Izmeritelnye_preobrazovateli_Mironov

Таким образом, добившись равновесия мостовой схемы с помощью магазина сопротивлений R2 и магазина емкостей C2 , можно по выражениям (15.51), (15.52) и (15.44) определить параметры исследуемого конденсатора: R (эквивалентное активное сопротивление), C (идеальную емкость) и tg δ (тангенс угла потерь).

15.4. Шестиплечие мостовые схемы

Шестиплечие мостовые схемы нашли широкое применение для измерения параметров катушек индуктивностей ( R , L и Q ) при малых значениях ко-

эффициентов добротности. Использование четырехплечих мостов в этом случае затруднительно, т. к. для них при коэффициенте добротности Q =1 процесс уравновешивания схемы становится затруднительным, а при Q < 0,5 приведе-

ние моста в состояние равновесия практически невыполнимо. Хорошую сходимость при малых коэффициентах добротности имеют шестиплечие мосты. Принципиальная электрическая схема шестиплечего моста приведена на рис. 15.9.

Рис. 15.9. Принципиальная электрическая схема шестиплечего моста для измерения параметров катушек индуктивностей с малой добротностью:

R , L – измеряемые величины; R2 , R5 – магазины сопротивлений; R3 , R4 – постоянные сопротивления; C – постоянная емкость; НИ – нуль-индикатор

271

Условия равновесия шестиплечего моста, приведенного на рис. 15.9, можно найти путем трансформации треугольника m − n − b , образованного элементами C , R4 и R5 , в звезду. После такой трансформации шестиплечий мост преобразуется в четырехплечий, уравнение равновесия которого хорошо известно и уже многократно приводилось и использовалось.

После указанных преобразований находим два условия равновесия мостовой схемы:

вие равновесия моста (см. выражение (15.53)), затем изменением сопротивления R5 выполняется второе условие равновесия моста (см. выражение (15.54)).

Значение R5 не входит в первое условие равновесия. Благодаря такому свойст-

ву шестиплечий мост обладает хорошей сходимостью, которая сохраняется и при малых значениях коэффициента добротности исследуемой катушки индуктивностей.

Таким образом, добившись равновесия мостовой схемы с помощью магазинов сопротивлений R2 и R5 , можно по выражениям (15.53), (15.54) и (15.19)

определить параметры исследуемой катушки: активное сопротивление R , индуктивность L и добротность Q .

15.5. Трансформаторные мостовые схемы

Четырехплечие трансформаторные измерительные мосты отличаются от мостов, рассмотренных выше, наличием индуктивно связанных плеч в диагонали источника питания (рис. 15.10) или в цепи нуль-индикатора (рис. 15.11).

272

Рис. 15.10. Принципиальная электрическая схема трансформаторного измерительного моста с индуктивно связанными плечами (первый вариант):

Z 1 , Z 2 – комплексные сопротивления; w3, w4 – обмотки трансформатора, образующие третье и четвертое плечи мостовой схемы

Рис. 15.11. Принципиальная электрическая схема трансформаторного измерительного моста с индуктивно связанными плечами (второй вариант):

Z 1 , Z 2 – комплексные сопротивления; w3, w4 – обмотки трансформатора,

образующие третье и четвертое плечи мостовой схемы; w5 – обмотка трансформатора в цепи нуль–индикатора

В мостах переменного тока, рассмотренных в пп. 15.1, 15.2, 15.3, 15.4 учебного пособия, третье и четвертое плечи содержат резисторы. Между тем на повышенных частотах начинают проявляться не только их активные сопротивления R3 и R4 (что использовано во всех рассмотренных случаях), но и реак-

тивные параметры этих резисторов (индуктивность, емкость), что приводит к появлению дополнительных погрешностей при проведении измерений. Указанные погрешности можно уменьшить, если вместо резисторов использовать обмотки трансформатора с тесной индуктивной связью (см. рис. 15.10 и 15.11). Тесная индуктивная связь обмоток достигается тем, что проводники обмоток свиваются в жгут, который наматывается на сердечник трансформатора, образуя секции обмоток w3, w4 и w5. При равновесии моста справедливо соотношение

273

Если Z 1 – измеряемое комплексное сопротивление, то мост уравновеши-

вается регулировкой известного комплексного сопротивления Z 2 и переключе-

нием секций обмоток w3 и w4. Условие равновесия трансформаторного измерительного моста, выражаемое формулой (15.55), обычно называется идеальным условием равновесия, т. к. в этом случае не учитываются потоки рассеяния обмоток и принимаются допущения об идеальной связи между ними и о пропорциональности потерь в проводах числу витков обмоток. На практике при реализации мостов этого типа всегда принимаются меры, позволяющие считать принятые допущения правомерными, а идеальное условие равновесия (15.55) справедливым.

Достоинством трансформаторных измерительных мостов является их практически постоянная чувствительность в широком диапазоне частот и сравнительно малая погрешность при проведении измерений.

Следует отметить широкие возможности при использовании трансформаторных мостовых схем для измерения неэлектрических величин электрическими методами (уровнемеры, влагомеры, измерительные преобразователи перемещений и т. п.).

Кроме рассмотренных четырехплечих мостов, известны также двойные и многоплечие трансформаторные мостовые измерительные схемы.

15.6. Выводы и рекомендации

Рассмотренные в данном параграфе учебного пособия мостовые измерительные схемы переменного тока позволяют решить самые разнообразные вопросы измерительной техники. Вместе с тем эти мостовые схемы требуют выполнения ряда обязательных условий при их использовании. В противном случае устройства начинают работать с большими погрешностями или становятся вообще неработоспособными. Сказанное в равной степени относится и к равновесным, и к неравновесным схемам. Последние используются сравнительно

274

редко, поэтому в учебном пособии основное внимание уделено равновесным мостовым схемам. Равновесие мостов переменного тока, как уже отмечалось в п. 15.1 пособия, возможно лишь при строгом соблюдении определенного характера сопротивлений в плечах мостовой схемы. Нарушение этих требований приводит к тому, что равновесие схем становится невозможным. Большое значение имеет влияние на равновесие схемы частоты питания. По влиянию частоты все мостовые схемы переменного тока делятся на схемы, равновесие которых не зависит от частоты питающего тока (частотно-независимые схемы), и схемы, равновесие которых зависит от частоты (частотно-зависимые схемы).

При измерении параметров электрических цепей частотная зависимость мостовой схемы приводит к дополнительным трудностям и дополнительным погрешностям. Поэтому все приведенные в учебном пособии мостовые схемы являются частотно-независимыми. Причем переход от одной схемы к другой (от частотно-независимой к частотно-зависимой) может произойти от переключения всего одного элемента одного из плеч схемы. Например, на рис. 15.5 приведена частотно-независимая схема. Однако стоит резистор R4 (в четвертом плече схемы) подключить последовательно с конденсатором C4 (а не парал-

лельно конденсатору, как на рис. 15.5), и мостовая схема становится частотнозависимой. Частотно-зависимые схемы тоже находят применение (например, для измерения частоты), но применения эти носят ограниченный характер и в данном учебном пособии не рассматриваются.

Таким образом, рассмотренные мостовые измерительные схемы могут проявить все свои возможности и достоинства лишь при соблюдении целого ряда условий, значительная часть которых изложена в настоящем учебном пособии и которые могут быть использованы как при изучении этого вопроса, так и при практическом использовании мостовых схем для измерения электрических и неэлектрических величин.

Дополнительные сведения по мостовым измерительным схемам можно найти в литературных источниках [1–3].

275

16. ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАВНОВЕСНЫХ МОСТОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СХЕМ

16.1. Двух- и трехпроводные схемы включения датчиков

Двухпроводная схема подключения резистивного датчика к равновесной мостовой измерительной схеме постоянного тока приведена на рис. 16.1.

Рис. 16.1. Двухпроводная схема подключения датчиков: R1 – сопротивление датчика; RЛ – сопротивление проводов,

составляющих двухпроводную линию связи датчика с мостовой схемой

Условие равновесия для рассматриваемого случая запишется в виде

где ( Rл + R1 + Rл ) – сопротивление первого плеча мостовой схемы (от точки c

схемы, к которой подключено питание, до точки a схемы, к которой подключен нуль-индикатор НИ).

Легко заметить: изменение сопротивлений проводов соединительной линии RЛ (за счет, например, повышения или понижения температуры окружаю-

щей среды) приведет к нарушению равенства (16.1), что является причиной возникновения дополнительной погрешности при проведении измерений с использованием двухпроводных схем подключения датчиков.

Трехпроводная схема подключения резистивного датчика к равновесной мостовой измерительной схеме постоянного тока приведена на рис. 16.2.

276

Рис. 16.2. Трехпроводная схема подключения датчиков (обозначения на рис. 16.2 аналогичны соответствующим обозначениям, принятым на рис. 16.1)

Условие равновесия для рассматриваемого случая запишется в виде

где ( R1 + Rл )– сопротивление первого плеча мостовой схемы (от точки подклю-

чения питания (точка c ) до точки подключения нуль-индикатора (точка a ));

R1 + Rл – сопротивление третьего плеча мостовой схемы (от точки подключения питания (точка c ) до точки подключения нуль-индикатора (точка b схемы)).

Сопротивления проводов соединительной линии RЛ входят в левую и в правую части равенства (16.2). В результате изменение этих сопротивлений на одну и ту же величину (за счет, например, повышения или понижения температуры окружающей среды) не нарушает рассматриваемого равенства. Этот вывод правомерен при определенных соотношениях между сопротивлениями, образующими мостовую схему (например, при R2 = R4, R1 = R3, Rл<<R1, Rл<<R3). Таким образом, при использовании трехпроводной линии связи для подключения датчиков к равновесным мостовым схемам удается избежать дополнительных погрешностей при изменении сопротивлений подводящих проводов.

16.2. Автоматические мостовые схемы

На основе равновесных мостовых измерительных схем часто строятся автоматические устройства, используемые для измерения различных физических величин (например, температуры).

Упрощенная схема автоматического моста приведена на рис. 16.3.

277

Рис. 16.3. Упрощенная принципиальная схема автоматического моста: R1 – сопротивление датчика (например, реостатный датчик или терморезисторный датчик («термометр

При использовании реостатного датчика прибор градуируется, как правило, в единицах сопротивления (Ом), а при использовании терморезисторного датчика – в единицах температуры (°C ).

Питание мостовой схемы может осуществляться как постоянным током, так и переменным. Использование переменного тока не вызывает в данном случае каких–либо затруднений при уравновешивании схемы, т. к. в схеме нет реактивных элементов и все сопротивления чисто активные.

Если мост уравновешен, то напряжение между точками a и b (на измерительной диагонали моста) равно нулю и соответственно напряжение на входе усилителя 1 U =U ab = 0. При изменении сопротивления датчика R1 мостовая схема выходит из равновесия и на измерительной диагонали (между точками a и b) появляется напряжение ( U =U ab ≠ 0 ). Это напряжение усиливается уси-

лителем и подается на реверсивный двигатель Дв, который перемещает движок реохорда RР в сторону достижения равновесия моста. Одновременно двигатель перемещает перо самописца 2 и указатель (стрелку) 3. Ротор двигателя вращается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие рассматриваемой мосто-

278

вой схемы. Если автоматический мост предназначен для регулирования, то тем же двигателем приводятся в действие регулирующие устройства.

Промышленность выпускает различные типы автоматических мостов, различающихся габаритами, числом измеряемых величин и другими характеристиками. Так, например, запись измеряемых величин может производиться на диаграммную линейку в прямоугольной системе координат (как показано на рис. 16.3) или на дисковую диаграмму в полярной системе координат. Отметим, что в том и другом случае диаграммная бумага перемещается равномерно специальным синхронным двигателем (линейно или по кругу). Соответственно шкала 3 может быть линейной или круговой. Прямоугольно-координатные автоматические мосты имеют обозначения: ЭМП (старое обозначение), КСМ2, КСМ4 (новое обозначение) и т. д. Автоматические мосты с дисковыми диаграммами и круговыми шкалами обозначаются: ЭМД (старое обозначение) и КСМЗ. Указанные обозначения получили наибольшее распространение, но есть автоматические мосты с другими обозначениями их типов.

Основная приведенная относительная погрешность автоматических мос-

тов от ±0,25 до ±1 %.Наиболее часто встречаются автоматические мосты с от-

носительной погрешностью ±0,5 %. Быстродействие автоматических мостов изменяется в широких пределах и зависит от исполнения и типа прибора. Время прохождения указателем шкалы составляет от 1 с до 10–20 с. В широких пределах изменяется также скорость перемещения диаграммной бумаги (как ленточной, так и дисковой), что позволяет фиксировать и быстро, и медленно изменяющиеся величины.

17. АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

17.1. Общие положения

Аналоговые электромеханические измерительные приборы непосредственной оценки (в дальнейшем – «измерительные приборы») состоят из измерительной цепи (ИЦ), измерительного механизма (ИМ) и отсчетного устройства

(ОУ) (pиc. 17.1).

279

Рис. 17.1. Структурная схема аналоговых электромеханических измерительных приборов непосредственной оценки

Измерительная цепь (ИЦ) служит для преобразования измеряемой электрической величины х в электрическую же величину х', удобную для измерения и непосредственного воздействия на измерительный механизм.

Измерительный механизм (ИМ) преобразует электрическую величину х' в механическое перемещение α (угловое или линейное).

Отсчетное устройство (ОУ) служит для визуального отсчитывания значений измеряемой величины.

ИЦ содержит обычно резисторы (или другие элементы), необходимые для требуемого преобразования измеряемой величины.

ИМ состоит из подвижной и неподвижной частей. В зависимости от принципа построения различают измерительные механизмы магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, электростатические, индукционные, ферродинамические, вибрационные.

ОУ состоит из указателя (стрелочного или светового), связанного с подвижной частью измерительного механизма, и неподвижной шкалы. На шкалу наносятся деления в единицах измеряемой величины. Кроме того, на шкалу наносятся условные обозначения класса точности прибора, рода измеряемого тока, знака системы, рабочего положения прибора (например, вертикального или горизонтального), испытательного напряжения и т. д.

Условные обозначения, наносимые на шкалы и корпуса приборов, приведены в приложениях.

Ниже рассмотрены приборы наиболее распространенных систем. При рассмотрении приборов основное внимание уделено измерительным механизмам и несколько меньшее внимание – другим составным частям приборов (измерительным цепям и отсчетным устройствам).

280