Мостовые схемы измерения в народном хозяйстве

August 5, 2015 by admin Комментировать »

Мостовые схемы измерения получили широкое распространение в радиолюбительской практике, так как они обладают повышенной чувствительностью по сравнению со схемами прямого отсчета измеряемого параметра и позволяют довольно просто проводить компенсацию погрешностей измерения, связанных с нестабильностью температуры и питающих мост напряжений.

На рис. 1-11, а изображена схема измерительного моста на постоянном токе, условием равновесия которого служит выполнение равенства ЯЛ—ЯгЯз· В случае равновесия моста ток в его изме-

Рис. 1-11.

рительной диагонали равен нулю. На 1-11,6 показана схема измери· тельного моста на переменном токе. Условием баланса моста на переменном токе будут следующие соотношения:

где ) ΖI — модуль полного сопротивления и φ — фазовый сдвиг в соответствующем плече моста. Для полной балансировки моста переменного тока необходимо уравнять произведения модулей полных сопротивлений плеч моста и компенсировать фазовые сдвиги. При этом следует иметь в виду, что с повышением частоты напряжения, питающего мост, начинают оказывать влияние на показания нульиндикатора НИ паразитные емкости и индуктивности монтажа, а также наводки от внешних электрических полей. Положительным свойством мостовых схем на переменном токе является то обстоятельство, что в них очень просто осуществлять усиление сигнала разбаланса. Для усиления сигнала разбаланса можно применять селективные усилители переменного тока, которые отличаются высокой стабильностью.

Электротермометр (рис. 1-11,б). Он позволяет измерять температуру в широком интервале. Электротермометры такого типа могут иайти применение при измерении температуры различных объектов (например, в аппаратуре дистанционного измерения температуры больных). В качестве датчика температуры в одно из плеч моста включен терморезистор. Для проверки прибора перед началом и в конце измерений предусмотрена калибровка по напряжению питаиия, которая осуществляется с помощью резистора R? при подключе-· нии к мосту резистора R\ вместо терморезистора рт.

Газоанализатор. Известно, что сопротивление проводника в значительной степени определяется теплопроводностью среды, окружающей проводник. Это свойство положено в основу использования проводников с высоким температурным коэффициентом сопротивления для проведения газовых анализов и разделения газовых смесей. При этом был использован тот факт, что теплопроводность большинства газов довольно резко отличается от теплопроводности воздуха. Так, теплопроводность воздуха 23,78 Вт/(см·К), водорода 169,60 Вт/(см·К), двуокиси азота 42,71 Вт/(см·К), метана 31,38 Вт/ /(см·К), сероводорода 12,79 Вт/(см·К) и т.д.

На рис. 1-11, г приведен газоанализатор, чувствительный элемент которого состоит из четырех ячеек. Каждая ячейка представляет собой цилиндрическую камеру из хорошо проводящего тепло материала, по оси которой натянута платиновая или вольфрамовая нить. Нить служит одновременно и нагревательным элементом и терморезистором. Все нити включены по схеме моста. Через две камеры (сравнительные) пропускают воздух, а через две другие (рабочие) с такой же скоростью — анализируемую газовую смесь. При равенстве сопротивлений камер /^=/^2=/^3=^4=^ и при условии, что изменения сопротивлений AR в рабочих камерах невелики по сравнению с абсолютными сопротивлениями /?, можно выразить приближенную зависимость тока / в измерительной диагонали от изменения сопротивлений формулой:

где /о — ток в цепи питания моста; Rnсопротивление прибора.

Значение /0 выбирают таким, чтобы температура нити в измерительной камере не превышала 100° С. Это позволяет уменьшить потери за счет лучеиспускания.

Применение этого метода измерения возможно только при условии, что температуры внутренних стенок рабочих и сравнительных камер будут равны. Чтобы добиться этого, все камеры делают в виде ячеек в одном монолитном блоке из хорошо проводящего тепло материала (красная медь, алюминий и др.), а сам блок помещают в термостат. Аналогичные камеры используют в приборах — хроматографах, предназначенных для разделения газовых и жидких смесей.

Автоматический регулятор температуры (авторы конструкции Б. Кореннов и В. Савинов). Мосты постоянного тока широко используют при конструировании терморегуляторов и других регулирующих устройств. Отличительной особенностью этого регулятора (рис. 1-12) является использование в качестве регулирующего приспособления микроамперметра со световым отсчетом, например, типов М91А, М95, М194 и т. д.

Прибор работает следующим образом. В исходном положении лампа Л\ работает прн малых токах, недостаточных для срабатывания реле Pi. С помощью резистора шкала которого градуирована в градусах Цельсия, устанавливают требуемую температуру так, что если температура внутри регулируемого объекта достигнет заданного значения, то наступит баланс моста. Ток через гальванометр уменьшится, и луч света от гальванометра попадет на фото-

Рис. 1-12.

резистор, установленный напротив нулевой отметки шкалы. Фоторезистор изменит свое сопротивление, ток через лампу Л\ увеличится, и сработает реле Ри отключая нагревательное устройство. Пока температура внутри регулируемого объекта отличается от заданной, имеет место разбаланс моста. При этом луч света от гальванометра не освещает фоторезистор. Сопротивление его велико, и ток через лампу недостаточен для срабатывания реле, через нормально замкнутые контакты которого включено нагревательное устройство.

Чувствительность используемых микроамперметров со световой индикацией очень высока (1,0—1,5-10~8 А), и они обладают малой инерционностью, поэтому с помощью такого терморегулятора можно поддерживать требуемую температуру с погрешностью не хуже 0,1° С.

Помимо регулирования температуры, данная схема может найти применение при создании регулирующих приборов для поддержания давления, скорости потока газов и жидкостей. Вместо микроамперметров со световым отсчетом можно использовать обычные стрелочные индикаторы типа М-24 и др., в которых используется шкала со средней «нулевой» точкой. При использовании таких индикаторов для изготовления регулятора следует использовать противоположный принцип — не освещения фоторезистора, а, наоборот, уменьшения светопотока в момент равновесия моста. Для этого на стрелку индикатора наклеивают флажок из тонкой фольги, который прикрывает окно фоторезистора в момент равновесия моста. При этом способ построения электрической схемы прибора остается без изменений.

При установке в плечах моста чисто активных сопротивлений для его питания можно использовать и источники переменного тока, что и делают в газовых анализаторах и хроматографах. При этом, использ\ я избирательные усилители переменного тока, можно значительно увеличить чувствительность схем

Мост переменного тока для разбраковки магнитофонных головок (автор конструкции В А. Думенек). Принцип действия его следующий (рис. 1-13,а). Две половины сердечника испытуемой магнитофон ной головки LK и LK прижимаются своими сердечниками к разом* кнутому магнитопроводу катушек и LB* питаемых от обмотки шз трансформатора Tpt. Возникающая в катушках э. д. с. наводит ток в первичной обмотке переходного трансформатора Тр2, вторичная обмотка которого включена в плечо измерительного моста. В другое плечо поступает сигнал с обмотки трансформатора Тр\. Если параметры испытуемой головки соответствуют требуемым, то в диагонали моста тока разбаланса не будет и стрелка индикатора будет стоять на нуле. При отклонении параметров испытуемой головки от требуемых в измерительной диагонали появится сигнал разбаланса. Перед началом испытаний прибор настраивают с помощью резистора Ri по эталонной магнитофонной головке. Чтобы при сильном сигнале разбаланса обмотка измерительного прибора не вышла из строя, ее шунтируют резистором R2·

При слабом сигнале разбаланса для более точной настройки резистор отключают кнопкой Кн.

Подобные устройства могут быть использованы не только для контроля качества магнитофонных головок, но и для проверки трансформаторов, катушек индуктивности с ферритовыми сердечниками, для проверки низкочастотных дросселей и т. д. Естественно предположить, что увеличение частоты питающего мост напряжения с соответствующей заменой сердечников из трансформаторного железа на ферритовые позволит значительно повысить чувствительность контроля. Однако надо учитывать, что при увеличении частоты на результаты замеров начнут оказывать влияние паразитные емкости монтажа и соединительных проводов.

Прибор рассмотренного типа может быть применен для измерения содержания ферромагнитных материалов в рудном концентрате, для измерения защитного слоя бетона над арматурой, для определения толщины немагнитных покрытий на ферромагнитных основах. Для этого достаточно несколько изменить конструкцию чувствительного элемента, как показано на рис. 1-13,6. При этом величина э. д. с., наведенной в обмотке LK датчика, будет тем больше, чем больше ферромагнитного материала в исследуемой пробе, чем ближе находится арматура к торцам разомкнутого магннтопро-

‘вода и чем тоньше слой покрытия на ферромагнитной основе. Правда, специальные приборы для этих применений строят на несколько ином принципе: в них используют дифференциальные индуктивные и индукционные датчики, о которых более подробно будет рассказано далее. Важно отметить, что в основе определения качества намотки катушек магнитофонных головок и в определении содер-

жания ферромагнитного материала в рудном концентрате лежат одни н те же принципы, которые позволяют разработанные для одной цели приборы применять после небольшой переделки в совершенно другой области.

Мост переменного тока (автор конструкции Е. П. Соголовский) с элементами компенсации модулей комплексных сопротивлений и фазовых сдвигов приведен на рис. 1-14, а (упрощенный вариант). Мост работает на частотах 50 Гц и 5 кГц. Его особенность — несимметричное включение индикатора в измерительную диагональ.

На приведенной схеме Ζχ — полное сопротивление измеряемой индуктивности или емкости, С\ — образцовый конденсатор, Нг — образцовый переменный резистор, шкала которого проградуирована в

Рис. 1-15.

Таблица 1-1

Размеры дужек реостата

Примечание. Для намотки используется провод из манганина.

значениях тангенса угла диэлектрических потерь tg δ или добротности Q, Сг — подстроечный конденсатор, который служит для компенсации паразитных емкостей.

Полная схема моста переменного тока показана на рис. 1-14,6. В приборе применен одни шестиплатный переключатель П\ на 12 положений, с помощью которого коммутируются все шкалы и пределы измерений емкостей и индуктивностей, и три переменных образцовых резистора Rn — #13, объединенных в одном корпусе, причем резисторы Ru и Rw сдвоены.

Оригинальная конструкция переменных резисторов, предложенная автором прибора, позволила намного сократить габариты прибора. Общий вид конструкции строенного резистора показан на рис. 1-15, а. К внешнему каркасу 1 прикреплены дужка 2 «Отсчет» и с внутренней стороны дужка 3 «Q». На внутреннем каркасе 4 укреплена дужка 5 «tg δ». Дужки изготовлены из ‘ текстолита и после намотки на них манганиновой проволоки закреплены на каркасах винтами. Форма дужки показана на рис. 1-15,6, а размеры приведены в табл. 1-1. Для удобства сборки внутренний каркас сделан съемным. Реостат имеет два движка — один из них (для переменного сопротивления «Отсчет») прикреплен к зубчатому колесу 6 (рис. 1-15,a), a второй (общий для переменных резисторов tg6 и Q) — к зубчатому колесу 7. Зубчатое колесо имеет втулку 8, проходящую через крышку 9. На втулке 8 вращается втулка 10, которая также проходит через крышку. К обеим втулкам винтами прикреплены диски со шкалами. Диск 11 «Отсчет» соединен со втулкой 10 и имеет углубление, в которое помещен диск 12 (tg δ и ‘Q), прикрепленный к втулке 8. Втулка вращается на оси 13, с помощью которой также крепится каркас реостата к корпусу 14. Корпус вместе с крышкой 9 соединен с передней панелью моста.

Оба движка вращаются осью 15, на которой имеются зубчатые колеса 16 и 17. В свободном положении ось 15 выдвинута вперед пружиной 18 и зубчатое колесо 16 через зубчатое колесо 6 передает вращение движку переменного резистора «Отсчет». При иажатии рукоятки реостата ось 15 отодвигается, зубчатое колесо 6 освобождается, а зубчатое колесо 17 зацепляется с зубчатым колесом 7. Вывод от движков осуществляется через зубчатые колеса, ось 13 и корпус реостата на «Землю». Ось 15 выведена наружу между шкалами «Отсчет», «tg δ» и «Q», для чего в шкале «Отсчет» имеется прорезь по окружности примерно на 320°. Одновременно с осью 15 перемещаются тормозящие пружины 19, предохраняющие нерабочее зубчатое колесо от случайного проворачивания. Для ограничения вращения оси в пределах 320° в реостате предусмотрены упоры, в качестве которых для переменных резисторов «tg6» и «Q» используются штифт 20, закрепленный на зубчатом колесе 7, и ограничитель 2/, расположенный на каркасе 4, а вращение переменного резистора «Отсчет» ограничивается тогда, когда край прорези в диске «Отсчет» подходит к оси 15,

Предложенная автором конструкция переменных резисторов может найти применение и в других мостах постоянного и переменного тока — в потенциометрах и компенсационных схемах измерения, так как этот резистор позволяет с большой точностью и очень плавно изменять сопротивление в широких пределах.

Мост переменного тока позволяет измерять емкости конденсаторов от 100 пФ до 100 мкФ с точностью =Ы%; индуктивности — от 100 мкГ до 100 Г с точностью ztl%; tg6— от 0 до 0,5 с точностью =Ь5%; добротность Q — от 0,5 до 50 при точности ±5%. Автор использовал сопротивления типа БЛП, а конденсаторы типов КС Г, ПГС. Все перечисленные типы деталей обладают малой температурной нестабильностью и небольшим (1—5%) разбросом номиналов.

Мост переменного тока с цифровой индикацией (авторы конструкции Е. П. Соголовский, Б. Т. Чех). Этот прибор (рнс. 1-16) предназначен для измерения емкости от 100 пФ до 10 мФ, индуктивности от 100 мкГ до 10 Г с погрешностью ±0,2%» тангенса угла диэлектрических потерь от 0 до 0,5 и добротности от 0 до 100 с погрешностью ±5%· Данные измерений выделяются в виде цифр на табло. Мост автоматически производит определение характера измеряемого комплексного сопротивления (емкость или индуктивность), выбор диапазона измерения, уравновешивание мостовой схе-

мы внутри выбранного диапазона и выдачу результатов измерений на цифровой индикатор.

Мост состоит из измерительной схемы lf управляемого фазовращателя 2, усилителя 3, фазового детектора 4, устройства управления 5 коммутатором фазосдвигающей цепи в, устройства выдачи пределов измерения 8, устройства выбора рода измерения 9, уравновешивающего устройства по реактивной составляющей 10, уравновешивающего устройства по активной составляющей 11, иидикатора 12, генератора напряжения частотой 1000 Гц 13, системы подключения опорного резистора 14.

Принцип действия моста основан на поочередном уравновешивании активной и реактивной составляющих комплексного измеряемого сопротивления. Как, в рассмотренной ранее конструкции, измерительная схема прибора представляет собой четырехплечий мост Рииа с несимметричным подключением схемы автоматического измерения к измерительной диагонали моста. Контактами реле схема легко переключается с измерения емкости на измерение индуктивности и наоборот.

Резисторы Д2 и Д2 переключаются контактами реле Pi и служат для скачкообразного изменения пределов измерения. Резистор Дз служит для уравновешивания моста по реактивной составляющей, а резисторы Д4 и Д4, переключаемые контактами реле Р2, —

по активной. В схеме производится раздельный отсчет или емкости С и тангенса угла диэлектрических потерь tg δ по шкале резистора

Д^ или индуктивности L и добротности Q по шкале резистора Д4.

Резистор До служит для установления характера измеряемой величины и при уравновешивании моста зашуитироваи. Изменение сопротивлений резисторов Дз, Д4 и Д4 производят контактами последовательно включенных реле, срабатывающих поочередно при уравновешивании. Схема моста питается переменным напряжением частотой 1000 Гц, снимаемым со вторичной обмотки 1-1 трансформатора Гр.

Управляемый фазовращатель служит для подачи опорного напряжения на фазовый детектор и также выполнен по мостовой схеме. Два плеча этого моста составлены секциями обмотки 2-2 трансформатора Гр, а два других плеча — конденсатором С4 и резистором Д3. Постоянное опорное сопротивление Д0 предназначено также для установления типа измеряемой величины и в ходе уравновешивания закорачивается. Изменение сопротивления резистора Д3 производят также с помощью контактов последовательно включенных реле синхронно с изменением сопротивления резистора Д3. Второе опорное напряжение, снимаемое с фазосдвигающей цепи 6, сдвинуто по фазе по отношению к первому на 90°.

Фазовый детектор — главное звено, управляющее работой коммутатора 7 и обеспечивающее последовательное уравновешивание моста по активной и реактивной составляющим сигнала. Коммутатор выполнен на двух шаговых искателях и обеспечивает поочередное включение звеньев цепочек реле, контакты которых включают в определенном порядке отдельные участки составных резисторов

Дз, Д3, Д4, Д4. Искатели срабатывают от положительных полуволн напряжения сети. Первый искатель коммутирует схемы 2 и 10х второй — схемы 8, 9 и 11. Отсчетное устройство выполнено на индикаторных лампах ИН-4.

Уравновешивание моста происходит в ходе выравнивания фаз сигнала разбаланса и опорных напряжений. При этом в ходе уравновешивания фазы опорных напряжений принимают на каждом этапе сравнения фиксированные значения, изменяющиеся в ту или другую сторону при переключении отдельных звеньев цепи уравновешивающих резисторов.

В начале процесса уравновешивания происходит автоматическое определение типа измеряемой величины (емкость или индуктивность). В исходном состоянии мост настроен на измерение иидуктивности. При этом резисторы R0 и Я0 зашунтированы контактами реле г

Рз, а резисторы Rst /¾ и Ri находятся в нулевом положении. Если напряжение сигнала разбаланса мостовой схемы опережает по фазе опорное, то на выходе фазового детектора возникает сигнал, вызывающий срабатывание устройства выбора рода измерения 9. Это устройство путем переключения контактов Рх и Рг переводит схему с режима измерения индуктивностей на режим измерения емкостей. Если на входе фазового детектора не возникает сигнала разбаланса, то переключения режимов не происходит. Каждое измерение состояния измерительной схемы прибора в ходе ее перенастройки фиксируется соответствующим световым индикатором.

После перенастройки прибора (выбора рода измерения) начинается выбор диапазона измерения. Для этого в плечо уравновешивания по реактивной составляющей включается опорный резистор

Ro, соответствующий границе поддиапазона. Такой же резистор RQ

включается н в мостовую схему управляемого фазовращателя. В ходе выбора диапазона измерения уравновешивающие резисторы зашунтированы контактами реле и сохраняют нулевые значения. Устройство управления через коммутатор приводит в действие устройство выбора пределов, которое вводит в плечо «множителя»

резистор #2 либо R2 до момента изменения знака сигнала на выходе фазового детектора. По окончании операции выбора пределов измерения опорные резисторы R0 и R0 шунтируются контактами реле Р8, а индикаторное устройство фиксирует положение запятой.

В дальнейшем происходит поочередное уравновешивание активной и реактивной составляющих исследуемого комплексного сопротивления. Переход от уравновешивания по одному параметру и уравновешиванию по другому параметру осуществляется в момент изменения полярности сигнала на выходе фазового детектора. Уравновешивающие устройства 10 к 11 работают поочередно до полного уравновешивания измерительной схемы моста. Результат измерения фиксируется на отсчетном устройстве в цифровом виде.

Авюматический регистрирующий мост переменного тока (авторы конструкции Е. П. Соголовский, Μ. Ф. Гаврилюк). Мост позволяет измерять емкости от 50 пФ до 50 Ф, индуктивности от 50 мкГ до 1050 Г с погрешностью не более ±0,5%, а также тангенс угла диэлектрических потерь от 0 до 1 и добротность от 0,5 до 20 с погрешностью не выше ±5%. Прибор является дальнейшим развитием техники мостовых измерений. В нем авторами удачно решен ряд узлов, рассмотрением которых мы и ограничимся

Регистрирующий мост отличается от рассмотренного ранее моста принципом уравновешивания, основанным на применении новой схемы формирования фаз опорных напряжений. При этом достигается минимальная взаимосвязь между контурами уравновешивания в диапазоне измерения и соответственно повышенная устойчивость работы устройства.

Принципиальная схема измерительной части моста приведена на рис. I-17. Здесь в диагональ питания измерительной мостовой схемы включается вспомогательная ветвь, состоящая из резисторов #зо> #зь #зз, #35 Эти резисторы регулируются одновременно с резисторами #15, #16, #18, #19, предназначенными для уравновешивания

Рис. 1-18.

мостовой схемы. Кроме того, в схему моста добавлен рёзистор Я34) включенный в разрыв между плечами, с концов которого / и 17 снимаются напряжения, используемые после соответствующего формирования в качестве опорных в схемах фазовых детекторов. Назначение остальных элементов схемы моста то же, что и в схеме автоматического моста переменного тока с цифровой индикацией.

На рис. 1-18 изображена блок-схема этого прибора в целом. С выхода генератора 1 напряжение частотой 1000 Гц поступает на измерительную схему 2 и фазоформирующую схему 4. В момент подключения к входным зажимам измеряемого объекта образуется сигнал разбаланса моста. Этот сигнал усиливается избирательным логарифмическим усилителем 3 и после формирования проходит на сигнальные входы двух фазовых детекторов 5 и одновременно на пороговую схему /4, которая управляет работой генератора тактовых импульсов 7. На управляющие входы фазовых детекторов с выходов фазоформирующей схемы 4 поступают два сдвинутых между собой по фазе напряжения прямоугольной формы, фазы которых изменяются в зависимости от текущих сопротивлений уравновешивающих резисторов измерительной схемы. В тот момент, когда сигнал разбаланса превысит пороговое значение, генератор 7 начинает работать и импульсы с его выхода через ключи 6 поступают на схемы управления шаговыми двигателями 8. В зависимости от знака сигнала на выходах фазовых детекторов 5 ключи пропускают тактовые импульсы на шину прямого либо обратного счета схемы 8, которая коммутирует в заданной последовательности обмотки двигателя и обеспечивает необходимое направление вращения его ротора. Двигатели 9 работают одновременно и через механические связи воздействуют на уравновешивающие параметры измерительной схемы, на фазоформирующий каскад, индикатор 12 и на регистратор 13, Кроме того, фазовый двигатель канала уравновешивания реактивной составляющей через концевые выключатели 10′ воздействует на схему выбора пределов 11, обеспечивая работу устройства в нужном ‘Диапазоне. В момент окончания процесса уравновешивания моста, когда амплитуда сигнала разбаланса становится ниже амплитуды порога, выдача тактовых импульсов прекращается и система переходит в состояние устойчивого равновесия.

В схеме прибора предусмотрена возможность повышения разрешающей способности и увеличения точности отсчета в любой точке диапазона измерения. Для этого в измерительную схему и вспомогательную ветвь введены дополнительные переменные резисторы Ri9 и /?з5, а также цепочки постоянных коммутируемых резисторов* определяющих поддиапазон. Эти переменные резисторы намотаны линейно на каркасах такой же длины, как и основные, но сопротивления их в 10 раз меньше основных. При переходе на растянутую шкалу реле Р одновременно с переключениями в измерительной схеме изменяет чувствительность усилителя, увеличивая ее в 2 раза.

Весь процесс измерения происходит автоматически с высоким быстродействием, определяемым частотой движения роторов шаговых двигателей. В данной конструкции применены шаговые двигатели типа ШДР-711 с частотой переключения 400 Гц. Переключение схемы с измерения индуктивности на измерение емкости и наоборот, а также включение растянутой шкалы производится вручную. Полное время измерений не превышает 1 с. Одновременно дву-

Рис. 1-19, мя перьями чернилами разных цветов записываются два параметра: емкость и тангенс угла потерь или индуктивность и добротность. Габариты моста 480X160X420 мм. Внешний вид прибора показан на рис. Ы9.

Источник: Смирнов А. Д., Радиолюбители — народному хозяйству. — 2-е изд., перераб. и доп. — М: Энергия, 1978. — 320 с., ил.— (Массовая радиобиблиотека; Вып. 957).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты