Wheatstone tilta izmantošana neelektrisko daudzumu mērīšanai

Wheatstone Bridge ir elektriskā ķēde, kas paredzēta, lai izmērītu elektriskās pretestības lielumu. Šo shēmu pirmo reizi ierosināja britu fiziķis Samuels Kristians 1833. gadā, un 1843. gadā to pilnveidoja izgudrotājs Čārlzs Vatstone. Šīs shēmas darbības princips ir līdzīgs mehānisko aptieku svaru darbībai, taču šeit izlīdzina nevis spēki, bet gan elektriskie potenciāli.

Wheatstone tilta shēmā ir divas filiāles, kuru vidējā spailes (D un B) potenciāli tiek izlīdzināti mērīšanas procesā. Vienā no tilta zariem ietilpst rezistors Rx, kura pretestības vērtība ir jānosaka.

Pretējā zarā ir reostats R2 - regulējama pretestība. Starp filiāļu vidējiem secinājumiem ir ieslēgts G indikators, kas var būt galvanometrs, voltmetrs, nulles indikators vai ampērmetrs.

Mērīšanas laikā reostata pretestība tiek pakāpeniski mainīta, līdz indikators rāda nulli. Tas nozīmē, ka tilta viduspunktu, starp kuriem tas ir savienots, potenciāli ir vienādi viens ar otru, un potenciālu starpība starp tiem ir nulle.

Ja indikatora (galvanometra) bultiņa ir novirzīta uz nulli uz vienu vai otru pusi, tas nozīmē, ka caur to plūst strāva, un tāpēc tilts vēl nav līdzsvarā. Ja indikators ir precīzi nulle, tilts ir līdzsvarots.

Acīmredzot, ja tilta kreisā pleca augšējās un apakšējās pretestības attiecība ir vienāda ar tilta labā pleca pretestību attiecību, tilta līdzsvars (vai līdzsvars) rodas vienkārši nulles potenciālās starpības starp galvanometra spailēm dēļ.

Un, ja trīs tilta pretestību vērtības (ieskaitot reostata strāvas pretestību) vispirms mēra ar pietiekami mazu kļūdu, tad vēlamo pretestību Rx atrod ar pietiekami augstu precizitāti. Tiek uzskatīts, ka galvanometra pretestību var neņemt vērā.

Wheatstone tilts būtībā ir universāls, un tas ir izmantojams ne tikai rezistoru pretestības mērīšanai, bet arī lai atrastu dažādus neelektriskos parametrus, pietiek ar to, ka pats neelektriskais magnitūda sensors ir pretestīgs.

Tad sensora elementa pretestību, mainoties tā neelektriskajai iedarbībai, var izmērīt, izmantojot Wheatstone tilta shēmu, un tādējādi atbilstošu neelektrisko daudzumu var atrast ar nelielu kļūdu.

Tādējādi var atrast vērtības vērtību: mehāniskā deformācija (deformācijas mērinstrumenti), temperatūra, apgaismojums, siltumvadītspēja, siltumietilpība, mitrums un pat vielas sastāvs.

Mērinstrumenti, kuru pamatā ir Wheatstone tilta tilpums, parasti tiek nolasīti no tiltaizmantojot analogo-digitālo pārveidotājusavienots ar digitālo skaitļošanas ierīci, piemēram, mikrokontrolleri ar iebūvētu programmu, kas veic linearizāciju (nelineārus datus aizvieto ar aptuveniem lineāriem), saņemto datu mērogošanu un konvertēšanu izmērītā neelektriskā daudzuma skaitliskajā vērtībā atbilstošās vienībās, kā arī kļūdu labošanu un izvadi lasāmā digitālā forma.

Piemēram, grīdas svari aptuveni darbojas pēc šī principa. Turklāt harmonisku analīzi var veikt uzreiz, izmantojot programmatūras metodes utt.

Tā sauktos deformācijas mērītājus (mehāniskā sprieguma pretestības sensorus) izmanto elektroniskajos svaros, dinamometros, manometros, torsometros un tenzometros.

Deformācijas mērītājs tiek vienkārši pielīmēts pie deformējamās daļas, ir iekļauts tilta plecā, savukārt spriegums tilta diagonālē būs proporcionāls mehāniskajam spriegumam, uz kuru sensors reaģē - tā pretestība mainās.

Ar tilta nelīdzsvarotību izmēriet šīs nelīdzsvarotības pakāpi un tādējādi atrodiet, piemēram, ķermeņa svaru. Sensors, starp citu, var būt arī pjezoelektrisks, ja mēra ātru vai dinamisku deformāciju.

Kad nepieciešams izmērīt temperatūru, tiek izmantoti pretestības sensori, kuru pretestība mainās atkarībā no pētāmā ķermeņa vai barotnes temperatūras. Sensors var pat nesaskarties ar ķermeni, bet drīzāk uztvert termisko starojumu, kā tas notiek bolometriskajos pirometros.

Bolometriskā pirometra darbības princips ir balstīts uz termosensitīva elementa elektriskās pretestības izmaiņām, kas rodas tā sildīšanas dēļ absorbētas elektromagnētiskās enerģijas plūsmas ietekmē. Plāna platīna plāksne, kas melna, lai labāk absorbētu starojumu, ātri sasilst, pateicoties mazajam biezumam radiācijas ietekmē, un tā pretestība palielinās.

Līdzīgā veidā darbojas pretestības termometri ar pozitīvu temperatūras koeficientu un termistori ar negatīvu temperatūras koeficientu, kuru pamatā ir pusvadītāji.

Ja temperatūra tiek mainīta netieši, ir iespējams izmērīt siltuma vadītspēju, siltuma jaudu, šķidruma vai gāzes plūsmas ātrumu, gāzes maisījuma sastāvdaļu koncentrāciju utt. Netiešus šāda veida mērījumus izmanto gāzu hromatogrāfijā un termokatalītiskos sensoros.

Fotorezistori maina savu pretestību apgaismojuma ietekmē, un jonizējošā starojuma plūsmas mērīšanai tiek izmantoti specializēti pretestības sensori.

Kā izmantot fotorezistorus, fotodiodes un fototransistorus

Analogie sensori: pielietojums, savienojuma metodes ar kontrolieri

Analogo sensoru pievienošana Arduino, lasīšanas sensori

Temperatūras un mitruma mērīšana Arduino - metožu izvēle

Kā sakārtotas un darbojas ierīces pretestības mērīšanai