омметров. Но в отличие от всех этих схем, являющихся нелинейными (и имеющих нелинейные шкалы), и связанные с этим погрешности измерений, мостовая схема является линейной (математика описания её работы основана на простых отношениях и пропорциях) и довольно точной.

Имея стандартные сопротивления достаточной точности и нуль-детектор с необходимой чувствительностью, достижимая точность измерения сопротивления может быть не хуже +-0,05% при использовании моста Уитстона. Это метод измерения сопротивления предпочитают использовать в калибровочных лабораториях из-за его высокой точности.

Существует много вариаций основной схемы моста Уитстона. Большинство мостов постоянного тока используются для измерения сопротивления, в то время как мосты переменного тока могут быть использованы для измерения различных электрических величин, таких как индуктивность, ёмкость и частота.

Интересным вариантом моста Уитстона является двойной мост Кельвина, используемый для измерения очень малых сопротивлений (обычно менее 1/10 Ома), его схема изображена на рисунке 4:

Рис. 4. Двойной мост Кельвина.
R_a и R_x являются низкоомными сопротивлениями.

Низкоомные резисторы на рисунке изображены толстой линией, так же как и проводники, соединяющие их с источником напряжения, обеспечивающим сильный ток. Принцип работы этого измерительного моста причудливой конфигурации, пожалуй, лучше всего понять, если начать объяснение принципа его работы со стандартного моста Уитстона, настроенного для измерения низкого сопротивления, этот мост развивался шаг за шагом до его нынешнего состояния в попытке преодолеть некоторые проблемы, возникшие в мосте Уитстона стандартной конфигурации.

Если бы мы использовали стандартный мост Уитстона для измерения небольших сопротивлений, то его схема бы выглядела примерно так (рисунок 5):

Рис. 5.

Когда нуль-детектор указывает нулевое напряжение, мы знаем, что мост сбалансирован и что соотношение R_a/R_x и R_M/R_N математически равны друг другу. Зная значения R_a, R_M, and R_N поэтому мы имеем все необходимые данные, чтобы найти величину Rx. Почти.

Имеется проблема в том, что соединения и соединительные провода между R_a и R_x обладают неким сопротивлением, и эти паразитные сопротивления могут быть существенными по сравнению с низким сопротивлением R_a и R_x.

Эти паразитные сопротивления понизят реальное напряжение, учитывая большой ток, протекающий через них, и таким образом будут влиять на показания детектора нуля и на баланс моста (Рисунок 6):

Рис. 6.
Паразитное напряжение E_пров. ухудшает точность измерения R_x.

Так как мы не хотим измерять сопротивление этих паразитных проводников и сопротивление соединений, а нас интересует только измерение сопротивления R_x, то надо найти такой способ включения нуль-детектора, что бы на его показания не влияли падения напряжений, протекающего через эти сопротивления. Если мы присоединим нуль-детектор и плечи отношений R_M/R_N напрямую к выводам R_a и R_x, то это приведёт нас к такой реализации измерительного моста (Рисунок 7):

Рис. 7.
Теперь только два паразитных падения напряжения E_пров. являются частями цепи нуль-детектора.

Теперь два крайних падения напряжения E_пров. не оказывают воздействия на нуль-детектор и не влияют на точность измерений сопротивления R_x. Но два оставшихся падения напряжений E_пров. являются проблемой, так как проводник, соединяющий нижний по схеме вывод R_a и верхний по схеме вывод R_x теперь шунтирует оба падения напряжения и по нему будет течь существенный ток, который создаст на этом проводнике своё падение напряжения.

Зная, что левая часть нуль-детектора должна быть подключена к двум крайним выводам сопротивлений R_a и R_x, что бы не вносить ошибки, связанные с паразитными падениями напряжения E_пров. в цепи нуль-детектора, и что любой прямой провод, соединяющий выводы этих сопротивлений R_a и R_x будет сам нести значительный ток и создавать ещё большее паразитное падение напряжения, то единственным способом преодолеть эту проблему является создание соединения, имеющее существенное сопротивление, между нижнем по схеме выводом R_a и верхнем по схеме выводом R_x (Рисунок 8):

Рис. 8.

Справится с паразитными падениями напряжений между выводами сопротивлений R_a R_x можно путём изменения сопротивления двух новых резисторов таким образом, что бы отношение их величин было бы таким же, как и отношение величин сопротивлений в плече отношений, находящихся по схеме с правой стороны от нуль-детектора. Вот почему эти резисторы были помечены R_m и R_n в оригинальной схеме двойного моста Кельвина: для обозначения их соразмерности с сопротивлениями R_M и R_N (Рисунок 9):

Рис. 9. Двойной мост Кельвина
Ra и Rx являются низкоомными сопротивлениями.

При отношении R_m/R_n равном отношению R_M/R_N, резистор в плече реостата R_a регулируется до тех пор, пока нуль-индикатор не покажет, что мост сбалансирован, и тогда можно будет сказать, что отношение R_a/R_x равно отношению R_M/R_N, или просто найти R_x из следующего уравнения:

Полное уравнение баланса двойного моста Кельвина выглядит следующим образом (R_пров. — это сопротивление толстых соединительных проводов между низкоомным образцовым сопротивлением R_a и испытуемым сопротивлением R_x):

До тех пор пока соотношение между R_M и R_N равно отношению между R_m и R_n, уравнение баланса будет не сложнее чем у обычного моста Уитстона, при R_x/R_a равном R_N/R_M, так как последнее выражение в уравнении будет равно нулю, так что будет отсутствовать влияние всех сопротивлений, кроме R_x, R_a, R_M, и R_N.

Во многих двойных мостовых схемах Кельвина R_M=R_m и R_N=R_n. Однако чем меньше значения сопротивлений R_m и R_n, тем более чувствительным должен быть нуль-детектор, потому что там будет меньше последовательное сопротивление. Увеличение чувствительности детектора является полезным, так как оно позволит обнаруживать слабые дисбалансы, и таким образом мост можно будет сбалансировать с большой точностью. Таким образом некоторые высокоточные двойные мосты Кельвина используют сопротивления R_m и R_n со значениями в 100 раз меньше, чем значения сопротивлений R_M и R_N в другом плече. К сожалению, однако, чем ниже значения сопротивлений R_m и R_n, тем больший ток по ним будет течь, что увеличит влияние любого сопротивления в точке подключения R_m и R_n к R_a и R_x. Как вы можете видеть, высокая точность инструмента требует, чтобы учитывались все ошибки различных факторов, и часто лучшее, что может быть достигнуто является компромиссом минимизации двух или более различных видов ошибок.

• ИТОГ:
• Мостовые схемы используют чувствительный индикатор нуля для сравнения двух напряжений на их равенство.
• Мост Уитстона (Wheatstone bridge) может быть использован для измерения сопротивлений путём сравнения сопротивления неизвестного номинала и образцового сопротивления с известной величиной, так же как с помощью лабораторных весов измеряют неизвестный вес путём сравнения его со стандартными грузами.
• Двойной мост Кельвина является вариантом моста Уитстона для измерения очень малых сопротивлений. Его усложнение по сравнению с базовой схемой моста Уитстона является необходимым для избежания ошибок, вносимых паразитными сопротивлениями на пути тока между низкоомным образцовым сопротивлением и сопротивлением, величина которого измеряется.

BACK

Мостовые схемы переменного тока: ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Мосты переменного тока

Как мы видели из схем постоянного тока, схемы, известные как мостовые могут быть очень полезны при изменении сопротивлений. Это так же верно и для схем переменного тока, и те же самые принципы могут быть применены для точных измерений неизвестных импедансов.

Напомним, что мостовые схемы работают как пара двухкомпонентных делителей напряжения подсоединённых параллельно к источнику напряжения, индикатор нулевого сигнала включён в диагональ моста для определения «баланса» при нулевом сигнале (Рисунок внизу)

Сбалансированный мост показывает «ноль», или минимальное значение, на индикаторе.

Любой из четырёх резисторов на верхнем рисунке может быть резистором с неизвестным сопротивлением, и его значение может быть определено из пропорции с другими тремя резисторами, которые «калиброваны» или их сопротивления известны с высокой точностью. Когда мост находится в условиях баланса (индикатор показывает нулевой сигнал), отношение определяется как:

Условия баланса.

Одним из преимуществ использования мостовой схемы для измерения сопротивлений является то, что напряжение источника питания не влияет на измерения. Практически, чем выше напряжение питания, тем легче обнаружить дисбаланс между четыремя резисторами с помощью индикатора нулевого сигнала, и таким образом повышается чувствительность схемы. Большее напряжение питания ведёт к увеличению точности измерений. Однако из-за уменьшения или увеличения напряжения питания не вносится фундаментальных ошибок в отличии от других схем измерения сопротивлений.

Импедансные мосты работают так же, только уравнение баланса определяется комплексными числами, и амплитуда, и фаза сигналов на диагонали моста должны быть равные, что бы детектор показал «нуль». Детектор нуля, конечно, должен быть устройством, способным обнаруживать очень слабый сигнал переменного тока. Для этого часто используют осциллограф, хотя здесь мог бы использоваться очень чувствительный электромеханический прибор и даже наушники, если частота сигнала лежит в звуковом диапазоне.

Один из способов увеличить эффективность наушников как детектора нуля — подсоединить их к источнику сигнала через согласующий трансформатор. Обычно наушники имеют низкое сопротивление (8 Ω), требующее существенного тока для работы, и такой понижающий трансформатор помогает «согласовать» слаботочный сигнал с сопротивлением наушников. Для этих целей хорошо подходит выходной трансформатор от аудио аппаратуры. (Рисунок внизу)

Детектор нуля для мостов переменного тока на основе наушников.
«Современные» низкоомные головные телефоны требуют согласующий трансформатор при использовании их в качестве чувствительного детектора нулевого сигнала.

Используя пару головных телефонов, полностью закрывающих уши, я мог обнаруживать сигналы с током менее 0. 1 µA с этим простым детектором. Похожие результаты были получены с использованием двух понижающих трансформаторов: небольшого силового трансформатора (120В/6В), и аудио выходного трансформатора (с отношением сопротивлений обмоток 1000:8 Ом). С кнопочным выключателем для прерывания тока эта схема пригодна для обнаружения сигналов в диапазоне от постоянного тока до частот более 2 мГц: даже если частота гораздо больше или меньше звукового диапазона, в наушниках будут слышны щелчки каждый раз при нажатии или отпускании кнопки.

Соединённая в резистивный мост, полная схема изображена на нижнем рисунок.

Мост переменного тока с чувствительным детектором нуля.

Слушая сигнал в наушниках в то время как один или более резисторов в «плечах» моста отрегулированы, ожидают наступления баланса тогда, когда в наушниках перестанут быть слышны щелчки (или звуковой сигнал, если частота источника сигнала лежит в звуковом диапазоне).

Когда описывают общие мосты переменного тока, где импеданс, а не только сопротивления должны иметь правильные соотношения для выполнения условий баланса, иногда бывает полезно рисовать соответствующие узлы моста в виде квадратов, каждый из которых имеет определённый импеданс: (Рисунок внизу)

Обобщённый мост переменного тока: Z = общий комплексный импеданс.

Для этого обобщённого моста переменного тока выполнение условий баланса должно происходить в том случае, когда отношение импедансов каждой ветви равно:

Снова должно быть подчёркнуто, что импеданс в этом уравнении должен быть комплексный, рассчитанный для как для амплитуды, так и для фазы. Недостаточно, что бы мост был сбалансирован только по амплитуде сигнала; без балансировки фазы на выводах детектора нуля будет присутствовать напряжение, и мост не будет сбалансирован.

Мостовые схемы могут быть сконструированы для измерений почти любых параметров — ёмкости, индуктивности, сопротивления и даже добротности. Как и всегда в мостовых измерительных схемах, неизвестное значение всегда «балансируется» по известному стандарту, полученному из высококачественного, калиброванного компонента, значение с которого считывается при индикации на детекторе нуля баланса. В зависимости от того, как устроен мост, значение неизвестного компонента может быть получено с калиброванного элемента как напрямую, так и рассчитано по формуле.

Несколько простых мостовых схем показано ниже, одна для измерения индуктивности (Рисунок внизу), другая — для измерения ёмкости (Рисунок внизу):

Симметричный мост измеряет неизвестную индуктивность путём сравнения её со стандартной.

Симметричный мост измеряет неизвестную ёмкость путём сравнения её со стандартной.

Простые «симметричные» мосты, такие как эти названы так потому что они выглядят симметрично (зеркальная симметрия) слева направо. Две мостовые схемы, показанные вверху балансируются путём регулирования калиброванных реактивных элементов (L_s или C_s). Они немного упрощены по сравнению с их реальными схемами, например, на практике мост имеет калиброванный переменный резистор, соединённый последовательно или параллельно с реактивным компонентом для балансирования побочного сопротивления в измеряемом элементе. Но в гипотетическом мире совершенных компонент эти простые мостовые схемы прекрасно подходят для иллюстрации основной концепции.

Пример схемы с небольшим усложнением, добавленным для компенсации реальных неидеальностей может быть найден в так называемом Мосте Вина (Wien bridge), который использует параллельно соединённые стандартные конденсатор и резистор для балансировки неизвестного последовательного внутреннего сопротивления измеряемого конденсатора. (Рисунок внизу). Все конденсаторы имеют некоторое внутреннее сопротивление, активное или эквивалентное (из-за потерь в диэлектрике), которое портит их совершенную реактивную природу. Определение внутреннего сопротивления может являться интересным для измерений, так что мост Вина даёт это сделать путём балансирования составного импеданса:

Мост Вина измеряет ёмкость C_x и сопротивление R_x «реального» конденсатора.

Из-за того, что необходимо регулировать два компонента (резистор и конденсатор), этот мост требует чуть больше времени для балансировки, чем ранее рассмотренные. Комбинированный эффект от R_s и C_s выражается в том, что необходимо регулировать амплитуду и фазу до тех пор, пока мост не сбалансируется. Сбалансировав мост, значения R_s и C_s могут быть считаны с их калиброванных шкал, параллельный импеданс вычисляется математически, и неизвестные ёмкость и сопротивление вычисляются из уравнения баланса (Z₁/Z₂ = Z₃/Z₄).

При работе с мостом Вина предполагается, что стандартный конденсатор имеет пренебрежительно малое внутреннее сопротивление, или хотя бы это сопротивление известно, так что его значение можно использовать в уравнении баланса моста. Мосты Вина полезны для определения тока утечки электролитических конденсаторов, в которых внутреннее сопротивление относительно велико. Они так же могут быть использованы как частотомеры, так как балансировка моста зависит от частоты. В этом случае конденсатор используется постоянный, верхние по схеме два резистора — переменные и их настройка производится одной ручкой (т.е. резисторы — сдвоенные).

Интересная вариация этой темы находится в следующей мостовой схеме, используемой для точного измерения индуктивностей.

Мост Максвелла — Вина измеряет индуктивность по ёмкостному стандарту.

Эта остроумная мостовая схема известна как мост Максвелла — Вина (иногда её называют мост Максвелла ), она используется для измерения неизвестных индуктивностей с помощью калиброванных резистора и конденсатора (Рисунок вверху). Калиброванные катушки гораздо труднее производить, чем конденсаторы такой же точности, и таким образом применение «симметричного» индуктивного моста не всегда оправдано. Из-за того, что сдвиги фаз на индуктивностях и ёмкостях в точности противоположны друг другу, ёмкостный импеданс может скомпенсировать индуктивный импеданс, если они находятся в противоположных плечах моста, как в данном случае.

Другим преимуществом моста Максвелла для измерения индуктивностей по сравнению с симметричным мостом является то, что устраняются ошибки измерения из-за взаимодействия между двумя индуктивностями. Магнитные поля бывает трудно экранировать, и даже небольшая связь между катушками в мосте может вызвать при некоторых условиях существенные ошибки. Без второй индуктивности в мосте Максвелла эта проблема устраняется.

Для облегчения регулировок, стандартный конденсатор (C_s) и резистор, соединённый с ним в параллель (R_s) сделаны переменными, и они оба должны быть отрегулированы для получения баланса. Однако мост может быть сбалансирован и в том случае, если используется конденсатор постоянной ёмкости и более чем один резистор сделан переменным. Но в этом случае мост сбалансировать гораздо труднее, так как разные переменные резисторы взаимодействуют при балансировки амплитуды и фазы.

В отличии от чистого моста Вина, баланс моста Максвелла-Вина независим от частоты источника питающего сигнала, и в некоторых случаях этот мост может быть сбалансирован при наличии смеси частот в источнике питания переменного тока, при этом ограничивающим фактором является стабильность индуктивности в широком диапазоне частот.

Существует большое количество подобных схем, но их обсуждение здесь неуместно. Выпускаемые импедансные мосты общего назначения могут иметь более одной конфигурации для максимальной гибкости в использовании.

Потенциальной проблемой в чувствительных мостах переменного тока является паразитная ёмкость между выводами детектора нуля и землёй. Так как ёмкость может проводить переменный ток, заряжаясь и разряжаясь, то образовываются паразитные токи, которые проходят к источнику питания, что может влиять на баланс моста: (Рисунок внизу)

Паразитная ёмкость с землёй может быть причиной ошибки в мосте.

Существующие измерители частоты язычкового типа не точны, но точны их принципы работы. Вместо механического резонанса мы можем использовать электрический резонанс и сконструировать частотомер, используя индуктивность и ёмкость, соединённые в колебательный контур (индуктивность и ёмкость соединены параллельно). Один или более компонентов сделаны регулируемыми, и измеритель установлен в схему для индикации максимального напряжения, проходящего через эти два компонента. Ручки настройки калиброваны, что бы показывать резонансную частоту при любых заданных настройках, и частота считывается с них после регулировки по максимальному отклонению индикатора. По существу это настраиваемая фильтровая схема, которая регулируется и затем показания считываются похожим образом как и у мостовой схемы (которую мы балансируем по «нулевому» сигналу и затем считываем показания). Проблема усугубляется, если источник переменного тока хорошо заземлён на одном конце, то общее сопротивление токов утечки становится гораздо меньше, и любые токи утечки через эти паразитные ёмкости в результате возрастают: (Рисунок внизу)

Ошибки из-за паразитной ёмкости более сильны, если один вывод источника переменного тока заземлён.

Один из способов существенного понижения этого эффекта — держать детектор нуля под потенциалом земли, что бы между ним и землёй не образовывалось токов через ёмкости утечки. Однако напрямую соединить детектор нуля с землёй невозможно, так как это создаст прямой путь токам утечки, что станет ещё хуже ёмкостных токов утечек. Вместо этого может быть использован схема делителя напряжения, называемая землёй Вагнера или заземлением Вагнера, которая поддерживает детектор нуля на уровне потенциала земли и которой не нужно прямое соединения с ним. (Рисунок внизу)

Земля Вагнера для источника питания переменного тока минимизирует влияние паразитных ёмкостей на землю.

Схема земли Вагнера не более чем делитель напряжения, созданный для получения отношений напряжения и сдвига фазы такими же, как и на каждой стороне моста. Из-за того, что средняя точка делителя Вагнера напрямую заземлена, любые другие схемы делителей (включая каждую сторону моста) имеют те же самые отношения напряжений и фаз, что и делитель Вагнера и питаются от общего источника переменного тока, и все они находятся под потенциалом земли. Таким образом, делитель Вагнера вынуждает детектор нуля находиться вблизи потенциала земли, без прямого соединения между детектором и землёй.

Часто возникает необходимость в проверке режима правильности настройки схемы земли Вагнера. Для этого используется двухпозиционный переключатель (Рисунок внизу), соединённый так что один вывод детектора нуля может быть подключён как к мосту, так и к земле Вагнера. Когда детектор нуля фиксирует нулевой сигнал в обоих положениях переключателя, то мост не только гарантированно сбалансирован, но и детектор нуля гарантированно находится под нулевым потенциалом, что устраняет ошибки, возникающие из-за токов утечки через ёмкости детектор нуля — земля:

Переключение в верхнее по схеме положении даёт возможность настроить землю Вагнера.

• ИТОГ:
• Мосты переменного тока работают на тех же самых принципах, что и мосты постоянного тока: пропорциональное отношение импедансов (в отличии от сопротивлений в мостах постоянного тока) создаст условие баланса, индицируемое детектором нуля.
• Детекторами нуля для мостов переменного тока могут служить чувствительные электромагнитные индикаторы, осциллографы, наушники (с усилителями или без), или любое другое устройство, способное зарегистрировать очень слабый сигнал. Как и детекторы нуля для мостов постоянного тока, эти детекторы требуют только точной калибровки в нуле шкалы.
• Мосты переменного тока могут быть «симметричного» типа, где неизвестный импеданс уравновешивается соответствующим (индуктивным или ёмкостным) стандартным импедансом на той же стороне моста (внизу или вверху). Или же они могут быть «несимметричного типа», используя параллельные импедансы для уравновешивания последовательно соединённых импедансов, и кроме того ёмкости могут уравновешивать индуктивности.
• Мостовые схемы переменного токи имеют более чем один орган настройки, так как для условий баланса должны совпасть и амплитуда, и фаза сигнала.
• Одни импедансные мосты частотно-зависимые, другие — нет. Частотно-зависимые мосты могут быть использованы в качестве частотомеров, если значения всех их компонентов точно известно.
• Земля Вагнера или заземление Вагнера — это делитель напряжения, добавляемый к мостам переменного тока для снижения ошибок, возникающих из-за паразитных ёмкостей между детектором нуля и землёй.

BACK

Мостовая схема — Справочник химика 21

    Принцип действия вакуумметра теплового типа заключается в следующем (рис. 2.12) баллон 3 с проходящей по его оси тонкой токопроводящей нитью 2 подключен к системе, в которой измеряется давление Р. Нить 2 является одним из плечей мостовой схемы. При подаче напряжения от источника тока 1, нить нагревается до определенной температуры, измеряемой гальванометром Г, включенным в диагональ моста. [c.36]









    Практически эти зависимости гораздо сложнее вследствие влияния многих факторов. Поэтому разработчики влагомеров реализуют функции преобразования, полученные экспериментальным путем. Поточный влагомер состоит из измерительного преобразователя (ИП) и электронного преобразователя (блока). ИП — емкостный преобразователь, в котором между двумя электродами протекает нефть (эмульсия), и емкость его зависит от содержания воды. Обычно используют коаксиальные емкостные преобразователи, в которых потенциальный электрод выполнен в виде стержня, а нулевым электродом служит трубопровод (корпус). Стержень покрывается изоляционным материалом (например, фторопластом), который одновременно предотвращает отложения парафина и других осадков. ДП измеряют нулевыми (на частотах до 50 МГц) или резонансными (на частотах до сотен МГц) методами. Нулевые методы реализуют с помощью мостовых схем. Среди резонансных методов различают  [c.59]

    ВЫВОД к внешней мостовой схеме 7 — блок детектора 3 — чувствительный элемент детектора [c.42]

    По выходе из колонки газ-носитель вместе с выделенными компонентами поступает в измерительную камеру 9. Поступление газа-носителя в камеру вместе с компонентами смеси приводит к нарушению равновесия мостовой схемы вследствие разности теплопроводностей сред в стандартной и измерительной камерах. В этот момент стрелка регистратора вычерчивает на диаграммной бумаге пик. [c.848]

    Момент трения при испытании измеряют при помощи индуктивных датчиков, которые включают по мостовой схеме с повышающими трансформаторами. С потенциометра, включенного последовательно с прибором УМ, снимается сигнал на самописец ЭПП-09. [c.87]

    В отчете представляют мостовую схему измерения сопротивления, рисунок кондуктометрической ячейки, графики а = [(с), я = = /(с), Х = /(с). Результаты экспериментов и расчетов заносят в таблицу по форме  [c.65]

    Поскольку абсолютное измерение теплопроводности затруднено, применяют мостовую схему Уитстона (см. рис. 11.21). Она содер-жиг два нагревательных элемента и / 2, вмонтированных в катарометр, и два одинаковых проволочных сопротивления / з и На. [c.53]

    Действие прибора основано на методе уравновешивания мостовой схемы, образованной измеряемым сопротивлением столба [c.190]

    Измерение электрической проводимости электролитов — кондуктометрия — широко применяется в лабораторной практике. Для измерения сопротивления электролитов применяется мостовая схема Уинстона. По экспериментальным данным рассчитывается значение удельной и эквивалентной электрической проводимости электролитов. [c.465]

    В отчете приводят мостовую схему измерения сопротивления и рисунок кондуктометрической ячейки.  [c.62]

    РИС. 20. Схема установки для измерения электропроводности растворов (а) и принцип действия мостовой схемы (б)  [c.79]

    Тензочувствительный элемент состоит из четырех резисторов растяжения / р1— р4 и четырех резисторов сжатия / с1— 4, включенных в мостовую схему и выполненных с постоянным натягом в месте деформации упругого элемента. Под воздействием перепада давлений мембрана прогибается, что вызывает перераспределение усилий в чувствительном элементе, изменение его электрического сопротивления и тем самым разбалансировку моста. Компенсационные резисторы обеспечивают постоянство характеристик датчика при изменении температуры окружающей среды от 20 до 50°С. К одной из диагоналей моста подводится напряжение питания 3,5 В от источника постоянного тока I. [c.28]

    Величину этой электроемкости и ее изменения, обусловленные пульсациями бст, можно измерять и регистрировать различного типа мостовыми схемами. [c. 81]

    Мост, плечи которого имеют сопротивления и Ко, не дает достаточной чувствительности и точности при измерении импеданса в широком диапазоне частот. Для измерений в диапазоне от 30 гц до Ъ мгц общепринятой является мостовая схема Коле 1[ Гросс (1949), плечи которой содержат индуктивности. [c.322]

    КИСЛОТЫ, равной применяемой в рабочем электролите (значение потенциала используемого электрода указывает преподаватель). По количеству прореагировавшего на электродах вещества, пропущенного электричества и значению измеренного напряжения на ванне определяют катодный и анодный выход по току (из расчета разряда и образования двухвалентных ионов меди) и удельный расход электроэнергии (см. приложение IV). Измеряют электрическую проводимость используемых электролитов, применяя мостовую схему (Р-510), и затем рассчитывают падение напряжения в электролите. Опыты проводят с электролитами, номера которых указывает преподаватель. Составы приведены в табл. 19. 1. Продолжительность электролиза во всех опытах не менее 2 ч. [c.124]

    Нарисуйте мостовую схему для измерения сопротивления растворов. Приведите уравнение баланса моста. [c.63]

    При увеличении проводимости анализируемого раствора амплитуда колебаний в контуре уменьшается. Это вызывает рост потенциала сетки лампы генератора по отношению к потенциалу ее катода, а стало быть к относительно линии нулевого потенциала. Возрастание потенциала сетки Л фиксируется ламповым вольтметром Ло, собранным по мостовой схеме. Первым и вторым плечом этого моста являются внутренние сопротивления левой и правой половин двойного тр1юда Лг двумя другими плеча.мн служат катодные нагрузки Rr, н Rr,. [c.136]

    Измерение емкости производится по мостовой схеме (рис. 51). На диагональ ВД моста подается напряжение от генератора высокой (465 кгц) частоты Г. С диагонали А Б напряжение снимается через усилитель У. При балансе схемы напряжение между точками АБ равно нулю. Это напряжение подается на сетку измерительной. электронной лампы, что обеспечивает максимальный анодный ток, а следовательно, и максимальное отклонение стрелки прибора. При наличии напряжения между точками А Б (отсутствие баланса схемы) отклонение стрелки прибора уменьшится. Следовательно, для получения баланса схемы необходимо добиваться максимального отклонения стрелки прибора. Изменение в балансе схемы производится конденсатором переменной емкости С, обеспечиваюш,им линейную зависимость изменения емкости от угла поворота подвижных пластин конденсатора. Это обеспечивает равномерность шкалы прибора. [c.95]

    Сосуд с раствором для измерения проводимости образует одно плечо мостовой схемы с сопротивлением Постоянное сопротивление К, образует другое плечо калиброванная проволока аЬ с движком с образует третье Кг и четвертое Лз плечи моста. При замыкании цепи напряжение источника тока 6 подводится к точкам а и В точке промежуточное значение по сравнению с потенциалами в точках а и На ветви моста / 2 — / з должна быть точка с таким же потенциалом, как и в точке с1. точку легко найти перемещением контакта с до тех пор, пока стрелка гальванометра не установится на нуль в этот момент потенциалы точек и с одинаковы. При этом отношение К[/Ях равно отношению [c.220]

    В основу прибора положена трансформаторная мостовая схема с тесной индуктивной связью, обеспечивающая раздельный отсчет по емкости и тангенсу угла потерь. [c.147]

    На рис. 20 представлена электрическая схема катарометра. Принцип его работы основан на зависимости теплоотдачи нити, находящейся в камере, которая содержит определенную газовую смесь, от состава этой смеси. При заданном токе, проходящем через чувствительные элементы, и при протекании через обе ячейки только газа-носителя устанавливается тепловое равновесие каждой ячейки. При этом мостовая схема балансируется и в измерительной диагонали моста отсутствует напряжение. Самописец фиксирует нулевую линию. [c.247]

    Если мост в начале работы сбалансирован сопротивлением Нъ при продувании через обе ячейки газа-носителя, а затем к газу-носителю, выходящему из хроматографической колонки, подмешивают какой-либо компонент, имеющий другую теплопроводность, то в мостовой схеме возникает разность потенциалов между клеммами А -а Б, обусловленная различием сопротивлений нагревательных элементов в сравнительной и измерительной ячейках. Эта разность потенциалов записывается самопишущим потенциометром. [c.54]

    С целью устранения наводок монтаж всей схемы выполняют коаксиальным кабелем с заземленным экраном. Наиболее эффективная защита от наводок обеспечивается при полностью независимом от других установок заземлении мостовой схемы. Рекомендуется также вы- [c.172]

    При прохождении газа-носителя через обе камеры условия теплопередачи от термисторов к стенкам камеры почти одинаковы, В это время устанавливается баланс мостовой схемы и нулевое положение каретки с пером регистратора. Как только в измерительную камеру начнут поступааь компоненты анализируемой смеси, теплопроводность которой отличается от теплопроводности чистого газа-носителя, изменится температура термистора измерительной камеры соответственно его сопротивлению, из-за чего нарушится баланс моста. Прохождение через детектор анализируемой смеси записывает регистратор в виде пика, площадь или высота которого пропорциональны концентрации компонентов. Выводы тер- [c.165]

    Величина v. для растворов электролитов может измеряться с высокой степенью точности при помощи мостовых схем, питаемых переменным током. [c.144]

    Е8-1. Прибор Е8-1 предназначен для измерения межэлектродных емкостей. На приборе можно измерять емкости в пределах от 10 до 50 пФ (1 пФ = 10 2 Ф). Прибор имеет пять поддиапазонов. Пределы измерения емкости от Ю » до 5-10 3 пФ первый поддиапазон (X 0,0001), второй поддиапазон (Х0,001) от 5-10-з до 5-10 пФ, третий поддиапазон (Х0,01) от 5-10 2 до 5-10- пФ, четвертый поддиапазон (ХОД) от 0,5 до 5,0 пФ и пятый поддиапазон (Х1) от 5,0 до 50 пФ. Погрешность измерения возрастает с уменьшением измеряемой емкости. Она составляет от 0,0001 до 0,001 пФ 5%, от 0,001 до 0,1 пФ 2%, от 0,1 до 50 пФ 1%. Частота тока генератора 465 кГц 27о. Измерение емкости производится по мостовой схеме (рис. 42). В диагональ ВД моста подается напряжение от генератора Г высокой частоты 465 кГц. С диагонали АБ напряжение снимается через усилитель переменного тока У. При балансе схемы напряжение между точками АБ равно нулю. Это напряжение подается на сетку измерительной электронной лампы, что обеспечивает максимальный анодный ток, а следовательно, и максимальное отклонение стрелки прибора. При наличии напряжения между точками АБ отклонение стрелки прибора уменьшается. Следовательно, для получения баланса схемы необходимо добиваться максимального отклонения стрелки прибора. Изменение в балансе схемы производится конденсатором переменной емкости С, обеспечивающим линейную зависимость емкости от угла поворота подвижных пластин конденсатора, связанного с равномерной шкалой прибора. В два плеча схемы включены конденсатор измеряемой емкости Сх и эталонный конденсатор Со. В два других плеча включены сопротивления и и конденсатор переменной емкости С. [c.91]

    При измерениях электрической проводимости раствора электролита в термостатированную ячейку налить 50 мл исследуемого раствора. Погрузить платиновые электроды и выдержать раствор при температуре опыта в течение 10 мин. Электроды присоединить к мостовой схеме и приступить к измерению. Известные сопротив- [c.283]

    Электропроводность электролитов обычно определяется при помощи мостовой схемы, используемой для измерения сопротивления проводников I рода. В случае растворов электролитов применяют мосты, работающие на переменном токе, пак как прохождение постоянного тока через растворы приводит к значительным ошибкам, связанным с явлениями электролиза и поляризации (изменение состава ])аствора вблизи электродов, изменение состояния электродов, налолэлектродной поляризации на подаваемое папряженне н т. д.). Необходимость применения переменного тока достаточно высокой частоты (для избежания указанных ошибок) усложняет измерительную схему. Кроме моста она содержит генератор неременного тока, а также специальные устройства для выпрямления тока перед прохождением его через нуль-инструмеи и для компенсации емкостных эффектов. Современные установки по измерению электропроводности электролитов, и которых учтены все особенности проводников II рода, позволяют получать надежные результаты.  [c.106]

    Нефелометрический метод, основанный на сравнении прозрачности обводненного и обезвоженного эталонного масла, применим при равномерном диспергировании воды в масле, так как в противном случае возможны искажения вследствие неодинакового светорассеяния из-за полидисперсности микрокапель воды. Поэтому в приборах, основанных на указанном принципе, имеется эмульгатор для создания монодисперсной эмульсии воды в масле. Измерения проводят при помощи фотоэлементов, собранных по мостовой схеме сила тока пропорциональ на разности освещенностей рабочей и эталонной камер [c.38]

    Об автоматическом регулировании остаточного давления в областях среднего и высокого вакуума в литературе имеется сравнительно мало сведений. При использовании вакуумметров, основанных на принципе измерения теплопроводности газа, Лапорт [49] рекомендует подключить к мостовой схеме Пирани сигнальное устройство, которое дает звуковой сигнал при увеличении давления выше заданного предела. Нисбет [54 ] описал прибор, позволяющий поддерживать в сосуде, продуваемом воздухом, постоянное давление 10″ мм рт. ст. Мельпольдер [55] описал регулятор давления, обеспечивающий в интервале от 10″ до 10″ мм рт. ст. точность регулирования, равную 10″ мм рт. ст. Схема данного регулятора приведена на рис. 384. Принцип его работы заключается во введении в манометр Мак-Леода четырех впаянных контактов 9—12. С помощью устройства 13 в манометре Мак-Леода каждую минуту поднимают уровень ртути. Регулирование давления осуществляется с помощью контактов 9 и При уменьшешш-давления в системе ниже заданного контакт 10 замыкается, при этом он через реле 5 и 2 закрывает электромагнитный клапан 5. Этот клапан размещен на штуцере 4, соединяющем систему с ваку-умным насосом. Вакуумированный аппарат подсоединяют к шту- [c.451]

    В стрелоподдерживающих системах кранов установлены тарированные вставки с тензо-метричсскими датчиками, соединенными в мостовую схему. [c.153]

    Температуру измеряют терми-сторным элементом с малой тепловой инерцией. Ячейки пред- ставляют собой короткие цилиндрические трубки, являющиеся как бы продолжением хроматографической колонки и заполненные адсорбентом. Термисторы располагаются на самом конце ячейки и включаются в мостовую схему. Разбаланс моста вызывается адсорбцией вымываемого из колонки вещества в измерительной ячейке. [c.93]

    Принципиальная схема прибора изображена на рис. XIII. 12. Световые лучи от лампы Л попадают на зеркала З1 и З2. Отразившись от них, они проходят сквозь светофильтры С1 и Сг, кюветы А1 и Аг, диафрагмы Д1 и Да и попадают на фотоэлементы Ф1 и Фг. Фотоэлементы соединены с гальванометром Г по мостовой схеме. При равенстве интенсивностей падающих на фотоэлементы световых пучков стрелка гальванометра стоит на нуле. Вращая барабан (на схеме не изображенный), изменяют ширину щели диафрагмы и тем самым — величину светового потока, падающего на фотоэлемент. [c.177]

    После этого фиксируют механизм стопорным винтом. В режиме периодической развертки осциллографа подбирают временные характеристики последнего. Переводят осциллограф в режим ждущей развертки. После этого нажимают на спусковой рычаг пружинного толкателя. На основании серии пробных опытов с визуальным контролем уточняют режим работы осциллографа. Затем снимают шприцы, заполняют их растворами и вновь устанавливают на блоке смесителя. Присоединяют тремостатирующие блоки, соединенные с водяным термостатом. После установления температуры (контролируется с помощью микротермистора ММТ-54 и мостовой схемы) производят серию кинетических опытов, как описано аь1ше, с фотографической регистрацией кинетических кривых. Обработку кривых ведут с помощью диапроектора. [c.268]

    Регистрируя с помощью мостовой схемы (ем. гл. XIV) изменение сопротивления термистора, можно судить об измененни температуры среды. В этом случае необходима предварительная градуировка термистора. [c.389]

    На установках типа электролитического рафинировавия меди необходима текущая проверка возникновения коротких замыканий между электродами в ваннах. Ванны собраны в блоки, 2 блока образуют серию (см. рис. 98). Напряжение на серии, в завиоимости от числа ванн, в нее включенных, равно 3—4 в. Представим себе мостовую схему, одним из плеч которых будет сопротивление, питаемое током с неизменным напряжением [c.609]

    Тоскольку абсолютное измерение теплопроводности затруднено, то применяют мостовую схему Уитстона (рис. 20). Она содержит два нагревательных элемента и вмонтированные в катарометр, и два одинаковых проволоч-ньц сопротивления и R . Если мост в начале работы сбалансирован сопротивлением при продувании через обе ячейки газа-носителя, а затем к газу-носителю, выходящему из хроматографической колонки, подмешивают какой-либо компонент, имеющий другую теплопроводность, то в мостовой схеме возникает разность потенциалов между клеммами Л и Б, обусловленная различием сопротивлений нагревательных элементов в сравнительной и измерительной ячейках. Эту разность потенциалов записывают самопишущим потенциометром. [c. 35]

Мостовые схемы — измерительные цепи постоянного тока

Схемы мостов

Глава 8 — Цепи измерения постоянного тока

Никакой текст по электрическому измерению не может быть назван полным без секции мостовых схем. Эти гениальные схемы используют счетчик нулевого баланса для сравнения двух напряжений, так же как и шкала лабораторного баланса сравнивает два веса и указывает, когда они равны. В отличие от схемы «потенциометра», используемой для простого измерения неизвестного напряжения, мостовые схемы могут использоваться для измерения всех видов электрических величин, не последним из которых является сопротивление.

Стандартная схема моста, часто называемая мостом Уитстона, выглядит примерно так:

Когда напряжение между точкой 1 и отрицательной стороной батареи равно напряжению между точкой 2 и отрицательной стороной батареи, нулевой детектор будет указывать нуль, а мост считается «сбалансированным». Состояние моста баланс зависит исключительно от отношений R _a / R _b и R ₁ / R ₂ и совершенно не зависит от напряжения питания (батареи). Для измерения сопротивления с мостом Уитстона на месте R _a или R _b подключается неизвестное сопротивление, а остальные три резистора — это устройства с точной точностью. Любой из трех других резисторов можно заменить или отрегулировать до тех пор, пока мост не будет сбалансирован, и когда баланс достигнут, неизвестное значение резистора можно определить из отношений известных сопротивлений.

Требование, чтобы это была измерительная система, состоит в том, чтобы иметь набор переменных резисторов, чьи сопротивления точно известны, чтобы служить в качестве эталонных стандартов. Например, если мы подключаем мостовую схему для измерения неизвестного сопротивления R _x, нам нужно будет знать точные значения остальных трех резисторов на балансе, чтобы определить значение R _x :

Каждое из четырех сопротивлений в мостовой схеме называется оружием . Резистор последовательно с неизвестным сопротивлением R _x (это было бы R _a в приведенной выше схеме) обычно называют реостатом моста, в то время как два других резистора называются рычагами отношения моста.

К счастью, точные и стабильные стандарты сопротивления не так сложны. Фактически, это были некоторые из первых электрических «стандартных» устройств, предназначенных для научных целей. Вот фотография античного стандарта:

Этот стандарт сопротивления, показанный здесь, является переменным в дискретных шагах: количество сопротивления между соединительными клеммами может варьироваться в зависимости от количества и схемы съемных медных пробок, вставленных в гнезда.

Мосты Уитстона считаются превосходным средством измерения сопротивления в цепи счетчика-резистора батареи, обсуждаемой в последнем разделе. В отличие от этой схемы, со всеми ее нелинейностями (нелинейной шкалой) и связанными неточностями, мостовая схема линейна (математика, описывающая ее работу, основана на простых соотношениях и пропорциях) и довольно точна.

Учитывая стандартные сопротивления достаточной точности и нулевое детекторное устройство с достаточной чувствительностью, точность измерения сопротивления не менее +/- 0, 05% достигается с помощью моста Уитстона. Это является предпочтительным методом измерения сопротивления в калибровочных лабораториях из-за его высокой точности.

Существует много вариантов основной схемы моста Уитстона. Большинство мостов постоянного тока используются для измерения сопротивления, а мосты, питаемые переменным током (AC), могут использоваться для измерения различных электрических величин, таких как индуктивность, емкость и частота.

Интересной вариацией моста Уитстона является двойной мост Кельвина, используемый для измерения очень низких сопротивлений (обычно менее 1/10 Ом). Его принципиальная схема такова:

Низкорезистивные резисторы представлены толстолинейными символами, а провода, соединяющие их с источником напряжения (несущие большой ток), также толкотны в схеме. Этот необычно сконфигурированный мост, пожалуй, лучше всего понять, начиная со стандартного моста Уитстона, настроенного для измерения низкого сопротивления, и постепенно развивая его в свою окончательную форму, чтобы преодолеть определенные проблемы, встречающиеся в стандартной конфигурации Уитстона.

Если бы мы использовали стандартный мост Уитстона для измерения низкого сопротивления, он выглядел бы примерно так:

Когда нулевой детектор указывает нулевое напряжение, мы знаем, что мост сбалансирован и что отношения R _a / R _x и R _M / R _N математически равны друг другу. Знание значений R _a, R _M и R _N поэтому дает нам необходимые данные для решения для R _x .,, почти.

У нас есть проблема в том, что соединения и соединительные провода между R _a и R _{x также} обладают сопротивлением, и это блуждающее сопротивление может быть существенным по сравнению с низкими сопротивлениями R _a и R _x . Эти паразитные сопротивления снижают значительное напряжение, учитывая высокий ток через них и, таким образом, будут влиять на индикацию нулевого детектора и, таким образом, баланс моста:

Поскольку мы не хотим измерять эти отклоненные сопротивления проводов и соединений, но только измерять R _x, мы должны найти способ подключения нулевого детектора, чтобы на него не влияло падение напряжения на них. Если мы подключим нулевой детектор и отношение R _M / R _N непосредственно к концам R _a и R _x, это приблизит нас к практическому решению:

Теперь верхние два падения напряжения питания E не влияют на нулевой детектор и не влияют на точность измерения сопротивления R _x . Тем не менее, два оставшихся падения напряжения в _{проводнике} E вызовут проблемы, так как провод, соединяющий нижний конец R _a с верхним концом R _x, теперь шунтирует по этим двум падениям напряжения и будет проводить значительный ток, вводя падающие падения напряжения вдоль его собственной длины.

Зная, что левая сторона нулевого детектора должна подключаться к двум ближним концам R _a и R _x, чтобы избежать введения этих _потерь напряжения электропроводности E в петлю нулевого детектора и что любой прямой провод, соединяющий эти концы R _a и R _x сам по себе несет значительный ток и создает более падающие падения напряжения, единственный выход из этого затруднительного положения состоит в том, чтобы сделать соединительный путь между нижним концом R _a и верхним концом R _{x по} существу резистивным:

Мы можем управлять паразитными падениями напряжения между R _a и R _x путем калибровки двух новых резисторов, чтобы их отношение от верхнего к нижнему было таким же соотношением, что и два рычага отношения на другой стороне нулевого детектора. Вот почему эти резисторы были обозначены R _m и R _n в оригинальной схеме двойного моста Кельвина: чтобы обозначить их пропорциональность с R _M и R _N :

При соотношении R _m / R _n, равном отношению R _M / R _N, резистор R _a реостата регулируется до тех пор, пока нулевой детектор не покажет баланс, и тогда мы можем сказать, что R _a / R _x равно R _M / R _N, или просто найти R _x следующим уравнением:

Фактическое уравнение баланса двойного моста Кельвина выглядит следующим образом ( _провод R — сопротивление толстой соединительной проволоки между стандартом низкого сопротивления R _a и испытательным сопротивлением R _x ):

Пока соотношение между R _M и R _N равно отношению между R _m и R _n, уравнение баланса не является более сложным, чем соотношение обычного моста Уитстона, при этом R _x / R _a равно R _N / R _M, поскольку последний член в уравнении будет равен нулю, отменяя эффекты всех сопротивлений, кроме R _x, R _a, R _M и R _N.

Во многих двухпроводных цепях Кельвина R _M = R _m и R _N = R _n . Тем не менее, чем ниже сопротивление R _m и R _n, тем более чувствительным будет нулевой детектор, потому что с ним меньше сопротивления. Повышенная чувствительность детектора хороша, потому что она позволяет обнаруживать меньшие дисбалансы и, таким образом, достичь более точной степени баланса моста. Поэтому некоторые высокоточные Кельвинские двойные мосты используют значения R _m и R _n так же низко, как 1/100 их аналогов рычагов отношения (R _M и R _N соответственно). К сожалению, тем не менее, чем ниже значения R _m и R _n, тем больше ток они будут нести, что увеличит эффект любых сопротивлений переходов, присутствующих там, где R _m и R _n соединяются с концами R _a и R _x . Как вы можете видеть, высокая точность инструмента требует учета всех факторов, вызывающих ошибки, и часто лучшее, что может быть достигнуто, — это компромисс, минимизирующий два или более разных типа ошибок.

• ОБЗОР:
• Мостовые схемы полагаются на чувствительные счетчики нулевого напряжения для сравнения двух напряжений для равенства.
• Мост Уитстона можно использовать для измерения сопротивления, сравнивая неизвестный резистор с прецизионными резисторами известной величины, так же как и в лабораторном масштабе, измеряет неизвестный вес, сравнивая его с известными стандартными весами.
• Двойной мост Кельвина — это вариант моста Уитстона, используемого для измерения очень низких сопротивлений. Его дополнительная сложность по сравнению с основным дизайном Уитстона необходима для того, чтобы избежать ошибок, возникающих при прохождении сопротивления по току между стандартом низкого сопротивления и измеряемым сопротивлением.

Мостовые схемы для измерения — Энциклопедия по машиностроению XXL

Мостовые схемы для измерения 8 и tg 6  [c.42]

Мостовые схемы для измерения в и tg д  [c.58]

Характеристики мостовых схем для измерения температуры (), скорости потока (а) и теплопроводности (X)  [c. 166]

МОСТОВЫЕ СХЕМЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ е и tg б  [c.34]

И. м. постоянного тока. Мост Уитстона является простейшей и наиболее употребительной мостовой схемой для измерения сопротивлений не ниже 1 Й. Цепь тока разветвляется на две ветви, причем каждая состоит из двух сопротивлений (фиг. 5). Гальванометр подключен к точкам соединения двух сопротивлений каждой ветви (диагональ моста). Если И. м. уравновешен, то ток в гальванометре равен нулю и между точками С и В нет напряжения. При этом условии падения напряжения между точками и С и точками А и равны, также равны падения напряжения между точками С и В п В п В. На основании этих соображений составляем два ур-ия  [c.555]

Решающее устройство, позволяющее исключать влияние уравновешивающих грузов, помещаемых в одну из плоскостей исправления детали, на показания прибора для другой плоскости исправления, в обоих станках выполнено по мостовой схеме. Для большинства типов деталей остаточное влияние после настройки решающего устройства не превосходит 2—3%. Решающее устройство настраивается по предварительно уравновешенной методом последовательного приближения детали, после чего измерение неуравновешенности аналогичных деталей осуществляется за один пуск.  [c.318]

Большим преимуществом схемы моста перед компенсационной схемой является также возможность быстрого измерения температуры. Если в компенсационной схеме для определения Гх требуется измерить две величины — воп е , то при измерении по мостовой схеме для получения точного значения сопротивления термометра достаточно одного измерения. Это особенно важно три быстром изменении температуры.  [c.97]

Измерение осевой деформации осуществлялось с помощью экстензометра, которым снабжена испытательная машина, а для замеров деформации диаметра образца использовался электромеханический тензометр конструкции ВНИИГС, общий вид и принципиальная схема которого приведены на рис. 4.2. Тензометр имеет две ножки 1 и 2 с призмами ножка 1 неподвижна. Призмы ножек охватывают наружный диаметр образца. При изменении диаметра подвижная ножка 2 поворачивается вокруг оси и через рычаг 3 изгибает пластину 4 с наклеенными на нее тензорезисторами 5. Тензорезисторы включены в мостовую схему. Для компенсации реакции пластины 4 при ее изгибе служит пружина 6 при повороте ножки 2 усилие на шпиле 7 от пружинь 120  [c.120]

Крестообразный модуль 6 датчика, предназначенный для измерения компонент F , и Му, не отличается от рассмотренного ранее (см. рис. 2.10), а основные выражения для определения проекций вектора сил и моментов на связанную систему координат аналогичны уравнениям описанной выше конструкции. Особенностью данного датчика является реализация этих математических зависимостей на уровне мостовых измерительных схем (рис. 2.11, б). А именно, пары тензорезисторов, образующие плечи мостовой схемы, выходной сигнал которой пропорционален, например, компоненте (Ri, Гх Ru, Го), взяты с поверхностей противолежащих упругих элементов крестообразной пружины, ориентированных вдоль оси Y. Аналогичным образом из полумостов, наклеенных на противолежащих упругих элементах, образованы измерительные мостовые схемы для выделения остальных компонент F. и Му.  [c.42]

Конструкция выполнена в виде двух упругих элементов 2, 3 балочного типа квадратного сечения и упругого элемента 1 прямоугольного сечения с прорезями. На упругих элементах датчика наклеены фольговые тензорезисторы, соединенные в мостовые схемы. Для усиления сигналов тензорезистивных мостов используются интегральные усилители, выполненные по схеме модулятор—демодулятор. Экспериментальный образец датчика такой конструкции обеспечивает измерение компонент сил в диапазоне 2—100 Н и моментов в диапазоне 0,02—1 Н-м. Суммарная погрешность датчика не превышает 5 % в диапазоне температур +(5- 40) «С.  [c.44]

Наличие паразитных емкостей в мостовой схеме вызывает в большинстве случаев заметную погрешность измерения tg o. Обычно для компенсации этих емкостей либо используют вспомогательную ветвь с регулируемыми сопротивлениями, либо между экраном и землей включают вспомогательный источник напряжения. Значение и фазу этого защитного напряжения регулируют так, чтобы напряжение на паразитной емкости равнялось нулю. Однако можно исключить влияние паразитных емкостей и С g (рис. 3-4) путем двукратного уравновешивания моста при двух значениях постоянного сопротивления Ry и R3.  [c.53]

Для измерения тензометрического эффекта ввиду его малости и необходимости компенсировать температурную погрешность чаще всего используют мостовые схемы.  [c.221]

Вольтметры с усилителями часто имеют выход для подключения самопишущих измерительных приборов. Благодаря этому могут быть использованы также и самопишущие приборы с низким входным сопротивлением для регистрации результатов измерения с высоким сопротивлением источника. Высокоомные универсальные приборы, применяемые в электротехнике для измерения напряжений, токов и сопротивлений, тоже могут применяться для измерения потенциала. Универсальные приборы обычно имеют измерительный механизм магнитоэлектрической системы с вращающейся рамкой, подвешенной на ленточных растяжках. Они прочны, нечувствительны к действию повышенной температуры и имеют линейную шкалу. При времени успокоения стрелки не более 1 с, как требуется для измерения потенциалов, максимальное внутреннее сопротивление таких приборов составляет 100 кОм на 1 В. Поскольку сопротивление электродов сравнения большой площади обычно не превышает 1 кОм, с применением таких приборов возможны достаточно точные измерения потенциалов. Однако при измерениях потенциала в высокоомных песчаных грунтах или на мощеных мостовых (малая диафрагма) сопротивление электрода сравнения может значительно превышать 1 кОм. Погрешности измерения, получаемые в таких случаях при применении универсальных приборов, могут быть устранены с применением схемы, принцип которой показан на рис. 3.6 [9]. Параллельно измерительному прибору при помощи кнопочного выключателя S подключается сопротивление Ri, одно и то же для соответствующего диапазона измерений. При допущении, что внешнее сопротивление меньше внутреннего Ra[c.92]

Поскольку гальванометр магнитоэлектрической системы реагирует на внешние, возможно имеющиеся в грунте напряжения постоянного тока, перед ним включается конденсатор. Посторонние напряжения переменного тока с частотой 16% или 50 Гц тоже не могут повлиять на результат измерения, поскольку рабочая частота измерительных мостов переменного тока при схеме с вибропреобразователями составляет 108 Гц, а по схеме с транзисторами — около 135 Гц. Первая высшая гармоника в мостовой схеме выпрямителя станции катодной зашиты (100 Гц) обычно вызывает заметные биения. Однако при не слишком больших амплитудах и в этом случае еще возможно выявление нуля путем настройки одинаковых отклонений по обе стороны от нулевой точки. Некоторые характеристики приборов для измерения сопротивления представлены в табл. 3.2. В принципе все четырехполюсные приборы для измерения сопротивления могут быть использованы при закорачивании обеих клемм Ei и также и для измерения сопротивлений растеканию тока в грунт.  [c.114]

Регистрация диаграмм циклического деформирования осуществляется на самопишущем приборе для двухкоординатной записи. Измерительные датчики включены в мостовые схемы двух автономных мостов диаграммного прибора. Масштаб записи 275 X X 275 мм, основная погрешность регистрирующей части прибора не превышает 1 %, чувствительность 0,1 % диапазона измерений.  [c.224]

Тензодатчики сопротивления, наклеенные на поверхность упругого элемента и соединенные между собой по мостовой схеме, подключены к электронному измерителю статических деформаций типа ИСД-3. Конструкция упругих элементов для измерения растягивающих усилий будет рассмотрена ниже.  [c.119]

Для изучения изменения дислокационной структуры в никеле в процессе ИП проведены измерения ФМР поликристаллического никеля при трении с конструкционной бронзой в поверхностноактивной среде (глицерин) и инактивной (масло индустриальное И-20А). Исследования ФМР проводили на спектрометре, который представлял собой волноводную мостовую схему, построенную на ферритовом циркуляторе с отражательным прямоугольным резонатором. Образцы в форме дисков с хвостовиками со сформированной предварительно поверхностью отжигали в вакууме 2,66 х X 10 Па (2-10 мм рт. ст.) при 800° С в течение 2 ч. После отжига образцы испытывали на машине трения АЕ-5.  [c.30]

Рис, 10,128, Индуктивный датчик для измерения перемещений порядка до 2-3 мм. При перемещении в процессе измерения стержня i с закрепленными на нем катушками 2 относительно кольцевых выступов в отверстии корпуса 1 изменяется индуктивное сопротивление катушек, что приводит к изменению тока в измерительной цепи мостовой схемы, регистрируемого прибором.  [c.634]

Основными измерительными схемами индуктивных приборов для линейных измерений являются симметричные мостовые схемы переменного тока, работающие в режиме отклонений и в равновесном режиме. Наибольшее распространение получили схемы первого типа (рис. 58).  [c.109]

Мосты переменного тока н мостовая схема для измерений баллистическим методом. В большинстве работ по адиабатическому размагничиванию метод, в котором используется переменный ток, более удобен, чем баллистический метод. В первом методе может быть достигнута более высокая точность и произведено большее число измерений в единицу времени. Недостаток этого метода заключается в том, что вся аппаратура, расположенная внутри криостата, должна быть изготовлена из неэлектронроводного материала, поскольку во всех металлических деталях возникают токи Фуко, которые влияют на показания моста, особенно на значения /» (см.  [c.456]

Следующие примеры показывают применение мостовых схем для измерения величины емкости. В главе 9 содержится более подробная информация по этой теме. Мост Де Сьюти (Рис. 9.9а) определяет значение емкости, сравнивая его со значением другой известной емкости, однако здесь на точность измерений оказывает большое влияние коэффициент мощности конденсатора, из-за этого во многих случаях применение этой мостовой схемы сильно ограничено. Мост Шеринга (Рис. 9.9в) используется для измерения емкости и сопротивления конденсатора, и следовательно, для определения диэлектрических потерь. Мост Вина (Рис. 9.96) имеет целый ряд применений. Он может быть использован для измерения величины емкости, если известна частота применяемого источника питания, и, наоборот, такая мостовая схема может применяться для определения частоты, если значение емкости известно. Мост Вина также может употребляться в качестве средства подавления какой-то определенной частоты.  [c.233]

Существует много типов мостов переменного тока, далее будут рассматриваться мосты, наиболее часто применяемые для измерения емкости и индуктивности. Смотрите главу 9 для более гюдробного изучения теоретических основ построения мостовых схем. Для определения условия баланса мостов могут использоваться следующие детекторы наушники (с полосой пропускания 250 Гц…З кГц), вибрационные гальванометры (свето-  [c.232]

Описание большого числа мостовых схем можно найти в книге Хаге [96]. В настоящей главе мы ограннчпваемся только кратким обсуждением моста переменного тока Андерсона для измерения самоиндукции [63, 97], а также баллистического моста и моста переменного тока Хартсхорпа ([31], стр. 36 [55, 56], стр. 12  [c.457]

Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь при частотах свыше 100 Гц имеет особенности, связанные с ростом влияния краевых эффектов, емкостью образца относительно земли, индуктивностью и емкостью подводящих проводов. Большое значение приобретают также собственные начальные параметры измерительных схем. Для исключения влияния этих факторов при измерениях используют специальные ячейки, методы измерения с двойным, а иногда и с тройным уравновешиванием мостовых измерителей. Могут быть использованы трехэлек тродные ячейки, но поскольку на частоте 1000 Гц и выше охранные электроды на образцах уже не дают требуемого эффекта, то преимущественно применяют ячейки с системой двух электродов, а также двухэлектродные ячейки с дополнительным подвижным электродом. В ряде случаев для измерения применяются бесконтактные системы.  [c.62]

Сушественным отличием от манганина является высокая термоЭДС константана в паре с медью, а также с железом его коэффициент термоЭДС в паре с медью составляет 44—55 мкВ/К. Это является недостатком при использовании константановых резисторов в измерительных схемах, так как при наличии разности температур в местах контакта константановых проводников с медными возникают паразитные термоЭДС, которые могут явиться источником ошибок, особенно при нулевых измерениях в мостовых и потенциометрических схемах. Однако константан с успехом может быть применен при изготовлении термопар, служапщх для измерения температурь , если последняя не превышает 700°С.  [c.36]

В тензорезисторных преобразователях давления Кристалл и Сапфир избыточное давление вызывает деформацию сапфировой мембраны и выращенного на ней тензорезистора — пленки кремния, включенного в мостовую схему. Деформация мембраны приводит к изменению электрического сопротивления пленки кремния и появлению электрического сигнала в йЫходной диагонали моста, который усиливается до о—5 мА. Выпускаемые преобразователи класса 0,6 1,0 1,5 служат для измерения избыточных давлений до 60 МПа.  [c.68]

Положение сильфона контролируется магнитным датчиком, который позволяет без труда заметить смещение штока 4 на 0,5 j/.m. Поправка на растяжение сильфона меньше, чем погрешность обзразцового прулизмерения давления на газовой стороне системы. Платиновые проволочки включаются в разные плечи рабочей мостовой схемы. Сопротивление платиновой проволоки находится из условия разбаланса моста, а температура проволоки в момент бурного вскипания лсидкости определяется по градуировочной кривой, построенной по данным предварительных опытов.  [c.304]

СВЧ преобразователи на мостовых схемах широко используются для определения очень малых изменений размеров различных деталей, проверки допусков прецизионных деталей в условиях рабочих вибраций, при балансировке вращающихся объектов, измерении скорости перемещения отра- зкающей радиоволны границы раздела. Так, при измерении скорости для некоторого положения границы раздела с помощью аттенюатора и фазовращателя (КЗ поршня) добиваются баланса моста отсутствия энергии в детекторной секции. В процессе изменения положения границы СВЧ мост разбалансируется. Скорость изменения энергии, поступающей к детектору, пропорциональна скорости перемещения отражающей границы. При смещении границы от первоначального сбалансированного положения на V2 тройник снова будет сбалансирован. Для того чтобы с помощью описывае-  [c.264]

Для измерения импульса силы удара был применен динамометрический способ. Было спроектировано и изготовлено силоизмерительное устройство, которое крепится в основании установки. Принципиальная схема устройства приведена на рис. 61. Цилиндрическая на-ковальная со сферическими торцами свободно перемещается в корпусе, что обеспечивается двумя сегментными подшипниками. Наковальня опирается на упругий динамометр. Удар индентора по сферическому торцу наковальни воспринимается упругим динамометром, который жестко крепится к корпусу силоизмерительного устройства двумя винтами. Динамометр выполнен в виде жесткого кольца, с двух сторон которого по мостовой схеме наклеены четыре терморезистора сопротивлением по 100 Ом каждый и с базой 10 мм. Благодаря жесткости упругих элементов динамометра (он выполнен из  [c.133]

Величина сопротивления вычислялась как среднее арифметическое из шести замеров, каждый из которых состоял в свою очередь из двух измерений, выполненных при взаимно противоположных направлениях тока. Такая методика необходима для исключения возможного влияния термотоков, возникающих в схеме в местах контактов разнородных металлов. Так как во время измерений при прохождении тока возможен нагрев образца, вызывающий дополнительное изменение электросопротивления за счет температурной составляющей, то были проведены измерения температуры образца во время длительного пребывания его под током. Оказалось, что температура повышалась в продолжение 10—15 мин на 0,1°, оставаясь затем постоянной во все время пребывания образца под током. Следовательно, устанавливался стационарный режим теплообмена между внутренними частями образца и поверхностью. Критерием стационарности процесса может служить устойчивость баланса мостовой схемы, которая отсутствует при нестационарном режиме (показания гальванометра измерительной схемы сползают с нулевой отметки). Замеры производились только после стабилизации схемы при устойчивых нулевых показаниях гальванометра. Во время измерений тщательно контролировалась температура (до 0,1°), затем в результаты измерений вносилась соответствующая поправка, чтобы привести все замеры к 20 °С.  [c.44]

Важность повышения амплитуды выходных импульсов цепи подавления помех объясняется тем, что во время измерения мостовая схема уравновешивается, т. е. напряжение неравновесия (рис. 3, а) приводится к нулю. Для последнего варианта цепн подавлении низкочастотной помехи в выражении (8) R==Ri. Значение можно выбрать весьма малым, вплоть до такого, когда его роль играет прямое сопротивление ключа S. i. Это приводит к уменьшению длительности / . длительности питающих мостовую цепь импульсов и в результате несколько повышает быстродействие.  [c.97]

Фирма Lebow (США) выпускает динамометры для одновременного измерения осевой силы и крутящего момента. Эти динамометры устанавливают на испытательных машинах фирм Instron (Англия) и MTS (США). Измерения осуществляют с помощью тензорезисторов сопротивления, включенных в мостовые схемы.  [c.45]

Преобразователь типа ПА-1 выходных сигналов датчиков силы с тензо-резисторами предназначен для использования в системах автоматического регулирования и содержит источник стабильного напряжения 6 В для питания мостовой схемы с тензорезисторами сопротивлением 100—400 Ом, усилитель, обеспечивающий выходной сигнал ГСП, равный 1 В, при чувствительности датчика силы не мепес 1 мВ/В. Величина основной погрешности 1 % может быть снижена до 0,3 %, если в процессе измерения допустима кор-  [c.381]

Датчики и сенсоры онлайн журнал

Электротехника: Мостовая схема.

Мостовые схемы могут применяьтся для: измерения сопротивления, выпрямления (преобразования постоянного тока в переменный), инвертирования (преобразования постоянного тока в переменный).

Рисунок 1 — Мостовая резистивная схема

Ток нагрузки Iн будет направлен также как на рисунке в том случае если сумма сопротивлений резисторов R1 и R4 будет меньше суммы сопротивлений резисторов R2 и R3. Вместо резисторов в схеме могут находиться управляемые ключевые элементы например тиристоры, транзисторы, тиратроны в этом случае в схеме может производиться инвертирование или выпрямления тока с высоким КПД.  На рисунках 2 и 3 поясняется работа инвертора, источник E создаёт постоянное напряжение, для простоты в качестве ключевых элементов показаны ключи. Если ключи S1 и S4 разомкнуты а ключи S2 и S3 замкнуты то ток в нагрузке Rн будет протекать как показано на рисунке 2.

 Рисунок 2 — Инвертор в первый полупериод

 Если ключи S1 и S4 замкнуты а ключи S2 и S3 разомкнуты то ток в нагрузке Rн будет протекать как показано на рисунке 3. Для создания синусоидального тока в нагрузке поледовательно с ней может быть поставлен последовательный колебательный контур, при этом частота смены состояний ключей должна быть меньше или равной резонансной частоте контура.

 Рисунок 3 — Инвертор во второй полупериод

Ключевые элементы обладают высоким сопротивлением в закрытом состоянии и низким в открытом поэтому в схеме на рисунке 3 (учитывая что сопротивления S1, S4 не нулевые а сопротивления S2, S3 не бесконечные) на элементах S1 и S4 падение напряжения будет значительно меньше чем на нагрузке поэтому в них будет выделяться небольшая мощность. Если пренебреч проводимостью ключей S2 и S3 то мощность выделяющуюся на элемнтах S1 и S4 можно расчитать по формуле:
 Где Rs1 — сопротивление замкнутого ключа S1, Rs4 — сопротивление замкнутого ключа S4, Rн — сопротивление нагрузки, E — напряжение источника питания. На практике не всегда можно пренебреч проводимостями ключей находящихся в закрытом состоянии (с высоким сопротивлением). В ключах S2 и S2 тоже происходит потеря мощности так как через них протекает небольшой ток.
Собрав схему на рисунке 4 можно исследовать работу мостовой схемы изменяя сопротивления подстроечных резисторов и наблюдая за яркостью свечения светодиодов.

Рисунок 4 — Мостовая схема с подстроечными резисторами

Из картинок видно что изменением положения движка подстроечного резистора можно добиться изменения направления протекания тока в нагрузке представляющей собой последовательное соединение резистора и встречно паралельного соединения двух светодиодов.

мостовых схем | Цепи измерения постоянного тока

Ни один текст по электросчетам нельзя назвать полным без раздела о мостовых схемах. Эти гениальные схемы используют измеритель нулевого баланса для сравнения двух напряжений, точно так же, как лабораторные весы сравнивают два веса и показывают, когда они равны. В отличие от схемы «потенциометра», используемой для простого измерения неизвестного напряжения, мостовые схемы могут использоваться для измерения всех видов электрических величин, не последней из которых является сопротивление.

Мост Уитстона

Стандартная мостовая схема, часто называемая мостом Уитстона , выглядит примерно так:

Когда напряжение между точкой 1 и отрицательной стороной батареи равно напряжению между точкой 2 и отрицательной стороной батареи, детектор нуля покажет ноль, а мост называется «сбалансированным». Состояние баланса моста зависит исключительно от соотношений R _a / R _b и R ₁ / R ₂ и совершенно не зависит от напряжения питания (аккумулятор).

Для измерения сопротивления с помощью моста Уитстона вместо R _a или R _b подключается неизвестное сопротивление, в то время как три других резистора представляют собой прецизионные устройства известного значения. Любой из трех других резисторов можно заменить или отрегулировать до тех пор, пока мост не будет сбалансирован, и когда баланс будет достигнут, неизвестное значение резистора может быть определено из соотношений известных сопротивлений.

Требование, чтобы это была измерительная система, — это наличие набора переменных резисторов, сопротивление которых точно известно, чтобы они служили эталоном.Например, если мы подключим мостовую схему для измерения неизвестного сопротивления R _x , нам нужно будет знать точных значений остальных трех резисторов в балансе, чтобы определить значение R _x :

.

Каждое из четырех сопротивлений в мостовой схеме обозначается как плеч . Резистор, включенный последовательно с неизвестным сопротивлением R _x (это будет R _a на приведенной выше схеме), обычно называют реостатом моста, в то время как два других резистора называют плечами плеча. мост.

К счастью, создать точные и стабильные эталоны сопротивления не так уж и сложно. Фактически, они были одними из первых электрических «стандартных» устройств, созданных для научных целей. Вот фотография старинного эталона сопротивления:

Показанный здесь стандарт сопротивления может изменяться дискретными шагами: величина сопротивления между соединительными клеммами может изменяться в зависимости от количества и типа съемных медных вилок, вставляемых в розетки.

Мосты

Уитстона считаются лучшим средством измерения сопротивления по сравнению с последовательной схемой измерителя сопротивления движения батареи, описанной в последнем разделе. В отличие от этой схемы, со всеми ее нелинейностями (нелинейным масштабом) и связанными с ними неточностями, мостовая схема является линейной (математика, описывающая ее работу, основана на простых соотношениях и пропорциях) и довольно точна.

При наличии стандартных сопротивлений достаточной точности и достаточной чувствительности нуль-детектора, точность измерения сопротивления не менее +/- 0. 05% достижимы с мостом Уитстона. Это предпочтительный метод измерения сопротивления в калибровочных лабораториях из-за его высокой точности.

Существует множество вариантов базовой схемы моста Уитстона. Большинство мостов постоянного тока используются для измерения сопротивления, в то время как мосты, питаемые переменным током (AC), могут использоваться для измерения различных электрических величин, таких как индуктивность, емкость и частота.

Двойной мост Кельвина

Интересной разновидностью моста Уитстона является двойной мост Кельвина , используемый для измерения очень низких сопротивлений (обычно менее 1/10 Ом).Его принципиальная схема такая:

Резисторы с низким номиналом обозначены жирными линиями, а провода, соединяющие их с источником напряжения (по которым проходит большой ток), также показаны на схеме жирным шрифтом. Этот мост странной конфигурации, возможно, лучше всего понять, начав со стандартного моста Уитстона, настроенного для измерения низкого сопротивления, и постепенно развивая его до окончательной формы, чтобы преодолеть определенные проблемы, встречающиеся в стандартной конфигурации Уитстона. Если бы мы использовали стандартный мост Уитстона для измерения низкого сопротивления, это выглядело бы примерно так:

Когда нулевой детектор показывает нулевое напряжение, мы знаем, что мост сбалансирован и что отношения R _a / R _x и R _M / R _N математически равны друг другу. Таким образом, зная значения Ra, R _M и R _N , мы получаем необходимые данные для определения R _x . . . почти.

У нас есть проблема в том, что соединения и соединительные провода между R _a и R _x также обладают сопротивлением, и это паразитное сопротивление может быть значительным по сравнению с низкими сопротивлениями R _a и R _x . . Эти паразитные сопротивления будут значительно снижать напряжение, учитывая большой ток через них, и, таким образом, повлияют на показания нуль-детектора и, следовательно, на баланс моста:

Поскольку мы не хотим измерять эти паразитные провода и сопротивления соединений, а измеряем только R _x , мы должны найти способ подключить нуль-детектор, чтобы на него не влияло падение напряжения на них. Если мы подключим нуль-детектор и рычаги соотношения R _M / R _N непосредственно через концы R _a и R _x , это приблизит нас к практическому решению:

Теперь два верхних E _{провода} падения напряжения не влияют на нуль-детектор и не влияют на точность измерения сопротивления R _x . Однако два оставшихся провода E _, , падение напряжения вызовут проблемы, поскольку провод, соединяющий нижний конец R _и с верхним концом R _x , теперь шунтирует эти два падения напряжения и будет проводить значительный ток. , что также вносит паразитные падения напряжения на его собственной длине.

Зная, что левая сторона нуль-детектора должна подключаться к двум ближним концам R _a и R _x , чтобы избежать падения напряжения на проводе E в петлю нуль-детектора, и что любой прямой провод соединение этих концов R _a и R _x само по себе будет пропускать значительный ток и создавать больше паразитных падений напряжения, единственный выход из этого затруднительного положения — сделать соединительный путь между нижним концом R _a и верхним. конец R _x существенно резистивный:

Мы можем управлять паразитными падениями напряжения между R _a и R _x , подбирая размеры двух новых резисторов так, чтобы их соотношение между верхним и нижним было таким же, как у двух плеч на другой стороне нуль-детектора.Вот почему эти резисторы были помечены как R _m и R _n на оригинальной схеме двойного моста Кельвина: чтобы обозначить их пропорциональность с R _M и R _N .

При соотношении R _m / R _n , установленном равным соотношению R _M / R _N , резистор плеча реостата R _a регулируется до тех пор, пока нулевой детектор не покажет баланс, и тогда мы можем сказать, что R / R _x равно R _M / R _N , или просто найдите R _x по следующему уравнению:

Фактическое уравнение баланса двойного моста Кельвина выглядит следующим образом (провод R — это сопротивление толстого соединительного провода между стандартом низкого сопротивления R _a и испытательным сопротивлением R _x ):

Пока соотношение между R _M и R _N равно соотношению между Rm и Rn, уравнение баланса не более сложное, чем у обычного моста Уитстона с R _x / R _a равно R _N / R _M , поскольку последний член в уравнении будет равен нулю, что исключает влияние всех сопротивлений, кроме R _x , R _a , R _M и R _N .

Во многих схемах с двойным мостом Кельвина R _M = R _m и R _N = R _n . Однако, чем ниже сопротивления R _m и R _n , тем более чувствительным будет нуль-детектор, потому что сопротивление последовательно с ним меньше. Повышенная чувствительность детектора — это хорошо, поскольку позволяет обнаруживать меньшие дисбалансы и, таким образом, достигать более точной степени балансировки моста.

Таким образом, некоторые высокоточные двойные мосты Кельвина используют значения R _m и R _n , составляющие всего 1/100 от их аналогов с передаточным плечом (R _M и R _N соответственно).К сожалению, чем ниже значения R _m и R _n , тем больший ток они будут проводить, что усилит влияние любых сопротивлений перехода, присутствующих там, где R _m и R _n подключаются к концам. из R _a и R _x . Как видите, высокая точность прибора требует учета всех факторов, приводящих к ошибкам, и часто лучшее, что может быть достигнуто, — это компромисс, сводящий к минимуму два или более различных типа ошибок.

ОБЗОР:

• В мостовых схемах используются чувствительные измерители нулевого напряжения для сравнения двух напряжений на равенство.
• Мост Уитстона можно использовать для измерения сопротивления путем сравнения неизвестного резистора с прецизионными резисторами известного номинала, подобно тому, как лабораторные весы измеряют неизвестный вес, сравнивая его с известными стандартными весами.
• Двойной мост Кельвина — это вариант моста Уитстона, используемый для измерения очень низких сопротивлений.Его дополнительная сложность по сравнению с базовой конструкцией Уитстона необходима для предотвращения ошибок, которые в противном случае возникают из-за паразитных сопротивлений на пути тока между эталоном с низким сопротивлением и измеряемым сопротивлением.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ:

Мостовые схемы

— обзор

Выходы усилителя и линеаризации моста

Выход одноэлементного переменного моста может быть усилен одинарным прецизионным операционным усилителем, подключенным, как показано на Рисунке 4-9. К сожалению, эта схема, хотя и привлекательная из-за относительной простоты, имеет низкие общие характеристики. Его предсказуемость и точность усиления плохие, и он разбалансирует мост из-за нагрузки от R _F и тока смещения операционного усилителя. Резисторы R _F должны быть тщательно подобраны и согласованы для максимального подавления синфазных помех (CMR). Кроме того, трудно максимизировать CMR, в то же время позволяя различные варианты усиления. Коэффициент усиления зависит от сопротивлений моста и R _F .Кроме того, выходной сигнал является нелинейным, поскольку конфигурация ничего не делает для устранения внутренней нелинейности моста. Таким образом, схема не рекомендуется для точного использования.

Рисунок 4-9. Использование одиночного операционного усилителя в качестве мостового усилителя

Однако достоинством этой схемы является то, что она способна работать с одним источником питания с одиночным операционным усилителем. Обратите внимание, что ВЧ резистор, подключенный к неинвертирующему входу, возвращается к V _S /2 (а не к земле), так что могут быть приняты как положительные, так и отрицательные значения ΔR, при этом размах выходного сигнала биполярного операционного усилителя определяется как V _S / 2.

Намного лучше использовать инструментальный усилитель (в А) для получения требуемого усиления, как показано на Рисунке 4-10. Эта эффективная схема обеспечивает лучшую точность усиления, при этом усиление в усилителе обычно устанавливается с помощью одного резистора R _G . Поскольку усилитель обеспечивает двойную высокоимпедансную нагрузку на узлы моста, он не разбалансирует и не нагружает мост. Используя современные усилители с коэффициентом усиления от 10 до 1000, с помощью этой схемы можно добиться превосходного подавления синфазного сигнала и точности усиления.

Рисунок 4-10. Обычно предпочтительный метод мостового усиления использует инструментальный усилитель для стабильного усиления и высокого CMR.

Однако из-за внутренних характеристик моста выходной сигнал по-прежнему является нелинейным (см. Выражение). Как отмечалось ранее, это можно исправить программно (при условии, что выходной сигнал усилителя оцифрован с помощью аналого-цифрового преобразователя, а затем микроконтроллер или микропроцессор).

Входной усилитель может работать как от двух источников питания, как показано на рисунке, так и от одного положительного источника питания.На рисунке это соответствует — V _S = 0. Это ключевое преимущество, так как все такие мостовые схемы смещают входы входного усилителя на V _B /2, диапазон напряжения, обычно совместимый с усилителем. требования предвзятости. В таких усилителях, как семейство AD620, AD623 и AD627 могут использоваться в мостовых схемах с одним (или двумя) источниками питания, при условии соблюдения их ограничений по усилению и колебаниям входного и выходного напряжения.

Мост в этом примере управляется напряжением V _B .Это напряжение может дополнительно использоваться для опорного напряжения АЦП, и в этом случае оно также является дополнительным выходом, V _REF .

Доступны различные методы для линеаризации выходных сигналов моста, но важно различать линейность уравнения моста (обсуждалось ранее) и линейность отклика датчика на обнаруживаемое явление. Например, если активным сенсорным элементом является RTD, мост, используемый для выполнения измерения, может иметь совершенно адекватную линейность; , но выход все еще может быть нелинейным, из-за внутренней нелинейности устройства RTD.Производители датчиков, использующих мосты, решают проблему нелинейности различными способами, включая сохранение малых колебаний сопротивления в мосте, формирование дополнительного нелинейного отклика в активных элементах моста, использование резистивных триммеров для коррекции первого порядка и другие. В следующих примерах рассматривается ошибка линейности самой конфигурации моста (в отличие от чувствительного элемента внутри моста).

На рисунке 4-11 показана одноэлементная переменная активная мостовая схема, в которой операционный усилитель создает принудительное нулевое состояние моста.В этом одноэлементном переменном случае изменяется только сопротивление обратной связи операционного усилителя, а остальные три сопротивления остаются неизменными.

Рисунок 4-11. Линеаризация одноэлементного переменного моста (метод 1)

Как здесь используется, выход операционного усилителя обеспечивает буферизованный, заземленный, выход с низким импедансом для измерения моста, эффективно подавляя компонент моста V _B /2 CM на входы операционного усилителя.

Схема работает путем добавления напряжения последовательно с плечом переменного сопротивления.Это напряжение равно по величине и противоположной полярности возрастающему напряжению на переменном элементе и линейно с ΔR. Как можно заметить, три сопротивления с постоянным R-значением и операционный усилитель работают, чтобы управлять постоянным током в переменном сопротивлении. Это основной механизм, который производит линеаризованный вывод.

Этот активный мост имеет усиление чувствительности в два раза по сравнению со стандартным одноэлементным переменным мостом (рисунок 4-6A). Ключевым моментом является то, что выходное инкрементное сопротивление / напряжение моста становится линейным даже при больших значениях ΔR. Однако из-за все еще относительно небольшого выходного сигнала второй усилитель обычно должен следовать за этим мостом. Также обратите внимание, что операционный усилитель, используемый в этой схеме, требует двойных источников питания, потому что его выход должен быть отрицательным в условиях, когда ΔR положительно.

Другая схема для линеаризации одноэлементного переменного моста показана на рисунке 4-12. Верхний узел моста возбуждается напряжением V _B . Нижняя часть моста приводится в действие дополнительным образом от левого операционного усилителя, который поддерживает постоянный ток V _B / R в элементе переменного сопротивления R + ΔR.

Рисунок 4-12. Линеаризация одноэлементного переменного моста (метод 2)

Как и схема на рис. 4-11, привод постоянного тока для одноэлементного переменного сопротивления обеспечивает механизм улучшения линейности. Кроме того, из-за того, что левый центральный узел моста заземлен операционным усилителем, эта конфигурация эффективно подавляет напряжения CM. Это позволяет сделать выбор операционного усилителя менее критичным. Конечно, все еще необходимы рабочие параметры, такие как высокое усиление, низкое смещение / шум и высокая стабильность.

Выходной сигнал снимается с правой ножки моста и усиливается вторым операционным усилителем, подключенным как неинвертирующий каскад усиления. Благодаря свободе масштабирования, обеспечиваемой вторым операционным усилителем, конфигурация является очень гибкой. Чистый выходной сигнал является линейным и имеет чувствительность, приведенную к мостовому выходу, сравнимую с одноэлементной схемой переменного тока на Рисунке 4-11.

Схема на Рисунке 4-12 требует двух операционных усилителей, работающих от двух источников питания. Кроме того, спаренные резисторы R1-R2 должны быть согласованного по соотношению и стабильного типа для обеспечения точного и стабильного усиления в целом.Схема может быть практичной с использованием операционного усилителя двойной точности, такого как AD708, OP2177 или OP213.

Тесно родственная схема для линеаризации управляемого напряжением двухэлементного переменного моста может быть адаптирована непосредственно из базовой схемы, показанной на рис. 4-11. Эта форма схемы, показанная на рисунке 4-13, идентична предыдущему одноэлементному изменяющемуся случаю, за исключением того, что сопротивление между V _B и входом операционного усилителя (+) теперь также является переменным (т.е.е. сопротивления обеих диагоналей R + ΔR изменяются аналогичным образом).

Рисунок 4-13. Линеаризация двухэлементного моста с переменным напряжением (метод 1)

При одинаковом приложенном напряжении V _B эта форма схемы имеет вдвое большую чувствительность, что очевидно из выходных выражений. Опять же требуется операционный усилитель с двойным питанием, а также может потребоваться дополнительное усиление.

Двухэлементная переменная мостовая схема, показанная на рисунке 4-14, использует операционный усилитель, чувствительный резистор и источник опорного напряжения, установленные в петле обратной связи, содержащей чувствительный мост. Чистый эффект петли — поддерживать постоянный ток через мост I _B = V _REF / R _SENSE . Ток через каждую ножку моста остается постоянным (I _B /2) при изменении сопротивления, поэтому выходной сигнал является линейной функцией ΔR. Входной усилитель обеспечивает дополнительное усиление.

Рисунок 4-14. Линеаризация двухэлементного моста с переменным током (метод 2)

Эта схема может работать от одного источника питания при правильном выборе усилителей и уровней сигнала.Если желательна логометрическая работа АЦП, для управления АЦП можно использовать напряжение V _REF .

Основы мостовых схем | Основная теория постоянного тока (DC)

Мост Схема в основном представляет собой пару делителей напряжения, где выходной сигнал схемы принимается как разность потенциалов между двумя делителями. Мостовые цепи могут быть нарисованы в схематической форме в форме H или ромба, хотя ромбовидная конфигурация является более распространенной:

Источник напряжения, питающий мостовую схему, называется источником возбуждения . Этот источник может быть постоянным или переменным током в зависимости от применения мостовой схемы. Компоненты, составляющие мост, также не обязательно должны быть резисторами: конденсаторы, катушки индуктивности, длины проводов, чувствительные элементы и другие формы компонентов возможны в зависимости от применения.

Существует два основных применения мостовых схем, которые будут объяснены в следующих подразделах.

Измерение компонентов

Мостовые схемы могут использоваться для тестирования компонентов. В этом качестве одно из «плеч» мостовой схемы состоит из тестируемого компонента, в то время как по крайней мере одно из других «плеч» выполнено регулируемым.Общая схема моста Уитстона для измерения сопротивления показана здесь:

Постоянные резисторы \ (R_1 \) и \ (R_2 \) имеют точно известное значение и высокую точность. Переменный резистор \ (R_ {adjust} \) имеет ручку с надписью, позволяющую человеку регулировать и считывать его значение с высокой степенью точности. Когда отношение переменного сопротивления к сопротивлению образца равно отношению двух постоянных резисторов, чувствительный гальванометр будет регистрировать ровно ноль вольт независимо от значения источника возбуждения.Это называется сбалансированным условием для мостовой схемы:

\ [{R_1 \ over R_2} = {R_ {adjust} \ over R_ {образец}} \]

Когда два отношения сопротивления равны, падение напряжения на соответствующих сопротивлениях также будет одинаковым. Закон Кирхгофа о напряжении гласит, что разность напряжений между двумя равными и противоположными падениями напряжения должна быть равна нулю, учитывая показания счетчика баланса.

Было бы уместно связать это с работой лабораторных весов с балансиром, сравнивая образец неизвестной массы с набором известных масс.В любом случае прибор просто сравнивает неизвестную величину с (регулируемой) известной величиной, указывая на условие равенства между ними:

Многие устаревшие инструменты были разработаны на основе концепции самобалансирующейся мостовой схемы , где электрический серводвигатель приводил в действие потенциометр для достижения сбалансированного состояния относительно напряжения, создаваемого каким-либо датчиком технологического процесса. Аналоговые электронные самописцы на бумаге часто использовали этот принцип.Почти все пневматические технологические инструменты используют этот принцип для преобразования силы чувствительного элемента в переменное давление воздуха.

Современные мостовые схемы в основном используются в лабораториях для чрезвычайно точных измерений компонентов. Очень редко вы встретите схему моста Уитстона, используемую в обрабатывающей промышленности.

Преобразование сигнала датчика

Другое применение мостовых схем — преобразование выходного сигнала электрического датчика в сигнал напряжения, представляющий некоторые физические измерения.Это, безусловно, самое популярное применение мостовых измерительных схем в промышленности, и здесь мы видим, что та же схема используется совершенно иначе, чем сбалансированная схема моста Уитстона.

Здесь мост будет сбалансирован только тогда, когда \ (R_ {sensor} \) находится на одном конкретном значении сопротивления. В отличие от моста Уитстона, который служит для измерения стоимости компонента, когда схема сбалансирована, эта мостовая схема, вероятно, проведет большую часть своей жизни в несбалансированном состоянии. Выходное напряжение изменяется в зависимости от сопротивления датчика, что делает это напряжение отражением физического состояния датчика. В приведенной выше схеме мы видим, что выходное напряжение увеличивается (положительное на верхнем проводе, отрицательное на нижнем проводе) по мере увеличения сопротивления \ (R_ {sensor} \).

Одним из наиболее распространенных применений этого типа мостовой схемы является измерение деформации, когда механическая деформация объекта преобразуется в электрический сигнал. Используемый здесь датчик представляет собой устройство, известное как тензодатчик : сложенный провод, предназначенный для растягивания и сжатия тестируемого объекта, соответственно изменяя его электрическое сопротивление.Тензодатчики обычно довольно маленькие, как показано на этой фотографии:

Тензодатчики

полезны при приклеивании к металлическим образцам, обеспечивая средства электрического измерения деформации («растяжение» или «сжатие» этого образца). Следующая мостовая схема является типичным применением тензодатчика:

Когда образец растягивается вдоль его длинной оси, металлические проволоки тензодатчика растягиваются вместе с ним, увеличивая свою длину и уменьшая площадь поперечного сечения, что увеличивает электрическое сопротивление проволоки.Это растяжение имеет микроскопические масштабы, но изменение сопротивления можно измерить и повторить в пределах предела упругости образца. В приведенном выше примере схемы растяжение образца приведет к тому, что вольтметр будет показывать масштабную шкалу (как определено метками полярности). Сжатие образца вдоль его длинной оси имеет противоположный эффект, уменьшая сопротивление тензодатчика и уменьшая его масштаб.

Тензодатчики используются для точного измерения деформации (растяжения или сжатия) механических элементов.Одним из применений тензодатчиков является измерение деформации компонентов машин, таких как компоненты рамы автомобиля или самолета, проходящие испытания при разработке конструкции. Другое приложение — измерение силы в устройстве, называемом тензодатчиком . «Динамометрический датчик» состоит из одного или нескольких тензодатчиков, прикрепленных к поверхности металлической конструкции, имеющей точно известные упругие свойства. Эта металлическая конструкция будет очень точно растягиваться и сжиматься под действием приложенной силы, как если бы это была чрезвычайно жесткая пружина.Тензодатчики, прикрепленные к этой конструкции, измеряют деформацию, преобразуя приложенную силу в изменения электрического сопротивления.

Вы можете увидеть, как выглядит тензодатчик на следующей фотографии:

Тензодатчики — не единственный динамический элемент, применимый в мостовых схемах. Фактически, любой датчик на основе сопротивления может использоваться в мостовой схеме для преобразования физического измерения в электрический сигнал (напряжение). Термисторы (изменение сопротивления в зависимости от температуры) и фотоэлементы (изменение сопротивления в зависимости от освещения) — это всего лишь две альтернативы тензодатчикам.

Следует отметить, что величина напряжения, выдаваемого этой мостовой схемой, зависит как от величины изменения сопротивления датчика , так и от значения источника возбуждения. Эта зависимость от значения напряжения источника является основным различием между схемой чувствительного моста и (сбалансированной) мостовой схемой Уитстона. В идеально сбалансированном мосту напряжение возбуждения не имеет значения: выходное напряжение равно нулю независимо от того, какое значение напряжения источника вы используете. Однако в несимметричной мостовой схеме значение напряжения источника имеет значение! По этой причине эти мостовые схемы часто оцениваются с точки зрения того, сколько милливольт на выходе они производят на вольт возбуждения на единицу физического измерения (микроны напряжения, ньютоны напряжения и т. Д.).

Интересной особенностью схемы измерительного моста является ее способность нейтрализовать нежелательные переменные. В случае тензодатчика, например, механическая деформация — не единственная переменная, влияющая на сопротивление датчика. Температура также влияет на сопротивление датчика. Поскольку мы не хотим, чтобы наш тензодатчик также действовал как термометр (что сделало бы измерения очень неопределенными — как бы мы могли отличить эффекты изменения температуры от эффектов изменения деформации?), Мы должны найти способ свести на нет изменения сопротивления из-за исключительно на температуру, так что наша мостовая схема будет реагировать только на изменение напряжения.Решение состоит в том, чтобы творчески использовать «манекен» тензодатчика в качестве еще одного плеча моста:

«Манекен» прикрепляют к образцу таким образом, чтобы он поддерживал ту же температуру, что и активный датчик деформации, но не испытывал деформации. Таким образом, любая разница в в измерительных сопротивлениях должна быть вызвана исключительно деформацией образца. Дифференциальный характер мостовой схемы естественным образом преобразует дифференциальное сопротивление двух датчиков в один сигнал напряжения, отражающий деформацию.

Если вместо тензодатчиков используются термисторы, эта цепь становится дифференциальным датчиком температуры. Цепи измерения разности температур используются в системах управления солнечным отоплением, чтобы определить, когда солнечный коллектор более горячий, чем нагреваемая комната или теплоаккумулирующая масса.

Цепи измерительного моста также могут иметь более одного активного «плеча». Все примеры, которые вы видели до сих пор в этом разделе, представляют собой четвертьактивных мостовых схем . Однако можно включить более одного датчика в одну мостовую схему.Пока изменения сопротивления датчиков согласованы, их совокупный эффект будет заключаться в повышении чувствительности (а часто и линейности) измерения.

Например, полностью активный мост Цепи иногда состоят из четырех тензодатчиков, где каждый тензодатчик представляет собой одно плечо моста. Два тензодатчика должны сжиматься, а два других должны растягиваться под действием той же механической силы, чтобы мост стал неуравновешенным при деформации:

Полноактивная мостовая схема не только обеспечивает большую чувствительность и линейность, чем четвертьактивный мост, но также , естественно, обеспечивает температурную компенсацию без необходимости использования «фиктивных» тензодатчиков, поскольку сопротивления всех четырех тензодатчиков будут изменится на такую ​​же пропорцию при изменении температуры образца.

Схема моста Уитстона

Электрические цепи используются в авиакосмической технике,
от систем управления полетом до приборов в кабине и двигателей
системы управления, чтобы
аэродинамическая труба
приборостроение и эксплуатация.
Самая простая схема включает один резистор
и источник электрического потенциала или напряжения . Электроны проходят через
схема вырабатывает тока электричества.Сопротивление,
напряжение и ток связаны друг с другом соотношением
Закон Ома.
Обычно в практической схеме используется более одного резистора.
При анализе схем с
несколько резисторов, мы должны определить, подвержены ли резисторы
какое-то напряжение или такой же ток. Несколько резисторов в
параллельная цепь
подвергаются одинаковому напряжению. Несколько резисторов в
последовательная цепь
подвергаются одинаковому току. На этой странице мы обсуждаем
схема моста Уитстона , которая является
важная схема, которая используется в приборах в аэродинамической трубе

Если обозначить сопротивление R , ток и , а напряжение
В , то закон Ома гласит, что для каждого резистора в цепи:

V = i R

я = V / R

На рисунке изображена схема, состоящая из источника питания и четырех резисторов.
соединены в квадрат.Резисторы соединены между собой в узлах
которые помечены от a до c. Схема содержит потенциометр , помеченный
G , который определяет разницу напряжений между узлами c и b .
Значение потенциометра отображается в
пункт управления.
Если рассматривать каждый резистор отдельно, каждый резистор имеет свой ток
( i1 , i2 , i3 и i4 ),
сопротивление
( R1 , R2 , R3 и R4 ),
и напряжение
( V1 , V2 , V3 и V4 ), которые связаны с каждым
другое — по закону Ома.На практике резисторы фактически будут сопротивлением, обеспечиваемым
тензодатчик в аэродинамической трубе
система баланса сил.

Резисторы R1 и R3 подключены в
ряд через узел б . Следовательно
такой же ток протекает через R1 и R3 .

я (1-3) = я1 = я3

а значение i (1-3) можно определить по закону Ома:

я (1-3) = V / (R1 + R3)

Точно так же последовательно подключаются резисторы R2 и R4 и
одинаковый ток i (2-4) протекает через эти резисторы. Сила тока определяется по формуле:

я (2-4) = V / (R2 + R4)

Изменение напряжения от узлов a к узлу b определяется как:

Vb — Va = i (1-3) R1 = V R1 / (R1 + R3)

Точно так же изменение напряжения от узла a к узлу c определяется по формуле:

Vc — Va = i (2-4) R2 = V R2 / (R2 + R4)

Потенциометр G измеряет разницу напряжений между узлами b
и c .

G = Vc — Vb = (Vc — Va) — (Vb — Va)

G = V [{R2 / (R2 + R4)} — {R1 / (R1 + R3)}]

G / V = ​​[(R2 R3) — (R1 R4)] / [(R1 + R3) (R2 + R4)]

Это последнее уравнение объясняет, как схему моста Уитстона можно использовать для
устранение температурной погрешности при использовании тензодатчика для определения силы ветра
модель туннеля. К модели подключаются два тензодатчика, а выход из
датчики помещены в мост Уитстона как R1 и R2.Равные «балластные» резисторы бывают
размещены в R3 и R4. Если датчик подвергается
При повышении температуры сопротивление в R1 и R2 увеличивается на одинаковую величину.
Но поскольку потенциометр измеряет разницу в сопротивлении между R1 и R2,
чтение остается прежним.

Навигация ..

Руководство для начинающих Домашняя страница

Уравнения и вывод цепей моста Уитстона

Уравнения и вывод цепей моста Уитстона

База данных по электронике, КИПиА
Поставщики датчиков и преобразователей Меню

Уравнения и вывод цепей моста Уитстона

Связанные ресурсы:

На рисунке ниже показан базовый мост
цепь, состоящая из трех известных сопротивлений R ₁ ,
R ₂ , и R ₃ (переменная), неизвестно
переменный резистор R _X (RTD), источник напряжения,
и чувствительный амперметр.

Резисторы R ₁ и R ₃ являются
соотношение плеч моста. Они соотносят две переменные
сопротивления для протекания тока через амперметр. ₂ руб.
переменный резистор, известный как стандартное плечо,
отрегулирован в соответствии с неизвестным резистором. Чувствительный амперметр
визуально отображает ток, протекающий через
мостовая схема.Анализ схемы показывает, что при R ₂
настроен так, чтобы амперметр показывал нулевой ток,
сопротивление обоих плеч мостовой схемы одинаковое.
Уравнение ниже показывает соотношение сопротивления между
два рукава моста.

Так как значения R ₁ , R ₂ ,
и R ₃ являются известными значениями, единственное неизвестное значение — R _x . Стоимость R _x может быть рассчитана для моста.
при нулевом токе амперметра. Зная это
значение сопротивления обеспечивает исходную точку для калибровки
прибор, подключенный к мостовой схеме. Неизвестный
сопротивление, R _x , определяется по формуле :.

История:

Мост Уитстона был изобретен Сэмюэлем Хантером Кристи в 1833 году и усовершенствован и популяризирован сэром Чарльзом Уитстоном в 1843 году.Он используется для измерения неизвестного электрического сопротивления путем уравновешивания двух ножек мостовой схемы, одна ножка которой включает неизвестный компонент. Его работа аналогична оригинальному потенциометру.

Деривация:

Во-первых, первое правило Кирхгофа используется для нахождения токов в переходах B и D:

Затем второе правило Кирхгофа используется для определения напряжения в контурах ABD и BCD:

Мост сбалансирован и Ig = 0, поэтому вторую систему уравнений можно переписать как:

Затем уравнения делятся и переставляются, давая:

Из первого правила, I ₃ = I _x и I ₁ = I ₂ . Требуемая стоимость _x рэнд теперь известна как:

.

Если все четыре номинала резистора и напряжение питания (VS) известны, а сопротивление гальванометра достаточно велико, так что Ig можно пренебречь, напряжение на мосту (VG) можно найти, рассчитав напряжение для каждого потенциала. делитель и вычитая одно из другого. Уравнение для этого:

Это можно упростить до:

где VG — напряжение узла B относительно узла D.

Мост Уитстона — Производство тензодатчиков

Конфигурации тензометрических датчиков

с четвертьмостом, полумостом и полным мостом Уитстона.

Все конфигурации тензодатчиков основаны на концепции моста Уитстона.
Мост Уитстона представляет собой сеть из четырех резистивных ветвей. Одна или несколько из этих ног могут быть активными чувствительными элементами. На рисунке 1-1 показана принципиальная схема моста Уитстона.

Рисунок 1-1 .Принципиальная электрическая схема моста Уитстона

Мост Уитстона является электрическим эквивалентом двух параллельных цепей делителя напряжения. R1 и R2 составляют одну схему делителя напряжения, а R4 и R3 составляют вторую схему делителя напряжения. Выходной сигнал моста Уитстона измеряется между средними узлами двух делителей напряжения.
Физические явления, такие как изменение деформации, приложенной к образцу, или температурный сдвиг, изменяют сопротивление чувствительных элементов в мосте Уитстона.Конфигурация моста Уитстона используется для измерения небольших изменений сопротивления, создаваемых чувствительными элементами, соответствующих физическим изменениям в образце.
Конфигурации тензодатчиков устроены как мосты Уитстона. Датчик — это совокупность всех активных элементов моста Уитстона. Существует три типа конфигураций тензодатчиков: четвертьмостовая, полумостовая и полная. Количество плеч активного элемента в мосту Уитстона определяет тип конфигурации моста.Обратитесь к Таблице 1-1, чтобы узнать, сколько активных элементов находится в каждой конфигурации.

Каждая из этих трех конфигураций подразделяется на несколько типов конфигураций. Ориентация активных элементов и вид измеряемой деформации определяют тип конфигурации

.

Аббревиатуры, формулы и определения переменных

На рисунках и уравнениях в этом документе сокращения, формулы и переменные определены как:

e — измеренная деформация (+ e — деформация растяжения, -e — деформация сжатия).
e _S — смоделированная деформация.
GF — коэффициент манометра, который должен указываться изготовителем манометра.
R _г — номинальное сопротивление датчика, которое должно быть указано производителем датчика.
R _L — сопротивление свинца. Если длина проводов велика, RL может значительно повлиять на точность измерения.
Rs — значение резистора калибровки шунта.
U — отношение ожидаемого напряжения сигнала к напряжению возбуждения при включенной схеме калибровки шунта.Параметр U появляется в уравнениях для моделируемой деформации и определяется следующим уравнением:

n — коэффициент Пуассона, определяемый как отрицательное отношение поперечной деформации к осевой деформации (продольной) деформации.
В _CH — напряжение измеренного сигнала.
В _EX — напряжение возбуждения.
В _r — это отношение напряжений, которое используется в уравнениях преобразования напряжения в деформацию и определяется следующим уравнением:

Четвертьмост типа I

В этом разделе представлена ​​информация для четвертьмостового тензодатчика типа I.Четвертьмост типа I измеряет осевую деформацию или деформацию изгиба.

Рисунок 1-2 . Четверть-мостовой тип I для измерения осевой деформации и деформации изгиба

Четвертьмост типа I имеет следующие характеристики:

• Один активный тензодатчик устанавливается в основном направлении осевой деформации или деформации изгиба.
• Пассивный резистор завершения четвертьмоста (фиктивный резистор) требуется в дополнение к завершению полумоста.
• Изменение температуры образца снижает точность измерений.
• Чувствительность на 1000 мкс составляет ~ 0,5 мВ _{на выходе} / В _EX на входе.

Рисунок 1-3. Схема четвертьмостового типа I

Следующие символы относятся к принципиальной схеме и уравнениям:

• R1 и R2 — полумостовые резисторы завершения.
• R3 — четвертьмостовой завершающий резистор (фиктивный резистор).
• R4 — активный тензометрический элемент, измеряющий деформацию растяжения (+ e).

Для преобразования показаний напряжения в единицы деформации используйте следующее уравнение:

Чтобы смоделировать влияние на деформацию применения шунтирующего резистора через R ₃ , используйте следующее уравнение:

Четверть-мост, тип II

В этом разделе представлена ​​информация о конфигурации четвертьмостового тензодатчика типа II.
Четвертьмост типа II измеряет осевую деформацию или деформацию изгиба.

Рисунок 1-4. Четверть-мостовой тип II для измерения осевой деформации и деформации изгиба

Четвертьмост типа II имеет следующие характеристики:

• Один активный тензометрический элемент и один пассивный термочувствительный четвертьмостовой элемент (фиктивный датчик). Активный элемент устанавливается в направлении осевой деформации или деформации изгиба. Манекен устанавливается в тесном тепловом контакте с образцом деформации, но не прикрепляется к образцу, и обычно устанавливается поперек (перпендикулярно) основной оси деформации.
• Эту конфигурацию часто путают с конфигурацией полумоста I типа, с той разницей, что в конфигурации полумоста I типа элемент R3 активен и связан с образцом деформации для измерения влияния коэффициента Пуассона.

Резисторы завершения

• обеспечивают завершение полумоста.
• Компенсирует температуру.
• Чувствительность на 1000 мкс составляет ~ 0,5 мВ _{на выходе} / В _EX на входе.

Рисунок 1-5.Принципиальная схема четвертьмостового типа II

Следующие символы относятся к принципиальной схеме и уравнениям:

• R ₁ и R ₂ — полумостовые резисторы завершения.
• R ₃ — четвертьмостовой термочувствительный элемент (манекен).
• R ₄ — активный тензометрический элемент, измеряющий деформацию растяжения (+ e).

Для преобразования показаний напряжения в единицы деформации используйте следующее уравнение:

Чтобы смоделировать влияние на деформацию применения шунтирующего резистора через R ₃ , используйте следующее уравнение:

Полумост типа I

В этом разделе представлена ​​информация о конфигурации полумостового тензодатчика типа I.Полумост типа I измеряет осевую деформацию или деформацию изгиба.

Рисунок 1-6. Полумост типа I для измерения осевой деформации и деформации изгиба

Полумост типа I имеет следующие характеристики:

• Два активных тензометрических элемента. Один установлен в направлении осевой деформации, другой действует как датчик Пуассона и устанавливается поперек (перпендикулярно) главной оси деформации.

Резисторы завершения

• обеспечивают завершение полумоста.
• Чувствителен как к осевой деформации, так и к деформации изгиба.
• Компенсирует температуру
• Компенсирует совокупное влияние на измерение основной деформации из-за коэффициента Пуассона материала образца.
• Чувствительность на 1000 мкс составляет ~ 0,65 мВ _{на выходе} / В _EX на входе.

Рисунок 1-7. Принципиальная схема полумоста типа I

Следующие символы относятся к принципиальной схеме и уравнениям:

• R ₁ и R ₂ — полумостовые резисторы завершения.
• R ₃ — активный тензометрический элемент, измеряющий сжатие от эффекта Пуассона (–ne).
• R ₄ — активный тензометрический элемент, измеряющий деформацию растяжения (+ e).

Для преобразования показаний напряжения в единицы деформации используйте следующее уравнение:

Чтобы смоделировать влияние на деформацию применения шунтирующего резистора через R ₃ , используйте следующее уравнение:

Полумост типа II

В этом разделе представлена ​​информация о конфигурации полумостового тензодатчика типа II.
Полумост типа II измеряет только деформацию изгиба.

Рисунок 1-8. Полумост типа II, отклоняющий осевую и измерительную деформацию изгиба

Конфигурация полумоста типа II имеет следующие характеристики:

• Два активных тензометрических элемента. Один установлен в направлении деформации изгиба на одной стороне деформированного образца (вверху), другой — в направлении деформации изгиба на противоположной стороне (внизу).

Резисторы завершения

• обеспечивают завершение полумоста.
• Чувствителен к деформации изгиба.
• Отклоняет осевую деформацию.
• Компенсирует температуру.
• Чувствительность на 1000 мкс составляет ~ 1 мВ _{на выходе} / В _EX на входе.

Рисунок 1-9. Принципиальная схема полумоста типа II

Следующие символы относятся к принципиальной схеме и уравнениям:

• R ₁ и R ₂ — полумостовые резисторы завершения.
• R ₃ — активный тензометрический элемент, измеряющий деформацию сжатия (–e).
• R ₄ — активный тензометрический элемент, измеряющий деформацию растяжения (+ e).

Для преобразования показаний напряжения в единицы деформации используйте следующее уравнение:

Чтобы смоделировать влияние на деформацию применения шунтирующего резистора через R ₃ , используйте следующее уравнение:

Полный мост I

В этом разделе представлена ​​информация для полномостового тензодатчика типа I.
Мостовой мост типа I измеряет только деформацию изгиба.

Рисунок 1-10. Полномостовой мост типа I для подавления осевой деформации и измерения деформации изгиба

Конфигурация полного моста типа I имеет следующие характеристики:

• Четыре активных тензометрических элемента. Два устанавливаются в направлении деформации изгиба на одной стороне деформированного образца (вверху), два других устанавливаются в направлении деформации изгиба на противоположной стороне (внизу).
• Очень чувствителен к деформации изгиба.
• Отклоняет осевую деформацию.
• Компенсирует температуру.
• Компенсирует сопротивление проводов.
• Чувствительность на 1000 мкс составляет ~ 2,0 мВ _{на выходе} / В _EX на входе.

Рисунок 1-11. Принципиальная схема полномостового типа I типа

Следующие символы относятся к принципиальной схеме и уравнениям:

Для преобразования показаний напряжения в единицы деформации используйте следующее уравнение:

Чтобы смоделировать влияние на деформацию применения шунтирующего резистора через R ₃ , используйте следующее уравнение:

Полный мост, тип II

В этом разделе представлена ​​информация о конфигурации тензодатчика типа II с полным мостом.
Мостовой мост типа II измеряет только деформацию изгиба.

Рисунок 1-12. Полномостовой мост, тип II, отклоняющий осевую и измерительную деформацию изгиба

Конфигурация полного моста типа II имеет следующие характеристики:

• Четыре активных тензометрических элемента. Два устанавливаются в направлении деформации изгиба, причем один с одной стороны деформированного образца (вверху), а другой — с противоположной стороны (внизу). Два других действуют вместе как пуассоновский манометр и устанавливаются поперек (перпендикулярно) главной оси деформации, причем один находится на одной стороне образца деформации (вверху), а другой — на противоположной стороне (внизу).
• Отклоняет осевую деформацию.
• Компенсирует температуру.
• Компенсирует совокупное влияние на измерение основной деформации из-за коэффициента Пуассона материала образца.
• Компенсирует сопротивление проводов.
• Чувствительность на 1000 мкс составляет ~ 1,3 мВ _{на выходе} / В _EX на входе.

Рисунок 1-13. Принципиальная схема полномостового моста типа II

Следующие символы относятся к принципиальной схеме и уравнениям:

• R ₁ — активный тензодатчик, измеряющий эффект Пуассона сжатия (–ne).
• R ₂ — активный тензометрический элемент, измеряющий эффект Пуассона при растяжении (+ ne).
• R ₃ — активный тензометрический элемент, измеряющий деформацию сжатия (–e).
• R 4 — активный тензометрический элемент, измеряющий деформацию растяжения (+ e).

Для преобразования показаний напряжения в единицы деформации используйте следующее уравнение:

Чтобы смоделировать влияние на деформацию применения шунтирующего резистора через R ₃ , используйте следующее уравнение:

Полный мост, тип III

В этом разделе представлена ​​информация для полномостового тензодатчика типа III.
Мостовой мост типа III измеряет только осевую деформацию.

Рисунок 1-14. Полномостовой тип III для измерения осевой и отклоняющей деформации изгиба

Конфигурация полного моста типа III имеет следующие характеристики:

• Четыре активных тензометрических элемента. Два монтируются в направлении осевой деформации: один с одной стороны деформируемого образца (вверху), другой — с противоположной стороны (внизу). Два других действуют вместе как пуассоновский манометр и устанавливаются поперек (перпендикулярно) главной оси деформации, причем один находится на одной стороне образца деформации (вверху), а другой — на противоположной стороне (внизу).
• Компенсирует температуру.
• Не допускает деформации изгиба.
• Компенсирует совокупное влияние на измерение основной деформации из-за коэффициента Пуассона материала образца.
• Компенсирует сопротивление проводов.
• Чувствительность на 1000 мкс составляет ~ 1,3 мВ _{на выходе} / В _EX на входе.

Рисунок 1-15. Принципиальная схема полного моста типа III

Следующие символы относятся к принципиальной схеме и уравнениям:

• R ₁ — активный тензодатчик, измеряющий эффект Пуассона сжатия (–ne).
• R ₂ — активный тензометрический элемент, измеряющий деформацию растяжения (+ e).
• R ₃ — активный тензодатчик, измеряющий эффект Пуассона сжатия (–ne).
• R ₄ — активный тензодатчик, измеряющий деформацию растяжения (+ e).

Для преобразования показаний напряжения в единицы деформации используйте следующее уравнение:

Чтобы смоделировать влияние на деформацию применения шунтирующего резистора через R ₃ , используйте следующее уравнение:

Построение мостовой схемы

— Inst Tools

На рисунке 1 показана базовая мостовая схема, состоящая из трех известных сопротивлений R1, R2 и R3 (переменное), неизвестного переменного резистора RX (RTD), источника напряжения и чувствительного амперметра.

Рисунок 1 Мостовая схема

Резисторы R1 и R2 являются плечами передаточного числа моста. Они соотносят два переменных сопротивления для тока, протекающего через амперметр. R3 — это переменный резистор, известный как стандартное плечо, которое настраивается в соответствии с неизвестным резистором. Чувствительный амперметр визуально отображает ток, протекающий по мостовой схеме. Анализ схемы показывает, что при настройке R3 так, чтобы амперметр считывал нулевой ток, сопротивление обоих плеч мостовой схемы одинаково.Приведенное ниже уравнение 1 показывает соотношение сопротивления между двумя плечами моста.

Поскольку значения R1, R2 и R3 являются известными значениями, неизвестным является только Rx. Значение Rx может быть рассчитано для моста при нулевом токе амперметра. Знание этого значения сопротивления дает базовую точку для калибровки прибора, подключенного к мостовой схеме. Неизвестное сопротивление Rx определяется уравнением 2 ниже.

Работа мостовой схемы

Мост работает, помещая Rx в схему, как показано на рисунке 1, и затем регулируя R3 так, чтобы весь ток протекал через плечи мостовой схемы. Когда это условие существует, ток через амперметр не течет и мост считается сбалансированным. Когда мост уравновешен, токи через каждое из плеч точно пропорциональны. Они равны, если R1 = R2. В большинстве случаев мост строится так, что R1 = R2. В этом случае и мост сбалансирован, тогда сопротивление Rx такое же, как R3, или Rx = R3.

Когда баланс существует, R3 будет равно неизвестному сопротивлению, даже если источник напряжения нестабилен или точно не известен.Типичный мост Уитстона имеет несколько циферблатов, используемых для изменения сопротивления. После того, как мост уравновешен, можно будет прочитать циферблаты, чтобы найти значение R3. Мостовые схемы можно использовать для измерения сопротивления с точностью до десятых и даже сотых процента. При использовании для измерения температуры точность некоторых мостов Уитстона с прецизионными резисторами составляет около + 0,1 ° F.

В схемах определения температуры термометра сопротивления используются два типа мостовых схем (несимметричная и симметричная). В несимметричной мостовой схеме (рис. 2) используется милливольтметр, калиброванный в единицах температуры, соответствующих сопротивлению RTD.

Рисунок 2 Несимметричная мостовая схема

Аккумулятор подключается к двум противоположным точкам мостовой схемы. Милливольтметр подключается к двум оставшимся точкам. Реостат регулирует ток моста. Регулируемый ток делится между ветвью с постоянным резистором и резистором диапазона R1 и ветвью с резистором RTD и резистором диапазона R2.По мере изменения электрического сопротивления RTD изменяется напряжение в точках X и Y. Милливольтметр определяет изменение напряжения, вызванное неравномерным разделением тока в двух ветвях. Измеритель может быть откалиброван в единицах температуры, потому что единственное изменяющееся значение сопротивления — это сопротивление RTD.

В сбалансированной мостовой схеме (рис. 3) используется гальванометр для сравнения сопротивления RTD с сопротивлением постоянного резистора. В гальванометре используется стрелка, которая отклоняется в обе стороны от нуля, когда сопротивление плеч не равно. Сопротивление скользящей проволоки регулируют до тех пор, пока гальванометр не покажет ноль. Затем значение сопротивления скольжению используется для определения температуры контролируемой системы.

Рисунок 3 Сбалансированная мостовая схема

Резистор скользящего типа используется для балансировки плеч моста. Схема будет сбалансирована всякий раз, когда значение сопротивления скользящей проволоки таково, что через гальванометр не протекает ток. Для каждого изменения температуры есть новое значение; поэтому ползунок необходимо переместить в новое положение, чтобы сбалансировать схему.

Температурная компенсация

Из-за изменений температуры окружающей среды необходимо выполнить компенсацию схемы термометра сопротивления. Резисторы, которые используются в измерительной схеме, выбираются таким образом, чтобы их сопротивление оставалось постоянным в ожидаемом диапазоне температур. Температурная компенсация также достигается за счет конструкции электронной схемы для компенсации изменений окружающей среды в шкафу с оборудованием. Также возможно, что сопротивление детектора может измениться из-за изменения температуры окружающей среды.Чтобы компенсировать это изменение, используются трех- и четырехпроводные схемы RTD. Таким образом, в обеих ветвях мостовой схемы используется одинаковое количество выводных проводов, и изменение сопротивления будет ощущаться на обеих ветвях, сводя на нет эффекты изменения температуры.

Сводка

Работа схемы определения температуры кратко описана ниже.

В базовую мостовую схему входят:

• Два известных резистора (R1 и R2), которые используются для соотношения регулируемого и известного сопротивлений
• Один известный переменный резистор (R3), который используется для согласования с неизвестным переменным резистором
• Один неизвестный резистор (Rx), который используется для измерения температуры
• Чувствительный амперметр, показывающий ток, протекающий через мостовую схему

Мостовая схема считается сбалансированной, если измерительный амперметр показывает нулевой ток.

Базовый прибор для измерения температуры состоит из:

• RTD для измерения температуры
• Мостовая сеть для преобразования сопротивления в напряжение
• Преобразователь постоянного напряжения в переменный для подачи усиливаемого сигнала переменного тока на усилитель
• Усилитель сигнала переменного тока для усиления сигнала переменного тока до приемлемого уровня

Обрыв цепи в измерителе температуры указывается очень высокой температурой. На короткое замыкание в температурном приборе указывает очень низкая температура.

Компенсация температуры окружающей среды прибором для измерения температуры осуществляется посредством:

• Выбор резистора измерительной цепи
• Конструкция электронной схемы
• Использование трех- или четырехпроводных цепей RTD

.