Мостик уитстона принцип действия: Что такое измерительный мост постоянного тока Уинстона (Уитстона) и как он работает

Содержание

Измерительный мост Уинстона (Уитстона)

Измерительный мост, позволяющий определять величину неизвестного электрического сопротивления, был изобретён британским учёным Самуэлом Кристи в 1833 году, и позже модернизирован и популяризирован другим британским учёным, Чарьзом Витстоном в 1843 году.

Схема измерительного моста Уинстона.
P1 — P3 — диагональ питания; P2 — P4 — измерительная диагональ моста;
R1, R2 — левое плечо, R3, Rx — правое плечо моста.

Принцип работы

Принцип измерения неизвестного сопротивления основан на уравнивании отношений сопротивлений в обоих плечах моста, при этом гальванометр, включённый между этими плечами, будет показывать нулевое напряжение. На рисунке Rx — это неизвестное сопротивление, которое требуется измерить. R1, R2 и R3 — резисторы с известными значениями сопротивлений, причём резистор R2 переменный. Если отношение двух известных сопротивлений в плече R2/R1 равно отношению сопротивлений в плече Rx/R3, то в этом случае напряжение между точками схемы P2 и P4 будет равно нулю, и через гальванометр V ток не будет течь. Если же мост разбалансирован, то отклонение гальванометра будут указывать на то, что сопротивление резистора R2 слишком большое или слишком маленькое. Переменный резистор R2 регулируют до тех пор, пока гальванометр не укажет на ноль.

По гальванометру можно определять отсутствие тока в цепи с очень большой точностью. Следовательно, если резисторы R1, R2 и R3 — высокоточные, то неизвестное сопротивление Rx может быть измерено с большой точностью. Небольшие изменения сопротивления Rx разбалансируют измерительный мост, что обнаруживается по показанию гальванометра.

При сбалансированном мосте выполняется равенство R2/R1 = Rx/R3.

Отсюда Rx = R3*R2 / R1

В случае если сопротивления R1, R2 и R3 известны, а резистор R2 — постоянный, то неизвестное сопротивление Rx может быть рассчитано с помощью законов Кирхгофа. Этот метод измерения часто используется при применении измерительного моста в тензометрии, совместно с тензодатчиком, так как считать показания с гальванометра получится гораздо быстрее, чем балансировать мост переменным резистором.

Расчёт

Используя первый закон Кирхгофа, найдём токи, протекающие в узлах P2 и P4:

I3 — Ix + IG = 0
I1 — I2 — IG = 0

Далее с помощью второго закона Кирхгофа найдём напряжения в контурах P1-P2-P4 и P2-P3-P4:

(I3 * R3) — (IG * RG) — (I1 * R1) = 0
(Ix * Rx) — (I2 * R2) + (IG * RG) = 0

Мост сбалансирован, следовательно IG = 0, так что вторая система уравнений сократится:

I3 * R3 = I1 * R1
Ix * Rx = I2 * R2

Решая эту систему уравнений, получим:

Rx = R2 * I2 * I3 * R3 / (R1 * I1 * Ix)

Из первого закона Кирхгофа следует, что I3 = Ix и I1 = I2. Следовательно величина неизвестного сопротивления Rx будет определятся по формуле:

Rx = R3*R2/R1

Если известны сопротивления всех четырёх резисторов и величина питающего напряжения Uпит, а сопротивление гальванометра достаточно высокое, так что током IG, протекающим через него можно пренебречь, то напряжение U между точками моста P2 и P4 может быть найдено путём расчёта каждого из делителей напряжения, вычтя затем напряжение на одном делителе из напряжения на другом делителе. В этом случае получится следующее уравнение:

U = Rx * Uпит / (R3 + Rx) — R2 * Uпит / (R1 + R2)

Напряжение питания Uпит можно вынести за скобки, в этом случае получится выражение:

U = (Rx / (R3 + Rx) — R2 / (R1 + R2)) * Uпит

Где U — напряжение в точке P2 относительно точки P4.

Измерительный мост Уинстона иллюстрирует концепцию дифференциальных измерений, результаты которых могут быть очень точными. Различные разновидности моста Уинстона используются для измерения ёмкости, индуктивности, импеданса и других величин. Одной из разновидностей моста является мост Кельвина, специально предназначенный для измерения малых сопротивлений. Во многих случаях измерение величины неизвестного сопротивления связано с измерением некоторых физических параметров, таких как сила, температура, давление и т.д., здесь в качестве измеряемого сопротивления используется соответствующий резистивный датчик.

В 1865 году Джеймс Максвелл применил измерительный мост Уинстона, питаемый переменным током, для измерения индуктивности, и в 1926 году Алан Блюмлейн подверг этот мост усовершенствованию.

Модификации основной схемы измерительного моста

Мост Уинстона является основной схемой измерительных мостов, но так же существуют различные его модификации, с помощью которых можно проводить измерения различных типов сопротивлений, когда основная схема моста для этого не подходит. Вот несколько разновидностей основной схемы измерительного моста:

BACK

Мост уитстона принцип действия

Измерительный мост Уитстона и его использование

Одной из популярнейших мостовых схем, по сей день применяемых в контрольно-измерительных приборах и в электротехнических лабораториях, является измерительный мост Уитстона, названный в честь английского изобретателя Чарльза Уитстона, предложившего данную схему для измерения сопротивлений в далеком 1843 году.

Измерительный мост Уитстона является по сути электрическим аналогом аптекарских рычажных весов, так как здесь используется подобный компенсационный метод измерения.

Принцип действия измерительного моста основан на уравнивании потенциалов средних выводов двух включенных параллельно ветвей резисторов, в каждой ветви по два резистора. В качестве части одной из ветвей включается резистор, величину которого требуется узнать, а в другую — резистор перестраиваемого сопротивления (реостат или потенциометр).

Плавно изменяя величину сопротивления перестраиваемого резистора, добиваются нулевого показания на шкале гальванометра, включенного в диагональ между средними точками двух упомянутых ветвей. В условиях, когда гальванометр покажет ноль, потенциалы средних точек будет равны, и значит можно легко вычислить искомое сопротивление.

Понятно, что кроме резисторов и гальванометра, в схеме обязательно должен присутствовать источник питания моста, на приведенном рисунке он изображен в виде гальванического элемента Е. Ток течет от плюса батарейки к минусу, при этом делится между двумя ветвями обратно пропорционально их сопротивлениям.

Если верхние и нижние резисторы в плечах моста попарно одинаковы, то есть когда плечи полностью идентичны, нет причин для возникновения тока через диагональ, поскольку разность потенциалов между точками подключения гальванометра равна нулю. В этом случае говорят что мостик уравновешен или сбалансирован.

Если же верхние резисторы одинаковы, а нижние не одинаковы, то ток устремится через диагональ, от плеча с большим нижним сопротивлением к плечу с меньшим нижним сопротивлением, и стрелка гальванометра отклонится в соответствующую сторону.

Итак, если потенциалы точек, к которым подключен гальванометр, равны, то соотношения номиналов верхних и нижних резисторов в плечах будут равны между собой. Таким образом, приравняв эти соотношения, получим уравнение с одним неизвестным. Сопротивления R1, R2 и R3 должны быть изначально измерены с высокой точностью, тогда и точность нахождения резистора Rх(R4) будет высокой.

Схему моста Уитстона часто используют для измерения температуры, когда в одну из ветвей моста включают термометр сопротивления в качестве неизвестного резистора. В любом случае, чем больше разность сопротивлений в ветвях, тем больший ток будет течь через диагональ, а при изменении сопротивлений станет изменяться и ток диагонали.

Именно это свойство моста Уитстона так ценится теми, кто решает задачи контрольно-измерительного характера и разрабатывает схемы управления и автоматизации. Малейшее изменение сопротивления в одной из ветвей приводит к изменению тока через мостик, и это изменение фиксируется. Вместо гальванометра в диагональ моста можно включить амперметр или вольтметр, в зависимости от конкретной схемы и цели исследования.

Вообще, с помощью моста Уитстона можно измерять самые разные величины: упругую деформацию, освещенность, влажность, теплоемкость и т. д., достаточно лишь вместо измеряемого резистора включить в схему соответствующий датчик, чувствительный элемент которого будет способен изменять свое сопротивление в соответствии с изменением измеряемой величины, пусть даже не электрической. Как правило, мост Уитстона подключается в таких случаях через АЦП, а дальнейшая обработка сигнала, отображение информации на дисплее, действия с опорой на получаемые данные — все это остается делом техники.

Применение моста Уитстона для измерения неэлектрических величин

Мост Уитстона представляет собой электрическую схему, предназначенную для измерения величины электрического сопротивления. Впервые данная схема была предложена британским физиком Самуэлем Кристи в 1833 году, а в 1843 году она была усовершенствована изобретателем Чарльзом Уитстоном. Принцип работы данной схемы схож с действием механических аптекарских весов, только уравниваются здесь не силы, а электрические потенциалы.

Схема моста Уитстона содержит две ветви, потенциалы средних выводов (D и B) которых уравниваются в процессе проведения измерений. Одна из ветвей моста включает в себя резистор Rx, значение сопротивления которого необходимо определить.

Противоположная ветвь содержит реостат R2 — сопротивление регулируемой величины. Между средними выводами ветвей включен индикатор G, в качестве которого может выступать гальванометр, вольтметр, нуль-индикатор или амперметр.

В ходе измерительного процесса сопротивление реостата постепенно изменяют до тех пор, пока индикатор не покажет ноль. Это значит, что потенциалы средних точек моста, между которыми он включен, равны друг другу, и разность потенциалов между ними равна нулю.

Когда стрелка индикатора (гальванометра) отклонена в ту или иную сторону от нуля, это значит что через него протекает ток, и следовательно мост еще не находится в балансе. Если же на индикаторе ровно ноль — мост сбалансирован.

Очевидно, если отношение верхнего и нижнего сопротивлений в левом плече моста равно отношению сопротивлений правого плеча моста — наступает баланс (или равновесие) моста просто в силу нулевой разности потенциалов между выводами гальванометра.

И если значения трех сопротивлений моста (включая текущее сопротивление реостата) сначала измерены с достаточно небольшой погрешностью, то искомое сопротивление Rx будет найдено с достаточно высокой точностью. Считается что сопротивлением гальванометра можно пренебречь.

Мост Уитстона по сути универсален, и применим отнюдь не только для измерений сопротивлений резисторов, но и для нахождения самых разных неэлектрических параметров, достаточно лишь чтобы сам датчик неэлектрической величины был резистивным.

Тогда сопротивление чувствительного элемента-датчика, изменяясь под неэлектрическим воздействием на него, может быть измерено при помощи мостовой схемы Уитстона, и соответствующая неэлектрическая величина может быть таким образом найдена с малой погрешностью.

Таким образом можно найти значение величины: механической деформации (тензометрические датчики), температуры, освещенности, теплопроводности, теплоемкости, влажности, и даже состав вещества.

Современные измерительные приборы на базе моста Уитстона обычно снимают показания с моста через аналого-цифровой преобразователь, подключенный к цифровому вычислительному устройству, такому как микроконтроллер с вшитой программой, которая осуществляет линеаризацию (замена нелинейных данных приближенными линейными), масштабирование и преобразование полученных данных в численное значение измеряемой неэлектрической величины в соответствующих единицах измерения, а также коррекцию погрешностей и вывод в читаемом цифровом виде.

Например напольные весы примерно по такому принципу и работают. Кроме того программными методами тут же может быть проведен гармонический анализ и т. д.

Так называемые тензорезисторы (резистивные датчики механического напряжения) находят применение в электронных весах, в динамометрах, манометрах, торсиометрах и тензометрах.

Тензорезистор просто наклеивается на деформируемую деталь, включается в плечо моста, при этом напряжение в диагонали моста будет пропорционально механическому напряжению, на которое реагирует датчик — его сопротивление изменяется.

При разбалансе моста измеряют величину этого разбаланса, и таким образом находят например вес какого-нибудь тела. Датчик, кстати, может быть и пьезоэлектрическим, если измеряется быстрая или динамическая деформация.

Когда необходимо измерить температуру, применяются резистивные датчики, сопротивление которых изменяется вместе с изменением температуры исследуемого тела или среды. Датчик может даже не контактировать с телом, а воспринимать тепловое излучение, как это происходит в болометрических пирометрах.

Принцип действия болометрического пирометра основан на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента вследствие его нагревания под воздействием поглощаемого потока электромагнитной энергии. Тонкая пластинка из платины, зачерненная для лучшего поглощения излучения, из-за своей малой толщины под действием излучения быстро нагревается и ее сопротивление повышается.

Похожим образом действуют термометры сопротивления с положительным температурным коэффициентом и терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом на базе полупроводников.

При изменении температуры косвенным путем можно измерить теплопроводность, теплоемкость, скорость потока жидкости или газа, концентрацию компонентов газовой смеси и т. д. Именно косвенные измерения такого рода применяются в газовой хроматографии и в термокаталитических датчиках.

Фоторезисторы изменяют свое сопротивление под действием освещенности, а для измерения потоков ионизирующего излучения – используются специализированные резистивные датчики.

Измерительный мост

Измерительный мост, позволяющий определять величину неизвестного электрического сопротивления, был изобретён британским учёным Самуэлом Кристи в 1833 году, и позже модернизирован и популяризирован другим британским учёным, Чарьзом Витстоном в 1843 году.

Схема измерительного моста Уинстона.
P1 – P3 – диагональ питания; P2 – P4 – измерительная диагональ моста;
R1, R2 – левое плечо, R3, Rx – правое плечо моста.

Принцип работы

Принцип измерения неизвестного сопротивления основан на уравнивании отношений сопротивлений в обоих плечах моста, при этом гальванометр, включённый между этими плечами, будет показывать нулевое напряжение. На рисунке Rx – это неизвестное сопротивление, которое требуется измерить. R1, R2 и R3 – резисторы с известными значениями сопротивлений, причём резистор R2 переменный. Если отношение двух известных сопротивлений в плече R2/R1 равно отношению сопротивлений в плече Rx/R3, то в этом случае напряжение между точками схемы P2 и P4 будет равно нулю, и через гальванометр V ток не будет течь. Если же мост разбалансирован, то отклонение гальванометра будут указывать на то, что сопротивление резистора R2 слишком большое или слишком маленькое. Переменный резистор R2 регулируют до тех пор, пока гальванометр не укажет на ноль.

По гальванометру можно определять отсутствие тока в цепи с очень большой точностью. Следовательно, если резисторы R1, R2 и R3 – высокоточные, то неизвестное сопротивление Rx может быть измерено с большой точностью. Небольшие изменения сопротивления Rx разбалансируют измерительный мост, что обнаруживается по показанию гальванометра.

При сбалансированном мосте выполняется равенство R2/R1 = Rx/R3.

Отсюда Rx = R3*R2 / R1

В случае если сопротивления R1, R2 и R3 известны, а резистор R2 – постоянный, то неизвестное сопротивление Rx может быть рассчитано с помощью законов Кирхгофа. Этот метод измерения часто используется при применении измерительного моста в тензометрии, совместно с тензодатчиком, так как считать показания с гальванометра получится гораздо быстрее, чем балансировать мост переменным резистором.

Расчёт

Используя первый закон Кирхгофа, найдём токи, протекающие в узлах P2 и P4:

Далее с помощью второго закона Кирхгофа найдём напряжения в контурах P1-P2-P4 и P2-P3-P4:

Мост сбалансирован, следовательно IG = 0, так что вторая система уравнений сократится:

Решая эту систему уравнений, получим:

Из первого закона Кирхгофа следует, что I3 = Ix и I1 = I2. Следовательно величина неизвестного сопротивления Rx будет определятся по формуле:

Если известны сопротивления всех четырёх резисторов и величина питающего напряжения Uпит, а сопротивление гальванометра достаточно высокое, так что током IG, протекающим через него можно пренебречь, то напряжение U между точками моста P2 и P4 может быть найдено путём расчёта каждого из делителей напряжения, вычтя затем напряжение на одном делителе из напряжения на другом делителе. В этом случае получится следующее уравнение:

Напряжение питания Uпит можно вынести за скобки, в этом случае получится выражение:

Где U – напряжение в точке P2 относительно точки P4.

Измерительный мост Уинстона иллюстрирует концепцию дифференциальных измерений, результаты которых могут быть очень точными. Различные разновидности моста Уинстона используются для измерения ёмкости, индуктивности, импеданса и других величин. Одной из разновидностей моста является мост Кельвина, специально предназначенный для измерения малых сопротивлений. Во многих случаях измерение величины неизвестного сопротивления связано с измерением некоторых физических параметров, таких как сила, температура, давление и т.д., здесь в качестве измеряемого сопротивления используется соответствующий резистивный датчик.

В 1865 году Джеймс Максвелл применил измерительный мост Уинстона, питаемый переменным током, для измерения индуктивности, и в 1926 году Алан Блюмлейн подверг этот мост усовершенствованию.

Модификации основной схемы измерительного моста

Мост Уинстона является основной схемой измерительных мостов, но так же существуют различные его модификации, с помощью которых можно проводить измерения различных типов сопротивлений, когда основная схема моста для этого не подходит. Вот несколько разновидностей основной схемы измерительного моста:

Мост Уитстона (мост постоянного тока)

Компенсационный способ измерения сопротивлений является наиболее точным. Принципиальная схема метода (мост Уитстона) дана на рис. 5. Мостовая схема представляет собой замкнутый четырехугольник abcd, составленный из сопротивлений R1, R2, R3, R4, называемых плечами моста. Противоположные вершины ас и bd соединены диагоналями моста. В одну диагональ включен источник тока, в другую – нулевой гальванометр Г. При некотором соотношении между сопротивлениями плеч ток, протекающий через гальванометр, обращается в ноль (ig = 0). В этом случае говорят, что мост уравновешен.

Условие равновесия моста. Обозначим токи в плечах соответственно через i1 , i2 , i3 , i4. Так как ig = 0, то, во-первых, i1 = i2, а i3 = i4 и, во-вторых, φb = φd. По закону Ома разности потенциалов для плеч равны:

Это и есть условие равновесия моста. Его используют для расчета одного из 4-х сопротивлений. Пусть вместо R1 в цепь включен резистор с неизвестным сопротивлением RX . При трех остальных известных сопротивлениях

Таким образом, измерение неизвестного сопротивления сводится к уравновешиванию моста с тремя известными и одним неизвестным сопротивлением и расчета последнего по формуле (7).

Уравновесить мост, т.е. добиться отсутствия тока через гальванометр, можно двумя способами. Во-первых, установив постоянное отношение R3/ R4, подбирать соответствующее сопротивление R2и, во-вторых, установив постоянное сопротивление R2, изменять отношение плеч R3/ R4. Первый способ используется в декадных мостах. Второй способ реализуется в линейных мостах (рис. 6). Здесь RХ неизвестное сопротивление, R2 – магазин сопротивлений. Сопротивления R3 и R4 заменены отрезками l3 и l4 калиброванной проволоки (реохорда). Перемещая движок D вдоль реохорда, можно плавно изменять отношения плеч R3/ R4. Так как сопротивление проволоки пропорционально длине, то отношение сопротивлений R3/ R4 можно заменить отношением соответствующих отрезков реохорда l3/l4 . Таким образом, измерение неизвестного сопротивления сводится к следующему:

1. Замыкая на короткое время кнопку К и перемещая движок D вдоль реохорда, следует добиться равновесия моста (при замкнутом ключе К ток через гальванометр не течет ig = 0).

2. Определить по линейке реохорда длины отрезков l3 и l4 = ll3, где l – длина всего реохорда.

3. Рассчитать неизвестное сопротивление по формуле:

Для повышения точности измерений следует стремиться к тому, чтобы мост был уравновешен при отношении плеч l3/l4 близком к 1, т.е. чтобы движок D находился примерно в средней трети длины реохорда. Для этого сопротивление R2 должно быть приблизительно равно RХ. Если сопротивление RХ неизвестно даже приблизительно, то, выбрав R2 произвольно, уравновешивают мост и рассчитывают RХсначала приближенно, а затем, установив на магазине сопротивлений R2 » RХ, повторяют измерения и рассчитывают RХ более точно.

Поскольку сопротивление реохорда мало, мост Уитстона описанного типа применяется, как правило, для измерения небольших сопротивлений (от 1 до 1000 Ом).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Да какие ж вы математики, если запаролиться нормально не можете. 8624 – | 7456 – или читать все.

194.79.20.244 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Мост уитстона принцип действия

Мостовые схемы

Никакой учебник по электроизмерительным приборам нельзя назвать полным, если в нем не будет раздела, посвященного мостовым схемам. Эти гениальные схемы используют индикатор нулевого баланса (детектор “нуля”) для сравнения двух напряжений. Но, в отличие от “потенциометрических” схем, которые используются только для измерения неизвестного напряжения, мостовые схемы могут быть использованы для измерения всех видов электрических величин, включая и сопротивление.

Стандартная мостовая схема, часто называемая мостом Уитстона, выглядит примерно так:

Когда напряжение между точкой 1 и минусом батареи равно напряжению между точкой 2 и отрицательным выводом батареи, то индикатор баланса будет показывать ноль, и про такой мост говорят что он “сбалансирован”. Состояние баланса моста полностью зависит от отношений Ra/Rb и R1/R2, и оно не зависит от напряжения питания. Для измерения сопротивлений с помощью моста Уитстона на место резисторов Ra или Rb устанавливается неизвестное сопротивление, в то время как остальные три резистора являются прецизионными и их номинал известен. Каждый из этих трёх резисторов может быть заменён сопротивлением другой величины или их номиналы могут быть скорректированы, что бы мост сбалансировался, и когда это произойдёт то величина сопротивления неизвестного резистора может быть определена из соотношения величин известных сопротивлений.

Для этого необходимо, что бы измерительная система имела набор переменных резисторов с точно известными значениями, которые могут служить эталонными стандартами. Например, если мост настроен на измерение сопротивления Rx (рисунок 2), то мы должны знать точное значение остальных трёх сопротивлений при сбалансированном мосте, что бы определить величину сопротивления Rx:

Каждое из четырёх сопротивлений в мостовой схеме называют плечом. Резистор, последовательно соединённый с неизвестным сопротивлением, Rx обычно называют реостатом моста (это будет сопротивление Ra на рисунке 2), а другие два сопротивления называют плечами отношений моста.

Точные и стабильные образцовые сопротивления к счастью, не сложно изготовить. В действительности они были одними из первых электрических “Стандартных” устройств, изготовленных в научных целях. Ниже приведена фотография старинного блока стандартных сопротивлений:

Стандарт сопротивлений, изображённый на этой фотографии, является переменным с дискретным шагом изменения сопротивления: величина сопротивления между клеммами может изменяться в зависимости от количества и положения медных вставок, вставленных в разъёмы.

Мосты Уитстона считаются превосходным средством измерения сопротивления среди схем различных омметров. Но в отличие от всех этих схем, являющихся нелинейными (и имеющих нелинейные шкалы), и связанные с этим погрешности измерений, мостовая схема является линейной (математика описания её работы основана на простых отношениях и пропорциях) и довольно точной.

Имея стандартные сопротивления достаточной точности и нуль-детектор с необходимой чувствительностью, достижимая точность измерения сопротивления может быть не хуже +-0,05% при использовании моста Уитстона. Это метод измерения сопротивления предпочитают использовать в калибровочных лабораториях из-за его высокой точности.

Существует много вариаций основной схемы моста Уитстона. Большинство мостов постоянного тока используются для измерения сопротивления, в то время как мосты переменного тока могут быть использованы для измерения различных электрических величин, таких как индуктивность, ёмкость и частота.

Интересным вариантом моста Уитстона является двойной мост Кельвина, используемый для измерения очень малых сопротивлений (обычно менее 1/10 Ома), его схема изображена на следующем рисунке:

Низкоомные резисторы на рисунке изображены толстой линией, так же как и проводники, соединяющие их с источником напряжения, обеспечивающим сильный ток. Принцип работы этого измерительного моста причудливой конфигурации, пожалуй, лучше всего понять, если начать объяснение принципа его работы со стандартного моста Уитстона, настроенного для измерения низкого сопротивления, этот мост развивался шаг за шагом до его нынешнего состояния в попытке преодолеть некоторые проблемы, возникшие в мосте Уитстона стандартной конфигурации.

Если бы мы использовали стандартный мост Уитстона для измерения небольших сопротивлений, то его схема бы выглядела примерно так:

Когда нуль-детектор указывает нулевое напряжение, мы знаем, что мост сбалансирован и что соотношение Ra/Rx и RM/RN математически равны друг другу. Зная значения Ra, RM, and RN поэтому мы имеем все необходимые данные, чтобы найти величину Rx. Почти.

Имеется проблема в том, что соединения и соединительные провода между Ra и Rx обладают неким сопротивлением, и эти паразитные сопротивления могут быть существенными по сравнению с низким сопротивлением Ra и Rx. Эти паразитные сопротивления понизят реальное напряжение, учитывая большой ток, протекающий через них, и таким образом будут влиять на показания детектора нуля и на баланс моста:

Так как мы не хотим измерять сопротивление этих паразитных проводников и сопротивление соединений, а нас интересует только измерение сопротивления Rx, то надо найти такой способ включения нуль-детектора, что бы на его показания не влияли падения напряжений, протекающего через эти сопротивления. Если мы присоединим нуль-детектор и плечи отношений RM/RN напрямую к выводам Ra и Rx, то это приведёт нас к такой реализации измерительного моста:

Теперь два крайних падения напряжения Eпров. не оказывают воздействия на нуль-детектор и не влияют на точность измерений сопротивления Rx. Но два оставшихся падения напряжений Eпров. являются проблемой, так как проводник, соединяющий нижний по схеме вывод Ra и верхний по схеме вывод Rx теперь шунтирует оба падения напряжения и по нему будет течь существенный ток, который создаст на этом проводнике своё падение напряжения.

Зная, что левая часть нуль-детектора должна быть подключена к двум крайним выводам сопротивлений Ra и Rx, что бы не вносить ошибки, связанные с паразитными падениями напряжения Eпров. в цепи нуль-детектора, и что любой прямой провод, соединяющий выводы этих сопротивлений Ra и Rx будет сам нести значительный ток и создавать ещё большее паразитное падение напряжения, то единственным способом преодолеть эту проблему является создание соединения, имеющее существенное сопротивление, между нижнем по схеме выводом Ra и верхнем по схеме выводом Rx:

Справится с паразитными падениями напряжений между выводами сопротивлений Ra Rx можно путём изменения сопротивления двух новых резисторов таким образом, что бы отношение их величин было бы таким же, как и отношение величин сопротивлений в плече отношений, находящихся по схеме с правой стороны от нуль-детектора. Вот почему эти резисторы были помечены Rm и Rn в оригинальной схеме двойного моста Кельвина: для обозначения их соразмерности с сопротивлениями RM и RN:

При отношении Rm/Rn равном отношению RM/RN, резистор в плече реостата Ra регулируется до тех пор, пока нуль-индикатор не покажет, что мост сбалансирован, и тогда можно будет сказать, что отношение Ra/Rx равно отношению RM/RN, или просто найти Rx из следующего уравнения:

Полное уравнение баланса двойного моста Кельвина выглядит следующим образом (Rпров. – это сопротивление толстых соединительных проводов между низкоомным образцовым сопротивлением Ra и испытуемым сопротивлением Rx):

До тех пор пока соотношение между RM и RN равно отношению между Rm и Rn, уравнение баланса будет не сложнее чем у обычного моста Уитстона, при Rx/Ra равном RN/RM, так как последнее выражение в уравнении будет равно нулю, так что будет отсутствовать влияние всех сопротивлений, кроме Rx, Ra, RM, и RN.

Во многих двойных мостовых схемах Кельвина RM=Rm и RN=Rn. Однако чем меньше значения сопротивлений Rm и Rn, тем более чувствительным должен быть нуль-детектор, потому что там будет меньше последовательное сопротивление. Увеличение чувствительности детектора является полезным, так как оно позволит обнаруживать слабые дисбалансы, и таким образом мост можно будет сбалансировать с большой точностью. Таким образом некоторые высокоточные двойные мосты Кельвина используют сопротивления Rm и Rn со значениями в 100 раз меньше, чем значения сопротивлений RM и RN в другом плече. К сожалению, однако, чем ниже значения сопротивлений Rm и Rn, тем больший ток по ним будет течь, что увеличит влияние любого сопротивления в точке подключения Rm и Rn к Ra и Rx. Как вы можете видеть, высокая точность инструмента требует, чтобы учитывались все ошибки различных факторов, и часто лучшее, что может быть достигнуто является компромиссом минимизации двух или более различных видов ошибок.

Измерительные мосты постоянного и переменного тока. Принципы измерений: мост Уитстона

При обслуживании металлических кабельных линий наиболее часто пользуются измерительными мостами, хотя для поиска мест повреждения кабеля существуют и другие приборы. Во-первых, они обеспечивают высокую точность в широком диапазоне измеряемых величин. Во-вторых, их применение позволяет организовать измерения таким образом, чтобы компенсировать посторонние влияния, что незаменимо для локализации неисправности. В-третьих, они недороги.

Учитывая сказанное, полезно ознакомиться не только с устройством измерительных мостов, но и с принципами их применения для локализации неисправностей. Впрочем, говоря языком математики, для построения оптимальных схем измерения такие знания необходимы, но недостаточны. Диагностика — это всегда и опыт, и искусство.

Принцип работы мостовой схемы измерения продемонстрировано на Рисунке 1 (RM1a), а способ ее применения на практике — на Рисунке 2 (RM2a). Сопротивление R1 вычисляется исходя из полученного при балансировке моста соотношения R4/R3, в качестве R2 используется резистор с известным значением. Конечно, сказанное дает только самое общее представление об измерительной схеме моста. На самом деле он устроен гораздо сложнее — современные мосты создаются на основе цифровых процессоров. Микропроцессорное ядро позволяет автоматизировать процедуру измерения (в первых моделях оператор должен был пользоваться калькулятором, сегодня же все расчеты выполняются аппаратурой), обеспечить многофункциональность устройства (многие мосты интегрированы с другими измерительными приборами — мультиметрами, рефлектометрами и т. п.), устранить помехи (посторонние постоянные и переменные напряжения почти всегда присутствуют на жилах кабелей), организовать дальнейшую обработку накопленных результатов измерений (хранение, обмен с компьютером, печать протоколов) и др.

Рассмотренный выше мост, используемый для измерения сопротивления, носит имя Уитстона (Wheatstone). Для подключения измеряемых цепей в нем применяются всего две клеммы (B и C). Более сложные схемы реализованы в двух других мостах — Муррея (Murray) и Купфмюллера (Kupfmuller) (RM2в). Здесь измеряемые цепи подключаются с помощью трех клемм (A, B и C). В более сложных схемах Хиборна/Графа (Hilborn/Graf) задействуются четыре клеммы (A, B, B’ и C) (RM3). Смысл увеличения числа точек подключения станет понятен при рассмотрении схем измерения с применением мостов.

Еще один момент. Все упомянутые мостовые схемы используются для измерений при постоянном токе (определяются величины активных сопротивлений, подключенных к клеммам). Кроме того, мостовые схемы Уитстона и Муррея используются для измерений при переменном токе (определяются величины емкостей, подключенных к клеммам). В таких мостах источником напряжения служит генератор синусоидального напряжения.

Теперь остановимся на схемах измерений. С помощью моста Уитстона при постоянном токе измеряют сопротивление витой пары (шлейфа), сопротивление изоляции жил пары, сопротивление изоляции между жилами и экраном (RM3, RM4, RM5).

Значения упомянутых параметров используются для диагностики кабельных линий. Локализация же неисправностей требует определения места повреждения на кабельной линии. При помощи моста постоянного тока несложно вычислить расстояние до места повреждения. Зная сопротивление шлейфа Rшл и погонное сопротивление жил кабеля Rпог, можно воспользоваться формулой: Lпары = Rшл / 2Rпог, и рассчитать длину витой пары.

Погонное сопротивление медных жил определяется табличным способом по их сечению. Оно зависит не только от сечения жил, но и от их температуры. Чтобы избежать ошибки, нужно использовать значение погонного сопротивления для соответствующей температуры (особенно важно это для воздушных кабельных линий, где температура меняется в широких пределах). В простых мостах значения вводятся оператором вручную из таблиц. В более сложных приборах при помощи автоматической или полуавтоматической калибровочной процедуры определяется поправочный коэффициент по измеренному значению температуры (для чего в комплекте прибора присутствует щуп-датчик).

Длина витой пары может быть установлена также мостовым методом при переменном токе. В таком случае измеряемым параметром является емкость витой пары. Разделив емкость витой пары на ее погонную емкость, получим длину витой пары.

Аналогично рассмотренным выше измерениям при постоянном токе, с помощью моста Уитстона при переменном токе определяются емкость витой пары (шлейфа) и емкость каждой из жил пары относительно экрана. Длина жил может быть вычислена по их погонной емкости. Погонная емкость (нФ/км) витой пары зависит от сечения жил, типа скрутки, вида и материала изоляции и определяется табличным способом по типу кабеля.

Резкое увеличение емкости витой пары по сравнению с ее паспортным значением, как правило, свидетельствует о наличии воды в сердечнике кабеля. Для локализации повреждений этого типа применяются другие методы, прежде всего зондирование поврежденной пары с помощью рефлектометра.

Отметим, что, в отличие от сопротивления, погонная емкость слабо зависит от температуры, что существенно упрощает измерения.

Измерительные мосты постоянного и переменного тока. Принципы измерений: мост Уитстона

При обслуживании металлических кабельных линий наиболее часто пользуются измерительными мостами, хотя для поиска мест повреждения кабеля существуют и другие приборы. Во-первых, они обеспечивают высокую точность в широком диапазоне измеряемых величин. Во-вторых, их применение позволяет организовать измерения таким образом, чтобы компенсировать посторонние влияния, что незаменимо для локализации неисправности. В-третьих, они недороги.

Учитывая сказанное, полезно ознакомиться не только с устройством измерительных мостов, но и с принципами их применения для локализации неисправностей. Впрочем, говоря языком математики, для построения оптимальных схем измерения такие знания необходимы, но недостаточны. Диагностика — это всегда и опыт, и искусство.

Принцип работы мостовой схемы измерения продемонстрировано на Рисунке 1 (RM1a), а способ ее применения на практике — на Рисунке 2 (RM2a). Сопротивление R1 вычисляется исходя из полученного при балансировке моста соотношения R4/R3, в качестве R2 используется резистор с известным значением. Конечно, сказанное дает только самое общее представление об измерительной схеме моста. На самом деле он устроен гораздо сложнее — современные мосты создаются на основе цифровых процессоров. Микропроцессорное ядро позволяет автоматизировать процедуру измерения (в первых моделях оператор должен был пользоваться калькулятором, сегодня же все расчеты выполняются аппаратурой), обеспечить многофункциональность устройства (многие мосты интегрированы с другими измерительными приборами — мультиметрами, рефлектометрами и т. п.), устранить помехи (посторонние постоянные и переменные напряжения почти всегда присутствуют на жилах кабелей), организовать дальнейшую обработку накопленных результатов измерений (хранение, обмен с компьютером, печать протоколов) и др.

Рассмотренный выше мост, используемый для измерения сопротивления, носит имя Уитстона (Wheatstone). Для подключения измеряемых цепей в нем применяются всего две клеммы (B и C). Более сложные схемы реализованы в двух других мостах — Муррея (Murray) и Купфмюллера (Kupfmuller) (RM2в). Здесь измеряемые цепи подключаются с помощью трех клемм (A, B и C). В более сложных схемах Хиборна/Графа (Hilborn/Graf) задействуются четыре клеммы (A, B, B’ и C) (RM3). Смысл увеличения числа точек подключения станет понятен при рассмотрении схем измерения с применением мостов.

Еще один момент. Все упомянутые мостовые схемы используются для измерений при постоянном токе (определяются величины активных сопротивлений, подключенных к клеммам). Кроме того, мостовые схемы Уитстона и Муррея используются для измерений при переменном токе (определяются величины емкостей, подключенных к клеммам). В таких мостах источником напряжения служит генератор синусоидального напряжения.

Теперь остановимся на схемах измерений. С помощью моста Уитстона при постоянном токе измеряют сопротивление витой пары (шлейфа), сопротивление изоляции жил пары, сопротивление изоляции между жилами и экраном (RM3, RM4, RM5).

Значения упомянутых параметров используются для диагностики кабельных линий. Локализация же неисправностей требует определения места повреждения на кабельной линии. При помощи моста постоянного тока несложно вычислить расстояние до места повреждения. Зная сопротивление шлейфа Rшл и погонное сопротивление жил кабеля Rпог, можно воспользоваться формулой: Lпары = Rшл / 2Rпог, и рассчитать длину витой пары.

Погонное сопротивление медных жил определяется табличным способом по их сечению. Оно зависит не только от сечения жил, но и от их температуры. Чтобы избежать ошибки, нужно использовать значение погонного сопротивления для соответствующей температуры (особенно важно это для воздушных кабельных линий, где температура меняется в широких пределах). В простых мостах значения вводятся оператором вручную из таблиц. В более сложных приборах при помощи автоматической или полуавтоматической калибровочной процедуры определяется поправочный коэффициент по измеренному значению температуры (для чего в комплекте прибора присутствует щуп-датчик).

Длина витой пары может быть установлена также мостовым методом при переменном токе. В таком случае измеряемым параметром является емкость витой пары. Разделив емкость витой пары на ее погонную емкость, получим длину витой пары.

Аналогично рассмотренным выше измерениям при постоянном токе, с помощью моста Уитстона при переменном токе определяются емкость витой пары (шлейфа) и емкость каждой из жил пары относительно экрана. Длина жил может быть вычислена по их погонной емкости. Погонная емкость (нФ/км) витой пары зависит от сечения жил, типа скрутки, вида и материала изоляции и определяется табличным способом по типу кабеля.

Резкое увеличение емкости витой пары по сравнению с ее паспортным значением, как правило, свидетельствует о наличии воды в сердечнике кабеля. Для локализации повреждений этого типа применяются другие методы, прежде всего зондирование поврежденной пары с помощью рефлектометра.

Отметим, что, в отличие от сопротивления, погонная емкость слабо зависит от температуры, что существенно упрощает измерения.

 

лабораторная работа 31

Цель работы: 1. Изучение принципа работы измерительной мостовой схемы. 2. Определение величины сопротивления двух проводников и величины сопротивления при их последовательном и параллельном соединении. 3. Определение величины внутреннего сопротивления гальванометра.

 

Приборы и принадлежности: реохорд, набор резисторов с неизвестными сопротивлениями, магазин сопротивлений, милливольтметр, источник постоянного тока.

 

Теория R–моста Уитстона

 

Электрическим мостом в технике измерений называют электрический прибор для измерения сопротивлений, емкостей, индуктивностей и других электрических величин, представляющих собой измерительную мостовую цепь, действие которой основано на методике сравнения измеряемой величины с образцовой мерой. Как известно, метод сравнения дает весьма точные результаты измерений, вследствие чего мостовые схемы получили широкое распространение как в лабораторной, так и в производственной практике.

 

Классическая мостовая цепь состоит из четырех сопротивлений Z1, Z2, Z3, Z4, соединенных последовательно в виде четырехугольника (рис. 1), причем точки А, Е, В, D называют вершинами. Ветвь АВ, содержащая источник питания Un, называется диагональю питания, а ветвь ЕD, содержащая сопротивление нагрузки ZH, – диагональю нагрузки.. Сопротивления Z1, Z2, Z3, Z4, включенные между двумя соседними вершинами, называются плечами мостовой цепи.

 

Название «мостовая цепь» объясняется тем, что диагонали, как мостики, соединяют две противолежащие вершины (диагональ нагрузки, например, ранее так и называлась – мост). Схема, представленная на рис. 1, известна в литературе как четырехплечный мост, или мост Уитстона. В данной лабораторной работе мы познакомимся с работой одной из разновидностей моста Уитстона, а именно с той, которая позволяет проводить измерения величин активных сопротивлений.

 

Рис. 1

 

Условие равновесия моста Уитстона. R–мост Уитстона предназначен для измерения величин сопротивлений. Он состоит из реохорда АВ, чувствительного гальванометра       и двух резисторов – известной величины R и неизвестной – Rх.   (  рис. 2).

Рис. 2

 

 Реохорд представляет собой укрепленную на линейке однородную проволоку, вдоль которой может перемещаться скользящий контакт D. Рассмотрим схему без участка ЕD. Замкнем ключ К. Тогда по проволоке АВ потечет ток и вдоль нее будет наблюдаться равномерное падение потенциала от величины ja (в точке А) до величины jb (в точке В). В цепи АЕВ пойдет ток и будет наблюдаться падение потенциала от ja до je (на резисторе Rх) и от je до jb (на резисторе R). Очевидно, в точке Е потенциал имеет промежуточное значение je между значениями ja и jb. Поэтому на участке АВ всегда можно найти точку D, потенциал которой равен потенциалу в точке Е: jD=je. Если между точками Е и D включен гальванометр, то в этом случае ток через него не пойдет, т.к. φe – φD= 0.

 

Такое состояние моста  называется равновесием моста. Покажем, что условие равновесия определяется соотношением

.                                           (1)

Действительно, на основании второго закона Кирхгофа для любого замкнутого контура алгебраическая сумма падений потенциала равна алгебраической сумме электродвижущих сил e:

.                                (2)

Запишем эти условия для контуров АЕD и ЕВD в случае уравновешенного моста (рис. 2):

 

;                               (3)

.                                 (4)

 

Используем первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма сил токов в узле равна нулю: . Узлом называется точка или место соединения трех и более проводников (рис. 2). Для узла Е: IX – I+ IG = 0. При равновесии моста IG = 0, тогда получим , . Из (3) и (4) получим

,       .

 

Деля первое на второе, найдем соотношение (1). Так как сопротивление изотропного проводника цилиндрической формы зависит от геометрических размеров и материала, т.е. , где  – удельное сопротивление проводника; l, S – длина и площадь сечения проводника, то сопротивление участков реохорда АВ можно записать в виде

;     .                           (5)

 

Подставляя (5) в (1), получим искомую рабочую формулу

,                                          (6)

где  и  – длины плеч реохорда АВ; R – сопротивление, подбираемое магазином сопротивлений.

 

Мост Уитстона может быть также использован для определения внутреннего сопротивления гальванометра r, причем гальвано
метр           в этом случае включается, как показано на рис. 3.

Рис. 3

 

Если потенциалы je и jD равны, то сила тока в диагонали ЕD равна нулю, а поэтому замыкание и размыкание ключа К1 не будут вызывать изменения силы тока в ветвях мостовой схемы, в том числе и в ветви гальванометра.

 

При равенстве потенциалов je и j для моста имеет силу формула

,                                        (7)

по которой непосредственно определяется измеряемое сопротивление гальванометра. Таким образом, мостовая схема может быть использована для измерения сопротивлений не только в том случае, когда гальванометр включен в ее диагональ, но и тогда, когда он включен в одно из ее плеч. В этом случае надо при измерении добиваться постоянства показания гальванометра при замыкании и размыкании ключа в указанной диагонали схемы.

 

Такой прием применяется для измерения сопротивления гальванометра, т.к. он не требует включения второго прибора в диагональ схемы.

 

Ход работы

 

Упражнение 1. Измерение величины сопротивления двух проводников, а также общего сопротивления при их последовательном и параллельном соединениях.

 

1. Собрать схему, изображенную на рис. 2.

 

2. Измерить величину сопротивления Rх1, а также последующих сопротивлений (три раза). Для этого установить движок реохорда на середину () и подбором величины сопротивления магазина R уравновесить мост, то есть добиться нулевого положения стрелки при включенном питании.

 

Повторить измерения при  и , устанавливая движок реохорда вблизи его середины ( тем самым достигается минимальная погрешность результата). Измеряемая величина сопротивления определяется по формуле

.

 

3. Включить в цепь Rx2 вместо Rx1 и измерить его величину согласно п. 2.

 

4. Измерить величины сопротивлений последовательного и параллельного соединений Rx1 и Rx2, включаемых вместо Rx в плечо АЕ (рис. 2). Измерения проводить согласно требованиям
пункта 2.

 

5. По формулам

 и

рассчитать значения величин сопротивлений и сравнить их со значениями, полученными при выполнении пункта 4.

 

6. Результат измерений занести в таблицу 1.

 

7. Оценить погрешность измерения величин сопротивлений
Rx1, Rx2, Rx посл. и Rx пар.

Таблица 1

Измеряемое сопротивление

№ п/п

l1,

мм

l2,

мм

R,

Ом

Rх,

Ом

Rх ср,

Ом

Расчетные значения

Rx посл., Rx пар., Ом

1

1

2

3

 

 

 

 

 


2

1

2

3

 

 

 

 

 

посл.

1

2

3

 

 

 

 

 

 

пар.

1

2

3

 

 

 

 

 

 

 

Упражнение 2. Определение величины внутреннего сопротивления гальванометра.

 

1. Собрать схему, изображенную на рис. 3.

 

2. Измерить три раза величину . Мост уравновешивается как изменением величины сопротивления магазина R, так и изменением положения движка D реохорда АВ (рис. 3). Для достижения более высокой точности измерений нужно стремиться к тому, чтобы отношение l1/l2 (рис. 3) не сильно отличалось от единицы.

ВНИМАНИЕ! При включении гальванометра в плечо моста (рис. 3) последний находится в равновесии, если при замыкании и размыкании ключа К1 гальванометр не меняет своих показаний.

 

3. По формуле

 

рассчитать сопротивление гальванометра. Данные измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

R, Ом

, мм

, мм

, Ом

, Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопросы для допуска к работе

1.      Назовите цель работы.

2.      Каков принцип действия моста Уитстона?

3.      Изменится ли условие равновесия моста, если гальванометр и источник тока поменять местами?

5.      Оцените погрешность метода. При каком условии погрешность метода будет минимальной?

 

Вопросы для защиты работы

2.      Используя законы Кирхгофа, выведите условия равновесия моста Уитстона.

3.      Нарисуйте электрическую цепь последовательного и параллельного соединения проводников и рассчитайте их сопротивления.

4.      От каких величин зависит сопротивление изотропного проводника?

5.      Каково практическое использование моста Уитстона?

6.      Дайте определение электрического потенциала, ЭДС, напряжения.

7.      Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи.

Мостовая схема измерений. Мост, который построил Уитстон (Витстон) | Разумный мир

На самом деле, мостовой метод измерений был предложен Кристи раньше Уитстона примерно на 10 лет, но он, что называется, остался в тени. Но в историю техники он вошел как мост Уитстона. Справедливости ради надо отметить, что сам Уитстон указал на авторство Кристи.

Не смотря на то, что мостовой метод измерений был предложен задолго до появления электроники (даже ламповой), он используется и сегодня, хотя уже давно нет проблем с точными стрелочными или цифровыми приборами. Более того, мостовой принцип построения схем используется в электронике очень широко, и не только для измерений.

Принцип работы моста очень прост, для его понимания достаточно знаний физики в объеме средней школы (раздел «Электричество. Постоянный ток). Но не смотря на это у некоторых начинающих любителей электроники его использование воспринимается как нечто сложное, нужное лишь для каких то очень точных измерений.

Давайте посмотрим на мост Уитстона не с точки зрения обычного учебника, где даются лишь формулы. Посмотрим, почему мостовые схемы измерения вообще потребовались. Разумеется, мы «окинем взором» и другие примеры использования мостовых схем. Ведь все мы, причем постоянно, используем мосты.

Статья, по большей части, ориентирована на самых начинающих. Возможно, даже на старшеклассников.

Для любителей покричать в комментариях «это и так всем известно» или «зачем копировать учебник» заранее скажу — что известное лично вам не обязательно известно, или понятно, другим. И статья ни в коей мере не является копией какого либо учебника. Хотя схемы и формулы, естественно, выглядят такими похожими.

Мост Уинстона. Зачем он нужен?

Мост Уинстона был описан в 1843 году(Кристи в 1833). Того изобилия измерительных приборов позволяющих выполнять точные непосредственные измерения, как мы привыкли сегодня, тогда не было. Не было еще и электроники. А вот потребность выполнять измерения была.

Напряжение и ток уже умели измерять гальванометрами. Сопротивление определяли расчетным путем, измеряя двумя гальванометрами ток и напряжение. Но вот со сравнением близких сопротивлений возникала проблема. Возникает вопрос, а зачем вообще нужно было сравнивать близкие сопротивления?

Это было время активного изучения электричества. Совсем недавно Ом сформулировал свой закон (эмпирический) о взаимосвязи напряжения, тока, сопротивления. Изучалось влияние на сопротивление проводников не только из геометрических размеров, но и химического состава, температуры, других факторов. А это влияние могло быть и очень незначительным.

В общем случае, можно представить проводник как комбинацию двух сопротивлений. Первое, условно постоянное, определяет исходное, эталонное, сопротивление проводника. Второе, переменное, определяет изменение сопротивления под воздействием различных внешних факторов.

R + ∆R

Причем ∆R мало, зачастую менее 1% от R. И выделить его, оценить влияние внешних факторов на сопротивление проводника, не такая простая задача. Напомню, электроники тогда не существовало. А точность измерительных приборов была не высока. Обратите внимание, речь именно о точности, а не о чувствительности.

Давайте, для примера, возьмем проводник с сопротивлением 5 Ом и пропустим через него ток 1 А (в те времена не мелочились). Падение напряжения на проводнике составит 5 В. Если изменение сопротивления проводника в ходе эксперимента составит 1%, то и падение напряжения изменится на 1%. Это составляет 0.05 В, или 50 мВ.

Чувствительным гальванометром мы можем зафиксировать, и даже измерить, 50 мВ. Но проблема в том, что мы не можем использовать чувствительный гальванометр, так как полное падение напряжения на проводнике будет 4.95 или 5.05 В, в зависимости от знака изменения. И если шкала гальванометра разделена на 100 делений, то цена деления будет как раз равна 50 мВ. А значит и влияние внешнего воздействия будет равняться всего 1 делению шкалы. Это можно увидеть, но точно оценить трудно.

А теперь, представьте себе, что нужно сравнить два почти одинаковых проводника с такой вот реакцией на внешнее воздействие. Это потребует фиксировать гораздо меньшие изменения напряжения. Мы можем разделить каждое деление гальванометра на две-три части, но на 100 частей разделить уже не получится.

Вот это и есть суть проблемы. Она не в том, что нужно измерять малые напряжения, а в том, что нужно измерять малые напряжения на фоне гораздо больших. И главная заслуга Кристи в том, что он предложил, по сути, дифференциальный способ измерения. Причем чисто электрический, так как никаких дифференциальных усилителей, никаких ОУ, просто еще не существовало!

От идеи к воплощению

В основе мостового (дифференциального!) способа измерений лежит простое и всем известное — «Напряжение это разность потенциалов«. И мы можем получить

Компенсация падения напряжения на сопротивлении проводника с помощью дополнительного источника напряжения. Иллюстрация моя

Компенсация падения напряжения на сопротивлении проводника с помощью дополнительного источника напряжения. Иллюстрация моя

Однако, ни Кристи, ни Уитстон, это решение использовать не могли. Регулируемых источников напряжения в те времена не существовало. Количество элементов Вольтова столба можно было изменять, но это очень грубая регулировка. Да и регулируемых источников тока не было. Ток в цепи изменяли с помощью реостата

Способ измерения сопротивления во времена Ома, Кристи, Уитстона. Да, это та самая экспериментальная установка Ома. Иллюстрация моя

Способ измерения сопротивления во времена Ома, Кристи, Уитстона. Да, это та самая экспериментальная установка Ома. Иллюстрация моя

Поэтому остается фактически единственный способ

Компенсация падения напряжения на сопротивлении проводника с помощью дополнительных нерегулируемого источника напряжения, реостата, проводника. Иллюстрация моя

Компенсация падения напряжения на сопротивлении проводника с помощью дополнительных нерегулируемого источника напряжения, реостата, проводника. Иллюстрация моя

Это и есть дифференциальный, с точки зрения сегодняшней терминологии, способ измерения. Давайте посмотрим, как он работает. При этом, естественно, будем считать, что внутреннее сопротивление амперметра мало, а внутреннее сопротивление вольтметра велико, по сравнению с другими сопротивлениями в цепи.

  1. В качестве R устанавливается эталонный проводник, или проводник без приложения внешнего воздействия. Реостатом VR устанавливается требуемый ток, по показаниям амперметра, в цепи.
  2. Реостатом VR1 устанавливают нулевые показания вольтметра. Теперь потенциалы выводов вольтметра равны. А значит и падения напряжения на R и R1 равны. Мы скомпенсировали падение напряжения на неизменной части сопротивления проводника R.
  3. Вместо R устанавливают исследуемый проводник. Или прикладывают к ранее установленному внешнее воздействие. Потенциал правого вывода вольтметра, падение напряжения на R1, остается неизменным. А вот потенциал левого вывода изменяется, так как изменяется сопротивление исследуемого проводника. Поскольку ни напряжение источника Е, ни сопротивление реостата VR не изменились, изменение потенциала будет определяться только ∆R.
  4. Теперь можно считать изменение напряжения по шкале чувствительного гальванометра (вольтметра) и рассчитать ∆R. Или изменить сопротивление реостата VR1, что бы снова установить стрелку вольтметра на 0. А величину ∆R рассчитать по положению подвижного контакта реостата VR1 относительно нанесенной на реостат шкалы.

Теперь у нас устранена главная проблема, фоновое постоянное падение напряжения на исследуемом проводнике, которое мешало точному измерению изменения напряжения. И мы можем использовать чувствительный гальванометр в качестве вольтметра. И это действительно был революционный способ.

Не слишком очевидно, но мы видим на самом деле два способа использования дифференциально метода измерения. Во первых, это измерение напряжения. Можно назвать это прямым измерением. И здесь нам нужен точный гальванометр. Во вторых, это компенсация изменения сопротивления с помощью реостата. Это косвенный способ, так как мы по сути восстанавливаем баланс напряжений на выводах гальванометра. Но при этом нам уже не требуется точный гальванометр (но он по прежнему чувствительный!), так как он теперь лишь индикатор баланса.

И, наконец, классический мост

Дифференциальный способ измерения решал проблему точных измерений малых изменений сопротивления. Но он требовал двух источников напряжения. Совершенно естественным усовершенствованием стало использование единственного источника. И получился классический мост

Классический мост Уитстона. Иллюстрация моя

Классический мост Уитстона. Иллюстрация моя

Это точно та же схема, которая приводилась ранее, но с одним источником напряжения. Кроме того, теперь нет амперметра. Он просто не нужен, так как мы измеряем не сопротивление, и изменение сопротивления. И в приведенной ранее формуле ток просто отсутствует.

Если внимательно посмотреть на схему моста, то можно заметить, что фактически мы имеем два делителя напряжения. Первый — VR/R. Второй VR1/R1. А показания вольтметра будут равны нулю при очень простом условии

VR / R = VR1 / R1

Это называется условием баланса моста.

Именно такая схема моста позволяет напрямую сравнивать два проводника. Первый — эталонный. Второй — подвергаемый внешнему воздействию. При этом совершенно не обязательно использовать два реостата, достаточно одного. А вместо второго можно использовать резистор (в те времена проволочный) аналогичного сопротивления.

Есть возможность использовать мост и для прямого измерения сопротивления, а не для сравнения сопротивлений

Использование моста для измерения сопротивления, а не для сравнения сопротивлений. Иллюстрация моя

Использование моста для измерения сопротивления, а не для сравнения сопротивлений. Иллюстрация моя

В данном случае реостат R1 используется для балансировки моста. Индикатором баланса служит вольтметр. По положению подвижного контакта реостата можно узнать сопротивление исследуемого проводника R.

Балансировка или прямое измерение?

Помните, мы уже затрагивали два способа использования дифференциального метода измерения? Возникает закономерный вопрос, а какой из этих способов лучше?

Давайте вспомним формулы, но уже применительно к мосту

Зависимость выходного напряжения моста от сопротивлений. Иллюстрация моя

Зависимость выходного напряжения моста от сопротивлений. Иллюстрация моя

Это та же самая формула, но уже немного преобразованная. Можно заменить R2 и R4 в числителях на R1 и R3, на результат это не повлияет.

Видно, что выходное напряжение, которое показывает вольтметр, зависит от сопротивлений резисторов (проводников) нелинейно. Даже если изменяется сопротивление лишь какого то одного резистора. Это неприятный факт, так как шкала вольтметра будет тоже нелинейной.

Кроме того, выходное напряжение зависит и от напряжения источника питания моста. Сегодня это не критично, так стабилизация напряжения давно решенная задача. Но во времена Кристи и Уитстона это было серьезной проблемой.

Таким образом, самый привлекательный способ прямого считывания сопротивления (разницы сопротивлений) с шкалы вольтметра оказывается не самым простым и точным. Особенно в те времена.

А вот способ балансировки совсем другое дело! Выходное напряжение равное нулю, что и превращает вольтметр лишь в индикатор баланса, будет только в двух случаях. Или при отсутствии напряжения питания моста, что для нас неинтересно. Или при балансе моста, когда выражение в скобках равно 0). Но при этом напряжение питания уже становится совершенно неважным.

То есть, способ балансировки дает нам независимость от стабильности напряжения источника питания. Кроме того, вместо вольтметра можно использовать простой и не требующий градуировки гальванометр. Достаточно лишь одной метки «0», которая располагается посередине «шкалы». А собственно шкала будет размещаться на реостате, который все равно присутствует в конструкции моста.

Поэтому большее распространение получил именно способ балансировки моста. Для проведения ручных измерений, конечно. И в любительских приборах, и в промышленных, и в лабораторных.

При этом использовался и способ прямых измерений. Например, в электронных термометрах использующих платиновые проволочные датчики. Или в электронных весах с тензометрическими датчиками. Но это уже именно электронные приборы.

Другие варианты измерительных мостов

Мост Уитстона можно питать не только от источника напряжения, но и от источника тока. Расчетные формулы при этом несколько изменяются, но сам принцип работы остается тем же самым. Кроме того, можно питать мост и от источников переменного напряжения или переменного тока. Для измерения чисто активных сопротивлений никаких изменений в конструкцию моста вносить не нужно. Просто нужно будет использовать вольтметр переменного тока.

При измерении очень малых сопротивлений возникает еще одна проблема — сопротивлением соединительных проводников пренебрегать уже нельзя. Эта проблема решена в мосте Кельвина, где используется 4-х проводное, а не 2-х проводное подключение.

Для измерения реактивных (индуктивное и емкостное) сопротивлений используют мосты Максвелла и Вина. Естественно, эти мосты можно питать только переменным напряжением или током.

Мосты Кельвина, Максвелла, Вина, мы сегодня рассматривать не будем.

Мосты не для измерений

Это не кажется таким очевидным, но обычный дифференциальный каскад на лампах или транзисторах тоже является примером мостовой схемы. Замените R2 и R4 на транзисторы. Только используется этот мост не для выполнения измерений, а для усиления сигналов. Или как быстрый ключевой каскад в ЭСЛ логике. И если ЭСЛ сегодня встречается уже очень редко, то дифференциальный каскад является основой ОУ. А ОУ используются очень широко.

Другим примером являются мостовые выходные каскады усилителей или DC-DC преобразователей.

Заключение

На этом мы завершаем наше краткое, очень краткое, знакомство с мостовыми схемами измерений. Мост Уитстона является очень наглядным и интересным примером использования «дифференциального» подхода задолго по появления электроники. Безусловно, многое, очень многое, осталось «за кадром». Например, вопросы лианеризации характеристик мостов. Но целью было объяснить, почему мостовые схемы появились. И что лежит в основе их работы.

До новых встреч!

Уитстона — Справочник химика 21


    Принцип действия таких газоанализаторов показан на схеме (рис. 172). В металлическом блоке находятся две небольшие камеры 1. В одну из них (сравнительную) пропускают газ-носитель, в другую (измерительную) направляют тот газ, который выходит из колонки хроматографа 3. В каждой камере на изоляторах находятся. проволочные сопротивления / 2 и / з (обычно платиновые или вольфрамовые), являющиеся двумя плечами измерительной схемы моста Уитстона. Ток, питающий схему, нагревает эти сопротивления, и через некоторое время устанавливается равновесная температура. Когда через обе камеры проходит только газ-носитель, условия нагрева обоих сопротивлений одинаковы и схема моста сбалансирована. Как только вместе с газом-носителем из колонки начнет поступать какой-либо из компонентов исследуемого газа с иной теплопроводностью, условия теплопередачи между платиновым сопротивлением и стенками измерительной камеры будут другие, чем в сравнительной камере, температура этого сопротивления изменится и нарушится баланс схемы моста. Это отмечается измерительным прибором 2, для чего в современных хроматографах применяют быстродействующие регистрирующие потенциометры типа ЭПП-09. [c.253]

    Принцип действия термохимических газоанализаторов основан на определении теплового эффекта реакции сгорания анализируемого вещества на каталитически активной платиновой нити. Основу прибора составляет мост Уитстона, одно плечо которого — платиновая спираль, помещенная в сравнительную камеру, а второе — платиновая спираль, помещенная в рабочую камеру. Два других плеча — постоянные сопротивления. [c.68]

    Выведите уравнение для измерения сопротивления при помощи моста Уитстона, аналогично тому как это было сделано для компенсационной схемы измерения э. д. с. ячейки. [c.329]


    При измерениях электрической проводимости раствора электролитов при помощи моста Уитстона следует уменьшать поляризацию электродов. С этой целью используют переменный ток, а также платинируют электроды. При использовании переменного тока средней частоты в результаты измерений электрической проводимости с неизбежностью входят емкостное сопротивление сосуда, индуктивное и емкостное сопротивление цепи моста. [c.372]

    Термометры сопротивления, изготовляемые преимущественно из платины, предназначены для измерения температур в интервале от —220 до 750 °С. Принцип действия платинового термометра сопротивления основан на том, что омическое сопротивление термометра, выполненного в виде пластины, цилиндра, прямолинейно «натянутой или свернутой в спираль проволоки, изменяется примерно на 0,4% при изменении температуры на 1 °С. Это означает, что для обеспечения точности измерения в 0,01 °С требуется фиксировать изменение омического сопротивления в несколько стотысячных долей от его первоначального значения при О °С. Метод измерения температуры выбирают в зависимости от требуемой точности. Отметим, что при использовании моста Уитстона можно измерять и регистрировать также разность температур и, следовательно, регулировать мощность электрообогрева кожуха колонны по температуре в нутри нее и косвенно регистрировать флегмовое число. Применяя напыляемые термометры сопротивления [22], можно точно определить среднюю температуру поверхности испарительных свечей или температуру теплопередающих поверхностей. [c.433]

    Поскольку абсолютное измерение теплопроводности затруднено, применяют мостовую схему Уитстона (см. рис. 11.21). Она содер-жиг два нагревательных элемента и / 2, вмонтированных в катарометр, и два одинаковых проволочных сопротивления / з и На. [c.53]

    Число и метод расположения датчиков сигнализаторов горючих газов следует рассчитывать таким образом, чтобы полностью была перекрыта возможная зона утечек. В качестве приборов рекомендуется применять быстродействующие диффузионные сигнализаторы с датчиками, защищенными металлокерамическими пористыми огнепреградителями. Датчик такого прибора представляет собой две нити накала, намотанные на специальные подложки. Одна нить обладает высокой чувствительностью к горючим газам, что обеспечивается пропиткой ее подложки химическими составами с различными каталитическими свойствами. Подложка другой нити нечувствительна к газам. Таким образом эти нити образуют своеобразные плечи моста Уитстона, через который протекает ток небольшой силы. Током подложка нагревается до температуры каталитической реакции. Датчики для этих систем не должны реагировать на небольшие случайные количества горючего газа. [c.109]

    Величину сопротивления или температуру измеряют при помош и специального прибора — мостика Уитстона. [c.115]

    Кат а ро метр —детектор, который регистрирует изменение теплопроводности газа-носителя, вызванное появлением анализируемого вещества. Обычно измеряется разность между теплопроводностями чистого газа-носителя водорода или гелия и его смеси с анализируемым веществом. Измерительные ячейки состоят из платиновых нитей или термисторов, изменение сопротивлений которых из-за разных условий теплообмена обычно регистрируется мостом Уитстона. [c.299]

    Детектор по теплоте сгорания (термохимический). Основан на измерении теплового эффекта при сгорании компонентов анализируемой пробы в присутствии катализатора. Катализатором служит платиновое проволочное сопротивление, являющееся одновременно и чувствительным элементом детектора. По конструкции этот детектор во многом аналогичен детектору по теплопроводности. В качестве газа-носителя используются только воздух или кислород, обеспечивающие горение газов. Температура нагревательных элементов достигает 800—900° С. Оба нагревательных элемента являются плечевыми сопротивлениями схемы моста Уитстона. За счет большого выделения тепла происходит большое изменение температуры нити. Отсюда чувствительность этого детектора выше в десятки раз, чем у катарометра. [c.247]

    В детекторе по плотности поток газа-носителя А (газ сравнения) поступает в камеру детектора (рис. 47) и омывает чувствительные элементы 0 и >2, которыми могут быть как проволочные элементы, так и термисторы. Газ-носитель В (предпочтительнее азот), содержащий определяемые вещества, встречается с газом сравнения после прохождения последним чувствительных элементов, подключенных в мост Уитстона. Если газ-носитель не содержит посторонних веществ и его плотность одинакова с плотностью газа сравнения, то газовые потоки находятся в равновесии и сигнал отсутствует. Если плотность газа-носителя вследствие содержания в нем анализируемых веществ, увеличивается, то его поток направляется вниз, уменьшая скорость нижнего потока. и увеличивая скорость верхнего. Этот разбаланс потоков вызывает изменение сопротивления элементов Ох и О2, вследствие чего возникает сигнал. [c.111]

    Площадь поверхности Г велика, а расстояние й между пластинами молекулярного конденсатора крайне мало (порядка радиуса атомов), следовательно, емкость С большая, а / с мало. Оба внешних контура эквивалентной схемы измерительной ячейки, таким образом, устраняются, и остаются параллельно включенные Нь и Сь- Из-за сравнительно большого расстоя-тока. Для измерения сопротивления применяют мостик Уитстона (рис. Д.131). Скользящий контакт передвигают до тех пор, пока нуль-инструмент не укажет отсутствие тока. Это происходит в том случае, когда отношение пле-чей а и Ь, полученных при делении участка АВ скользящим контактом, равно отношению неизвестного сопротивления рас- [c.320]


    Для этой цели пригодны мост Уитстона, прибор ОХ-6 (ЭПМ МХТИ им, Менделеева) и др. [c.71]

    Когда чистый газ-носитель проходит через обе камеры детектора, то потеря тепла обоими филаментами за счет теплопроводности, газа-носителя по направлению к стенкам металлического блока одинакова, вследствие чего мост находится в состоянии равновесия. Когда же очередной компонент начнет вымываться из хроматографической колонки в рабочую камеру детектора, то изменится теплопроводность газа, а следовательно, и скорость изменения температуры филамента в рабочей камере. Это влечет за собой изменение сопротивления последнего и нарушает равновесие моста Уитстона, что в свою очередь вызывает пропорциональное отклонение стрелки гальванометра или пера самопишущего потенциометра. [c.25]

    После проверки герметичности установки проверить стабильность нулевого показания. Для этого пропустить через хроматографическую колонку поток газа-носителя с определенной скоростью, фиксируемой по реометру 11 в течение 15—30 мин. После этого перо самопишущего прибора переводят на нуль измерительного моста Уитстона (перо самописца выводят на нулевую отметку). Отклонение пера самописца или стрелки гальванометра от нулевого показания не должно превышать одного процента от всей шкалы-прибора. [c.36]

    Поскольку в процессе анализа газовой смеси температура в ячейке изменяется, постольку смещается нуль микроамперметра. Чтобы избежать это, в противоположное плечо моста Уитстона включают второй чувствительный элемент, который находится при той же температуре и является компенсационным. Камера с компенсационным элементом сравнительная. Через нее пропускают газ-носитель, не содержащий исследуемых газов или паров. [c.144]

    Чувствительные нагревательные элементы являются активными плечами мостовой измерительной схемы (мост Уитстона). На измерительный мост подается постоянное стабилизированное напряжение 6—12 в. Температура чувствительных элементов повышается до тех пор, пока не установится равновесие между количеством подводимой электрической энергии и потерей тепла. Скорость теплоотвода [c.246]

    Для преобразования величины потока газа в электрический сигнал применен принцип анемометра. С этой целью в каналах БВ и АГ расположены но одному проволочному сопротивлению и / ,,, представляющих собой два плеча схемы моста Уитстона. Измерительная схема моста питается от источника постоянного тока. / 2 и / 4 — балластные сопротивления. [c.252]

    Если в измерительную ячейку плотномера поступает бинарная смесь, плотность которой отличается от плотности газа-носителя в сравнительной ячейке, то изменяется разность потоков через ячейки детектора, что нарушает баланс измерительного моста. Выходное напряжение будет пропорционально произведению разности плотностей газа-носителя и анализируемого веш,ества в камере детектора. В результате самописец, подключенный к мосту Уитстона, запишет хроматограмму. [c.253]

    Мосты для измерения сопротивления растворов. Прецизионные измерения электропроводности проводят с помощью мостов постоянного или переменного тока. На рис. 2.4 изображена схема моста Уитстона, работающего на постоянном токе. Если — неизвестное сопротивление, то, меняя сопротивление добиваются такого положения, когда ток через гальванометр Г пе протекает, что отвечает моменту равновесия моста. При этом потенциалы точек А и В равны между собой и выполняется равенство которое позволяет определить / 1. При Яз = очевидно, = Яз- [c.92]

    Более чувствительным является дифференциальный метод, когда сравнивается некоторое свойство (обычно физическое) потока газа, выходящего из колонки, с таким же свойством потока чистого газа-носителя. Для этой цели применяют дифференциальный детектор. Такой детектор, регистрирующий изменение теплопроводности газа, называется катаромет.ром. Он состоит из двух камер с нагретыми металлическими нитями через одну из этих камер (сравнительную) протекает чистый газ-носитель, а через другую (измерительную)—газ, выходящий из колонки. Нагреваемые нити включены в мост Уитстона. Если первоначально через сравнительную и измерительную камеры пропускать чистый газ-носитель и при этом сбалансировать мост, а затем через измерительную камеру пропускать газ-носитель, содержащий определяемый компонент с иной теплопроводностью, то баланс моста нарушится и возникнет разность потенциалов. Эту разность потенциалов усиливают и записывают на ленте самописца (8, на рис. 1). Более чувствительными дифференциальными детекторами являются ионизационные, измеряющие ток, проходящий через ионизированный газ между двумя электродами, к которым приложено постоянное напряжение. Ионизация выходящего из колонки газа производится либо в водородном пламени, либо посредством облучения р-лучами.  [c.548]

    Две отдельные пластинки, находящиеся друг от друга на расстоянии 1 м, покрыты полированной электролитической медью. Измеряют сопротивление между этими пластинками мостом Уитстона промышленного типа для измерения сопротивлений от 0,05 до 500 000 Ом с гарантированной точностью измерений 1%. Измеряемое сопротивление прямо дает величину ОмХсм. Определение повторяют 3 раза, высыпая и вновь заполняя ячейку коксом. Определение начинают снова, если ошибка между двумя измерениями превысит 10%. Проба кокса для измерения достаточно представительна, если она содержит две навески для измерения по 3 кг каждая. [c.222]

    В настоящее время разработан ряд автоматиче-ких хромато графов. В этих приборах при прохождении газа чере) разделительную колонку количества содержащихся в нем компонентов измеряют при помощи специальных детекторов. Для определения количества какого-либо компонента по теплоте сгоракня в детектор помещают одно плечо мостика Уитстона (13 виде ирс вол чпой стг -ралн) с заранее известным сопротивлением. При прохождении газа-носителя через детектор температура спирали 1 ее сопротивление не изменяются. При появлении и газе углевсдорода и его рании его на раскаленной спирали выделяется тепл ), повышается температура спирали и изменяется ее сопротивление. По изменению сопротивления определяют количество углеводородного компонента. [c.89]

    В настоящее время катарометр — наиболее распространенный детектор. Основным элементом ячейки по теплопроводности служит металлическая нить, скрученная в спираль и расположенная внутри камеры в металлическом блоке. Нигь изготавливают из материала, электрическое сопротивление которого резко изменяется с температурой. Пропуская постоянный ток, нить нагревают, ее температура определяется равновесием, устанавливающимся м жду. входной электрической мощностью и мощностью тепловых потерь, связанных с отводом тепла окружающим газом. Когда через прибор протекает только газ-носитель, потери тепла постоянны и поэтому температура нити сохраняется. При изменении состава газа (например, при наличии анализируемого вещества) температура нити изменяется, что вызывает соответствующее изменение электрического сопротивления, которое фиксируется с помощью моста Уитстона. Тепло отводят в тот момент, когда молекулы газа ударяются о нагретую нить и отскакивают от нее с возросшей кинетической энергией. Чем больше число таких столкновений в единицу времени, тем больше скорость отвода тепла. [c.299]

    Пусть плечо моста Уитстона, уравновешивающее сопротивление платиновоЛ проволоки для искомой температуры /, при закрепленных других двух плечах составляет при 0 С 10000 О ом при С 8505,0 ом. [c.60]

    Кондуктометрические измерения можно проводить при постоянном или переменном токе с использованием мостовых или компенсационных измерительных схем. Измерения при постоянном токе на практике проводят редко, поскольку точрю зафиксировать электропроводность r этих условиях нельзя из-за поляризации электродов. Чаще измеряют электропроводность (сопротивление) растворов с помощью установок и приборов, принципиальная схема которых включает мост Уитстона (рис. 2.4) с источником переменного тока частотой 500— 5000 Гц. Детектором тока (нуль-индикатором) служит микро-амперметр с выпрямителем или электронно-лучевой осциллограф. В плечи моста вмонтированы следующие сопротивления / я—сопротивление ячейки, R — магазин сопротивлений, R и / 2 — переменные сопротивления — плечи проволочного реохорда. Сопротивление R2 должно быть близким к сопротивлению раствора. С помощью скользящего контакта G подбирают такое соотношение Ri и R2, чтобы в диагонали моста ток отсутствовал. Тогда сопротивление ячейки легко рассчитать  [c.106]

    Детектор по теплопродности построен но принципу мостика Уитстона (рис. 10), Он состоит из двух каналов, по оси которых проходят проволочки с одинаковым сопротивлением С[ и Сг. Если по каналам идет только газ-носитель, то накал нитей одинаков, так как сопротивление и одинаковы. Мостик сбалансирован мелкснлола. (На рисунке приняты следующие обозначения п — время удерживания бензола, то — время удержи [c.20]

    В детекторе по плотности поток газа-носителя А (газ сравнения) поступает в камеру детектора (рис. 1.13) и омывает чувствительные элементы У и 2, которыми могут быть как проволочные элементы, так и термисторы. Газ-носитель В, содержащий определяемые вещества, встречается с газом сравнения А после прохождения последним чувствительных элементов, подключенных в мост Уитстона. Если газ-носитель не содержит посторонних веществ и его плот-кость одинакова с плотностью газа сравнения, то газовые потоки находятся в равновесии и сигнал отсутствует. Если плотность газа-1юсителя вследствие содержания в нем анализируемых веществ [c.42]

    Электропроводность растворов электролитов подчиняется закону Ома (ток / пропорционален напряжению U), следует лишь обеспечить такие условия измерений, при которых вблизи электродов не происходят изменения концентрации в результате протекания тока. Чаще ьсего измерения электропроводности растворов электролитов проводят при помощи моста Уитстона, подключенного к источнику переменного тока (частота переменного тока обычно равна 1 кГц). [c.327]

    Предварительное замечание. Для успешной демонст-1 ации этого опыта требуется более сложная, чем описанные ранее, установка для измерения электропроводности электролитов с звуковым индикатором. Эта установка состоит из моста Уитстона, источника переменного тока, усилителя низкой частоты и громкоговорителя. На рис. 24 приведена принципиальная схема подключения этих приборов. Электроды сосуда для измерения электропроводности подключаются к клеммам X, имеющимся на мосту Уитстона. К клеммам А подводится переменный [c.66]

    После сборки моста Уитстона с помощью ключей К и /Сг замыкают цепь, при этом в громкоговорителе появляется З вук. Подбирая сопротивление Г2 моста Уитстона (в пределах от 0,1 до 1000 Ом), добиваются необходимой силы звучания громкоговорителя. Чем большей электропроводностью обладает исследуемый объект, тем большей силы звук будет слышен в гормкоговорителе. [c.67]

    Проведение опыта А. Порошок хлорида серебра переносят в небольшой фарфоровый тигель и расплавляют нагреванием в пламени газовой горелки. В расплав на расстоянии примерно в 0,5 см друг от друга вставляют кончики двух электродов и дают расплаву полностью остыть и затвердеть. Подключают электроды к мостику Уитстона и вновь постепенно нагревают тигель, расплавляя хлорид серебра. Во время этой операции прибор должен быть все время вклЕоченным. [c.67]

    Тоскольку абсолютное измерение теплопроводности затруднено, то применяют мостовую схему Уитстона (рис. 20). Она содержит два нагревательных элемента и вмонтированные в катарометр, и два одинаковых проволоч-ньц сопротивления и R . Если мост в начале работы сбалансирован сопротивлением при продувании через обе ячейки газа-носителя, а затем к газу-носителю, выходящему из хроматографической колонки, подмешивают какой-либо компонент, имеющий другую теплопроводность, то в мостовой схеме возникает разность потенциалов между клеммами Л и Б, обусловленная различием сопротивлений нагревательных элементов в сравнительной и измерительной ячейках. Эту разность потенциалов записывают самопишущим потенциометром. [c.35]

    Из колонки газовоздушная смесь попадает в измерительную камеру детектора, где концентрацию отдельных компонентов определяют по измерению либо теплопроводности, либо теплоты сгорания (если они сгорают). Для подобного определения в хроматографе ГСТЛ-3 применена схема моста Уитстона, два плеча которого представляют собой две платиновые нити накала (рабочий и компенсационный чувствительные элементы), а два других — одинаковые балластные сопротивления. Рабочим чувствительным элементом в нем служит платиновая нить, помещенная в камере, через которую проходит анализируемый газ. Такая нить работает как термометр сопротивления. [c.144]

    Чувствительные нагревательные элементы являются, следовательно, активными плечами мостовой измерительной схемы (мост Уитстона). На измерительный мост подается постоянное стабилизированное напряжение 6—12 В. Температура чувствительных элементов повышается до тех пор, пока не установится равновесие между подводимой электрической энергией и потерей теплоты. Скорость теплоотвода зависит от температуры стенок ячеек, которые должны иметь постоянную температуру. Эта температура не должна быть ниже температуры колонки, так как может проис- содить конденсация пара в детекторе. [c.53]


Мостик Уитстона — Энциклопедия по машиностроению XXL

Нахождение точек равного потенциала проводится на основе принципа мостика Уитстона.  [c.327]

Сущность мостика Уитстона состоит в следующем. На двух параллельных ветвях проводника, включенных в цепь в точках А п В. имеющих потенциалы Ял и Яд, всегда можно найти соответственные точки, имеющие одинаковые потенциалы (рис. 32-7).  [c.327]

Измерительная цепь устроена по принципу мостика Уитстона и включает в себя электропроводящую модель сооружения, реостат jR и гальванометр Г. К подвижному контакту К реостата приключена через гальванометр на гибком проводе игла, с помощью которой можно измерить электрический потенциал в любой точке модели.  [c.326]


Балансировка мостика. На рис. 104 показана схема подключения датчика А к мостику Уитстона. Датчик является одним плечом мостика другое плечо составляет такой же датчик В, называемый компенсационным, наклеенный на отдельную  [c.155]

Тензометры с угольными столбиками [18]. Тензометр имеет один (вначале нелинейная зависимость силы тока от деформации) или два (линейная зависимость) угольных столбика, являющихся плечами мостика Уитстона (фиг. 168, а и б), в измерительную диагональ которого включён стрелочный гальванометр или шлейф осциллографа. Неподвижная ножка связана с корпусом тензометра. Создание начального сжатия столбика осуществляется имеющимся в корпусе прибора нажимным винтом с контргайками. Прибор прижимается ножками к детали при помощи струбцинки.  [c.232]

Включение датчиков обычно производится по схеме мостика Уитстона. При использовании принципа частотной модуляции наименьшая величина, измеряемая емкостным датчиком, уменьшается до 2- 10 см, и диапазон измеряемых частот расширяется до пределов 0—20 000 гц. Такое же расширение диапазона дает включение датчика проволочного сопротивления в потенциометрическую схему.  [c.433]

Работа делительного клапана аналогична действию мостика Уитстона. Известно, что величина тока в диагонали моста (рис. 67, а) зависит от напряжения источника тока и от значений сопротивлений всех плеч моста. Если ток h = О, то RiR , = RaR , а напряжение в  [c.113]

Динамометр с датчиком сопротивления представляет собой цилиндрический круглый стержень, на боковой поверхности которого вдоль образующих уложена в несколько рядов и приклеена через изолирующий слой проволока (датчик сопротивления). Удлинение динамометра, пропорциональное растягивающей силе, и будет фиксироваться электрическим прибором, который можно тарировать по силам. Для фиксации изменений сопротивления датчик сопротивления включается в схему мостика Уитстона в результате деформации датчика возникает разбаланс мостика, величина которого измеряется или непосредственно, или методом компенсации (подробнее см. в описании тензодатчика сопротивления, 8). Если проволока наклеена под углом 45° к образующей, то изменение ее сопротивления будет пропорционально относительному углу закручивания стержня (так как направление под углом 45° к образующей есть главное направление деформации при кручении). В таком виде динамометр будет измерять крутящий момент. Используются такие динамометры как при статических, так и при динамических испытаниях.  [c.343]

Деформации в медном стержне измеряли двумя полупроводниковыми тензодатчиками сопротивления, расположенными по концам одного диаметра и последовательно соединенными в мостике Уитстона, чтобы исключить любое изгиб-ное возмущение в стержне. Для измерения продольного перемещения в стержне был применен также фотонный датчик. Датчики были размещены на расстоянии около 1 м от конца  [c.110]


Известно, что поддержание нормального теплового режима в отапливаемых помещениях зданий связано с поддержанием на котлах определенной температуры, меняющейся в зависимости от изменений наружной температуры воздуха. Поэтому в новой системе автоматизации водогрейных котлов установлен регулятор соотношения температур наружного воздуха и горячей воды в котле, измеряемых при помощи двух термометров сопротивления (см. их описание в главе XI), один из которых устанавливается снаружи здания, а второй — на выходном патрубке горячей воды котла. Термометры сопротивления электрически связаны между собой (мостиком Уитстона) и в результате воздействия их слагаемого импульса па соленоидные клапаны, установленные перед каждой горелкой, осуществляется поддержание в котле нужной температуры.  [c.272]
Рис. 249. Мостик Уитстона с балансировочным сопротивлением
Электрическая схема регистрирующего прибора (рис. 2.28) представляет собой мостик Уитстона, одним из плеч которого является датчик, наклеенный на испытуемый объект. При ненагруженной детали мостик приводят в состояние баланса, т. е. ток в его диагонали отсутствует. В результате деформации детали и изменения сопротивления датчика в диагонали мостика появляется ток, замеряемый с помощью высокочувствительного гальванометра. Между искомой деформацией и числом делений п, на которое отклоняется стрелка (зайчик) гальванометра, существует зависимость  [c.56]

Балансирование системы. Система, обеспечивающая движение нескольких рабочих органов с одинаковой скоростью при различных нагрузках, оснащена так называемым балансировочным клапаном, действие которого аналогично действию мостика Уитстона.  [c.158]

Правая камера — без магнитного поля — служит для сравнения, чтобы исключить помехи. Мостик Уитстона дает электрические показания, которые считываются с измерительного прибора или. вычерчиваются на диаграммной бумаге.  [c.106]

Изменение электрического сопротивления проводника, проходящего через дымовые газы, по отношению к проводнику, проходящему через воздух, определяется помощью мостика Уитстона, и показания гальванометра служат мерой теплопроводности дымового газа, зависящей от его состава. По.мощью газоанализатора Сименса можно производить определение содержания в дымовых газах СО2 и СО 4- Н2.  [c.782]

На мостике Уитстона измеряются сопротивления от 10 до 100 ООО ом.  [c.68]

Электрические термометры сопротивления работают на принципе изменения сопротивления металлических проводников при изменении температуры. Мерой температуры является величина изменения сопротивления, измеренная мостиком Уитстона. Измеритель может быть выполнен в виде стрелочного прибора или самопишущим. Для измерения высокой температуры, особенно температуры сгорания, применяют оптические методы. В монохроматических пирометрах яркость свечения наблюдаемого пламени сравнивается со свечением калиброванного тела на некоторой определенной волне, выделяемой светофильтром. Пирометры для полного излучения более просты в обращении и дают непосредственные показания и запись средней температуры.  [c.246]

U) Мостики для измерения индуктивности и аналогичные приборы для измерения индуктивности кольца по принципу мостика Уитстона.  [c.167]

Балансировка мостика. На рис. 94 показана схема подключения датчика А к мостику Уитстона. Датчик является одним плечом мостика другое плечо составляет такой же датчик В, называемый компенсационным, наклеенный на отдельную пластинку, сделанную из того же материала, что и испытываемый образец. Сопротивление компенсационного датчика должно равняться сопротивлению а к-т и в н о г о датчика А, и температурные условия должны быть одинаковыми для обоих датчиков. Два остальные плеча мостика представляют собой также равные друг другу сопротивления и обычно равные сопротивлению г датчика. В таком состоянии мостик является сбалансированным, и при пропускании через него тока последний идет только по плечам мостика, а гальванометр О, включенный в измерительную диагональ мостика, не покажет тока.  [c.148]


Метод постоянного напряжения (фиг. 146). Насадок Я является одним из плеч мостика Уитстона. При отсутствии потока сила тока регулируется реостатом Л так, чтобы гальванометр С находился на нуле. При набегании потока проволока начнет охлаждаться, и равновесие мостика нарушится. Стрелка гальванометра отклонится тем больше, чем больше охладится проволока, т. е. чем больше скорость потока. Т. о. по отклонению стрелки гальванометра можно найти скорость потока. Этот способ пригоден только для очень малых скоростей (от нескольких см/ск до 4—5 м/ск), т. к. при дальнейшем повышении скорости потока охлаждение проволоки почти не увеличивается, а следовательно и сопротивление ее почти не меняется. Тарировку этого насадка лучше всего делать на ротативной машине.  [c.590]

Измерительный прибор состоит из мостика Уитстона (рис. 74, в) с четырьмя уравнове шенны.ми сопротивлениями, одно из которых (Д,) служит датчико.м. Условие уравновешенности R,/Rz = Rj/Rir Обычно в качестйе сопротивления R2 берут тензометр, нндентнчный датчику, а сопротивления Д3 н делают равными  [c.154]

Экспериментально определять параметры объекта исследования можно непосредственным измерением (например, размеров) и приведением системы в равновесное состояние (например, взвещива-нием на обычных весах, электрическим измерением с помощью мостика Уитстона), Экспериментальное определение воздействий на объект исследования может также проводиться по результатам воздействий на объект (например, определение сил по упругим деформациям объекта).  [c.475]

Электродные потенциалы металлов существенно меняются от состояния поверхности образцов, состава и концентрации растворов, присутствия различных газов, температуры, движения жидкости. Определение электродных потенциалов производится компенсационным методом, заключающимся в том, что неизвестная электродвижущая сила компенсируется известным напряжением какого-либо постоянного источника тока. Для проведения измерений электродных потенциалов необходимы следующие электроизмерительные приборы чувствительный гальванометр или капиллярный электрометр, нормальный элемент Вестона, реохорд или мостик Уитстона, каломе-левый электрод, магазин сопротивлений. Для более точных измерений вместо мостика применяют компенсационные приборы — потенциометры.  [c.132]

Приступая к объяснению газоиндикатора ПГФ-11, преподаватель указывает на то, что этот переносный прибор служит для определения наличия горючих газов в воздухе различных помещений, туннелей, колодцев, для контроля при производстве работ и для рбнаружения утечек газа из газопроводов (показывается в натуре или его схема). Принцип действия прибора основан на повыщении температуры платиновой спирали (мостик Уитстона) от сжигания на ней горючих газов в исследуемой пробе воздуха. Далее преподаватель объясняет устройство и работу газоиндикатора ПГФ-11.  [c.159]

Мостик Уитстона работает на постоянном токе и уравновешен. Через одну из его ветвей пропускают переменный ток. Резберитесь, как это скажется на равновесии моста, если переменшЛЯ ток такой силы, что нарушается закон Ома.  [c.169]

Величина S называется тензочувствателъностъю датчика, обычно меняющейся в пределах от 1,8 до 2,3. Обычно измеряемые такими датчиками деформации не превышают 1%. Поэтому при исходном сопротивлении датчика 200 ом имеем Д 7 ом. Чтобы облегчить измерение малых изменений сопротивления, сопротивление включается в одно плечо мостика Уитстона (рис. 238 )). В диагональ мостика включен чувствительный электроизмерительный прибор Г (гальванометр, микроамперметр и т. п.). Для баланса мостика необходимо, как известно, соблюдение равенства  [c.351]

Угольный (полупроводниковый) тензодатчак, называемый также телеметром, является модификацией тензодатчика сопротивления. Схема его показана на рис. 239. Неподвижная ножка А и подвижная (в плоском шарнире Е) ножка В остриями опираются в образец. Между А и В зажат столбик С, набранный из угольных дисков. Такой же столбик D зажат между В и корпусом прибора. При удлинении образца столбик D сжимается, а сжатие столбика С ослабляется. Сопротивление их меняется в противоположных направлениях. Если их включить в мостик Уитстона в качестве соседних плеч, то баланс моста нарушится, по диагонали моста потечет ток. Запись на осциллографе изменений  [c.352]

Температурные датчики применяются в сочетании с выходными индикаторными приборами. Чаще всего это чувствительный микровольтметр или мостик Уитстона. Обш.ая точность и  [c.174]

В сравнительной камере спираль постоянно находится в атмосфере воздуха, а измерительная камера через трехходовой кран 6 может быть заполнена пробой исследуемой газовоздушиой смеси. Заполнение камеры газовоздушной смесью производится при помощи перемещения поршня насоса 1, приводимого в движение рукой через шток с рукояткой в виде кольца. Обе спирали включены в электрическую схему газоиндикатора, называемую мостиком Уитстона, питаемую от электрической батареи карманного фонаря КБС-х-55. В схему включен и указатель газоиндикатора. При замыкании электрической цепи и наличии чистого воздуха в измерительной камере обе спирали будут одинаково нагреты протекающим по ним электрическим током и их электрическое сопротивление будет равным. В этом случае стрелка указателя газоиндикатора должна оставаться на нуле.  [c.299]

В датчике газоанализатора на углекислый газ СО2помещаются четыре платиновых проводника, соединенных между собой по электрической схеме, называемой мостиком Уитстона (подобно схеме на рнс. 148 с той только разницей, что в указанной схеме только две верхние спирали платиновые, а две нижние являются постоянным сопротивлением и сделаны из более простого металла). Схема питается постоянным электрическим током. Два из проводников находятся в сравнительных камерах, заполненных возду-20  [c.307]

На болометрической основе сконструирован элек тропневматический измерительный прибор, схема которого показана на фиг. 186, встраиваемый в автоматические контрольные устройства. Сжатый воздух после фильтра и стабилизатора давления 1 разветвляется на два направления е левом направлении воздух поступает к калиброванному соплу 10, через которое он выходит в атмосферу. В правом направлении воздух подходит к измерительному соплу 6. На путях прохождения воздуха находятся камеры 3 к 11, в которых расположены нагреваемые электрическим током проволочки 2 и 12, которые включены в схему мостика Уитстона, питаемого от аккумулятора 8 напряжением 6 в. Два других плеча мостика образуют сопротивления и / з. Для балансировки мостика и установки гальванометра 5 на нуль и регулировки накала проволочек-2 и 12 предусмотрены реостаты Н2 и / 4.  [c.188]


Пиллинг и Бедуорт [640] использовали этот метод вместе с В0СО1ВЫМ для исследования медноникелевых сплавов в виде проволочной спирали. Нагреваемая проволока являлась плечом мостика Уитстона. Можно показать, что привес Дт отвечает приближенному соотнощению  [c.270]

Металлические болометры имеют широкое распространение. Применяются они обычно в схеме мостика Уитстона. Для компенсации термотоков, связанных с колебанием температуры среды, во  [c.317]

Фиг. 23. Схема га о5на,1пзгтора Сименса для определения СОг в дымовы газах. А, В—ветви мостика Уитстона в первой камере С, О ветви мостика Уитстона во второй камере О — источник энергии /—реостат д—амперметр, /= —самопишущий пржбво.
Проволочные датчики (фиг. 137) представляют собой проволоку из специальных сплавов (константан, хромель, нихром и др.), обладающих способностью значительно изменять электросопротивление за счет изменения площади сечения проволоки при деформациях, сжатии и растяжении. Диаметр проволоки для датчиков может изменяться в пределах 0,015—0,06 мм. Проволока крепится эластическим клеем к толстой бумаге или картону и накрывается сверху бумагой или фетром. В качестве клея применяется целлулоид, растворенный в ацетоне (нитроцеллулоидный клей), или смоле типа бакелита. К концам проволоки припаиваются выводные концы. Проволочные датчики, наклеенные нитроцеллулоидным клеем, при работе выдерживают температуру до 100°. При наклейке датчика бакелитовым клеем возможная температура работы датчика достигает 250° и выше. Датчики монтируются, как мостик Уитстона.  [c.177]

Кроме вышеупомянутых типов приборов и аппаратов, которые обычно выполняют прямые измерения, в эту товарную позицию включаются также приборы и аппараты, которые вьщают оператору некоторые данные, по которым можно вычислить измеряемую величину (сравнительный метод). В эту совокупность товаров включаются, в частности, измерительные мостики и потенциометры. Они обычно устанавливаются в ящиках или кожухах, содержащих один или несколько гальванометров, стандартных резисторов, стандартных конденсаторов, стандартных индукционных катушек, стандартных элементов, трансформаторов, преобразователей, переключателей и т.д. Измерительные мостики часто называются по имени их изобретателя (Уитстона, Томсона, Андерсона, Максвелла, Соти, Шеринга, Кольрауша, Вина и т.д.) другие имеют названия, указывающие на систему группировки блоков сравнения (мостики с декадной схемой, двойные мостики, Т-образные мостики и т.д.) или специальное назначение мостика (мостики для измерения полного сопротивления, мостики Уитстона для измерения активного сопротивления, мостики для измерения емкости или соединительные мостики и т.д.).  [c.166]

Метод измерения В., основанный на изменении теплопроводности в зависимости ог давления, предложен Пирани. Метод заключается в том, что платиновая или вольфрамовая проволока длиной от 20 до 50 ем и диам. в несколько сотых мм закрепляется помощью стеклянных ножек в В. (наподобие закрепления волосков электрич. лампочек). По проволоке пропускается тек в несколько десятков шА, чтобы нагреть ее приблизительно до 200°. Количество тепла, выделяющееся в нити, определяется ф-лой Джоуля Q =1 В, где г—сила тока, а В — сопротивление нити. Т. к. сопротивление платины Л по определенному закону меняется с темп-рой ее, то, измеряя В мостиком Уитстона, можно определить темп-ру Т нити. Зная количество тепла и темп-ру, можно определить коэф. теплоотдачи. Обычно поступают так изменяя ток а следовательно и Q, держат Л, а следовательно и Т постоянным. Тогда, чем больше теплоотдача, тем больше нужно ваять градуируя прибор помощью манометра Мак-Леода, можно найти зависимость между ь и давлением р. Схема установок изображена на фиг. 12. Интервал давления, к-рый измеряется этим манометром, от 4,5 10-2 до 7 10- мм Hg. На элек-  [c.126]


Мост Уитстона — конструкция, принцип работы, ошибки, ограничения и применение

Мост Уитстона является наиболее распространенным, точным и надежным методом, используемым для измерения среднего сопротивления. Принцип работы моста Уитстона основан на нулевом прогибе. Он используется для определения неизвестного сопротивления путем сравнения его с известным сопротивлением.


Строительство моста Уитстона:

Ниже показаны соединения схемы моста Уитстона.Он состоит из четырех плеч, в которых соединены четыре сопротивления (по одному в каждом плече). Источник ЭДС и нуль-детектор (гальванометр) подключаются между точками AC и BD соответственно.

Плечи с сопротивлениями R 1 и R 2 называются передаточными плечами. Сопротивление R 3 является стандартным сопротивлением рычага, а R 4 является неизвестным измеряемым сопротивлением.


Работа моста Уитстона:

Принцип работы моста Уитстона заключается в нулевом отклонении или нулевом показании i.е., когда мост уравновешен, отношение их сопротивлений равно и ток через гальванометр не течет.

Если мост неуравновешен, между B и D возникает разность потенциалов, которая вызывает протекание тока через гальванометр. Для достижения сбалансированного состояния следует варьировать известное сопротивление и переменное сопротивление. Базовая схема моста Уитстона показана ниже.

let,
  • P = сопротивление плеча AB
  • Q = сопротивление BC
  • R = сопротивление AD
  • S = сопротивление CD
  • E = источник (батарея)
  • G = гальванометр (детектор).

Мост называется уравновешенным, если разность потенциалов между точками А и В равна напряжению на точках А и D (т. е. разность потенциалов на гальванометре или BD равна нулю). Следовательно, через гальванометр не протекает ток, следовательно, в нем нет отклонения (нулевое отклонение).


В условиях балансировки напряжение на AB будет равно напряжению на AD, т.е.

I 1 P = I 2 R …(1)

также существуют, Где Е — ЭДС источника.Подставляя значения I 1 и I 2 в уравнение 1, мы получаем, Где,
  • R = неизвестное сопротивление
  • S = стандартное сопротивление плеча
  • P, Q = соотношение плеч.

Приведенное выше выражение представляет собой уравнение моста Уитстона в сбалансированном состоянии. Следовательно, из приведенного выше уравнения можно определить значение неизвестного сопротивления R, если известны сопротивления в трех других плечах, то есть P, Q и S.

Чувствительность моста Уитстона:

В состоянии равновесия гальванометр показывает нулевой ток.Но он отклоняется из-за небольшого дисбаланса в мосту, т. е. отклонение гальванометра зависит от его чувствительности, которая определяется как:

Предположим,
  • В г = Напряжение на гальванометре.

Чувствительность моста определяется как отношение отклонения гальванометра к единице долевого изменения неизвестного сопротивления, т.е.е.,

Для того чтобы получить чувствительность моста, полагая небольшой разбаланс в мосту, т.е. разбаланс ΔR находится на сопротивлении R. Из-за этого разбаланса в мосте через BD возникает ЭДС V o , т.е. , через гальванометр, как показано ниже.

Используя метод Тевенина для определения напряжения, напряжение на гальванометре или клеммах BD определяется как Отклонение гальванометра определяется как Следовательно, чувствительность моста равна
.

Ошибки в мосте Уитстона:

При точном измерении среднего сопротивления с помощью моста Уитстона необходимо учитывать следующие факторы.
  • Сопротивление соединительных проводов — соединительный провод длиной 25 см из провода 22 SWG имеет сопротивление около 0,012 Ом, что составляет более 1 части на 1000 для сопротивления 10 Ом.
  • Термоэлектрические эффекты. На отклонение гальванометра влияет термоэлектрическая ЭДС, присутствующая в измерительной цепи из-за дисбаланса моста. Термоэлектрический эффект можно свести к минимуму (или) устранить, поменяв местами соединения батареи с помощью быстродействующего переключателя и регулируя гальванометр до тех пор, пока не будет наблюдаться изменение отклонения.Результаты получаются путем усреднения двух показаний. Таким образом, термоэлектрический эффект может быть устранен.
  • Влияние температуры — Повышение температуры сопровождается повышением сопротивления всех медных и алюминиевых деталей. Ошибки, вызванные изменением сопротивления из-за изменения температуры, приводят к серьезным ошибкам в измерениях. В случае меди с температурным коэффициентом 0,004%C изменение температуры на 33,8°F вызовет ошибку 0.4%.
  • Контактное сопротивление — Ошибки в измерении возникают также из-за контактных сопротивлений переключателей. Циферблат может иметь контактное сопротивление около 0,003 Ом, и, таким образом, коробка сопротивления с четырьмя циферблатами имеет контактное сопротивление около 0,012 Ом. Это значение высокое, особенно при измерении малых сопротивлений. Этого можно избежать, используя мост Кельвина для точного измерения сопротивления.

Ограничения моста из пшеничного камня:

  • Эффект нагрева, вызванный током, протекающим через резисторы, приводит к изменению сопротивления плеч моста.Это можно проверить, если заранее рассчитать рассеиваемую мощность в плечах моста. Это обеспечивает ограничение тока до безопасного значения и, таким образом, снижает эффект нагрева.
  • При использовании моста Уитстона для измерения малых сопротивлений нагрузочное и контактное сопротивления становятся более значительными, что вносит погрешность. Для устранения этого недостатка используется двойной мост Кельвина.
  • В случае измерения высокого сопротивления гальванометр не может определить дисбаланс моста.Это связано с тем, что сопротивление моста становится настолько высоким, что гальванометр становится нечувствительным к дисбалансу. Этого можно избежать, заменив батарею с помощью источника питания и гальванометра на VTVM постоянного тока (вакуумный вольтметр).
Однако измерение сопротивлений в диапазоне мегаом невозможно с помощью моста Уитстона.

Применение моста из пшеничного камня:

  • Точное измерение низкого сопротивления можно выполнить с помощью моста Уитстона.
  • Для определения места повреждения кабеля в телефонных компаниях.
  • Конфигурация моста Уитстона может использоваться с электрическими датчиками, такими как тензодатчик, LDR и термистор для измерения деформации, света и температуры.
  • Может также использоваться для измерения емкости и индуктивности.

Мост Уитстона, Часть 1: Принципы и основные приложения

Хотя электронная промышленность неуклонно движется вперед в области материалов, компонентов и архитектур, очевидно, что «новое» также строится на «старом» и часто все еще использует его, хотя и в некоторых случаях. новые обличья.Все еще есть жизнеспособное место и потребность в старых устройствах, таких как трансформатор, соленоид, реле и мост Уитстона. В этом FAQ будет рассмотрена схема этого моста, что он делает, почему он все еще широко используется, а также некоторые его дополнительные полезные варианты. Это отличный пример того, как простая и умная конфигурация не только имеет множество применений, но и продлила свою жизнь в мире современной электроники.

В: Что такое мост Уитстона?

A: В своей базовой форме это пассивная электрическая цепь, которая используется для измерения неизвестного электрического сопротивления путем логометрического баланса ветвей (иногда называемых плечами) четырехэлементной «мостовой схемы» с неизвестным сопротивлением в качестве одного из ножки, Рисунок 1 .Схему можно использовать для сравнения неизвестного сопротивления Rx с другими сопротивлениями с известным значением. Иногда его изображают в виде квадрата (особенно в программах САПР), но большинство инженеров предпочитают ромбовидную форму, которая более четко показывает функциональность.

Рис. 1. Схема классического моста Уитстона состоит из четырех элементов, расположенных в виде ромба, с напряжением возбуждения, в то время как нулевое показание обычно (но не всегда) берется посередине. (Источник изображения: Play-Hookey.com)Рис. 2: Мост иногда рисуется в виде прямоугольника; это менее интуитивно понятно, чем алмазное исполнение, хотя электрически идентично. (Источник изображения: Instructables.com)

В: Нельзя ли просто измерить сопротивление с помощью омметра?

А: Конечно можно. Но мост обладает исключительной точностью и точностью и позволяет сравнивать его со стандартами высокой точности. Кроме того, он был разработан задолго до того, как появился какой-либо измеритель, каким мы его знаем.

В: Чем так хорош мост?

A: Мы скоро к этому вернемся… сначала немного предыстории.То, что мы называем мостом Уитстона, на самом деле было изобретено Сэмюэлем Хантером Кристи (1784-1865) в 1833 году, но Чарльз Уитстон (1802-1875) популяризировал расположение четырех резисторов, батареи и гальванометра, а также множество его применений; Уитстон даже отдал должное Кристи в своей Бейкерской лекции 1843 года, где он получил одну из этих главных медалей от Королевского общества в знак признания его исключительных и выдающихся научных усилий (Уитстон назвал схему «измерителем дифференциального сопротивления»).

В: Каковы элементы оригинального моста Уитстона?

A: У этого моста были четыре упомянутые ноги: два известных постоянных резистора; неизвестное сопротивление и провод со скользящим контактом, который был прецизионным известным резистором, используемым для измерения. Настраивая ползунок на проводе, пользователь мог «установить» для этой ноги точные значения. Там же были батарейка и гальванометр.

В: Что такое гальванометр?

A: Это высокочувствительный прибор для измерения тока, но в чем он превосходен, так это в определении момента, когда ток равен нулю («ноль»).Хотя теперь мы можем измерять ток цифровым измерителем с высокой точностью, гальванометр по-прежнему используется для точного измерения и индикации нулевого тока.

В: Как работает мост?

A: Это пропорциональная схема. Ток через мост будет равен нулю, когда отношения левой и правой сторон равны. (Обратите внимание, что номиналы резисторов R1 и R3 точно известны, но они не обязательно должны быть идентичными.) Резистор R2 — калиброванное переменное сопротивление, а Rx — неизвестное сопротивление.Используя базовый анализ схемы, легко показать, что мост сбалансирован (при нуле, с нулевым током между соединением R1/R2 и соединением R3/Rx), когда R1/R2 = R3/Rx. Чтобы измерить неизвестное сопротивление, регулируйте R2 до тех пор, пока гальванометр не покажет нулевой ток. В этот момент Rx = R2 × R3/R1. Обратите внимание, что значение напряжения возбуждения моста не фигурирует в уравнении — это большое преимущество.

В: Должны ли все резисторы иметь одинаковое номинальное значение?

A: Нет, хотя это наиболее распространенная реализация.Мост будет «сбалансирован» с нулевым током, пока отношения равны.

В: Зачем использовать эту конфигурацию?

A: Во-первых, гораздо проще и точнее определить нулевое значение (нулевой ток), чем измерить фактическое значение тока, особенно в дни, когда еще не было счетчиков и электроники. Во-вторых, логометрический характер моста означает, что некоторые внутренние ошибки компенсируются, что всегда хорошо с точки зрения проектирования.

В: Каковы режимы работы моста Уитстона?

A: Мостовую схему можно использовать одним из двух способов.Первый заключается в корректировке значений компонентов до тех пор, пока мост не будет сбалансирован, как обсуждалось выше. Обычно это используется для определения значения неизвестного резистора в мосту, когда известны три других сопротивления. Второй метод заключается в измерении изменений выходного напряжения на мосту, когда одно из сопротивлений подвергается каким-либо внешним изменениям. Этот подход обычно заменяет один резистор резистивным устройством, которое реагирует на изменения температуры, давления или формы и используется для отслеживания и измерения таких изменений.

В: Как использовать мост для такого датчика?

A: Рассмотрим очень распространенную ситуацию с тензометрическим датчиком на 350 Ом, сопротивление которого очень незначительно колеблется вокруг номинального значения при приложенной деформации (деформация — это реакция системы на приложенную нагрузку). Непосредственное измерение этого небольшого изменения сопротивления затруднено из-за малых уровней сигнала, шума и других факторов. Вместо этого используйте мост с двумя резисторами 350 Ом для противоположных ветвей, а затем отрегулируйте сопротивление четвертой ветви, чтобы мост был в нуле.Измерьте этот регулируемый резистор, и вы узнаете значение тензорезистора.

В качестве альтернативы можно использовать перемычку, но измерить ток через перемычку. Расчет, основанный на законе Ома, даст значение сопротивления тензорезистора в зависимости от приложенной деформации.

В: Я все еще не вижу эффекта отмены, можете объяснить?

A: Вот где логометрическая топология является главным достоинством. Во-первых, как отмечалось ранее, напряжение возбуждения моста не входит в уравнение моста.Таким образом, это напряжение не обязательно должно быть точным или свободным от шума или пульсаций. Напротив, если бы использовался простой резистивный делитель ( рис. 3 ), фактором было бы напряжение возбуждения.

Рис. 3. В отличие от схемы моста, используемой для измерения сопротивления, напряжение на неизвестном резисторе в простом делителе напряжения является функцией напряжения возбуждения. (Источник изображения: OhmsLawCalculator.com)

Кроме того, почти все датчики (включая тензодатчики) также чувствительны к температуре, и это может повлиять на точность показаний.С мостовой компоновкой эту дилемму легко обойти: просто используйте другой идентичный тензорезистор для другого плеча стороны, у которой есть активный тензорезистор, но установите его в месте, свободном от деформации, рядом с одним активным тензодатчиком. По мере изменения температуры их дрейф будет отслеживаться, и соотношение между этими двумя значениями останется неизменным, и вы увидите только влияние деформации на измерительный датчик. Вызванные температурой изменения двух манометров «выпадут» из уравнения баланса.

Часть 2 этого часто задаваемых вопросов будет рассматривать некоторые другие проблемы моста Уитстона и современное использование моста.

Каталожные номера

  1. НАСА, «Трасса моста Уитстона»
  2. Analog Devices, «Измерения датчиков мостового типа улучшены за счет инструментальных усилителей с автоматическим обнулением и цифровым программируемым усилением и выходным смещением»
  3. Analog Devices, «Как избежать глубоководья при проектировании с использованием мостовых датчиков»
  4. Калькулятор закона Ома, «Калькулятор делителя напряжения»
  5. Инженеры Эдж, «Уравнения цепи моста Уитстона и их производные»
  6. Колледж Кеньон, «Мосты Уитстона»

 

 

Мост Уитстона Теория и принцип цепи

Мост Уитстона

Для точного измерения любого электрического сопротивления Мост Уитстона широко используется.Есть два известных резистора, один переменный резистор и один неизвестный резистор, соединенные мостом, как показано ниже. Регулировкой переменного резистора ток через гальванометр становится равным нулю. Когда ток через гальванометр становится равным нулю, отношение двух известных сопротивлений точно равно отношению установленного значения переменного сопротивления к значению неизвестного сопротивления. Таким образом, значение неизвестного электрического сопротивления можно легко измерить с помощью моста Уитстона.

Теория моста Уитстона

Общая схема схемы моста Уитстона показана на рисунке ниже. Это четырехплечевая мостовая схема, в которой плечи AB, BC, CD и AD состоят из электрических сопротивлений P, Q, S и R соответственно.

Среди этих сопротивлений P и Q известны фиксированные электрические сопротивления, и эти два плеча называются плечами соотношения. Точный и чувствительный гальванометр подключается между клеммами B и D через переключатель S 2 .
Источник напряжения этого моста Уитстона подключается к клеммам A и C через переключатель S 1 , как показано на рисунке. Переменный резистор S подключен между точками C и D. Потенциал в точке D можно изменять, регулируя величину переменного резистора. Предположим, что ток I 1 и ток I 2 текут по путям ABC и ADC соответственно.

Если мы изменим значение электрического сопротивления плеча CD, значение тока I 2 также будет изменяться, так как напряжение между A и C фиксировано.Если продолжить регулировку переменного сопротивления, может возникнуть ситуация, когда падение напряжения на резисторе S составит I 2 . S становится в точности равным падению напряжения на резисторе Q, то есть I 1 .Q. Таким образом, потенциал в точке B становится равным потенциалу в точке D, следовательно, разность потенциалов между этими двумя точками равна нулю, следовательно, ток через гальванометр равен нулю. Тогда отклонение в гальванометре равно нулю, когда переключатель S 2 замкнут.

Теперь из Мостовая схема Уитстона

и

Теперь потенциал точки B по отношению к точке C есть не что иное, как падение напряжения на резисторе Q и это

Снова потенциал точки D по отношению к точке C не что иное, как падение напряжения на резисторе S, и это


Приравнивая уравнения (i) и (ii), мы получаем,

Здесь в приведенном выше уравнении значения S и P/Q известны, поэтому значение R можно легко определить.
Электрические сопротивления P и Q моста Уитстона имеют определенное соотношение, например 1:1; 10: 1 или 100: 1, известное как передаточные рычаги, и S плечо реостата выполнено с плавной регулировкой от 1 до 1000 Ом или от 1 до 10000 Ом.
Приведенное выше объяснение является самым основным Теория моста Уитстона .

Видеопрезентация теории моста Уитстона

Принцип работы и применение схемы моста Уитстона

Сэмюэл Хантер Кристи изобрел мост Уитстона в 1833 году, который стал популярным благодаря работам сэра Чарльза Уитстона в 1843 году.

Электрическая цепь, настроенная для измерения неизвестного сопротивления резистора и создающая баланс между двумя ветвями мостовой схемы, называется мостом Уитстона. Как показано на рисунке ниже, известны три сопротивления (одно переменное/регулируемое), а четвертое необходимо найти. Делать это будем с помощью закона Ома.

По сравнению с другими измерительными приборами, такими как делитель напряжения, концепция моста Уитстона широко используется из-за точности измерения сопротивления.

Компоненты эксперимента по мосту Уитстона

  • Резистор с неизвестным значением сопротивления.
  • Два резистора (с известным значением сопротивления)
  • Переменный резистор (могут работать такие устройства, как реостат или предустановка)
  • Источник напряжения/постоянного тока
  • Гальванометр (или любое устройство, показывающее разность напряжений или протекание тока)
  • Соединительные провода

Строительство цепи

Мост Уитстона представляет собой конструкцию мостового типа с четырьмя резисторами, три из которых известны, а один — неизвестного номинала.

Здесь R1, R2 и R3 имеют известные значения, среди которых R2 является регулируемым, и, наконец, Rx является измеряемым значением. Наряду с этими сопротивлениями, гальванометр (Vg) находится между B и D, а источник постоянного тока между A и C.

Принцип работы моста Уитстона

Теперь согласно принципу моста Уитстона, если отношение двух сопротивлений (R1/R2) на одном краю равно отношению двух сопротивлений (R3/Rx) на другом краю, то между середины двух краев сопротивления.Это состояние моста известно как состояние сбалансированного моста .

В состоянии сбалансированного моста ток через гальванометр равен нулю, а также становится равной нулю разность напряжений между точками B и D, т. е. уровень напряжения в обеих точках будет одинаковым.

Запись уравнений для состояния сбалансированного моста будет выглядеть так:

R1/R2 = R3/Rx (или) R1 * Rx = R2 * R3

Таким образом, Rx = R3 * (R2/R1)

Это обнаружение нулевого тока в гальванометре имеет высокую точность, поэтому, в зависимости от уровня точности известных значений, неизвестное сопротивление может быть найдено с наивысшей степенью точности и точности.

В эксперименте с мостом Уитстона один резистор всегда должен быть переменным, чтобы получить сбалансированное состояние. Схема работает лучше всего, когда используется регулируемый источник напряжения, а не ток с отталкивающими характеристиками.

Пример цепи:

Давайте рассмотрим приведенную ниже схему, в которой мост находится в несбалансированном состоянии, и нам нужно рассчитать разность напряжений между Q1 и Q2, т. е. Vout, и, следовательно, значение R4, необходимое для балансировки моста.

В соответствии с законом о разделении напряжения,

Vq1 = (R3/(R3+R1)) * Vs , где Vs = 100 вольт (источник напряжения)

подставив значения R3 = 40 Ом, R1 = 50 Ом и Vs = 100 вольт, мы получим

Vq1 = 44,4 В

Аналогично, Vq2 = (R4/(R4+R2)) * Vs

подставляя значения, R4 = 50 Ом, R2 = 100 Ом и Vs = 100 вольт, получаем

Vq2 = 33,3 В

Таким образом, Vout можно найти как

Vвых = Vq1 – Vq2

Итак, Vвых = 44.4 – 33,3 = 11,1 вольт

Теперь, чтобы сбалансировать мост, мы можем найти подходящее значение для R4, как показано ниже:

Р4 = Р2 * (Р3/Р1)

, подставляя значения R1, R2 и R3, мы имеем

R4 = 100 * (40/50)

= 80 вольт

Таким образом, R4 = 80 вольт. — номинал резистора, который следует использовать для приведения моста в сбалансированное состояние.

Применение моста Уитстона

Схема имеет множество применений, которые легко найти в нашей повседневной жизни.Некоторые из них обсуждаются ниже.

Применение для измерения деформации

Когда сопротивление изменяется пропорционально деформации, присутствующей в устройстве, обычно используются тензометрические датчики. На практике диапазон сопротивления составляет от 30 Ом до 300 Ом. Поскольку изменение значения сопротивления может составлять долю от полного значения, мост Уитстона лучше всего подходит для более высокой точности.

В этом приложении тензорезистор заменяет неизвестный резистор.Здесь R2 и R4 будут иметь одинаковое значение, а R3 можно регулировать. Поэтому, ничего не нарушая, реостат меняют до тех пор, пока гальванометр не покажет нулевое отклонение. Это нулевое отклонение означает, что мост находится в сбалансированном состоянии и датчик не подвергается деформации.

Применение детектора света

Датчики

Light Detecting используют мост Уитстона.

Аналогичным образом, в этом приложении один край состоит из двух фиксированных сопротивлений, а другой край имеет фоторезистивные датчики (LDR) и потенциометр (переменный резистор).

Сопротивление LDR меняется при изменении интенсивности света, поэтому с помощью потенциометра можно наблюдать, при какой интенсивности света достигается точка баланса.

Есть еще одно преимущество, когда можно отметить, до и после какого количества света ток течет в положительном, а также в отрицательном направлении от одного края к другому.

Другие приложения

  • Используется в устройствах обнаружения света.
  • Для измерения изменений давления.
  • Для измерения изменений напряжения цепи.
  • Используется для измерения механических и электрических величин.
  • Также эта схема используется в фоторезистивных устройствах.
  • Термометры также используют мосты Уитстона для точного измерения температуры.
  • Такие величины, как емкость, индуктивность, импеданс и т. д., можно измерить с некоторыми вариантами схемы моста Уитстона.

Ограничения моста Уитстона

Наряду со всеми этими преимуществами у моста Уитстона есть и некоторые ограничения, такие как:

  • Показания могут быть неточными в несбалансированных условиях.
  • Диапазон измеряемых сопротивлений варьируется от нескольких ом до мегаом.
  • Чувствительность к высокому постоянному току отсутствует.

Что такое мост Уитстона? — Определение, конструкция, работа, ограничение и чувствительность

Определение : Устройство использует для измерения из минимального сопротивления с помощью метода сравнения известного как моста Уитстона . Значение неизвестного сопротивления определяется путем сравнения с известным сопротивлением .Мост Уитстона работает по принципу из нулевого отклонения , т. е. отношения их сопротивлений равны, и ток через гальванометр не течет. Мост очень надежен и дает точный результат.

В нормальном состоянии мост остается в неуравновешенном состоянии, т.е. ток течет через гальванометр. Когда через гальванометр проходит нулевой ток, говорят, что мост находится в уравновешенном состоянии.Это можно сделать, регулируя известные сопротивления P, Q и переменное сопротивление S.

Работа моста аналогична работе потенциометра. Мост Уитстона используется только для определения среднего сопротивления. Для измерения высокого сопротивления в схеме используется чувствительный амперметр.

Строительство моста Уитстона

Принципиальная схема моста Уитстона показана на рисунке ниже. Мост имеет четыре плеча, которые состоят из двух неизвестных сопротивлений, одного переменного сопротивления и одного неизвестного сопротивления вместе с источником ЭДС и гальванометром.

Источник ЭДС подключается между точками а и b, а гальванометр — между точками с и d. Ток через гальванометр зависит от разности потенциалов на нем.

Работа гальванометра

Мост находится в состоянии баланса, когда через катушку не протекает ток или разность потенциалов на гальванометре равна нулю. Это состояние возникает, когда разность потенциалов на проводах от a до b и от a до d одинакова, а разности потенциалов между проводниками b и c и c и d остаются одинаковыми.

Ток, поступающий в гальванометр, делится на I 1 и I 2 , а их величина остается неизменной. Следующее условие имеет место, когда ток через гальванометр равен нулю.

Мост в сбалансированном состоянии выражается как

Где E – ЭДС батареи.

Подставляя значения I 1 и 1 2 в уравнение (1), получаем.

Уравнение (2) показывает состояние равновесия моста Уитстона.

Значение неизвестного сопротивления определяется с помощью уравнения (3). R — неизвестное сопротивление, S — стандартное плечо моста, а P и Q — передаточное плечо моста.

Ошибки в мосте Уитстона

Ниже приведены ошибки моста Уитстона.

  1. Разница между истинным и номинальным значением трех сопротивлений может вызвать ошибку измерения.
  2. Гальванометр менее чувствителен.Таким образом, возникает неточность в точке баланса.
  3. Сопротивление перемычки изменяется из-за самонагрева, что вызывает ошибку.
  4. ТермоЭДС создает серьезные проблемы при измерении малых сопротивлений.
  5. В гальванометре возникает личная ошибка при снятии показаний или при нахождении нулевой точки.

Вышеупомянутая погрешность может быть уменьшена путем использования резистора и гальванометра наилучшего качества. Погрешность из-за самонагрева сопротивления можно свести к минимуму, измеряя сопротивление за короткое время.Тепловой эффект также можно уменьшить, подключив реверсивный переключатель между аккумулятором и мостом.

Ограничение моста из пшеничного камня

Мост Уитстона дает неточные показания, если он не сбалансирован. Мост Уитстона измеряет сопротивление от нескольких ом до мегаом. Верхний диапазон бриджа может быть увеличен с помощью приложенной ЭДС, а нижний диапазон ограничен подключением вывода к стержню привязки.

Чувствительность моста Уитстона

Мост Уитстона более чувствителен, когда все их сопротивления равны или их отношение равно единице.Их чувствительность снижается, когда их отношение меньше единицы. Снижение чувствительности снижает точность моста.

Определение, принцип работы, формула, вывод, применение и примеры решения сопротивление. Этот метод был изобретен Сэмюэлем Хантером Кристи в 1833 году, а затем популяризирован сэром Чарльзом Уитстоном в 1843 году.В этой схеме два известных резистора, один неизвестный резистор и один переменный резистор соединены в виде моста. Этот мост чрезвычайно надежен, поскольку он дает точные измерения.

Прочитайте о звуковых волнах здесь.

Конструкция и принцип работы моста Уитстона

Мост Уитстона используется для измерения неизвестного сопротивления с помощью мостовой схемы.

  1. Он состоит из четырех резисторов, из которых два известных резистора, один переменный резистор и один неизвестный резистор.
  2. Гальванометр подключается, как показано на рис. 18, и комбинацией двух последовательно-параллельных резисторов.
  3. На приведенной ниже схеме представлен мост Уитстона, он состоит из четырех плеч PQ, QR, RS и PS, которые содержат постоянные и переменные резисторы

Здесь R1 и R2 — постоянные резисторы, а R3 — переменный резистор, а Rx это неизвестный резистор. Резистор, который может ограничивать и контролировать поток электрического тока, называется переменным резистором.Это устройство может либо увеличивать, либо уменьшать значение сопротивления и, таким образом, контролировать протекание тока.

Рычаги PQ и QR известны как Ratio Arms. Мы видим, что гальванометр подключен между выводами Q и S. Q и S называются плечом гальванометра. Батарея подключена к двум другим клеммам P и R. P и R — это плечо батареи. Чтобы сделать этот мост сбалансированным, мы можем отрегулировать значение переменного резистора так, чтобы отклонение в гальванометре стало равным нулю.

Кроме того, проверьте Ток и Электричество здесь.

Вывод моста Уитстона

Говорят, что мост уравновешен, когда через гальванометр не протекает ток.

  1. Это означает, что разность потенциалов или напряжение между точками Q и S равна нулю. Кроме того, мы можем опустить этот провод при анализе схемы.
  2. В этом случае ток, протекающий через постоянные резисторы \(R_1\) и \(R_2\), одинаков и пусть его считают \(I_1\).
  3. Ток, протекающий через переменный резистор \(R_3\) и неизвестный резистор \(R_x\), будет одинаковым и равен \(I_2\).

Здесь \(I_1R_1=I_2R_3\)  —— (1)

Теперь падение напряжения от точки Q до точки R равно падению напряжения от точки S до R.

Итак \(I_1R_2=I_2R_X \) —— (2)

Формула моста Уитстона

Разделив уравнение 1 на уравнение 2, получим

\({I_1R_1\over{I_1R_2}}={I_2R_3\over{I_2R_x}} ) \({R_1\over{R_2}}={R_3\over{R_x}}\)

Это неизвестное сопротивление определяется через другие известные резисторы моста.

В) Рассмотрим мостовую схему, где \(R_1\) = 50 Ом, \(R_2\) = 10 Ом, \(R_3\) = 20 Ом. Теперь найдем значение неизвестного сопротивления \(R_x\)

Анс. \({R_1\over{R_2}}={R_3\over{R_x}}\\\) \(R_x={R_1R_3\over{R_2}}\\\) \(R_x={10\times20\over {50}}\Omega\\\) \(R_x=40\Omega\)

Подробнее об электромагнитной индукции см. здесь.

Применение моста Уитстона
  1. Мост Уитстона используется для точного измерения очень низких значений сопротивления.
  2. Мост Уитстона вместе с операционным усилителем используется для измерения физических параметров, таких как температура, деформация, свет и т. д.
  3. Электрические величины, такие как емкость, индуктивность и импеданс, также могут быть измерены с помощью моста Уитстона.
  4. Схема детектора света также построена с использованием мостовых схем для измерения интенсивности света.

Ограничения и ошибки моста Уитстона
  • Одним из основных ограничений моста Уитстона является то, что его можно использовать для измерения от нескольких ом до мегаом и нельзя использовать для измерения очень больших сопротивлений, так как гальванометр становится нечувствительным в таких условиях. случаи.
  • Гальванометр менее чувствителен, что приводит к неточности.
  • Самонагрев изменяет значение сопротивления, что приводит к ошибкам.
  • Вероятность личных ошибок больше.

Узнайте все об электростатике здесь

Мост Уитстона – важные моменты
  1. Сэр Чарльз Уитстон предложил мост. Поскольку он привлек внимание к устройству, его назвали мостом Уитстона.
  2. Мост Уитстона состоит из четырех резисторов, два из которых являются известными резисторами, один переменный резистор, один неизвестный резистор и гальванометр.
  3. Применение моста Уитстона включает измерительный мост, тензодатчик, термистор, потенциометр, фотодетектор и т. д.
  4. Мост Уитстона нельзя использовать для измерения очень большого сопротивления.

Измерительный мост

Измерительный мост, также называемый скользящим проволочным мостом, представляет собой инструмент, работающий по принципу моста Уитстона. Метровый мост используется для нахождения неизвестного сопротивления проводника, как и мост Уитстона.

Строительство измерительного моста

Измерительный мост — это устройство, используемое для определения неизвестного сопротивления катушки.Ниже на рисунке 12 представлена ​​схема полезного измерительного мостового прибора.

  1. Состоит из константановой или манганиновой проволоки длиной 1 метр и одинаковой площади поперечного сечения.
  2. На деревянной доске параллельно длине провода установлена ​​измерительная шкала.
  3. Медная полоса устанавливается на деревянную доску так, чтобы между полосами было два зазора.
  4. Через один зазор подключена коробка сопротивлений R, а через другой зазор неизвестное сопротивление S.
  5. Аккумулятор подключается к клемме A и отрицательной клемме C через односторонний ключ K1
  6. Схема теперь точно такая же, как у моста Уитстона.

Ознакомьтесь со статьей «Применение термодинамики» здесь.

Процедура определения неизвестного сопротивления с помощью измерительного моста

В соответствии с принципом моста Уитстона, Отрегулируйте положение жокея на проводе (скажем, в точке D) при касании, гальванометр показывает отсутствие отклонения.

Обратите внимание на указанную AD длину \(I_1\) до провода. Найдите длину DC (100 – \(I_1\)) провода. Мы знаем, что в уравновешенном мосту

\({R\over{AD}}={S\over{DC}}\)

Если r сопротивление на см длины провода,

, то AD = сопротивление длины \(I_1\) провода \(AD = l_1r\)

DC = сопротивление длины (100 – \(I_1\)) провода DC = (100 – \(I_1\)) r

\({R\over{l_1r}}={S\over{(100-l_1)r}}\)

Зная \(l_1\) и R, мы можем вычислить S.

Не забудьте проверить электрический диполь.

Потенциометр

Это устройство, которое не потребляет ток от данной цепи, но при этом измеряет разность потенциалов и, таким образом, эквивалентно идеальному вольтметру.

Конструкция
  1. Первичная цепь: Он оснащен мощной батареей, так что разность потенциалов между А и В достаточно велика для измерения других/вторичных батарей.
  2. Вторичная цепь: Соединена с гальванометром и жокеем с натянутой проволокой для измерения ЭДС батареи.

Принцип действия потенциометра

Принцип работы потенциометра основан на том, что при протекании постоянного тока по проводу с одинаковой площадью поперечного сечения разность потенциалов между двумя его точками прямо пропорциональна длине провода между две точки.

Вы также можете проверить подробности о законах термодинамики.

Использование потенциометра для определения ЭДС ячейки

В этой схеме необходимо найти ЭДС \(E_1\), пусть длина AB = L и при \(AC_1 = l_1\) гальванометр не показывает отклонения .

На данный момент мы можем найти ЭДС \(E_1\)

\(\text{ЭДС }E_1={AC_1\over{AB}} E_o={l_1\over{L}}E_o\)

Использование потенциометра для определения сравнения ЭДС двух батарей

В этой схеме мы должны сравнить ЭДС двух батарей; оба значения Е1 и Е2 отмечают одно за другим при нулевом отклонении гальванометра.

Предположим, что для \(E_1\) мы получаем длину \(AC_1 = l_1\) и \(AC_2 = l_2\) и общую длину AB = L

Имеем,

\(E_1={l_1\over{ L}}E_o\text{ и }E_2={l_2\over{L}}E_o\)

Надеюсь, это помогло вам понять важную концепцию моста Уитстона.

Попрактикуйтесь прямо сейчас в приложении Testbook, пройдя бесплатные пробные тесты. Чтобы получить подробную информацию о ядерной физике, кандидаты могут посетить связанную статью.

Часто задаваемые вопросы по мосту Уитстона

Q.1 Что такое мост Уитстона?

Ans.1 Мост Уитстона, также называемый мостом сопротивления, используется для расчета неизвестного сопротивления путем балансировки двух ветвей моста, одна из которых включает компонент неизвестного сопротивления.

В.2 Что такое измерительный мост?

Ответ 2 Измерительный мост, также называемый скользящим проволочным мостом, представляет собой инструмент, работающий по принципу моста Уитстона.Метровый мост используется для нахождения неизвестного сопротивления проводника, как и мост Уитстона.

В.3 Что такое потенциометр?

Ответ 3 Это устройство, которое не потребляет ток от данной цепи и при этом измеряет разность потенциалов, и поэтому оно эквивалентно идеальному вольтметру.

В.4 Кто изобрел мост Уитстона?

Ответ 4 Этот метод был изобретен Сэмюэлем Хантером Кристи в 1833 году, а затем популяризирован сэром Чарльзом Уитстоном в 1843 году.

В.5 В чем польза моста Уитстона?

Ответ 5 Мост Уитстона используется для измерения неизвестного сопротивления с помощью мостовой схемы.

В.6 Каковы ограничения моста Уитстона?

Ответ 6 Одним из основных ограничений моста Уитстона является то, что его можно использовать для измерения от нескольких ом до мегаом и нельзя использовать для измерения очень большого сопротивления, поскольку в таких случаях гальванометр становится нечувствительным.

В.7 Когда мост Уитстона считается неуравновешенным?

Ответ 7 Мост Уитстона находится в несбалансированном состоянии, когда через гальванометр протекает ток.

Создайте бесплатную учетную запись, чтобы продолжить чтение

  • Получайте мгновенные оповещения о вакансиях бесплатно!

  • Получите Daily GK и текущие события Capsule и PDF-файлы

  • Получите более 100 бесплатных пробных тестов и викторин


Подпишись бесплатно У вас уже есть аккаунт? Войти

Следующее сообщение

Знайте о схеме моста Уитстона, работающей с приложением

Термин «мост Уитстона» также называют Мостом Сопротивления, то есть он был изобретен «Чарльзом Уитстоном».Эта мостовая схема используется для расчета неизвестных значений сопротивления и как средство регулирования измерительных приборов, амперметров, вольтметров и т. д. Но современные цифровые миллиметры предлагают самый простой способ расчета сопротивления. В последние дни мост Уитстона используется во многих приложениях, таких как; его можно использовать с современными операционными усилителями для подключения различных датчиков и преобразователей к схемам усилителя. Эта мостовая схема состоит из двух простых последовательных и параллельных сопротивлений между клеммой подачи напряжения и клеммой заземления.Когда мост уравновешен, клемма заземления создает нулевую разницу напряжений между двумя параллельными ветвями. Мост Уитстона состоит из двух клемм i/p и двух клемм o/p, включающих в себя четыре резистора, расположенных в форме ромба.


Мост Уитстона

Мост Уитстона и его работа

Мост Уитстона широко используется для измерения электрического сопротивления. Эта схема построена из двух известных резисторов, одного неизвестного резистора и одного переменного резистора, соединенных в виде моста.При регулировке переменного резистора ток в гальванометре становится равным нулю, отношение двух неизвестных резисторов равно отношению величины неизвестного сопротивления к установленной величине переменного сопротивления. С помощью моста Уитстона можно легко измерить неизвестное значение электрического сопротивления.

Схема моста Уитстона

Ниже показана схема моста Уитстона. Эта схема состоит из четырех плеч, а именно AB, BC, CD и AD, и состоит из электрического сопротивления P, Q, R и S.Среди этих четырех сопротивлений P и Q являются известными постоянными электрическими сопротивлениями. Гальванометр подключается между клеммами B и D через переключатель S1. Источник напряжения подключается к клеммам A и C через переключатель S2. Переменный резистор «S» подключен между клеммами C и D. Потенциал на клемме D меняется, когда изменяется значение переменного резистора. Например, через точки ADC и ABC протекают токи I1 и I2. Когда значение сопротивления плеча CD изменяется, ток I2 также будет изменяться.

Схема схемы моста Уитстона

Если мы стремимся отрегулировать переменное сопротивление, одно положение дел может вернуться один раз, когда падение напряжения на резисторе S, то есть I2.S, становится специфически способным к падению напряжения на резисторе Q, т.е. I1.Q. Таким образом, потенциал точки B становится равным потенциалу точки D, следовательно, разность потенциалов b/n этих двух точек равна нулю, следовательно, ток через гальванометр равен нулю. Тогда отклонение в гальванометре равно нулю, когда переключатель S2 замкнут.

Мост Уитстона

Из приведенной выше схемы токи I1 и I2 равны

                       I1=V/P+Q и I2=V/R+S

Теперь потенциал точки B по отношению к точке C равен падению напряжения на транзисторе Q, тогда уравнение имеет вид

               I1Q= VQ/P+Q ……………………………..(1)

Потенциал точки D относительно C равен падению напряжения на резисторе S, тогда уравнение имеет вид

                I2S=VS/R+S …………………………..(2)

Из приведенных выше уравнений 1 и 2 получаем

                                 VQ/P+Q = VS/R+S

`                                Q/P+Q = S/R+S

                                  P+Q/Q=R+S/S

                                   P/Q+1=R/S+1

                                           P/Q=R/S

                                            R=SxP/Q

В приведенном выше уравнении значения P/Q и S известны, поэтому значение R можно легко определить.

Электрические сопротивления моста Уитстона, такие как P и Q, имеют определенное соотношение, они составляют 1:1; 10:1 (или) 100:1, известное как передаточное отношение, и плечо реостата S всегда изготавливается с переменным сопротивлением в диапазоне 1-1000 Ом или 1-10000 Ом

Пример моста Уитстона

Следующая схема представляет собой несбалансированный мост Уитстона. Рассчитайте напряжение o/p в точках C и D и номинал резистора R4, необходимый для балансировки мостовой схемы.

Пример моста Уитстона

Первое последовательное плечо в приведенной выше схеме — ACB
Vc= (R2/(R1+R2)) X Vs
R2=120 Ом, R1=80 Ом, Vs=100
Подставьте эти значения в приведенное выше уравнение
Vc= (120/(80+120)) X 100
= 60 вольт
Второе последовательное плечо в приведенной выше схеме — ADB

                     VD = R4/(R3+R4) X Vs

                   VD= 160/(480+160) X 100
= 25 Вольт
Напряжение между точками C и D определяется как
Vout= VC-VD
Vout= 60-25 = 35 вольт.
Значение резистора R4, необходимого для балансировки моста Уитстона, определяется как:
R4= R2 R3/R1
120X480/ 80
720 Ом.

Итак, наконец, мы можем заключить, что мост Уитстона имеет две клеммы i/p и две клеммы o/p, а именно A и B, C и D. Когда приведенная выше схема сбалансирована, напряжение на клеммах o/p равно нулю вольт. Когда мост Уитстона несбалансирован, напряжение o/p может быть либо +ve, либо –ve в зависимости от направления дисбаланса.

Применение моста Уитстона

Применение моста Уитстона — детектор света с использованием схемы моста Уитстона

Схема светового детектора моста Уитстона

Сбалансированные мостовые схемы используются во многих электронных приложениях для измерения изменений интенсивности света, деформации или давления.Различные типы резистивных датчиков, которые можно использовать в мостовой схеме Уитстона, включают: потенциометры, LDR, тензодатчики, термисторы и т. д.

Мост Уитстона

используется для измерения электрических и механических величин. Но простое применение моста Уитстона — это измерение освещенности с помощью фоторезистивного устройства. В схеме моста Уитстона вместо одного из резисторов ставится светозависимый резистор.

LDR — это пассивный резистивный датчик, который используется для преобразования уровней видимого света в изменение сопротивления, а затем в напряжение.LDR можно использовать для измерения и контроля уровня интенсивности света. LDR имеет сопротивление в несколько мегаом при тусклом или темном свете, около 900 Ом при освещенности 100 люкс и около 30 Ом при ярком свете. Подключив светочувствительный резистор к схеме моста Уитстона, мы можем измерять и отслеживать изменения уровня освещенности.

Это все о мосте Уитстона и принципе моста Уитстона, его работе с приложением. Мы надеемся, что вы лучше поняли эту концепцию.Кроме того, любые вопросы или сомнения относительно этой статьи или проектов электроники, пожалуйста, оставьте свой отзыв, комментируя в разделе комментариев ниже.

Фото:

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.