השימוש בגשר הוויטסטון למדידת כמויות לא חשמליות

גשר Wheatstone הוא מעגל חשמלי שנועד למדוד את גודל ההתנגדות החשמלית. תוכנית זו הוצעה לראשונה על ידי הפיזיקאי הבריטי סמואל כריסטי בשנת 1833, ובשנת 1843 שופרה על ידי הממציא צ'ארלס וויטסטון. עקרון הפעולה של תכנית זו דומה לפעולה של מאזני בית מרקחת מכניים, אך לא הכוחות שמשווים כאן, אלא הפוטנציאלים החשמליים.

מעגל הגשר Wheatstone מכיל שני ענפים, כאשר הפוטנציאלים של המסופים האמצעיים (D ו- B) שווים במהלך תהליך המדידה. אחד מענפי הגשר כולל נגן Rx, אשר יש לקבוע את ערך ההתנגדות אליו.

הענף הנגדי מכיל התנגדות rheostat R2 הניתנת להתאמה. בין המסקנות האמצעיות של הענפים, מחוון G דולק, שיכול להיות גלוונומטר, מד מתח, מחוון אפס או מד זרם.

במהלך תהליך המדידה משתנה בהדרגה ההתנגדות של הראוסטט עד שהמחוון מראה אפס. המשמעות היא שהפוטנציאלים של נקודות האמצע של הגשר שביניהם הוא מחובר שווים זה לזה, וההבדל הפוטנציאלי ביניהם הוא אפס.

כאשר חץ המחוון (גלווניומטר) סטה לצד זה או אחר מאפס, המשמעות היא שהזרם זורם דרכו, ולכן הגשר עדיין לא נמצא באיזון. אם המחוון אפס בדיוק, הגשר מאוזן.

ברור שאם היחס בין ההתנגדות העליונה והתחתונה בכתף ​​שמאל של הגשר שווה ליחס בין ההתנגדות של הכתף הימנית של הגשר, האיזון (או שיווי המשקל) של הגשר מתרחש פשוט בגלל הפרש הפוטנציאל האפס בין מסופי הגלוונומטר.

ואם הערכים של שלוש ההתנגדות לגשר (כולל ההתנגדות הנוכחית של הראוסטט) נמדדים תחילה בשגיאה קטנה מספיק, אזי ההתנגדות הרצויה Rx תימצא ברמת דיוק גבוהה מספיק. ההערכה היא כי ניתן להזניח את התנגדות הגלוונומטר.

גשר הוויטסטון הוא אוניברסלי במהותו, והוא מיושם לא רק למדידת ההתנגדות של נגדים, אלא גם כדי למצוא מגוון של פרמטרים לא חשמליים, די בכך שחיישן העוצמה הלא-חשמלי עצמו יהיה התנגדות.

ואז ניתן למדוד את ההתנגדות של גוף החיישן, המשתנה תחת השפעה לא חשמלית עליו, באמצעות מעגל הגשר Wheatstone, ובכך ניתן למצוא את הכמות הלא-חשמלית המתאימה עם שגיאה קטנה.

כך ניתן למצוא את ערך הערך: דפורמציה מכנית (מודדי מתח), טמפרטורה, תאורה, מוליכות תרמית, יכולת חום, לחות ואפילו הרכב החומר.

מכשירי מדידה מבוססי גשר Wheatstone בדרך כלל מבצעים קריאות מגשרבאמצעות ממיר אנלוגי לדיגיטלימחובר למכשיר מחשוב דיגיטלי, כמו בקר מיקרו עם תוכנית מובנית המבצעת לינאריזציה (החלפת נתונים לא ליניאריים עם נתונים ליניאריים משוערים), שינוי גודל והמרת הנתונים שהתקבלו לערך מספרי של הכמות הלא חשמלית שנמדדה ביחידות מתאימות, כמו גם תיקון שגיאה ופלט ביחס דיגיטלי קריא טופס.

לדוגמא, סולמות רצפה עובדים בערך על עיקרון זה. בנוסף ניתן לבצע ניתוח הרמוני באופן מיידי בשיטות תוכנה וכו '.

מדידות המתח כביכול (חיישני התנגדות ללחץ מכני) משמשות במאזניים אלקטרוניים, בדינמומטרים, במונומטרים, בטורומומטרים ובטרומטרים.

מד המתח מודבק בפשטות על החלק המעוות, כלול בכתף ​​הגשר, ואילו המתח באלכסון הגשר יהיה פרופורציונלי ללחץ המכני אליו מגיב החיישן - ההתנגדות שלו משתנה.

בעזרת חוסר האיזון של הגשר, מדוד את גודל חוסר האיזון הזה, וכך מצא למשל את משקלו של גוף. החיישן, אגב, יכול להיות גם פיזואלקטרי אם נמדד עיוות מהיר או דינמי.

כאשר יש צורך למדוד את הטמפרטורה משתמשים בחיישנים התנגדים אשר ההתנגדות שלהם משתנה עם הטמפרטורה של הגוף או המדיום הנחקר. החיישן אפילו לא בא במגע עם הגוף, אלא תופס קרינה תרמית, כמו שקורה בפירומטרים בולומטריים.

עקרון הפעולה של פירומטר בולומטרי מבוסס על שינוי בהתנגדות החשמלית של אלמנט תרמו-רגיש, עקב חימוםו תחת השפעה של זרימה נספגת של אנרגיה אלקטרומגנטית. פלטת פלטינה דקה, מושחרת לספיגה טובה יותר של הקרינה, מתחממת במהירות בגלל עוביה הקטן בהשפעת הקרינה והתנגדותה עולה.

באופן דומה פועלים מדי חום התנגדות עם מקדם טמפרטורה חיובי וטרמיסטורים עם מקדם טמפרטורה שלילי המבוסס על מוליכים למחצה.

כאשר הטמפרטורה משתנה בעקיפין, ניתן למדוד מוליכות תרמית, יכולת חום, קצב זרימת נוזל או גז, ריכוז רכיבים של תערובת גז וכו '. מדידות עקיפות מסוג זה משמשות בכרומטוגרפיה של הגז ובחיישנים תרמו-קטליטיים.

פוטורסיסטורים משנים את ההתנגדות שלהם תחת השפעת תאורה, וחיישני התנגדות מיוחדים משמשים למדידת זרימת הקרינה המייננת.

כיצד להשתמש בצילומי-חיישן, פוטודיודות ופוטו-טרנזיסטורים

חיישנים אנלוגיים: יישום, שיטות חיבור לבקר

חיבור חיישנים אנלוגיים לארדואינו, חיישני קריאה

מדידת טמפרטורה ולחות על ארדואינו - מבחר שיטות

כיצד מסדרים ועובדים מכשירים למדידת התנגדות