Мосты постоянного тока в равновесном режиме

Мосты постоянного тока, работающие в равновесном режиме (в дальнейшем - равновесные мосты), относятся к средствам измерения сравнения и предназначены для измерения сопротивления. Cхема равновесного моста постоянного тока приведена на рис. 40 а). Этот мост называется одинарным мостом и предназначен для измерения сопротивлений от единиц Ом до  Ом. Для измерения малых сопротивлений от  до 50 Ом применяется двойной мост, схема которого представлена на рис. 40 б).

Рассмотрим вначале свойства одинарного моста.

Измеряемое сопротивление  включается в одно из плеч моста, и процесс измерения заключается в том, что изменением сопротивления, стоящего в другом плече, например, сопротивления , добиваются равновесия моста, то есть такого состояния, при котором в диагонали моста

ВС ток не идет. Для индикации этого состояния в диагональ ВС, называемую измерительной диагональю, включается высокочувствительный микроамперметр, выполняющий функцию нуль-индикатора (НИ). Ключ К предназначен для кратковременного включения нуль-индикатора в диагональ, поскольку при значительном отличии от равновесия длительное включение НИ может привести к выходу его из строя.

Равновесие моста наступит тогда, когда падения напряжений на плечах АВ и АС сравняются, то есть, когда

                              ,

где Е - напряжение питания моста.

Из этого равенства следует

                     ,

откуда получаем условие отсутствия тока в измерительной диагонали, то есть условие равновесия моста

                                       .                                            (30)

Значения сопротивлений  известны, поэтому значение измеряемого сопротивления вычисляется по формуле

                                       .                                              (31)

Обычно в серийных мостах с ручным уравновешиванием сопротивления  подбираются так, чтобы отношение , где k - целое число, положительное,  отрицательное или 0. Тем самым обеспечивается удобство отсчитывания значения измеряемого сопротивления в десятичном коде по шкале значений регулируемого сопротивления . В мостах с автоматическим уравновешиванием под управлением компьютера отношение .

Как следует из (30), (31), условия равновесия не зависят от напряжения питания моста. Но это не значит, что это напряжение может быть сколь угодно малым, поскольку при уменьшении напряжения питания уменьшается чувствительность моста, то есть при ограниченной чувствительности нуль-индикатора возрастает неопределенность в определении состоянии равновесия, а это, в свою очередь, приводит к росту аддитивной погрешности результата измерений. Поэтому с целью увеличения чувствительности моста следует повышать напряжение питания. Однако, при этом возрастают токи, сопротивления нагреваются этими токами, и их значения меняются, в результате чего возрастает погрешность измерений. Поэтому повышать напряжение питания можно только до уровня, при котором перегрев сопротивлений плеч не приводит к росту погрешности, вызванной этим перегревом. Кроме того чувствительность моста зависит от соотношения сопротивлений плеч. Максимальной чувствительностью обладает равноплечий мост, то есть мост, у которого значения сопротивлений плеч одинаковы. 

Существенные трудности возникают при необходимости измерений малых сопротивлений, значения которых составляют единицы и доли Ом. Подобными сопротивлениями обладают мощные электрические двигатели и генераторы, трансформаторы и другие агрегаты.

Эти трудности вызваны следующими обстоятельствами:

- если измеряемое сопротивление составляет десятые и сотые доли Ом, то для того, чтобы падение напряжения на плече АВ моста достигло единиц вольт, необходимо пропустить через него ток порядка десятков и сотен ампер соответственно, но при этом сопротивление  также должно быть малым, ибо в противном случае на нем будет выделяться недопустимо большая мощность,

- для обеспечения приемлемой чувствительности моста необходимо, чтобы сопротивления  имели значения одного порядка с значениями сопротивления ,

- погрешность регулировки и отсчитывания значений сопротивления , равного десятым и сотым долям Ом, недопустимо велика из-за влияния нестабильного сопротивления контактов и соединительных проводов, значения которых могут даже превышать значение измеряемого напряжения.

Поэтому для указанной цели одинарный мост непригоден, и для измерения малых сопротивлений применяется двойной мост, схема которого представлена на рис. 40 б).

Большой ток, необходимый для создания значительного напряжения на измеряемом сопротивлении, пропускается по цепи ‘1, 4, 5, 8’. В этой цепи включено образцовое высокоточное сопротивление , значение которого сопоставимо с значением измеряемого сопротивления, и в нее включается измеряемое сопротивление. Эти два сопротивления соединены толстой медной шиной с ничтожно малым сопротивлением. Контакты ‘1, 4, 5, 8’ - токовые контакты сопротивлений, контакты ‘2, 3, 6, 7’ - потенциальные контакты (зажимы). О цели разделения контактов на токовые и потенциальные см. п. 4.8.2.

При достижении равновесия моста

                     .

Источники погрешностей измерений, выполняемых равновесными мостами:

- ограниченная чувствительность нуль-индикатора, порождает аддитивную погрешность измерений,

- погрешности в изготовлении резисторов моста, в том числе погрешность регулируемого резистора, нестабильность контактов переключателей регулируемого резистора вызывают мультипликативную погрешность измерений.

Метрологические характеристики равновесных мостов приведены в п. 5.3. Основная погрешность равновесных мостов нормируется, как относительная погрешность.