4.2.2 Мосты для измерения индуктивности.

Для измерения индуктивности L_Х с активным сопротивлением r_Х применяют мост переменного тока, схема которого приведена ниже.

Рисунок 4.8 – Схема моста для измерения индуктивности.

Из условия равновесия моста получаем:

С помощью такого моста (в общем – то обычного) можно измерить и взаимную индуктивность М двух катушек, имеющих индуктивности L₁ и L₂. Для этого выполняют измерение общей индуктивности системы катушек при их согласованном и встречном включении.

- согласованное включение, - встречное включение,

Могут быть использованы мосты, у которых измеряемая индуктивность сравнивается с образцовой емкостью.

5. Компенсаторы.

Для измерений э.д.с. и напряжений постоянного и переменного тока применяются компенсаторы. Они применяются также для измерения и других ФВ при использовании измерительных преобразователей и косвенного вида измерений. Общее достоинство компенсаторов: а) высокая чувствительность; б)  высокая точность (обусловлена нулевым собственным потреблением энергии от объекта измерения в момент компенсации).

5.1 Компенсаторы постоянного тока.

Схема компенсатора постоянного тока приведена ниже.

Рисунок 5.1 – Схема компенсатора постоянного тока.

Е_Н – нормальный элемент (э.д.с. известна с высокой точностью);

Е_Х – измеряемая э.д.с.;

В – переключатель;

НИ – нуль индикатор (обычно магнитоэлектрический гальванометр);

R_N – образцовый резистор (сопротивление известно с высокой точностью);

R – резистор с точно известным регулируемым сопротивлением R_Х;

R₁ – резистор для установки рабочего тока I;

ВБ – вспомогательный источник тока.

Методика измерений Е_Х.

1-й этап – установка рабочего тока. Переключатель «В» в положении 1. Регулируя R₁, добиваются нулевого показания НИ. При этом э.д.с. Е_Н полностью скомпенсирована падением напряжения на R_N:

- определение рабочего тока.

2-й этап. Переключатель «В» в положении 2. Перемещая подвижный контакт «А» резистора R добиваются нулевого показания НИ. Тогда где - ранее установленное на этапе 1 значение тока.

Высокая точность измерений объясняется следующим:

а) расчет э.д.с. Е_Х выполняется исходя из известных с высокой точностью параметров элементов Е_Н, R_N, R_Х.

б) в момент компенсации ни через Е_Н, ни через Е_Х ток не протекает (как не протекает он и через соединительные провода); значит э.д.с. Е_Х в процессе измерений не искажается.

Для измерения тока с помощью компенсатора в цепь измеряемого тока включают небольшое точно известное сопротивление (R₀) и измеряют падение напряжения на нем.

Рисунок 5.2 – Схема измерения тока с помощью компенсатора.

5.2 Компенсаторы переменного тока.

Компенсаторы переменного тока уступают по точности компенсаторам постоянного тока. Это объясняется отсутствием меры э.д.с. переменного тока, аналогичной по точности нормальному элементу. Принцип действия компенсаторов переменного тока заключается в уравновешивании измеряемой э.д.с. (или напряжения) известным напряжением. Для уравновешивания 2-х напряжений переменного тока необходимо:

- равенство этих напряжений по модулю;

- противоположность по фазе;

- равенство частоты;

- идентичность формы кривых.

Компенсаторы переменного тока измеряют величину (модуль) и фазу э.д.с. (напряжения). С их помощью косвенно можно измерить ток, сопротивление и другие ФВ. В качестве нуль – индикаторов в этих компенсаторах применяют вибрационные гальванометры, электронно – лучевые осциллографы, усилители с выпрямительными приборами на выходе.

Различают два типа компенсаторов переменного тока:

- измеряющие э.д.с. в полярной системе координат (модуль и фазу);

- измеряющие э.д.с. в прямоугольной системе координат (ортогональные составляющие).

5.2.1 Компенсаторы полярно – координатные.

Рисунок 5.3 – Схема компенсатора полярно – координатного.

Измеряемая э.д.с. подключается к зажимам «Е_Х». Э.д.с. определяется по положению подвижных контактов калиброванной проволоки (ПК₁) и магазина сопротивлений (ПК₂). Фаза напряжения на рабочем участке цепи регулируется с помощью фазорегулятора ФР, по шкале которого осуществляется отсчет фазового угла. Благодаря регулировкам, выполняемым ПК₁ , ПК₂ и ФР, удается добиться практически полного отсутствия тока в НИ. Необходимое значение рабочего тока устанавливается с помощью реостата R по электродинамическому амперметру А.

5.2.2 Компенсаторы прямоугольно – координатные.

Имеют две рабочие цепи, в которых угол фазового сдвига рабочих токов друг относительно друга составляет 90^о. Измеряемая э.д.с. (или напряжение) уравновешивается напряжением, составляющие которого представляют собой падения напряжений, формирующиеся на участках 2-х рабочих цепей компенсатора. Угол фазового сдвига этих составляющих равен 90^о. Схема компаратора приведена на рисунке ниже.

Рисунок 5.4 – Схема компенсатора прямоугольно – координатного.

Компенсатор имеет две рабочие цепи А и Б. Цепь А состоит из калиброванной проволоки «аб», первичной обмотки w₁ воздушного трансформатора ТР (без стали), амперметра А и регулируемого резистора R. Ток І₁ этой цепи создает на калиброванной проволоке падение напряжения U_аб. Ток І₁ устанавливают заданного уровня, поэтому падение напряжения U_аб определяется сопротивлением R_аб калиброванной проволоки «аб», шкала которой градуируется в единицах напряжения.

Рабочая цепь Б состоит из калиброванной проволоки «вг», вторичной обмотки w₂ воздушного трансформатора ТР и магазина сопротивлений R_f. Ток І₂ , протекающий в этой цепи, отстает от тока І₁ на угол 90^о . Это объясняется незначительным индуктивным сопротивлением вторичной цепи воздушного трансформатора ТР. Падение напряжения U_вг на участке калиброванной проволоки «вг», создаваемое током І₂ при постоянном значении тока І₁ и частоты f, постоянно. Шкалу калиброванной проволоки «вг» также градуируют в единицах напряжения. Т.к. сопротивления калиброванных проволок чисто активное, то падения напряжений U_аб и U_вг совпадают по фазе со своими токами и сдвинуты относительно друг друга на угол 90^о. Ток І₂ в цепи Б компенсатора определяется следующим образом:

где: f – рабочая частота компенсатора;

М – взаимная индуктивность обмоток воздушного трансформатора ТР;

R₂ – полное активное сопротивление рабочей цепи Б.

Из приведенного выражения следует, что ток І₂ изменяется при изменении частоты f, приводит к изменению градуировки шкалы калиброванной проволоки «вг». Во избежание этого надо изменять сопротивление R₂ так, чтобы значение тока оставалось неизменным на всех частотах в пределах заданных значений. Для этого в цепь Б включен магазин сопротивлений R_f, значение сопротивления которого выбирается в зависимости от частоты источника питания.

Главная входная цепь компенсатора состоит из источника измеряемой э.д.с. Е_Х, нуль – индикатора НИ, участков калиброванных проволок „ПК₁ – 0” и „ПК₂ – 0”. При отсутствии тока в нуль – индикаторе НИ геометрическая сумма падений напряжений, сформированных на этих участках калиброванных проволок, равна по модулю э.д.с. Е_Х, но сдвинута по фазе на угол 180^о (см. рисунок ниже).

Рисунок 5.5 – К пояснению принципа работы компенсатора

прямоугольно – координатного.

Фазу и модуль э.д.с. Е_Х можно определить по составляющим, пользуясь следующими выражениями:

При совпадении по фазе рабочего тока контура А и напряжения питания Е компенсатора (что достижимо при малом значении индуктивного сопротивления цепи А) угол φ, как и в полярно – координатных компенсаторах, представляет собой сдвиг измеряемой э.д.с. Е_Х относительно напряжения питания Е.

5.3 Автоматические мосты и компенсаторы.

5.3.1 Автоматические мосты.

Мосты с автоматизированным процессом уравновешивания называются автоматическими мостами. Они широко применяются для измерения и регистрации температуры различных объектов. В качестве измерительных преобразователей температуры в этих мостах используются терморезисторы. Автоматические мосты с дополнительным регистрирующим устройством применяют и для автоматического управления различными производственными процессами. Ниже приведена схема автоматического моста для измерения сопротивления R_Х.

Рисунок 5.6 – Схема моста с автоматическим уравновешиванием.

Мост питается от источника U. Если мост уравновешен, то напряжение U_бг = 0 и ротор реверсивного двигателя РД неподвижен. При изменении измеряемого сопротивления R_Х в диагонали «бг» моста появится напряжение, значение которого зависит от R_Х . Это напряжение усиливается усилителем У и подается на двигатель РД, который передвигает подвижный контакт переменного резистора R₁ в сторону достижения равновесия моста. Одновременно двигатель поворачивает стрелку указателя или перемещает перо самописца, регистрирующего на диаграмме значение R_Х. Ротор двигателя вращается до достижения равновесия моста. Если автоматический мост предназначен для управления, то тем же двигателем приводится в действие регулирующее устройство (заслонка, задвижка и т.п.).

Автоматические мосты переменного тока должны иметь два регулирующих элемента (двигателя, усилителя), которые обеспечивают равновесие моста по модулю и фазе.