Pro vyvážení můstku musí být jeho dvě součásti nastavitelné, aby byla zajištěna rovnováha v modulu i fázi. Neznámá cívka má vlastní indukčnost LX , vzájemná indukčnost MX a odpor RX . Na Obr. Obrázek 4.6 ukazuje můstkové obvody pro měření indukčnosti porovnáním se známou indukčností nebo známou kapacitou.
Měření indukčnosti LX pomocí můstku znázorněného na diagramu 4.6 se porovná se známou indukčností L 1 . Při vyvažování můstku můžete upravit R 1 a L 1 dosáhnout s RX a LX . Protože indukčnosti mají relativně velké vlastní odpory, můžete do obvodu zařadit rezistor r a měnit jeho odpor během procesu vyvažování, abyste rozšířili rozsah měřených indukčností. Když je můstek v rovnováze, a jsou určeny výrazy
Tento typ měřiče indukčnosti se používá relativně zřídka kvůli obtížnosti získání stabilních a přesných referenčních indukčností.
V můstkovém obvodu znázorněném na obr. 4.6b je jeho vyvážení provedeno pomocí rezistoru R 2 a kondenzátor C, přičemž je zajištěno nezávislé vyvážení LX a LX . Rovnovážné podmínky můstku jsou popsány výrazy
Indukčnost se měří pomocí vysoce kvalitních kondenzátorů, které jsou mnohem přesnější a jednodušší na výrobu než standardní induktory a vytvářejí zanedbatelné pole.
Mosty často neurčují RX a místo toho je uvedena hodnota faktoru kvality QX , který je určen vzorcem
Uvažovaný můstek je široce používán pro měření indukčnosti cívek s činitelem jakosti Q pod 10. Tato horní hranice činitele jakosti je způsobena tím, že při velkých hodnotách Q rezistor R 2 musí mít příliš velký odpor.
Pro měření indukčnosti s vysokým činitelem jakosti (Q > 10) lze použít můstek, jehož zapojení je na Obr. 4.6, c. Rovnovážné podmínky pro tento můstek jsou určeny výrazy
Nevýhodou tohoto můstku je, že jeho rovnováha závisí na frekvenci, ale pro Q > 10 ve výrazu pro LX termín c lze zanedbat. V tomto případě hodnota indukčnosti nezávisí na frekvenci a chyba měření bude menší než 1 %.
Pro stanovení diferenciální indukčnosti se používá můstek, jehož zapojení je na Obr. 4.6, g. Při úpravě R 2 a C 2 je možné zajistit nezávislou rovnováhu pro RX a LX .
Podmínky rovnováhy pro most mají tvar
Odpor r se používá k rozšíření rozsahu možného vyvážení odporu.
Pro měření koeficientů vzájemné indukčnosti cívky jejím porovnáním s referenční se používá můstek znázorněný na Obr. 4.6, d. Měření se provádí následovně: nejprve spínače S 1 a S. 2 jsou nastaveny do polohy 2. Kobylka je vyvážena seřízením L 3 a R. 3 . Poté se přepínače přesunou do polohy 1 a M1upravujte, dokud se neustaví rovnováha s MХ. Rovnovážné podmínky můstku jsou určeny výrazy
Čtyřramenné můstky využívající kondenzátory s konstantní kapacitou a proměnné rezistory ve svých ramenech poskytují pohodlné přímé čtení hodnot naměřených indukčností L a faktorů kvality Q cívek, ale mají špatnou konvergenci při malých hodnotách Q. Proces vyvažování se stává obtížným při Q = 1. Šestiramenné můstky mají dobrou konvergenci při měření hodnot jakostního faktoru cívek.
Schéma šestiramenného můstku pro měření indukčnosti a činitele jakosti cívek je na Obr. 4.7.
Z podmínek obecné rovnováhy mostu získáme:
Dobrá konvergence můstku se vysvětluje nezávislostí druhé podmínky rovnováhy na odporu R 5 . Při dalším nastavování můstku s rezistorem R tedy nedochází k porušení rovnosti 5 , nutné ke splnění první podmínky rovnováhy.
Můstkový obvod je obvod pro připojení prvků elektrického obvodu (odpory, usměrňovací diody atd.), vyznačující se přítomností můstkové větve mezi dvěma body obvodu, které nejsou přímo spojeny se zdrojem elektrické energie. Můstkový obvod je založen na Wheatstoneově můstkovém obvodu.
Princip činnosti můstkového obvodu je založen na tom, že pokud jsou poměry impedancí v ramenech můstku rovny Za/Zb = Z x/ Zd, neprotéká v úhlopříčce můstku proud (v indikátoru přístroj).
Zvýšením citlivosti nulového indikátoru lze dosáhnout velmi přesné shody s rovností impedančních poměrů v můstkovém obvodu. Na tomto principu jsou založena mostní měření.
Můstkový okruh (Wheatstoneův můstkový okruh)
Obvod Wheatstoneova můstku se používá v různých formách k přesnému měření odporu od zlomků ohmů až po několik megaohmů.
Zdroje energie pro můstkové obvody mohou být zdroje stejnosměrného nebo střídavého napětí.
Vyvážení můstkového obvodu je zcela nezávislé na kolísání napájecího napětí (změna napájecího napětí můstku neovlivňuje stav vyvážení).
Jako elektrický analog mechanických vyvažovacích vah jsou můstkové obvody předchůdci všech elektrických diferenciálních měřicích metod.
Metody měření mostů
Můstková měření jsou metody měření parametrů elektrických obvodů na stejnosměrný proud (stejnosměrný odpor, proud) a na střídavý proud (činný odpor, kapacita, indukčnost, vzájemná indukčnost, frekvence, ztrátový úhel, činitel jakosti atd.) pomocí můstkových obvodů.
Můstková měření jsou hojně využívána také pro elektrická měření neelektrických veličin pomocí snímačů – mezipřevodníků měřené veličiny na funkčně související parametr elektrického obvodu.
Měření mostů se provádí pomocí měřících mostů (mostových instalací), které patří do kategorie srovnávacích zařízení.
V obecném případě jsou založeny na použití elektrického obvodu sestávajícího z několika známých a jednoho neznámého (naměřeného) odporu, napájeného z jednoho zdroje a vybaveného indikačním zařízením.
Změnou známých odporů je tento obvod regulován, dokud není dosaženo určitého rozložení napětí v jednotlivých úsecích obvodu, indikované indikátorem.
Je zřejmé, že daný poměr napětí také odpovídá určitému poměru odporu obvodu, ze kterého lze vypočítat neznámý odpor, pokud jsou známy zbývající odpory.
Měření mostovými metodami je založeno na dosažení rovnováhy mezi větvemi mostu. Tato rovnováha je určena galvanometrem zapojeným mezi protilehlé uzly.
Střídavý nebo stejnosměrný zdroj se pak připojuje k protilehlým uzlům podle měřené veličiny: AC pro kapacitu a indukčnost, DC a AC pro odpory.
Společným znakem je napájecí zdroj, který je připojen na jednu úhlopříčku můstku a také způsob indikace: indikátor je připojen k druhé úhlopříčce, vyvážení větví je stejné, pomocí proměnného rezistoru zapojeného jako reostat.
Neznámý odpor nemusí být jen rezistor. Může to být teploměr, termistor, tenzometr nebo jiná polovodičová součástka, jejíž odpor se mění vlivem vnějších parametrů (změny teploty, světla atd.).
Můstková měření se používají jak k měření hodnot odporu, tak k určení odchylek těchto hodnot od dané jmenovité hodnoty. Patří mezi nejběžnější a nejpokročilejší metody měření.
Aplikace mostů v automatizaci
Můstkové obvody jsou zvláště užitečné pro převod změn odporu na napěťové signály, které mohou být vloženy přímo do automatických řídicích systémů.
Například obvod Wheatstoneova můstku je ideální pro dosažení vysoké přesnosti požadované pro měření typických malých změn odporu (podíl jmenovitého odporu pro celkové posunutí) v důsledku elastických limitů materiálů tenzometru a zkušebních kusů.
Lze použít více konfigurací můstku – čtvrtinový můstek, poloviční můstek nebo plný můstek – s jedním až čtyřmi aktivními tenzometry pro měření napětí v důsledku nevyváženosti můstku pomocí přesného voltmetru. Každá konfigurace má za následek jinou rovnici pro definování deformace a tím i posunutí.
S polohami tenzometrů na můstku lze provádět různé kombinace, které je aktivují nebo ne, působí ve směru přetvoření nebo proti němu, nebo dokonce kolmo k měřenému přetvoření, což vede k jiné rovnici a jinému měření citlivosti.
V roce 1833 publikoval Samuel Hunter Christie (1784–1865) svou „diamantovou“ metodu, předchůdce Wheatstoneova můstku, v článku o magnetických a elektrických vlastnostech kovů jako metodu pro porovnávání odporu drátů různých tlouštěk.
Tato metoda však zůstala neuznaná až do roku 1843, kdy ji Sir Charles Wheatstone (1802–1875) navrhl v jiném dokumentu pro Královskou společnost pro měření odporu v elektrických obvodech. Ačkoli Wheatstone prezentoval metodu jako Christieho vynález, jeho jméno je nyní spojeno se zařízením.
Mostní měřicí obvody
Historicky první, nejjednodušší a nejběžnější verze měření můstku byla realizována pomocí čtyřramenného vyváženého můstku, což je prstencový obvod 4 odporů („ramena“ můstku), ve kterém jsou diagonálně zapojeny napájecí zdroj a indikátor. do protilehlých vrcholů ve formě „mostů“.
Čtyřramenný vyvážený most
Pokud je splněna podmínka R1R3 = R2R4 (respektive Z1Z3 = Z2Z4 na střídavý proud), je napětí na výstupu můstkového obvodu (bez ohledu na napájecí napětí) nulové (Ucd = 0), tedy můstek je „vyvážený“. který je označen nulovým ukazatelem.
Rovnovážný stav stejnosměrného můstku odpovídající podmínce R1R3 = R2R4 lze dosáhnout úpravou pouze jednoho proměnného parametru a také umožňuje určit pouze jeden neznámý odpor.
Pro dosažení komplexní podmínky rovnováhy na střídavý proud Z1Z3 = Z2Z4, který se rozpadá při dosazení komplexních hodnot odporu Z=R+jx do dvou nezávislých podmínek, je nutné nastavení alespoň dvou proměnných parametrů. V tomto případě je možné současně stanovit dvě složky komplexního odporu (například L a R nebo L a Q, C atd.).
Typ čtyřramenných střídavých můstků jsou rezonanční můstky. Kromě čtyřramenných se používají složitější můstkové obvody – dvojité můstky na stejnosměrný proud a víceramenné (šesti- nebo sedmiramenné) na střídavý proud. Rovnovážné podmínky pro tyto řetězce se přirozeně liší od podmínek uvedených výše.
Dvojitý měřící můstek
Víceramenný měřicí můstek
Mosty lze používat ve vyváženém nebo nevyváženém režimu. V druhém případě je výsledek měření určen bez úpravy odporu, přímo proudem nebo napětím na výstupu můstkového obvodu, což jsou funkce měřeného odporu a napětí napájecího zdroje (poslední musí být stabilní). Výstupní zařízení je v tomto případě kalibrováno přímo v hodnotách měřené veličiny.
AC elektronický měřicí můstek
Měření střídavého můstku lze použít ve dvou dalších režimech: kvazi-vyváženém a semi-vyváženém.
Ten se vyznačuje tím, že běžný čtyřramenný obvod je regulován pouze jedním proměnným parametrem, dokud není dosaženo minimálního výstupního napětí (plná rovnováha, tj. Ucd = 0, která vyžaduje nastavení dvou parametrů, je v tomto případě nedosažitelná) .
Okamžik dosažení minimálního napětí Uc d lze určit přímo konvenčním ukazatelem na výstupu obvodu nebo přesněji – nepřímo – na základě např. fázových vztahů napěťových vektorů můstkového obvodu vyskytujících se v okamžiku poloviční rovnováhy.
Ve druhém případě jsou experimentální a indikační zařízení podobné těm, které se používají v kvazi-rovnovážném režimu.
Složky měřeného odporu jsou určeny: jedna – hodnotou proměnného parametru v okamžiku poloviční rovnováhy, druhá – napětím na výstupu můstku.
Napájecí napětí musí být stabilizováno.
Vyvažování měřících můstků lze provádět buď přímo osobou (můstky s ručním přestavováním) nebo pomocí automatického zařízení (automatické měřící můstky).
Provádění mostních měření ve školicí laboratoři
Typy měřicích můstků
- Wheatstoneův můstek – používá se k měření malých hodnot odporu,
- Thomsonův můstek – používá se k měření velmi malých hodnot odporu,
- De Soti Bridge – používá se k měření kapacity,
- Scheringův můstek – používá se k měření kapacity,
- Cary Foster Bridge – používá se k měření nízkých odporů,
- Wien Bridge – používá se k měření kapacity,
- Campbell Bridge – používá se k měření indukčnosti nebo kapacity,
- Maxwell Bridge – používá se k měření indukčnosti nebo kapacity,
- Owen Bridge – používá se k měření indukčnosti,
- Andersonův můstek – používá se pro přesná měření indukčnosti.
Sériově vyráběné měřicí můstky mají třídy přesnosti od 0,02 do 5 pro DC a proud a od 0,1 do 5 pro AC.
Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře
Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!
