Η χρήση της γέφυρας Wheatstone για τη μέτρηση των μη ηλεκτρικών μεγεθών

Η Γέφυρα Wheatstone είναι ένα ηλεκτρικό κύκλωμα σχεδιασμένο για να μετρά το μέγεθος της ηλεκτρικής αντίστασης. Το σχέδιο αυτό προτάθηκε αρχικά από το βρετανικό φυσικό Samuel Christie το 1833, και το 1843 βελτιώθηκε από τον εφευρέτη Charles Wheatstone. Η αρχή της λειτουργίας αυτού του συστήματος είναι παρόμοια με τη δράση των μηχανικών κλιμάκων φαρμακοποιίας, αλλά δεν είναι οι δυνάμεις που εξισώνονται εδώ, αλλά οι ηλεκτρικές δυνατότητες.

Το κύκλωμα γέφυρας Wheatstone περιέχει δύο κλάδους, τα δυναμικά των μέσων ακροδεκτών (D και B) των οποίων εξισώνονται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μέτρησης. Ένας από τους κλάδους της γέφυρας περιλαμβάνει έναν αντιστάτη Rx, η τιμή αντίστασης του οποίου πρέπει να προσδιοριστεί.

Ο αντίθετος κλάδος περιέχει ένα ρεοστάτη R2 - ρυθμιζόμενη αντίσταση. Μεταξύ των μεσαίων συμπερασμάτων των κλάδων, ο δείκτης G είναι αναμμένος, ο οποίος μπορεί να είναι ένα γαλβανόμετρο, ένα βολτόμετρο, ένας μηδενικός δείκτης ή ένα αμπερόμετρο.

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μέτρησης, η αντίσταση του ρεοστάτη αλλάζει σταδιακά μέχρι ο δείκτης να μηδενιστεί. Αυτό σημαίνει ότι οι δυνατότητες των μεσαίων σημείων της γέφυρας μεταξύ της οποίας συνδέεται είναι ίσες μεταξύ τους και η δυνητική διαφορά μεταξύ τους είναι μηδενική.

Όταν το βέλος του δείκτη (γαλβανόμετρο) αποκλίνει από τη μία ή την άλλη πλευρά από το μηδέν, αυτό σημαίνει ότι ρέει ρεύμα διαμέσου αυτού και επομένως η γέφυρα δεν είναι ακόμη σε ισορροπία. Εάν η ένδειξη είναι ακριβώς μηδέν, η γέφυρα είναι ισορροπημένη.

Προφανώς, αν ο λόγος των ανώτερων και κατώτερων αντιστάσεων στον αριστερό ώμο της γέφυρας είναι ίσος με τον λόγο των αντιστάσεων του δεξιού ώμου της γέφυρας, η ισορροπία (ή ισορροπία) της γέφυρας συμβαίνει απλώς λόγω της μηδενικής διαφοράς δυναμικού μεταξύ των ακροδεκτών του γαλβανόμετρου.

Και αν οι τιμές των τριών αντιστάσεων γέφυρας (συμπεριλαμβανομένης της τρέχουσας αντίστασης του ρεοστάτη) μετρηθούν πρώτα με ένα αρκετά μικρό σφάλμα, τότε η επιθυμητή αντίσταση Rx θα βρεθεί με επαρκώς υψηλή ακρίβεια. Πιστεύεται ότι η αντίσταση του γαλβανόμετρου μπορεί να παραμεληθεί.

Η γέφυρα Wheatstone είναι ουσιαστικά καθολική και ισχύει όχι μόνο για τη μέτρηση των αντιστάσεων αντιστάσεων, αλλά και για τη μέτρηση για να βρει μια ποικιλία μη ηλεκτρικών παραμέτρων, αρκεί ο αισθητήρας μη ηλεκτρικών μεγεθών να είναι αντιστατικός.

Στη συνέχεια, η αντίσταση του στοιχείου αισθητήρα, που αλλάζει κάτω από ένα μη ηλεκτρικό αποτέλεσμα επάνω του, μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας το κύκλωμα γέφυρας Wheatstone και η αντίστοιχη μη ηλεκτρική ποσότητα μπορεί έτσι να βρεθεί με ένα μικρό σφάλμα.

Έτσι, μπορεί να βρεθεί η αξία της τιμής: μηχανική παραμόρφωση (μετρητές τάσης), θερμοκρασία, φωτισμός, θερμική αγωγιμότητα, θερμική ισχύς, υγρασία, ακόμη και η σύνθεση της ουσίας.

Τα όργανα μέτρησης που βασίζονται στη γέφυρα Wheatstone λαμβάνουν συνήθως αναγνώσεις από μια γέφυραμέσω αναλογικού προς ψηφιακό μετατροπέα(π.χ. αντικατάσταση μη γραμμικών δεδομένων με κατά προσέγγιση γραμμικά), κλιμάκωση και μετατροπή των λαμβανόμενων δεδομένων σε αριθμητική τιμή της μετρούμενης μη ηλεκτρικής ποσότητας σε κατάλληλες μονάδες, καθώς και διόρθωση και έξοδο σφάλματος σε αναγνώσιμη ψηφιακή συσκευή, όπως ένα μικροελεγκτή με ενσωματωμένο πρόγραμμα που εκτελεί γραμμική επεξεργασία μορφή.

Για παράδειγμα, οι κλίμακες δαπέδου εργάζονται σε μεγάλο βαθμό σε αυτήν την αρχή. Επιπλέον, η αρμονική ανάλυση μπορεί να πραγματοποιηθεί αμέσως χρησιμοποιώντας μεθόδους λογισμικού κ.λπ.

Οι λεγόμενοι μετρητές τάσης (αισθητήρες αντίστασης μηχανικής τάσης) χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές κλίμακες, σε δυναμόμετρα, μανόμετρα, τορσόμετρα και τανυόμετρα.

Ο μετρητής τάσης είναι απλώς κολλημένος στο παραμορφώσιμο τμήμα, περιλαμβάνεται στον ώμο της γέφυρας, ενώ η τάση στη διαγώνιο της γέφυρας θα είναι ανάλογη με τη μηχανική τάση που αντιδρά ο αισθητήρας - αλλάζει η αντίστασή του.

Με την ανισορροπία της γέφυρας, μετρήστε το μέγεθος αυτής της ανισορροπίας και, ως εκ τούτου, βρείτε το βάρος ενός σώματος. Ο αισθητήρας, παρεμπιπτόντως, μπορεί επίσης να είναι πιεζοηλεκτρικός εάν μετράται η γρήγορη ή δυναμική παραμόρφωση.

Όταν είναι απαραίτητη η μέτρηση της θερμοκρασίας, χρησιμοποιούνται αισθητήρες αντίστασης, η αντίσταση των οποίων ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία του σώματος ή του υπό μελέτη μέσου. Ο αισθητήρας μπορεί να μην έρχεται σε επαφή με το σώμα, αλλά αντιλαμβάνεται μάλλον τη θερμική ακτινοβολία, όπως συμβαίνει στα μπουλομετρικά πυρόμετρα.

Η αρχή της λειτουργίας ενός πυρομετρικού πυρομέτρου βασίζεται σε μια μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης ενός θερμοευαίσθητου στοιχείου λόγω της θέρμανσής του υπό την επίδραση μιας απορροφούμενης ροής ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Μια λεπτή πλάκα πλατίνας, μαυρισμένη για καλύτερη απορρόφηση της ακτινοβολίας, θερμαίνεται γρήγορα λόγω του μικρού πάχους της υπό την επίδραση της ακτινοβολίας και η αντίσταση της αυξάνεται.

Ομοίως, λειτουργούν θερμόμετρα αντίστασης με θετικό συντελεστή θερμοκρασίας και θερμίστορ με αρνητικό συντελεστή θερμοκρασίας που βασίζεται σε ημιαγωγούς.

Όταν η θερμοκρασία αλλάζει έμμεσα, είναι δυνατή η μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας, της θερμικής ικανότητας, του ρυθμού ροής ενός υγρού ή αερίου, της συγκέντρωσης των συστατικών ενός μείγματος αερίου κλπ. Οι έμμεσες μετρήσεις αυτού του είδους χρησιμοποιούνται στην αέρια χρωματογραφία και στους θερμοκαταλυτικούς αισθητήρες.

Οι φωτοαντιστάσεις αλλάζουν την αντοχή τους υπό την επίδραση του φωτισμού και χρησιμοποιούνται εξειδικευμένοι αισθητήρες αντίστασης για τη μέτρηση της ροής της ιονίζουσας ακτινοβολίας.

Πώς να χρησιμοποιήσετε φωτοαντιστάσεις, φωτοδίοδοι και φωτοτραντιστές

Αναλογικοί αισθητήρες: εφαρμογή, μέθοδοι σύνδεσης με τον ελεγκτή

Σύνδεση αναλογικών αισθητήρων με Arduino, ανάγνωση αισθητήρων

Μετρήστε τη θερμοκρασία και την υγρασία στο Arduino - μια επιλογή από τρόπους

Πώς διατάσσονται και λειτουργούν οι συσκευές μέτρησης αντοχής