Мост уинстона принцип работы – схема, принцип действия и т.д.

схема, принцип действия и т.д.

Мост Уитстона — это одна из наиболее часто используемых мостовых схем в контрольно-измерительных приборах.

Схема моста Уитстона часто используется в системах измерения температуры. В этих системах устройство, называемое термометр сопротивления или терморезистор, обычно помещается в одной из ветвей схемы мостика.

Принципиальная схема мостика Уитстона
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Величина тока в мосте Уитстона определяется величиной разности сопротивлений: чем больше разность, тем больше будет течь ток; а если разность сопротивлений меняется, количество протекающего тока будет тоже меняться. Именно это свойство делает схему мосте Уитстона очень полезной в контрольно-измерительных устройствах и системах управления. Точные измерения переменных величин процессов достигаются тем, что переменные параметры процессов изменяют сопротивление в схеме мостика. Даже очень малые изменения величины сопротивления могут быть обнаружены при измерении тока, протекающего через мостик.

Принцип работы моста Уитстона

Схема моста Уитстона имеет два плеча сопротивления, каждое из которых содержит два резистора. Третья ветвь схемы — это соединение между двумя параллельными ветвями. Эта третья ветвь называется мостиком. Ток течет от отрицательной клеммы батарейки к верхней точке мостовой схемы. Затем, ток делится между двумя параллельными ветвями, причем количество тока, протекающее по каждой из ветвей, зависит от величины сопротивления в ветви. Наконец, ток возвращается к положительной клемме батарейки.

При равных величинах сопротивлений равное количество тока течет в каждой из ветвей. По мостику ток не течет, на что указывает нулевое положение измерителя. При этом условии о мостике говорят, что он уравновешен.

Уравновешенная схема мостика Уитстона

При неравных величинах сопротивления в ветвях, ток течет в схеме от ветви с большим сопротивлением к ветви с меньшим сопротивлением. Это будет верно, пока два верхних резистора фиксированы и равны по величине, как это имеет место в схемах мостика Уитстона, используемых в контрольно-измерительных системах. Измеритель на рисунке показывает, что ток в мостике течет слева направо.

Неуравновешенная схема мостика Уитстона

kipiavp.ru

Измерительный мост Уинстона (Уитстона)

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.

Схема измерительного моста Уинстона.
P1 - P3 - диагональ питания; P2 - P4 - измерительная диагональ моста;
R1, R2 - левое плечо, R3, Rx - правое плечо моста.

Принцип работы

Принцип измерения неизвестного сопротивления основан на уравнивании отношений сопротивлений в обоих плечах моста, при этом гальванометр, включённый между этими плечами, будет показывать нулевое напряжение. На рисунке Rx - это неизвестное сопротивление, которое требуется измерить. R1, R2 и R3 - резисторы с известными значениями сопротивлений, причём резистор R2 переменный. Если отношение двух известных сопротивлений в плече R2/R1 равно отношению сопротивлений в плече Rx/R3, то в этом случае напряжение между точками схемы P2 и P4 будет равно нулю, и через гальванометр V ток не будет течь. Если же мост разбалансирован, то отклонение гальванометра будут указывать на то, что сопротивление резистора R2 слишком большое или слишком маленькое. Переменный резистор R2 регулируют до тех пор, пока гальванометр не укажет на ноль.

По гальванометру можно определять отсутствие тока в цепи с очень большой точностью. Следовательно, если резисторы R1, R2 и R3 - высокоточные, то неизвестное сопротивление Rx может быть измерено с большой точностью. Небольшие изменения сопротивления Rx разбалансируют измерительный мост, что обнаруживается по показанию гальванометра.

При сбалансированном мосте выполняется равенство R2/R1 = Rx/R3.

Отсюда Rx = R3*R2 / R1

В случае если сопротивления R1, R2 и R3 известны, а резистор R2 - постоянный, то неизвестное сопротивление Rx может быть рассчитано с помощью законов Кирхгофа. Этот метод измерения часто используется при применении измерительного моста в тензометрии, совместно с тензодатчиком, так как считать показания с гальванометра получится гораздо быстрее, чем балансировать мост переменным резистором.

Расчёт

Используя первый закон Кирхгофа, найдём токи, протекающие в узлах P2 и P4:

I3 - Ix + IG = 0
I1 - I2 - IG = 0

Далее с помощью второго закона Кирхгофа найдём напряжения в контурах P1-P2-P4 и P2-P3-P4:

(I3 * R3) - (IG * RG) - (I1 * R1) = 0
(Ix * Rx) - (I2 * R2) + (IG * RG) = 0

Мост сбалансирован, следовательно IG = 0, так что вторая система уравнений сократится:

I3 * R3 = I1 * R1
Ix * Rx = I2 * R2

Решая эту систему уравнений, получим:

Rx = R2 * I2 * I3 * R3 / (R1 * I1 * Ix)

Из первого закона Кирхгофа следует, что I3 = Ix и I1 = I2. Следовательно величина неизвестного сопротивления Rx будет определятся по формуле:

Rx = R3*R2/R1

Если известны сопротивления всех четырёх резисторов и величина питающего напряжения U

пит, а сопротивление гальванометра достаточно высокое, так что током IG, протекающим через него можно пренебречь, то напряжение U между точками моста P2 и P4 может быть найдено путём расчёта каждого из делителей напряжения, вычтя затем напряжение на одном делителе из напряжения на другом делителе. В этом случае получится следующее уравнение:

U = Rx * Uпит / (R3 + Rx) - R2 * Uпит / (R1 + R2)

Напряжение питания Uпит можно вынести за скобки, в этом случае получится выражение:

U = (Rx / (R3 + Rx) - R2 / (R1 + R2)) * Uпит

Где U - напряжение в точке P2 относительно точки P4.

Измерительный мост Уинстона иллюстрирует концепцию дифференциальных измерений, результаты которых могут быть очень точными. Различные разновидности моста Уинстона используются для измерения ёмкости, индуктивности, импеданса и других величин. Одной из разновидностей моста является мост Кельвина, специально предназначенный для измерения малых сопротивлений. Во многих случаях измерение величины неизвестного сопротивления связано с измерением некоторых физических параметров, таких как сила, температура, давление и т.д., здесь в качестве измеряемого сопротивления используется соответствующий резистивный датчик.

В 1865 году Джеймс Максвелл применил измерительный мост Уинстона, питаемый переменным током, для измерения индуктивности, и в 1926 году Алан Блюмлейн подверг этот мост усовершенствованию.

Модификации основной схемы измерительного моста

Мост Уинстона является основной схемой измерительных мостов, но так же существуют различные его модификации, с помощью которых можно проводить измерения различных типов сопротивлений, когда основная схема моста для этого не подходит. Вот несколько разновидностей основной схемы измерительного моста:

BACK

zpostbox.ru

мост Уитстона

Методическое пособие для студентов к лабораторно-практической работе по теме:

Измерение сопротивлений биологической модели методом моста Уитстона

Тема: Измерение сопротивлений различных моделей биологических тканей мостом Уитстона. Изучение работы различных мостов (линейного, магазинного), применяемых в медицине.

Цель работы:

1. Изучение студентами теоретических основ мостовых схем;

2. Ознакомление студентов с применением мостовых схем в медико-биологических исследованиях;

3. Ознакомление студентов с приборами, применяемыми в санитарно-гигиенической и лечебной практике, в которых используются мостовые схемы;

4. Изучение студентами назначения и принципа действия приборов: вы­прямителя, гальванометра, магазина сопротивлений, технического моста, омметра;

5v Овладение студентами навыками измерения сопротивления проводни­ков с помощью линейного моста Уитстона, технического моста и омметра. Знания и навыки, приобретенные на занятии необходимы при изу­чении теоретических и клинических дисциплин, в частности, физиологии, для обоснования диагностических и лечебных методов, а так же при про­ведении медико-биологических исследований.

Приборы и измерительные устройства:

1. Выпрямитель ВС-24.

2. Гальванометр М-273/1.

3. Катушки измеряемых сопротивлений.

4. Реохорд.

5. Штепсельный магазин сопротивлений.

6. Технический мост постоянного тока МО-62.

7. Омметр.

8. Контактный ключ.

9. Соединительные провода.

Содержание занятии.

Измерение сопротивлений составляет одну из важнейших задач электрометрии, располагающей в этой области рядом точных и очень на­дежных методов измерений.

Рассмотрим метод моста Уитстона.

Метод моста Уитстоиа.

Метод моста Уитстона - один из наиболее точных методов измере­ний сопротивлений. Измеряемое сопротивление Rx и три других R, Rb R2 соединяют так, чтобы образовался замкнутый четырехугольник. Такую систему называют мостом Уитстона, a Rx. R, Rb

R2 - плечи моста. Разли­чают сбалансированный и несбалансированный мост. При произвольном соотношении плеч моста — мост несбалансирован (ток через гальванометр идет). Существует одно определенное соотношение между плечами моста, при котором мост сбалансирован: 1г=0. Выведем соотношение между пле­чами сбалансированного моста.

Рисунок 1

На основании закона Ома для участка цепи:

Мост сбалансирован: I1=0. Тогда φB D.Сравнивая (1) и (3), (2) и (4) уравнения, получим:

Разделив почленно (5) на (6) уравнения, получим соотношение меж­ду плечами сбалансированного моста:

где R1 и R2 называют плечами отношения, a R - плечо сравнения.

Линейный мост Уитстона.

Поскольку для определения R х при помощи моста Уитстона важно знать не сами величины плеч отношения RL и R2, а отношение Ri/R

2, по­этому Ri и R2 можно осуществить в виде калиброванной проволоки (с по­стоянным по всей длине сечением S=const), изготовленной из однородного материала: P=const. Проволока, натянутая вдоль шкалы — реохорд:

Итак, имеем: - рабочая формула метода линейного моста Уитстона.

Расчет погрешностей:

-относительную погрешность

магазина сопротивлений

определяем по его классу точности, который равен 0,2,

Технический мост Уитстона

Вернёмся к теории сбалансированного моста Уитстона:

В случае линейного моста Уитстона плечо сравнения R=const, т.е для сбалансирования моста подбирают R1/R2, передвигая подвижной контакт реохорда. В случае технического моста Уитстона пользуются иной методикой, позволяющей достичь большей точности измерения .

Отношение R1/R2=const=N ( плечо отношения), а сбалансирование моста осуществляется подбором на магазине сопротивлений плеча сравнения R. Тогда имеем: R

X=NR - рабочая формула метода технического моста Уитстона.

Методические указания к работе и порядок выполнения работы. 1. Собрать схему линейного моста Уитстона:

В качестве измеряемого сопротивления Rx взять одну из катушек, в качестве постоянного сопротивления R - штепсельный магазин сопротив­лений. При сборке схемы сначала последовательно соединить все входя­щие в нее сопротивления: Rx, R и реохорд АС, а затем присоединить галь­ванометр G. источник постоянного тока, в качестве которого взять выпря­митель ВС-24 и контактный ключ К.

— - рабочая формула метода линейного моста Уитстона.

2. Величину R рекомендуется измерить омметром, а затем на штепсель­ном магазине сопротивлений установить величину сопротивления R , близкую к измеряемому сопротивлению Rx.

3. Перемещая контактный движок реохорда Д, найти такое его положе­ние, при котором замыкание тока контактным ключом К не вызывает отклонение стрелки гальванометра. Установку гальванометра на нуль (сбалансирование моста) выполнить три раза и из полученных значе­ний I1 и 12 найти их среднее значение.

4. Аналогичные измерения выполнить со второй катушкой, затем с пер­вой и второй катушкой, соединенными последовательно, и, наконец, с первой и второй катушкой, соединенными параллельно. Последние два результата измерений необходимо сопоставить с величинами сопро­тивлений, {засчитанными по формулам для последовательного и парал­лельного соединения сопротивлений, пользуясь значениями сопротив­лений, найденными при их раздельном измерении.

5. Пользуясь техническим мостом, измерить сопротивление катушек: ка­ждой отдельно, соединенных последовательно и соединенных парал­лельно.

•6. Вычислить относительную и абсолютную погрешность для величины искомого сопротивления Rx, определяемого при помощи линейного моста Уитстона.

studfiles.net

Мост Уинстона - это... Что такое Мост Уинстона?

Измерительный мост — устройство для измерения электрического сопротивления, предложенное в 1833 Самуэлем Хантером Кристи, и в 1843 году усовершенствованное Чарльзом Витстоном. Принцип измерения основан на взаимной компенсации сопротивлений двух звеньев, одно из которых включает измеряемое сопротивление. В качестве индикатора обычно используется чувствительный гальванометр, показания которого должны быть равны нулю в момент равновесия моста.

Измерительный мост с вольтметром

На схеме R1, R2, R3, R4 – плечи моста, AD - диагональ питания, CB - измерительная диагональ. Rx представляет собой неизвестное сопротивление; R1, R2 и R3 — известные сопротивления, причём значение R2 может регулироваться. Если отношение сопротивлений (R1 / R2) равно отношению сопротивлений другого (Rx / R3), то разность потенциалов между двумя средними точками будет равна нулю, и ток между ними не будет протекать. Сопротивление R2 регулируется до получения равновесия, а направление протекания тока показывает, в какую сторону нужно регулировать R2.

С помощью гальванометра момент равновесия можно установить с большой точностью, и если сопротивления R1, R2 и R3 имеют маленькую погрешность, то Rx может быть измерено очень точно, ведь даже небольшие изменения Rx вызывают заметное нарушение баланса всего моста.

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

R1 + R2 в параллели с R3 + Rx, то есть

С другой стороны, если R1, R2 и R3 известны, но R2 не регулируется, то значение напряжения или тока через гальванометр также можно использовать для расчёта Rx, используя законы Кирхгофа. Такой метод применяется в тензометрических измерителях для расчёта величины механических деформаций, а также в электронных термометрах.

Запишем первый закон Кирхгофа для точек B и C (Ig — ток, протекающий через гальванометр):

B:
C:

Теперь рассчитаем потенциал в цепях ABC и BCD, используя второй закон Кирхгофа:

ABC:
BCD:

Учитывая, что мост сбалансирован и Ig = 0, запишем систему уравнений:

Решая систему уравнений, получим:

Если известны значения всех четырёх сопротивлений, а также напряжение (Vs), то напряжение на плечах моста можно найти, используя формулы делителя напряжения, а затем вычесть их друг из друга, чтобы найти V:

Если упростить выражение:

Измерительный мост показывает пример так называемых дифференциальных измерений, которые могут обладать очень высокой точностью. Варианты измерительного моста могут использоваться также для измерения электрической ёмкости, индуктивности, импеданса и даже количества взрывчатых газов в пробе при помощи эксплозиметра.

Идея измерительного моста была применена лордом Кельвином в 1861 для измерения малых сопротивлений, Максвеллом в 1865 для измерения в области переменных токов, а также Аланом Блюмлейном в 1926, который за усовершенствованный вариант получил патент, а устройство было названо его именем.

См. также

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

Мостовые схемы постоянного тока

Мостовые схемы постоянного тока

Никакую книгу по электрическим измерениям нельзя было бы назвать полной без раздела о мостовых схемах. Эти гениальные схемы используют индикатор баланса для сравнения двух напряжений, точно так же как и лабораторные весы сравнивают две массы и указывают на то, что они равны. В отличие от "потенциометрических" схем, используемых для простого измерения неизвестного напряжения, мостовые схемы могут использоваться для измерения всех видов электрических величин, в том числе и сопротивлений.

Стандартная мостовая схема, часто называемая мостом Уитстона (Wheatstone bridge), изображена на рисунке 1.

Рис. 1.

Когда напряжение между точкой 1 и минусом батареи равно напряжению между точкой 2 и отрицательным выводом батареи, то индикатор баланса будет показывать ноль, и про такой мост говорят что он "сбалансирован". Состояние баланса моста полностью зависит от отношений Ra/Rb и R1/R2, и оно не зависит от напряжения питания. Для измерения сопротивлений с помощью моста Уитстона на место резисторов Ra или Rb устанавливается неизвестное сопротивление, в то время как остальные три резистора являются прецизионными и их номинал известен. Каждый из этих трёх резисторов может быть заменён сопротивлением другой величины или их номиналы могут быть скорректированы, что бы мост сбалансировался, и когда это произойдёт то величина сопротивления неизвестного резистора может быть определена из соотношения величин известных сопротивлений.

Для этого необходимо, что бы измерительная система имела набор переменных резисторов с точно известными значениями, которые могут служить эталонными стандартами. Например, если мост настроен на измерение сопротивления Rx (рисунок 2), то мы должны знать точное значение остальных трёх сопротивлений при сбалансированном мосте, что бы определить величину сопротивления Rx:

Рис. 2.

Каждое из четырёх сопротивлений в мостовой схеме называют плечом. Резистор, последовательно соединённый с неизвестным сопротивлением, Rx обычно называют реостатом моста (это будет сопротивление Ra на рисунке 2), а другие два сопротивления называют плечами отношений моста.

Точные и стабильные образцовые сопротивления к счастью, не сложно изготовить. В действительности они были одними из первых электрических "Стандартных" устройств, изготовленных в научных целях. На рисунке 3 приведена фотография старинного блока стандартных сопротивлений:

Рис. 3. Магазин образцовых сопротивлений

Стандарт сопротивлений, изображённый на рисунке 3, является переменным с дискретным шагом изменения сопротивления: величина сопротивления между клеммами может изменяться в зависимости от количества и положения медных вставок, вставленных в разъёмы.

Мосты Уитстона считаются превосходным средством измерения сопротивления среди схем различных омметров. Но в отличие от всех этих схем, являющихся нелинейными (и имеющих нелинейные шкалы), и связанные с этим погрешности измерений, мостовая схема является линейной (математика описания её работы основана на простых отношениях и пропорциях) и довольно точной.

Имея стандартные сопротивления достаточной точности и нуль-детектор с необходимой чувствительностью, достижимая точность измерения сопротивления может быть не хуже +-0,05% при использовании моста Уитстона. Это метод измерения сопротивления предпочитают использовать в калибровочных лабораториях из-за его высокой точности.

Существует много вариаций основной схемы моста Уитстона. Большинство мостов постоянного тока используются для измерения сопротивления, в то время как мосты переменного тока могут быть использованы для измерения различных электрических величин, таких как индуктивность, ёмкость и частота.

Интересным вариантом моста Уитстона является двойной мост Кельвина, используемый для измерения очень малых сопротивлений (обычно менее 1/10 Ома), его схема изображена на рисунке 4:

Рис. 4. Двойной мост Кельвина.
Ra и Rx являются низкоомными сопротивлениями.

Низкоомные резисторы на рисунке изображены толстой линией, так же как и проводники, соединяющие их с источником напряжения, обеспечивающим сильный ток. Принцип работы этого измерительного моста причудливой конфигурации, пожалуй, лучше всего понять, если начать объяснение принципа его работы со стандартного моста Уитстона, настроенного для измерения низкого сопротивления, этот мост развивался шаг за шагом до его нынешнего состояния в попытке преодолеть некоторые проблемы, возникшие в мосте Уитстона стандартной конфигурации.

Если бы мы использовали стандартный мост Уитстона для измерения небольших сопротивлений, то его схема бы выглядела примерно так (рисунок 5):

Рис. 5.

Когда нуль-детектор указывает нулевое напряжение, мы знаем, что мост сбалансирован и что соотношение Ra/Rx и RM/RN математически равны друг другу. Зная значения Ra, RM, and RN поэтому мы имеем все необходимые данные, чтобы найти величину Rx. Почти.

Имеется проблема в том, что соединения и соединительные провода между Ra и Rx обладают неким сопротивлением, и эти паразитные сопротивления могут быть существенными по сравнению с низким сопротивлением Ra и Rx. Эти паразитные сопротивления понизят реальное напряжение, учитывая большой ток, протекающий через них, и таким образом будут влиять на показания детектора нуля и на баланс моста (Рисунок 6):

Рис. 6.
Паразитное напряжение Eпров. ухудшает точность измерения Rx.

Так как мы не хотим измерять сопротивление этих паразитных проводников и сопротивление соединений, а нас интересует только измерение сопротивления Rx, то надо найти такой способ включения нуль-детектора, что бы на его показания не влияли падения напряжений, протекающего через эти сопротивления. Если мы присоединим нуль-детектор и плечи отношений RM/RN напрямую к выводам Ra и Rx, то это приведёт нас к такой реализации измерительного моста (Рисунок 7):

Рис. 7.
Теперь только два паразитных падения напряжения Eпров. являются частями цепи нуль-детектора.

Теперь два крайних падения напряжения Eпров. не оказывают воздействия на нуль-детектор и не влияют на точность измерений сопротивления Rx. Но два оставшихся падения напряжений Eпров. являются проблемой, так как проводник, соединяющий нижний по схеме вывод Ra и верхний по схеме вывод Rx теперь шунтирует оба падения напряжения и по нему будет течь существенный ток, который создаст на этом проводнике своё падение напряжения.

Зная, что левая часть нуль-детектора должна быть подключена к двум крайним выводам сопротивлений Ra и Rx, что бы не вносить ошибки, связанные с паразитными падениями напряжения Eпров. в цепи нуль-детектора, и что любой прямой провод, соединяющий выводы этих сопротивлений Ra и Rx будет сам нести значительный ток и создавать ещё большее паразитное падение напряжения, то единственным способом преодолеть эту проблему является создание соединения, имеющее существенное сопротивление, между нижнем по схеме выводом Ra и верхнем по схеме выводом Rx (Рисунок 8):

Рис. 8.

Справится с паразитными падениями напряжений между выводами сопротивлений Ra Rx можно путём изменения сопротивления двух новых резисторов таким образом, что бы отношение их величин было бы таким же, как и отношение величин сопротивлений в плече отношений, находящихся по схеме с правой стороны от нуль-детектора. Вот почему эти резисторы были помечены Rm и Rn в оригинальной схеме двойного моста Кельвина: для обозначения их соразмерности с сопротивлениями RM и RN (Рисунок 9):

Рис. 9. Двойной мост Кельвина
Ra и Rx являются низкоомными сопротивлениями.

При отношении Rm/Rn равном отношению RM/RN, резистор в плече реостата Ra регулируется до тех пор, пока нуль-индикатор не покажет, что мост сбалансирован, и тогда можно будет сказать, что отношение Ra/Rx равно отношению RM/RN, или просто найти Rx из следующего уравнения:

Полное уравнение баланса двойного моста Кельвина выглядит следующим образом (Rпров. - это сопротивление толстых соединительных проводов между низкоомным образцовым сопротивлением Ra и испытуемым сопротивлением Rx):

До тех пор пока соотношение между RM и RN равно отношению между Rm и Rn, уравнение баланса будет не сложнее чем у обычного моста Уитстона, при Rx/Ra равном RN/RM, так как последнее выражение в уравнении будет равно нулю, так что будет отсутствовать влияние всех сопротивлений, кроме Rx, Ra, RM, и RN.

Во многих двойных мостовых схемах Кельвина RM=Rm и RN=Rn. Однако чем меньше значения сопротивлений Rm и Rn, тем более чувствительным должен быть нуль-детектор, потому что там будет меньше последовательное сопротивление. Увеличение чувствительности детектора является полезным, так как оно позволит обнаруживать слабые дисбалансы, и таким образом мост можно будет сбалансировать с большой точностью. Таким образом некоторые высокоточные двойные мосты Кельвина используют сопротивления Rm и Rn со значениями в 100 раз меньше, чем значения сопротивлений RM и RN в другом плече. К сожалению, однако, чем ниже значения сопротивлений Rm и Rn, тем больший ток по ним будет течь, что увеличит влияние любого сопротивления в точке подключения Rm и Rn к Ra и Rx. Как вы можете видеть, высокая точность инструмента требует, чтобы учитывались все ошибки различных факторов, и часто лучшее, что может быть достигнуто является компромиссом минимизации двух или более различных видов ошибок.

  • ИТОГ:
  • Мостовые схемы используют чувствительный индикатор нуля для сравнения двух напряжений на их равенство.
  • Мост Уитстона (Wheatstone bridge) может быть использован для измерения сопротивлений путём сравнения сопротивления неизвестного номинала и образцового сопротивления с известной величиной, так же как с помощью лабораторных весов измеряют неизвестный вес путём сравнения его со стандартными грузами.
  • Двойной мост Кельвина является вариантом моста Уитстона для измерения очень малых сопротивлений. Его усложнение по сравнению с базовой схемой моста Уитстона является необходимым для избежания ошибок, вносимых паразитными сопротивлениями на пути тока между низкоомным образцовым сопротивлением и сопротивлением, величина которого измеряется.
BACK

zpostbox.ru

Измерительные мосты постоянного и переменного тока. Принципы измерений: мост Уитстона

При обслуживании металлических кабельных линий наиболее часто пользуются измерительными мостами, хотя для поиска мест повреждения кабеля 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.

 

skomplekt.com

Радио для всех - Мост Уитстона

 

Мост Уитстона был первоначально разработан Чарльзом Уитстоном, чтобы измерить неизвестные значения сопротивления и как средство калибровки измерительных приборов, вольтметров, амперметров и т. Д., Используя длинный резистивный провод скольжения. Хотя сегодня цифровые мультиметры обеспечивают самый простой способ измерения сопротивления. Мост Уитстона все еще можно использовать для измерения очень низких значений сопротивлений в диапазоне милли-Ом. Мост моста Уитстона (или мост сопротивления) может использоваться в ряде приложений, и сегодня, с современными операционными усилителями, мы можем использовать мост моста Уитстона для подключения различных преобразователей и датчиков к этим схемам усилителя. Контур моста Уитстона представляет собой не что иное, как два простых последовательно-параллельных устройства сопротивлений, соединенных между клеммой источника питания и землей, создающей разность нулевого напряжения между двумя параллельными ветвями при балансировке. Мостовая схема Уитстона имеет две входные клеммы и две выходные клеммы, состоящие из четырех резисторов, сконфигурированных в алмазоподобном устройстве, как показано. Это типично для того, как нарисован мост Уитстона.

 

Мост Уитстона

 

При балансировке мост Уитстона можно анализировать просто как две серии последовательностей. В нашем учебнике о резисторах в сериях мы видели, что каждый резистор в цепочке серий производит инфракрасное падение или падение напряжения на себя как следствие протекания тока через него, как это определено законом Ом. Рассмотрим последовательную схему ниже.

 

 

Поскольку два резистора последовательно, один и тот же ток ( i ) проходит через оба из них. Поэтому ток, протекающий через эти два резистора последовательно, задается как: V / R T.

I = V ÷ R = 12 В ÷ (10 Ом + 20 Ом) = 0,4 А

Напряжение в точке C , которое также является падением напряжения на нижнем резисторе, R 2 рассчитывается как:

V R2 = I × R 2 = 0,4A × 20Ω = 8 вольт

Затем мы видим, что напряжение источника V S делится между резисторами двух рядов прямо пропорционально их сопротивлениям как V R1 = 4V и V R2 = 8V . Это принцип деления напряжения, создающий то, что обычно называют цепью делителя напряжения или сетью делителя напряжения. Теперь, если мы добавим еще одну последовательную резисторную схему, используя те же самые значения резисторов параллельно с первой, у нас будет следующая схема.

 

 

Поскольку схема второй серии имеет одинаковую резистивную величину первой, напряжение в точке D , которое также является падением напряжения на резисторе, R 4 будет одинаковым при 8 вольтах относительно нуля (отрицательный аккумулятор), поскольку Напряжение является общим, и две резистивные сети одинаковы. Но что-то еще в равной степени важно, так это то, что разность напряжений между точкой C и точкой D будет равна нулю, так как обе точки имеют одинаковое значение 8 вольт, так как: C = D = 8 вольт , тогда разность напряжений равна 0 вольтам. Когда это происходит, обе стороны параллельной сети моста считаются сбалансированными, потому что напряжение в точке C является тем же значением, что и напряжение в точке D, причем их разность равна нулю. Теперь давайте рассмотрим, что произойдет, если мы изменим положение двух резисторов R 3 и R 4 во второй параллельной ветви по отношению к R 1 и R 2 .

 

 

С резисторами R 3 и R 4 меняются назад, тот же ток протекает через последовательную комбинацию и напряжение в точке D , которое также является падением напряжения на резисторе, R 4 будет:

V R4 = 0,4 А × 10 Ом = 4 вольта

Теперь, когда V R4, имеющий 4 вольта, упал на него, разность напряжений между точками C и D будет составлять 4 вольта, так как: C = 8 вольт и D = 4 вольта . Тогда разница на этот раз: 8 - 4 = 4 вольта

Результатом замены двух резисторов является то, что обе стороны или «плечи» параллельной сети отличаются друг от друга, поскольку они создают различные падения напряжения. Когда это происходит , параллельная сеть считается несимметричной , поскольку напряжение в точке C находится под другим значением напряжения в точке D. Затем мы видим, что отношение сопротивления этих двух параллельных рычагов, ACB и ADB приводит к разности напряжений между 0 вольтами (сбалансированным) и максимальным напряжением питания (неуравновешенным), и это основной принцип схемы моста Уитстона . Таким образом, мы видим, что схема моста Уитстона может использоваться для сравнения неизвестного сопротивления R X с другими известными значениями, например R 1 и R 2 , с фиксированными значениями, а R 3 может быть переменным. Если бы мы подключили вольтметр, амперметр или классически гальванометр между точками C и D , а затем меняли резистор, R 3 до тех пор, пока счетчики не начнут отсчитывать ноль, это приведет к балансу двух рычагов и значению R X (заменяя R 4 ) Как показано.

 

Цепь моста Уитстона

 

Путем замены R 4 выше на сопротивление известного или неизвестного значения в чувствительном плече моста Уитстона, соответствующего R X, и настройке противоположного резистора, R 3 для «балансировки» сети моста приведет к выводу нулевого напряжения. Затем мы видим, что баланс происходит, когда:

 

 

Уравнение Моста Уитстона, необходимое для определения значения неизвестного сопротивления, R X при балансе задается как:

 

Где резисторы, R 1 и R 2 являются известными или заданными значениями.

 

Мост Уитстона Пример №1

Построен следующий несбалансированный мост Уитстона. Рассчитайте выходное напряжение в точках C и D и значение резистора R 4, необходимое для баланса мостовой схемы.

 

 

Для первого ряда arm, ACB

 

 

Для группы второго ряда, АБР

 

 

Напряжение в точках CD определяется как:

 

 

Значение резистора R 4, необходимое для уравновешивания моста, определяется как:

 

 

Мы видели выше, что мост Уитстона имеет два входных терминала ( AB ) и два выходных терминала ( CD ). Когда мост сбалансирован, напряжение на выходных клеммах составляет 0 вольт. Однако, когда мост не сбалансирован, выходное напряжение может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от направления дисбаланса.

 

Светодиодный детектор на мосте Уитстона

Сбалансированные мостовые схемы находят много полезных электронных приложений, например, для измерения изменений интенсивности света, давления или деформации. Типы резистивных датчиков, которые могут использоваться в мостовой схеме пшеничного мостика, включают: фоторезистивные датчики (LDR), позиционные датчики (потенциометры), пьезорезистивные датчики (тензодатчики) и температурные датчики (термисторы) и т. Д. Существует множество применений мостовых мостовых косточек для измерения целого ряда механических и электрических величин, но одно очень простое применение мостового мостового слоя заключается в измерении света с помощью фоторезистивного устройства. Один из резисторов в сети моста заменяется резистором, зависящим от света, или LDR. LDR, также известный как кадмий-сульфидный (Cds) фотоэлемент, представляет собой пассивный резистивный датчик, который преобразует изменения уровня видимого света в изменение сопротивления и, следовательно, напряжения. Светоизлучающие резисторы могут использоваться для мониторинга и измерения уровня интенсивности света, или источник света включен или выключен. Типичная кадмиевая сульфидная (CdS) ячейка, такая как резистор, зависящий от света ORP12, обычно имеет сопротивление около одного Megaohm (MΩ) в темном или тусклом свете, около 900 Ом при интенсивности света 100 люкс (типичный для хорошо освещенной комнаты), До 30 Ом при ярком солнечном свете. Затем при увеличении интенсивности света сопротивление уменьшается. Подключив резистор, зависящий от света, к схеме моста Уитстона выше, мы можем отслеживать и измерять любые изменения уровней освещенности, как показано на рисунке.

 

 

Фотоэлемент LDR подключается к схеме моста Уитстона, как показано на рисунке, для создания светочувствительного переключателя, который активируется, когда измеряемый уровень света выходит выше или ниже заданного значения, определенного V R1 . В этом примере V R1 используется потенциометр 22k или 47k. ОУ-усилитель подключается как компаратор напряжения с опорным напряжением V D , применяемым к инвертирующему выводу. В этом примере, поскольку оба R 3 и R 4 имеют одинаковое значение 10 кОм , опорное напряжение, установленное в точке D, будет поэтому равно половине Vcc. Это Vcc / 2 . Потенциометр V R1 устанавливает напряжение отключения V C , которое подается на неинвертирующий вход и устанавливается на требуемый номинальный уровень освещенности. Реле включается «ON», когда напряжение в точке C меньше напряжения в точке D. Регулировка V R1 устанавливает напряжение в точке C для балансировки мостовой схемы на требуемом уровне освещенности или интенсивности. LDR может представлять собой любое сульфидное устройство кадмия, которое имеет высокий импеданс при низких уровнях освещенности и низкий импеданс при высоких уровнях освещенности. Обратите внимание, что схема может использоваться как «световая активированная» коммутационная схема или «темная активированная» коммутационная схема просто путем переноса положений LDR и R 3 в рамках конструкции. Мост Уитстона имеет много применений в электронных схемах, кроме сравнения неизвестного сопротивления с известным сопротивлением. При использовании с операционными усилителями мостовую схему Уитстона можно использовать для измерения и усиления небольших изменений сопротивления, например RX, к изменениям интенсивности света, как мы видели выше. Но мостовая схема также подходит для измерения изменения сопротивления других изменяющихся величин, поэтому, заменив вышеуказанный фоторезистивный датчик LDR для термистора, датчика давления, тензодатчика и других таких преобразователей, а также заменив положения LDR и V R1 , мы можем использовать их в различных других приложениях моста Уитстона. Кроме того, в четырех плечах (или ветвях) моста, образованного резисторами R 1 -R 4, может использоваться более одного резистивного датчика для создания «полномостового», «полумостового» или «четвертьмостового» схем, обеспечивающего Тепловая компенсация или автоматическая балансировка моста Уитстона.

 

 

 

www.junradio.com

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о