Измерительные приборы в электрических измерениях, страница 20

У мостов, предназначенных для измерения импедансов, параметр моста F обычно бывает комплексной величиной. На рис. 3.34 чувствительность моста SBизображена как функция от F. Если Fположительная и действительная величина, то |SB| имеет максимум при    F=1, равный VS/4. Чувствительность моста Уитстона, например, максимальна, если сопротивления пары резисторов, расположенных на схеме моста выше нуль-детектора, и сопротивления пары резисторов, находящихся ниже нуль-детектора, одинаковы (попарное соответствие). Чувствительность моста имеет полюс при F=-1.

Рис. 3.33. Схематическое представление измерительного моста как  четырехполюсника.

Часто чувствительность моста можно увеличить, поменяв местами детектор и источник напряжения, возбуждающий мост. Вообще говоря, детектор следует включать между точкой, в которой соединены два элемента с наибольшим импедансом, и точкой, в которой соединены элементы, имеющие минимальные импедансы. Источник возбуждающего напряжения включается тогда между двумя оставшимися точками.

Очевидно, что чувствительность напряжения моста падает с уменьшением внутреннего сопротивления нуль-детектора, поскольку мост при этом нагружается в большей степени.

Ясно также, что чувствительность моста можно увеличить, повышая напряжение питания VS. Величина VS ограничена только максимально допустимым рассеянием мощности в элементах моста (а также максимальной температурой элементов, которая еще не оказывает слишком сильного влияния на их импедансы).

Если импедансы моста комплексны, то есть при

 (i=1,2,3,4),

условие баланса

представляется в виде двух соотношений: условия баланса амплитуд

и условия баланса фаз

.

Рис. 3.34. Зависимость абсолютного значения чувствительности моста |SB| комплексного параметра моста F.

Условие баланса фаз сразу показывает, можно ли мост, действительно сбалансировать или нет. Например, индуктивность можно измерить, только применяя одну или больше других индуктивностей или конденсаторов, и невозможно измерить используя только резисторы. В общем случае мы должны осуществить регулировку двух элементов моста так, чтобы удовлетворить как условие баланса амплитуд, так и условие баланса фаз. Если все элементы моста являются идеальными резисторами, конденсаторами или катушками индуктивности, то комплексное условие баланса сводится только к амплитудному соотношению. Например, для моста Уитстона, предназначенного для измерения сопротивлений, остается только условие баланса амплитуд: R1R3=R2R4 . Только один из этих элементов должен быть подстраиваемым.

Точность измерения с помощью моста определяется почти исключительно точностью, с которой известны импедансы, входящие в состав моста поскольку неизвестный импеданс выражается через три других импеданса. Для повышения точности изменяемые импедансы часто перестраиваются только дискретно.

Чтобы достичь требуемой точности, разрешение, с которым перестраиваются элементы моста, должно быть очень высоким. Кроме того, нуль-детектор должен быть достаточно чувствительным, чтобы быть способным обнаружить изменение в элементе моста при его перестройке на наименьший шаг.

Точность может также значительно пострадать из-за паразитных импедансов, связанных непосредственно с элементами моста или с другими компонентами схемы. Паразитные импедансы схемы являются результатом паразитной евязи как между элементами, входящими в состав моста, так и между элементами моста и землей. Эти импедансы можно обнаружить, а затем устранить, правильно заземляя и экранируя мост. Паразитные импедансы вызваны неидеальностью элементов моста, например, наличием сопротивления потерь, индуктивности выводов и т. д. Величина этих импедансов в основном определяется конструкцией элементов моста.

Рис. 3.35. Схема моста с заземлением Вагнера.

На рис. 3.35 в качестве примера изображено так называемое заземление Вагнера, позволяющее избежать влияния паразитных импедансов схемы. Мост, содержащий компоненты Z1, Z2, Z3 и Z4, обладает паразитными емкостями на землю, которые обозначены как емкости выводов СA, СB, СC и СD. Эти паразитные емкости влияют на баланс моста. Их влияние можно устранить, заземляя мостовую схему в точке соединения двух дополнительных импедансов Z5 и Z6. Сначала мы с помощью Z1 балансируем мост, состоящий из Z1, Z2, Z3 и Z4, затем переводим ключ S в другое положение и снова балансируем мост, который теперь состоит из элементов  Z2, Z3, Z5 и Z6, на этот раз – с помощью элемента Z5. Этот процесс повторяется несколько раз до тех пор, пока оба моста не будут полностью сбалансированы. Когда это достигнуто, напряжение на конденсаторах СB и СD по отношению к земле равно нулю. Конденсаторы СA и СC включены параллельно с Z6 и Z5 и поэтому не оказывают влияния на условие баланса моста, состоящего из элементов Z1, Z2, Z3 и Z4.

3.3.4 Измерительные усилители

Если измерительный сигнал слишком мал, то сначала его обычно усиливают. Усиление сигнала с высокой точностью, при низком уровне шума и малых искажениях выполняется с помощью измерительных усилителей. Это особый тип усилителей, у которых, как правило, коэффициент усиления точно определен и его можно регулировать. Помимо повышения чувствительности измерений, измерительный усилитель, кроме того, изолирует объект измерения от нагружающего действия со стороны измерительной системы. Измерительный усилитель позволяет увеличивать мощность измеряемого сигнала до тех пор, пока сохраняется содержащаяся в сигнале информация. Поэтому энергию, отбираемую у объекта измерения, можно значительно уменьшить. Чтобы избежать влияния на объект измерения, при измерении напряжения входной импеданс измерительного усилителя должен быть большим, а при измерении тока – малым. Как мы уже видели в разделе 3.3.2, применяя схемы компенсации, можно сравнивать одну физическую величину с другой, имеющей ту же самую физическую размерность, не нагружая объект измерения. На рис. 3.36 еще раз показано, как это можно выполнять автоматически и непрерывно во времени. Измеряемой