Условие баланса моста уитстона

Условие баланса моста уитстона

Мост находится в равновесии, если IВД = 0 (рис. 2), тогда по закону Ома:

Или можно записать, что

Из закона Ома условие равенства напряжений (UАВ=UАД и UВС=UДС) можно записать в следующем виде:

После почленного деления получаем:

или .

Т.е. формула — используется в данной работе для нахождения .

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Градуировка полупроводникового терморезистора (термистора).

Измерение сопротивления термистора производится с помощью мостовой схемы (рис. 2), в которой нижние плечи моста сопротивлением R2 и R3 изготовлены в виде реохорда – однородной проволоки АС постоянного сечения со скользящим по ней контактом Д. Поэтому отношение сопротивлений RАД/RДС в данном случае равно просто отношению длин участков АД и ДС проволоки: .

При измерении RX передвижением контакта Д добиваются отсутствия тока в гальванометре Г, тогда: .

где R1 – известное сопротивление. Полностью установка для градуировки термистора изображена на рис. 3.

Рисунок 3. Установка для градуировки термистора

1. Собрать установку согласно рис. 3.

2. Налить в сосуд воды на ¾ объема, поставить его на электроплитку и поместить в него термистор, находящийся внутри защитного футляра, и термометр, закрепленный на штативе.

3.После проверки установки преподавателем включить макет в сеть.

4.При выполнении работы необходимо устанавливать ручкой движка Д гальванометр на нуль при указанных температурах и отсчитывать значения l2 и l3 по шкале реохорда, где l2 – число делений шкалы от 0 до движка Д, а l3 – от движка до конца шкалы.

5. По формуле RX = R1× (l2/l3) рассчитать сопротивление термистора RX для указанных температур.

6 . Включить электроплитку в сеть, и, нагревая воду, определить значение l2, l3 и сопротивление RX термистора через каждые 10°С согласно пунктам 4 и 5.

7. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1:

Результаты измерений и вычислений

№ n/n T°С l2 / l3 R1, кОм RX, кОм
1 20
2 30
3 40
4 50
5 60
6 70

8. Выключить из сети электроплитку и макет.

9. По полученным в ходе эксперимента данным построить график зависимости RX = ¦ (t°С)

Рисунок 4. График зависимости сопротивления термистора

10. По формуле: ZT = DRX /Dt (кОм/град) найти 2 значения чувствительности ZT термистора в начале и конце графика (см. график). Сравнить полученные значения и объяснить физическую природу их различия.

Контрольные вопросы

1. Структурная схема измерения неэлектрических величин электрическими методами.

2. Датчики температуры и их использование в медицине (проволочные и полупроводниковые термисторы, термопары), устройство электротермометра.

3. Вывод условия равновесия моста Уитстона.

4. Основные характеристики датчиков и требования, предъявляемые к ним при использовании их в медико-биологических исследованиях.

5. Принцип работы параметрических датчиков.

6. Принцип работы генераторных датчиков.

Лабораторная работа №9

Последнее изменение этой страницы: 2016-12-10; Нарушение авторского права страницы

Измерительный мост – электрическая схема, усовершенствованная английским физиком Чарльзом Уинстоном. Она источник постоянного тока и базовая мостовая схема, которую применяют в конструкциях многих измерительных приборов. Например, в устройствах контроля и измерения температур – термометрах.

Что такое измерительный мост?

Как пример, объясняющий электросхему моста, возьмём терморезистор или термометр. В таких системах механизм ставят в одной ветви схемы. Можно провести аналогию с аптечными весами. Разница только в том, что мост — электрическое устройство.

Читайте также:  Мультитроникс x140 инструкция по применению

Рычажные весы и приборы с мостовой схемой действуют компенсационным способом. Величина тока в по Уинстону есть разница между сопротивлениями — чем она выше, тем обширнее протекает электрический ток. При изменении разности меняется и количество электрических зарядов.

Это свойство применяют в различных системах и приборах контроля. Точность замеров достигается за счет изменения сопротивления. Во время измерения электричества, проходящего через измерительный мост постоянного тока, обнаруживаются любые изменения физической величины сопротивления.

Принцип работы моста Уитстона

Мостовая схема Ч. Уинстона состоит из 2-х плеч. В каждом 2 резистора. Соединяет 2 параллельные ветви еще одна. Ее название – мостик. Ток проходит от клеммы с минусом к верхнему пику мостовой схемы.

Разделившись по 2 параллельным ветвям, ток идёт к положительной клемме. Величина сопротивления в каждой ветви непосредственно влияет на количество тока. Равное сопротивление на обеих ветвях говорит о том, что в них течет аналогичное количество тока. В таких условиях мостовой элемент уравновешен.

Если в ветвях неравное сопротивление, ток в электросхеме начинает движение от ветви с высоким уровнем сопротивления к ветви с наименьшим. Так продолжается, пока 2 верхних элемента цепей остаются равны по своей величине. Аналогичное положение резисторы имеют в схемах, которые используют в системах контроля и измерения.

Типы и модификации измерительных мостов

Основная схема измерительного моста – Уинстона. Одинарный мост меряет сопротивление от 1 Ом до 100 Мом. Но есть и модификации, позволяющие измерять разные типы сопротивлений — те, для которых базовая схема не годится.

Разновидности

  1. Небольшие сопротивления измеряются посредством прибора Кери Фотера. Можно узнать разницу между противодействиями больших значений.
  2. Еще один тип – делитель Кельвина-Варлея. Применяется в приборах лабораторного оборудования. Максимальная измеряющая способность, зафиксированная этим делителем напряжения, достигает 1,0*10-7.
  3. Мост Кельвина, который в некоторых странах называют именем Томсона, предназначен для замера неизвестных сопротивлений небольших величин (меньше 1 Ом). По принципу работы похож на одинарный мост Уинстона. Разница лишь в наличии дополнительного сопротивления, снижающего погрешности в измерении, которые появляются в результате падения напряжения в одном из плеч.
  4. Еще один тип – мост Максвелла. Измеряет низкодобротную индуктивность неизвестной величины.

Схемы измерительных мостов

Измерительные мосты переменного тока делят на 2 группы: двойные и одинарные. Одинарные имеют 4 плеча. В них 3 ветви создают цепь с 4 точками подключения.

В диагонали моста есть электромагнитный гальванометр, показывающий равновесие. В другой диагонали моста действует источник постоянного питания. Измерения могут происходить с погрешностями, которые зависят от их диапазона. По мере роста сопротивления чувствительность прибора уменьшается.

Двойной мост называют шестиплечим. Его плечи – измеряемое сопротивление (Rx), резистор (Ro) и 2 пары дополнительных резисторов (Rl, R2, R3, R4).

Двойные измерительные мосты

Небольшие сопротивления измеряются двойными мостами, состоящими из таких компонентов:

  • резисторы R (4);
  • гальванометр;
  • резистор образцовый;
  • источник питания;
  • амперметр;
  • резистор, устанавливающий рабочий ток.

Чтобы узнать условия, при которых возникает равновесие, для замкнутых контуров применяют уравнение Кирхгофа. Соблюдается условие: по гальванометру должен идти нулевой ток.

Читайте также:  Сибирская порода кошек отзывы

Где используют измерительный мост Уитстона?

Измерительные элементы применяют в работе с кабельными линиями из металла. Они позволяют нейтрализовать постороннее влияние для более эффективной локализации дефектов. Гарантированы высокоточные результаты в рамках диапазона измеряемых величин.

С помощью мостовой схемы Уитстона можно вычислить сопротивление изменяющегося элемента. Схемы используют в конструкциях электронных весов, электронных термометров и терморезисторов.

Среди промышленных образцов широко известны приборы с ручной калибровкой равновесия:

  • ММВ – измеряет сопротивление проводника постоянного напряжения;
  • Р333 – схема одинарного моста, с помощью которой выявляется поврежденный участок кабеля.

Заключение

С помощью прибора Уинстона можно мерить индуктивность, содержание газа в воздухе или другом веществе, емкость и иные физические величины. Подробно о данных схемах можно прочитать в учебнике «Измерительные соединения». В книге представлены основные понятия, базовые методики, примеры, иллюстрирующие принцип действия.

Студент должен знать: структурную схему измерения неэлектрических величин электрическими методами, датчики температуры и их использование в медицине (проволочные и полупроводниковые термисторы, термопары), устройство электротермометра, вывод условия равновесия моста Уитстона, основные характеристики датчиков и требования, предъявляемые к ним при использовании их в медико-биологических исследованиях.

Студент должен уметь: собрать схему моста Уитстона, рассчитать неизвестное сопротивление, уметь пользоваться электроприборами.

Краткая теория

Электронная техника расширила исследовательские возможности в области не только электрических явлений, происходящих в живом организме, но и неэлектрических процессах, связанных с жизнедеятельностью организма.

Для преобразования неэлектрических (механических) величин, возникающих в живом организме, в электрический сигнал используются датчики, которые или преобразуют неэлектрическую величину (давление, пульс, тоны и шумы, возникающие в сердце при его сокращении и т.д.) в электрический сигнал или под влиянием неэлектрических величин меняют свои параметры.

Рис. 1.

Принципиальная схема измерения неэлектрических величин

Датчики делятся на параметрические и генераторные.

Параметрические датчики – устройства, у которых под действием механической величины меняется параметр датчика (сопротивление, емкость, индуктивность и т.д.).

Генераторные датчики – датчики, у которых под действием механической величины генерируется разность потенциалов.

Параметрические датчики

Проволочные тензометры – устройства, предназначенные для измерения механических деформаций и напряжений, возникающих в биологических объектах во время их жизнедеятельности. Это может быть изменение параметров грудной клетки при вдохе и выдохе, частоты дыхания, изменения давления и т.д. В этих датчиках изменяется сопротивление проводника под влиянием механической величины.

Емкостные преобразователи – датчики, в действии которых используется зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками, площади обкладок и диэлектрической проницаемости среды между ними.

В медицине емкостной датчик можно использовать для измерения кровенаполнения сосудов пальца – емкостной плетизмограф.

Индуктивные преобразователи – датчики, у которых под влиянием исследуемой величины изменяется индуктивное сопротивление XL катушки преобразователя в зависимости от положения сердечника в катушке.

,

где L – индуктивность катушки,

ω – круговая частота.

Индуктивность катушки определяется уравнением:

,

n – число витков катушки,

l – длина соленоида,

S – площадь поперечного сечения соленоида,

μ – магнитная проницаемость,

Читайте также:  Как высчитать мощность электричества

При изменении положения сердечника в катушке меняется XL и, соответственно, изменяется сила тока в цепи.

.

Генераторные датчики

Пьезодатчик – работает на принципе пьезоэффекта, заключающегося в том, что при растяжении или сжатии пластинок, изготовленных из определенных материалов (пьезокристаллов), на их гранях появляется разность потенциалов, величина которой пропорциональна действующей силе.

,

d коэффициент пропорциональности между величиной заряда q и приложенной силы F.

C – емкость конденсатора.

Термодатчики – устройства, преобразующие изменение тепловой энергии в электрический сигнал. К ним относятся термопары, для которых разность потенциалов, возникающая на концах спаев пропорциональна разности температур: , где k – постоянная термопары.

Индукционные датчики – преобразователи, в которых механические перемещения постоянного магнита, расположенного между двумя неподвижными катушками (или, наоборот, перемещение катушек по отношению к магниту) вызывает в них индукционный ток, колебания которого отражают характер колебания магнита под действием механической величины.

,

— скорость изменения магнитного потока,

k – коэффициент пропорциональности.

Характеристики датчиков

функциональная зависимость выходной величины «у» от входной «х», т.е. у=f(х);

чувствительность датчика (отношение изменения сигнала на выходе преобразователя к вызываемому его изменению измеряемой величины );

диапазон (х1 и х2) входных величин, измерение которых производится без заметных искажений.

время реакции – минимальное время, в течение которого происходит установка выходной величины на уровень, соответствующий уровню входной величины.

частотная характеристика у=f(ν) при постоянном уровне входной величины x=const.

В данной работе рассматривается термоэлектрический датчик (полупроводник), у которого сопротивление зависит от температуры, т.е. R=f(t).

Измерение сопротивления полупроводника производят методом моста Уитстона, принципиальная схема которого приведена на рис.1

Условие равновесия моста Уитстона

Мост находится в равновесии, если IВД = 0 (рис. 2), тогда по закону Ома:

измерительного моста Уитстона

После почленного деления получаем: или .

Т.е. формула — используется в данной работе для нахождения .

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Градуировка полупроводникового терморезистора (термистора)

Измерение сопротивления термистора производится с помощью мостовой схемы (рис. 2), в которой нижние плечи моста сопротивлением R2 и R3 изготовлены в виде реохорда – однородной проволоки АС постоянного сечения со скользящим по ней контактом Д. Поэтому отношение сопротивлений RАД/RДС в данном случае равно просто отношению длин участков АД и ДС проволоки: .

При измерении RX передвижением контакта Д добиваются отсутствия тока в гальванометре Г, тогда: .

где R1 – известное сопротивление. Полностью установка для градуировки термистора изображена на рис. 3.

Установка для градуировки термистора

1. Собрать установку согласно рис. 3.

2. Налить в сосуд воды на ¾ объема, поставить его на электроплитку и поместить в него термистор, находящийся внутри защитного футляра, и термометр, закрепленный на штативе.

3.После проверки установки преподавателем включить макет в сеть.

4.При выполнении работы необходимо устанавливать ручкой движка Д гальванометр на нуль при указанных температурах и отсчитывать значения l2 и l3 по шкале реохорда, где l2 – число делений шкалы от 0 до движка Д, а l3 – от движка до конца шкалы.

6. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1:

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector