Приборы сравнения

Приборы сравнения предназначены для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно (с мерой). Приборы сравнения могут работать в двух режимах: в равновесном режиме и в неравновесном режиме. Структурные схемы приборов сравнения приведены на рис.

a б

При работе в равновесном режиме (а) измеряемая величина Х полностью компенсируется воздействием меры. Значение меры или ее части, необходимой для компенсации величины Х, в процессе измерения определяется по отсчетному устройству.

В неравновесном режиме разность показаний между мерой и измеряемой величиной измеряется в отсчетном устройстве, шкала которого градуирована в единицах измеряемой величины.

В данном курсе будут рассмотрены мосты постоянного и переменного тока и компенсаторы.

Мосты постоянного тока. Одинарный мост.

Одинарные мосты постоянного тока предназначены для измерения сопротивлений величиной от 10 Ом и более.

Схема одинарного моста приведена на рис.

Диагональ, обозначенная на рисунке bd- называется диагональю питания. В нее включен источник питания (батарея) G. Диагональ ас называется измерительной диагональю. В нее включен указатель равновесия (гальванометр) Р. Выведем условия равновесия моста.

В равновесном режиме I_ур=0. Это условие выполняется когда:

Из первого закона Кирхгофа, с учетом того, что и следует:

I₄=I₁ и I₃=I₂ _. Принимая во внимание все вышесказанное можно записать:

или .

Выражение - является условием равновесия моста.

Чувствительность моста по току и по напряжению определяются как:

- чувствительность моста по току.

- чувствительность моста по напряжению.

DI_yp и DU_yp - изменение силы тока и напряжения в измерительной диагонали, DR/R - отношение изменения сопротивления плеча моста к полному сопротивлению этого плеча.

В частном случае, при R₁=R₂=R₃=R₄, чувствительность моста может быть записана как:

и .

где R₁₀ - сопротивление R₁ при равновесии.

, ,

где R_ур - сопротивление указателя равновесия.

В качестве практического примера приведены параметры моста Р-369. Диапазон измеряемых сопротивлений: 10^-4…1.11111*10¹⁰ Ом. Класс точности в диапазоне до 10^-3 Ом- 1 и при измерении сопротивлений от1 до 10³Ом класс точности- 0.005.

Двойные мосты постоянного тока

Для точных измерений сопротивлений малой величины применяют двойные мосты.

В процессе измерения измеряемое сопротивление R_x сравнивается с образцовым сопротивлением R₀. Уравнения, поясняющие процесс измерения приведены ниже. По второму закону Кирхгофа можно записать:

Для упрощения будем считать: R₁=R₃ и R₂=R₄.

Схема двойного моста представлена на рис.

Тогда уравнения можно переписать как:

В результате сопротивление неизвестного резистора можно выразить следующим образом:

Двойные мосты позволяют измерять сопротивления в диапазоне 10^-8…1.11111*10¹⁰ Ом. Класс точности прибора составляет 0.02 в диапазоне измерений 10^-1…10⁸ Ом и 2 в конце диапазона измерений. Для питания моста используют источники тока или напряжения.

Мосты переменного тока.

Мосты переменного тока применяются для измерения, как активных,

так и реактивных сопротивлений (емкостных и индуктивных)

Уравнения, поясняющие принцип действия моста, записываются по аналогии с уравнениями, приведенными для одинарного моста постоянного тока, и имеют вид:

Схема моста переменного тока приведена на рис.

Из первого закона Кирхгофа, с учетом того, что и следует: I₄=I₁ и I₃=I₂. Принимая во внимание все вышесказанное можно записать: или . Выражение - является условием равновесия моста.

При работе на переменном напряжении эти уравнения должны быть записаны в показательной форме:

или .

Из этих уравнений следуют условия равновесия моста: . Данная система уравнений показывает, что мост переменного тока может быть уравновешен только при определенном характере нагрузки и схеме включения сопротивлений в ветвях.

Автоматические мосты

Рассмотрим работу автоматических мостов. Автоматический мост выполнен на базе реверсивного двигателя, охваченного отрицательной обратной связью по току в измерительной диагонали.

Прибор работает следующим образом: к питающей диагонали подключен источник питания. В измерительную диагональ введены переменный резистор R и усилитель тока УТ. К выходу усилителя подключен реверсивный двигатель РД. Вал двигателя, с одной стороны управляет перемещением движка резистора R, а с другой стороны соединен со шкалой прибора. Усилитель тока подключен таким образом, чтобы при вращении двигателя сопротивления R’ и R’’ изменяясь, уменьшали ток в измерительной диагонали бг. Если ток в диагонали бг будет равен нулю, управляющий сигнал на выходе усилителя исчезнет и двигатель остановится. Это состояние будет зафиксировано на шкале, которая проградуирована в единицах измеряемой величины. Если сопротивление в одном из плеч моста изменить - мост будет разбалансирован, в измерительной диагонали появится ток и процесс компенсации повторится.

Упрощенная схема такого моста приведена на рис.

Компенсаторы

Компенсаторами называются приборы сравнения, в основу которых положен принцип компенсации Э.Д.С. Применяются компенсаторы для измерения напряжений и Э.Д.С. с высокой точностью. Схема компенсатора приведена на рис.

На приведенной схеме приняты следующие обозначения:

Gp- источник рабочего тока; Gn- нормальный элемент; Gx- источник измеряемого напряжения; R- регулируемый резистор; Ro образцовый резистор; Rk- компенсационный резистор; P- магнитоэлектрический гальванометр.

Если ключ К находится в положении 1, выполняется равенство:

Если ключ находится в положении 2, выполняется равенство:

Таким образом, можно сравнить напряжение неизвестного источника Gx c напряжением нормального элемента Gn. Это можно пояснить соотношением:

Следовательно: .

По приведенной схеме работает, например, компенсатор Р 355. Он имеет класс точности 0.05…0.5 в пределах измерения напряжения 0.6…1500 мВ. Для увеличения скорости измерений применяют автоматические компенсаторы. Одна из схем такого компенсатора показана на рис. Схема работает следующим образом: В основе прибора лежит усилитель постоянного тока, охваченный обратной связью. Если обозначить коэффициент усиления УПТ как s, можно записать:и . Отсюда можно вывести прямую зависимость между током, протекающим по микроамперметру и измеряемым напряжением.