Способы увеличения чувствительности одинарного моста постоянного тока

Способы увеличения чувствительности одинарного моста постоянного тока

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

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

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

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

Мосты постоянного тока.

Одинарные мосты постоянного тока предназначены для измерения сопротивлений величиной от 10 Ом и более. Схема одинарного моста приведена на рисунке:

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

Выведем условия равновесия моста.

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

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

I₄=I₁ и I₃=I_2. Принимая во внимание все вышесказанное можно записать:

или . Выражение — является условием равновесия моста.

Чувствительность моста по току и по напряжению определяются как:

— чувствительность моста по току. — чувствительность моста по напряжению.

_yp и U_yp— изменение силы тока и напряжения в измерительной диагонали.

R/R- отношение изменения сопротивления плеча моста к полному сопротивлению этого плеча.

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

и .

R₁₀ — сопротивление R₁ при равновесии.

, , . R_ур — сопротивление указателя равновесия.

В качестве практического примера приведены параметры моста Р-369.

Диапазон измеряемых сопротивлений:

Класс точности в диапазоне до 10 -3 Ом- 1 и при измерении сопротивлений от1 до 10 3 Ом класс точности- 0.005.

Двойные мосты постоянного тока.

Для точных измерений сопротивлений малой величины применяют двойные мосты. Схема двойного моста представлена на рисунке:

В процессе измерения измеряемое сопротивление R_x сравнивается с образцовым сопротивлением R₀.

Уравнения, поясняющие процесс измерения приведены ниже.

По второму закону Кирхгофа можно записать:

Тогда уравнения можно переписать как:

В результате сопротивление неизвестного резистора можно выразить следующим образом:

;

Двойные мосты позволяют измерять сопротивления в диапазоне

Класс точности прибора составляет 0.02 в диапазоне измерений и 2 в конце диапазона измерений.

Для питания моста используют источники тока или напряжения.

Мосты переменного тока.

Мосты переменного тока применяются для измерения, как активных, так и реактивных сопротивлений (емкостных и индуктивных).

Схема моста переменного тока приведена на рисунке.

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

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

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

или . Выражение — является условием равновесия моста.

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

или .

Из этих уравнений следуют условия равновесия моста:

Данная система уравнений показывает, что мост переменного тока может быть уравновешен только при определенном характере нагрузки и схеме включения сопротивлений в ветвях.

Рассмотрим работу автоматических мостов.

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

Упрощенная схема такого моста приведена на рисунке.

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

Компенсаторами называются приборы сравнения, в основу которых положен принцип компенсации Э.Д.С.

Применяются компенсаторы для измерения напряжений и Э.Д.С. с высокой точностью.

Схема компенсатора приведена на рисунке.

На приведенной схеме приняты следующие обозначения::

Gp- источник рабочего тока.

Gn- нормальный элемент.

Gx- источник измеряемого напряжения.

R- регулируемый резистор.

Ro образцовый резистор.

Rk- компенсационный резистор.

P- магнитоэлектрический гальванометр.

Если ключ К находится в положении 1, выполняется равенство:

.

Если ключ находится в положении 2, выполняется равенство:

.

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

. Следовательно: .

По приведенной схеме работает, например, компенсатор Р 355. Он имеет класс точности в пределах измерения напряжения

Для увеличения скорости измерений применяют автоматические компенсаторы. Одна из схем такого компенсатора показана на рисунке.

Схема работает следующим образом: В основе прибора лежит усилитель постоянного тока, охваченный обратной связью.

Если обозначить коэффициент усиления УПТ как s, можно записать:

и . Отсюда можно вывести прямую зависимость между током, протекающим по микроамперметру и измеряемым напряжением.

.

Такие компенсаторы применяют для измерения малых напряжений, например на выходе

Источник

Чувствительность мостовой схемы.

Чувствительность моста определяется как отношение приращения тока в измерительной диагонали ΔI_ПР к вызвавшему его изменению сопротивления одного из плеч моста, например, R₁:

Учитывая, что в уравновешенном мосте I_ПР = 0, а после изменения R₁ на ΔR ток прибора станет равным ΔI_ПР, запишем выражения для определения тока в диагонали моста

Преобразуем числитель этого выражения, учитывая условие равновесия R₁R₄ =R₂R₃ :

и чувствительность уравновешенного моста по току

В некоторых случаях, например, в мостах с автоматическим уравновешиванием, входным сигналом мостовой схемы служит напряжение в измерительной диагонали БГ. Тогда следует определять чувствительность по напряжению:

.

Рассмотрим чувствительность неуравновешенного моста. Датчики с изменяющимися сопротивлениям можно включить в любое плечо моста (рис. 8.4).

Чаще всего используется простая (рис. а) схема равноплечего датчика с одинаковыми сопротивлениями плеч: R₀ = R₂ = R₃ = R₄ , R₁ = R₀ ± ΔR, где R₀ сопротивление датчика, соответствующее начальному значению измеряемой неэлектрической величины.

Воспользуемся уравнением для определения тока, протекающего через прибор, через ток питания:

Для малых приращений ΔR можно пренебречь в знаменателе слагаемымb ΔRR_ПР и 2 ΔRR₀

В этом случае чувствительность схемы

Приняв чувствительность схемы с одним датчиком за исходную S₀, определим чувствительность других схем.

На схеме (б) два одинаковых датчика с изменяющимся сопротивлением R₀+ΔR включены в противоположные плечи моста. В этом случае приращение тока в измерительном приборе

и чувствительность схемы S_CX=2S₀ , то есть она стала в 2 раза больше.

Такое же увеличение произойдет и в схеме (в), где второй датчик включен в соседнее плечо, но его сопротивление не увеличивается, а уменьшается на ΔR .

В схемах (а – в) чувствительность непостоянна и зависимость I_ПР=f(ΔR) нелинейна.

Если датчики включить так, как показано на рис. (г), то чувствительность снова повысится в 2 раза, однако в этом случае зависимость вида I_ПР=f(ΔR) близка к линейной в довольно широких пределах.

При включении датчиков, показанном на рис. (д, е) изменение сопротивления в датчиков обоих плечах не приводит к изменению тока в приборе, и такое подключение является ошибочным.

Если датчик подключить так, как показано на рис. (ж), то мы получим максимальную чувствительность — S_CX=4S₀ .

Наряду с мостами постоянного тока применяются мосты переменного тока, которые используются для измерения индуктивности и емкости. В плечи такого моста включаются сопротивления, имеющие активную и реактивную составляющую. Это, например, катушки индуктивности. В связи с этим уравновешивание такого моста производится регулированием двух параметров – активной и реактивной составляющей сопротивления показаний измеряемого датчика. Это достаточно сложно, и, как правило, производится методом последовательного приближения.

Автоматическое уравновешивание мостов постоянного и переменного тока производится по нижеприведенной схеме (рис. 8.5).

Напряжение разбаланса ΔU снимается с измерительной диагонали моста, усиливается в усилителе У и подается на исполнительный электродвигатель ЭД. Двигатель через редуктор Р перемещает рычажок переменного резистора R до тех пор, пока не будет обеспечено равновесие моста, то есть разбаланс ΔU не станет равным нулю. Одновременно двигатель может перемещать стрелку по шкале, которая проградуирована в единицах сопротивления датчика или в единицах измеряемой неэлектрической величины.

Рис. 8.5. Схема автоматического уравновешивания моста

Для повышения чувствительности измерения применяются дифференциальные измерительные схемы (рис. 8.6). Эти схемы состоят из двух смежных контуров с источниками питания, а измерительный прибор включен в общую ветвь контуров и реагирует на разность контурных токов. В таких схемах могут быть использованы как параметрические датчики, т.е. датчики с изменяющимся сопротивлением, так и генераторные – с изменяющимся ЭДС.

В схеме в) датчиком является так называемый дифференциальный трансформатор. При изменении положения сердечника, вызванного изменением параметра контролируемой неэлектрической величины (например, линейного размера) изменяются ЭДС левого и правого контуров, что приводит к изменению показаний прибора.

Математическое выражение для определения чувствительности дифференциальной схемы весьма сложно, однако можно сказать, что по сравнению с мостовой схемой дифференциальная схема измерения обладает гораздо большей чувствительностью.

Дата добавления: 2016-04-19 ; просмотров: 4663 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник