Что такое измерительный мост и как он работает. Измерительный мост (мост Уитстона, мостик Витстона)

измерительный мост в, измерительный мост сериал
Принципиальная схема моста Уитстона. Обозначения:

• , - «плечи» моста;
• AD - диагональ питания;
• CB - измерительная диагональ;
• - элемент, сопротивление (Ом) которого требуется измерить;
• , и - элементы, сопротивления (Ом) которых известны;
• - элемент, сопротивление которого может регулироваться (например, реостат);
• - гальванометр (В);
• (не показано) - сопротивление гальванометра (Ом).

Измери́тельный мост (мост Уи́тстона , мо́стик Ви́тстона , англ. Wheatstone bridge) - электрическая схема или устройство для измерения электрического сопротивления. Предложен в 1833 году Самуэлем Хантером Кристи (англ. Samuel Hunter Christie) и в 1843 году усовершенствовал Чарльзом Уитстоном (англ. Charles Wheatstone). Мост Уитстона относится к одинарным мостам в отличие от двойных мостов Томсона. Мост Уитстона - электрическое устройство, механическим аналогом которого являются аптекарские рычажные весы.

• 1 Измерение сопротивлений с помощью моста Уитстона
• 2 Условие баланса моста
• 3 Схемы подключения
• 4 История создания
• 5 Классификация
• 6 Применение в тензометрии
• 7 Модификации
• 8 Промышленные образцы
• 9 См. также
• 10 Примечания
• 11 Литература

Измерение сопротивлений с помощью моста Уитстона

Принцип измерения сопротивления основан на уравнивании потенциала средних выводов двух ветвей (см. рисунок).

1. В одну из ветвей включён двухполюсник (резистор), сопротивление которого требуется измерить ().

Другая ветвь содержит элемент, сопротивление которого может регулироваться (; например, реостат).

Между ветвями (точками B и D; см. рисунок) находится индикатор. качестве индикатора могут применяться:

• гальванометр;
• нуль-индикатор - прибор, отклонение стрелки которого показывает наличие тока в цепи и его направление, но не величину. На шкале такого прибора отмечено только одно число - ноль;
• вольтметр (принимают равным бесконечности:);
• амперметр (принимают равным нулю:).

Обычно в качестве индикатора используется гальванометр.

1. Сопротивление второй ветви изменяют до тех пор, пока показания гальванометра не станут равны нулю, то есть потенциалы точек узлов D и B не станут равны. По отклонению стрелки гальванометра в ту или иную сторону можно судить о направлении протекания тока на диагонали моста BD (см. рисунок) и указывают в какую сторону изменять регулируемое сопротивление для достижения «баланса моста».

Когда гальванометр показывает ноль, говорят, что наступило «равновесие моста» или «мост сбалансирован». При этом:

• отношение равно отношению:

• разность потенциалов между точками B и D (см. рисунок) равна нулю;
• ток по участку BD (через гальванометр) (см. рисунок) не протекает (равен нулю).

Сопротивления, должны быть известны заранее.

1. Измеряют сопротивление.

1. Вычисляют искомое сопротивление:

Вывод формулы см. ниже.

Точность

При плавном изменении сопротивления гальванометр способен зафиксировать момент наступления равновесия с большой точностью. Если величины, и были измерены с малой погрешностью, величина будет вычислена с большой точностью.

В процессе измерения сопротивление не должно изменяться, так как даже небольшие его изменения приведут к нарушению баланса моста.

Недостатки

К недостаткам предложенного способа можно отнести:

• необходимость регулирования сопротивления. На поиски «равновесия» тратится время. Гораздо быстрее измерить несколько параметров цепи и вычислить по другой формуле.

Условие баланса моста

Выведем формулу для расчёта сопротивления.

Схема к расчёту сопротивления. Красными стрелками показаны выбранные произвольно направления токов. Обозначения:

• - ток, протекающий через гальванометр, А;
• , - токи, протекающие через элементы, и соответственно, А;
• другие обозначения см. выше.

Первый способ

Считается, что сопротивление гальванометра мало настолько, что им можно пренебречь (). То есть, можно вообразить, что точки B и D соединены (см. рисунок).

Воспользуемся правилами (законами) Кирхгофа. Выберем:

• направления токов - см. рисунок;
• направления обхода замкнутых контуров - по часовой стрелке.

По первому правилу Кирхгофа сумма токов, входящих в точку (узел) равна нулю:

• для точки (узла) B:

• для точки (узла) D:

По второму правилу Кирхгофа сумма напряжений в ветвях замкнутого контура равна сумме ЭДС в ветвях этого контура:

• для контура ABD:

• для контура BCD:

Запишем 4‑е последних уравнения для «сбалансированного моста» (то есть учтём, что):

Поделив 4‑е уравнение на 3‑е, получим:

Выразив, получим:

С учётом того, что

Второй способ

Считается, что сопротивление гальванометра велико настолько, что точки B и D можно считать не соединёнными (см. рисунок) ().

Введём обозначения:

• , и - соответственно потенциалы точек A, B, C и D, В;
• - напряжение между точками C и A, В:

• - напряжение между точками D и B, В:

• - сопротивление участка ADC (последовательное соединение), Ом:

• - сопротивление участка ABC (последовательное соединение), Ом:

• , - токи, протекающие на участках ADC и ABC соответственно, А.

По закону Ома токи, равны:

По закону Ома падения напряжения на участках DC и BC равны:

Потенциалы в точках D и B равны:

Напряжение между точками D и B равно:

Подставив выражения для токов и, получим:

Учитывая, что для «сбалансированного моста» , получим:

Поместив слагаемые по разные стороны от знака равенства, получим:

Сократив, получим:

Умножив на произведение знаменателей, получим:

Раскрыв скобки, получим:

После вычитания получим:

Выразив, получим:

В данном случае мостовая схема рассматривалась, как комбинация двух делителей, а влияние гальванометра считалось пренебрежимо малым.

Схемы подключения

На практике для измерения сопротивления с помощью мостовых схем применяют двухпроводное и четырёхпроводное подключение.

Двухпроводная схема подключения применяется при измерениях сопротивлений величиной выше 10 Ом. К точкам B и C (см. рисунок) подключаются по одному проводу.

Четырёхпроводная схема подключения применяется при измерении сопротивления величиной до 10 Ом. К точкам B и C (см. рисунок) подключаются по два провода. Это позволяет исключить влияние сопротивления проводов на величину измеренного сопротивления.

История создания

В 1833 году Самуэль Хантер Кристи (англ. Samuel Hunter Christie) предложил схему, позже получившую название «мост Уитстона».

В 1843 году схема была усовершенствована Чарльзом Уитстоном (англ. Charles Wheatstone) и стала называться «мостом Уитстона».

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.

Классификация

В промышленности широко применяются уравновешенные и неуравновешенные измерительные мосты.

Работа уравновешенных мостов (наиболее точных) основана на «нулевом методе».

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).

Применение в тензометрии

Мост Уитстона используется для вычисления сопротивления деформирующегося элемента в составе различных тензометрических измерителей, например:

• электронных весов (см. тензорезистор);
• термометров сопротивления (электронных термометров; см. терморезистор).

Принцип работы тензометрических измерителей

Если все сопротивления моста (см. рисунок) равны между собой:

то по закону Ома (независимо от разности потенциалов (напряжения) между точками D и B ()) токи через все резисторы будут равны между собой:

Следовательно, напряжение между точками D и B будет равно нулю:

Но если величина какого-либо сопротивления будет отличаться от трёх других, то между точками D и B появится разность потенциалов (напряжение).

Если будет меняться под влиянием внешних условий (температуры, светового потока, давления и т. д.), напряжение между точками D и B тоже будет меняться. Таким образом, внешний физический фактор является входным сигналом, а - выходным. Выходной сигнал можно подавать на анализирующее устройство (например, на персональный компьютер), где специальные программы могут его анализировать (раскладывать на гармонические составляющие и т. д.).

В качестве элемента может использоваться тензодатчик - «резистор», сопротивление которого изменяется при механической деформации (растяжении-сжатии, изгибе, кручении). Если концы тензодатчика жёстко закрепить в точках B и C (см. рисунок) на какой-либо поверхности (или поверхностях), то при изменении взаимного расположения точек под влиянием внешних условий тензодатчик будет деформироваться (например, изменится его длина). При деформации изменится сопротивление тензодатчика, а, следовательно, изменится и напряжение между точками D и B. Измеряя и сохраняя величины напряжения с помощью анализирующего устройства (например, с помощью компьютера), можно строить кривую, с большой точностью соответствующую колебаниям расстояния между точками B и C. Эту кривую и соответствующий ей сигнал можно анализировать. Такой способ измерения получил название тензометрии. Изменение расстояния между точками B и C может быть измерено с точностью до долей микрометра (чувствительность прибора).

Принцип работы электрических весов

Типовое применение тензорезистора - весы. При укладке на весы груза (или при подвешивании груза), длина тензодатчика изменяется - тензодатчик растягивается или сжимается в зависимости от устройства весов. При этом изменяется сопротивление тензодатчика, и, следовательно, изменяется напряжение между точками D и B (). Это напряжение поступает на микроконтроллер. Микроконтроллер пересчитывает по специальным формулам «из вольт в килограммы» и выводит результат - массу на дисплей.

Альтернативы

Помимо тензодатчиков, для измерения колебаний расстояния между двумя точками часто используют пьезоэлектрические датчики. Последние во многих сферах вытеснили тензодатчики благодаря лучшим техническим и эксплуатационным характеристикам.

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.

Промышленные образцы

В СССР и России Краснодарским заводом измерительных приборов выпускались следующие марки измерительных мостов с ручной наводкой на равновесие:

• ММВ (измерения сопротивления проводников постоянному току);
• Р333 (измерение по схеме одинарного моста, определение места повреждения кабеля по схемам петли Муррея и Варлея);
• МО-62.

См. также

• Мост Шеринга - схема для измерения ёмкости.
• Потенциометр (англ. potentiometer) - прибор для измерения ЭДС.
• Омметр (англ. ohmmeter) - прибор для измерения сопротивления.
• Реохорд - устройство для измерения сопротивления и ЭДС.

Примечания

1. Мостик Витстона // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб., 1890-1907.
2. 1 2 Марио Льоцци История физики - М.: Мир, 1970 - С. 261.
3. Электротехнический справочник, 1980, с. 190

Литература

• Панфилов В. А. Электрические измерения. - Академия, 2006.

• Электротехнический справочник. 3-x томах / Герасимов В. Г. и др.. - 6-е издание. - М.: Энергия, 1980. - Т. 1. - 520 с.

измерительный мост в, измерительный мост кино, измерительный мост компютърс, измерительный мост сериал

Измерительный мост Информацию О

Измерительный мост широко применяется во многих отраслях промышленно-хозяйственного комплекса России нескольких видов (в частности, в электротехнических и радиоэлектронных производствах). Еще в 1970-х гг. была принята классификация измерительных мостов такого вида:
1) измерительный мост уравновешиваемый;
2) измерительный мост постоянного тока;
3) измерительный мост полного сопротивления;
4) измерительный мост частоты;
5) измерительный мост индуктивности;
6) измерительный мост переменного тока (мост измерительный Вина);
7) измерительный мост емкостный;
8) измерительный мост декадный;
9) измерительный мост нелинейных искажений;
10) измерительный мост Нернста-Хагена;
11) измерительный мост неуравновешенный;
12) измерительный мост реохордный и т. д.

Измерительный мост уравновешиваемый представляет собой соединение четырех полных сопротивлений, при этом путем изменения как минимум одного из четырех сопротивлений (так называемых плеч) мостовая уравновешивается, т. е. выходная величина на выводах делителей напряжения обращается в нуль. В зависимости от типа схемы различаются условия равновесия моста, обеспечивающие это состояние, причем положение равновесия контролируется посредством нуль-органа.

Измерительный мост постоянного тока - мост измерительный, работает на постоянном токе. Такие мосты используются в измерительной, управляющей и регулирующей технике для измерения неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в постоянное или переменное значение сопротивления.
Измерительный мост полного сопротивления - мост измерительный переменного тока для измерения полных сопротивлений. В зависимости от преобладающей реактивной части сопротивления различают емкостные и индуктивные измерительные мосты. Комбинированные измерительные мосты для измерения различных электрорадиоэлементов часто также называют измерительными мостами полных сопротивлений.

Измерительный мост частоты является примером, работающим на переменном токе, предназначен для измерения частоты. В мостах измерительных переменного тока для измерения частоты в качестве рабочего используется напряжение измеряемой частоты. Процесс измерения в данном случае заключается в подборе отдельных элементов мостовой схемы, а уравновешивание достигается при условии равенства значений измеряемой и собственной частоты моста. При таких измерениях используются обычно две схемы: измерительный мост Вина-Робинсона и мост измерительный резонансного типа.

Измерительный мост емкостный представляет собой измерительный мост полных сопротивлений для измерения емкости. Мосты измерительные емкостные конструируют таким образом, что они используются исключительно для измерения емкости и коэффициента потерь конденсаторов и других устройств емкостного характера.

Измерительный мост декадный - такой мост измерительный, у которого отношения плеч имеют неизменные значения, а для уравновешивания моста применяется образцовое сопротивление, регулируемое малыми ступенями. У моста измерительного декадного (в отличие от реостатного моста) отношение плеч b = R}R4 во время измерений постоянно. Изменение диапазона измерений осуществляется варьированием старших декад. Уравновешивание данного моста осуществляется регули-
ровкой сопротивления RN до тех пор, пока индикатор не покажет нуль. Во многих случаях образцовое сопротивление выполняется в виде декад сопротивлений, на которых с учетом отношения плеч моста значение неизвестного сопротивления Ry считывается в цифровой форме.

Измерительный мост нелинейных искажений

Измерительный мост нелинейных искажений представляет собой мостовую измерительную схему для измерения коэффициента гармоник.

Принцип действия данного прибора основан на сравнении эффективного значения совокупного сигнала (основная и высшие гармоники) U с эффективным значением высших гармоник UQ. Для этого мостовая уравновешивается по основной гармонике, вследствие чего основная гармоника не создает разности потенциалов между точками А и В, тогда как напряжение высших гармоник U0 вызывает большое рассогласование мостовой схемы. При этом коэффициент нелинейности искажений определяется соотношением:
На практике прибор снабжают переключателем, выставляют при помощи делителей напряжения одинаковые значения напряжений. Полученное при этом отношение плеч делителей напряжения принимают за значение коэффициента гармоник.

Измерительный мост Нернста-Хагена

Измерительный мост Нернста-Хагена представляет собой измерительный мост переменного тока, предназначен для измерения сопротивления гальванических элементов. Суть мостовой схемы заключается в соединении трех конденсаторов Су С4 и Св таким образом, чтобы на выходе гальванического элемента ток отсутствовал. Перемещением движка уравновешивающего потенциометра (переменного резистора) R2 добиваются минимальных показаний нуль-индикатора переменного тока.

Измерительный мост неуравновешенный (или измерительный мост рассогласования) - мост измерительный, использующий комбинацию компенсационного метода измерений и метода оценки. Измерительный мост неуравновешенный может работать как на постоянном, так и на переменном токе, он предназначен для точной индикации отклонений (малых) сопротивлений в плечах моста от установленного номинального значения. Основной сферой применения такого моста является измерение неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в изменение сопротивления. Мост уравновешивается номинальным значением измеряемой величины, изменение которой вызывает рассогласование схемы. Нуль-индикатор данного моста непосредственно градуируется в единицах измеряемой величины.

Измерительный мост реохордный

Измерительный мост реохордный - мост измерительный, содержащий постоянное образцовое сопротивление и реохорд в качестве плеч мостовой схемы. Мост измерительный реохордный отличается от измерительного моста со ступенчатым уравновешиванием тем, что образцовое сопротивление в течение измерений имеет постоянное значение. Для изменения поддиапазона измерения это сопротивление варьируется подекадно. Сопротивления двух других плеч моста R3 и R4 выполнены из однородной резистивной проволоки, по которой перемещается вывод индикатора для уравновешивания моста. Положение скользящего контакта определяет отношение плеч моста. Значение известного сопротивления Rx получается путем умножения отношения плеч моста на значение образцового сопротивления Rx = dRN. Измерительный преобразователь широко применяется во многих отраслях промышленно-хозяйственного комплекса России, и в частности в электротехнических и радиоэлектронных производствах. Измерительный преобразователь подразделяется по сфере применения и устройству на несколько видов:

1) измерительный преобразователь аналоговый;

2) измерительный преобразователь функциональный;

3) измерительный преобразователь цифровой и др.

Измерительный преобразователь аналоговый - преобразователь, осуществляющий преобразование входного аналогового сигнала в пропорциональный ему выходной сш нал (например, измерительный усилитель , трансформатор тока, трансформатор напряжения). Во многих случаях выходной сигнал из измерительного преобразователя приводится к стандартному виду. Измерительный преобразователь функциональный - средство измерения, предназначенное для преобразования измеряемой величины или другой величины, связанной с измеряемой функциональной зависимостью, к виду, пригодному для передачи, обработки и (или) запоминания. Выходная величина измерительного преобразователя функционального может сниматься как автоматически, так и непосредственно оператором (наблюдателем). Примером измерительного функционального преобразователя являются преобразователи измерительные аналоговый и цифровой, трансформаторы измерительные электрические.
Измерительный преобразователь цифровой - прибор, осуществляющий цифровую обработку сигнала, отличается от других преобразователей наличием цифрового сигнала на входе и (или) на выходе.

Большую группу составляют так называемые первичные измерительные преобразователи, к которым относятся:

1) измерительный преобразователь первичный электродинамический - первый элемент в измерительной цепи при измерении ускорения или косвенном измерении перемещения. Принцип действия такого прибора заключается в перемещении электрической катушки относительно магнита. При внешнем ускорении устройства возникает относительное движение катушки и магнита, вследствие чего в катушке индуцируется напряжение, которое по закону электромагнитной индукции пропорционально скорости изменения магнитного поля в катушке. Таким образом, мгновенное значение индуцированного напряжения есть мера ускорения. Путем компьютерной обработки выходного сигнала (в виде интегрирования) определяется значение измеряемой величины (перемещения или скорости). Подобные измерительные преобразователи первичные (электродинамические) применяются главным образом в системах автоматических производственных линий во многих отраслях машиностроения России;

2) измерительный преобразователь первичный пьезоэлектрический - первый элемент в измерительной цепи при измерении усилия. Данное устройство использует пьезоэлектрический эффект, заключающийся в возникновении электрического напряжения между двумя пластинками из определенных материалов (например, турмалина, кварца) при прикладывании к ним внешнего усилия. Это напряжение пропорционально усилию. Вследствие нестабильности явления во времени применение пьезоэлектрических первичных измерительных преобразователей целесообразно при динамических нагрузках;

3) измерительный преобразователь омический первичный (резистивный) - первый элемент в измерительной цепи при измерении перемещения. В этом устройстве преобразование длины (перемещения) в электрическую величину (ток, напряжение, сопротивление) осуществляется на основе пропорциональной зависимости омического сопротивления линейного проводника от его длины. Измерительный преобразователь омический первичный применяется главным образом при невысоких требованиях (производственного характера) в условиях статических измерений, а при более высоких требованиях используются омические преобразователи, выполненные в виде тензометрических преобразователей;

4) измерительный преобразователь емкостный первичный - первый элемент в измерительной цепи при измерении перемещения. Данный вид измерительного преобразователя представляет собой конденсатор с пластинчатыми или цилиндрическими электродами, расстояние между которыми может изменяться. Пропорциональность между емкостью конденсатора и межэлектродным зазором облегчает переход от длины (т. е. перемещения) к электрической величине. Изменение емкости измеряется с помощью мостовой емкостной схемы. Преобладающее распространение во многих современных отраслях промышленного производства с автоматизированными системами управления получила дифференциальная конструкция емкостного первичного измерительного преобразователя;

5) измерительный преобразователь индуктивный первичный - первый элемент измерительной цепи при измерении перемещения. Принцип работы такого устройства основан на том, что индуктивность электрической катушки пропорциональна ее магнитному сопротивлению. Ее изменение (например, путем изменения воздушного зазора в магнитопроводе) определяется измерительным индуктивным мостом. В зависимости от конструкции различают измерительные преобразователи с поперечным и втяжным (продольным) якорем;

6) измерительный преобразователь термоэлектрический первичный - измерительный преобразователь для электрического измерения температуры. К термоэлектрическим первичным измерительным преобразователям относятся термоэлементы (термопары) и термосопротивления (термисторы). Данные измерительные преобразователи широко применяются во многих отраслях промышленно-хозяйственного комплекса России, и прежде всего в производствах с автоматизированными системами управления, причем с подключением к локальной компьютерной сети.

Измерительные мосты - устройства, предназначенные для измерения параметров электрической цепи (сопротивления, емкости, индуктивности и т.д.) методом сравнения. В них измеряемая величина сравнивается с эталоном. Это может осуществляться вручную или автоматически, на постоянном или переменном токе. В простейшем случае мостовая схема содержит четыре резистора, соединенные в замкнутый контур. Такую схему имеет одинарный мост постоянного тока, рис. 7

Резисторы R Х, R Э1 , R Э2 и R Э3 этого контура называются плечами моста, а точки соединения соседних плеч - вершинами моста. Цепи, соединяющие противоположные вершины называют диагоналями. Одна из диагоналей (А-C) содержит источник питания ε, а другая (В - D) - нуль-гальванометр G. В плече моста переменного тока, рис. 8, могут быть включены не только резисторы, но также конденсаторы и катушки индуктивности. В этом случае сопротивление плеч моста Z является функцией R, L и С.

РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА.

В научных исследованиях и производственной деятельности часто возникает необходимость автоматической регистрации измеряемых величин. Для записи разработаны регистрирующие приборы, которые служат для записи изменений измеряемой величины как функции времен. Находят также применение двух координатные самопишущие приборы, позволяющие регистрировать функциональную зависимость между двумя величинами, например, температура-время, ток-напряжение.

Регулирующие устройства

При электрических измерениях часто возникает необходимость изменить силу тока или перераспределить напряжение между участками цепи. Для этого используют регулирующие устройства: реостаты, автотрансформаторы, магазины и мосты сопротивлений.

1. Реостаты . Для плавного изменения сопротивления в цепи применяются реостаты. Наиболее распространенной конструкцией реостата является движковый (ползунковый) реостат.

В случае ”а” (рис. 9) реостатом плавно изменяют сопротивление цепи от R H (R=0, реостат выведен – скользящий контакт поставлен в положение С) до R+R H (реостат полностью введен – положение В). В результате, по закону Ома, ток меняется от
до
.

В этом случае (рис. 7а) реостат является регулятором тока. В случае "б" передвижением ползунка из положения С в положение В меняется напряжение на участке CD от 0 до величины питающего цепь напряжения источника, то есть, реостат служит потенциометром. Как видно из схем, назначение потенциометра состоит в том, чтобы выделить для заданного участка цепи (например, сопротивления нагрузки R H) некоторую часть общего напряжения источника ЭДС, меняя ее в известных пределах.

2. Магазин сопротивлений. Магазином сопротивлений (рис. 8)называется набор сопротивлений, смонтированных в одном корпусе так, чтобы можно было по желанию изменять в определенных пределах ступенями значение сопротивления, включенного в измерительную цепь.

В декадных (курбельных) магазинах сопротивления сгруппированы десятками. В каждой такой декаде установлены катушки одинакового сопротивления по 0,1; 1, 10 Ом и т.д. Катушки в каждой декаде и декады между собой соединены последовательно. Катушки расположены полукругом и прикреплены к верхней панели корпуса. В центре полукруга смонтирована ручка с пружиной, скользящей по контактам, к которым припаяны концы катушек, рис.10. Например, так устроен магазин сопротивлений РЗЗ, состоящий из отдельных, точно подогнанных проволочных сопротивлений, позволивших устанавливать любое значение сопротивлений от 0,1 до 99999,9 Ом с интервалами в 0,1 Ом. Отсчет по прибору равен сумме произведений цифр, стоящих против указателя декады, на соответствующий множитель. Например,

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Электроизмерительные приборы классифицируются по следующим основным признакам:

1.По принципу действия.

2. По роду измеряемого тока

Наименование
Постоянный ток
Переменный однофазный ток
Постоянный и переменный ток
Трехфазный ток

По классу точности.

4. По роду измеряемой величины.

Род измеряемой величины	Название прибора	Обозначение
Сила тока	Амперметр
Напряжение	Вольтметр
Мощность	Ваттметр
	Счетчик килловат-часов
	Частотомер
Сопротивление
Индуктивность	Генриметр
	Фарадметр

5. По степени защищенности от внешних магнитных полей и электрических полей.

По степени защищенности от внешних магнитных полей постоянного и переменного тока (с частотой до 1 кГц тона при напряженности 400 В/м электроизмерительные приборы разделяют на категории 1 и 2. Для приборов первая категории допустимые измерения показаний составляют примерно ± 0,5%, а для приборов второй категории ± 1% и более. На приборах первой категории наносятся обозначения: при защите от внешних магнитных полей.

6. По устойчивости к климатическим условиям.

По устойчивости к климатическим воздействиям электроизмерительные приборы разделяются на группы:

А - приборы, предназначенные для работы в сухих отапливаемых помещениях при температуре +10 - +35°С и относительной влажности воздуха до 80%.

Б - приборы, предназначенные для работы в закрытых не отапливаемых помещениях при температуре -30 - +50°С и относительной влажности воздуха до 95%.

В - приборы, предназначенные для работы в полевых и морских условиях при температуре -50 - +80°С.

Кроме указанных выше, на шкалы приборов наносят следующие обозначения:

1. Обозначения, состоящие из буквенного символа и числа, стоящего за буквой, например, М24. Буквенные индексы характеризует систему прибора (принцип действия), а число – завод - изготовитель или организацию, разработавшую прибор. Например:

М - прибор магнитоэлектрической системы,

Э -прибор электромагнитной системы

Д - прибор электродинамической или ферромагнитной системы,

С - прибор электростатической системы.

2. Положение шкалы: горизонтальное

вертикальное 

3. Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением, например 2 кВ

4. Прибор испытанию прочности изоляции не подлежит.

5. Осторожно! Прочность изоляции измерительной цепи по отношению к корпусу не соответствует нормам (знак красного цвета)

6. Внимание! Смотри дополнительные указания в паспорте и инструкции по эксплуатации

7. Отрицательный зажим

8. Положительный зажим

9. Общий зажим (для многопредельных и комбинированных приборов)

10. Зажим переменного тока 

11. Зажим, соединенный с корпусом

12. Корректор

13. Арретир Арр.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ЦЕНА ДЕЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ.

Чувствительностью S прибора (имеющего равномерную шкалу) называется число делений шкалы N, приходящихся на единицу измеряемой величины Х, то есть
. Например, если шкала миллиамперметра, рассчитанного на 300 mА, имеет 60 делений, что чувствительность прибора

Размерность чувствительности зависит от характера измеряемой величины (например, чувствительность прибора к току, напряжений и т.д.). Величина
, обратная чувствительности, называется ценой деления прибора, Она определяет значение электрической величины, вызывающей отклонение на одно деление. В общем случае цена деления представляет собой разность значений измеряемой величины для двух соседних отметок. Цена деления зависит от прибора; и от числа делений шкалы.

КЛАССЫ ТОЧНОСТИ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

И ПРИБОРНАЯ ПОГРЕШНОСТЬ

Важнейшей характеристикой электроизмерительного прибора является его класс точности, который определяет минимальную относительную (систематическая) погрешность прибора, выраженную и процентах. Все приборы классифицируется по 9 основным классам точности: 0,02; 0,05; 0.1; 0.2; 0.5; 1,0; 1.5; 2, 5, 4, 0. Приборы первых пяти классов вследствие высокой точности называются особо точными. Приборы остальных классов точности называются техническими. Для приборов, систематическая погрешность которых больше 4%, класс точности не устанавливается.

По характеру градуировки шкалы прибора, они делятся на 2 типа. К первому типу относятся приборы, у которых абсолютная систематическая погрешность по всей шкале прибора постоянна, класс точности таких приборов указывается на шкале прибора в виде цифры: например, 1,0. Ко второму типу относятся приборы, у которых постоянной является относительная систематическая погрешность по всей шкале прибора. Класс точности таких приборов указывается в виде цифры, стоящей в кружочке

Класс точности равен отношению абсолютной погрешности к предельному значению измеряемой величины Х ПР) измерения в процентах, т.е. класс точности равен

Отсюда вычисляется абсолютная погрешность прибора

Так, например, если измерение осуществляется миллиамперметром со шкалой 0-500 mА (Х ПР = 500 mA) класса точности 1,5, то на любой отметке шкалы миллиамперметра абсолютная погрешность прибора равна

Зная абсолютную погрешность прибора, можно рассчитать относительную погрешность ε проведенного в данном опыте измерения. Пусть, например, в опыте рабочее значение измеряемого тока было равно I=200 mA, тогда относительная погрешность данного измерения будет равна отношению абсолютной погрешности прибора к рабочему значения измеряемого тока, т.е.

или

Для декадных магазинов сопротивлений с классом точности 0,2 погрешность не превышает

где m – число декад магазина. R – значение включенного сопротивления.

Абсолютная погрешность будет равна

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

	Два пересекающихся повода, электрически между собой не соединенные
	Два пересекающихся провода электрически между собой соединенные
	Заземление
	Переменный ток
	Постоянный ток
	Плавкий предохранитель
	Электрическая лампа
	Гальванический элемент, аккумулятор
	Батарея гальванических элементов или аккумуляторов
	Конденсатор постоянной емкости
	Конденсатор переменной емкости
	Омическое сопротивление (резистор)
	Переменное сопротивление или реостат
	Потенциометр
	Вольтметр
	Амперметр
	Гальванометр
	Катушка без сердечника, соленоид
	Катушка с сердечником
	Трансформатор
	Электронная лампа диод
	Полупроводниковый диод
	Полупроводниковый триод – транзистор
	Неоновая лампа
	Микрофон
	Электролитический конденсатор

ПРАВИЛА СБОРКИ ЦЕПЕЙ

Перед выполнением работы студент должен ознакомиться с применяемой аппаратурой и ее техническими данными. После этого приступает к сборке электрической цепи по заданным схемам. При этом необходимо руководствоваться следующими правилами:

1. Перед сборкой цепи все рубильники должны быть разомкнуты, реостаты поставлены на максимальное сопротивление.

2. Сборку схемы рекомендуется производить по контурам: собирается основной контур, затем вспомогательные контуры. Источник тока не присоединяется к цепи до проверки ее преподавателем или лаборантом. Сборку схемы следует начинать от одного полюса источника питания и заканчивать около другого его полюса.

3. Схема обязательно должна быть проверена преподавателем или лаборантом. Производить “пробные” включения, то есть, замыкать цепь на источник тока без разрешения - строго воспрещается.

4. Любые изменения в собранной схеме производятся обязательно при выключенном источники тока. Последующее включение напряжения разрешается только после повторной проверки преподавателем или лаборантом.

5. При выполнении работы необходимо следить за соблюдением правил техники безопасности. Категорически запрещается касаться руками проводов и зажимов, когда цепь находится под напряжением. Запрещается производить присоединение к схеме, не отключенной от источника тока.

Перенос приборов с других рабочих столов не допускается.

По каждой выполненной работе составляется отчет по форме.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Электрическая цепь. Из чего она состоит?

Какими устройствами регулируется ток, напряжение?

Как необходимо включать амперметр и вольтметр в цепь?

Как подключить шунт к амперметру и дополнительное сопротивление к вольтметру?

На какие группы разделяются электроизмерительные аналоговые приборы прямого преобразования?

Источники тока.

Устройство и принцип работы магнитоэлектрических приборов.

Устройство и принцип работы электромагнитных приборов.

Устройство и принцип работы цифровых измерительных приборов.

Устройство измерительных мостов.

Регистрирующие приборы и устройства.

Как определить систематическую погрешность, зная класс точности.

Как определить относительную погрешность, зная класс точности.

Как определяется цена деления прибора

Как определяется чувствительность прибора.

При помощи мультиметра мы можем измерить сопротивление, но в радиолюбительской практике требуется измерять так же, индуктивности и емкости. Очень давно для этих целей (а так же, и для измерения сопротивлений) применяются довольно своеобразные приборы - измерительные мосты.

Эти приборы настолько своеобразны, что у них даже может не быть индикатора. Представьте, - перед вами небольшой прибор с поворачивающейся рукояткой, вокруг которой нанесена шкала, есть переключатель пределов измерения, клеммы и... гнездо для наушников.

Одеваете наушники (там слышится звук высокого тона), подключаете к клеммам, например, конденсатор емкость которого нужно измерить и поворачиваете рукоятку так, чтобы звук исчез (или стал минимальной громкости). Замечаете на каком делении шкалы рукоятки звук исчез и так, по этому делению, определяете емкость.

Что такое измерительный мост

А теперь разберемся, - что же такое измерительный мост? Начнем с моста постоянного тока (такими можно измерять сопротивления) - рис. 1. Есть четыре резистора включенных очень похоже на то, как включены диоды в мостовом выпрямителе. На одну диагональ моста подается постоянное напряжение а в другую включен стрелочный вольтметр Р1 с нулем в центре шкалы.

Предположим, что R1=R2 (рисунок 1 А), тогда напряжение в точке соединения этих резисторов будет равно половине напряжения U. Если, при этом, R3=R4, то в точке соединения R3 и R4 будет такое же напряжение (0,5U) как и в точке соединения R1 и R2. То есть, разности потенциалов между этими двумя точками нет, и наш вольтметр показывает ноль. Такое состояние называется балансом моста.

Рис. 1. Измерительные мосты с сопротивлениями.

Теперь предположим, что сопртивление R3 взяло и уменьшилось (рисунок 1 Б) и, следовательно, стало меньше сопротивления R4. В этом случае, напряжение в точке соединения R3 и R4 возрастет и станет больше чем напряжение в точке соединения, по прежнему одинаковых, резисторов R1 и R2. А раз так, то стрелка вольтметра отклонится в сторону положительных напряжений.

Такое состояние называется разбалансировкой моста. Теперь, чтобы этот мост сбалансировать нужно изменить сопротивление одного из резисторов, так, чтобы напряжения в точках соединений R1-R2 и R3-R4 снова стили одинаковыми. Это можно сделать уменьшив сопротивление или уменьшив сопротивление R4 или увеличив сопротивление R2.

На рисунке 1В показан случай, когда R3 не уменьшилось, а увеличилось, что, само собой, привело к уменьшению напряжения в точке соединения R3-R4 по сравнению с напряжением в точке соединения R1-R2 (R1=R2). Стрелка вольтметра, при этом, отклонится в сторону отрицательных напряжений. А выправить балансировку моста можно будет, например, увеличив R4 или R1 или уменьшив сопротивление R2.

Напрашивается вывод, - условием баланса моста является выполнение соотношения: R1/R2 = R3/R4.

Практические схемы

Практическая схема моста для измерения сопротивления показана на рисунке 2. Сопротивление RХ - это то сопротивление, которое нужно измерить, пределы измерения зависят от сопротивления R2, а органом и шкалой измерителя служит переменный резистор R1. Задача состоит в том, чтобы подключив RХ установить R1 в такое положение, при котором напряжение на его движке будет равно напряжению в точке соединения RХ и R2. Каждому сопротивлению RХ будет соответствовать строго определенное положение R1, при котором достигается баланс моста.

В качестве индикатора баланса моста совсем не обязательно использовать стрелочный вольтметр или мультиметр, -это может быть любой индикатор того, что напряжение на нем отлично от нуля, то есть, даже малогабаритная лампочка или компаратор со светодиодом на выходе.

Рис. 2. Иземрительный мост с переменным резистором.

Рис. 3. Измерительные мосты для измерения емкости и индуктивности.

На рисунках 1 и 2 приводятся схемы моста постоянного тока. Такой мост годится только для измерения сопротивлений.

Но, нам нужен измеритель емкостей и индуктивностей. Во многих приборах (и мосты не являются исключением) эти физические величины определяют по величине реактивного сопротивления. Ведь, чем больше емкость конденсатора тем ниже его реактивное сопротивление, а чем больше индуктивность катушки тем больше её реактивное сопротивление (это известно из школьного курса физики).

Поэтому, если реактивное сопротивление катушки или конденсатора проявляется только на переменном токе, то активное сопротивление обычного резистора имеет силу как на постоянном токе, так и на переменном.

Значит нам нужен такой же мост, но питающийся переменным током, а если частота этого переменного тока лежит в зоне восприятия ухом человека, то можно в качестве индикатора баланса моста использовать любой электроакустический преобразователь, например, динамик или головные телефоны (наушники). Когда мост разбалансирован на динамике будет значительное переменное напряжение и он будет издавать звук. По мере приближения к точке баланса громкость звука будет уменьшаться и, в точке баланса, затихнет совсем.

На рисунках 3А и 3Б приводятся схемы мостов переменного тока для измерения емкости и индуктивности. Фактически эти мосты измеряют емкостное и индуктивное реактивные сопротивления и по ним определяют величины емкости и индуктивности.

Следует заметить, что на точность таких мостовых измерителей оказывают некоторое влияние активные составляющие сопротивлений катушки или конденсатора (сопротивления медного провода, которым намотана катушка, сопротивление выводов, обкладок конденсатора, его утечка тока).

Схема мостового измерителя

Принципиальная схема реального мостового измерителя емкости и индуктивности, который вам предлагается сегодня сделать, показана на рисунке 4. Вы, наверное уже догадались, что этот прибор будет работать от низкочастотного генератора и лабораторного источника сигнала, которые мы с вами уже сделали ранее.

При помощи моста можно измерять емкости от десятков пФ до единиц мкФ и индуктивности от десятков мкГн до единиц мГн.

В качестве индикатора баланса используются обычные головные телефоны, например, от аудиоплейера, которые подключаются в гнездо Х5. Обратите внимание -общий вывод гнезда никуда не припаян, а к схеме подключены выводы стереоканалов наушников. Это позволяет увеличить сопротивление телефонов потому, что обе звуковые катушки так будут включены последовательно.

На разъем Х2 подаются прямоугольные импульсы с выхода нашего генератора, при этом S4 генератора должен быть в противоположном, показанному на схеме положении (см. "РК-12-2004, стр.36-38).

Рис. 4. Принципиальная схема мостового измерителя емкости и индуктивности.

Транзисторный ключ на VT1 (рис.4) защищает выход микросхемы генератора от перегрузки, которая может возникнуть в процессе работы с мостом. Переключателями S1-S5 выбирают пределы измерения и то, что нужно измерять (индуктивность или емкость). При измерении индуктивности измеряемые катушки нужно подключать к клеммам Х3, а измеряя емкость - измеряемые конденсаторы подключать к Х4.

Если вернуться к схемам, приведенным на рисунках ЗА и ЗБ, то, конденсаторы С1, С2 и С3 (рис. 4) это конденсатор С1 (рис.З А), а измеряемый конденсатор - это С2 (рис.ЗА). Индуктивности L1 и L2 показанные на схеме на рисунке 4, - это индуктивность L2 в схеме на рисунке ЗБ, а измеряемая индуктивность - это L1 на рисунке З Б.

Органом измерения и, одновременно, индикатором результата измерения служит переменный резистор R1. Его рукоятка имеет стрелку, а вокруг нее нанесена на корпусе прибора шкапа (таким же способом как шкала настройки генератора НЧ).

На разъем Х1 подается напряжение от лабораторного источника питания. При измерении емкостей величина этого напряжения должна быть установлена 10-12V, а при измерении индуктивностей - 4-5V. Индуктивность и емкость можно отсчитывать по одной и той же шкале. Это важно, поскольку для градуировки измерителя емкости можно приобрети достаточное количество конденсаторов разных емкостей, а с приобретением такого же количества разных катушек могут возникнуть проблемы. Поэтому, градуировав прибор на измерение емкости можно им пользоваться и для измерения индуктивности.

На генераторе установите частоту около 1000 Гц. С такой частотой в дальнейшем и будет работать мост. Конденсаторы С1, С2 и С3 нужно выбрать с наименьшей погрешностью емкости. Если есть такая возможность лучше их емкости предварительно проверить при помощи какого-то точного прибора, измеряющего емкости. В качестве L2 и L1 лучше использовать готовые дроссели (на 100 мкГн и на 1 мГн).

Прибор можно собрать в любом подходящем по размерам корпусе, например, в пластмассовой мыльнице. В качестве переключателей S1-S4 можно использовать такие же как в генераторе НЧ, но не три, а пять модулей или простые тумблеры. Можно всех их заменить одним поворотным переключателем на пять положений.

Работая с прибором нужно помнить, что только один из S1-S5 может быть замкнутым, при этом все остальные разомкнуты.Шкала одна и та же для всех пределов и видов измерения. Поэтому, её можно отградуировать на одном пределе, например, "х0,01 мкФ". В этом случае, подготовьте эталонные конденсаторы, например, на 1000 пф, 1500 пф, 3000 пФ, 5000 пф, 7500 пФ, 0,01 мкФ, 0,015 мкФ, 0,02 мкФ, 0,05 мкФ, 0,1 мкФ.

Проводя контрольные измерения этих эталонных конденсаторов, при замкнутом S2, делайте на шкале метки: 1000 пФ -"0,1", 1500пФ - ”0,15", 3000 пФ - ”0,3", 5000 пФ - "0,5", 7500 пФ - "0,75", 0,01 мкФ - "1", 0,015 мкФ - "1,5", 0,02 мкФ - "2", 0,05 мкФ -"5", 0,1 мкФ - "10".

Метку нужно делать в том месте шкалы, при повороте рукоятки переменного резистора в которое, при подключенном эталонном конденсаторе, звук в наушниках пропадает.

Существуют и другие приборы. Во-первых, они обеспечивают высокую точность в широком диапазоне измеряемых величин. Во-вторых, их применение позволяет организовать измерения таким образом, чтобы компенсировать посторонние влияния, что незаменимо для локализации неисправности. В-третьих, они недороги.

Учитывая сказанное, полезно ознакомиться не только с устройством измерительных мостов, но и с принципами их применения для локализации неисправностей. Впрочем, говоря языком математики, для построения оптимальных схем измерения такие знания необходимы, но недостаточны. Диагностика - это всегда и опыт, и искусство.

Принцип работы мостовой схемы измерения продемонстрировано на Рисунке 1 (RM1a), а способ ее применения на практике - на Рисунке 2 (RM2a). Сопротивление R1 вычисляется исходя из полученного при балансировке 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) (RM2в). Здесь измеряемые цепи подключаются с помощью трех клемм (A, B и C). В более сложных схемах Хиборна/Графа (Hilborn/Graf) задействуются четыре клеммы (A, B, B’ и C) (RM3). 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). В таких мостах источником напряжения служит генератор синусоидального напряжения.

Теперь остановимся на схемах измерений. С помощью моста Уитстона при постоянном токе измеряют сопротивление витой пары (шлейфа), сопротивление изоляции жил пары, сопротивление изоляции между жилами и экраном (RM3, RM4, RM5).

Значения упомянутых параметров используются для диагностики кабельных линий. Локализация же неисправностей требует определения места повреждения на кабельной линии. При помощи моста постоянного тока несложно вычислить расстояние до места повреждения. Зная сопротивление шлейфа Rшл и погонное сопротивление жил кабеля Rпог, можно воспользоваться формулой: Lпары = Rшл / 2Rпог, и рассчитать длину витой пары.

Погонное сопротивление медных жил определяется табличным способом по их сечению. Оно зависит не только от сечения жил, но и от их температуры. Чтобы избежать ошибки, нужно использовать значение погонного сопротивления для соответствующей температуры (особенно важно это для воздушных кабельных линий, где температура меняется в широких пределах). В простых мостах значения вводятся оператором вручную из таблиц. В более сложных приборах при помощи автоматической или полуавтоматической калибровочной процедуры определяется поправочный коэффициент по измеренному значению температуры (для чего в комплекте прибора присутствует щуп-датчик).

Длина витой пары может быть установлена также мостовым методом при переменном токе. В таком случае измеряемым параметром является емкость витой пары. Разделив емкость витой пары на ее погонную емкость, получим длину витой пары.

Аналогично рассмотренным выше измерениям при постоянном токе, с помощью моста Уитстона при переменном токе определяются емкость витой пары (шлейфа) и емкость каждой из жил пары относительно экрана. Длина жил может быть вычислена по их погонной емкости. Погонная емкость (нФ/км) витой пары зависит от сечения жил, типа скрутки, вида и материала изоляции и определяется табличным способом по типу кабеля.

Резкое увеличение емкости витой пары по сравнению с ее паспортным значением, как правило, свидетельствует о наличии воды в сердечнике кабеля. Для локализации повреждений этого типа применяются другие методы, прежде всего зондирование поврежденной пары с помощью рефлектометра.

Отметим, что, в отличие от сопротивления, погонная емкость слабо зависит от температуры, что существенно упрощает измерения.