Při měření stále řešíme podobné problémy: to, co měříme, bývá často moc velké nebo moc malé a my si musíme nějak pomoci, abychom dosáhli možnosti měřit. Jednou z cest je měření s pomocí obvodů zvaných můstkové.

Definice

Do kategorie můstků patří kromě těch elektrotechnických také můstkové zesilovače (audiotechnika), usměrňovací diodové můstky a dokonce i rozbočovací můstky (kabeláž) a vlastně i zubní můstky ale v tomto článku se omezíme na můstkové zapojení v měření.

Účelem můstku je zjišťovat neznámou impedanci na místě jedné z nich. Přitom obvykle jedna impedance je proměnlivá, aby se můstek vyrovnal. V tom případě měřidlo v úhlopříčce obvodu neukazuje žádnou výchylku, protože větvemi obvodu teče stejný proud. Měření je přesné, ale vyhovuje pouze pro úzký rozsah hodnot (záleží na součástkách v můstku). Společným znakem je napájení, které je připojeno k jedné úhlopříčce můstku a způsob indikace. Indikátor, většinou citlivý galvanoměr s nulou uprostřed se zapojí k druhé úhlopříčce můstku. Vyvažování se provádí nejčastěji přesným proměnným rezistorem nejlépe dekádou.

Můstky se používají k přesnému měření elektrických veličin – kapacity, odporu nebo indukčnosti. Měření můstkovými metodami se zakládá na dosažení rovnováhy mezi větvemi můstku. Tato rovnováha se zjišťuje galvanometrem, zapojeným mezi protilehlými uzly. Na opačných uzlech je pak připojeno střídavé nebo stejnosměrné napájení podle měřené veličiny: pro kapacitu a indukčnost střídavé, pro odpory stejnosměrné i střídavé, lepší je však stejnosměrné. Společným znakem je napájení, které je připojeno k jedné úhlopříčce můstku, i způsob indikace: indikátor se zapojí k druhé úhlopříčce, vyvažování větví je stejné, pomocí proměnného rezistoru zapojeného jako reostat.

Ke každému typu můstku náleží také teoretická část, která je obvykle rozsáhlá a přesahuje možnosti těchto článků. Podrobnosti a teorii lze nalézt na odkazech v závěru článku.

Typy můstků

Stejnosměrné

Pro měření odporu a pro napětí obvykle 5 až 10 V.

Wheatstoneův můstek – používá se k měření malých hodnot odporu.

Thomsonův můstek – používá se k měření velmi malých hodnot odporu.

Střídavé

Pro měření odporu, kapacity, indukčnosti, ztrátového činitele.

Napětí je obvykle 1 až 5 V, frekvence 5 až 100 kHz.

De Sautyho můstek – používá se k měření kapacity.

Scheringův můstek – používá se k měření kapacity.

Careyho - Fosterův můstek – používá se k měření malých odporů.

Wienův můstek – používá se k měření kapacity.

Campbellův můstek – používá se k měření indukčnosti nebo kapacity.

Maxwellův můstek – používá se k měření indukčnosti nebo kapacity.

Owenův můstek – používá se k měření indukčnosti.

Hayův můstek – používá se k měření velkých indukčností.

Andersonův můstek – používá se k přesným měřením indukčnosti.

Impulzové – více můstků, jedna aparatura, přepínač.

Vyvážené – kompenzujeme rezistorem na 0 (kompenzační).

Nevyvážené – měříme velikost rozvážení můstku.

Klíčové rozdíly mezi střídavými a stejnosměrnými můstky

DC můstek se používá k měření neznámého odporu obvodu.

AC můstek používá střídavé napájení. DC můstek používá pro měření odporu stejnosměrné napájení.

V AC můstku je proud detekován pomocí AC detektoru. V DC můstku je proud detekován pomocí DC detektoru.

Odporové a reaktivní komponenty se používají v AC můstkovém obvodu, zatímco v DC obvodu se používají pouze odporové komponenty.

U střídavých můstků se používá Wagnerovo uzemňovací zařízení k odstranění parazitní kapacity z obvodu. Tento typ uzemnění rovněž snižuje harmonické frekvence a chyby, ke kterým dochází v důsledku rozptýleného magnetického pole. Uzemňovací zařízení Wagner se v obvodu stejnosměrného můstku nepoužívá.

AC můstky se rychleji dostávají do rovnovážného stavu, zatímco DC můstky potřebují poměrně více času, než přijdou do rovnovážného stavu.

Historie

V roce 1833 publikoval Samuel Hunter Christie (1784 – 1865) svou „diamantovou“ metodu, předchůdce Wheatstoneova můstku, v článku o magnetických a elektrických vlastnostech kovů, jako metodu pro porovnání odporu drátů různých tlouštěk. Metoda však zůstala neuznána až do roku 1843, kdy ji Sir Charles Wheatstone (1802 – 1875) v jiné práci pro Královskou společnost navrhl pro měření odporu v elektrických obvodech. Ačkoli Wheatstone metodu představil jako Christieho vynález, je nyní s tímto zařízením spojeno jeho jméno.

Wheatstoneův můstek

Měřicí můstek je složený ze čtyř impedancí a to tak, že tvoří uzavřený čtyřúhelník. Účelem můstku je zjišťovat impedanci R_x na místě jedné z nich. Přitom impedance R₂ je proměnlivá, aby se můstek dal vyrovnat. Při vyrovnaném můstku je úbytek napětí na R₁ a R₃ stejný (právě tak jako na R₂ a R_x), takže mezi body D a B není žádný rozdíl napětí. Galvanometrem v úhlopříčce DB tudíž neteče proud a nezaznamená žádnou výchylku.

Obr. 1. Wheatstoneův můstek

Upravené schéma Wheatstoneova můstku

Pro snížení parazitní kapacity a indukčnosti součástek jsou komponenty upraveny. Rezistor má například vybroušenu šroubovici na keramickém tělísku nebo je navinut odporovým drátem, stejně jako cívka. Pro zvětšení rozsahu se volí rezistory R3 a R4 tak, aby jejich poměr tvořil násobek např. 0,1 – 1 – 10 – 100 – 1000. Přesné nastavení se provádí přesnou odporovou dekádou R₂. V praxi bývá pro hrubé nastavení můstku zapojen ochranný rezistor R_p v sérii s nulovým indikátorem (galvanometrem) Ni. Tento rezistor se pro přesné vyvážení vyzkratuje (přemostí) pomocí tlačítka T, aby měřicí přístroj měřil s maximální citlivostí.

Obr. 2. Upravené schéma Wheatstoneova můstku

Můstek s operačními zesilovači

Výstup z můstku je veden přes dva sledovače signálu, které zajišťují impedanční přizpůsobení (velký vstupní a malý výstupní odpor). Tím jsou zajištěny stejné podmínky při měření rezistorů pro další zesilovací stupeň. Ten je tvořen třetím operačním zesilovačem. Zároveň je zvýšena i citlivost můstku o zesílení na tomto zesilovači. Toto zesílení lze přesně definovat pomocí čtveřice rezistorů. Rozsah těchto můstků je daný použitou odporovou dekádou a nejčastěji bývá od 0,1 do 10⁶ Ω. Přesnost odporových dekád bývá 0,02 % a dosažitelná přesnost měření je 0,06 %. Velký vstupní odpor operačních zesilovačů IO1 a IO2 zapojených jako sledovače signálů nezatěžuje měřicí můstek a malý výstupní odpor operačního zesilovače zajišťuje vyšší výkon zesilovače pro další zpracování a vyhodnocení vyváženosti můstku. Výhodou daného zapojení je možnost dalšího zesílení odchylky pomocí IO3 a rezistorů R1 a R2. Tím lze získat větší citlivost a přesnější vyvážení můstku.

Obr. 3. Můstek s operačními zesilovači 

Zdroje

[1] Wikipedia

[2] http://home.zcu.cz/~formanek/VYUKA/Data1/MT/mt-prednasky/K02mustek.pdf

[3] https://www.spslan.cz/images/PDF1314/rekvalifikace/mustek.pdf

[4] https://circuitglobe.com

[5] http://vyvoj.csvs.cz/projekty/2014_veda_pro_zivot/data/18_KA3_Jaroslav%20Zukerstein_Elektricka_mereni_metodicka_prirucka.pdf

[6] https://www.eeeguide.com/wagner-earth-connection/

[7] https://www.electricalengineeringinfo.com/2017/04/measurement-of-mutual-inductance-heaviside-mutual-inductance-bridge.html

[8] https://www.electrical4u.com/heaviside-bridge/

Měření kolem nás (29)