Danas je nabavljen mjerni most Konstanz- Meßbrücke Rel 3R 119b njemačkog proizvođača Siemens iz 1950-tih godina. Tvrtku Siemens je 1847. godine osnovao njemački izumitelj Werner von Siemens te se do danas razvila u jednu od vodećih svjetskih tvrtki na području elektronike, elektrotehnike, telekomunikacija i drugih srodnih grana tehnike.
Za naš mjerni most nismo našli nikakve podatke, čak nisam uspio ni povezati na kakav mjerni most se ovdje odnosi njemački pojam „Konstanz“. No, kao što ćemo kasnije vidjeti, ovaj mjerni most se bazira na posebno konstruiranim preciznim dekadskim induktivnim djeliteljima napona u Kelvin-Varley spoju. Takav most se može koristi jednako za mjerenje otpora, induktiviteta ili kapaciteta metodom usporedbe sa poznatim (standardnim, etalonskim) otporom, induktivitetom ili kapacitetom. Mogli bi reći da je ovo svojevrsni RLC metar koji radi na principu mjerenja razlike između poznatog i nepoznatog elementa spojenog na priključnice N i X. Osim toga, ovakvi mostovi se mogu koristiti i za mjerenje pojačanja i faznog pomaka pojačala, kao i za mjerenje omjera transformacije nekog transformatora.
Konstanz- Meßbrücke Rel 3R 119b je samo pasivni dio mosta (L i R promjenjivi elementi), a za njegovo kompletiranje je na priključnicu „≈“ potrebno dovesti izmjenični napon za napajanje mosta u rasponu 0,8 – 30 kHz, dok na priključnicu „Empfänger“ treba spojiti neki indikacijski instrument. Kod mjernih mostova je poželjno da mjerni napon/struja budu što je moguće manji jer će tada i negativne (parazitske) pojave koje utječu na preciznost mosta biti manje. Veličina mjernog napona u praksi najviše ovisi o osjetljivosti priključenog mjernog nul-instrumenta koji se koristi za praćenje ravnoteže mosta te se tokom mjerenja može mijenjati kako bi se dobio najbolji odziv kazaljke instrumenta.
Tvrtka Siemens je inače u 1950/60-tim godinama proizvela nekoliko desetaka različitih mjernih mostova dizajna vrlo sličnog poput ovog našeg (serija Rel 3R). Za svako osnovno mjerenje (otpor, induktivitet i kapacitet), ovisno o metodi mjerenja i specifičnim zahtjevima, do 1950-tih godina je već razvijen i usavršen veliki broj različitih mjernih mostova izvedenih u puno namjenskih inačica. Stoga je uvijek zanimljivo upoznati praktičnu konstrukciju nekog tipa mjernog mosta, jer unatoč tome što se baziraju na sličnim principima, svi oni se međusobno ipak i razlikuju po nekim svojim specifičnostima.
Formula također ukazuje da se ovdje mjerenje vrši usporednom metodom. Oznaka X se odnosi na nepoznatu komponentu spojenu na priključnicu X u jednoj grani mosta, a oznaka N na etalonsku komponentu spojenu na priključnicu N u drugoj grani mosta. Razlika između ove dvije komponente očituje se u omjeru vrijednosti dobivenih traženjem ravnoteže mosta preko promjenjivih elemenata mjernog mosta.
Evo kako je tekao proces upoznavanja ovog mjernog mosta, s obzirom da prema oznakama na prednjoj ploči nismo mogli zaključiti ništa konkretno, niti čemu točno služi, niti na kojem principu radi. Također, na šasiji su ugrađene namjenske Siemensove komponente u metalnim oklopima za koje možemo pretpostaviti da su zavojnice, transformatori ili slični induktiviteti, no to ne govori puno ako ne otkrijemo njihovu unutrašnju konstrukciju. Stoga je prvo trebalo identificirati sve komponente unutar metalne šasije.
Ovdje se vide svi elementi mjernog mosta. U gornjem odjeljku je transformator za odvajanje (prilagodbu impedancije) generatora za napajanje mosta (0,8 – 30 kHz), u sredini su blokovi dekadskih induktivnih djelitelja napona, a u donjoj pregradi su promjenjivi otpornici za kompenzaciju omske komponente otpora mjernih zavojnica.
Ovo su kontrole sa promjenjivim otpornicima: dva potenciometra i jedan 23-položajni otpornički djelitelj napona. Treba pretpostaviti da su potenciometri izvedeni sa motanom otpornom žicom što znači da na izmjeničnoj struji pokazuju i neki induktivni otpor.
Transformator za odvajanje (prilagodbu impedancije) isti je za uvođenje izmjeničnog napona napajanja mosta, kao i za spajanje mjernog instrumenta (indikatora). Ima odvojene primarne od sekundarnog namotaja. Za potpuno rastavljanje i vađenje iz metalnog oklopa morali bi razlemiti sve povezne žice.
Izvedba jednog dekadskog induktivnog djelitelja napona, koliko smo mogli rastvoriti željezni oklop, a da ne odlemljujemo sve izlazne žice.
U praksi je naravno nemoguće konstruirati posve idealan transformator bez gubitaka i koji će imati posve konstantan magnetizam i induktivitet u svim uvjetima primjene. Međutim, moguće se približiti vrlo blizu tome. Kod preciznih induktivnih djelitelja napona koriste se posebni materijali te izvedbe jezgri i namota kako bi karakteristike bile što bliže idealnima u specificiranim uvjetima rada. Visoka preciznost se postiže tako što se deset vodiča istog presjeka prvo međusobno ispreplete (uvije), zatim se ta pletenica omota oko posebno konstruirane jezgre dobre magnetske vodljivosti, a onda se krajevi vodiča u pletenici spoje u seriju sa izvedenim odvojcima na svakom spoju. Time je osigurano da je svaki zasebni vodič omotan oko jezgre (zavojnica) potpuno jednake duljine i jednakog promjera motanja te se unutar jezgre nalazi u potpuno jednakom magnetskom toku. Ovime se postiže da je pogreška manja od 0,00001%.
Način motanja zavojnica u dekadskom induktivnom djelitelju napona (koliko smo uspjeli snimiti). Jasno se vidi upletenih u našem slučaju 11 žica, a ta pletenica je zatim omotana oko jezgre. Time je osigurana ista duljina, dimenzije i ista jačina magnetskog toka za svaku pojedinačnu žicu pletenice, koja čini jednu zavojnicu auto-transformatora.
Dvostruke višepolne sklopke (12 i 14 polova) preklapaju omjere transformacija u pojedinim induktivnim dekadskim blokovima.
U našem slučaju, prvi dekadski transformator ima dodatne tri zavojnice na početku kako bi omjer transformacije išao i malo u „minus“, a preostala tri imaju dodanu jednu zavojnicu na kraju kako bi omjer transformacije išao u „minus“ što svakako olakšava neka mjerenja, odnosno traženje ravnoteže mosta. Nakon četiri induktivne dekade slijedi jedan fiksni auto-transformator.
Fiksni auto-transformator nakon posljednje induktivne dekade.
Posebno je ovdje zanimljiva posljednja, najfinija kontrola za uravnoteženje mosta (x 0,00001). To je zapravo žičani otpornik malog otpora (100 Ω) motan poput zavojnice, koji onda osim omskog ima izražen i induktivni otpor na izmjeničnoj struji. Ovaj potenciometar je također u spoju djelitelja napona kao i prethodne dekade. Isto tako je i njegova skala izvedena sa finim podjelama od 1 – 11. S obzirom da ovakav potenciometarski „induktivno-otpornički“ djelitelj napona ima dosta izraženu omsku komponentu otpora, nju je potrebno kompenzirati na suprotnoj strani mosta. Tome vjerojatno služe promjenjivi otpornici iznad kojih je natpis „Abgleich der Wirkwiderstandsdifferenz Δ Rw“ a koji se može prevesti kao „usklađivanje razlike djelatnog otpora“.
Maksimalna frekvencija za naš mjerni most je 30 kHz jer nakon toga postaje sve više izražen i parazitski kapacitet, odnosno utjecaj kapacitivnih struja koje teku između namotaja. Danas se izrađuju induktivni dekadski djelitelji napona koji zadržavaju točnost i pri frekvencijama većim od 1 MHz.
Djelitelj napona u posljednjem stupnju dijeljenja je potenciometar sa otpornom žicom motanom u obliku zavojnice. Njemačka tvrtka Preh je osnovana 1919. godine i u početku se bavila proizvodnjom elektroinstalacijskih komponenti. Sa razvojem radio tehnike tvrtka proširuje proizvodnju na potenciometre za radio aparate, te potenciometarske memorije marke “Prehomat” i “Prehostat” za odabir kanala na TV aparatima. Uz to tvrtka Preh proizvodi i širok izbor konektora za elektroničke uređaje. Krajem 1980-tih godina tvrtka ulazi u automobilsku elektroniku gdje je i danas aktivna na tržištu.
Sada kada smo identificirali sve komponente mosta, moramo nacrtati njegovu električnu shemu.
Pojednostavljena shema dijela mosta sa induktivnim djeliteljima napona.
Na shemama možemo vidjeti kako su dekadski induktivni djelitelji napona zapravo precizni auto-transformatori. Vidimo da se izlaz (sekundar) iz svake dekade nadovezuje na primar slijedeće dekade, čime taj primar predstavlja određeno opterećenje na sekundaru prethodne dekade. No također treba primijetiti i da je ulazna impedancija svake dekade daleko veća od izlazne impedancije. Ulazna impedancija uključuje najmanje 10 zavojnica, a izlazna samo jednu, što na izmjeničnoj struji čini vrlo veliku razliku impedancija. Tako je opterećenje svake naredne dekade na prethodnu minimalno, te više spojenih dekada može unijeti tek neku malu dodatnu pogrešku glede ukupne točnosti djelitelja. Posljednji fiksni auto-transformator također brine o prilagodbi impedancije (opterećenja) na posljednji potenciometarski djelitelj napona.
Promatrano sa druge strane, ovakav sklop je zapravo svojevrsni analogno-digitalni pretvornik jer se ulazna analogna veličina napona raspoređuje ili razdvaja na dekadski niz.
Maksimalno pojednostavljena principijelna shema našeg mjernog mosta.
Mjerni mostovi mogu biti izvedeni sa različitim kombinacijama otpornika, zavojnica i kondenzatora u mjernim granama. Ti osnovni RLC elementi mogu u mjerne grane biti raspoređeni mješovito ili se u sve četiri grane mosta nalaze iste komponente. Čak što više, moguće su i kombinacije (paralelni spojevi) više takvih mostova sa različitim RLC elementima. Najpoznatiji čisti LR mjerni mostovi su Maxwell induktivni most, te Campbell i Heaviside mjerni mostovi, no mostovi sa dekadskim induktivnim djeliteljima napona su zasebna kategorija jer rade na principu usporedbe. Osim induktivnih, djelitelji napona mogu biti i otpornički. Mostovi s otpornicima su pogodniji za istosmjerna i nisko-frekvencijska izmjenična mjerenja, dok se za više frekvencije koriste induktivni mostovi. Sve ovisi o samoj namjeni mosta i zahtjevima koje mora ispuniti.
Siemens Konstanz- Meßbrücke Rel 3R 119b se čini prilično složenim mjernim mostom, sa puno namjenski izrađenih induktiviteta i preklopnika. Sve je izrađeno u visokoj mehaničkoj kvaliteti i električki oklopljeno tako da ovakav mjerni most sigurno nije bio jeftin. No, inženjeri toga doba su sasvim sigurno znali što dizajniraju, koja će biti namjena tog mjernog mosta, koji zahtjevi i kriteriji moraju biti svakako ispunjeni, te su bez sumnje iznašli najbolje moguće rješenje koje je tehnologija u to vrijeme omogućavala. Na nama je da sada pokušamo odgonetnuti te neke tajne dobre stare elektronike i naučiti ponešto o sklopovima koje, čini se, danas uzimamo možda malo previše „zdravo za gotovo“ 🙂