Astro-nn.ru

Стройка и ремонт
5 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Принцип работы моста уитстона

Измерительный мост Уитстона

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

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

Применение моста Уитстона для измерения неэлектрических величин

Мост Уитстона представляет собой электрическую схему, предназначенную для измерения величины электрического сопротивления. Впервые данная схема была предложена британским физиком Самуэлем Кристи в 1833 году, а в 1843 году она была усовершенствована изобретателем Чарльзом Уитстоном. Принцип работы данной схемы схож с действием механических аптекарских весов, только уравниваются здесь не силы, а электрические потенциалы.

Схема моста Уитстона содержит две ветви, потенциалы средних выводов (D и B) которых уравниваются в процессе проведения измерений. Одна из ветвей моста включает в себя резистор Rx, значение сопротивления которого необходимо определить.

Противоположная ветвь содержит реостат R2 — сопротивление регулируемой величины. Между средними выводами ветвей включен индикатор G, в качестве которого может выступать гальванометр, вольтметр, нуль-индикатор или амперметр.

Если в момент равновесия три из сопротивлений известны, то четвертое можно подсчитать (измерить). Высокая точность изготовления сопротивлений и большая чувствительность нулевых индикаторов обеспечивают точное измерение неизвестного сопротивления.

Для равновесия моста необходимо, чтобы произведения сопротивлений противоположных плеч были равны между собой. Уравновешивание моста достигается изменением одного или нескольких сопротивлений плеч. С этой целью они выполняются чаще всего в виде реостата или магазинов (набора) сопротивлений.

В ходе измерительного процесса сопротивление реостата постепенно изменяют до тех пор, пока индикатор не покажет ноль. Это значит, что потенциалы средних точек моста, между которыми он включен, равны друг другу, и разность потенциалов между ними равна нулю.

Когда стрелка индикатора (гальванометра) отклонена в ту или иную сторону от нуля, это значит что через него протекает ток, и следовательно мост еще не находится в балансе. Если же на индикаторе ровно ноль — мост сбалансирован.

Очевидно, если отношение верхнего и нижнего сопротивлений в левом плече моста равно отношению сопротивлений правого плеча моста — наступает баланс (или равновесие) моста просто в силу нулевой разности потенциалов между выводами гальванометра.

И если значения трех сопротивлений моста (включая текущее сопротивление реостата) сначала измерены с достаточно небольшой погрешностью, то искомое сопротивление Rx будет найдено с достаточно высокой точностью. Считается что сопротивлением гальванометра можно пренебречь.

Кроме четырехплечных мостов, находят применение и мостовые схемы с большим числом плеч. Например, для измерения малых сопротивлений (меньше 1 ом) используют шестиплечные мосты постоянного тока (двойные мосты).

Схема моста Уитстона может работать и на переменном токе. В этом случае используются полные сопротивления плеч моста. При равновесии мостовой схемы на переменном токе произведении полных сопротивлений противоположных плеч моста должны быть равны между собой.

Измерительные мосты переменного тока применяются для измерения полных сопротивлений, индуктивностей, емкостей, взаимной индуктивности, активных сопротивлений, частоты.

Погрешность при измерениях мостовым методом может быть доведена до 0,01% и даже меньше.

Подборка статей про другие измерительные приборы:

До сих пор мы рассматривали уравновешенный мост. Для этого режима работы соотношение между параметрами схемы не зависит от величины напряжения источника питания и от сопротивления проводов, соединяющих этот источник со схемой. Данное свойство мостовых схем позволяет широко использовать их в автоматике.

Помимо уравновешенных мостов, в технике применяются и неуравновешенные мосты, т. е. такие, у которых в рабочем режиме через индикаторную диагональ протекает ток. В этом случае о величине измеряемого сопротивления судят по показаниям прибора, включенного в индикаторную диагональ.

Неуравновешенные мосты очень удобны для электрических измерений неэлектрических величин (температур, давлений, перемещений и т. п.). В настоящее время большое распространение получают мосты с автоматическим уравновешиванием. Они применяются там, где требуется иметь непрерывные показания и запись измеряемой величины, а также в автоматическом контроле, управлении и регулировании.

Мост Уитстона по сути универсален, и применим отнюдь не только для измерений сопротивлений резисторов, но и для нахождения самых разных неэлектрических параметров, достаточно лишь чтобы сам датчик неэлектрической величины был резистивным.

Тогда сопротивление чувствительного элемента-датчика, изменяясь под неэлектрическим воздействием на него, может быть измерено при помощи мостовой схемы Уитстона, и соответствующая неэлектрическая величина может быть таким образом найдена с малой погрешностью.

Таким образом можно найти значение величины: механической деформации (тензометрические датчики), температуры, освещенности, теплопроводности, теплоемкости, влажности, и даже состав вещества.

Современные измерительные приборы на базе моста Уитстона обычно снимают показания с моста через аналого-цифровой преобразователь, подключенный к цифровому вычислительному устройству, такому как микроконтроллер с вшитой программой, которая осуществляет линеаризацию (замена нелинейных данных приближенными линейными), масштабирование и преобразование полученных данных в численное значение измеряемой неэлектрической величины в соответствующих единицах измерения, а также коррекцию погрешностей и вывод в читаемом цифровом виде.

Например напольные весы примерно по такому принципу и работают. Кроме того программными методами тут же может быть проведен гармонический анализ и т. д.

Так называемые тензорезисторы (резистивные датчики механического напряжения) находят применение в электронных весах, в динамометрах, манометрах, торсиометрах и тензометрах.

Тензорезистор просто наклеивается на деформируемую деталь, включается в плечо моста, при этом напряжение в диагонали моста будет пропорционально механическому напряжению, на которое реагирует датчик — его сопротивление изменяется.

При разбалансе моста измеряют величину этого разбаланса, и таким образом находят например вес какого-нибудь тела. Датчик, кстати, может быть и пьезоэлектрическим, если измеряется быстрая или динамическая деформация.

Когда необходимо измерить температуру, применяются резистивные датчики, сопротивление которых изменяется вместе с изменением температуры исследуемого тела или среды. Датчик может даже не контактировать с телом, а воспринимать тепловое излучение, как это происходит в болометрических пирометрах.

Принцип действия болометрического пирометра основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента вследствие его нагревания под воздействием поглощаемого потока электромагнитной энергии. Тонкая пластинка из платины, зачерненная для лучшего поглощения излучения, из-за своей малой толщины под действием излучения быстро нагревается и ее сопротивление повышается.

Похожим образом действуют термометры сопротивления с положительным температурным коэффициентом и терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом на базе полупроводников.

При изменении температуры косвенным путем можно измерить теплопроводность, теплоемкость, скорость потока жидкости или газа, концентрацию компонентов газовой смеси и т. д. Именно косвенные измерения такого рода применяются в газовой хроматографии и в термокаталитических датчиках.

Фоторезисторы изменяют свое сопротивление под действием освещенности, а для измерения потоков ионизирующего излучения — используются специализированные резистивные датчики.

Типовые конструкции задних ведущих мостов

Что такое измерительный мост?

Как пример, объясняющий электросхему моста, возьмём терморезистор или термометр. В таких системах механизм ставят в одной ветви схемы. Можно провести аналогию с аптечными весами. Разница только в том, что мост — электрическое устройство.

Рычажные весы и приборы с мостовой схемой действуют компенсационным способом. Величина тока в по Уинстону есть разница между сопротивлениями — чем она выше, тем обширнее протекает электрический ток. При изменении разности меняется и количество электрических зарядов.

Это свойство применяют в различных системах и приборах контроля. Точность замеров достигается за счет изменения сопротивления. Во время измерения электричества, проходящего через измерительный мост постоянного тока, обнаруживаются любые изменения физической величины сопротивления.

Читать еще:  Экономное реле времени для наружного освещения

Список использованных источников и литературы

1.5. Основные регулировки главной передачи
и дифференциала
В главной передаче регулируют затяжку конических подшипников ведущей конической шестерни (КамАЗ-5320), подшипников ведущего проходного вала, конических подшипников промежуточного вала и корпуса межколесного дифференциала. Подшипники в этих узлах регулируют с преднатягом. При регулировках надо очень тщательно проверять преднатяг во избежание появления неисправностей, поскольку слишком сильная затяжка подшипников приводит к их перегреву и выходу из строя.

В главных передачах предусмотрена также возможность регулировки зацепления конических шестерен. Однако надо иметь в виду, что регулировку работающей пары в процессе эксплуатации производить нецелесообразно. Она проводится с ремонтным или новым комплектом пары конических шестерен при замене изношенной пары. Регулировки подшипников и зацепления конических шестерен проводятся на снятой с автомобиля главной передаче.

Регулировка подшипников ведущей конической шестерни главной передачи среднего ведущего моста автомобиля КамАЗ-5320 осуществляется подбором необходимой толщины двух регулировочных шайб (см. рис. 4.21), которые устанавливаются между внут ренним кольцом переднего подшипника и распорной втулкой. После установки регулировочных шайб гайка крепления затягивается моментом 240 Н-м (24 кгс«м). При затяжке необходимо проворачивать ведущую шестерню 20,

чтобы ролики заняли правильное положение в обоймах подшипников

Затем контргайку затягивают моментом 240—360 Н-м (24—36 кгс-м) и фиксируют. Величина преднатяга подшипников проверяется моментом, необходимым для проворачивания ведущей шестерни. При проверке момент сопротивления проворачиванию ведущей шестерни в подшипниках должен составлять 0,8—3,0 Н -м (0,08—0,30 кгс -м). Замерять момент сопротивления надо при плавном вращении шестерни в одну сторону и не менее чем после пяти полных оборотов. Подшипники при этом должны быть смазаны.

Регулировка подшипников ведущей конической шестерни главной передачи заднего ведущего моста автомобиля КамАЗ-5320 (см. рис. 4.22) осуществляется подбором необходимой толщины регулировочных шайб, которые устанавливаются между внутренней обоймой переднего подшипника и опорной шайбой. Момент сопротивления проворачиванию вала ведущей шестерни должен быть 0,8—3,0 Н-м (0,08—0,30 кгс-м). При проверке этого момента крышку стакана подшипника надо сдвинуть в сторону фланца так, чтобы сальник не оказывал сопротивления вращению. После окончательного подбора регулировочных шайб гайку фланца карданного шарнира затягивают моментом 240—360 Н-м (24—36 кгс-м) и зашплинтовывают.

. Конические роликовые подшипники (см. рис. 4.21) промежуточного вала главной передачи автомобиля КамАЗ-5320 регулируют подбором толщины двух регулировочных шайб, которые устанавливают между внутренними обоймами подшипников. Момент сопротивления проворачиванию промежуточного вала в подшипниках должен составлять 2—4 Н-м как при регулировке подшипников ведущейшестерни.

Регулировка преднатяга конических роликовых подшипников корпуса дифференциала осуществляется при помощи гаек 8.

Пред: натяг контролируют по величине деформации картера при затягивании регулировочных гаек. При регулировке предварительно затягивают болты крепления крышек
22
моментом 100—120 Н-м (10—12 кгс-см). Затем завертыванием регулировочных гаек обеспечивают такой преднатяг подшипников, при котором расстояние между торцами крышек подшипников увеличивается на 0,1—0,15 мм. Расстояние замеряют между площадками для стопоров гаек подшипников дифференциала. Для того чтобы ролики в обоймах подшипников занимали правильное положение, в процессе регулировки корпус дифференциала надо провернуть несколько раз. При достижении необходимого преднатяга регулировочные гайки стопорят, а болты крепления крышек подшипников окончательно затягивают моментом 250—320 Н-м (25—32 кгс-м) и также стопорят.

При регулировке конических роликовых подшипников главной передачи и дифференциалов ведущих мостов автомобиля Урал 4320 главную передачу со снятыми дифференциалом и фланцами карданов устанавливают в приспособлении. Все конические роликовые подшипники главной передачи регулируют с преднатягом, так же как на автомобиле КамАЗ-5320. Регулировка подшипников 12, 18

(см. рис. 4.24) ведущего проходного вала осуществляется изменением толщины набора регулировочных прокладок
11
и
16.
При правильно отрегулированных

подшипниках момент сопротивления проворачиванию ведущего проходного вала должен быть 1—2 Н-м (0,1—0,2 кгс-см). Болты крепления крышек подшипников надо затягивать моментом 60—80 Н-м (6—8 кгс-м).

Регулировка подшипников 6

промежуточного вала осуществляется изменением толщины набора регулировочных прокладок
8
под крышкой подшипников. Последовательным удалением прокладок выбирают зазор в подшипниках б, после чего удаляют еще одну прокладку толщиной 0,1—0,15 мм. Момент сопротивления проворачиванию промежуточного вала должен быть равен 0,4—0,8 Н-м (0,04—0,08 кгс-м). Снятие прокладок из-под крышки подшипников смещает ведомую шестерню в сторону ведущей и ведет к уменьшению бокового зазора в зацеплении, поэтому необходимо установить снятые прокладки под фланец стакана подшипников
5
в комплект прокладок 7 и восстановить тем самым положение ведомой конической шестерни относительно ведущей. Затяжку болтов крышки подшипников проводить моментом 60—80 Н-м (6—8 кгс-м).

После регулировки подшипников ведущего проходного и промежуточного валов целесообразно проверить правильность зацепления конических шестерен «на краску». Отпечаток на зубе ведомой шестерни должен быть расположен ближе к узкому концу зуба, но не доходить до края зуба на 2—5 мм. Длина отпечатка не должна быть меньше 0,45 длины зуба. Боковой зазор между зубьями у широкой их части должен быть 0,1—0,4 мм. Регулировку зацепления конических шестерен должен производить механик или опытный водитель.

При регулировке подшипников корпуса дифференциала болты крепления крышек подшипников затягивают моментом 150 Н-м (15 кгс-м), затем, заворачивая гайки 24,

устанавливают нулевой зазор в подшипниках; после этого доворачивают гайки на величину одного паза. Деформация опор подшипников составляет в этом случае 0,05—0,12 мм. После регулировки необходимо затянуть болты крепления крышек подшипников моментом 250 Н-м (25 кгс-м).

Принцип работы моста Уитстона

Мостовая схема Ч. Уинстона состоит из 2-х плеч. В каждом 2 резистора. Соединяет 2 параллельные ветви еще одна. Ее название – мостик. Ток проходит от клеммы с минусом к верхнему пику мостовой схемы.

Разделившись по 2 параллельным ветвям, ток идёт к положительной клемме. Величина сопротивления в каждой ветви непосредственно влияет на количество тока. Равное сопротивление на обеих ветвях говорит о том, что в них течет аналогичное количество тока. В таких условиях мостовой элемент уравновешен.

Если в ветвях неравное сопротивление, ток в электросхеме начинает движение от ветви с высоким уровнем сопротивления к ветви с наименьшим. Так продолжается, пока 2 верхних элемента цепей остаются равны по своей величине. Аналогичное положение резисторы имеют в схемах, которые используют в системах контроля и измерения.

Балочные

Материалами для их строительства являются сталь, ее сплавы, железобетон, а первым материалом было дерево. Основными элементами несущих конструкций у этого типа являются балки, фермы, которые передают нагрузку на опоры основания моста.

Балки и фермы составляют часть отдельной конструкции, носящей название «пролет». Пролеты бывают разрезными, консольными и неразрезными, в зависимости от схемы соединения с опорами. Первые из них имеют по две опоры с каждого края, неразрезные могут иметь большее количество опор, в зависимости от необходимости, а у консольного моста пролеты выходят за опорные точки, где соединяются с последующими пролетами.

Разновидности

  1. Небольшие сопротивления измеряются посредством прибора Кери Фотера. Можно узнать разницу между противодействиями больших значений.
  2. Еще один тип – делитель Кельвина-Варлея. Применяется в приборах лабораторного оборудования. Максимальная измеряющая способность, зафиксированная этим делителем напряжения, достигает 1,0*10-7.
  3. Мост Кельвина, который в некоторых странах называют именем Томсона, предназначен для замера неизвестных сопротивлений небольших величин (меньше 1 Ом). По принципу работы похож на одинарный мост Уинстона. Разница лишь в наличии дополнительного сопротивления, снижающего погрешности в измерении, которые появляются в результате падения напряжения в одном из плеч.
  4. Еще один тип – мост Максвелла. Измеряет низкодобротную индуктивность неизвестной величины.

Схемы измерительных мостов

Измерительные мосты переменного тока делят на 2 группы: двойные и одинарные. Одинарные имеют 4 плеча. В них 3 ветви создают цепь с 4 точками подключения.

В диагонали моста есть электромагнитный гальванометр, показывающий равновесие. В другой диагонали моста действует источник постоянного питания. Измерения могут происходить с погрешностями, которые зависят от их диапазона. По мере роста сопротивления чувствительность прибора уменьшается.

Двойной мост называют шестиплечим. Его плечи – измеряемое сопротивление (Rx), резистор (Ro) и 2 пары дополнительных резисторов (Rl, R2, R3, R4).

Деревянные мосты

Первые мосты в истории человечества сооружались из дерева. Долго эти сооружения не могли использоваться без соответствующего ремонта, постоянных профилактических работ и замены отдельных частей и креплений. Это было сопряжено с трудностями строительства и недолговечностью самого материала. В настоящее время строятся следующие виды деревянных мостов:

  1. В зависимости от системы – балочные, подкосные.
  2. В зависимости от конструкции – пакетные строения с пролетами, фермовые мосты.

Балочное строение наиболее простое, а потому быстро монтируемое сооружение. Опорные балки забиваются в грунт на глубину до 4 м. На верхние концы свай с помощью стальных штырей укладываются насадки, все сваи связываются в единое целое, сверху настилается полотно для движения. При строительстве деревянного моста важно создать прочное сопряжение конструкции с насыпью из грунта на обоих концах, делается это для того, чтобы мост был устойчив.

Сейчас появилась тенденция возрождения строительства деревянных мостов, что связано с появлением технологии изготовления клееного бруса, более устойчивого к агрессивной среде, внешним силам кручения и более долговечен в эксплуатации, к тому же его длина не зависит от естественного роста дерева.

Где используют измерительный мост Уитстона?

Измерительные элементы применяют в работе с кабельными линиями из металла. Они позволяют нейтрализовать постороннее влияние для более эффективной локализации дефектов. Гарантированы высокоточные результаты в рамках диапазона измеряемых величин.

Читать еще:  Как очистить деревянную поверхность от краски

С помощью мостовой схемы Уитстона можно вычислить сопротивление изменяющегося элемента. Схемы используют в конструкциях электронных весов, электронных термометров и терморезисторов.

Среди промышленных образцов широко известны приборы с ручной калибровкой равновесия:

  • ММВ – измеряет сопротивление проводника постоянного напряжения;
  • Р333 – схема одинарного моста, с помощью которой выявляется поврежденный участок кабеля.

Системы мостов и области применения их.

Основные системы пролётных строений — балочные, арочные и висячие, разрезные, неразрезные и консольные.

Основные виды — по материалу: железобетонные, стальные и деревянные.

В металле и дереве возможны все три основные системы — балочная, арочная и висячая; в железобетоне — балочная и арочная.

Применение принципа сборности сближает конструктивные формы из всех трех материалов.

Получают широкое применение комбинированные конструкции, например стальные балки с железобетонной плитой или железобетонные балки со стальным шпренгелем и др.

В мостостроении основным строительным материалом является железобетон, обладающий преимуществами перед другими материалами (долговечность, меньшие эксплуатационные расходы, малый расход стали и т. д.).

Железобетонные

Большое значение в применении к мосту имеет сборный железобетон, существенно облегчающий монтаж конструкций. Сборные желебетонные мосты монтируются в основном так же, как стальные. При небольших пролётах железобетоные пролётные строения могут быть поставлены опоры краном в целом виде.

Металлические

Основным преимущество металлическх — высокая индустриальность и в связи с этим короткие сроки и малая трудоёмкость изготовления и монтажа, а также сравнительно небольшой вес пролётного строения. Поэтому главная область применения металла в мостостроении — больше пролётов, где эти преимущества имеют еще существенное значение.

Рис. 2. Элементы металлического пролетного строения: 1 — главные фермы; 2 — проезжая часть, ездовое полотно; 3 — продольные балки; 4 — поперечные балки;

5 — опорные части.

Другая область применения металлических мостовых конструкций — подвижные мосты (разводные, разборные возимые и наплавные, напр. военные, для которых существенно важны транспортабельность, быстрота возведения и т. д.).

Деревянные

Преимуществом деревянных — является использование местного материала (леса), малый вес и лёгкая обработка материала. Невысокая долговечность деревянных конструкций ограничивает применение их во временных или в мостах пониженной капитальности. Однако консервирование древесины значительно повышает срок службы деревянных конструкций. .

Измерительный мост

Измерительный мост – электрическая схема, усовершенствованная английским физиком Чарльзом Уинстоном. Она источник постоянного тока и базовая мостовая схема, которую применяют в конструкциях многих измерительных приборов. Например, в устройствах контроля и измерения температур – термометрах.

Что такое измерительный мост?

Как пример, объясняющий электросхему моста, возьмём терморезистор или термометр. В таких системах механизм ставят в одной ветви схемы. Можно провести аналогию с аптечными весами. Разница только в том, что мост — электрическое устройство.

Рычажные весы и приборы с мостовой схемой действуют компенсационным способом. Величина тока в по Уинстону есть разница между сопротивлениями — чем она выше, тем обширнее протекает электрический ток. При изменении разности меняется и количество электрических зарядов.

Это свойство применяют в различных системах и приборах контроля. Точность замеров достигается за счет изменения сопротивления. Во время измерения электричества, проходящего через измерительный мост постоянного тока, обнаруживаются любые изменения физической величины сопротивления.

Принцип работы моста Уитстона

Мостовая схема Ч. Уинстона состоит из 2-х плеч. В каждом 2 резистора. Соединяет 2 параллельные ветви еще одна. Ее название – мостик. Ток проходит от клеммы с минусом к верхнему пику мостовой схемы.

Разделившись по 2 параллельным ветвям, ток идёт к положительной клемме. Величина сопротивления в каждой ветви непосредственно влияет на количество тока. Равное сопротивление на обеих ветвях говорит о том, что в них течет аналогичное количество тока. В таких условиях мостовой элемент уравновешен.

Если в ветвях неравное сопротивление, ток в электросхеме начинает движение от ветви с высоким уровнем сопротивления к ветви с наименьшим. Так продолжается, пока 2 верхних элемента цепей остаются равны по своей величине. Аналогичное положение резисторы имеют в схемах, которые используют в системах контроля и измерения.

Типы и модификации измерительных мостов

Основная схема измерительного моста – Уинстона. Одинарный мост меряет сопротивление от 1 Ом до 100 Мом. Но есть и модификации, позволяющие измерять разные типы сопротивлений — те, для которых базовая схема не годится.

Разновидности

  1. Небольшие сопротивления измеряются посредством прибора Кери Фотера. Можно узнать разницу между противодействиями больших значений.
  2. Еще один тип – делитель Кельвина-Варлея. Применяется в приборах лабораторного оборудования. Максимальная измеряющая способность, зафиксированная этим делителем напряжения, достигает 1,0*10-7.
  3. Мост Кельвина, который в некоторых странах называют именем Томсона, предназначен для замера неизвестных сопротивлений небольших величин (меньше 1 Ом). По принципу работы похож на одинарный мост Уинстона. Разница лишь в наличии дополнительного сопротивления, снижающего погрешности в измерении, которые появляются в результате падения напряжения в одном из плеч.
  4. Еще один тип – мост Максвелла. Измеряет низкодобротную индуктивность неизвестной величины.

Схемы измерительных мостов

Измерительные мосты переменного тока делят на 2 группы: двойные и одинарные. Одинарные имеют 4 плеча. В них 3 ветви создают цепь с 4 точками подключения.

В диагонали моста есть электромагнитный гальванометр, показывающий равновесие. В другой диагонали моста действует источник постоянного питания. Измерения могут происходить с погрешностями, которые зависят от их диапазона. По мере роста сопротивления чувствительность прибора уменьшается.

Двойной мост называют шестиплечим. Его плечи – измеряемое сопротивление (Rx), резистор (Ro) и 2 пары дополнительных резисторов (Rl, R2, R3, R4).

Двойные измерительные мосты

Небольшие сопротивления измеряются двойными мостами, состоящими из таких компонентов:

  • резисторы R (4);
  • гальванометр;
  • резистор образцовый;
  • источник питания;
  • амперметр;
  • резистор, устанавливающий рабочий ток.

Чтобы узнать условия, при которых возникает равновесие, для замкнутых контуров применяют уравнение Кирхгофа. Соблюдается условие: по гальванометру должен идти нулевой ток.

Где используют измерительный мост Уитстона?

Измерительные элементы применяют в работе с кабельными линиями из металла. Они позволяют нейтрализовать постороннее влияние для более эффективной локализации дефектов. Гарантированы высокоточные результаты в рамках диапазона измеряемых величин.

С помощью мостовой схемы Уитстона можно вычислить сопротивление изменяющегося элемента. Схемы используют в конструкциях электронных весов, электронных термометров и терморезисторов.

Среди промышленных образцов широко известны приборы с ручной калибровкой равновесия:

  • ММВ – измеряет сопротивление проводника постоянного напряжения;
  • Р333 – схема одинарного моста, с помощью которой выявляется поврежденный участок кабеля.

Заключение

С помощью прибора Уинстона можно мерить индуктивность, содержание газа в воздухе или другом веществе, емкость и иные физические величины. Подробно о данных схемах можно прочитать в учебнике «Измерительные соединения». В книге представлены основные понятия, базовые методики, примеры, иллюстрирующие принцип действия.

Измерительный мост Уитстона и его использование

Одной из популярнейших мостовых схем, по сей день применяемых в контрольно-измерительных приборах и в электротехнических лабораториях, является измерительный мост Уитстона, названный в честь английского изобретателя Чарльза Уитстона, предложившего данную схему для измерения сопротивлений в далеком 1843 году.

Измерительный мост Уитстона является по сути электрическим аналогом аптекарских рычажных весов, так как здесь используется подобный компенсационный метод измерения.

Принцип действия измерительного моста основан на уравнивании потенциалов средних выводов двух включенных параллельно ветвей резисторов, в каждой ветви по два резистора. В качестве части одной из ветвей включается резистор, величину которого требуется узнать, а в другую — резистор перестраиваемого сопротивления (реостат или потенциометр).

Плавно изменяя величину сопротивления перестраиваемого резистора, добиваются нулевого показания на шкале гальванометра, включенного в диагональ между средними точками двух упомянутых ветвей. В условиях, когда гальванометр покажет ноль, потенциалы средних точек будет равны, и значит можно легко вычислить искомое сопротивление.

Понятно, что кроме резисторов и гальванометра, в схеме обязательно должен присутствовать источник питания моста, на приведенном рисунке он изображен в виде гальванического элемента Е. Ток течет от плюса батарейки к минусу, при этом делится между двумя ветвями обратно пропорционально их сопротивлениям.

Если верхние и нижние резисторы в плечах моста попарно одинаковы, то есть когда плечи полностью идентичны, нет причин для возникновения тока через диагональ, поскольку разность потенциалов между точками подключения гальванометра равна нулю. В этом случае говорят что мостик уравновешен или сбалансирован.

Если же верхние резисторы одинаковы, а нижние не одинаковы, то ток устремится через диагональ, от плеча с большим нижним сопротивлением к плечу с меньшим нижним сопротивлением, и стрелка гальванометра отклонится в соответствующую сторону.

Итак, если потенциалы точек, к которым подключен гальванометр, равны, то соотношения номиналов верхних и нижних резисторов в плечах будут равны между собой. Таким образом, приравняв эти соотношения, получим уравнение с одним неизвестным. Сопротивления R1, R2 и R3 должны быть изначально измерены с высокой точностью, тогда и точность нахождения резистора Rх(R4) будет высокой.

Схему моста Уитстона часто используют для измерения температуры, когда в одну из ветвей моста включают термометр сопротивления в качестве неизвестного резистора. В любом случае, чем больше разность сопротивлений в ветвях, тем больший ток будет течь через диагональ, а при изменении сопротивлений станет изменяться и ток диагонали.

Читать еще:  Как правильно выбрать экран под ванну: различные виды и советы по подбору

Именно это свойство моста Уитстона так ценится теми, кто решает задачи контрольно-измерительного характера и разрабатывает схемы управления и автоматизации. Малейшее изменение сопротивления в одной из ветвей приводит к изменению тока через мостик, и это изменение фиксируется. Вместо гальванометра в диагональ моста можно включить амперметр или вольтметр, в зависимости от конкретной схемы и цели исследования.

Вообще, с помощью моста Уитстона можно измерять самые разные величины: упругую деформацию, освещенность, влажность, теплоемкость и т. д., достаточно лишь вместо измеряемого резистора включить в схему соответствующий датчик, чувствительный элемент которого будет способен изменять свое сопротивление в соответствии с изменением измеряемой величины, пусть даже не электрической. Как правило, мост Уитстона подключается в таких случаях через АЦП, а дальнейшая обработка сигнала, отображение информации на дисплее, действия с опорой на получаемые данные — все это остается делом техники.

Принцип работы моста уитстона

Электрический ток. Сила тока. Плотность тока

Непрерывное направленное движение электрических зарядов называют электрическим током.

Ток может течь в твердых телах, жидкостях и газах. Если среда является проводником с большим количеством свободных электронов, то течение электрического тока осуществляется за счет дрейфа этих электронов. Дрейф электронов в проводниках, не связанный с перемещением вещества, называют током проводимости.

Различают ток проводимости и конвекционный ток. Количественной характеристикой электрического тока являются сила тока I и плотность j .

Сила тока — скалярная величина, равная отношению количества электричества dq, которое за время dt, переносится через данное сечение проводника, к времени dt :

.(1)

Постоянным называют электрический ток, сила и направление которого с течением времени не изменяются. Для постоянного тока

.(2)

Плотность тока — векторная физическая величина, модуль которой равен отношению силы тока I к площади поперечного сечения проводника S :

.(3)

Вектор j направлен вдоль направления тока, т. е. совпадает с направлением упорядоченного движения положительных зарядов.

Закон Ома. Сопротивление проводников.

Для того чтобы в проводнике все время шел ток, необходимо поддерживать в нем постоянное электрическое поле, т.е. на концах проводника должна быть постоянная разность потенциалов.

Сила тока в проводнике пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению проводника (закон Ома для участка цепи):

.(4)

Сопротивление проводников зависит от материала проводника, т. е. строения его кристаллической решетки. Для однородного цилиндрического проводника длиной l и площадью поперечного сечения S сопротивление определяется по формуле

.(5)

где r — удельное сопротивление проводника. Единица удельного сопротивления — омметр (Ом•м).

Величина g=1/R , обратная сопротивлению, называется проводимостью. Единица электрической проводимости — Сименс (См).

Величина g =1/ r , обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью проводника. Единица удельной электрической проводимости — (См/м).

Закон Ома можно представить в дифференциальной форме

.(6)

Выражение (6), связывающее плотность тока в любой точке внутри проводника с напряженностью электрического поля в этой же точке

Обобщённый закон Ома имеет вид

.(7)

где j 1 и j 2 – потенциалы в начальной и конечной точках участка, e – ЭДС, R – сопротивление участка, I – ток на участке цепи.

В замкнутой цепи ЭДС источника тока равна сумме падений напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи, так как при перемещении по замкнутой цепи заряд возвращается в исходное положение — в точку с тем же потенциалом. Тогда

.(8)

ЭДС, как и сила тока, — величина алгебраическая. Если ЭДС способствует движению положительных зарядов в выбранном направлении, то она считается положительной. Если ЭДС препятствует движению положительных зарядов, то она считается отрицательной. Соединение источников в батарею может быть последовательным и параллельным.

Соединение проводников. Зависимость сопротивления проводников от температуры

Проводники в электрической цепи могут соединяться последовательно (рис.1) или параллельно (рис.2).

Рис. 1. Последовательное соединение проводников

При последовательном соединении сила тока во всех частях одинакова. Общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных участках:

.

Отсюда следует, что общее сопротивление цепи, состоящей из последовательно соединенных проводников, равно сумме сопротивлений отдельных проводников:

.(9)

При параллельном соединении проводников сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов, текущих в параллельных участках:

Рис. 2. Параллельное соединение проводников

.

Падения напряжения в параллельно соединенных участках одинаковы.

Отсюда следует что, общее сопротивление R параллельно соединенных проводников цепи рассчитывается следующим образом:

.(10)

Удельное электрическое сопротивление проводника зависит не только от рода вещества, но и от его состояния. Зависимость удельного сопротивления r от температуры имеет вид:

.

где r 0 — удельное сопротивление при 0°С; t — температура (по шкале Цельсия); a — температурный коэффициент сопротивления, характеризующий относительное изменение сопротивления проводника при нагревании его на 1°С или 1K:

Температурные коэффициенты сопротивления веществ различны при разных температурах. Однако для многих металлов изменение a с температурой не очень велико. Для всех чистых металлов a» 1/273 1/К (или 1/°С).

Правила Кирхгофа

В общем случае на практике часто приходится рассчитывать сложные разветвленные электрические цепи, содержащие узлы (рис.3).

Рис. 3. Соединение проводников в узел

Узлом А в разветвленной цепи называют точку, в которой сходится не меньше трех проводников.

Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю (первое правило Кирхгофа):

.(11)

Токи, подходящие к узлу, считаются положительными, а отходящие — отрицательными.

Обобщением закона Ома является второе правило Кирхгофа, оно относится к любому замкнутому контуру разветвленной электрической цепи: в любом замкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме произведений токов на сопротивления соответствующих участков этого контура:

.(12)

где m — число участков в замкнутом контуре, n — число источников тока в этом контуре.

Если при решении уравнений сила тока получилась отрицательной, то необходимо изменить условное направление этого тока на противоположное, сохраняя найденное значение силы тока неизменным.

Мост Уитстона

Для точных измерений сопротивлений в лабораторных условиях широко применяются мосты постоянного тока. Мостовая схема изображена на (рис.4). Сопротивления R 1 , R 2 , R 3 и R 4 называются плечами моста. В диагональ ab моста включается источник постоянного напряжения, в диагональ cd – измерительный прибор (обычно гальванометр магнитоэлектрической системы).

Рис. 4. Мостовая схема

Мост называется уравновешенным, если потенциалы точек c и d равны при подключении источника питания. При этом стрелка гальванометра стоит на нуле.

Для уравновешенного моста справедливы следующие соотношения: I 1 R 1 =I 3 R 3 , I 2 R 2 =I 4 R 4 и I 1 =I 2 , I 3 =I 4 . Отсюда

.

Если R 1 =R x неизвестное сопротивление, а R 2 , R 3 , R 4 образованы магазинами сопротивлений то

.(13)

Уравновешенный мост позволяет измерять сопротивления с большой точностью.

В зависимости от конструкции различают магазинные и реохордные мосты Уитстона. В реохордных мостиках сопротивления R 3 , R 4 образованы проволокой натянутой вдоль линейки со шкалой (реохорд), вдоль проволоки может передвигаться подвижный контакт d. При перемещении контакта d, будут изменяться сопротивления плеч ad и db ( R 3 и R 4 ).

Причём

.

где L 1 и L 2 – длины плеч ad и db соответственно.

Принцип работы моста уитстона

Мост Уитстона предназначен для измерения сопротивлений методом сравнения. При этом методе не требуется измерять токи и напряжения, что обуславливает получение более точных результатов.

Принципиальная схема моста Уитстона, работающего на постоянном токе, представлена на рисунке 1.

Мост Уитстона состоит из реохорда , гальванометра и двух резисторов — с известным эталонным сопротивлением и неизвестным сопротивлением . Питание моста осуществляется источником тока с ЭДС.

Реохорд представляет собой однородный проводник в виде струны, укреплённой на панели с измерительной линейкой. Вдоль струны реохорда может перемещаться подвижной контакт , который делит сопротивление струны реохорда на части и , величины которых однозначно определяются длиной соответствующих участков струны и :

удельное сопротивление струны реохорда.
площадь поперечного сечения струны реохорда.

Гальванометром называется электроизмерительный прибор с неградуированной шкалой, имеющий высокую чувствительность к току или напряжению. В схеме моста используется гальванометр магнитоэлектрической системы с нулём на середине шкалы, что позволяет фиксировать токи противоположных направлений. Он используется в качестве нулевого прибора, предназначенного для установления отсутствия тока в ветви схемы моста.

В случае произвольного положения движка ток гальванометра . При этом токи , a ; потенциалы точек и отличаются друг от друга в ту или иную сторону: varphi_<<>_>>$ —> varphi_<<>_>>$»> или . Соотношение потенциалов и определяет направление тока гальванометра .

Очевидно, что varphi_c>varphi_<<>_>>$ —> varphi_c>varphi_<<>_>>$»> и varphi_<<>_>>>varphi_<<>_>$ —> varphi_<<>_>>>varphi_<<>_>$»>, то есть потенциалы точек и имеют промежуточное значение между потенциалами точек и . Поэтому, перемещая контакт можно обеспечить равенство потенциалов точек и , то есть . В этом случае ток, протекающий через гальванометр, будет равен нулю ( ), а мост окажется балансированным или уравновешенным. В состоянии равновесия очевидны равенства:

При этом пусть , а . На основании закона Ома для участка цепи без ЭДС, можно записать, что

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector