Уравновешенные мосты.Уравновешенные мосты подразделяются на неавтоматические и ав- томатические. В них используется нулевой метод измерения. С помощью неавтоматических мостов, используемых в лабораторных условиях, из- меряют сопротивления от 0,5 до 10 Ом. Диагональ аb содержит источник тока (рис.2.25), а диагональ cd - нуль-индикатор НИ. В плечи моста включены постоянные сопротивления R1, R3 и регулируемое сопротивление R2, а плечо cd содержит измеряемое сопротивление Rt и два соединительных провода, каждый сопротивлением Rл. Если мост уравновешен, то в диагонали cd ток равен нулю, а токи в соответствующих плечах равны, т.е. I1 = I3, I2 = It или I1R1 = I3R3 и I2R2 =It (Rt+2 Rл), (2.37) так как потенциалы точек с и d равны. Разделив два последние равенства друг на друга получим:
I 2 R 2 = I 3 R 3. It (Rt + 2 Rл)
R 1 (Rt+2Rл) = R 2 R 3. (2.38) c Это уравнение выражает ус- ловие равновесия моста, которое R1 R2 достигается путем регулирования I1 I2 НИ
сопротивления резистора R2
до тех а b пор, пока нуль-индикатор не пока- жет нуль. I3
R3 It
Отсюда Rt = R 2 R 3 − 2
R л.
d Rл Rл
Rt
Рис. 2.25. Уравновешенный неавтоматический мост Еб + -
c
R1 R2
НИ
а
d При R3/R1= const и Rл= const Rt=кR2. Rл меняется с изменением температуры окружающей среды, что приводит к искажению резуль- тата измерения. Этот недостаток может быть устранен путем трех- проводного подключения термо- преобразователей сопротивления к мосту (рис.2.26). При этом со- единении питающая диагональ до- водится (точка b) до термометра сопротивления. В результате этого соединения провода оказываются разнесенными к двум плечам мос- та: одно из Rл - к сопротивлению R2, а другое - к Rt. Тогда условие равновесия моста имеет вид: R3 (R2 + Rл) = R1 (Rt+ Rл), Rл Rл Rл
b
Rt откуда
Rt = (R 2 + Rл) R 1 − Rл. (2.39)
Рис. 2.26. Трехпроводная схема подключения термометра сопротив- ления к уравновешенному мосту При симметричном мосте (R1 = R3) Rt = R2, т.е. результат из- мерения не зависит от Rл. В других случаях влияние изменения Rл незначительно. Недостатком уравновешенных мостов, собранных по этой схеме, яв- ляется неопределенность в измерении, которое вносит переходное сопро- тивление контакта в регулируемом плече R2. Для устранения этого не- достатка подвижный контакт располагают в измерительной диагонали, при этом регулируемое сопротивление оказывается размещенным в двух плечах. Таким образом, при уравновешивании моста путем перемещения контакта изменяется сопротивление сразу обеих плеч, а переходное со- противление контакта, располагаемое в измерительной диагонали из-за от- сутствия тока в момент уравновешивания, не сказывается на результатах измерения. Достоинством уравновешенных мостов является независимость их показаний от напряжения питания. В последнее время широкое распространение получают четырех- проводные схемы включения термометра сопротивления (рис.2.27).
Rл1
Rл2 b
Rt
Rл3 а Rл4
ГПТ ИП
Ut
Вых.сигнал Ток I от генера- тора постоянного тока ГПТ протекает по со- противлению Rt и соз- дает на нем падение напряжения Ut = Rt I, которое в измеритель- ном преобразователе ИП и преобразуется в Рис. 2.27. Четырехпроводная схема под- ключения термометра сопротивления выходной сигнал. По- скольку в данной схеме измеряется разность потенциалов между точками a и b, то падения напряжения на сопротивле- ниях Rл2, Rл3 не оказывает влияния на результат измерения. При достаточно высоком значении входного сопротивления ИП (Rвх >> Rл1 + Rл4) влиянием сопротивлений линий Rл1, Rл4 можно пренебречь. Итак, схема обеспечива- ет независимость результатов измерения от изменения сопротивления ли- нии связи. Недостатком такой схемы является необходимость изоляции от земли либо ГПТ, либо измерительного преобразователя. Для устранения данного недостатка могут использоваться и другие, более сложные, схемы подключения термометров сопротивления к измерительному преобразова- телю с четырехпроводной линией связи. Следует учесть, что если измерительный прибор рассчитан на четы- рехпроводную схему, то датчик к нему можно подключить и по двухпро- водной схеме. При этом дополнительная погрешность измерения, вызван- ная влиянием соединительных проводов, будет иметь величину порядка (Rл2+ Rл3)/ Rt. Автоматический уравновешенный мост собран по схеме (рис. 2.28) с переменным сопротивлением плеч и трехпроводным подключением термометра сопротивления. Переменное сопротивление содержит три па- раллельно соединенных резистора: Rp - реохорд, выполняющий измери- тельные функции; Rш - шунт реохорда; Rn - резистор для подгонки задан- ного значения параллельного соединения сопротивлений всей реохордной группы; Rnp, R1, R2, R3 - резисторы мостовой схемы; Рд - резистор добавоч- ный для подгонки тока из условия минимума самонагрева термометра со- противления; Rб - резистор балластный в цепи питания для ограничения тока; Rt -термопреобразователь сопротивления; Рл - резистор для подгон- ки сопротивления соединительной линии; m - положение движка реохорда правее точки d в долях от Rnp (переменное сопротивление); n - положение движка реохорда левее точки d в долях от Rnp.
n d
Rр Rпр Rш
Rд Rп
Rб
m
R3
РД
a Δ U ЭУ
220 В
R2 Rл R1
Rл Rл
с Rt
b
Рис.2.28. Автоматический уравновешенный мост. Для получения линейной зависимости положения движка реохорда от изменения сопротивления резистора Rt, последний включается в плечо, прилежащее к реохорду. В качестве нуль - индикатора НИ в автоматиче- ских мостах используется электронный усилитель ЭУ. Автоматические мосты питаются как переменным, так и постоянным током. В последнем случае на входе ЭУ устанавливается модулятор. При изменении температуры t изменяется сопротивление Rt и мост выходит из равновесия, т.е. в диагонали cd появляется напряжение разба- ланса ∆U, которое усиливается усилителем ЭУ до значений, достаточных для вращения ротора РД в соответствующую сторону, в зависимости от знака разбаланса. Вал РД, связанный с движком реохорда, перемещает его до тех пор, пока разбаланс ∆U не станет равным нулю. Одновременно с движком перемещается каретка с пером и стрелкой, указывающей по шка- ле положение m движка (значение измеряемой температуры). При измене- нии t от min до mах значения движок перемещается из одного крайнего положения в другое. Пусть при температуре, соответствующей начальному значению шкалы прибора, измеряемое сопротивление Rt равно Rtнач, а при изменении температуры: Rt = Rtнач +∆Rt. Условие равновесия для этих двух случаев можно представить в ви- де:
(Rtнач + Rл + Rд + Rпр)R2 = (R1 + Rл)R3 (2.40) и (Rtнач + Rл + Rд + Rпр + Δ Rt - mRпр)R2 = (R1 + Rл) (R3 + mRпр). (2.41) Вычитая из (2.41) (2.40) и решая относительно m, получим: m = Δ Rt R 2.
Отсюда видно, что m - линейная функция ∆Rt, а также, несмотря на трехпроводную схему соединения термометров сопротивления с мостом, показания последнего зависят от изменения сопротивления сое- динительных проводов. Однако эта зависимость незначительна и при из- менении температуры до 40°С изменение сопротивления проводов Rл при- водит к изменению показаний прибора в пределах (0,05-0,1)% от норми- рующего значения измеряемой величины для различных диапазонов изме- рения. Полностью отсутствует влияние сопротивления соединительных проводов при симметричном мосте, т.е. когда R1 = Rt + Rд + Rnp - mRnp. Так как это условие может быть выполнено для одной температуры, то обычно его выполняют для температуры tcp, соответствующей середине шкалы. При этом R1 ≈ (Rtcp + Rд + Rnp)/2. Выпускаемые автоматические мосты отличаются друг от друга на- значением, конструкцией, размерами, точностью измерения и другими техническими характеристиками, но измерительная схема их включения незначительно отличается от схемы, приведенной на рис.2.27. Классы точ- ности мостов 0,25; 0,5; 1, а время пробега стрелки всей шкалы 1; 2,5 и 10 с. В автоматические мосты встраиваются электронные и пневматические ре- гулирующие устройства и устройства сигнализации; для дистанционной передачи показаний - преобразователи пневматические, токовые, частот- ные и др.
|
I 1 R 1
R 1
R3
R 3
I
∼ 6,3В
Rпр (R 1 + Rл + R 2)
