Leiðarvísir Wheatstone brúar: Bygging, vinnulögmál, formúla, uppsetningar og notkun

Wheatstone-brúin er ein áreiðanlegasta og mest notaða rásin til að mæla rafmótstöðu með mikilli nákvæmni. Með því að bera saman viðnámshlutföll og nota jafnvægisbrúarskilyrði getur það ákvarðað óþekkt viðnám nákvæmlega.

Hvað er Wheatstone-brú?

Wheatstone-brú er viðnámsmælingarrás sem finnur óþekkta viðnám með því að jafna tvær hliðar brúarnetsins. Þegar brúin er í jafnvægi (enginn straumur rennur í gegnum greinina á skynjaranum), er óþekkt viðnám ákvarðað út frá hlutfalli annarra viðnáms.

Bygging Wheatstone-brúarinnar

Wheatstone-brú er smíðuð með fjórum viðnámsarmum sem eru tengdir saman í lokuðum, demantslaga lykkju. Tveir þessara arma innihalda viðnám með þekktum gildum, annar armurinn inniheldur breytilegt (stillanlegt) viðnám og fjórði armurinn heldur óþekkta viðnáminu sem verður mælt. Til að reka brúna er rafmagnsgjafi (EMF aflgjafi) tengdur yfir tvo gagnstæða punkta netsins, venjulega merktir A og B, svo straumur geti farið í gegnum rásina. Galvanómetri er síðan tengt milli hinna tveggja tengipunktanna, sem oft eru merktir C og D, sem eru miðpunktarnir milli viðnámanna á hvorri hlið brúarinnar. Galvanometerinn gefur til kynna hvort straumur fari í gegnum þessa miðpunktstengingu: ef hann sveigist er brúin ójafnvægi, og ef engin sveigja sést, er brúin í jafnvægi.

Vinnuregla Wheatstone-brúarinnar

Wheatstone-brúin byggir á núllbeygjureglunni. Það ber saman tvö viðnámshlutföll í brúarneti. Þegar þessi hlutföll eru jöfn ná miðpunkthnútar brúarinnar (punktarnir C og D) sama rafspennu. Þar sem enginn spennumunur er á milli C og D, rennur enginn straumur í galvanometerinn og galvanometerinn sýnir enga sveigju.

Ástand brúar

Ójafnvægi brú

• Spennumunur er til staðar milli punkta C og D

• Straumur rennur í gegnum galvanómetra

• Þetta bendir til þess að viðnámshlutföllin séu ekki jöfn

Jafnvægisbrú

• Spennan á punktunum C og D er jöfn

• Enginn straumur rennur í gegnum galvanómælinn

• Brúin er í núll (núll sveigjan)

Jafnvægisskilyrði:

R1/R2=R3/Rx

Þegar brúin er í jafnvægi má finna óþekkta viðnámið með því að endurraða:

Rx=(R2⋅R3)/R1

Wheatstone brúarformúla og dæmi um útreikning

Skoðum eftirfarandi viðnám í brúarhringrásinni:

• R1 og R2 → þekkt viðnám

• R3 → breytilegur viðnám

• Rx (R4) → óþekktur viðnám

Gerum ráð fyrir:

• Straumur í gegnum grein ACB = i1

• Straumur í gegnum grein ADB = i2

Spennufall

Samkvæmt lögmáli Ohms:

V₁ = i₁R₁

V₂ = i₁R₂

V₃ = i₂R₃

Vx = i₂Rx

Fyrir jafnvægisbrú eru spennurnar á punktunum C og D jafnar. Þess vegna:

i₁R₁ = i₂R₃

i₁R₂ = i₂Rx

Með því að deila jöfnunum tveimur fæst jafnvægisskilyrðið:

R₁ / R₂ = R₃ / Rx

Óþekkt viðnám verður:

Rx = (R₂ / R₁) × R₃

Þessi jafna er grundvallartengslin sem notuð eru til að ákvarða óþekkt viðnám í Wheatstone-brú.

Dæmi: Jafnvægi og ójafnvægi brú

Skoðum eftirfarandi gildi:

• R1 = 50 Ω

• R2 = 100 Ω

• R3 = 40 Ω

• R4 = 120 Ω

Spennuspenna á móti = 10 V

Spenna á punkti C

VC = R2 / (R1 + R2) × Vs

VC = 100 / (50 + 100) × 10

VC = 6,67 V

Spenna á punkti D

VD = R4 / (R3 + R4) × Vs

VD = 120 / (40 + 120) × 10

VD = 7,5 V

Úttaksspenna

Vout = VC − VD

Vout = 6,67 − 7,5

Vout = −0,83 V

Þar sem úttaksspennan er ekki núll er brúin ójafnvægi.

Að finna jafnvægisgildi R4

Með því að nota jafnvægisjöfnuna:

R1 / R2 = R3 / R4

R4 = (R2 / R1) × R3

R4 = (100 / 50) × 40

R4 = 80 Ω

Þegar R4 = 80 Ω verður Wheatstone-brúin í jafnvægi.

Næmni Wheatstone-brúarinnar

Næmni Wheatstone brúar vísar til þess hversu vel brúin getur greint mjög litlar breytingar á viðnámi. Mjög næm brú veldur áberandi breytingu á úttaki jafnvel þegar viðnámið breytist örlítið, sem gerir hana sérstaklega gagnlega fyrir nákvæmar mælingar og skynjaranotkun.

Fjölmargir þættir hafa áhrif á næmni. Það batnar þegar viðnámin í brúinni eru náið samstillt, því smávægilegar breytingar skapa þá skýrara ójafnvægismerki. Hærri straumspenna getur einnig aukið úttakssvarið, svo lengi sem það er innan öruggra rekstrarmarka fyrir íhlutina. Skynjarinn gegnir einnig stóru hlutverki, hvort sem það er galvanómetri eða magnaratengd skynjunarrás, þar sem betri nemi getur skráð minni spennumun.

Að lokum er næmni sterkust þegar brúin starfar nálægt jafnvægisástandi, þar sem jafnvel smávægilegar viðnámsbreytingar valda mælanlegum breytingum á úttaki. Í framkvæmd er brúin næmust þegar viðnámsgildin eru svipuð og rásin er stillt til að starfa nálægt jafnvægi.

Algengar villur í Wheatstone-brúnni

Blý- og snertiviðnám

Tenging víra, tengja og snertipunkta bætir við litlum viðnámum sem geta breytt jafnvægisskilyrðum, sérstaklega þegar lágt viðnám er mælt. Fyrir mælingar með mjög lágu viðnámi er Kelvin-brúin æskilegri vegna þess að hún lágmarkar villur í for- og snertiviðnámi.

Áhrif hitastigs

Viðnám breytist með hitastigi, svo breytingar á umhverfisaðstæðum eða hita viðnáms geta örlítið breytt hlutföllum brúarinnar og raskað jafnvægi. Að nota nákvæmnisviðnám með lágum hitastuðlum og halda aðstæðum stöðugum eykur nákvæmni.

Næmni skynjara (Galvanometer krafist)

Wheatstone-brú byggir á því að greina mjög litlar spennumunir nálægt jafnvægi. Ef galvanómetri eða skynjari er ekki næmur nógu mikið, gætu smávægilegar ójafnvægi ekki sést, sem leiðir til ónákvæmra niðurstaðna. Nútímakerfi nota oft mælitækjamagnara til að bæta greiningu.

Sjálfhitun viðnáma

Straumur í gegnum viðnám veldur rafmagnstapi og hitun PI2R, sem getur breytt viðnámsgildum og fært jafnvægispunktinn. Notkun lágra straumstiga og hágæða viðnáms hjálpar til við að draga úr þessum áhrifum.

Handvirk stilling og mannleg mistök

Að jafna brúna með breytilegu viðnámi getur valdið smávægilegum les- og stillingarvillum, sérstaklega þegar reynt er að ná nákvæmri núllbeygju. Sjálfvirkar eða stafrænar jafnvægisaðferðir draga úr þessari takmörkun.

6,6 Takmarkað svið við mjög háar viðnámsgildi

Venjuleg Wheatstone-brú er minna áhrifarík fyrir mjög há viðnám vegna þess að lekastraumar, einangrunarviðnám og veik viðbrögð skynjarans geta haft áhrif á nákvæmni. Sérhæfðar mæliaðferðir eru venjulega notaðar við háviðnámsprófanir.

Sveiflur í aðfangsspennu

Þó að núllaðferðin dragi úr háðni á spennu, getur óstöðug spenna samt haft áhrif á viðbrögð og næmni skynjarans. Stýrður aflgjafi bætir stöðugleika.

Tegundir Wheatstone-brúarsamsetninga

Fjórðungsbrúaruppsetning

Aðeins einn armur inniheldur virka skynjunareiningu, á meðan hin þrjú viðnámin eru föst. Þessi uppsetning er einföld og víða notuð með einni teygjumælum, en hún hefur meiri áhrif á hitastig og blýviðnám.

Hálfbrúaruppsetning

Tveir armar nota virka skynjunarþætti. Þessi uppsetning eykur næmni og getur dregið úr hitastigstengdum villum þegar virku þættirnir eru staðsettir á strategískan hátt.

Fullbrúaruppsetning

Allir fjórir armarnir innihalda virka skynjunarþætti. Þetta er næmasta uppsetningin og býður upp á bestu mælingarnákvæmni, sem gerir hana kjörna fyrir nákvæmar teygju- og þrýstingsmælingar.

Wheatstone-brúin með skynjurum

Wheatstone-brýr eru mikið notaðar í mælitækjum vegna þess að margir skynjarar breyta viðnámi eftir líkamlegum aðstæðum. Brúin umbreytir litlum viðnámsbreytingum í mælanlegar spennubreytingar. Algeng notkun skynjara eru meðal annars:

• Togmælir: Togmælir breyta viðnámi þegar þeir eru teygðir eða þjappaðir. Wheatstone-brú umbreytir þessari breytingu í úttaksspennu sem er í hlutfalli við álag.

• Hitaskynjarar: RTD og hitamælir má nota í brúarhringrásum til að greina smávægilegar hitabreytingar nákvæmlega.

• Þrýstiskynjarar: Margir þrýstiskynjarar nota brúarkerfi þar sem hreyfing himnunnar breytir viðnámi og framleiðir mælanlegt úttaksmerki.

• Ljósskynjarar: Ljósviðnám má nota í brúarhringrásum til að mæla breytingar á ljósstyrk með því að umbreyta viðnámsbreytingum í spennubreytingar.

Aðrar notkunarleiðir Wheatstone-brúarinnar

Mæling á viðnámi

Wheatstone-brúin er oft notuð til að mæla óþekkt viðnám með því að stilla rásina þar til hún nær jafnvægi (þar sem skynjarinn sýnir engan straumflæði). Við jafnvægi er hægt að reikna óþekkta viðnámið nákvæmlega út frá þekktum viðnámshlutföllum. Þessi aðferð er sérstaklega árangursrík fyrir lága til miðlungs viðnám þar sem hún greinir greinilega smávægilegan mun og gefur áreiðanlegar, nákvæmar niðurstöður.

Mæling á rafmagni

Brúarreglan er einnig notuð í öðrum brúarnetum sem eru hönnuð til að mæla rafmagn óbeint. Með því að velja hentuga íhluti og nota rétta stillingu geta brúarhringrásir borið saman óþekkta þætti við þekkta staðla. Þetta gerir brúarbundnar aðferðir gagnlegar til að ákvarða rýmd, segul og viðnám, þar með talið mælingar á AC viðnámi þegar breyttar brúaruppsetningar eru notaðar.

Ljósgreiningar- og stjórnrásir

Í ljósskynjunarforritum má nota ljósviðnám (LDR) sem einn arm brúarinnar svo breytingar á ljósmagni breyti viðnámi beint. Þegar ljósstyrkurinn breytist verður brúin ójafnvægi og myndar úttaksspennu sem táknar birtubreytinguna. Þessi úttak má nota til að aka stefnuljósum, kveikja á viðvörunum eða stjórna sjálfvirkum lýsingarkerfum eins og næturljósum, götuljósum og ljósvirkum rofa.

Wheatstone-brúin gegn Kelvin-brú

Fyrir mælingar á mjög lágu viðnámi er Kelvin-brúin oft æskileg, því hún dregur úr villum sem stafa af blý- og snertiviðnámi.

Niðurstaða

Wheatstone-brúin er enn grunnrásin í rafmagnsmælingum og mælitækjum. Mikil nákvæmni, næmni fyrir litlum viðnámsbreytingum og samhæfni við skynjara gera það verðmætt bæði í hefðbundnum prófunum og nútíma rafeindakerfum. Frá grunnviðnámsmælingum til háþróaðrar stafrænnar eftirlits styður Wheatstone-brúin áfram nákvæmar og áreiðanlegar mælingarlausnir.

Algengar spurningar [Algengar spurningar]

Af hverju er Wheatstone-brú nákvæmari en að nota einfaldan ohmmæli?

Wheatstone-brú mælir viðnám með jafnvægisaðferð (null) í stað þess að mæla straum eða spennu beint. Þegar brúin er í jafnvægi flæðir enginn straumur í gegnum skynjarann, sem lágmarkar mælivillur sem stafa af kalibreringu mælitækja, spennubreytingum og viðnámi skynjarans. Þessi hlutfallsbundna samanburður veitir meiri nákvæmni, sérstaklega fyrir litlar viðnámsmunir.

Getur Wheatstone brú mælt mjög há viðnámsgildi?

Venjuleg Wheatstone brú er árangursríkust fyrir lágt til meðal viðnámssvið, venjulega frá nokkrum ohmum upp í um 1 MΩ. Það getur verið erfitt að mæla mjög háa viðnám því lekastraumar, einangrunarviðnám og næmni skynjara geta valdið villum. Sérhæfðar brúarrásir eða stafrænar mæliaðferðir eru venjulega notaðar fyrir háviðnámsmælingar.

Hvað gerist ef Wheatstone-brúin er ekki fullkomlega stillt?

Ef brúin er ekki í jafnvægi myndast spennumunur milli miðpunktshnútanna, sem veldur því að straumur flæðir í gegnum skynjarann. Þessi straumur framleiðir mælanlega úttaksspennu sem gefur til kynna stefnu og stærð ójafnvægisins. Í mörgum skynjaraforritum er þessi litla ójafnvægisspenna meðvitað mæld til að greina líkamlegar breytingar eins og aflag, þrýsting eða hitastig.

Af hverju eru Wheatstone-brýr oft notaðar með teygjumælum?

Togmælir valda mjög litlum viðnámsbreytingum þegar efni teygist eða þjappast. Wheatstone-brú magnar áhrif þessara smáu breytinga með því að umbreyta þeim í mælanlegan spennumun. Þetta gerir brúna kjörna fyrir nákvæmar vélrænar mælingar eins og hleðslufrumur, burðarþolsprófanir og kraftskynjara.

Hvernig er stafrænn Wheatstone-brú frábrugðin hefðbundinni?

Hefðbundnar Wheatstone-brýr nota galvanometer til að greina núllbeygju, á meðan nútíma stafrænar brýr skipta út nemanum fyrir mælitækjamagnara, analog-til-digital breytitæki (ADC) og örstýringar. Þessi stafrænu kerfi geta sjálfkrafa mælt ójafnvægisspennu, bætt næmni, gert gagnaskráningu mögulega og samþætt nútíma eftirlits- og sjálfvirknikerfi.