Използването на моста Wheatstone за измерване на неелектрически количества

Wheatstone Bridge е електрическа верига, предназначена да измерва величината на електрическото съпротивление. Тази схема е предложена за първи път от британския физик Самюъл Кристи през 1833 г., а през 1843 г. е подобрена от изобретателя Чарлз Уитстоун. Принципът на работа на тази схема е подобен на действието на механичните аптечни везни, но тук не се изравняват силите, а електрическите потенциали.

Мостовата схема на Wheatstone съдържа два клона, потенциалите на средните изводи (D и B) от които се изравняват по време на процеса на измерване. Един от клоните на моста включва резистор Rx, стойността на съпротивлението на което трябва да бъде определена.

Противоположният клон съдържа реостат R2 - регулируемо съпротивление. Между средните заключения на клоните е включен индикаторът G, който може да бъде галванометър, волтметър, нулев индикатор или амперметър.

По време на процеса на измерване съпротивлението на реостата постепенно се променя, докато индикаторът покаже нула. Това означава, че потенциалите на средната точка на моста, между който е свързан, са равни помежду си, а потенциалната разлика между тях е нулева.

Когато стрелката на индикатора (галванометър) е отклонена в една или друга посока от нула, това означава, че през нея тече ток и следователно мостът все още не е в баланс. Ако индикаторът е точно нула, мостът е балансиран.

Очевидно е, че ако съотношението на горното и долното съпротивление в лявото рамо на моста е равно на съотношението на съпротивленията на дясното рамо на моста, балансът (или равновесието) на моста възниква просто поради нулевата разлика на потенциала между изводите на галванометъра.

И ако първо стойностите на трите мостови съпротивления (включително текущото съпротивление на реостата) се измерват с достатъчно малка грешка, тогава желаното съпротивление Rx ще бъде намерено с достатъчно висока точност. Смята се, че съпротивлението на галванометъра може да бъде пренебрегвано.

Мостът Wheatstone по същество е универсален и е приложим не само за измерване на съпротивленията на резисторите, но и за да откриете различни неелектрически параметри, достатъчно е самият неелектрически сензор за величина да е резистивен.

Тогава съпротивлението на сензорния елемент, променящо се под неелектрически ефект върху него, може да бъде измерено с помощта на мостовата верига на Wheatstone и съответно неелектрическото количество може да се намери с малка грешка.

По този начин може да се намери стойността на стойността: механична деформация (тензодатчици), температура, осветеност, топлопроводимост, топлинен капацитет, влажност и дори съставът на веществото.

Измервателните уреди на базата на пшеничен мост обикновено вземат показания от мостчрез аналогово-цифров преобразувателсвързани с цифрово изчислително устройство, като микроконтролер с вградена програма, която извършва линеаризация (замяна на нелинейни данни с приблизителни линейни), мащабиране и преобразуване на получените данни в числова стойност на измереното неелектрическо количество в подходящи единици, както и коригиране на грешки и извеждане в четим цифров а.

Например, подовите везни работят грубо на този принцип. Освен това хармоничният анализ може да се извърши веднага с помощта на софтуерни методи и др.

Така наречените тензодатчици (резистивни сензори за механично напрежение) се използват в електронни везни, в динамометри, манометри, торсиометри и тензометри.

Ударният манометър е просто залепен върху деформируемата част, включва се в рамото на моста, докато напрежението в диагонала на моста ще бъде пропорционално на механичното напрежение, на което сензорът реагира - неговото съпротивление се променя.

С дисбаланса на моста измерете големината на този дисбаланс и по този начин намерете например теглото на тяло. Между другото, сензорът може да бъде и пиезоелектричен, ако се измерва бърза или динамична деформация.

Когато е необходимо да се измери температурата, се използват резистивни сензори, чието съпротивление варира в зависимост от температурата на тялото или средата, която се изследва. Сензорът може дори да не влиза в контакт с тялото, а по-скоро възприема топлинно излъчване, както се случва при болометрични пирометри.

Принципът на работа на болометричен пирометър се основава на промяна в електрическото съпротивление на термочувствителен елемент поради нагряването му под въздействието на абсорбиран поток от електромагнитна енергия. Тънка платина, почерняла за по-добро усвояване на радиацията, бързо се нагрява поради малката си дебелина под въздействието на радиацията и нейната устойчивост се увеличава.

По подобен начин работят термометрите за устойчивост с положителен температурен коефициент и термисторите с отрицателен температурен коефициент, базирани на полупроводници.

Когато температурата се променя косвено, е възможно да се измери топлопроводимостта, топлинния капацитет, дебитът на течността или газа, концентрацията на компонентите на газовата смес и пр. Индиректните измервания от този вид се използват в газова хроматография и в термокаталитични сензори.

Фоторезисторите променят съпротивлението си под въздействието на осветлението, а за измерване на потока на йонизиращо лъчение се използват специализирани резистивни сензори.

Как да използвате фоторезистори, фотодиоди и фототранзистори

Аналогови сензори: приложение, методи за свързване към контролера

Свързване на аналогови сензори към Arduino, датчици за четене

Измерване на температура и влажност на Arduino - селекция от методи

Как са подредени и работещи устройства за измерване на съпротивлението