Мостовые электрические измерения - это метод измерения электрических величин, основанный на использовании измерительных мостов. Они имеют высокую точность и чувствительность, так как позволяют измерять малые разности потенциалов и сопротивлений. Мостовые измерения применяются не только для измерения сопротивлений, но и для измерения ёмкостей, индуктивностей, температуры, давления, деформации и других физических величин.
Для чего используются мостовые схемы
Мостовая схема — схема соединения элементов электрической цепи (сопротивлений, выпрямительных диодов и т.д.), характеризующаяся наличием мостовой ветви между двумя точками схемы, не соединенными непосредственно с источником электрической энергии. В основу мостовой схемы положена схема измерительного моста Уитстона (Wheatstone bridge).
Чарльз Уитстон (1802 - 1875) - английский физик, автор многих изобретений в области электричества, оптики и акустики. Он известен как создатель измерительного моста, который носит его имя, и как один из первых криптографов. Он был членом Лондонского королевского общества и Парижской академии наук.
Принцип действия мостовой схемы основан на том, что при равенстве отношений полных сопротивлений в плечах моста Za/Zb = Zх/Zd в диагонали моста (в индикаторном устройстве) нет тока.
Повышая чувствительность нуль-индикатора, можно добиться в мостовой схеме весьма точного соблюдения равенства отношений полных сопротивлений. На этом принципе основаны мостовые измерения.
Нуль-индикатор в мостовой схеме - это прибор, который показывает, когда мост сбалансирован, то есть когда разность потенциалов между двумя точками моста равна нулю. На шкале нуль-индикатора отмечено только одно число - ноль. Прибор отклоняет стрелку в ту или иную сторону, в зависимости от направления тока в измерительной диагонали моста.
Мостовая схема (схема моста Уитстона)
Мостовая схема Уитстона используется в различных формах для точного измерения сопротивления от долей ома до нескольких мегаом.
Источниками питания мостовых схем могут служить источники напряжения как постоянного так и переменного тока.
Балансировка мостовой схемы совершенно не зависит от колебаний напряжения источника питания (изменение величины напряжения питания моста не влияет на условие баланса).
Являясь электрическим аналогом механических балансировочных весов, мостовые схемы являются прародителями всех электрических дифференциальных методов измерений.
Мостовые методы измерения
Мостовые измерения — методы измерения параметров электрических цепей на постоянном токе (сопротивления пост, току) и на переменном токе (активного сопротивления, емкости, индуктивности, взаимной индуктивности, частоты, угла потерь, добротности и др.) посредством мостовых схем.
Мостовые измерения широко распространены также для электрических измерений неэлектрических величин при помощи датчиков — промежуточных преобразователей измеряемой величины в функционально связанный с ней параметр электрической цепи.
Измерительный мост
Мостовые измерения осуществляются с помощью измерительных мостов (мостовых установок), относящихся к категории приборов сравнения.
В общем случае они основаны на применении некоторой электрической цепи, состоящей из нескольких известных и одного неизвестного (измеряемого) сопротивлений, питаемой одним источником и снабженной указывающим прибором.
Изменением известных сопротивлений эта цепь регулируется до достижения определенного, отмечаемого указателем, распределения напряжений на отдельных участках цепи.
Очевидно, что заданному соотношению напряжений соответствует также определенное соотношение сопротивлений цепи, по которому можно вычислить неизвестное сопротивление, если остальные сопротивления известны.
Измерение мостовыми методами основано на достижении баланса между ветвями моста. Этот баланс определяется гальванометром, включенным между противоположными узлами.
Затем источник питания переменного или постоянного тока подключается к противоположным узлам в соответствии с измеренной величиной: переменный ток для емкости и индуктивности, постоянный и переменный ток для сопротивлений.
Общим признаком является источник питания, который подключается к одной диагонали моста, а также способ индикации: индикатор подключается к другой диагонали, балансировка ветвей одинаковая, с помощью переменного резистора, подключенного как реостат.
Неизвестное сопротивление не обязательно должно быть только резистором. Это может быть термометр, терморезистор, тензодатчик или другой полупроводниковый компонент, сопротивление которого изменяется из-за внешних параметров (изменение температуры, освещенности и т. д.).
Мостовые измерения применяются как для измерения значений сопротивлений, так и для определения отклонений этих значений от заданного номинала. Они относятся к числу самых распространенных и совершенных методов измерения.
Применение мостов в автоматике
Измерительные мосты в автоматике применяются для измерения и регистрации различных физических величин, таких как температура, давление, влажность, сила, угол поворота и т.д. Это достигается за счет преобразования этих величин в изменение сопротивления одной из ветвей моста, например, с помощью тензометрических датчиков, терморезисторов, фоторезисторов и т.п. При балансе моста можно определить неизвестную величину по известному сопротивлению или по напряжению на измерительной диагонали моста.
Измерительные мосты в автоматике имеют ряд преимуществ, таких как высокая точность, чувствительность, динамические характеристики, возможность измерения малых сигналов, устойчивость к помехам, простота построения и настройки.
Мостовые схемы особенно полезны для преобразования изменений сопротивления в сигналы напряжения, которые могут быть введены непосредственно в системы автоматического управления.
Так, например, мостовая схема Уитстона идеально подходит для достижения высокой точности, необходимой для измерения типичных небольших изменений сопротивления (доля номинального сопротивления для полного смещения), обусловленных пределами упругости материалов тензорезистора и испытуемого образца.
Можно использовать несколько конфигураций моста — четверть, полумост или полный мост — с одним-четырьмя активными тензорезисторами для измерения деформации из-за дисбаланса моста с помощью точного вольтметра. Каждая конфигурация приводит к другому уравнению для определения деформациии, таким образом, смещение.
Различные комбинации могут быть сделаны с положениями тензорезисторов на мосту, делая их активными или нет, действующими в направлении деформации или противоположно ему, или даже перпендикулярно измеряемой деформации, что приводит к другому уравнению и к различной чувствительности измерений.
Мост Уитстона
История
В 1833 году Сэмюэл Хантер Кристи (1784–1865) опубликовал свой «алмазный» метод, предшественник моста Уитстона, в статье о магнитных и электрических свойствах металлов как методе сравнения сопротивления проводов разной толщины.
Однако этот метод оставался непризнанным до 1843 года, когда сэр Чарльз Уитстон предложил его в другом документе для Королевского общества по измерению сопротивления в электрических цепях. Хотя Уитстон представил этот метод как изобретение Кристи, его имя теперь связано с этим устройством. В дальнейшем мост Уитстона также лег в основу развития других мостовых схем.
Мостовые измерительные схемы
Исторически первый, простейший и наиболее распространенный вариант мостовых измерений был реализован посредством четырехплечего уравновешенного моста, представляющего собой кольцевую цепь из 4 сопротивлений ("плечи" моста), в которой источник питания и указатель включаются диагонально, к противолежащим вершинам, в виде "мостов".
Четырехплечий уравновешенный мост
При соблюдении условия R1R3 = R2R4 (соответственно Z1Z3 = Z2Z4 на переменном токе) напряжение на выходе мостовой цепи (независимо от питающего напряжения) равно нулю (Ucd=0), т. е. мост "уравновешен", что отмечается нулевым указателем.
Состояние равновесия моста постоянного тока, соответствующее условию R1R3 = R2R4, может быть достигнуто регулировкой только одного переменного параметра и позволяет определить также только одно неизвестное сопротивление.
Для достижения комплексного условия равновесия на переменном токе Z1Z3 = Z2Z4, распадающегося при подстановке комплексных значений сопротивлений Z=R+jx на два самостоятельных условия, требуется регулировка не менее двух переменных параметров. При этом можно одновременно определять две составляющие комплексного сопротивления (например, L и R или L и Q, С и т. д.).
Разновидностью четырехплечих мостов переменного тока являются мосты резонансные. Помимо четырехплечих применяются более сложные мостовые цепи — двойные мосты на постоянном токе и многоплечие (шести- или семиплечие) — на переменном. Условия равновесия для этих цепей, естественно, отличаются от приведенных выше.
Двойной измерительный мост
Многоплечий измерительный мост
Мосты могут использоваться как в уравновешенном, так и в неуравновешенном режиме. В последнем результат измерения определяется без регулировки сопротивлений, непосредственно по току или напряжению на выходе мостовой цепи, которые являются функциями измеряемого сопротивления и напряжения источника питания (последнее должно быть стабильным). Выходной прибор при этом градуируется непосредственно в значениях измеряемой величины.
Электронный измерительный мост переменного тока
Мостовые измерения на переменном токе могут применяться еще в двух режимах: квазиуравновешенном и полууравновешенном.
Последний характеризуется тем, что обычная четырехплечая цепь регулируется при помощи только одного переменного параметра до получения минимального выходного напряжения (полное равновесие, т. е. Ucd=0, при котором требуется регулировка двух параметров, в данном случае недостижимо).
Момент достижения минимума напряжения Uсd может быть определен непосредственно обычным указателем на выходе цепи или более точно — косвенно — на основании, например, фазовых соотношений векторов напряжений мостовой цепи, имеющих место в момент полуравновесия.
Во втором случае эксперимент и указывающая аппаратура аналогичны применяемым при квазиуравновешенном режиме.
Составляющие измеряемого сопротивления определяются: одна — по значению переменного параметра в момент полуравновесия, другая — по напряжению на выходе моста.
Напряжение питания необходимо стабилизировать.
Уравновешивание измерительных мостов может производиться как непосредственно человеком (мосты с ручной наводкой), так и при помощи автоматического устройства (автоматические измерительные мосты).
Проведение мостовых измерений в учебной лаборатории
Типы измерительных мостов
- Мост Уитстона – используется для измерения малых значений сопротивления,
- Мост Томсона – используется для измерения очень малых значений сопротивления,
- Мост Де Соти – используется для измерения емкости,
- Мост Шеринга – используется для измерения емкости,
- Мост Кэри Фостера – используется для измерения малых сопротивлений,
- Мост Вина – используется для измерения емкости,
- Мост Кэмпбелла – используется для измерения индуктивности или емкости,
- Мост Максвелла – используется для измерения индуктивности или емкости,
- Мост Оуэна – используется для измерения индуктивности,
- Мост Андерсона – используется для точных измерений индуктивности.
Класс точности измерительтного моста
Серийно выпускаемые измерительные мосты имеют классы точности от 0,02 до 5 на пост, токе и от 0,1 до 5 — на переменном.
Класс точности измерительного моста характеризует максимальную относительную погрешность измерения, которая не должна превышать указанного значения в процентах. Чем меньше класс точности, тем выше качество измерения.
Класс точности зависит от типа и параметров элементов моста, а также от условий эксплуатации.
Для повышения точности измерения необходимо обеспечить правильную настройку и балансировку моста, а также устранить влияние внешних факторов, таких как температура, влажность, электромагнитные поля и т.д.
Кроме того, для измерения переменного тока необходимо учитывать фазовые сдвиги между напряжениями и токами в ветвях моста, которые могут искажать результаты измерения.
Смотрите также: Измерительные мосты переменного тока и их использование
Андрей Повный