14.6.1.2 Неуравновешенные мосты

Неуравновешенные мосты не требуют уравновешивания тока, проходящего в его измерительной диагонали. Значение этого тока является мерой подсоединенного к мосту измеряемого сопротивления. Это основное преимущество неуравновешенных мостов.

Неуравновешенные мосты относительно редко используются для измерения температуры. Они широко применяются в различных газоанализаторах, где в качестве чувствительного элемента используются нагреваемые электрическим током металлические или чаще полупроводниковые резисторы. В неуравновешенном мосте (рисунок 14.147) сопротивления трех плеч R₁, R₂, R₃—постоянны, R_б — реостат в диагонали питания, П — переключатель, с помощью которого к четвертому плечу моста подключается измеряемое сопротивление R_t (положение И) или контрольное сопротивление R_K (положение К). Значение тока I_Д, проходящего через миллиамперметр тА, определяется выражением (14.101) /8/

(14.101)

где М=f(R₁, R₂, R₃, R_t).

Несмотря на то что М зависит также от изменяющегося сопротивления R_t , при малых изменениях его значение М можно считать постоянным. Тогда из (14.100) следует, что если напряжение в диагонали аb питания моста U_ab постоянно, то ток в измерительной диагонали сd. линейно зависит от R_t.Для контроля постоянства значения U_ab переключатель из положения И время от времени устанавливают в положение К. Если значение напряжения U_ab равно значению, принятому при градуировке прибора, то в положении К значение тока I_Д должно быть вполне определенным и стрелка миллиамперметра должна устанавливаться на контрольном значении шкалы, отмеченном цветной линией. В противном случае указанное достигается путем изменения сопротивления реостата R_б. В последнее время применение стабилизированных источников питания (ИПС) вместо батарей постоянного тока исключает необходимость контрольных процедур проверки постоянства напряжения питания моста. Если в качестве измеряемого сопротивления R_T используются не полупроводниковые резисторы, то с целью исключения погрешности от влияния изменения сопротивления соединительных проводов при изменении их температуры пририменяют трехпроводную схему соединения R_t с мостом. Для этого точку b диагонали питания аb смещают до термопреобразователя сопротивления.

Рисунок 14.147 - Схема неуравновешенного моста

Рисунок 14.148 - Схема магнитоэлектрического логометра

В приборах автоматического аналитического контроля часто бывает необходимо получить информацию о разности двух сопротивлений R_t1 и R_t2. Для этого указанные сопротивления включают в прилегающие плечи неуравновешенного моста, сигнал которого в данном случае представится в виде , где k—коэффициент преобразования.

Логометры

Логометры магнитоэлектрической системы используются в комплекте с термопреобразователями сопротивления для измере­ния температуры. Логометр со скрещенными рамками (рисунок 14.148) состоит из двух жестко закрепленных между собой рамок 1 и 2, изготовленных из медных изолированных проволок сопротивлением r₁ и r₂. На общей оси рамок насажена стрелка прибора 8. В кольцевом воздушном зазоре между цилиндрическим сердечником из мягкой стали 4 и полюсными наконечниками вращаются активные стороны рамки. В отличие от милливольтметра воздушный зазор между сердечником и полюсными наконечниками неравномерен и потому магнитное поле здесь распределяется неравномерно. Так, воздушный зазор на оси х—х минимален и увеличивается по обе стороны от этой оси. В соответствии с этим магнитная индукция в центре максимальна и уменьшается примерно по квадратичному закону по мере удаления от центра к краям полюсных наконечников. Таким образом, магнитная индукция В, пронизывающая активные стороны рамок, является функцией угла поворота рамок , т. е. . Токи I₁ и I₂, проходящие соответственно в рамках 1 и 2, направлены так, что возникающие в них моменты М₁ и М₂ направлены навстречу друг другу. Значение каждого из моментов может быть выражено зависимостями и , где с—постоянный коэффициент, зависящий от геометрии рамок; В₁ и В₂—магнитная индукция, пронизывающая рамки 1 и 2 соответственно.

Отличием логометра от милливольтметра является то, что здесь нет противодействующих повороту рамок пружин, а уравновешивание момента, действующего в одной из рамок, происходит за счет момента другой рамки. С целью исключения погрешности измерения токоподводы рамок выполняют безмоментным, например из тонкой золотой ленты, или маломоментными — из бронзовой проволоки малого диаметра.

Рассмотрим работу логометра. Пусть, например, при измене­нии сопротивления R_t увеличится ток I₁, что приведет к увеличению момента М₁, который начнет поворачивать подвижную систему против движения часовой стрелки. При этом окажется, что активные стороны рамки 1 будут перемещаться из поля большей магнитной напряженности в поля с меньшей напряженностью. Активные же стороны рамки 2, наоборот, из поля с меньшей магнитной напряженностью в поле с большей напряженностью. В процессе этого перемещения момент М₁ будет уменьшаться, а М₂ расти вследствие уменьшения В₁ и роста В₂. При некотором угле поворота подвижной системы наступит состояние равновесия: или откуда получим выражения (14.102) или (14.103) /8/

, (14.102)

(14.103)

Из (14.103) следует, что угол поворота подвижной системы , или показание логометра, определяется отношением (по-гречески логус) двух токов, что объясняет название прибора — логометр.

Выражая каждый из токов I₁ и I₂ через напряжение питания контуров U и соответствующие сопротивления, имеем выражение (14.104) /8/

(14.104)

В уравнении (14.104) величины r₁, R₁, r₂, R₂ — постоянные, поэтому , т. е. в рассматриваемом случае логометр измеряет сопротивление R_t. В виду того что логометр непосредственно измеряет отношение двух токов, генерируемых от одного источника, изменение напряжения его в определенных пределах не влияет на показания прибора. Это его преимущество. Так как рамки 1 и 2 выполнены из меди, то при изменении температуры окружающей среды сопротивления рамок изменяются, что отражается на показаниях прибора. Для уменьшения влияния температуры последовательно с сопротивлениями r₁ и r₂ рамок включаются добавочные резисторы с сопротивлениями R₁ и R₂ выполненные из манганина. Значения этих сопротивлений много больше, чем r₁ и r₂. Однако при этом условии вследствие уменьшения токов уменьшается чувствительность логометра. Для увеличения чувствительности логометра и одновременно уменьшения температурного коэффициента прибора используют схему симметричного неравновесного моста, в диагональ которого включаются рамки логометра (рисунок 14.149). Здесь сопротивления резисторов симметричных плеч попарно равны, т. е. R₁ =R₂ и R₃ =R_t при значении R_t,, соответствующем середине диапазона измерения по шкале; R₅ — сопротивление для изменения пределов измерения; R₄ — медное сопротивление для температурной компенсации; R_Э и R_Y—соответственно эквивалентное и уравнительное сопротивления, служащие для подгонки сопротивления соединительной линии. Приведенная схема позволяет для логометров класса точности 1,5 иметь дополнительную погрешность не более ±0,75 % от значения диапазона измерения на каждые 10 °С изменения температуры окружающей среды в пределах от 5 до 50 ^оС. Подключение измеряемого сопротивления R_t к логометру можно осуществлять как по двухпроводной, так и при необходимости по трехпроводной схеме.

Рисунок 14.149 - Схема логометра, включённого в мостовую схему

Логометры бывают показывающими, самопишущими, многотомными и, кроме того, могут иметь встроенные устройства для сигнализации и регулирования. Классы точности промышленных логометров: 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5.