Мостовая измерительная схема: Принцип работы мостовой схемы

alexxlabСхем

Содержание

Принцип работы мостовой схемы

Работаем в обычном режиме! Оформляйте заказы через «Корзину» на сайте!

Корзина: Пусто

if ($_SERVER[‘PHP_SELF’] !== «/configurator/») { // сворачиваем на странице конфигуратора ?>

} ?>

  1. Как применяют измерительные мосты

Принцип работы мостовой схемы измерения продемонстрирован на рисунке 1, а способ ее применения на практике — на рисунке 2.

Рис. 1.

Сопротивление R1 вычисляется исходя из полученного при балансировке измерительно моста соотношения R4/R3, в качестве R2 используется резистор с известным значением. Конечно, сказанное дает только самое общее представление об измерительной схеме моста. На самом деле он устроен гораздо сложнее — современные мосты создаются на основе цифровых процессоров. Микропроцессорное ядро позволяет автоматизировать процедуру измерения (в первых моделях оператор должен был пользоваться калькулятором, сегодня же все расчеты выполняются аппаратурой), обеспечить многофункциональность устройства (многие мосты интегрированы с другими измерительными приборами — мультиметрами, рефлектометрами и т. п.), устранить помехи (посторонние постоянные и переменные напряжения почти всегда присутствуют на жилах кабелей), организовать дальнейшую обработку накопленных результатов измерений (хранение, обмен с компьютером, печать протоколов) и др.

Рис. 2.

Рассмотренный выше мост, используемый для измерения сопротивления, носит имя Уитстона (Wheatstone). Для подключения измеряемых цепей в нем применяются всего две клеммы (B и C). Более сложные схемы реализованы в двух других мостах — Муррея (Murray) и Купфмюллера (Kupfmuller) (рис.3). Здесь измеряемые цепи подключаются с помощью трех клемм (A, B и C). В более сложных схемах Хилборна/Графа (Hilborn/Graf) задействуются четыре клеммы (A, B, B’ и C). Смысл увеличения числа точек подключения станет понятен при рассмотрении схем измерения с применением мостов.

Рис. 3.

Еще один момент. Все упомянутые мостовые схемы используются для измерений при постоянном токе (определяются величины активных сопротивлений, подключенных к клеммам). Кроме того, мостовые схемы Уитстона и Муррея используются для измерений при переменном токе — определяются величины емкостей, подключенных к клеммам (рис. 4). В таких мостах источником напряжения служит генератор синусоидального напряжения.

Рис. 4.

  • Методики измерений с помощью мостовых приборов
  • Полезные советы
  • Сравнительная таблица измерительных мостов

 

Подпишитесь на рассылку новых материалов!

Имя

E-mail *

Согласие на отправку персональных данных *


* — Обязательное для заполнения

 

Выберите направление, по которому Вы хотите переговорить:

Метрология и стандартизация

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

  • Реферат

    Метрология и стандартизация

    От 250 руб

  • Контрольная работа

    Метрология и стандартизация

    От 250 руб

  • Курсовая работа

    Метрология и стандартизация

    От 700 руб

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Узнать стоимость

Метроло́гия — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов с заданной точностью и достоверностью; нормативная база для этого — метрологические стандарты.

Метрология состоит из трёх основных разделов:

  • Теоретическая или фундаментальная — рассматривает общие теоретические проблемы (разработка теории и проблем измерений физических величин, их единиц, методов измерений).
  • Прикладная — изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии. В её ведении находятся все вопросы метрологического обеспечения.
  • Законодательная — устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений.

Стандартиза́ция — деятельность по разработке, опубликованию и применению стандартов, по установлению норм, правил и характеристик в целях обеспечения безопасности продукции, работ и услуг для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества, технической и информационной совместимости, взаимозаменяемости и качества продукции, работ и услуг в соответствии с уровнем развития науки, техники и технологии, единства измерений, экономии всех видов ресурсов, безопасности хозяйственных объектов с учётом риска возникновения природных и техногенных катастроф и других чрезвычайных ситуаций, обороноспособности и мобилизационной готовности страны.

Стандартизация направлена на достижение оптимальной степени упорядочения в определенной области посредством установления положений для всеобщего и многократного применения в отношении реально существующих или потенциальных задач.

За реализацию норм стандартизации отвечают органы стандартизации, наделенные законным правом руководить разработкой и утверждать нормативные документы и другие правила, придавая им статус стандартов.

В области промышленности стандартизация ведет к снижению себестоимости продукции, поскольку:

  • позволяет экономить время и средства за счет применения уже разработанных типовых ситуаций и объектов;
  • повышает надежность изделия или результатов расчетов, поскольку применяемые технические решения уже неоднократно проверены на практике;
  • упрощает ремонт и обслуживание изделий, так как стандартные узлы и детали — взаимозаменяемые (при условии, что сборка осуществлялась без пригоночных операций).

На нашем сайте предоставлены учебные материалы для студентов, по метрологии и стандартизации. Суммарно около

Внимание!

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.

Расчет стоимостиГарантииОтзывы

an117: Основные схемы моста

Преамбула

Мостовые схемы используются уже более 150 лет. На сегодняшний день мост по-прежнему остается самой экономичной трассой. метод точного измерения сопротивления. Исходная топология мостовой схемы имела много уникальных модификаций и был применен к таким приложениям, как Измерения переменного тока, автоматическая балансировка, генераторы и усилители. Пожалуй, самое известное приложение для Самуэля. Схема Хантера Кристи представляет собой мостовой тензодатчик для измерения типа деформации в механических узлах и строительные конструкции.

В данном примечании по применению основное внимание уделяется некоторым тонкости возбуждения по мостовой схеме и связанные с этим производительность. Анализ всех многочисленных топологий мостов которые компенсируют небольшие эффекты второго порядка, выходят за рамки сфера применения данного указания по применению. Читатели, заинтересованные в подробные сведения о сложных топологиях мостов и приложения для тензодатчиков должны исследовать Интернет, который содержит тысячи сайтов, посвященных таким деталям. В Кроме того, читателям рекомендуется изучить полная линейка модулей формирования сигнала (SCM) посвященный приложениям тензометрического моста, ссылка 1.

Основные схемы моста

В следующих примерах основное внимание уделяется только типу, показанному на рисунке 1. топологии мостовой схемы с одной резистивной переменной элемент. Выходные реакции, включая эффекты сопротивление линии возбуждения по напряжению и току возбуждение моста, а также линейность моста. Ошибки из-за сопротивлений плохо замкнутых контактов и коррозионным действием разнородных металлов пренебрегают. Кроме того, сопротивлениями выходных линий пренебрегают, т.к. Стандартной практикой является измерение выходного напряжения моста. с устройствами с высоким импедансом (обычно >

1 МОм).

Аналитические исследования в этом документе сосредоточены на мосте типа R-ом, что означает все мостовые резисторы равны «R» Ом, когда они не подвергаются воздействию поля переменные процесса. На рисунке 1 представлен R-омный мост. датчик поля типа со всеми мостовыми резисторами (R1, R2, R3, Rx) расположен в точке измерения поля; однако, как резистор Rx — мостовой резистивный чувствительный элемент, он варьируется с параметрами процесса, такими как температура, расход, давление, уровень, влажность, деформация и т. д. В R-ом мосту топологии, R1, R2, R3 равны R и Rx = (R+∆R) где ∆R — функция переменных процесса.

Примеры
Будут представлены две категории топологий R-омного моста. осмотрел. Мосты категории 1 определяются как мосты топологии со всеми мостовыми резисторами, расположенными в поле с одним или несколькими элементами, подвергаемыми процессу переменная; Мосты категории 2 определяются как имеющие один или больше мостовых резистивных сенсорных элементов, которые расположены в поле, доступное для переменных процесса, с остальные мостовые резисторы, расположенные в точке электрического возбуждение. Мосты с одной или двумя переменными процесса элементы часто называют четверть- и полумостами, соответственно.

Мост сопротивления сопротивления категории 1 с возбуждением по напряжению
Этот пример основан на рис. 1, где возбуждение источником является напряжение V12. Фактическое возбуждение моста напряжение, Vxy, непостоянно из-за падений напряжения в сопротивление линии возбуждения. Выходное напряжение моста Vвых = (Ва-Вб) = Ваб. Если Vab всегда измеряется устройство с высоким импедансом (обычно> 1 МОм), затем чувствительная линия сопротивлениями можно пренебречь и Vab = Va’b’. Как пример эффектов сопротивления линии считывания, предположим сопротивление линии 10 Ом, вольтметр с входом 1 МОм импеданс и мост 120 Ом. Вольтметр загружается клеммы a’-b’ составляет примерно 0,99988, тогда как нагрузка на клеммы а-б составляет примерно 0,99987 или а разница -0,001%.

Уравнение 1 иллюстрирует выходное напряжение, Vout = Vab, Рисунок 1, без учета всех сопротивлений линии.

Уравнение 1 иллюстрирует классическое уравнение баланса моста, который определяет набор номиналов резисторов, который уравновешивает моста, что приводит к нулевому выходному напряжению моста, Vab = 0. Это условие возникает, когда R1*Rx = R2*R3. Обратите внимание условие баланса классического бриджа действует независимо от сопротивление линии и значение напряжения возбуждения. Ясно, что это делает мост полезной топологией схемы для баланса измерительные приложения.

Работа Кристи 1833 года показала, что если Rx является неизвестным и R2 = R1, то выход моста будет равен нулю (было легко измерить ноль в 1833 году), когда R3 настроен на равно неизвестному сопротивлению, Rx. Многие промышленные преобразователи используют мостовые схемы с одним или несколькими мостами сопротивления, которые являются функциями переменных процесса, таких как температура, расход, давление, деформация, влажность и т. д. В этих ситуации, датчики на основе мостовой топологии не могут быть удобно (или экономично) сбалансировано на поле расположение; следовательно, ненулевые выходные мостовые напряжения равны измерено. В отличие от балансовых измерений, мостовой возбуждения и сопротивления линии будут способствовать погрешности измерений.

Промышленные преобразователи с топологией мостовой схемы имеют наборы резисторов, которые уравновешивают мост при установившемся значении определяется параметрическим полем стационарного состояния вход. При изменении этих стационарных параметров мост становится несбалансированным, и выходной сигнал не равен нулю. Измерение этого несбалансированного напряжения с помощью применяемый масштабный коэффициент является прямым указанием на изменение переменная поля. Полезный диапазон этих напряжений находится в категория от микровольта до милливольта; следовательно, низкий необходимо использовать методы измерения напряжения.

Уравнение 2 представляет собой выходное напряжение резисторной мостовой схемы. топологии, показанные на рисунке 1, с возбуждением напряжением включая сопротивление линии возбуждения.

Если сопротивления линии возбуждения пренебрежимо малы, это уравнение сводится к:

На рис. 2 показана выходная характеристика 120-омного моста. топологии, показанной на рисунке 1, к изменениям в Rx. В этом имитация, возбуждение 5 В постоянного тока, Rx колеблется от 20 Ом до 220 Ом и три различных сопротивления линии возбуждения – ноль, 5 Ом и 20 Ом – используются. Сопротивление выходной линии равно пренебрегают, что является допустимой техникой, как и ранее показано.

Рисунок 2 и уравнение 2 раскрывают некоторые важные факты. о мостах 1 категории.

  1. Мостовой выход чувствителен к сопротивлению линии возбуждения и всегда будет чувствителен к напряжению возбуждения, V12.

  2. Выходное напряжение моста нелинейно для номинального изменения Rx независимо от сопротивления линии возбуждения и напряжение возбуждения.

  3. При уменьшении диапазона Rx выходное напряжение моста начинает приближаться к нулю и становится более линейный. См. кружок на рис. 2.

На рис. 2а показано, что выходное напряжение моста по-прежнему кажется, что является линейным для очень малых изменений Rx и остается чувствительным к сопротивлению линии возбуждения.

Возникает вопрос. Выходное напряжение моста топология на рис. 1 когда-либо была линейной? Чтобы ответить на это, уравнение 3 — частная производная R-омного моста Vout в Уравнение 2a относительно Rx (изменение Vout для изменение Rx) при том, что все остальные переменные считаются постоянными и отсутствие сопротивления линии возбуждения.

Ясно, что уравнение 3 является нелинейной функцией и не постоянна, что является условием, необходимым для того, чтобы Vout быть линейной функцией от Rx. Таким образом, мост типа Рисунок 1 схемы не могут иметь выходы, которые являются линейными функциями Rx. См. рис. 3.

Для диапазона Rx от 110 до 130 Ом изменения в Vout с изменениями в Rx (уравнение 3 и рисунок 3) диапазоне от -11,3 до -9,6 мВ на Ом со средним значение -10,5 мВ на Ом при балансе.

Хотя эти цифры интересны, но непрактичны использовать частные производные при расчете выходных сигналов моста. Общепринятой практикой является признание того, что мостовые схемы нелинейные выходы, на которые влияет линия возбуждения сопротивление, и принять указанный производителями переход функциональные данные и инструкции по установке их моста датчики.

Мост R-ом категории 1 с токовым возбуждением
Уже более века топологии моста с напряжением используются возбуждения. Сегодня с современным технология полупроводниковых схем, источник тока возбуждение — тоже вариант. Уравнение 4 представляет выход по току, Iexc, возбужденный резистивно-омный мост (рисунок 1) при пренебрежении сопротивлением линии выходного напряжения и отсутствии сопротивление линии возбуждения.

Уравнение 4 становится уравнением 4а, когда ток возбуждение настраивается на Iexc = (V12 / R).

Обратите внимание на сходство между уравнениями 2а и 4а.

Уравнение 5 представляет собой частную производную R-омного моста. Vout в уравнении 4a по отношению к Rx (изменение Vout для изменения Rx) со всеми другими предполагаемыми переменными постоянный.


Где V12 = R*Iexc

На рисунках 4 и 5 показано визуальное сравнение выходных данных. напряжения для R-омного моста категории 1 с обоими напряжение и ток возбуждения.

На рис. 4 показаны характеристики моста 120 Ом. схема, показанная на рисунке 1, с возбуждением от источника тока на клеммах 1 и 2, где сопротивление линии равно нулю. значение этого источника тока было выбрано равным 41,667 мА, что составляет 5 В постоянного тока / 120 Ом. Это значение тока обеспечивает Возбуждение 5 В постоянного тока на клеммах моста, когда Rx 120 Ом, условие отсутствия параметрических входов поля.

На рис. 5 показано, что поведение выхода для 120 Ом топология моста, показанная на рис. 1, с током возбуждения, в том числе с различными сопротивлениями линий нулевой, 5, и 10 Ом, не зависит от сопротивлений линии возбуждения. В этом случае изменение Vвых на изменение Rx варьируется от -10 до -10,8 мВ на Ом при среднем -10,4 мВ на Ом, что примерно так же, как для напряжение возбуждения, но явно еще не постоянное.

Сравнение категории 1 возбуждения резисторного моста
Приведенный ниже список наблюдений основан на 120-омном топология моста на рисунке 1 с напряжением 5 В постоянного тока возбуждения или тока возбуждения 41,67 мА с возбуждением включены линейные сопротивления 0, 5 и 10 Ом и Сопротивлением линии выходного напряжения пренебрегаем.

  1. Уравнения 4, 4a и рисунок 5 (черная кривая) показывают, что для токового возбуждения выхода R-омного моста топология, показанная на рисунке 1, не зависит от сопротивление линии возбуждения.

  2. На рис. 4 показано, что если пренебречь сопротивлением линии 4-проводной мостовой выход R-Ом более линеен в большой диапазон Rx для текущего возбуждения (синяя кривая) чем при возбуждении напряжением (красная кривая).

  3. Уравнение 6 и рисунок 4 (черная кривая) показывают, что мостовые выходы, как показано возбуждением по напряжению (уравнение 2а) и текущее возбуждение (уравнение 4а) по существу идентичны вблизи баланса. Почти баланс, один можно считать, что R >> Δ R. Обратите внимание, что Rx = (R + Δ R) а Iexc определяется как V12/R.

Интересное примечание : На рисунке 1 показано применение тензометрических датчиков. где изменения R1, Rx положительно равны, а изменения в R2, R3 отрицательно равны, уравнение 6 становится

Выбор возбуждения

Сопротивления линии возбуждения по-разному влияют на мост. выходные напряжения в зависимости от категории моста (категория 1 или 2) и какое возбуждение (текущее или напряжение). Рисунки 6 и 7 иллюстрируют вывод поведение R-омных мостов категории 2 с одиночным мостовой резистор, расположенный в поле, подключенном к остаток моста с двумя и тремя проводами, соответственно.

Обзор

На следующем рисунке 1 выходное напряжение моста выражения, R1 = R2 = R3 = R и Rx = (R+ΔR). Возбуждение по напряжению V12, возбуждение по току Iexc. в терминал 1. Для удобства поведенческий уравнения для моста, показанного на рисунке 1, пересматриваются здесь. Напомним, что сопротивления линии выходного напряжения равны на рисунке 1 пренебрегают и что Rx = (R + ∆R).

Рис. 1 Уравнения (4-проводная категория 1)

Напряжение возбуждения V12:

Токовое возбуждение, при Iexc = V12 / R:

Рисунок 6 Уравнения (2-проводная категория 2)

Напряжение возбуждения V12:

Токовое возбуждение, при Iexc = V12 / R:

6 Рисунок 6 7 уравнений (3-проводная категория 2)

Напряжение возбуждения V12:

Токовое возбуждение, при Iexc = V12 / R:

Выводы

Следующие наблюдения сделаны на основе рисунка 6. и топологии на Рисунке 7:

  1. Выходы мостового напряжения нелинейны независимо от используется ли возбуждение током или напряжением.

  2. Мостовые топологии категории 1 имеют выходные напряжения, не зависят от сопротивления линии, когда ток используется возбуждение.

  3. Мостовые топологии категории 2 имеют выходные напряжения, всегда зависят от сопротивления линии независимо от используется ли возбуждение током или напряжением.

  4. Если т. е. если сопротивления линии всегда могут можно пренебречь, и если изменения в чувствительном резисторе Rx очень мало по сравнению с R, то выход моста то же самое для возбуждения напряжением или током.

Выходные характеристики для схем R-моста, содержащих более чем один переменный резистивный элемент, с равным, но противоположные изменения переменных процесса, распространены в тензометрические мостовые схемы. Эти схемы обсуждаются в Рекомендации Dataforth по применению тензорезисторов.

На рис. 8 представлена ​​блок-схема модуля формирования сигналов моста Dataforth серии SCM5B38. Эти модули предназначен для взаимодействия с полными мостовыми схемами категории 1 с вариантами полумостовых и четвертьмостовых топологий категории 2. Этот преобладающее применение модуля — промышленные тензодатчики; тем не менее, он хорошо подходит для любого Применение измерительных приборов мостового типа.

Модули SCM моста Dataforth SCM5B38 (узкая полоса пропускания), SCM5B38 (широкая полоса пропускания) и DSCA38 имеют несколько (обычно 5-7) полюсных фильтров со сглаживающей фильтрацией на сторона поля. Кроме того, эти модули имеют четырехстороннюю изоляцию, которая включает прецизионное изолированное напряжение для возбуждения поля, изолированное питание на стороне поля, изолированное питание на стороне компьютера и изоляция сигнала. DIN-рейка Dataforth серии модулей DSCA38 имеет как узкополосные, так и широкополосные фильтры для широкого спектра применений. Кроме того, серия DSCA38 имеет +/- 5% регулировки нуля и диапазона на передней панели. Регулировка нуля особенно полезна для балансировки мостовых схем. Читателю предлагается посетить веб-сайт Dataforth, ссылка 1, и изучить все варианты для SCM5B38 и Мостовые модули DSCA38, а также полная линейка SCM от Dataforth.

Ссылки Dataforth

1. Корпорация «Датафорт», http://www.dataforth.com

Основы резистивного моста: часть первая