Измерительный мост, как основной прибор измерения
Датчики температуры, давления, расхода, уровня, чаще всего являются преобразователями этих величин в механическое перемещение, поэтому обычно измерительные устройства дополняются еще и вторичными преобразователями механического перемещения в электрический сигнал, а в качестве измерительного прибора, как правило, применяют измерительный мост.
Измерительный мост может работать как на постоянном токе, так и на переменном. Измерительный мост постоянного тока представляет собой четыре резистора, соединенные в замкнутый четырехугольник. В одну диагональ этого четырехугольника включен источник питания с минимально возможным внутренним сопротивлением (для уменьшения влияния на величину рабочих токов, протекающих через плечи моста), во вторую диагональ включен измерительный прибор. Обычно величина резисторов в плечах моста подбирается таким образом, чтобы ток через измерительную диагональ не протекал. Такой мост называется уравновешенным или сбалансированным. Датчик измеряемой величины, включается в одно из плеч моста. При изменении исследуемой величины будет изменяться и величина сопротивления в данном плече моста и, как следствие, мост окажется разбалансированным. В системах автоматизированного управления (регулирования) обычно сигнал разбалансирования после усиления поступает на исполнительный механизм, который, воздействуя на регулирующий орган, стремиться устранить сигнал рассогласования (разбалансировки), т.е. стремиться вернуть мост к состоянию равновесия (согласования).
Условие равновесия моста может быть получено на основании законов Кирхгофа, записанных для токов в плечах моста:
I
1R
1 – I
3R
3 = 0, I
2R
2 – I
4R
4 = 0,
откуда
I
1R
1 = I
3R
3,
I
2R
2 = I
4R
4.
Разделив (1.2) на (1.3), получим:
I
1R
1/(I
2R
2) = I
3R
3/(I
4R
4).
Так как в уравновешенном мосте ток в цепи прибора IПР = 0, то I1 = I2, I3 = I4 и равенство (1.4) примет вид:
R
1/R
2 = R
3/R
4 или R
1R
4 = R
2R
3,
т.е. условие равновесия моста может быть сформулировано в следующем виде: для равновесного моста произведение сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны.
Кроме того, на основании тех же законов Кирхгофа могут быть получены выражения для тока в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, через напряжение питания U:
I
ПР = U (R
1R
4 – R
2R
3)/M,
I
ПР = I (R
1R
4 – R
2R
3)/N,
где:
М = (R
1 + R
2)(R
3 + R
4) R
ПР + R
1R
2(R
3 + R
4) + R
3R
4(R
1 + R
2),
N = (R
1 + R
2 + R
3 + R
4) R
ПР + (R
1 + R
3)(R
2 + R
4),
Сложное соединение R1 – R4 в мостовой схеме можно преобразовать в эквивалентное сопротивление RМ. Если учесть также, что любой источник энергии обладает внутренним сопротивлением RЕ, то в зависимости от соотношения RМ и RЕ различают низкоомные и высокоомные измерительные мостовые схемы.
Если RМ << RЕ, то мост называют низкоомным. В таких мостах изменение сопротивления плеч моста практически не влияет на величину питающего мост тока, т.е. можно считать, что IПИТ» const. При расчете таких мостов обычно пользуются соотношением (1.7)
Если RМ >> RЕ, то мост называют высокоомным. В этом случае можно считать постоянной величиной напряжение питания моста, т.е. UПИТ» const. Для таких мостов пользуются соотношением (1.6).
Разделив (1.6) на (1.7), получим значение входного сопротивления моста:
R
М = U / I = M / N
Измерительный мост переменного тока отличается от моста постоянного тока, тем, что в плечи моста могут быть включены, как емкости (конденсаторы), так и индуктивности. В этом случае при расчете моста необходимо учитывать полное комплексное сопротивление.
В качестве измерительного прибора в измерительную диагональ моста включают миллиамперметр (микроамперметр). Кроме того, ток в измерительной диагонали моста все таки зависит от напряжения питания моста. Колебания напряжения питания приводят к появлению погрешности. Для снижения влияния напряжения питания моста применяют логометрические схемы измерения. Логометром называется магнитоэлектрический прибор, противодействующий момент в котором создается не механически (пружиной, как в милливольтметре), а электрически, за счет двух катушек на подвижной рамке, установленных под определенным углом друг к другу и включенных определенным образом. Противодействующий момент на рамке создается за счет изменения ширины зазора в магнитном сердечнике и включения в плечи моста уже двух элементов: фиксированного резистора, подключенного к одной из катушек и собственно датчика, подключенного к другой катушке.