Het gebruik van de Wheatstone-brug voor het meten van niet-elektrische grootheden

De Wheatstone Bridge is een elektrisch circuit dat is ontworpen om de grootte van de elektrische weerstand te meten. Dit schema werd voor het eerst voorgesteld door de Britse natuurkundige Samuel Christie in 1833 en in 1843 werd het verbeterd door uitvinder Charles Wheatstone. Het werkingsprincipe van dit schema is vergelijkbaar met de werking van mechanische apotheekweegschalen, maar het zijn niet de krachten die hier worden geëgaliseerd, maar de elektrische potentialen.

Het Wheatstone-brugcircuit bevat twee takken, waarvan de potentialen van de middelste klemmen (D en B) tijdens het meetproces worden geëgaliseerd. Een van de takken van de brug bevat een weerstand Rx, waarvan de weerstandswaarde moet worden bepaald.

De tegenoverliggende tak bevat een reostaat R2 - instelbare weerstand. Tussen de middelste conclusies van de vertakkingen is de G-indicator aan, wat een galvanometer, een voltmeter, een nul-indicator of een ampèremeter kan zijn.

Tijdens het meetproces wordt de weerstand van de reostaat geleidelijk gewijzigd totdat de indicator nul aangeeft. Dit betekent dat de potentialen van de middelpunten van de brug waartussen deze is verbonden, gelijk zijn aan elkaar, en het potentiaalverschil daartussen nul is.

Wanneer de pijl van de indicator (galvanometer) van de ene of de andere kant van nul afwijkt, betekent dit dat er stroom door stroomt, en daarom is de brug nog niet in balans. Als de indicator exact nul is, is de brug in balans.

Het is duidelijk dat als de verhouding van de bovenste en onderste weerstanden in de linkerschouder van de brug gelijk is aan de verhouding van de weerstanden van de rechterschouder van de brug, de balans (of het evenwicht) van de brug optreedt simpelweg vanwege het nulpotentiaalverschil tussen de aansluitingen van de galvanometer.

En als de waarden van de drie brugweerstanden (inclusief de stroomweerstand van de reostaat) eerst worden gemeten met een voldoende kleine fout, dan zal de gewenste weerstand Rx met voldoende hoge nauwkeurigheid worden gevonden. Er wordt aangenomen dat de weerstand van de galvanometer kan worden verwaarloosd.

De Wheatstone-brug is in wezen universeel en is niet alleen van toepassing voor het meten van de weerstanden van weerstanden, maar ook om een ​​verscheidenheid aan niet-elektrische parameters te vinden, is het voldoende dat de niet-elektrische magnitude sensor zelf resistief is.

Vervolgens kan de weerstand van het sensorelement, dat verandert onder een niet-elektrisch effect, worden gemeten met behulp van het Wheatstone-brugcircuit en kan de overeenkomstige niet-elektrische grootheid dus worden gevonden met een kleine fout.

Zo kan men de waarde van de waarde vinden: mechanische vervorming (rekstroken), temperatuur, verlichting, thermische geleidbaarheid, warmtecapaciteit, vochtigheid en zelfs de samenstelling van de stof.

Meetinstrumenten op basis van tarwe-brug nemen meestal metingen van een brugvia analoog-digitaal omzetterverbonden met een digitaal computerapparaat, zoals een microcontroller met een ingebouwd programma dat linearisatie uitvoert (niet-lineaire gegevens vervangen door bij benadering lineaire gegevens), de ontvangen gegevens schalen en omzetten in een numerieke waarde van de gemeten niet-elektrische hoeveelheid in geschikte eenheden, evenals foutcorrectie en uitvoer in een leesbare digitale a.

Vloerschalen werken bijvoorbeeld ruwweg volgens dit principe. Bovendien kan harmonische analyse direct worden uitgevoerd met behulp van softwaremethoden, enz.

De zogenaamde rekstroken (resistieve sensoren van mechanische spanning) worden gebruikt in elektronische weegschalen, in dynamometers, manometers, torsiometers en tensometers.

De rekstrook wordt eenvoudig op het vervormbare deel gelijmd, bevindt zich in de schouder van de brug, terwijl de spanning in de diagonaal van de brug evenredig zal zijn met de mechanische spanning waarop de sensor reageert - de weerstand verandert.

Meet met de onbalans van de brug de grootte van deze onbalans en vind dus bijvoorbeeld het gewicht van een lichaam. De sensor kan trouwens ook piëzo-elektrisch zijn als snelle of dynamische vervorming wordt gemeten.

Wanneer het nodig is om de temperatuur te meten, worden resistieve sensoren gebruikt, waarvan de weerstand verandert met de temperatuur van het te onderzoeken lichaam of medium. De sensor komt misschien niet eens in contact met het lichaam, maar neemt thermische straling waar, zoals gebeurt bij bolometrische pyrometers.

Het werkingsprincipe van een bolometrische pyrometer is gebaseerd op een verandering in de elektrische weerstand van een warmtegevoelig element vanwege zijn verwarming onder invloed van een geabsorbeerde stroom van elektromagnetische energie. Een dunne plaat van platina, zwart gemaakt voor een betere absorptie van straling, warmt snel op vanwege zijn kleine dikte onder invloed van straling en de weerstand neemt toe.

Evenzo werken weerstandsthermometers met een positieve temperatuurcoëfficiënt en thermistoren met een negatieve temperatuurcoëfficiënt op basis van halfgeleiders.

Wanneer de temperatuur indirect wordt veranderd, is het mogelijk om thermische geleidbaarheid, warmtecapaciteit, stroomsnelheid van een vloeistof of gas, concentratie van componenten van een gasmengsel, enz. Te meten. Dergelijke indirecte metingen worden gebruikt in gaschromatografie en in thermokatalytische sensoren.

Fotoresistors veranderen hun weerstand onder invloed van verlichting en gespecialiseerde resistieve sensoren worden gebruikt om de stroom ioniserende straling te meten.

Hoe fotoresistors, fotodiodes en fototransistors te gebruiken

Analoge sensoren: toepassing, verbindingsmethoden met de controller

Analoge sensoren verbinden met Arduino, sensoren lezen

Temperatuur en vochtigheid meten op Arduino - een aantal manieren

Hoe zijn apparaten voor het meten van weerstand gerangschikt en werken ze