Verwendung der Wheatstone-Brücke zur Messung nichtelektrischer Größen

Die Wheatstone Bridge ist eine elektrische Schaltung zur Messung der Größe des elektrischen Widerstands. Dieses Schema wurde erstmals 1833 vom britischen Physiker Samuel Christie vorgeschlagen und 1843 vom Erfinder Charles Wheatstone verbessert. Das Funktionsprinzip dieses Schemas ähnelt der Wirkung mechanischer Apothekenwaagen, aber hier werden nicht die Kräfte ausgeglichen, sondern die elektrischen Potentiale.

Die Wheatstone-Brückenschaltung enthält zwei Zweige, deren Potentiale der mittleren Anschlüsse (D und B) während des Messvorgangs ausgeglichen werden. Einer der Zweige der Brücke enthält einen Widerstand Rx, dessen Widerstandswert bestimmt werden muss.

Der gegenüberliegende Zweig enthält einen Rheostat R2 - einstellbaren Widerstand. Zwischen den mittleren Schlussfolgerungen der Zweige leuchtet die G-Anzeige, bei der es sich um ein Galvanometer, ein Voltmeter, eine Nullanzeige oder ein Amperemeter handeln kann.

Während des Messvorgangs wird der Widerstand des Rheostaten allmählich geändert, bis der Indikator Null anzeigt. Dies bedeutet, dass die Potentiale der Mittelpunkte der Brücke, zwischen denen sie verbunden ist, gleich sind und die Potentialdifferenz zwischen ihnen Null ist.

Wenn der Pfeil des Indikators (Galvanometers) von Null auf die eine oder andere Seite abweicht, bedeutet dies, dass Strom durch ihn fließt und die Brücke daher noch nicht im Gleichgewicht ist. Wenn der Indikator genau Null ist, ist die Brücke ausgeglichen.

Wenn das Verhältnis der oberen und unteren Widerstände in der linken Schulter der Brücke gleich dem Verhältnis der Widerstände der rechten Schulter der Brücke ist, tritt das Gleichgewicht (oder Gleichgewicht) der Brücke offensichtlich einfach aufgrund der Nullpotentialdifferenz zwischen den Anschlüssen des Galvanometers auf.

Und wenn die Werte der drei Brückenwiderstände (einschließlich des Stromwiderstands des Rheostaten) zuerst mit einem ausreichend kleinen Fehler gemessen werden, wird der gewünschte Widerstand Rx mit ausreichend hoher Genauigkeit gefunden. Es wird angenommen, dass der Widerstand des Galvanometers vernachlässigt werden kann.

Die Wheatstone-Brücke ist im Wesentlichen universell und eignet sich nicht nur zur Messung der Widerstände von Widerständen, sondern auch Um eine Vielzahl nichtelektrischer Parameter zu finden, reicht es aus, wenn der nichtelektrische Größensensor selbst resistiv ist.

Dann kann der Widerstand des Sensorelements, der sich unter einem nicht elektrischen Effekt darauf ändert, unter Verwendung der Wheatstone-Brückenschaltung gemessen werden, und die entsprechende nicht elektrische Größe kann somit mit einem kleinen Fehler gefunden werden.

Somit kann man den Wert des Wertes finden: mechanische Verformung (Dehnungsmessstreifen), Temperatur, Beleuchtung, Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Feuchtigkeit und sogar die Zusammensetzung des Stoffes.

Messgeräte auf der Basis von Wheatstone-Brücken messen normalerweise von einer Brückeüber Analog-Digital-Wandlerverbunden mit einem digitalen Computergerät, wie einem Mikrocontroller mit einem eingebauten Programm, das eine Linearisierung durchführt (nichtlineare Daten durch ungefähre lineare Daten ersetzt), die empfangenen Daten skaliert und in einen numerischen Wert der gemessenen nichtelektrischen Größe in geeigneten Einheiten umwandelt sowie Fehlerkorrekturen und Ausgaben in einem lesbaren Digital Form.

Zum Beispiel arbeiten Bodenwaagen grob nach diesem Prinzip. Darüber hinaus kann die Oberschwingungsanalyse sofort mit Softwaremethoden usw. durchgeführt werden.

Die sogenannten Dehnungsmessstreifen (Widerstandssensoren für mechanische Beanspruchung) werden in elektronischen Waagen, in Dynamometern, Manometern, Torsiometern und Tensometern eingesetzt.

Der Dehnungsmessstreifen wird einfach auf das verformbare Teil geklebt, befindet sich in der Schulter der Brücke, während die Spannung in der Diagonale der Brücke proportional zur mechanischen Beanspruchung ist, auf die der Sensor reagiert - sein Widerstand ändert sich.

Messen Sie mit dem Ungleichgewicht der Brücke die Größe dieses Ungleichgewichts und ermitteln Sie so beispielsweise das Gewicht eines Körpers. Der Sensor kann übrigens auch piezoelektrisch sein, wenn eine schnelle oder dynamische Verformung gemessen wird.

Wenn die Temperatur gemessen werden muss, werden Widerstandssensoren verwendet, deren Widerstand sich mit der Temperatur des untersuchten Körpers oder Mediums ändert. Der Sensor kommt möglicherweise nicht einmal mit dem Körper in Kontakt, sondern nimmt Wärmestrahlung wahr, wie sie bei bolometrischen Pyrometern auftritt.

Das Funktionsprinzip eines bolometrischen Pyrometers basiert auf einer Änderung des elektrischen Widerstands eines wärmeempfindlichen Elements aufgrund seiner Erwärmung unter dem Einfluss eines absorbierten Flusses elektromagnetischer Energie. Eine dünne Platinplatte, die zur besseren Absorption von Strahlung geschwärzt ist, erwärmt sich aufgrund ihrer geringen Dicke unter dem Einfluss von Strahlung schnell und ihr Widerstand nimmt zu.

In ähnlicher Weise arbeiten Widerstandsthermometer mit einem positiven Temperaturkoeffizienten und Thermistoren mit einem negativen Temperaturkoeffizienten auf der Basis von Halbleitern.

Wenn die Temperatur indirekt geändert wird, können Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Durchflussrate einer Flüssigkeit oder eines Gases, Konzentration von Komponenten eines Gasgemisches usw. gemessen werden. Indirekte Messungen dieser Art werden in der Gaschromatographie und in thermokatalytischen Sensoren verwendet.

Fotowiderstände ändern ihren Widerstand unter dem Einfluss von Beleuchtung, und spezielle Widerstandssensoren werden verwendet, um den Fluss ionisierender Strahlung zu messen.

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