2. Устройство термометров сопротивления

Рис, 6- Принципиальная схема моста
Из этого выражения вытекает, что возможны два режима работы моста:
1) равновесный, когда изменением сопротивления одного или нескольких резисторов добиваются выполнения условия =0, которое имеет место, когда
(9)
2) неравновесный, когда
. (10)
В этом случае, если нужна однозначная зависимость измерительного тока от сопротивления какого-нибудь резистора, например , необходимо, чтобы все остальные элементы схемы имели постоянные значения: U, , , — const.
Уравновешенные мосты. В соответствии с режимами работы возникают схемные и конструктивные различия мостов. В мостах, использующих равновесный режим работы (уравновешенных мостах), для измерения сопротивления необходимо уравновесить мост —выполнить условие (9). Для этого одно или несколько плеч (резисторов) моста делаются переменными, сопротивления их могут быть определены. Тогда, добившись равновесия, по (9) и известным трем сопротивлениям определяется неизвестное (измеряемое) четвертое сопротивление. Момент наступления равновесия определяется по отсутствию тока в нуль-гальванометре. Наиболее простой является схема с одним изменяемым сопротивлением. Однако значительное влияние на результаты измерения по такой схеме может оказывать сопротивление переходного контакта переменного резистора. В связи с этим более рациональной является схема, в которой подвижный контакт входит в измерительную диагональ. В этом случае в момент равновесия ток в измерительной диагонали равен нулю и поэтому сопротивление переходного контакта не влияет на результаты измерения. Для уравновешивания моста изменяется сопротивление сразу двух плеч или соотношение сопротивлений плеч.
Рассмотрим схему автоматического уравновешенного моста, в котором уравновешивание осуществляется изменением сопротивления плеч (рис. 7). Автоматическое уравновешивание осуществляется так же, как и в автоматическом потенциометре. Если потенциалы вершин моста, к которым подключается измерительная диагональ, не равны, то в измерительной диагонали идет ток, который поступает на вход электронного усилителя ЭУ. Выходной сигнал заставляет вращаться реверсивный двигатель, который перемещает движок реохорда до тех пор, пока не наступит равновесие моста. Сопротивление рассчитывается и изготавливается таким образом, что при изменении измеряемой температуры от минимального до максимального значения для уравновешивания моста движок реохорда должен переместиться от одного крайнего положения до другого. Параметр m определяет положение движка в долях от
Измеряемое сопротивление (термометр) включено в плечо, прилежащее к реохорду. В этом случае уравнение шкалы — перемещение движка реохорда в зависимости от изменения сопротивления — будет линейно. Запишем уравнения равновесия для начальной и промежуточной точек и получим уравнение шкалы:
(11)
откуда
Как видно из выражения, показания моста m пропорциональны изменению сопротивления . При включении измеряемого сопротивления в плечо, прилежащее к реохорду, уравнение шкалы уравновешенного моста получается линейным относительно изменения сопротивления. Этот вариант схемы получил наибольшее распространение, В этой схеме термометр сопротивления включен по трехпроводной схеме. Если возникает необходимость подключить сопротивление по двухпроводной схеме, для этого достаточно перенести питающую диагональ из точки 2 в точку 3. Представленная схема имеет следующие преимущества: 1) показания моста не зависят от напряжения питания (это преимущество присуще всем уравновешенным мостам); 2) показания прибора линейно связаны с изменением измеряемого параметра; 3) измерение (уравновешивание моста) осуществляется автоматически; 4) трехпроводная схема включения позволяет существенно уменьшить или даже исключить погрешность показаний, вызываемую изменением сопротивления соединительных проводов. К числу недостатков схемы следует отнести: 1) необходимость в схеме устройства для уравновешивания; 2) трудность или невозможность измерения малых сопротивлений.


Как уже указывалось, при использовании двухпроводной схемы подключения термометров к измерительному прибору любое изменение сопротивления соединительных проводов относительно расчетного (градуировочного) значения непосредственно будет влиять на показания прибора, причем погрешность будет пропорциональна изменению сопротивления. Для уменьшения этого влияния сопротивления отдельных соединительных проводов включаются в разные ветви мостовой схемы — в измерительное плечо, в прилежащее постоянное плечо и в питающую диагональ (рис. 7). В этом случае уменьшается вдвое сопротивление проводов, входящее вместе с термометром в измерительное плечо моста, и поэтому возможная погрешность измерения частично уменьшается. Кроме того, сопротивления соединительных проводов оказываются включенными в прилежащие плечи моста, входящие в разные стороны равенства (9). Поэтому изменение сопротивления этих проводов будет меньше влиять на показания, чем при двухпроводной схеме, а при симметричном мосте, когда , это влияние будет полностью отсутствовать.

Рис. 7. Автоматический уравновешенный мост с трехпроводной схемой включения термометра
Неуравновешенные мосты. Неуравновешенные мосты для измерения температуры с термометрами сопротивления применяются редко. Однако они нашли широкое применение для измерения сопротивления в газоанализаторах, концентратомерах и ряде других средств измерения. Зависимость тока, протекающего через измерительный прибор, в диагонали моста от сопротивлений резисторов схемы и напряжения питания представлена выражением (8). В неуравновешенных мостах в процессе эксплуатации нет необходимости производить какие-либо изменения сопротивлений или переключения. Показания измерительного прибора рассчитаны или отградуированы сразу в значениях измеряемого сопротивления или параметра, влияющего на сопротивление. Как видно из (8), зависимость измерительного тока от измеряемого сопротивления будет однозначной только тогда, когда все остальные элементы схемы не изменяют своих значений, причем вид этой зависимости нелинейный. Например, для случая, когда измеряемое сопротивление , а все остальные плечи мо ста равны: (рис. 8,а), уравнение шкалы будет иметь вид
.(12)

Рис. Схемы неуравновешенного моста: _с одним измеряемым сопротивлением; б-с двумя изменяемыми сопротивлениями, включенным в противолежащие плечи; -с двумя измеряемыми сопротивлениями, включенными в прилежащие плечи
В настоящее время выпускаются миниатюрные показывающие мосты КВМ1 с вращающейся шкалой класса 0,25 и 0,5 и показывающие стрелочные мосты КПМ1 класса 0,5, а также миниатюрные показывающие и самопишущие мосты КСМ1 класса I с диаграммной лентой шириной 100 мм и быстродействием (временем пробега указателем всей шкалы) 2,5 и 5 с. Малогабаритные приборы показывающие я самопишущие типа КСМ2 (с ленточной диаграммой) и КСМЗ (с дисуовон диаграммой) выпускаются класса 0,5 (КСМЗ также класса 0,25) с шириной диаграммы 160 мм и быстродействием 2.5 и 10 с (для КСМЗ также 1 с). Скорость движения диаграммной ленты для КСМ2 может иметь разные значения (20—2000 мм/ч), время оборота диаграммы для КСМЗ составляет 24 ч.
Полногабаритные мосты типа КСМ4 выпускаются класса точности 0,25 с ленточной диаграммой шириной 250 мм и скоростью движения диаграммы от 20 до 54000 мм/ч, одно-и многоточечные; быстродействие 1; 2,5 и 10 с Сопротивление каждого провода линии связи для каждого типа прибора может иметь свое значение, выбираемое из ряда 2,5; 7,5; 10 и 15 Ом.
При измерении очень малых сопротивлений или малых изменений сопротивлений возникает необходимость увеличить коэффициент преобразования
схемы моста. Для этого два аналогичных преобразователя сопротивления, находящихся в одинаковых условиях, включают в противоположные плечи моста (рис. 8,б), Уравнение шкалы в этом случае будет иметь вид
(1З)
т.е. при использовании двух аналогичных преобразователей сопротивления коэффициент преобразования измерительной схемы увеличивается примерно в 2 раза.
Во многих случаях возникает необходимость получать сигнал, определяемый разностью сопротивлений двух преобразователей. Для этого преобразователи включаются в прилежащие плечи неуравновешенного моста (рис. 8,е). Уравнение шкалы в этом случае имеет вид
(14)
Сила тока практически пропорциональна разности сопротивлений преобразователей . Схемы неуравновешенных мостов с двумя измеряемыми сопротивлениями (рис. 8, б и в) находят широкое применение в измерительных схемах газоанализаторов, концентратомеров, влагомеров и других приборов.
В схемах неуравновешенных мостов в случае необходимости может быть применена трехпроводная схема подключения измеряемого сопротивления, которая позволяет уменьшить или исключить влияние изменения соединительных проводов на показания моста.
К преимуществам неуравновешенных мостов следует отнести простоту схемы, не требующую устройств уравновешивания; возможность применения для измерения малых сопротивлений (за счет уменьшения или даже исключения сопротивления проводников, соединяющих плечи моста). К недостаткам неуравновешенных мостов относятся зависимость показаний от изменения напряжения питания; нелинейность шкалы моста.
Для использования одновременно положительных качеств как уравновешенных, так и неуравновешенных мостов разработана двухмостовая компенсационная измерительная схема, которую иногда называют схемой компаратора напряжений (рис. 9). Двухмостовая компенсационная измерительная схема. Схема состоит из Измерительного I и сравнительного II мостов, питаемых параллельно от одного источника питания. В измерительном мосте одно или два сопротивления представляют собой измерительные преобразователи, так что при изменении их сопротивления относительно начального возникает разность потенциалов, определяемая выражением для
(15)
или для двух преобразователей сопротивления, когда и , а
(16)
В сравнительном мосте сопротивления постоянны и подобраны таким образом, что , а = . Разность потенциалов в этом случае будет равна — той разности потенциалов, которая будет между точками α и , когда . :

(17)

Рис. 9. Двухмостовая компенсационная измерительная схема
Схема построена таким образом, что на реохорде , выполняющем функцию делителя напряжения, происходит компенсация (уравновешивание) разности потенциалов такой долей от разности потенциалов , что . Если компенсация не выполнена, то и на вход усилителя поступает сигнал, который заставляет перемещаться реверсивный двигатель до тех пор, пока не наступит компенсация, т. е. не будет равно . Работа двухмостовой компенсационной схемы практически не зависит от колебания напряжения питания, так как при изменении напряжения питания U изменяется разность потенциалов и также изменяется . В точке, соответствующей конечной (максимальной) отметке шкалы, изменение напряжения питания даже теоретически не будет влиять [см. (16) и (17)]. Во всех остальных точках влияние будет, но им можно пренебречь. Двухмостовая компенсационная схема имеет практически линейную шкалу. Хотя каждый сигнал и нелинейно связан со значением сопротивления преобразователя, один из них уравновешивается другим и поэтому положение движка реохорда (делителя напряжения) практически линейно связано с изменением сопротивления.
Двухмостовая схема позволяет измерять очень малые значения или малые изменения сопротивления одного или двух плеч. При использовании двухмостовой схемы в газоанализаторах, влагомерах и других приборах появляются также другие ее преимущества, характерные для конкретных методов и средств измерения.