Что такое измерительный мост и как он работает


При помощи мультиметра мы можем измерить сопротивление, но в радиолюбительской практике требуется измерять так же, индуктивности и емкости. Очень давно для этих целей (а так же, и для измерения сопротивлений) применяются довольно своеобразные приборы - измерительные мосты.

Эти приборы настолько своеобразны, что у них даже может не быть индикатора. Представьте, - перед вами небольшой прибор с поворачивающейся рукояткой, вокруг которой нанесена шкала, есть переключатель пределов измерения, клеммы и ... гнездо для наушников.

Одеваете наушники (там слышится звук высокого тона), подключаете к клеммам, например, конденсатор емкость которого нужно измерить и поворачиваете рукоятку так, чтобы звук исчез (или стал минимальной громкости). Замечаете на каком делении шкалы рукоятки звук исчез и так, по этому делению, определяете емкость.

Что такое измерительный мост

А теперь разберемся, - что же такое измерительный мост? Начнем с моста постоянного тока (такими можно измерять сопротивления) - рис. 1. Есть четыре резистора включенных очень похоже на то, как включены диоды в мостовом выпрямителе. На одну диагональ моста подается постоянное напряжение а в другую включен стрелочный вольтметр Р1 с нулем в центре шкалы.

Предположим, что R1=R2 (рисунок 1 А), тогда напряжение в точке соединения этих резисторов будет равно половине напряжения U. Если, при этом, R3=R4, то в точке соединения R3 и R4 будет такое же напряжение (0,5U) как и в точке соединения R1 и R2. То есть, разности потенциалов между этими двумя точками нет, и наш вольтметр показывает ноль. Такое состояние называется балансом моста.

Измерительные мосты с сопротивлениями

Рис. 1. Измерительные мосты с сопротивлениями.

Теперь предположим, что сопртивление R3 взяло и уменьшилось (рисунок 1 Б) и, следовательно, стало меньше сопротивления R4. В этом случае, напряжение в точке соединения R3 и R4 возрастет и станет больше чем напряжение в точке соединения, по прежнему одинаковых, резисторов R1 и R2. А раз так, то стрелка вольтметра отклонится в сторону положительных напряжений.

Такое состояние называется разбалансировкой моста. Теперь, чтобы этот мост сбалансировать нужно изменить сопротивление одного из резисторов, так, чтобы напряжения в точках соединений R1-R2 и R3-R4 снова стили одинаковыми. Это можно сделать уменьшив сопротивление или уменьшив сопротивление R4 или увеличив сопротивление R2.

На рисунке 1В показан случай, когда R3 не уменьшилось, а увеличилось, что, само собой, привело к уменьшению напряжения в точке соединения R3-R4 по сравнению с напряжением в точке соединения R1-R2 (R1=R2). Стрелка вольтметра, при этом, отклонится в сторону отрицательных напряжений. А выправить балансировку моста можно будет, например, увеличив R4 или R1 или уменьшив сопротивление R2.

Напрашивается вывод, - условием баланса моста является выполнение соотношения : R1/R2 = R3/R4.

Практические схемы

Практическая схема моста для измерения сопротивления показана на рисунке 2. Сопротивление RХ - это то сопротивление, которое нужно измерить, пределы измерения зависят от сопротивления R2, а органом и шкалой измерителя служит переменный резистор R1. Задача состоит в том, чтобы подключив RХ установить R1 в такое положение, при котором напряжение на его движке будет равно напряжению в точке соединения RХ и R2. Каждому сопротивлению RХ будет соответствовать строго определенное положение R1, при котором достигается баланс моста.

В качестве индикатора баланса моста совсем не обязательно использовать стрелочный вольтметр или мультиметр, -это может быть любой индикатор того, что напряжение на нем отлично от нуля, то есть, даже малогабаритная лампочка или компаратор со светодиодом на выходе.

Иземрительный мост с переменным резистором

Рис. 2. Иземрительный мост с переменным резистором.

Измерительные мосты для измерения емкости и индуктивности

Рис. 3. Измерительные мосты для измерения емкости и индуктивности.

На рисунках 1 и 2 приводятся схемы моста постоянного тока. Такой мост годится только для измерения сопротивлений.

Но, нам нужен измеритель емкостей и индуктивностей. Во многих приборах (и мосты не являются исключением) эти физические величины определяют по величине реактивного сопротивления. Ведь, чем больше емкость конденсатора тем ниже его реактивное сопротивление, а чем больше индуктивность катушки тем больше её реактивное сопротивление (это известно из школьного курса физики).

Поэтому, если реактивное сопротивление катушки или конденсатора проявляется только на переменном токе, то активное сопротивление обычного резистора имеет силу как на постоянном токе, так и на переменном.

Значит нам нужен такой же мост, но питающийся переменным током, а если частота этого переменного тока лежит в зоне восприятия ухом человека, то можно в качестве индикатора баланса моста использовать любой электроакустический преобразователь, например, динамик или головные телефоны (наушники). Когда мост разбалансирован на динамике будет значительное переменное напряжение и он будет издавать звук. По мере приближения к точке баланса громкость звука будет уменьшаться и, в точке баланса, затихнет совсем.

На рисунках 3А и 3Б приводятся схемы мостов переменного тока для измерения емкости и индуктивности. Фактически эти мосты измеряют емкостное и индуктивное реактивные сопротивления и по ним определяют величины емкости и индуктивности.

Следует заметить, что на точность таких мостовых измерителей оказывают некоторое влияние активные составляющие сопротивлений катушки или конденсатора (сопротивления медного провода, которым намотана катушка, сопротивление выводов, обкладок конденсатора, его утечка тока).

Схема мостового измерителя

Принципиальная схема реального мостового измерителя емкости и индуктивности, который вам предлагается сегодня сделать, показана на рисунке 4. Вы, наверное уже догадались, что этот прибор будет работать от низкочастотного генератора и лабораторного источника сигнала, которые мы с вами уже сделали ранее.

При помощи моста можно измерять емкости от десятков пФ до единиц мкФ и индуктивности от десятков мкГн до единиц мГн.

В качестве индикатора баланса используются обычные головные телефоны, например, от аудиоплейера, которые подключаются в гнездо Х5. Обратите внимание -общий вывод гнезда никуда не припаян, а к схеме подключены выводы стереоканалов наушников. Это позволяет увеличить сопротивление телефонов потому, что обе звуковые катушки так будут включены последовательно.

На разъем Х2 подаются прямоугольные импульсы с выхода нашего генератора, при этом S4 генератора должен быть в противоположном, показанному на схеме положении (см. "РК-12-2004, стр.36-38).

Принципиальная схема мостового измерителя емкости и индуктивности

Рис. 4. Принципиальная схема мостового измерителя емкости и индуктивности.

Транзисторный ключ на VT1 (рис.4) защищает выход микросхемы генератора от перегрузки, которая может возникнуть в процессе работы с мостом. Переключателями S1-S5 выбирают пределы измерения и то, что нужно измерять (индуктивность или емкость). При измерении индуктивности измеряемые катушки нужно подключать к клеммам Х3, а измеряя емкость - измеряемые конденсаторы подключать к Х4.

Если вернуться к схемам, приведенным на рисунках ЗА и ЗБ, то, конденсаторы С1, С2 и С3 (рис. 4) это конденсатор С1 (рис.З А), а измеряемый конденсатор - это С2 (рис.ЗА). Индуктивности L1 и L2 показанные на схеме на рисунке 4, - это индуктивность L2 в схеме на рисунке ЗБ, а измеряемая индуктивность - это L1 на рисунке З Б.

Органом измерения и, одновременно, индикатором результата измерения служит переменный резистор R1. Его рукоятка имеет стрелку, а вокруг нее нанесена на корпусе прибора шкапа (таким же способом как шкала настройки генератора НЧ).

На разъем Х1 подается напряжение от лабораторного источника питания. При измерении емкостей величина этого напряжения должна быть установлена 10-12V, а при измерении индуктивностей - 4-5V. Индуктивность и емкость можно отсчитывать по одной и той же шкале. Это важно, поскольку для градуировки измерителя емкости можно приобрети достаточное количество конденсаторов разных емкостей, а с приобретением такого же количества разных катушек могут возникнуть проблемы. Поэтому, градуировав прибор на измерение емкости можно им пользоваться и для измерения индуктивности.

На генераторе установите частоту около 1000 Гц. С такой частотой в дальнейшем и будет работать мост. Конденсаторы С1, С2 и С3 нужно выбрать с наименьшей погрешностью емкости. Если есть такая возможность лучше их емкости предварительно проверить при помощи какого-то точного прибора, измеряющего емкости. В качестве L2 и L1 лучше использовать готовые дроссели (на 100 мкГн и на 1 мГн).

Прибор можно собрать в любом подходящем по размерам корпусе, например, в пластмассовой мыльнице. В качестве переключателей S1-S4 можно использовать такие же как в генераторе НЧ, но не три, а пять модулей или простые тумблеры. Можно всех их заменить одним поворотным переключателем на пять положений.

Работая с прибором нужно помнить, что только один из S1-S5 может быть замкнутым, при этом все остальные разомкнуты.Шкала одна и та же для всех пределов и видов измерения. Поэтому, её можно отградуировать на одном пределе, например, "х0,01 мкФ". В этом случае, подготовьте эталонные конденсаторы, например, на 1000 пф, 1500 пф, 3000 пФ, 5000 пф, 7500 пФ, 0,01 мкФ, 0,015 мкФ, 0,02 мкФ, 0,05 мкФ, 0,1 мкФ.

Проводя контрольные измерения этих эталонных конденсаторов, при замкнутом S2, делайте на шкале метки : 1000 пФ -"0,1", 1500пФ - ”0,15", 3000 пФ - ”0,3", 5000 пФ - "0,5", 7500 пФ - "0,75", 0,01 мкФ - "1", 0,015 мкФ - "1,5", 0,02 мкФ - "2", 0,05 мкФ -"5", 0,1 мкФ - "10".

Метку нужно делать в том месте шкалы, при повороте рукоятки переменного резистора в которое, при подключенном эталонном конденсаторе, звук в наушниках пропадает.

Рк2005, 1.


0 6309 Схемотехника
измерительный мост измерения
Оставить комментарий:

cashback