Cầu đo Wheatstone và công dụng của nó

Một trong những gì phổ biến nhất mạch cầu, ngày nay vẫn được sử dụng trong các dụng cụ đo và trong các phòng thí nghiệm điện, là cầu đo Wheatstone, được đặt theo tên của nhà phát minh người Anh Charles Wheatstone, người đã đề xuất sơ đồ này để đo điện trở vào đầu năm 1843.

Cầu đo Wheatstone về cơ bản là một thiết bị tương tự điện của cân chùm dược phẩm, vì một phương pháp đo bù tương tự được sử dụng ở đây.

Nguyên lý hoạt động của cầu đo dựa trên sự cân bằng điện thế ở các đầu cực giữa của hai nhánh điện trở mắc song song, mỗi nhánh có hai điện trở. Là một phần của một trong các nhánh, một điện trở có giá trị bạn muốn biết được bao gồm và nhánh kia - một điện trở có điện trở điều chỉnh được (biến trở hoặc chiết áp).

Bằng cách thay đổi trơn tru giá trị điện trở của điện trở có thể điều chỉnh, số đọc bằng 0 thu được trên thang đo của điện kế bao gồm trong đường chéo giữa các điểm giữa của hai nhánh được đề cập.Trong điều kiện điện kế chỉ số 0, điện thế của các điểm giữa sẽ bằng nhau và do đó có thể dễ dàng tính được điện trở mong muốn.

Rõ ràng là ngoài điện trở và điện kế, mạch phải có nguồn cung cấp cho cầu, trong hình vẽ là ô điện E. Dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm, đồng thời phân chia giữa hai nhánh thành tỉ lệ nghịch với điện trở của chúng.

Nếu các điện trở trên và dưới của nhánh cầu giống nhau theo từng cặp, nghĩa là khi các nhánh hoàn toàn giống nhau, thì không có lý do gì để dòng điện xuất hiện trên đường chéo, vì sự khác biệt tiềm năng giữa các điểm kết nối của điện kế bằng không. Trong trường hợp này, cây cầu được cho là cân bằng hoặc cân bằng.

Nếu các điện trở trên bằng nhau và các điện trở dưới thì không, dòng điện sẽ chạy theo đường chéo, từ nhánh có điện trở cao hơn sang nhánh có điện trở thấp hơn và kim của điện kế sẽ lệch theo hướng thích hợp.

Vì vậy, nếu tiềm năng của các điểm mà điện kế được kết nối bằng nhau, thì tỷ lệ giá trị của điện trở trên và dưới trong các nhánh sẽ bằng nhau. Do đó, đánh đồng các mối quan hệ này, chúng ta thu được một phương trình với một ẩn số. Các điện trở R1, R2 và R3 ban đầu nên được đo với độ chính xác cao, sau đó độ chính xác của việc tìm điện trở Rx (R4) sẽ cao.

Mạch cầu Wheatstone thường được dùng để đo nhiệt độ khi một trong các nhánh cầu bật Điện trở kế như một điện trở chưa biết.Trong mọi trường hợp, sự khác biệt về điện trở trong các nhánh càng lớn thì dòng điện qua đường chéo sẽ càng lớn và khi điện trở thay đổi thì dòng điện qua đường chéo cũng sẽ thay đổi.

Tính chất này của cầu Wheatstone rất được đánh giá cao bởi những người giải các bài toán điều khiển và đo lường cũng như phát triển các sơ đồ điều khiển và tự động hóa. Sự thay đổi nhỏ nhất của điện trở ở một trong các nhánh gây ra sự thay đổi dòng điện qua cầu và sự thay đổi này được ghi lại. Thay vì điện kế, ampe kế hoặc vôn kế có thể được đưa vào đường chéo của cầu, tùy thuộc vào mạch cụ thể và mục đích nghiên cứu.

Nói chung, sử dụng cầu Wheatstone, bạn có thể đo các đại lượng khác nhau: biến dạng đàn hồi, độ chiếu sáng, độ ẩm, công suất nhiệt, v.v. Chỉ cần đưa cảm biến tương ứng vào mạch thay vì điện trở đo được, phần tử nhạy cảm của nó sẽ là đủ. có thể thay đổi điện trở phù hợp với sự thay đổi của giá trị đo được, ngay cả khi nó không có điện. Thông thường trong những trường hợp như vậy, một cây cầu Wheatstone được kết nối thông qua ADCvà xử lý thêm tín hiệu, hiển thị thông tin trên màn hình, các hành động dựa trên dữ liệu nhận được — tất cả điều này vẫn là vấn đề của công nghệ.