Мост постоянного тока

Измерительные преобразователи обычно подключаются к системам автоматического контроля с помощью мостовых схем. Промышленность серийно выпускает широкую номенклатуру приборов в виде мостов и компенсаторов.

Мост постоянного тока (измерительный мост)

Электрическая схема для измерения сопротивления.

Одинарные мосты постоянного тока

Наиболее простой реализацией метода сравнения является одинарный мост постоянного тока для измерения сопротивлений (мостик Уитстона). Принципиальная схема мостика постоянного тока представлена на рисунке 1 и состоит из четырех резисторов $r_0$, $r_1$, $r_2$ и $r_x$ (плечи мостика), которые образуют четырехполюсник с двумя парами зажимов. Точки соединения резисторов называются вершинами мостика. На зажимы С и D подается питание от источника E (так называемая диагональ питания). Зажимы А и В являются исходными, к ним подсоединяют измеряемый прибор, а диагональ моста АВ называется измерительной или индикаторной. В плечо моста АD включен магазин сопротивлений $r_0$, в DB измерительное сопротивление $r_x$.

Изменяя величину сопротивления переменного резистора $r_0$ (рис. 1, а) или соотношение между сопротивлениями резисторов (рис. 1, б), добиваются того, чтобы в цепи гальванометра ток $I_3$ отсутствовал.

Рис. 1. Схема одинарного моста постоянного тока для измерения сопротивлений.

Это означает, что потенциалы вершин А и В ($φA$ и $φB$) равны. Если напряжение на клеммах источника $U$, то сила тока в верхних и нижних витках соответственно равна, и преобразуя неравенство $φA= φB$ мы получаем пропорцию:

$\frac{{{r}_{2}}}{{{r}_{1}}}=\frac{{{r}_{x}}}{{{r}_{0}}}$

Уравновешивание моста

Очевидно, что уравновесить мост, то есть выполнить условие пропорции сопротивлений, можно двумя способами: изменяя отношение $r_2$ / $r_1$, или при неизменных $r_1$ и $r_2$ регулировать значение сопротивления резистора $r_0$, который в данной схеме играет роль меры.
В первом случае резисторы $r_1$ и $r_2$ являются частями переменного резистора – реохорда, включенного между точками А и В. Подвижный контакт реохорда определяет точку С.

При перемещении ползунка меняется отношение $r_2$ / $r_1$, что позволяет уравновесить мост.

Сопротивления $r_1$ и r$_2$ при этом пропорциональны соответствующим длинам $l_1$ и $l_2$ частей реохорда, поэтому условие равновесия можно переписать в виде:

${{r}_{x}}={{r}_{0}}\frac{{{l}_{2}}}{{{l}_{1}}}$

В более точных приборах резистор $r_0$ изготовлен в виде высокоточного магазина сопротивлений с несколькими (5-6) декадами и размещен в одном корпусе с резисторами $r_1$ и $r_2$, соотношение сопротивлений которых можно менять специальным переключателем. В этот корпус могут быть встроены гальванометр и источник тока или, кроме клемм для подключения $r_x$ еще клеммы для подключения внешнего гальванометра и внешнего источника питания. После установки нужного соотношения плеч уравновешивания такого мостика осуществляется уже не плавно изменением $r_1$ и $r_2$, а подбором $r_0$ с помощью декад магазина сопротивлений.

Автоматический мост постоянного тока

В автоматических мостиках (рис. 2) операцию уравновешивания осуществляет специальный реверсивный (изменяющий направление вращения при изменении знака напряжения, которое на него подается) электродвигатель 2.

С диагоналей моста через усилитель 1 на двигатель подается напряжение того или иного знака, в результате чего двигатель передвигает в ту или иную сторону ползунок 3 реохорда $r_0$ до тех пор, пока мостик не уравновесится, то есть на вход усилителя не перестанет поступать сигнал дисбаланса.

Автоматический мостик можно сделать одновременно регистрирующим прибором, то есть способным непрерывно записывать значения сопротивлений, которые меняются со временем. Для этого достаточно механически (как правило тросиком) связать двигатель не только с ползунком реохорда, но и с кареткой, которая перемещается вдоль стержня. На каретке крепится перо, под которым равномерно перемещается бумажная лента 5. В ходе измерения на ленте строится график зависимости величины rx от времени.

Рис. 2. Схема автоматического самописного мостика постоянного тока.

Рассмотренные выше схемы являются реализацией нулевого метода сопоставления и носят название уравновешенных мостиков, поскольку в измерительной диагонали моста ток равен нулю, а потенциалы на зажимах измерительного прибора одинаковы (уравновешенные).

Вы можете заказать написание статьи по физике для публикации на Студворк!

Тест по теме «Мост постоянного тока»