Interested Article - Измерительный мост

Мост Уитстона состоит их 4‑х резисторов, соединённых в виде четырёхугольника (ромба). К двум противоположным вершинам «ромба» подключён источник постоянного тока. К двум другим противоположным вершинам подключён гальванометр.
Принципиальная схема моста Уитстона . Обозначения:
  • R 1 {\displaystyle R_{1}} , R 2 {\displaystyle R_{2}} , R 3 {\displaystyle R_{3}} , R x {\displaystyle R_{x}} — «плечи» моста;
  • AC — диагональ питания;
  • BD — измерительная диагональ;
  • R x {\displaystyle R_{x}} — элемент, сопротивление ( Ом ) которого требуется измерить;
  • R 1 {\displaystyle R_{1}} , R 2 {\displaystyle R_{2}} и R 3 {\displaystyle R_{3}} — элементы, сопротивления ( Ом ) которых известны;
  • R 2 {\displaystyle R_{2}} — элемент, сопротивление которого может регулироваться (например, реостат );
  • V G {\displaystyle V_{G}} гальванометр ( В );
  • R G {\displaystyle R_{G}} (не показано) — сопротивление гальванометра ( Ом ).
  • Мост постоянного тока МВЛ-47 в Музее энергетики Урала

    Измери́тельный мост ( мост Уи́тстона , мо́стик Ви́тстона , англ. Wheatstone bridge) — электрическая схема или устройство для измерения электрического сопротивления . Предложен в 1833 году ( англ. ) и в 1843 году усовершенствован Чарльзом Уитстоном . Мост Уитстона относится к одинарным мостам в отличие от двойных мостов Томсона . Мост Уитстона — электрическое устройство, механическим аналогом которого являются аптекарские рычажные весы .

    Измерение сопротивлений с помощью моста Уитстона

    Принцип измерения сопротивления основан на уравнивании потенциала средних выводов двух ветвей (см.).

    1. В одну из ветвей включён двухполюсник ( резистор ), сопротивление которого требуется измерить ( R x {\displaystyle R_{x}} ).

    Другая ветвь содержит элемент, сопротивление которого может регулироваться ( R 2 {\displaystyle R_{2}} ; например, реостат ).

    Между ветвями (точками B и D; см.) находится индикатор. В качестве индикатора могут применяться:

    • гальванометр ;
    • нуль-индикатор — прибор, отклонение стрелки которого показывает наличие тока в цепи и его направление, но не величину. На шкале такого прибора отмечено только одно число — ноль;
    • вольтметр ( R G {\displaystyle R_{G}} принимают равным бесконечности: R G = {\displaystyle R_{G}=\infty } );
    • амперметр ( R G {\displaystyle R_{G}} принимают равным нулю: R G = 0 {\displaystyle R_{G}=0} ).

    Обычно в качестве индикатора используется гальванометр .

    1. Сопротивление R 2 {\displaystyle R_{2}} второй ветви изменяют до тех пор, пока показания гальванометра не станут равны нулю, то есть потенциалы точек узлов D и B не станут равны. По отклонению стрелки гальванометра в ту или иную сторону можно судить о направлении протекания тока на диагонали моста BD (см.) и указывают в какую сторону изменять регулируемое сопротивление R 2 {\displaystyle R_{2}} для достижения «баланса моста».

    Когда гальванометр показывает ноль, говорят, что наступило «равновесие моста» или «мост сбалансирован». При этом:

    • отношение R 2 / R 1 {\displaystyle R_{2}/R_{1}} равно отношению R x / R 3 {\displaystyle R_{x}/R_{3}} :
    R 2 R 1 = R x R 3 , {\displaystyle {\frac {R_{2}}{R_{1}}}={\frac {R_{x}}{R_{3}}},}

    откуда

    R x = R 2 R 3 R 1 ; {\displaystyle R_{x}={\frac {R_{2}R_{3}}{R_{1}}};}
    • разность потенциалов между точками B и D (см.) равна нулю;
    • ток по участку BD (через гальванометр) (см.) не протекает (равен нулю).

    Сопротивления R 1 {\displaystyle R_{1}} , R 3 {\displaystyle R_{3}} должны быть известны заранее.

    1. Изменяют сопротивление R 2 {\displaystyle R_{2}} до баланса моста.
    1. Вычисляют искомое сопротивление R x {\displaystyle R_{x}} :
    R x = R 2 R 3 R 1 . {\displaystyle R_{x}={\frac {R_{2}R_{3}}{R_{1}}}.}

    Вывод формулы см. ниже.

    Точность

    При плавном изменении сопротивления R 2 {\displaystyle R_{2}} гальванометр способен зафиксировать момент наступления равновесия с большой точностью. Если величины R 1 {\displaystyle R_{1}} , R 2 {\displaystyle R_{2}} и R 3 {\displaystyle R_{3}} были измерены с малой погрешностью , величина R x {\displaystyle R_{x}} будет вычислена с большой точностью.

    В процессе измерения сопротивление R x {\displaystyle R_{x}} не должно изменяться, так как даже небольшие его изменения приведут к нарушению баланса моста.

    Недостатки

    К недостаткам предложенного способа можно отнести:

    • необходимость регулирования сопротивления R 2 {\displaystyle R_{2}} . На поиски «равновесия» тратится время. Гораздо быстрее измерить несколько параметров цепи и вычислить R x {\displaystyle R_{x}} по другой формуле.

    Условие баланса моста

    Выведем формулу для расчёта сопротивления R x {\displaystyle R_{x}} .

    Схема к расчёту сопротивления R x {\displaystyle R_{x}} . Красными стрелками показаны выбранные произвольно направления токов . Обозначения:
  • I G {\displaystyle I_{G}} ток , протекающий через гальванометр , А ;
  • I 1 {\displaystyle I_{1}} , I 2 {\displaystyle I_{2}} , I 3 {\displaystyle I_{3}} , I x {\displaystyle I_{x}} токи , протекающие через элементы R 1 {\displaystyle R_{1}} , R 2 {\displaystyle R_{2}} , R 3 {\displaystyle R_{3}} и R x {\displaystyle R_{x}} соответственно, А ;
  • другие обозначения см. .
  • Первый способ

    Считается, что сопротивление гальванометра R G {\displaystyle R_{G}} мало настолько, что им можно пренебречь ( R G = 0 {\displaystyle R_{G}=0} ). То есть, можно вообразить, что точки B и D соединены (см.).

    Воспользуемся правилами (законами) Кирхгофа . Выберем:

    • направления токов — см. ;
    • направления обхода замкнутых контуров — по часовой стрелке.

    По первому правилу Кирхгофа сумма токов, входящих в точку (узел) равна нулю:

    • для точки (узла) B:
    I 3 + I G I x = 0 ; {\displaystyle I_{3}\ +I_{G}\ -I_{x}\ =\ 0;}
    • для точки (узла) D:
    I 1 I 2 I G = 0. {\displaystyle I_{1}\ -I_{2}\ -I_{G}\ =\ 0.}

    По второму правилу Кирхгофа сумма напряжений в ветвях замкнутого контура равна сумме ЭДС в ветвях этого контура:

    • для контура ABD:
    ( R 3 I 3 ) ( R G I G ) ( R 1 I 1 ) = 0 ; {\displaystyle (R_{3}\cdot I_{3})\ -(R_{G}\cdot I_{G})\ -(R_{1}\cdot I_{1})=0;}
    • для контура BCD:
    ( R x I x ) ( R 2 I 2 ) + ( R G I G ) = 0. {\displaystyle (R_{x}\cdot I_{x})\ -(R_{2}\cdot I_{2})\ +(R_{G}\cdot I_{G})=0.}

    Запишем 4‑е последних уравнения для «сбалансированного моста» (то есть учтём, что I G = 0 {\displaystyle I_{G}=0} ):

    { I 3 = I x I 1 = I 2 R 3 I 3 = R 1 I 1 R x I x = R 2 I 2 {\displaystyle {\begin{cases}I_{3}=I_{x}\\I_{1}=I_{2}\\R_{3}\cdot I_{3}=R_{1}\cdot I_{1}\\R_{x}\cdot I_{x}=R_{2}\cdot I_{2}\end{cases}}}

    Поделив 4‑е уравнение на 3‑е, получим:

    R x I x R 3 I 3 = R 2 I 2 R 1 I 1 . {\displaystyle {\frac {R_{x}\cdot I_{x}}{R_{3}\cdot I_{3}}}={\frac {R_{2}\cdot I_{2}}{R_{1}\cdot I_{1}}}.}

    Выразив R x {\displaystyle R_{x}} , получим:

    R x = R 2 I 2 R 3 I 3 I 1 R 1 I x . {\displaystyle R_{x}={\frac {R_{2}\cdot I_{2}\cdot R_{3}\cdot I_{3}}{I_{1}\cdot R_{1}\cdot I_{x}}}.}

    С учётом того, что

    { I 3 = I x I 1 = I 2 {\displaystyle {\begin{cases}I_{3}=I_{x}\\I_{1}=I_{2}\end{cases}}}

    получим

    R x = R 2 R 3 R 1 . {\displaystyle R_{x}={\frac {R_{2}\cdot R_{3}}{R_{1}}}.}
    Второй способ

    Считается, что сопротивление гальванометра R G {\displaystyle R_{G}} велико настолько, что точки B и D можно считать не соединёнными (см.) ( R G = {\displaystyle R_{G}=\infty } ).

    Введём обозначения:

    • φ A {\displaystyle \varphi _{A}} , φ B {\displaystyle \varphi _{B}} , φ C {\displaystyle \varphi _{C}} и φ D {\displaystyle \varphi _{D}} — соответственно потенциалы точек A, B, C и D, В ;
    • U A C {\displaystyle U_{AC}} напряжение между точками C и A, В :
    U A C = φ A φ C ; {\displaystyle U_{AC}=\varphi _{A}-\varphi _{C};}
    U D B = φ D φ B ; {\displaystyle U_{DB}=\varphi _{D}-\varphi _{B};}
    R A D C = R 1 + R 2 ; {\displaystyle R_{ADC}=R_{1}+R_{2};}
    R A B C = R 3 + R x ; {\displaystyle R_{ABC}=R_{3}+R_{x};}
    • I A D C {\displaystyle I_{ADC}} , I A B C {\displaystyle I_{ABC}} токи , протекающие на участках ADC и ABC соответственно, А .

    По закону Ома токи I A D C {\displaystyle I_{ADC}} , I A B C {\displaystyle I_{ABC}} равны:

    I A D C = U A C R A D C = U A C R 1 + R 2 ; {\displaystyle I_{ADC}={\frac {U_{AC}}{R_{ADC}}}={\frac {U_{AC}}{R_{1}+R_{2}}};}
    I A B C = U A C R A B C = U A C R 3 + R x . {\displaystyle I_{ABC}={\frac {U_{AC}}{R_{ABC}}}={\frac {U_{AC}}{R_{3}+R_{x}}}.}

    По закону Ома падения напряжения на участках DC и BC равны:

    U D C = I A D C R 2 ; {\displaystyle U_{DC}=I_{ADC}\cdot R_{2};}
    U B C = I A B C R x . {\displaystyle U_{BC}=I_{ABC}\cdot R_{x}.}

    Потенциалы в точках D и B равны:

    φ D = φ C + U D C = φ C + I A D C R 2 ; {\displaystyle \varphi _{D}=\varphi _{C}+U_{DC}=\varphi _{C}+I_{ADC}\cdot R_{2};}
    φ B = φ C + U B C = φ C + I A B C R x . {\displaystyle \varphi _{B}=\varphi _{C}+U_{BC}=\varphi _{C}+I_{ABC}\cdot R_{x}.}

    Напряжение между точками D и B равно:

    U D B = φ D φ B = ( φ C + I A D C R 2 ) ( φ C + I A B C R x ) = I A D C R 2 I A B C R x . {\displaystyle U_{DB}=\varphi _{D}-\varphi _{B}=\left(\varphi _{C}+I_{ADC}\cdot R_{2}\right)\ -\left(\varphi _{C}+I_{ABC}\cdot R_{x}\right)\ =I_{ADC}\cdot R_{2}-I_{ABC}\cdot R_{x}.}

    Подставив выражения для токов I A D C {\displaystyle I_{ADC}} и I A B C {\displaystyle I_{ABC}} , получим:

    U D B = U A C R 1 + R 2 R 2 U A C R 3 + R x R x . {\displaystyle U_{DB}={\frac {U_{AC}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot R_{2}-{\frac {U_{AC}}{R_{3}+R_{x}}}\cdot R_{x}.}

    Учитывая, что для «сбалансированного моста» U D B = 0 {\displaystyle U_{DB}=0} , получим:

    0 = U A C R 1 + R 2 R 2 U A C R 3 + R x R x . {\displaystyle 0={\frac {U_{AC}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot R_{2}-{\frac {U_{AC}}{R_{3}+R_{x}}}\cdot R_{x}.}

    Поместив слагаемые по разные стороны от знака равенства, получим:

    U A C R 1 + R 2 R 2 = U A C R 3 + R x R x . {\displaystyle {\frac {U_{AC}}{R_{1}+R_{2}}}\cdot R_{2}={\frac {U_{AC}}{R_{3}+R_{x}}}\cdot R_{x}.}

    Сократив U A C {\displaystyle U_{AC}} , получим:

    R 2 R 1 + R 2 = R x R 3 + R x . {\displaystyle {\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}={\frac {R_{x}}{R_{3}+R_{x}}}.}

    Умножив на произведение знаменателей, получим:

    R 2 ( R 3 + R x ) = R x ( R 1 + R 2 ) . {\displaystyle R_{2}\cdot (R_{3}+R_{x})=R_{x}\cdot (R_{1}+R_{2}).}

    Раскрыв скобки, получим:

    R 2 R 3 + R 2 R x = R x R 1 + R x R 2 . {\displaystyle R_{2}\cdot R_{3}+R_{2}\cdot R_{x}=R_{x}\cdot R_{1}+R_{x}\cdot R_{2}.}

    После вычитания R x R 2 {\displaystyle R_{x}\cdot R_{2}} получим:

    R 2 R 3 = R 1 R x . {\displaystyle R_{2}\cdot R_{3}=R_{1}\cdot R_{x}.}

    Выразив R x {\displaystyle R_{x}} , получим:

    R x = R 2 R 3 R 1 . {\displaystyle R_{x}={\frac {R_{2}\cdot R_{3}}{R_{1}}}.}

    В данном случае мостовая схема рассматривалась, как комбинация двух делителей , а влияние гальванометра считалось пренебрежимо малым.

    Общее сопротивление без выполнения условия баланса

    В случае, если условие баланса не выполнено, расчёт общего сопротивления довольно громоздкий.

    Пользуясь правилами Кирхгофа, получаем систему уравнений:

    { I Σ = I 1 + I 4 = I 2 + I 3 I 5 = I 1 I 2 = I 4 I 3 R Σ I Σ = R 1 I 1 + R 2 I 2 = R 3 I 3 + R 4 I 4 R 5 I 5 = R 4 I 4 R 1 I 1 = R 2 I 2 R 3 I 3 {\displaystyle {\begin{cases}I_{\Sigma }=I_{1}+I_{4}=I_{2}+I_{3}\\I_{5}=I_{1}-I_{2}=I_{4}-I_{3}\\R_{\Sigma }\cdot I_{\Sigma }=R_{1}\cdot I_{1}+R_{2}\cdot I_{2}=R_{3}\cdot I_{3}+R_{4}\cdot I_{4}\\R_{5}\cdot I_{5}=R_{4}\cdot I_{4}-R_{1}\cdot I_{1}=R_{2}\cdot I_{2}-R_{3}\cdot I_{3}\end{cases}}}

    Тогда после исключения из системы всех токов получим окончательный результат, представленный в наиболее кратком виде:

    R Σ = 1 = i < j < k 5 R i R j R k R 5 ( R 1 R 4 + R 2 R 3 ) 1 = i < j 5 R i R j ( R 1 R 2 + R 3 R 4 ) , {\displaystyle R_{\Sigma }={\frac {\sum _{1=i<j<k}^{5}R_{i}R_{j}R_{k}-R_{5}\left(R_{1}R_{4}+R_{2}R_{3}\right)}{\sum _{1=i<j}^{5}R_{i}R_{j}-\left(R_{1}R_{2}+R_{3}R_{4}\right)}},}

    где в суммах в числителе и в знаменателе суммируются все возможные комбинации из произведений сопротивлений без повторений сомножителей (всего таких комбинаций по десять).

    Схемы подключения

    На практике для измерения сопротивления с помощью мостовых схем применяют двухпроводное и четырёхпроводное подключение.

    Двухпроводная схема подключения применяется при измерениях сопротивлений величиной выше 10 Ом . К точкам B и C (см.) подключаются по одному проводу.

    Четырёхпроводная схема подключения применяется при измерении сопротивления величиной до 10 Ом . К точкам B и C (см.) подключаются по два провода. Это позволяет исключить влияние сопротивления проводов на величину измеренного сопротивления R x {\displaystyle R_{x}} .

    История создания

    В 1833 году ( англ. ) предложил схему, позже получившую название «мост Уитстона».

    В 1843 году схема была усовершенствована Чарльзом Уитстоном ( англ. ) и стала называться «мостом Уитстона».

    В 1861 году лорд Кельвин использовал мост Уитстона для измерения малых сопротивлений .

    В 1865 году Максвелл с помощью изменённого моста Уитстона измерял силу переменного тока .

    В 1926 году Алан Блюмлейн усовершенствовал мост Уитстона и запатентовал. Новое устройство стали называть в честь изобретателя.

    Классификация

    В промышленности широко применяются уравновешенные и неуравновешенные измерительные мосты.

    Работа уравновешенных мостов (наиболее точных) основана на «нулевом методе».

    С помощью неуравновешенных мостов (менее точных) измеряемую величину определяют по показаниям измерительного прибора.

    Измерительные мосты подразделяются на неавтоматические и автоматические.

    В неавтоматических мостах балансирование производится вручную (оператором).

    В автоматических балансировка моста происходит с помощью сервопривода по величине и знаку напряжения между точками D и B (см.).

    Применение для измерения неэлектрических величин

    Мост Уитстона часто используется для измерения самых разнообразных неэлектрических параметров, например:

    Принцип действия всех этих приборов основан на измерении сопротивления чувствительного резистивного элемента-датчика, сопротивление которого изменяется при изменении воздействующей на него неэлектрической величины. Резистивный датчик (датчики) включается электрически в одно или несколько плеч моста Уитстона и измерение неэлектрической величины сводится к измерению изменения сопротивления датчиков.

    Применение моста Уитстона в этих приложениях обусловлено тем, что позволяет измерять относительно малое изменение сопротивления, то есть в случаях когда Δ R x / R x 1. {\displaystyle \Delta R_{x}/R_{x}\ll 1.}

    Обычно в современных измерительных приборах мост Уитстона подключается через аналого-цифровой преобразователь к цифровому вычислительному устройству, например, к микроконтроллеру , обрабатывающему сигнал моста. При обработке, как правило, производится линеаризация, масштабирование с преобразованием в численное значение неэлектрической величины в единицы её измерения, коррекция систематических погрешностей датчиков и измерительной схемы, индикация в удобном и наглядном для пользователя цифровом и/или машинно-графическом виде. Также может производиться статистическая обработка измерений, гармонический анализ и другие виды обработки.

    Принцип работы тензометрических измерителей

    Тензодатчики тензорезисторы применяются в:

    При этом тензорезисторы, наклеенные на упругие деформируемые детали включаются в плечи моста, а полезным сигналом является напряжение диагонали моста между точками D и B (см.).

    Если выполняется соотношение:

    R 1 / R 2 = R 3 / R x , {\displaystyle R_{1}/R_{2}=R_{3}/R_{x},}

    то независимо от напряжения на диагонали моста между точками A и C ( напряжения ) между точками D и B ( U D B {\displaystyle U_{DB}} )) будет равно нулю:

    U D B = 0. {\displaystyle U_{DB}=0.}

    Но если R 1 / R 2 R 3 / R x , {\displaystyle R_{1}/R_{2}\neq R_{3}/R_{x},} то на диагонали появится ненулевое напряжение («разбаланс» моста), однозначно связанное с изменением сопротивления тензорезистора, и, соответственно, с величиной деформации упругого элемента, при измерении разбаланса моста измеряют деформацию, а так как деформация связана, например, в случае весов, с весом взвешиваемого тела, то и в результате измеряют его вес.

    Для измерения знакопеременных деформаций помимо тензодатчиков часто используют пьезоэлектрические датчики . Последние в этих приложениях вытеснили тензодатчики благодаря лучшим техническим и эксплуатационным характеристикам. Недостатком пьезодатчиков является непригодность их для измерения медленных или статических деформаций.

    Измерения других неэлектрических величин

    Описанный принцип измерения деформации с помощью тензорезисторов в тензометрии сохраняется для измерения иных неэлектрических величин с применением других резистивных датчиков, сопротивление которых изменяется под воздействием неэлектрической величины.

    Измерение температуры

    В этих приложениях применяются резистивные датчики, находящиеся в тепловом равновесии с изучаемым телом, сопротивление датчиков изменяется при изменении их температуры. Также применяются датчики не контактирующие непосредственно с изучаемым телом, а измеряющие интенсивность теплового излучения от объекта, например, болометрические пирометры .

    В качестве термочувствительных датчиков обычно используются резисторы, изготовленные из металлов — термометры сопротивления , имеющие положительный температурный коэффициент сопротивления , или полупроводниковые — терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

    Косвенно через измерение температуры также производится измерение теплопроводности, теплоёмкости, скорости потоков газов и жидкостей в термоанемометрах и измерение иных неэлектрических величин, связанных с температурой, например, концентрации компонента в газовой смеси с помощью термокаталитических датчиков и датчиков теплопроводности в газовой хроматографии .

    Измерение потоков излучения

    В фотометрах применяются датчики, изменяющие своё сопротивление в зависимости от освещённости — фоторезисторы . Также существуют резистивные датчики для измерения потоков ионизирующих излучений.

    Модификации

    Используя мост Уитстона, можно с большой точностью измерять сопротивление .

    Различные модификации моста Уитстона позволяют измерять другие физические величины:

    Прибор (англ.) позволяет определить, превышена ли допустимая концентрация горючих газов в воздухе.

    Мост Кельвина ( англ. ), также известный как мост Томсона ( англ. Thomson bridge), позволяет измерять малые сопротивления , изобретён Томсоном .

    Вид спереди прибора, построенного на основе моста Кельвина

    Прибор Максвелла позволяет измерять силу переменного тока , изобретён Максвеллом в 1865 году , усовершенствован Блюмлейном около 1926 года .

    Мост Максвелла ( англ. ) позволяет измерять индуктивность .

    ( англ. ) позволяет измерять малые сопротивления , описан Фостером ( англ. ) в документе, опубликованном в 1872 году .

    Делитель напряжения Кельвина - Варли ( англ. ) построен на основе моста Уитстона.

    Промышленные образцы

    В СССР и России Краснодарским заводом измерительных приборов выпускались следующие марки измерительных мостов с ручной наводкой на равновесие :

    • ММВ (измерения сопротивления проводников постоянному току);
    • Р333 (измерение по схеме одинарного моста, определение места повреждения кабеля по схемам петли и);
    • МО-62.

    См. также

    Примечания

    1. // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
    2. Марио Льоцци История физики — М.: Мир, 1970 — С. 261.
    3. , с. 190.

    Литература

    • Панфилов В. А. Электрические измерения. — Академия, 2006.
    • Электротехнический справочник. В 3-x томах / Герасимов В. Г. и др. — 6-е издание. — М. : Энергия, 1980. — Т. 1. — 520 с.

    Same as Измерительный мост