Мостовые измерители

Мостовые измерители являются важным классом средств измерения, предназначенных для измерения параметров элементов электрических цепей методом сравнения. Мост содержит четыре резистора, соединённых в кольцевой замкнутый контур. Резисторы R1, R2, R3 и R4 этого контура называются плечами моста, а точки соединения соседних плеч – вершинами моста. Цепи, соединяющие противоположные вершины, называют диагоналями. Диагональ ab содержит источник питания и называется диагональю питания. Диагональ cd, в которую включен индикатор Г, называется измерительной диагональю. В мостах постоянного тока в качестве индикатора обычно используется гальванометр.

Измерение сопротивления может производиться в одном из двух режимов работы моста: уравновешенном либо неуравновешенном. Мост называется уравновешенным, если разность потенциалов между вершинами с и d равна нулю и ток через гальванометр равен нулю:

 

I₁R­₁= I₂R­₃ и I₁R­₂= I₂R­₄, (1.1)

где I₁ – ток через резисторы R­₁ и R­₂, I₂ – ток через резисторы R­₃ и R­₄. Из (1.1) следует:

R­₁ R­₄= R­₂R­₃ (1.2)

Это условие равновесия одинарного моста постоянного тока (1.2) можно сформулировать следующим образом: для того, чтобы мост был уравновешен, произведения сопротивлений противолежащих плеч моста должны быть равны. Если сопротивление одного из плеч моста (например, R4) неизвестно, то уравновесив мост путём подбора сопротивлений плеч R1, R2 и R3, находим это неизвестное сопротивление.

Для измерения ёмкости, индуктивности, взаимной индуктивности и тангенса угла потерь конденсаторов применяются мосты переменного тока

В качестве примеров использования мостовых измерителей рассмотрим принципы работы трех видов газоанализаторов - измерительных приборов для определения качественного и количественного состава смесей газов

 

Термокондуктометрические газоанализаторы

Работа основана на зависимости теплопроводности газовой смеси от наличия различных компонентов, входящих в ее состав.

Измерительная ячейка датчика представляет обычно цилиндрический канал, заполняемый анализируемым газом и выполненный из материала хорошо проводящего тепло. Внутри канала располагается нагревательный элемент, запитанный от источника напряжения. При заполнении ячейки воздухом и при стабильном значении тока, температура нагревательного элемента будет иметь определенную температуру, при которой количество тепла, полученное элементом, будет равно количеству тепла, отдаваемого им материалу канала вследствие теплопроводности воздуха.

Если вместо воздуха канал будет заполнен газом со значительно отличающейся теплопроводностью, то температура нагревательного элемента измениться, причем, если теплопроводность газа будет больше теплопроводности воздуха, то температура элемента снизится, а если меньше – повысится. Измеряя температуру нагревательного элемента с помощью датчиков температуры, можно судить о процентном содержании в смеси компонентов с определенной теплопроводностью.

Конструктивно датчик газоанализатора представляет мостовую схему. Во все четыре плеча моста включены равные по величине платиновые резисторы. Резисторы R1 и R3 являются рабочими и размещены в каналах, через которые транспортируется анализируемая смесь, а резисторы R2 и R4 – сравнительные и расположены в закрытых каналах, заполненных воздухом.

При протекании через рабочие камеры анализируемой смеси мост разбалансируется, причем величина разбаланса пропорциональна теплопроводности анализируемого компонента и, следовательно, его концентрации, которая фиксируется вторичным прибором 2.

 

Термохимические датчики концентрации

Принцип работы газоанализаторов, использующих термохимические датчики концентрации, основан на измерении повышения температуры нагретой платиновой нити, на поверхности которой происходит каталитическое сгорание горючих компонентов газовой смеси.

Основой измерительной схемы датчика является мостовая схема, но только в отличие от классической схемы в два плеча встроены терморезисторы R2 и R3: рабочий терморезистор R3 размещен в камере, через которую продувается анализируемая смесь, второй терморезистор R2 является сравнительным и установлен в герметичной камере, заполненной воздухом. В остальные два плеча встроены резисторы R1 и R4 из манганиновой проволоки.

Терморезисторы нагреваются током источника стабилизированного напряжения 1 до температуры, при которой на ее поверхности происходит каталитическое сгорание анализируемого компонента. В результате реакции горения температура терморезистора R3 резко повышается и, как следствие, увеличивается его сопротивление, что нарушает равновесное состояние моста. Величина разбаланса моста пропорциональна концентрации анализируемого компонента и фиксируется измерительным прибором 2, включенным в диагональ моста.

 

Кондуктометры

Процесс измерения электропроводности производится теми же методами, что и измерение сопротивления. Зависимость электропроводности от концентрации раствора имеет практически линейный характер и определяется его физико-химическими свойствами.

Чувствительным элементом устройства служит кондуктометрическая ячейка, состоящая из двух электродов определенной площади и расположенных на определенном расстоянии между собой.

Для определения электропроводности в большинстве случаев используют мостовую схему, которая применяется для контроля сопротивления. Для исключения явления поляризации электродов, мост запитывается переменным напряжением: изменение направления движения тока устраняет поляризационное сопротивление.