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.

Если в момент равновесия три из сопротивлений известны, то четвертое можно подсчитать (измерить). Высокая точность изготовления сопротивлений и большая чувствительность нулевых индикаторов обеспечивают точное измерение неизвестного сопротивления.

Для равновесия моста необходимо, чтобы произведения сопротивлений противоположных плеч были равны между собой. Уравновешивание моста достигается изменением одного или нескольких сопротивлений плеч. С этой целью они выполняются чаще всего в виде реостата или магазинов (набора) сопротивлений.

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.

Кроме четырехплечных мостов, находят применение и мостовые схемы с большим числом плеч. Например, для измерения малых сопротивлений (меньше 1 ом) используют шестиплечные мосты постоянного тока (двойные мосты).

Схема моста Уитстона может работать и на переменном токе. В этом случае используются полные сопротивления плеч моста. При равновесии мостовой схемы на переменном токе произведении полных сопротивлений противоположных плеч моста должны быть равны между собой.

Измерительные мосты переменного тока применяются для измерения полных сопротивлений, индуктивностей, емкостей, взаимной индуктивности, активных сопротивлений, частоты.

Погрешность при измерениях мостовым методом может быть доведена до 0,01% и даже меньше.

Подборка статей про другие измерительные приборы:

Виды приборов для измерения сопротивлений

Проведение измерения сопротивления заземления

Мультиметр или токовые клещи — что лучше?

Измерение мощности с помощью ваттметра

Проведение измерений с помощью осциллографа

До сих пор мы рассматривали уравновешенный мост. Для этого режима работы соотношение между параметрами схемы не зависит от величины напряжения источника питания и от сопротивления проводов, соединяющих этот источник со схемой. Данное свойство мостовых схем позволяет широко использовать их в автоматике.

Помимо уравновешенных мостов, в технике применяются и неуравновешенные мосты, т. е. такие, у которых в рабочем режиме через индикаторную диагональ протекает ток. В этом случае о величине измеряемого сопротивления судят по показаниям прибора, включенного в индикаторную диагональ.

Неуравновешенные мосты очень удобны для электрических измерений неэлектрических величин (температур, давлений, перемещений и т. п.). В настоящее время большое распространение получают мосты с автоматическим уравновешиванием. Они применяются там, где требуется иметь непрерывные показания и запись измеряемой величины, а также в автоматическом контроле, управлении и регулировании .

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.

Как применять фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы

Аналоговые датчики: применение, способы подключения к контроллеру

Подключение аналоговых датчиков к Ардуино, считывание показаний датчиков

Измерение температуры и влажности на Arduino – подборка способов