Мостовые измерительные схемы кратко

Обновлено: 04.07.2024

Исследовать принцип действия мостовой измерительной схемы, научиться измерять сопротивление с помощью мостовой измерительной схемы и рассчитывать параметры термометрического датчика, включённого в схему.

Краткие теоретические сведения

В основе многих контрольно-измерительных приборов лежит мостовая схема для измерения сопротивления (мост Уитсона) на постоянном токе, разработанная в 1843 году и часто используемая до сих пор. Мостовые измерительные схемы применяются для определённого включения датчиков (параметрических) с целью измерения контролируемых величин и преобразования полученного сигнала в удобный для дальнейшего использования (изменение напряжения).

Мостовые измерительные схемы (мост) – это электрические схемы, имеющие четыре плеча, к одной диагонали которых подводится питающее напряжение, а с другой диагонали снимается выходное напряжение.

Конструкция мостовой измерительной схемы представлена в соответствии с рисунком 8.

Рисунок 8 – Конструкция мостовой измерительной схемы

Нулевым условием для моста является равенство падений напряжения на резисторах U₁=U₃, U₂=U₄ и тогда U_вых равно нолю. Основной метод определения величины сопротивления одного резистора основан на расчёте по известным величинам сопротивлений остальных резисторов. Например, если резистор с неизвестным сопротивлением подсоединён вместо резистора R₄, величины сопротивлений резисторов R₁ и R₃ известны, а резистор R₂ представляет собой проградуированный в Омах потенциометр. Выполнив нулевое условие (U_вых=0) при помощи потенциометра, и считав значение сопротивления потенциометра, можно вычислить величину сопротивления резистора R₄ из соотношения R₁/R₂=R₃/R₄.

Современные мосты создаются на основе цифровых процессоров. Микропроцессорное ядро позволяет автоматизировать процедуру измерения (расчёты выполняются аппаратурой), обеспечить многофункциональность устройства (многие мосты интегрированы с многофункциональными измерительными приборами), устранить помехи (посторонние постоянные и переменные напряжения почти всегда присутствуют на жилах кабелей), организовать дальнейшую обработку накопленных результатов измерений (хранение, обмен с компьютером) и др.

Применяются два основных типа мостовой измерительной схемы:

- неравновесная (небалансная) – это мостовая схема, предусматривающая измерения методом непосредственного отсчёта по измерительному прибору, включённому в диагональ моста;

- равновесная (балансная) – это мостовая схема, предусматривающая нулевой метод измерения.

Первый тип часто применяют для измерения неэлектрических величин электрическими методами.

Второй тип применяют в тех случаях, когда задачей мостовой схемы является не измерение, а управление каким-либо процессом. Схема используется как устройство сравнения, а выходное напряжение пропорционально сигналу рассогласования δ=R₂-R₁∙R₄/R₃.

Задание

Снять значение сопротивления потенциометра при равновесии мостовой измерительной схемы.

Определить сопротивление термометрического датчика, включённого в измерительную мостовую схему; определить чувствительность (коэффициент передачи) датчика и измеренную температуру; построить статическую характеристику датчика R=f(t 0 ).

Проанализировать проделанную работу.

Экспериментальная схема представлена в соответствии с рисунком 9.

Рисунок 9 - Экспериментальная схема

Четыре плеча измерительной схемы содержат два резистора с постоянными сопротивлениями R₁, R₃, один проградуированный в Омах потенциометр R₂ и одно переменное сопротивление – термометрический датчик R₄. К диагонали ab подключён источник постоянного тока, а с другой диагонали cd снимается выходное напряжение с помощью вольтметра PV. Ток, проходящий через нагревательный элемент НЭ, регулируется с помощью потенциометра R от источника переменного тока.

Исходные данные для расчёта, выбираются в соответствии с последней цифрой в порядковом номере по списку, в таблице 3.

Таблица 3 - Исходные данные для расчёта по вариантам

Вариант	Технические характеристики терморезистора	Мостовая схема
Сопротивление при t₀, R₀, Ом	Начальная температура, t₀, 0 С	Предел измерения температура, t, 0 С	Значение постоянных коэффициентов для ТРП	Температурный коэффициент удельного сопротивления для ТРМ, α, 0 С	Сопротивление, R₁, Ом	Сопротивление, R₃, Ом	Потенциометр, R₂, Ом
А, ∙ 10 -3	В, ∙ 10 -6
-	-	0,0043
3,9083	-5,775	-

Порядок выполнения расчёта

Собрать экспериментальную схему, представленную в соответствии с рисунком 9.

При равенстве падений напряжений на резисторах R₁/R₂=R₃/R₄ вольтметр PV покажет ноль. При перемещении движка потенциометра R (от положения 1 к положению n) изменяется ток, проходящий через нагревательный элемент НЭ (увеличивается), и изменяется температура нагревательного элемента НЭ (увеличивается). При изменении температуры (увеличении) изменяется сопротивление (увеличится) термометрического датчика R₄ и равновесие моста нарушается. Вольтметр PV покажет некоторое значение напряжение выхода. Перемещая движок проградуированного потенциометра R₂, и выполнив нулевое условие (стрелка вольтметра показывает ноль), шкала потенциометра R₂ покажет значение его сопротивление.

Результаты измерений записать в таблицу технических и экспериментальных данных.

По значению этого сопротивления можно определить температуру, измеряемую термометрическим датчиком, параметры и характеристики датчика.

Для определения сопротивления термометрического датчика необходимо воспользоваться условием равновесия мостовой схемы, которое определяется соотношением

где R₁, R₂, R₃, R₄ – сопротивления в плечах мостовой схемы.

Из этого соотношения можно выразить неизвестное сопротивление термометрического датчика R₄, Ом

Для определения температуры, при которой наступит равновесие мостовой схемы, необходимо вычислить динамическую чувствительность (коэффициент передачи) датчика s, Ом/ 0 С, определяется по формуле

где R – сопротивление датчика при температуре t, Ом;

t – предел измерения датчика, 0 С;

R₀ – сопротивление датчика при температуре t₀;

t₀ – начальная температура, 0 С.

Сопротивление медного терморезистора (ТРМ) R, Ом, определяется по формуле

где α – температурный коэффициент удельного сопротивления, 0 С -1 .

Сопротивление платинового терморезистора (ТРП) R, Ом, определяется по формуле

где А, В – постоянные коэффициенты.

Чувствительность (коэффициент передачи) для данного датчика величина постоянная, поэтому можно использовать туже формулу для определения измеряемой температуры s, Ом/ 0 С

где R₄ – сопротивление при измеряемой температуре t₄, Ом;

t₄ – измеряемая температура датчика, 0 С.

Измеряемая температура датчика t₄, 0 С

Пример выполнения расчёта

Исходные данные для расчёта:

- сопротивление терморезистора при начальной температуре R₀ = 50 Ом;

- начальная температура терморезистора t₀ = 0 0 С;

- предел измерения терморезистора t = 200 0 С;

- температурный коэффициент удельного сопротивления терморезистора α = 0,0043 0 С -1 ;

- сопротивление плеч мостовой схемы R₁ = 50 Ом, R₃ = 40 Ом, R₂ = 75 Ом.

Экспериментальная схема представлена в соответствии с рисунком 9.

Неизвестное сопротивление термометрического датчика

Сопротивление медного терморезистора при пределе измеряемой температуры

Динамическая чувствительность (коэффициент передачи) датчика

Измеряемая температура датчика

Статическая характеристика термометрического датчика R=f(t 0 ) представлена в соответствии с рисунком 10.

Рисунок 10 - Статическая характеристика

термометрического датчика R=f(t 0 )

В ходе практической работы были изучены конструкция, принцип действия и методы измерения сопротивлений с помощью мостовой измерительной схемы. Рассчитаны параметры термометрического датчика, включённого в схему: сопротивление 60 Ом, чувствительность 0,22 Ом/ 0 С, измеряемая температура 46,51 0 С. По полученным входным и выходным данным построена статическая характеристика термометрического датчика R=f(t 0 ) которая имеет линейный вид.

Контрольные вопросы

1) Для чего применяют мостовые измерительные схемы?

2) Что представляет собой мостовая измерительная схема?

3) Что такое нулевое условие мостовой измерительной схемы?

4) Как производят измерения сопротивления с помощью мостовой измерительной схемы?

5) Каким образом мостовая измерительная схема применяется как устройство сравнения?

На самом деле, мостовой метод измерений был предложен Кристи раньше Уитстона примерно на 10 лет, но он, что называется, остался в тени. Но в историю техники он вошел как мост Уитстона. Справедливости ради надо отметить, что сам Уитстон указал на авторство Кристи.

Не смотря на то, что мостовой метод измерений был предложен задолго до появления электроники (даже ламповой), он используется и сегодня, хотя уже давно нет проблем с точными стрелочными или цифровыми приборами. Более того, мостовой принцип построения схем используется в электронике очень широко, и не только для измерений.

Принцип работы моста очень прост, для его понимания достаточно знаний физики в объеме средней школы (раздел "Электричество. Постоянный ток). Но не смотря на это у некоторых начинающих любителей электроники его использование воспринимается как нечто сложное, нужное лишь для каких то очень точных измерений.

Давайте посмотрим на мост Уитстона не с точки зрения обычного учебника, где даются лишь формулы. Посмотрим, почему мостовые схемы измерения вообще потребовались. Разумеется, мы "окинем взором" и другие примеры использования мостовых схем. Ведь все мы, причем постоянно, используем мосты.

Статья, по большей части, ориентирована на самых начинающих. Возможно, даже на старшеклассников.

Для любителей покричать в комментариях "это и так всем известно" или "зачем копировать учебник" заранее скажу - что известное лично вам не обязательно известно, или понятно, другим. И статья ни в коей мере не является копией какого либо учебника. Хотя схемы и формулы, естественно, выглядят такими похожими.

Мост Уинстона. Зачем он нужен?

Мост Уинстона был описан в 1843 году(Кристи в 1833). Того изобилия измерительных приборов позволяющих выполнять точные непосредственные измерения, как мы привыкли сегодня, тогда не было. Не было еще и электроники. А вот потребность выполнять измерения была.

Напряжение и ток уже умели измерять гальванометрами. Сопротивление определяли расчетным путем, измеряя двумя гальванометрами ток и напряжение. Но вот со сравнением близких сопротивлений возникала проблема. Возникает вопрос, а зачем вообще нужно было сравнивать близкие сопротивления?

Это было время активного изучения электричества. Совсем недавно Ом сформулировал свой закон (эмпирический) о взаимосвязи напряжения, тока, сопротивления. Изучалось влияние на сопротивление проводников не только из геометрических размеров, но и химического состава, температуры, других факторов. А это влияние могло быть и очень незначительным.

В общем случае, можно представить проводник как комбинацию двух сопротивлений. Первое, условно постоянное, определяет исходное, эталонное, сопротивление проводника. Второе, переменное, определяет изменение сопротивления под воздействием различных внешних факторов.

Причем ∆R мало, зачастую менее 1% от R. И выделить его, оценить влияние внешних факторов на сопротивление проводника, не такая простая задача. Напомню, электроники тогда не существовало. А точность измерительных приборов была не высока. Обратите внимание, речь именно о точности, а не о чувствительности.

Давайте, для примера, возьмем проводник с сопротивлением 5 Ом и пропустим через него ток 1 А (в те времена не мелочились). Падение напряжения на проводнике составит 5 В. Если изменение сопротивления проводника в ходе эксперимента составит 1%, то и падение напряжения изменится на 1%. Это составляет 0.05 В, или 50 мВ.

Чувствительным гальванометром мы можем зафиксировать, и даже измерить, 50 мВ. Но проблема в том, что мы не можем использовать чувствительный гальванометр, так как полное падение напряжения на проводнике будет 4.95 или 5.05 В, в зависимости от знака изменения. И если шкала гальванометра разделена на 100 делений, то цена деления будет как раз равна 50 мВ. А значит и влияние внешнего воздействия будет равняться всего 1 делению шкалы. Это можно увидеть, но точно оценить трудно.

А теперь, представьте себе, что нужно сравнить два почти одинаковых проводника с такой вот реакцией на внешнее воздействие. Это потребует фиксировать гораздо меньшие изменения напряжения. Мы можем разделить каждое деление гальванометра на две-три части, но на 100 частей разделить уже не получится.

Вот это и есть суть проблемы. Она не в том, что нужно измерять малые напряжения, а в том, что нужно измерять малые напряжения на фоне гораздо больших. И главная заслуга Кристи в том, что он предложил, по сути, дифференциальный способ измерения. Причем чисто электрический, так как никаких дифференциальных усилителей, никаких ОУ, просто еще не существовало!

От идеи к воплощению

В основе мостового (дифференциального!) способа измерений лежит простое и всем известное - " Напряжение это разность потенциалов ". И мы можем получить

Компенсация падения напряжения на сопротивлении проводника с помощью дополнительного источника напряжения. Иллюстрация моя

Однако, ни Кристи, ни Уитстон, это решение использовать не могли. Регулируемых источников напряжения в те времена не существовало. Количество элементов Вольтова столба можно было изменять, но это очень грубая регулировка. Да и регулируемых источников тока не было. Ток в цепи изменяли с помощью реостата

Способ измерения сопротивления во времена Ома, Кристи, Уитстона. Да, это та самая экспериментальная установка Ома. Иллюстрация моя

Поэтому остается фактически единственный способ

Компенсация падения напряжения на сопротивлении проводника с помощью дополнительных нерегулируемого источника напряжения, реостата, проводника. Иллюстрация моя

Это и есть дифференциальный, с точки зрения сегодняшней терминологии, способ измерения. Давайте посмотрим, как он работает. При этом, естественно, будем считать, что внутреннее сопротивление амперметра мало, а внутреннее сопротивление вольтметра велико, по сравнению с другими сопротивлениями в цепи.

В качестве R устанавливается эталонный проводник, или проводник без приложения внешнего воздействия. Реостатом VR устанавливается требуемый ток, по показаниям амперметра, в цепи.
Реостатом VR1 устанавливают нулевые показания вольтметра. Теперь потенциалы выводов вольтметра равны. А значит и падения напряжения на R и R1 равны. Мы скомпенсировали падение напряжения на неизменной части сопротивления проводника R.
Вместо R устанавливают исследуемый проводник. Или прикладывают к ранее установленному внешнее воздействие. Потенциал правого вывода вольтметра, падение напряжения на R1, остается неизменным. А вот потенциал левого вывода изменяется, так как изменяется сопротивление исследуемого проводника. Поскольку ни напряжение источника Е, ни сопротивление реостата VR не изменились, изменение потенциала будет определяться только ∆R.
Теперь можно считать изменение напряжения по шкале чувствительного гальванометра (вольтметра) и рассчитать ∆R. Или изменить сопротивление реостата VR1, что бы снова установить стрелку вольтметра на 0. А величину ∆R рассчитать по положению подвижного контакта реостата VR1 относительно нанесенной на реостат шкалы.

Теперь у нас устранена главная проблема, фоновое постоянное падение напряжения на исследуемом проводнике, которое мешало точному измерению изменения напряжения. И мы можем использовать чувствительный гальванометр в качестве вольтметра. И это действительно был революционный способ.

Не слишком очевидно, но мы видим на самом деле два способа использования дифференциально метода измерения. Во первых, это измерение напряжения. Можно назвать это прямым измерением. И здесь нам нужен точный гальванометр. Во вторых, это компенсация изменения сопротивления с помощью реостата. Это косвенный способ, так как мы по сути восстанавливаем баланс напряжений на выводах гальванометра. Но при этом нам уже не требуется точный гальванометр (но он по прежнему чувствительный!), так как он теперь лишь индикатор баланса.

И, наконец, классический мост

Дифференциальный способ измерения решал проблему точных измерений малых изменений сопротивления. Но он требовал двух источников напряжения. Совершенно естественным усовершенствованием стало использование единственного источника. И получился классический мост

Как пример, объясняющий электросхему моста, возьмём терморезистор или термометр. В таких системах механизм ставят в одной ветви схемы. Можно провести аналогию с аптечными весами. Разница только в том, что мост — электрическое устройство.

Рычажные весы и приборы с мостовой схемой действуют компенсационным способом. Величина тока в по Уинстону есть разница между сопротивлениями — чем она выше, тем обширнее протекает электрический ток. При изменении разности меняется и количество электрических зарядов.

Это свойство применяют в различных системах и приборах контроля. Точность замеров достигается за счет изменения сопротивления. Во время измерения электричества, проходящего через измерительный мост постоянного тока, обнаруживаются любые изменения физической величины сопротивления.

Принцип работы моста Уитстона

Мостовая схема Ч. Уинстона состоит из 2-х плеч. В каждом 2 резистора. Соединяет 2 параллельные ветви еще одна. Ее название – мостик. Ток проходит от клеммы с минусом к верхнему пику мостовой схемы.

Разделившись по 2 параллельным ветвям, ток идёт к положительной клемме. Величина сопротивления в каждой ветви непосредственно влияет на количество тока. Равное сопротивление на обеих ветвях говорит о том, что в них течет аналогичное количество тока. В таких условиях мостовой элемент уравновешен.

Если в ветвях неравное сопротивление, ток в электросхеме начинает движение от ветви с высоким уровнем сопротивления к ветви с наименьшим. Так продолжается, пока 2 верхних элемента цепей остаются равны по своей величине. Аналогичное положение резисторы имеют в схемах, которые используют в системах контроля и измерения.

Для измерения электрического сопротивления имеется два варианта использования моста Уитстона:

Определение абсолютного значения сопротивления путем сравнения с известным сопротивлением.
Определение относительных изменений сопротивления.

Последний вариант используется в отношении тензометрических методов измерения. Он позволяет с большой точностью определить относительные изменения сопротивления тензодатчика в распространённом диапазоне от 10 -4 до 10 -2 Ом / Ом.

На изображении ниже показаны две разные иллюстрации моста Уитстона: на рисунке а) обычное изображение ромба, в котором используется мост Уитстона; на рисунке b) располагается изображение все той же электрической схемы, но более понятное для новичка.

Четыре ветви мостовой схемы образованы сопротивлениями от R 1 до R 4 . Угловые точки 2 и 3 обозначают соединения для напряжения возбуждения моста V s . Выходное напряжение моста V 0 , то есть сигнал измерения, доступно в угловых точках 1 и 4.

Общепринятого правила обозначения компонентов моста и соединений не существует. В популярной литературе есть всевозможные обозначения, и это отражено в уравнениях моста. Поэтому важно, чтобы обозначения и индексы, используемые в уравнениях, учитывались вместе с их положением в мостовых схемах, это поможет избежать путаницы.

Если напряжение питания V s приложено к точкам питания моста 2 и 3, то напряжение питания делится на две половины моста R 1 , R 2 и R 4 , R 3 как отношение соответствующих сопротивлений моста. , т. е. каждая половина моста образует делитель напряжения.

Мост может быть разбалансирован из-за разницы напряжений и электрических сопротивлений на R 1 , R 2 и R 3 , R 4 . Это можно рассчитать следующим образом:

если мост уравновешен и

где выходное напряжение моста V 0 равно нулю.

При заданной деформации сопротивление тензодатчика изменяется на величину ΔR. Это дает нам следующее уравнение:

Для измерения деформации сопротивления R 1 и R 2 в мосте Уитстона должны быть одинаковыми. То же самое относится к R 3 и R 4 .

С помощью нескольких упрощений можно вывести следующее уравнение:

На последнем этапе расчета ΔR / R необходимо заменить следующим:

Здесь k — коэффициент k тензодатчика, ε — деформация. Получаем следующее:

Уравнения предполагают, что все сопротивления в мосту изменяются. Обозначения, такие как: четверть моста, полумост, двойная четверть или диагональный мост и полный мост, являются обычными.

Весовые терминалы обычно соответствуют очень строгим требованиям к точности. Поэтому, в отличие от экспериментальных измерительных приборов, весовые преобразователи всегда должны иметь полную мостовую схему с активными тензодатчиками на всех четырех плечах.

В случае, если необходимо устранить различные помехи и факторы препятствующие измерению, полномостовые или полумостовые схемы используются для анализа нагрузки. Важным условием является четкое различение напряжений и сил, таких как сжатие или растяжение, а также изгибающие, сдвиговые или скручивающие силы.

В таблице ниже показана зависимость положения тензометрических датчиков, типа используемой мостовой схемы и результирующего коэффициента моста B для нормальных сил, изгибающих моментов, крутящего момента и температуры. В небольших таблицах, приведенных для каждого примера, указан коэффициент моста B для каждого типа влияющей величины. Эти уравнения используются для вычисления эффективного напряжения от выходного сигнала моста V O / V S .

Конфигурация моста		Вычисление	Измерение	Описание	Преимущества и недостатки
1	Измерение деформации на стержне растяжения / сжатия Измерение деформации изгибаемой балки	Простой четвертьмост Простая четвертьмостовая схема с одним активным тензодатчиком	+ Простая установка — Нормальная деформация и деформация изгиба накладываются друг на друга

— Температурные эффекты не компенсируются автоматически

— Нормальную деформацию и деформацию изгиба нельзя разделить (наложение изгиба)

+ Температурные эффекты хорошо компенсируются

+ Высокий выходной сигнал и отличное подавление синфазных помех (CMR)

+ Температурные эффекты хорошо компенсируются

+ Высокий выходной сигнал и отличное подавление синфазных помех (CMR)

В примерах 13, 14 и 15 для измерения крутящего момента предполагается цилиндрический вал. По причинам, связанным с симметрией, допускается изгиб в направлении X и Y. Такие же условия действуют и для стержней с квадратным или прямоугольным поперечным сечением.

Пояснения к символам:

Т	Температура
F n	Нормальная сила
М б	Изгибающий момент
M bx , M — пользователем	Изгибающий момент для направлений X и Y
М д	Крутящий момент
ε s	Видимое напряжение
ε n	Нормальное напряжение
ε б	Деформация изгиба
ε d	Деформация скручивания
ε	Эффективная деформация в точке измерения
ν	Коэффициент Пуассона
Активный тензодатчик
Тензодатчик для температурной компенсации
Резисторный или пассивный тензодатчик

Разновидности

Небольшие сопротивления измеряются посредством прибора Кери Фотера. Можно узнать разницу между противодействиями больших значений.
Еще один тип – делитель Кельвина-Варлея. Применяется в приборах лабораторного оборудования. Максимальная измеряющая способность, зафиксированная этим делителем напряжения, достигает 1,0*10-7.
Мост Кельвина, который в некоторых странах называют именем Томсона, предназначен для замера неизвестных сопротивлений небольших величин (меньше 1 Ом). По принципу работы похож на одинарный мост Уинстона. Разница лишь в наличии дополнительного сопротивления, снижающего погрешности в измерении, которые появляются в результате падения напряжения в одном из плеч.
Еще один тип – мост Максвелла. Измеряет низкодобротную индуктивность неизвестной величины.

Модификации

Используя мост Уитстона, можно с большой точностью измерять сопротивление.

Различные модификации моста Уитстона позволяют измерять другие физические величины:

ёмкость;
индуктивность;
импеданс;
концентрацию газов;
и другое.

Прибор explosimeter (англ.) позволяет определить, превышена ли допустимая концентрация горючих газов в воздухе.

Мост Кельвина (англ. Kelvin bridge), также известный как мост Томсона (англ. Thomson bridge), позволяет измерять малые сопротивления, изобретён Томсоном.

Вид спереди прибора, построенного на основе моста Кельвина

Прибор Максвелла позволяет измерять силу переменного тока, изобретён Максвеллом в 1865 году, усовершенствован Блюмлейном около 1926 года.

Мост Максвелла (англ. Maxwell bridge) позволяет измерять индуктивность.

Мост Фостера (англ. Carey Foster bridge) позволяет измерять малые сопротивления, описан Фостером (англ. Carey Foster) в документе, опубликованном в 1872 году.

Делитель напряжения Кельвина-Варли (англ. Kelvin–Varley divider) построен на основе моста Уитстона.

Схемы измерительных мостов

Измерительные мосты переменного тока делят на 2 группы: двойные и одинарные. Одинарные имеют 4 плеча. В них 3 ветви создают цепь с 4 точками подключения.

В диагонали моста есть электромагнитный гальванометр, показывающий равновесие. В другой диагонали моста действует источник постоянного питания. Измерения могут происходить с погрешностями, которые зависят от их диапазона. По мере роста сопротивления чувствительность прибора уменьшается.

Двойной мост называют шестиплечим. Его плечи – измеряемое сопротивление (Rx), резистор (Ro) и 2 пары дополнительных резисторов (Rl, R2, R3, R4).

Классификация

В промышленности широко применяются уравновешенные и неуравновешенные измерительные мосты.

Работа уравновешенных

С помощью неуравновешенных

мостов (менее точных) измеряемую величину определяют по показаниям измерительного прибора.

Измерительные мосты подразделяются на неавтоматические и автоматические.

В неавтоматических

мостах балансирование производится вручную (оператором).

В автоматических

балансировка моста происходит с помощью сервопривода по величине и знаку напряжения между точками D и B (см. рисунок).

Где используют измерительный мост Уитстона?

Измерительные элементы применяют в работе с кабельными линиями из металла. Они позволяют нейтрализовать постороннее влияние для более эффективной локализации дефектов. Гарантированы высокоточные результаты в рамках диапазона измеряемых величин.

С помощью мостовой схемы Уитстона можно вычислить сопротивление изменяющегося элемента. Схемы используют в конструкциях электронных весов, электронных термометров и терморезисторов.

Среди промышленных образцов широко известны приборы с ручной калибровкой равновесия:

ММВ – измеряет сопротивление проводника постоянного напряжения;
Р333 – схема одинарного моста, с помощью которой выявляется поврежденный участок кабеля.

История создания

В 1861 году лорд Кельвин использовал мост Уитстона для измерения малых сопротивлений.

В 1865 году Максвелл с помощью изменённого моста Уитстона измерял силу переменного тока.

В 1926 году Алан Блюмлейн усовершенствовал мост Уитстона и запатентовал. Новое устройство стали называть в честь изобретателя.

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

Сопротивление R1 вычисляется исходя из полученного при балансировке измерительно моста соотношения R4/R3, в качестве R2 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.

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.

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.

Читайте также: