Γέφυρα μέτρησης Wheatstone και η χρήση της
Ένα από τα πιο δημοφιλή κυκλώματα γέφυρας, που χρησιμοποιείται ακόμα σήμερα σε όργανα μέτρησης και σε ηλεκτρικά εργαστήρια, είναι η γέφυρα μέτρησης Wheatstone, που πήρε το όνομά του από τον Άγγλο εφευρέτη Charles Wheatstone, ο οποίος πρότεινε αυτό το σχήμα για τη μέτρηση της αντίστασης ήδη από το 1843.
Η γέφυρα μέτρησης Wheatstone είναι ουσιαστικά ένα ηλεκτρικό ανάλογο του ισοζυγίου φαρμακευτικής δέσμης, καθώς μια παρόμοια μέθοδος μέτρησης αντιστάθμισης χρησιμοποιείται εδώ.
Η αρχή λειτουργίας της γέφυρας μέτρησης βασίζεται στην εξίσωση των δυναμικών των μεσαίων ακροδεκτών δύο κλάδων αντιστάσεων που συνδέονται παράλληλα, κάθε κλάδος έχει δύο αντιστάσεις. Ως μέρος ενός από τους κλάδους, περιλαμβάνεται μια αντίσταση της οποίας την τιμή θέλετε να μάθετε, και στην άλλη - μια αντίσταση με ρυθμιζόμενη αντίσταση (ρεοστάτη ή ποτενσιόμετρο).
Μεταβάλλοντας ομαλά την τιμή αντίστασης της ρυθμιζόμενης αντίστασης, λαμβάνεται μηδενική ένδειξη στην κλίμακα του γαλβανόμετρου που περιλαμβάνεται στη διαγώνιο μεταξύ των μεσαίων σημείων των δύο αναφερόμενων κλάδων.Σε συνθήκες όπου το γαλβανόμετρο δείχνει μηδέν, τα δυναμικά των μεσαίων σημείων θα είναι ίσα και επομένως η επιθυμητή αντίσταση μπορεί να υπολογιστεί εύκολα.
Είναι σαφές ότι εκτός από αντιστάσεις και γαλβανόμετρο, το κύκλωμα πρέπει να έχει τροφοδοσία για τη γέφυρα, στο σχήμα φαίνεται ως γαλβανικό στοιχείο Ε. Το ρεύμα ρέει από το θετικό στο αρνητικό, ενώ διαιρείται μεταξύ των δύο διακλαδώσεων στο αντίστροφη αναλογία με τις αντιστάσεις τους.
Εάν οι άνω και κάτω αντιστάσεις στον βραχίονα της γέφυρας είναι ίδιες σε ζεύγη, δηλαδή όταν οι βραχίονες είναι ακριβώς οι ίδιοι, δεν υπάρχει λόγος να εμφανίζεται το ρεύμα σε όλη τη διαγώνιο, καθώς η διαφορά δυναμικού μεταξύ των σημείων σύνδεσης του γαλβανόμετρου είναι μηδέν. Σε αυτή την περίπτωση, η γέφυρα λέγεται ότι είναι ισορροπημένη ή ισορροπημένη.
Εάν οι άνω αντιστάσεις είναι ίδιες και οι κάτω αντιστάσεις όχι, το ρεύμα θα ρέει διαγώνια, από τον βραχίονα υψηλότερης αντίστασης στον βραχίονα χαμηλότερης αντίστασης και η βελόνα του γαλβανόμετρου θα εκτραπεί προς την κατάλληλη κατεύθυνση.
Έτσι, εάν τα δυναμικά των σημείων στα οποία είναι συνδεδεμένο το γαλβανόμετρο είναι ίσα, τότε οι λόγοι των τιμών των άνω και κάτω αντιστάσεων στους βραχίονες θα είναι ίσοι μεταξύ τους. Έτσι, εξισώνοντας αυτές τις σχέσεις, λαμβάνουμε μια εξίσωση με έναν άγνωστο. Οι αντιστάσεις R1, R2 και R3 θα πρέπει αρχικά να μετρηθούν με υψηλή ακρίβεια, στη συνέχεια η ακρίβεια εύρεσης της αντίστασης Rx (R4) θα είναι υψηλή.
Το κύκλωμα γέφυρας Wheatstone χρησιμοποιείται συχνά για τη μέτρηση της θερμοκρασίας όταν ανάβει ένας από τους κλάδους της γέφυρας θερμόμετρο αντίστασης ως άγνωστη αντίσταση.Σε κάθε περίπτωση, όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στις αντιστάσεις στους κλάδους, τόσο μεγαλύτερο θα είναι το ρεύμα που διασχίζει τη διαγώνιο και όταν αλλάξει η αντίσταση, θα αλλάξει και το διαγώνιο ρεύμα.
Αυτή η ιδιότητα της γέφυρας Wheatstone εκτιμάται τόσο πολύ από όσους επιλύουν προβλήματα ελέγχου και μέτρησης και αναπτύσσουν συστήματα ελέγχου και αυτοματισμού. Η παραμικρή αλλαγή στην αντίσταση σε έναν από τους κλάδους προκαλεί αλλαγή στο ρεύμα μέσω της γέφυρας και αυτή η αλλαγή καταγράφεται. Αντί για γαλβανόμετρο, μπορεί να συμπεριληφθεί αμπερόμετρο ή βολτόμετρο στη διαγώνιο της γέφυρας, ανάλογα με το συγκεκριμένο κύκλωμα και τον σκοπό της μελέτης.
Γενικά, χρησιμοποιώντας τη γέφυρα Wheatstone, μπορείτε να μετρήσετε διάφορα μεγέθη: ελαστική παραμόρφωση, φωτισμός, υγρασία, θερμοχωρητικότητα κ.λπ. αρκεί απλώς να συμπεριλάβετε τον αντίστοιχο αισθητήρα στο κύκλωμα αντί της μετρούμενης αντίστασης, το ευαίσθητο στοιχείο του οποίου θα να είναι σε θέση να αλλάξει η αντίσταση είναι συνεπής με τη μεταβολή της μετρούμενης τιμής, ακόμα κι αν δεν είναι ηλεκτρική. Συνήθως σε τέτοιες περιπτώσεις συνδέεται μια γέφυρα Wheatstone μέσω ADC, και περαιτέρω επεξεργασία του σήματος, εμφάνιση πληροφοριών στην οθόνη, ενέργειες με βάση τα δεδομένα που λαμβάνονται — όλα αυτά παραμένουν θέμα τεχνολογίας.