Použití Wheatstoneova mostu pro měření neelektrických veličin

Wheatstone Bridge je elektrický obvod určený k měření velikosti elektrického odporu. Toto schéma bylo poprvé navrženo britským fyzikem Samuelem Christiem v roce 1833 a v roce 1843 bylo vylepšeno vynálezcem Charlesem Wheatstoneem. Princip fungování tohoto schématu je podobný působení mechanických farmaceutických vah, ale nejsou zde vyrovnány síly, ale elektrické potenciály.

Wheatstoneův můstkový obvod obsahuje dvě větve, jejichž potenciály středních terminálů (D a B) se během procesu měření vyrovnávají. Jedna z větví můstku obsahuje rezistor Rx, jehož hodnota odporu musí být stanovena.

Opačná větev obsahuje reostat R2 - nastavitelný odpor. Mezi středními závěry větví svítí indikátor G, kterým může být galvanometr, voltmetr, nulový indikátor nebo ampérmetr.

Během procesu měření se odpor reostatu postupně mění, dokud indikátor neukáže nulu. To znamená, že potenciály středů mostu, mezi nimiž je připojen, jsou si navzájem rovny a rozdíl mezi nimi je nulový.

Pokud je šipka ukazatele (galvanometer) odkloněna od jedné nebo druhé strany od nuly, znamená to, že jím protéká proud, a proto most ještě není v rovnováze. Pokud je indikátor přesně nula, můstek je vyrovnaný.

Je zřejmé, že pokud je poměr horních a dolních odporů v levém rameni můstku roven poměru odporů pravého ramene můstku, rovnováhy (nebo rovnováhy) můstku nastává jednoduše kvůli rozdílu nulového potenciálu mezi terminály galvanometru.

A pokud jsou hodnoty těchto tří můstkových odporů (včetně proudového odporu reostatu) nejprve měřeny s dostatečně malou chybou, pak bude požadovaný odpor Rx nalezen s dostatečně vysokou přesností. Předpokládá se, že odpor galvanometru lze zanedbat.

Wheatstoneův most je v podstatě univerzální a je použitelný nejen pro měření odporů rezistorů, ale také k nalezení různých neelektrických parametrů stačí, že samotný senzor je neelektrická hodnota byla rezistentní.

Potom lze pomocí Wheatstoneova můstkového obvodu měřit odpor senzorového prvku, který se na něj mění neelektrickým efektem, a s malou chybou tak lze zjistit odpovídající neelektrickou veličinu.

Lze tedy nalézt hodnotu: mechanická deformace (tenzometry), teplota, osvětlení, tepelná vodivost, tepelná kapacita, vlhkost a dokonce i složení látky.

Měřicí přístroje na bázi Wheatstoneova mostu obvykle odebírají údaje z mostupřes analogově digitální převodníkpřipojeno k digitálnímu výpočetnímu zařízení, jako je mikrokontrolér s vestavěným programem, který provádí linearizaci (nahrazení nelineárních dat přibližnými lineárními daty), škálování a převod přijatých dat na numerickou hodnotu měřené neelektrické veličiny ve vhodných jednotkách, jakož i korekce chyb a výstup v čitelné digitální podobě formulář.

Například podlahové váhy zhruba pracují na tomto principu. Kromě toho lze harmonickou analýzu provést okamžitě pomocí softwarových metod atd.

Takzvané tenzometry (odporové senzory mechanického namáhání) se používají v elektronických vahách, v dynamometrech, manometrech, torsiometrech a tenzometrech.

Tenzometr je jednoduše nalepen na deformovatelnou část, je součástí ramene můstku, zatímco napětí v diagonále můstku bude úměrné mechanickému namáhání, na které snímač reaguje - změny jeho odporu.

Pomocí nevyváženosti můstku změřte velikost této nevyváženosti a zjistěte například hmotnost těla. Senzor může být mimochodem také piezoelektrický, pokud se měří rychlá nebo dynamická deformace.

Pokud je nutné měřit teplotu, používají se odporové senzory, jejichž odpor se mění s teplotou studovaného těla nebo média. Senzor nemusí přijít do kontaktu s tělem, ale spíše vnímat tepelné záření, jak se vyskytuje v bolometrických pyrometrech.

Princip činnosti bolometrického pyrometru je založen na změně elektrického odporu termosenzitivního prvku v důsledku jeho zahřívání pod vlivem absorbovaného toku elektromagnetické energie. Tenká deska platiny, zčerněná pro lepší absorpci záření, se rychle zahřeje díky své malé tloušťce pod vlivem záření a její odpor se zvyšuje.

Obdobně fungují odporové teploměry s kladným teplotním koeficientem a termistory s záporným teplotním koeficientem na bázi polovodičů.

Při nepřímé změně teploty je možné měřit tepelnou vodivost, tepelnou kapacitu, průtok kapaliny nebo plynu, koncentraci složek plynné směsi atd. Nepřímá měření tohoto druhu se používají v plynové chromatografii a v termokatalytických senzorech.

Fotorezistory mění svůj odpor pod vlivem osvětlení a specializované odporové senzory se používají k měření toku ionizujícího záření.

Jak používat fotorezistory, fotodiody a fototranzistory

Analogové senzory: aplikace, způsoby připojení k ovladači

Připojení analogových senzorů k Arduino, čtení senzorů

Měření teploty a vlhkosti na Arduino - výběr metod

Jak jsou uspořádána a funkční zařízení pro měření odporu