Мости постійного струму

1.

Мости постійного струму призначені для точних вимірю­вань електричних опорів і являють собою технічну реаліза­цію одного з варіантів методу зрівноважувального перетво­рення. Порівняння цих опорів здійснюється зведенням до нуля (або вимірюванням) різниці спадів напруг на вимірю­ваному та зразковому опорах. Напруга живлення моста береться від стороннього джерела, а різниця зрівнюваних напруг утворюється самою мостовою схемою і виявляється нульовим індикатором.

а) Найпростіші схеми одинарних мостів подано на рис. 65. Резистори R1, R2, R3 і R4 (їх називають плечами моста) з'єднані в кільце. Точки з'єднання опорів називають вер­шинами моста. Кожна з двох пар протилежних вершин моста утворюють діагоналі, в одну з яких вмикають джерело живлення (діагональ живлення), в іншу — нуль-індикатор (індикаторна діагональ).

Рис.65.Принципіальні схеми одинарних мостів постійного струму.

Залежно від наявності чи відсутності напруги в індика­торній діагоналі в момент відліку вимірюваної величини мости поділяють на зрівноважені та незрівноважені. Не-зрівноважені схеми знайшли переважне застосування при вимірюваннях неелектричних величин, попередньо перетво­рених на електричний опір, а також у процентних мостах, що вимірюють відхилення опору від його номінального значення.

Різниця напруг між точками А і В дорівнює нулю за умови

Ця рівність складає умову рівноваги моста. Отже, рівно­вага мостової схеми не залежить ні від напруги джерела живлення, ні від опорів діагоналей моста. Це визначає такі основні властивості зрівноваженої мостової схеми, як можливість взаємозаміни місць ввімкнення джерела жив­лення та нуль-індикатора і незалежність умови рівноваги від режиму роботи діагоналей (від зміни опорів будь-якої діагоналі від 0 до ∞). Першу властивість використовують для вибору оптимальної чутливості заданої мостової схеми, другу—при вимірюваннях методом умовного нуля, що застосовується для усунення впливу контактних і термо-е. р. с. на результат вимірювань (п. 13.4).

Якщо один з опорів плечей моста є невідомим, то його значення може бути визначене через опори решти трьох відомих плечей, наприклад,

Як видно з цього рівняння, значення опору R_x порів­нюється із значенням опору R₄ У масштабі відношення R_2/R₃. Плечі Rx та R4, суміжні в мостовій схемі, називають плечами порівняння (найчастіше ця назва застосовується лише до плеча R4). Два інших су­міжних плеча моста, опори яких виступають у вигляді відно­шення R2lR₃, називають плечами відношення.

Рис. 66. Схема одинарного моста з чотиризатискачевим під'єднанням вимірюваного опору.

У широкодіапазонних оди­нарних мостах постійного стру­му плече порівняння виготов­ляють у вигляді багатодекадного важільного магазина опо­ру, який використовується для плавного ручного зрівноважу­вання моста. Звичайно це багатодекадний магазин із значенням найменшого ступе­ня молодшої декади 0,1; 0,01 або 0,001 Ом. Плечі від­ношення виготовляють у вигляді подільника напруги або штепсельних магазинів з опорами 10, 100, 1000, 10000 та 100000 Ом кожне, що дозволяє дістати значення їх відно­шення відповідно від 10 до 10⁴. Другий варіант зручний тим, що дає можливість вибору різних значень опорів, щоб дістати одне й те саме їх відношення, чим і забезпечує можливість вибору оптимальної чутливості моста.

На рис. 65,6 подано схему одинарного моста, в якому регулюючим є плече, протилежне до rx. Такі мости часто називають мостами добутку чи провідності, оскільки вимі­рюваний опір визначається за формулою

Такі схеми знайшли переважне застосування в автома­тичних цифрових мостах постійного струму.

б) Вимірювані опори можна вмикати в міст за двозатискачевою або чотиризатискачевою схемами. Нижня межа вимі­рювання одинарних мостів за двозатискачевою схемою обмежується похибками, які вносять опори з'єднувальних провідників і перехідних контактів. Застосування схем з чотиризатискачевим під'єднанням R_x (рис. 66) дало мож­ливість розширити нижню межу діапазону вимірювань оди­нарних мостів до 0,5—0,001 Ом. Дійсно, опори з'єдну­вальних провідників r3 і r4 не впливають у цій схемі на результати вимірювань, оскільки вони ввімкнені послідовно з джерелом живлення та нуль-індикатором, а вплив опорів r1 і г₂ значно зменшений внаслідок того, що вони додаються до опорів плечей моста, які вибирають значно більшими, ніж Rx. Щоб звести цей вплив до мінімуму, в деяких мостах опори плечей R2 та R4 беруть заздалегідь зменшеними на значення опору r _п каліброваних з'єднувальних провідни­ків, якими під'єднують до моста вимірюваний опір. Проте треба зазначити, що такий метод не усуває впливу власних виводів вимірюваних опорів.

Рис. 67. Способи захисту мостів постійного струму від струмів витоку.

Рис. 68. Принципіальна схема подвійного моста постійного струму.

в) Верхня межа вимірювання одинарного моста без захис­ту від впливу струмів витоку становить 10⁵ Ом, а при на­явності спеціальних схемних методів захисту — 10 - 10¹⁶ Ом. Суть захисту полягає в розміщенні плечей мостової схеми на екрані (звичайно це металева панель самого при­ладу), до якого приєднують також екрани вимірюваного опору, нуль-індикатора та джерела напруги. На екран по­дають напругу, еквіпотенціальну з напругою індикаторної діагоналі, що здійснюється з допомогою спеціальної вітки моста (захисна вітка Вагнера) або без неї (рис. 67). В остан­ньому випадку з екраном з'єднують одну з вершин моста, в якій сходяться низькоомні опори (рис. 67,6). Таке вико­нання захисту відповідає граничному значенню опорів вітки Вагнера, коли R_В2= 0, a R_B1 = ∞. Треба зауважити, що вітка Вагнера забезпечує повне усунення впливу струмів витоку на результати вимірювань, а ЇЇ спрощений варіант лише зменшує цей вплив.

г) Для вимірювань опорів у діапазоні від 100 до 10~⁸ Ом застосовують подвійні (шестиплечі) мости постійного струму (рис. 68).

Для зрівноваженого подвійного моста (uab = 0 або Iг = 0) матимемо:

Розв'язуючи ці рівняння відносно Rx,

Членом d при визначенні опору Rx звичайно нехтують і користуються

більш зручною формулою:

Для того щоб d = 0, треба забезпечити

З цією метою плечі R1 і R4, а також R2 і R3 беруть по­парно рівними. Проте слід пам'ятати, що рівності R1= R4і R₂= R₃ можуть бути забезпечені лише з певною точністю, яка залежить від точності підгонки цих опорів. Тому при вимірюваннях дуже малих опорів треба враховувати мож­ливість впливу члена d на результат вимірювань і прийняти додаткові заходи усунення цього впливу.

Особливістю подвійних мостів є те, що вони допускають вимірювання малих опорів при великому навантаженні струмом, чим істотно відрізняються від одинарних мостів. Тому основне застосування подвійних мостів зводиться до вимірювань дуже малих опорів в діапазоні від 10~³ до ΙΟ'⁸ Ом.

Основні параметри і технічні вимоги до мостів постій­ного струму регламентуються ГОСТ 7165—66. Згідно з цим стандартом, мости є класів точності від 0,005 до 5, причому клас точності визначається за найбільш допустимою від­носною похибкою вимірювання в певних для кожного моста межах вимірювань. Багатодіапазонні мости мають різні класи точності.

д) Четирехплечий (одинарний) міст постійного струму

Міст постійного струму містить чотири резистора, з'єднаних в кільцевої замкнутий контур. Резистори Rl, R2, R3 і R4 цього контуру називаються плечима моста, а точки з'єднання сусідніх плечей - вершинами моста. Ланцюги, що з'єднують протилежні вершини, називають діагоналями. Одна з діагоналей (3-4) містить джерело пітаніяGB, а інша (1-2) - покажчик рівноваги PG.

Міст називається врівноваженим, якщо різниця потенціалів між точками 1 і 2 дорівнює нулю, тобто напруга на діагоналі, яка містить індикатор нуля, відсутній і струм через індикатор дорівнює нулю.

Ріс.4.23. Схема четирехплечого (одинарного) моста постійного струму

Співвідношення між опорами плечей, при якому міст зрвноважений, називається умовою рівноваги моста. Це умова можна отримати, використовуючи закони Кірхгофа для розрахунку мостової схеми. Наприклад, для одинарного моста постійного струму залежність протекающего через індикатор нуля (гальванометр) PG струму IG від со-опорів плечей, опору гальванометра RG і напруги живлення U має вигляд

(4.38)

Ток IG = 0 за умови R1R4 = R2R3.

Це і є умова рівноваги одинарного моста постійного струму, яке можна сформулювати наступним чином: для того щоб міст був урівноважений, твори опорів протилежних плечей повинні бути рівні. Якщо опір одного з плечей неізвестно (наприклад, R1 = Rx), то умова рівноваги матиме вигляд

(4.39)

Таким чином, вимір за допомогою одинарного моста можна розглядати як порівняння невідомого опору Rx з зразковим опором R2 при збереженні незмінним відносини R3 / R4. З цієї причини плече R2 називають плечем порівняння, плечі R3 і R4 - плечима відносини.

Якщо в попередньо урівноваженому мосту Перше плече бере зріст ΔR1 то в діагоналі моста виникає струм, який в першому наближенні (за умови ΔR1 << R1)

(4.40)

Важливою характеристикою моста є його чутливість:

(4.41)

З двох останніх двох виразів випливає, що чутливість пропорційна напрузі живлення моста і максимальна при умові R1 = R2 і R3 = R4. Можливість збільшення напруги живлення обмежується допустимою розсіюваною потужністю плечей моста.

Одинарні мости постійного струму застосовуються для вимірювання середніх величин опорів (10106 Ом). В широкодіапазонних одинарних мостах плече порівняння (R2) виготовляють у вигляді багатодекадні магазину опорів. Плечі відносин (R3, R4) виконують у вигляді штепсельних магазинів опору, які можуть мати значення 10, 100, 1000 і 10 000 Ом.

При вимірюванні опорів величиною менше 10 Ом на результат вимірювання впливають опір контактів і сполучних проводів. Зменшити цей вплив можна наступними способами:

1. використовувати 4-х зажимное підключення вимірюваного резистора в схемі одинарного (четирехплечего) моста.

2. використання подвійного (шестіплечевого) моста.

Конструктивно сучасні мости зазвичай виконують в металевому корпусі, на панелі якого розміщуються ручки магазину опорів (плече порівняння), перемикачі плечей відносини, затискачі для підключення вимірюваного об'єкта, зовнішнього гальванометра, джерела живлення. Деякі мости випускаються з вбудованими гальванометра.

Для вимірювання опорів в широкому діапазоні промишленность випускає одинарні та одинарно-подвійні мости. Наприклад, одинарно-подвійний міст Р3009 призначений для вимірювань на постійному струмі опорів від 10-8 до 1010 Ом. Основна допустима похибка моста визначається класом точності, який для цього мосту гарантується від k = 2 до k = 0,02 в залежності від поддиапазона вимірювань.

е) Мости постійного струму є переносні й лабораторні. Переносні одинарні мости мають вмонтовані нуль-індикатор і джерело живлення. Вони є класів точності від 0,1 до 5 за­лежно відзначень вимірюваних опорів в діапазоні 10 ⁴ — 10⁵ Ом. Лабораторні мости випускаються як одинарні, так і одинарно-подвійні, інколи з пристроєм, що забезпечує можливість живлення одинарного моста від мережі змінного струму. Класи точності лабораторних мостів є від 0,05 до 0,01; діапазон вимірювань одинарними мостами—від 10 ³ до 10⁸ Ом, спеціальними високоомними мостами —до 10¹⁶Ом, подвійними мостами —від 10²до 10 ⁸Ом, причому в діапазоні 10²—10 ⁵ Ом — з похибкою 0,05—0,01 %, в діа­пазоні ΙΟ ⁵—10-⁸ Ом —0,1—5%.

Крім того, випускаються спеціальні мостові установки, що являють собою конструктивне та функціональне поєд­нання лабораторного одинарно-подвійного моста з допоміж­ною вимірювальною, регулювальною та комутаційною апаратурами.

Процес зрівноважування мостів постійного струму може бути автоматизований. Найпростіша схема автоматичного моста подана на рис. 69. Якщо елементи схеми моста мають незначні залишкові реактивності, то міст доцільніше живити від джерела змінного струму. Напруга розбалансу моста подається безпосередньо на підсилювач змінного струму. Якщо досліджуваний опір Rд має значні залишкові реактив­ності, то міст треба живити від джерела сталої напруги. В цьому випадку напруга розбалансу моста подається на перетворювач сталої напруги в змінну, а після перетворен­ня — на підсилювач змінного струму. Підсилена напруга надходить на керуючу обмотку реверсивного двигуна (РД), ротор якого зв'язаний з движком реохорда і покажчиком приладу. Ротор двигуна обертатиметься, доки не наступить рівновага моста і напруга розбалансу дорівнюватиме нулю. Зведена похибка автоматичних мостів у кращому ви­падку дорівнює 0,25%,швидкодія—0,25с.

Дата добавления: 2015-08-17