Мостовые измерительные цепи

Мостовые измерительные цепи

Мостовые измерительные цепи

1. Понятие измерительный мост

Измерительный мост, позволяющий определять величину неизвестного электрического сопротивления, был изобретён британским учёным Самуэлом Кристи в 1833 году, и позже модернизирован и популяризирован другим британским учёным, Чарьзом Витстоном в 1843 году.

Измерительный мост устройство для измерения электрических величин: сопротивлений, ёмкостей, индуктивностей и т.д. методом сравнения с образцовой мерой. Выполнен по схеме мостовой цепи с гальванометром в качестве нуль-индикатора, включённым в диагональ моста. Принцип действия измерительного моста основан на особенности работы мостовой цепи: разность потенциалов в точках С и D и, следовательно, ток через гальванометр в диагонали моста будут равны нулю при любых значениях ЭДС источника питания, если сопротивления плеч моста удовлетворяют равенству: Rx*R3=R2*R1. Измерительные мосты постоянного тока подразделяются на одинарные (4-плечие) - для измерения активных (омических) сопротивлений от 1 Ом - и комбинированные (одинарно-двойные) - для измерения сопротивлений в широком диапазоне. Измерительные мосты переменного тока служат для измерений ёмкости, индуктивности и т.д. Обычно их делают 4-плечими, реже 6-плечими. Различают измерительные мосты уравновешенные (наиболее точные), работа которых основана на нулевом методе, и неуравновешенные, в которых об измеряемой величине судят по показаниям измерительного прибора (гальванометра), проградуированного в соответствующих единицах (сопротивления, ёмкости, индуктивности и др.).

Рис. 1. Электрическая схема одинарного 4-плечего моста постоянного тока: Г - гальванометр; Е - источник питания моста; AС, CB, BD, DA - плечи моста; R1 (Rx) - измеряемое сопротивление;  - калиброванные установочные сопротивления

2. Принцип работы мостовой схемы

Принцип работы мостовой схемы измерения продемонстрировано на рисунке 1, а способ ее применения на практике - на рисунке 2.

Рис. 2

Сопротивление  вычисляется исходя из полученного при балансировке моста соотношения , в качестве  используется резистор с известным значением. Конечно, сказанное дает только самое общее представление об измерительной схеме моста. На самом деле он устроен гораздо сложнее - современные мосты создаются на основе цифровых процессоров. Микропроцессорное ядро позволяет автоматизировать процедуру измерения (в первых моделях оператор должен был пользоваться калькулятором, сегодня же все расчеты выполняются аппаратурой), обеспечить многофункциональность устройства (многие мосты интегрированы с другими измерительными приборами - мультиметрами, рефлектометрами и т.п.), устранить помехи (посторонние постоянные и переменные напряжения почти всегда присутствуют на жилах кабелей), организовать дальнейшую обработку накопленных результатов измерений (хранение, обмен с компьютером, печать протоколов) и др.

Рис. 3

Рассмотренный выше мост, используемый для измерения сопротивления, носит имя Уитстона (Wheatstone). Для подключения измеряемых цепей в нем применяются всего две клеммы (B и C). Более сложные схемы реализованы в двух других мостах - Муррея (Murray) и Купфмюллера (Kupfmuller) (рис. 3). Здесь измеряемые цепи подключаются с помощью трех клемм (A, B и C). В более сложных схемах Хилборна / Графа (Hilborn/Graf) задействуются четыре клеммы (A, B, B’ и C). Смысл увеличения числа точек подключения станет понятен при рассмотрении схем измерения с применением мостов.

Рис. 4

Еще один момент. Все упомянутые мостовые схемы используются для измерений при постоянном токе (определяются величины активных сопротивлений, подключенных к клеммам). Кроме того, мостовые схемы Уитстона и Муррея используются для измерений при переменном токе - определяются величины емкостей, подключенных к клеммам (рис. 4). В таких мостах источником напряжения служит генератор синусоидального напряжения.

Рис. 5

. Компенсационная и дифференциальная схемы

Существующие методы электрических измерений можно в основном разделить на два класса: непосредственной оценки и сравнения.

При непосредственной оценке измерительная схема выполняет лишь функции преобразования выходного сигнала датчика, например, усиливает его или согласует выходное сопротивление датчика с входным сопротивлением прибора. Этот метод прост, но применяется редко, так как ему свойственны значительные погрешности (особенно при изменении напряжения питания датчика).

Метод сравнения обеспечивает более высокие точность и чувствительность. При этом используются мостовые, дифференциальные и компенсационные схемы измерения.

Мостовые измерительные схемы применяют постоянного и переменного тока. Существуют мостовые схемы уравновешенные и неуравновешенные схемы. Уравновешенные мосты требуют ручной или автоматической балансировки, в то время как неуравновешенные мосты не требуют.

Уравновешенный мост представляет собой схему (Рисунок 34, а), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями . Резисторы в схеме называют ветвями или плечами моста. Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением  и измерительный прибор с сопротивлением Rnp. В четырехугольнике также есть две диагонали, в одну из которых включен миллиамперметр, а в другую - источник тока. Для подстройки моста одно плечо () является переменным сопротивлением.

Закон уравновешенного моста: произведение сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны.

 или

Если необходимо вычислить неизвестное сопротивление датчика, то можно включить его в одно из плеч моста, вместо резистора R4· и воспользоваться формулой:

Rt=(R2*R3)/R1

Ток в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, через напряжение питания:

Iпр = (U*(R1*Rt-R2*R3))/M

Основной характеристикой любой схемы является ее чувствительность. Она определяется как отношение приращения тока в измерительной диагонали ∆Inp к вызвавшему его изменению сопротивления одного из плеч моста:

Sсх =∆Inp /∆R

∆Inp=U∆R*Rt/M

где ∆Inp - результирующий ток в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, A; U - напряжение питания, В; М - входное напряжение, В.

Неуравновешенный мост представляет собой схему (Рис. 6), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями . Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением  и измерительный прибор с сопротивлением . Для подстройки моста одно плечо () является переменным сопротивлением.

В качестве измерительного прибора в неуравновешенных мостах используются амперметры (так как токи невелики, то обычно мили- и микроамперметры). Неуравновешенный мост подчиняется тем же законам, что и уравновешенный.

Рис. 6. Неуравновешенная

4. Примеры измерительных приборов на базе измерительных цепей

Мостовой прибор-измеритель ПКМ-4МЦ

Назначение:

Прибор кабельный малогабаритный мостовой ПКМ-4МЦ предназначен для измерения параметров и обнаружения неисправностей кабельных и воздушных линий связи в стационарных и полевых по схеме автоматического уравновешенного моста постоянного / переменного тока.

Прибор измеряет:

·   Электрическое сопротивление шлейфа.

·   Электрическое сопротивление изоляции.

·   Оммическую асимметрию.

·   Электрическую емкость.

·   Емкостную асимметрию (качественная оценка).

·   Относительное расстояние до места понижения изоляции (Метод Муррея, Купфмюллера).

·   Относительное расстояние до места обрыва жилы.

·   Прибор вычисляет и выводит результат в метрических единицах:

·   Расстояние до места понижения электрического сопротивления изоляции.

·   Расстояние до места перепутывания жил.

·   Длину линии.

·   Расстояние до места обрыва жил.

·   Область применения.

Прибор мостовой, ПКМ-4МЦ используется для проведения измерений на симметричных высокочастотных и низкочастотных кабельных линиях связи, а также для измерений на многожильных (больше двух проводов) силовых кабелях как медных, так и алюминиевых. Основное применение - строительство и эксплуатация кабельных линий.

Прибор контроля кабелей ПКК-1

Назначение:

Измерение параметров коаксиальных и симметричных кабелей, определение мест повреждения или снижения изоляции при сопротивлении шлейфа от 10 до 5000 Ом на кабельных и воздушных линиях связи в полевых и стационарных условиях.

Область применения:

·   Строительство и эксплуатация линий связи.

·   Особенности изделия

·   Пыле- и брызгозащищенный пластмассовый корпус.

·   Сервисные возможности:

·   представление на «страничках» ЖК-панели схем измерений, вспомогательной информации, результатов измерений и вычислений;

·   извлечение из памяти прибора типов и характеристик наиболее часто применяемых кабелей;

·   введение параметров кабельных «вставок», количество которых может достигать десяти;

·   автоматические вычисления измеряемых параметров;

В приборе реализуется:

·   управление прибором и ввод информации осуществляются с помощью клавиатуры;

·   отображение меню, режимов, параметров и результатов измерений на графической ЖК-панели емкостью 128х128 пикселей;

·   наличие энергонезависимой памяти с возможностью запоминания до 128 состояний.

5. Мост Уитстона

Рис. 8. Схема измерительного моста Уинстона

Мост Уитстона (измерительный мост), электрическая цепь, используемая для измерения сопротивления; названа по имени Чарльза Уитстона. Состоит из четырех сопротивлений, соединенных квадратом, причем в одну диагональ включен источник питания (напряжение от батареи), а в другую - Гальванометр. Когда стрелка гальванометра не отклоняется (тока в диагонали нет), отношение величин одной смежной пары резисторов равно отношению величин другой пары. Регулируя отношение величин в одной паре (плавно двигая контакт вдоль проволоки, формирующей одно из сопротивлений смежной пары), можно вычислить неизвестное сопротивление одного из резисторов другой пары.

На схеме , , ,  - плечи моста, AD - диагональ питания, CB - измерительная диагональ.  представляет собой неизвестное сопротивление; ,  и  - известные сопротивления, причём значение  может регулироваться. Если отношение сопротивлений  равно отношению сопротивлений , то разность потенциалов между двумя средними точками будет равна нулю, и ток между ними не будет протекать. Сопротивление  регулируется до получения равновесия, а направление протекания тока показывает, в какую сторону нужно регулировать .

С помощью гальванометра момент равновесия можно установить с большой точностью, и если сопротивления ,  и  имеют малую погрешность, то  может быть измерено очень точно, ведь даже небольшие изменения  вызывают заметное нарушение баланса всего моста.

Таким образом, если мост сбалансирован (ток через гальванометр, сопротивление которого можно обозначить как , равен нулю), эквивалентное сопротивление цепи будет:

 в параллели с , то есть

6. Мост Томсона

Для измерения сопротивлений ниже 1 Ом используется двойной мост Томсона, схема которого показана на рис. 9.

Сопротивления  и  имеют по четыре выходные клеммы, а  подбирается таким, чтобы ток через  давал падение напряжения на нем минимум 0,5 В. При равновесии сопротивление  определяется выражением

 2.01

Рис. 9

На практике значения выбирают такими, чтобы

 (2.02)

при этом выражение (2.01) сводится к виду

 (2.03)

Чтобы проверить выполнения условия, мост уравновешивается, а затем проводник R убирается, что не должно влиять на равновесие моста. Сопротивление R стремятся сделать как можно меньшим (он изготавливается их в виде короткого отрезка достаточно толстого медного провода или шины).

Сопротивления  должны быть меньше 10 Ом каждое, чтобы влияние сопротивлений соединительных проводов и контактов  было малым. Кроме того, оно может быть скомпенсировано путем шунтирования  или  сопротивлением большего значения и уравновешиванием моста без сопротивления R.

На практике сопротивление  изменяется путем подключения добавочных сопротивлений, а  - путем замены отводов,  и  регулируются одной ручкой, а  и  - другой, так что их отношения поддерживаются постоянными в соответствии. Чтобы исключить влияние термоЭДС, полярность источника питания меняется, как и в мосте Уитстона.

Двойной мост имеет погрешность менее 0,5% для сопротивлений в диапазоне 10 мкОм - 1 Ом. Он также может использоваться для измерений сопротивлений резисторов с двумя зажимами, так как  образуют обычный мост Уитстона; погрешность при этом менее 0,02%.

С целью расширения пределов измерения в промышленных приборах двойные мосты совмещаются с одинарными. Погрешность моста зависит от пределов измерения.

7. Мост Шеринга

Рис. 10

Мост Шеринга - измерительный мост переменного тока, предназначенный для измерения электрической ёмкости и тангенса диэлектрических потерь в диэлектриках на высоком напряжении. Назван по имени немецкого инженера и изобретателя этого устройства Х. Шеринга

Мост Шеринга - это одинарный мост, имеющий четыре плеча, в одно плечо которого включается магазин емкостей и параллельно присоединённое к нему постоянное активное сопротивление, в противоположное плечо включается испытуемый объект, условно обозначаемый параллельным соединением ёмкостного и активного сопротивления в третье плечо включается магазин активных сопротивлений, в четвёртое - эталонный конденсатор. На одну диагональ подаётся переменное напряжение питания моста. К другой диагонали подключается нуль - индикатор. Мост Шеринга - это по сути мост Витстона, в котором активные сопротивления заменены комплексными активно - ёмкостного характера. С точки зрения схемотехники одинарные мосты - это комбинация двух делителей напряжения и нуль - индикатора, включённого между ними и рассматривая эту схем с этой точки зрения можно прийти к выводу, что при равенстве произведения комплексных сопротивлений двух противоположных диагоналей произведению двух других противоположных диагоналей на клеммах нуль - индикатора разность потенциалов будет равно нулю.

Z1*Z3 = Z2*Z4, где

Z1-Z4 - комплексные сопротивления мостовой схемы.

Данное утверждение верно, если входное сопротивление нуль - индикатора очень велико, в идеале - равно бесконечности. При конечном входном сопротивлении нуль - индикатора последний будет вносить погрешность в измерительную схему, что необходимо учитывать. Приведение моста в состояние, при котором нуль - индикатор покажет нулевое значение называется балансировкой моста.

8. Мост Муррея

Мост Муррея (Murray) обеспечивает возможность измерения разности сопротивлений в двух плечах. Так, например, измеряют асимметрию при постоянном токе (рис. 11), которая оценивается относительной величиной разности сопротивлений жил. Из рисунка хорошо видно, что именно она и будет определена посредством моста Муррея. Асимметрия витой пары при переменном токе измеряется аналогично.

Рис. 11

Рис. 12

Это же свойство моста Муррея используется и при локализации еще целого ряда неисправностей. Наиболее распространенные - пониженное сопротивление изоляции и замыкание одной из жил (рис. 12). При измерениях неизвестные значения сопротивления дефекта RFM и сопротивления экрана Rэкр включаются в оба плеча моста, поэтому они взаимно компенсируются, и их величина не играет роли.

При переменном токе место обрыва одного из проводников пары (рис. 13) можно локализовать с помощью моста Муррея намного точнее, чем это обеспечивает мост Уитстона. Более того, в этом случае не нужна информация о погонной емкости жил кабеля - отношение емкостей С1 и С2 укажет на соотношение расстояния до дефекта к длине всей пары.

Рис. 13

Немного сложнее схема измерения для локализации места с пониженным сопротивлением изоляции между жилами одной пары (рис. 14). И здесь используется эффект компенсации неизвестных величин.

Рис. 14

Во всех измерительных схемах при постоянном токе для моста Муррея помимо жилы с локализуемым дефектом задействуется дополнительный проводник. Им может быть только жила той же пары или одной из свободных пар в том же кабеле, так как важно, чтобы RDTS (сопротивление дополнительной жилы) равнялось сумме сопротивлений RDTF+RSTF для жилы, в которой имеется дефект. Поскольку всегда существует вероятность дефекта в одной жиле из-за некачественного контакта в месте сращивания двух участков кабеля, то никогда нельзя быть до конца уверенным в точности измерения. Устранить этот недостаток позволяет измерительная схема моста Хилборна / Графа (Hilborn/Graf).

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены мостовые измерительные цепи и мостовые схемы нескольких ученых. Каждый из этих ученых внесли огромный вклад в данную тему. Так же были приведены примеры современных мостовых приборов, построенные по мосту Муррея.

Данная технология помогает сократить время при работах с электроприборами, и облегчают проведение научных исследований. И, разумеется, такие приборы дают более точный результат, если находить их иными способами.

Хоть измерительные мостовые схемы не имеют большой огласки, но играют значимую роль. Развитие в данной среде повлияет на развитие науки и промышленности в целом, так как во всех машинах задействовано электричество, и знание точных значений поможет избежать множество ошибок.

мост измерительный компенсационный прибор

Литература

1. Борюсов Ю.М. «Электротехника. Учебник для ВУЗов», 1985 г.

2. Бессонов Л.А. «Теоретические основы электротехники», 1996 г.

3. Попков О.З. «Основы преобразовательной техники. Уч. пособие», 2007 год.

4. Иванов И.И., Соловьев Г.И., Фролов В. Я Электротехника и основы электроники 2012 г.