Измерительные мосты и компенсаторы

Измерительные мосты

Измерительный мост – это обычно четырехплечая электрическая цепь, составленная из резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности, предназначенная для определения отношения параметров этих компонентов. К одной паре противоположных полюсов цепи подключается источник питания, а к другой – нуль-детектор. Измерительные мосты применяются только в тех случаях, когда требуется повышенная точность измерения. (Для измерений со средней точностью лучше пользоваться цифровыми приборами, поскольку они проще в обращении.) Наилучшие трансформаторные измерительные мосты переменного тока характеризуются погрешностью (измерения отношения) порядка 0,0000001%.

Наиболее точные измерения сопротивления постоянному току выполняются с помощью мостов постоянного тока. Мосты делятся на две группы: одинарные и двойные.

Одинарный мост, называемый мостом Уитстона, применяют для измерения сопротивлений от 1 Ом до 100 Мом.

Двойной мост, называемый мостом Томпсона, используют для измерения малых величин сопротивлений – менее 1 Ом.

Одинарный мост состоит из четырех плеч: три известных сопротивления в плечах моста вместе с измеряемым сопротивлением образуют замкнутый четырехполюсник. В измерительную диагональ моста включен указатель равновесия, в качестве которого используют магнитоэлектрический гальванометр. В другую диагональ моста включается источник постоянного тока.

Рис. 7.1 Схемы одинарных мостов постоянного и переменного тока

Подбором сопротивлений добиваются отсутствия тока через гальванометр. В состоянии равновесия моста выполняется условие:

, .

Отношение двух сопротивлений в плече моста является фиксированным множителем (…) для регулируемого сопротивления в плече моста содержащем неизвестное сопротивление.

Погрешность измерения зависит от измеряемого диапазона, по мере увеличения измеряемого сопротивления уменьшается чувствительность прибора, возрастает влияние сопротивления изоляции. Нижний предел измерений ограничен влиянием сопротивления соединительных проводов. Эти погрешности исключаются в двойном мосте. Мост называется двойным, так как содержит два комплекта плеч отношения. При этом реализуется дифференциальный принцип измерения.

Для создания мостовых схем на переменном токе используют трансформаторные и емкостные измерительные схемы. Используют для измерения активного сопротивления, индуктивности и емкости.

Равновесие такого моста достигается при выполнении условия:

. (7.1)

Из данного условия следует, что для уравновешивания моста с комплексными сопротивлениями необходима регулировка активной и реактивной составляющих. Равенство фаз указывает, какими по характеру должны быть сопротивления плеч моста для обеспечения равновесия мостовой схемы. Правильный выбор регулируемых элементов моста и питание напряжением повышенной частоты обеспечивает быстрое уравновешивание моста и его хорошую сходимость.

Сходимость моста – это возможность достижения состояния равновесия определенным числом переходов от регулировки одного параметра к регулировке другого.

Погрешность мостов переменного тока складывается из следующих составляющих: погрешности исполнения элементов схемы, погрешности их подгонки, от неполного учета активной и реактивной составляющих сопротивлений плеч моста, погрешности отсчетного устройства. С повышением частоты погрешности возрастают.

К резистору трудно подсоединить провода, не привнеся при этом сопротивления контактов порядка 0,0001 Ом и более. В случае сопротивления 1 Ом такой токоподвод вносит ошибку порядка всего лишь 0,01%, но для сопротивления 0,001 Ом эта ошибка будет составлять уже 10%. В таких случаях используют двойной измерительный мост (мост Томсона), предназначенный для измерения сопротивления резисторов малого номинала. Сопротивление таких четырехполюсных резисторов определяют как отношение напряжения на их потенциальных зажимах к току через их токовые зажимы. При такой методике сопротивление присоединительных проводов не вносит ошибки в результат измерения искомого сопротивления. Два дополнительных плеча исключают влияние соединительного провода между зажимами.

Рис. Двойной измерительный мост (мост Томсона – более точный вариант моста Уитстона, пригодный для измерения сопротивлений в области микроом).

Наиболее распространенные измерительные мосты переменного тока рассчитаны на измерения либо на сетевой частоте 50–60 Гц, либо на звуковых частотах (обычно вблизи 1000 Гц); специализированные же измерительные мосты работают на частотах до 100 МГц.

Как правило, в измерительных мостах переменного тока вместо двух плеч, точно задающих отношение напряжений, используется трансформатор. К исключениям из этого правила относится измерительный мост Максвелла – Вина. Такой измерительный мост позволяет сравнивать эталоны индуктивности (L) с эталонами емкости на не известной точно рабочей частоте. Эталоны емкости применяются в измерениях высокой точности, поскольку они конструктивно проще прецизионных эталонов индуктивности, более компактны, их легче экранировать, и они практически не создают внешних электромагнитных полей. Мост уравновешивается даже в случае «нечистого» источника питания (т.е. источника сигнала, содержащего гармоники основной частоты).

Одно из преимуществ измерительных мостов переменного тока – простота задания точного отношения напряжений посредством трансформатора. В отличие от делителей напряжения, построенных из резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности, трансформаторы в течение длительного времени сохраняют постоянным установленное отношение напряжений и редко требуют повторной калибровки. На рис. 4 представлена схема трансформаторного измерительного моста для сравнения двух однотипных полных сопротивлений.

Рис. Трансформаторный измерительный мост.

К недостаткам трансформаторного измерительного моста можно отнести то, что отношение, задаваемое трансформатором, в какой-то степени зависит от частоты сигнала. Это приводит к необходимости проектировать трансформаторные измерительные мосты лишь для ограниченных частотных диапазонов, в которых гарантируется паспортная точность.

Измерительные мосты необходимо тщательно заземлять и экранировать, чтобы паразитные емкости между разными частями схемы моста не вносили ошибку уравновешивания.

В измерительных мостах переменного тока чаще всего применяются нуль-детекторы двух типов. Нуль-детектор одного из них представляет собой резонансный усилитель с аналоговым выходным прибором, показывающим уровень сигнала. Нуль-детектор другого типа – это фазочувствительный детектор, который разделяет сигнал разбаланса на активную и реактивную составляющие. Такие устройства пригодны в тех случаях, когда требуется точно уравновешивать только одну из неизвестных составляющих (скажем, индуктивность L, но не сопротивление R катушки индуктивности).