PERIKANAN DAN KELAUTAN: jembatan Wheatstone

jembatan Wheatstone

06.50 tachul

Jembatan Wheatstone - Teori

Bridges are among the most accurate types of measuring devices used in the measurement of impedance. Jembatan adalah yang paling akurat mengukur jenis perangkat yang digunakan dalam pengukuran impedansi. In addition, bridges are also used to measure DC resistance, capacitance, and inductance. Selain itu, bridge juga digunakan untuk mengukur resistansi DC, kapasitansi, dan induktansi. Certain types of bridges are more suitable for measuring a specific characteristic, such as capacitance or inductance. Jembatan jenis tertentu lebih cocok untuk mengukur karakteristik tertentu, seperti kapasitansi atau induktansi. Basic schematics for the various bridge circuits are shown in Figure 1. Skema dasar untuk berbagai rangkaian jembatan ditunjukkan pada Gambar 1. The bridge circuits shown are similar in that they usually contain two branches in the measuring circuit, two branches in the comparing circuit, a detector circuit, and a power circuit, as shown in Figure 2. The bridge shown in Figure 2 is actually the DC Wheatstone bridge; however, the general principles of circuit operation for AC remain the same. Rangkaian jembatan yang ditunjukkan adalah serupa bahwa mereka biasanya berisi dua cabang di sirkuit mengukur, dua cabang di sirkuit membandingkan, suatu rangkaian detektor, dan rangkaian listrik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Jembatan ditampilkan pada Gambar 2 sebenarnya adalah DC jembatan Wheatstone, namun prinsip-prinsip umum rangkaian operasi untuk AC tetap sama.

Figure 1: Basic bridge circuits. Gambar 1: Dasar rangkaian jembatan.

Figure 2: Typical bridge circuit configuration. Gambar 2: rangkaian jembatan Khas konfigurasi.

The comparing circuit contains branches A and B and has provisions for changing the ratios of the branches with respect to each other, which enables various measuring ranges to be obtained. Mengandung sirkuit yang membandingkan cabang A dan B dan memiliki ketentuan untuk mengubah rasio dari cabang-cabang berkenaan dengan satu sama lain, yang memungkinkan berbagai rentang pengukuran yang akan diperoleh. Comparison of Figures 1 and 2 shows that either or both branches of the comparing circuit do not necessarily contain resistors alone. Perbandingan Gambar 1 dan 2 menunjukkan bahwa salah satu atau kedua cabang dari rangkaian membandingkan tidak selalu mengandung resistor sendirian. Branch B of the Hay bridge, containing CB and RB in series connection, provides a striking contrast with the parallel connection of CB and RB of the Maxwell bridge. Cabang B dari jembatan Hay, berisi CB dan RB sambungan seri, menyediakan mencolok kontras dengan hubungan paralel CB dan RB dari jembatan Maxwell.

The measuring circuit in Figure 2 also contains two branches. Pengukuran rangkaian pada Gambar 2 juga berisi dua cabang. The resistance, capacitance, or inductance to be measured is connected to branch X of the bridge-measuring circuit. Resistansi, kapasitansi atau induktansi yang akan diukur dihubungkan ke cabang X jembatan-mengukur rangkaian. The subscript X is also used in Figure 1 to designate the circuit parameters involved in computing the values of various electronic parts. Subskrip X juga digunakan pada Gambar 1 untuk memilih parameter rangkaian yang terlibat dalam menghitung nilai-nilai dari berbagai komponen elektronik. Branch S contains the variable control used to bring the bridge into a balanced condition. Cabang S berisi variabel kontrol yang digunakan untuk membawa jembatan ke kondisi seimbang. A potentiometer is used for this purpose in most bridge equipment, because it offers a wide range of smoothly variable current changes within the measuring circuit. Sebuah potensiometer digunakan untuk tujuan ini di sebagian besar peralatan jembatan, karena ia menawarkan berbagai variabel lancar saat ini mengukur perubahan di dalam rangkaian.

The third arm of the bridge is the detector circuit. Lengan ketiga jembatan adalah rangkaian detektor. The detector circuit may use a galvanometer for sensitive measurements that require high accuracy. In the case of bridges using AC as the power source, the galvanometer must be adapted for use in an AC circuit. Rangkaian detektor dapat menggunakan galvanometer pengukuran yang sensitif yang memerlukan akurasi tinggi. Dalam kasus jembatan menggunakan AC sebagai sumber listrik, maka galvanometer harus disesuaikan untuk digunakan dalam sirkuit AC. In many practical bridge circuits using AC to operate the bridge, an electron-ray indicating tube is used to indicate the balanced condition by opening and closing the shadow area of the tube. Dalam banyak rangkaian jembatan praktis menggunakan AC untuk mengoperasikan jembatan, sebuah elektron-ray menunjukkan tabung digunakan untuk mengindikasikan kondisi seimbang dengan membuka dan menutup area bayangan tabung. Headsets are also used for audible balance detection, but this method reduces the accuracy obtainable with the bridge. Headset juga digunakan untuk keseimbangan terdengar deteksi, namun metode ini mengurangi akurasi didapat dengan jembatan.

Switches are used in bridge circuits to control the application of operating power to the bridge and to complete the detector circuit. Switch yang digunakan dalam rangkaian jembatan untuk mengendalikan operasi penerapan kekuasaan untuk jembatan dan untuk melengkapi rangkaian detektor. Frequently, the two switching functions are combined into a single key, called a bridge key, so that the operating power is applied to the bridge prior to the detector circuit. Sering, kedua beralih fungsi digabungkan menjadi satu kunci, yang disebut kunci jembatan, sehingga daya operasi diterapkan ke jembatan sebelum rangkaian detektor. This sequence reduces the effects of inductance and capacitance during the process of measurement. Urutan ini mengurangi efek induktansi dan kapasitansi selama proses pengukuran.

The most unfavorable condition for making a measurement occurs when the resistance, capacitance, or inductance to be measured is completely unknown. Kondisi yang paling menguntungkan untuk membuat pengukuran terjadi ketika resistansi, kapasitansi atau induktansi yang akan diukur sudah benar-benar diketahui. In these cases, the galvanometer cannot be protected by setting the bridge arms for approximate balance. Dalam kasus ini, galvanometer tidak dapat dilindungi dengan mengatur lengan jembatan untuk perkiraan keseimbangan. To reduce the possibility of damage to the galvanometer, you should use an adjustable shunt circuit across the meter terminals. Untuk mengurangi kemungkinan kerusakan pada galvanometer, Anda harus menggunakan sirkuit shunt dapat diatur di seberang terminal meter. As the bridge is brought closer to the balanced condition, the resistance of the shunt can be increased; when the bridge is in balance, the meter shunt can be removed to obtain maximum detector sensitivity. Sebagai jembatan dibawa lebih dekat ke kondisi seimbang, resistansi shunt dapat ditingkatkan; ketika jembatan adalah seimbang, shunt meter dapat dihilangkan untuk mendapatkan sensitivitas detektor maksimum.

Bridges designed specifically for capacitance measurements provide a DC source of potential for electrolytic capacitors. Jembatan yang dirancang khusus untuk pengukuran kapasitansi menyediakan sumber DC potensi untuk kapasitor elektrolitik. The electrolytic capacitors often require the application of DC polarizing voltages in order for them to exhibit the same capacitance values and dissipation factors that would be obtained in actual circuit operation. The electrolytic capacitors sering membutuhkan penerapan polarisasi tegangan DC agar bagi mereka untuk menunjukkan nilai-nilai kapasitansi yang sama dan disipasi faktor-faktor yang akan diperoleh dalam operasi rangkaian sebenarnya. The DC power supply and meter circuits used for this purpose are connected so that there is no interference with the normal operation of the capacitance-measuring bridge circuit. The dissipation factor of the capacitor may be obtained while the capacitor is polarized. DC power supply dan rangkaian meter digunakan untuk tujuan ini disambungkan sehingga tidak ada gangguan pada operasi normal dari jembatan pengukur kapasitansi sirkuit. Para faktor disipasi dari kapasitor dapat diperoleh sementara kapasitor terpolarisasi. In Figure 2, the signal voltage in the A and B branches of the bridge will be divided in proportion to the resistance ratios of its component members, R _A and R _B , for the range of values selected. Dalam Gambar 2, tegangan sinyal di cabang A dan B jembatan akan dibagi sebanding dengan rasio resistensi dari komponen anggota, R _A dan R _B, untuk rentang nilai yang dipilih. The same signal voltage is impressed across the branches S and X of the bridge. Tegangan sinyal yang sama terkesan di cabang S dan X jembatan. The variable control, R _S , is rotated to change the current flowing through the S and X branches of the bridge. Variabel kontrol, R, _S, diputar untuk mengubah arus yang melalui S dan X cabang jembatan. When the voltage drop across branch S is equal to the voltage drop across branch A , the voltage drop across branch X is equal to the voltage drop across branch B . Ketika jatuh tegangan cabang S adalah sama dengan jatuh tegangan cabang A, jatuh tegangan cabang X sama dengan jatuh tegangan cabang B. At this time the potentials across the detector circuit are the same, resulting in no current flow through the detector circuit and an indication of zero-current flow. Pada saat ini potensi di rangkaian detektor adalah sama, sehingga tidak ada arus yang mengalir melalui rangkaian detektor dan indikasi aliran arus nol. The bridge is balanced at these settings of its operating controls, and they cannot be placed at any other setting and still maintain this balanced condition. Jembatan yang seimbang pada pengaturan ini dari kontrol operasi, dan mereka tidak dapat ditempatkan pada pengaturan lain dan masih mempertahankan kondisi seimbang.

Figure 3: Resistance-ratio Gambar 3: Perlawanan-rasio
bridge residual elements. sisa jembatan elemen.

Figure 4: Wagner ground. Gambar 4: Wagner tanah.

The ability of the bridge circuit to detect a balanced condition is not impaired by the length or the leads connecting the bridge to the electronic part to be measured. Kemampuan rangkaian jembatan untuk mendeteksi kondisi yang seimbang tidak terganggu oleh panjang atau jembatan penghubung mengarah ke bagian elektronik yang akan diukur. However, the accuracy of the measurement is not always acceptable, because the connecting leads exhibit capacitive and inductive characteristics, which must be subtracted from the total measurement. Namun, keakuratan pengukuran tidak selalu dapat diterima, karena mengarah menghubungkan kapasitif dan induktif menunjukkan karakteristik, yang harus dikurangkan dari total pengukuran. Hence, the most serious errors affecting accuracy of a measurement are because of the connecting leads. Oleh karena itu, kesalahan yang paling serius yang mempengaruhi akurasi pengukuran adalah karena menghubungkan lead.

Stray wiring capacitance and inductance, called residuals, that exist between the branches of the bridge also cause errors. Tersesat pengkabelan kapasitansi dan induktansi, disebut residu, yang ada antara cabang-cabang jembatan juga mengakibatkan kesalahan. The resistance-ratio bridge, for example, is redrawn in Figure 3 to show the interfering residuals that must be eliminated or taken into consideration. Resistensi-rasio jembatan, misalnya, adalah digambar ulang pada Gambar 3 untuk menunjukkan campur residu yang harus dihilangkan atau dipertimbangkan. Fortunately, these residuals can be reduced to negligible proportions by shielding and grounding. A method of shielding and grounding a bridge circuit to reduce the effects of interfering residuals is through the use of a Wagner ground, as shown in Figure 4. Untungnya, residu ini dapat dikurangi dengan proporsi diabaikan oleh melindungi dan landasan. Sebuah metode melindungi dan landasan jembatan sirkuit untuk mengurangi efek residu mengganggu adalah melalui penggunaan tanah Wagner, seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Observe that with switch S in position Y , the balanced condition can be obtained by adjusting Z ₁ and Z ₂ . Perhatikan bahwa dengan posisi saklar S di Y, kondisi seimbang dapat diperoleh dengan menyesuaikan Z ₁ dan Z _2. With switch S in position X , the normal method of balancing the bridge applies. Dengan saklar S di posisi X, metode normal menyeimbangkan jembatan berlaku. You should be able to reach a point where there is no deflection of the meter movement for either switch position ( X or Y ) by alternately adjusting Z ₁ and Z ₂ when the switch is at position Y and by adjusting R _S when the switch is at position X . Anda harus dapat mencapai titik di mana tidak ada defleksi dari gerakan meter untuk kedua posisi saklar (X atau Y) by bergantian menyesuaikan Z ₁ dan Z ₂ saat saklar di posisi Y dan dengan menyesuaikan R _S ketika saklar di posisi X. Under these conditions, point 1 is at ground potential; and the residuals at points 2 , 3 , and 4 are effectively eliminated from the bridge. Dengan kondisi tersebut, titik 1 berada pada potensial tanah, dan residu pada titik-titik 2, 3, dan 4 secara efektif dihilangkan dari jembatan. The main disadvantage of the Wagner ground is that two balances must be made for each measurement. One is to balance the bridge, and the other is to balance the Wagner ground. Both adjustments are interacting because R _A and R _B are common to both switch positions X and Y . Kerugian utama dari tanah Wagner adalah bahwa dua keseimbangan harus dilakukan untuk setiap pengukuran. Salah satunya adalah untuk menyeimbangkan jembatan, dan yang lainnya adalah untuk menyeimbangkan tanah Wagner. Kedua penyesuaian berinteraksi karena R _A dan R _B sama untuk kedua beralih posisi X dan Y.

Many bridge instruments provide terminals for external excitation potentials; however, do not use a voltage in excess of that needed to obtain reliable indicator deflection because the resistivity of electronic parts varies with heat, which is a function of the power applied. Banyak jembatan instrumen terminal untuk memberikan potensi eksitasi eksternal, namun tidak menggunakan tegangan lebih dari yang dibutuhkan untuk memperoleh indikator dapat diandalkan defleksi karena bagian-bagian elektronik resistivitas bervariasi dengan panas, yang merupakan fungsi dari kekuasaan yang diterapkan.

Capacitance, inductance, and resistance bridges. Kapasitansi, induktansi, dan resistansi jembatan.

You can measure capacitance, inductance, and resistance for precise accuracy by using ac bridges. Anda dapat mengukur kapasitansi, induktansi, dan hambatan untuk akurasi tepat dengan menggunakan jembatan ac. These bridges are composed of capacitors, inductors, and resistors in a wide variety of combinations. Jembatan ini terdiri dari kapasitor, induktor, dan resistor dalam berbagai kombinasi. These bridges are operated on the principle of a dc bridge called a Wheatstone bridge . Jembatan ini dioperasikan berdasarkan prinsip sebuah jembatan dc disebut jembatan Wheatstone.

Figure 5: Wheatstone bridge. Gambar 5: Wheatstone jembatan.

The Wheatstone bridge is widely used for precision measurements of resistance. Wheatstone jembatan yang banyak digunakan untuk pengukuran presisi perlawanan. The circuit diagram for a Wheatstone bridge is shown in Figure 5. Diagram rangkaian jembatan Wheatstone untuk diperlihatkan pada Gambar 5. Resistors R ₁ , R ₂ , and R ₃ are precision, variable resistors. The value of R _x is an unknown value of resistance that must be determined. Resistor R _1, R _2, dan R ₃ adalah presisi, resistor variabel. Nilai R _x adalah nilai yang tidak diketahui perlawanan yang harus ditentukan. After the bridge has been properly balanced (galvanometer G reads zero), the unknown resistance may be determined by means of a simple formula. Setelah jembatan telah benar seimbang (galvanometer G dibaca nol), perlawanan yang tidak diketahui dapat ditentukan dengan menggunakan rumus sederhana. The galvanometer (an instrument that measures small amounts of current) is inserted across terminals b and d to indicate the condition of balance. The galvanometer (sebuah alat yang mengukur sejumlah kecil sekarang) dimasukkan di terminal b dan d untuk menunjukkan kondisi keseimbangan. When the bridge is properly balanced, no difference in potential exists across terminals b and d ; when switch S ₂ is closed, the galvanometer reading is zero. Ketika jembatan benar seimbang, tidak ada perbedaan dalam potensi yang ada di terminal b dan d; ketika saklar S ₂ adalah tertutup, membaca galvanometer adalah nol.

The operation of the bridge is explained in a few logical steps. Pengoperasian jembatan dijelaskan dalam beberapa langkah-langkah logis. When the battery switch S ₁ is closed, electrons flow from the negative terminal of the battery to point a . Here the current divides as it would in any parallel circuit. Ketika baterai saklar S ₁ adalah tertutup, elektron mengalir dari terminal negatif baterai ke titik a. Di sini sekarang karena akan membagi dalam rangkaian paralel. Part of it passes through R ₁ and R ₂ ; the remainder passes through R ₃ and R _x . Bagian dari itu melewati R ₁ dan R _2; sisanya melewati R ₃ dan R _x. The two currents, I ₁ and I ₂ , unite at point c and return to the positive terminal of the battery. Dua arus, aku ₁ dan I _2, bersatu pada poin c dan kembali ke terminal positif baterai. The value of I ₁ depends on the sum of resistance R ₁ and R ₂ , and the value of I ₂ depends on the sum of resistances R ₃ and R _x . Nilai I ₁ tergantung pada jumlah hambatan R ₁ dan R _2, dan nilai saya ₂ tergantung pada jumlah resistensi R ₃ dan R _x. In each case, according to Ohm's law, the current is inversely proportional to the resistance. Dalam setiap kasus, menurut hukum Ohm, arus berbanding terbalik dengan resistensi.

R ₁ , R ₂ , and R ₃ are adjusted so that when S ₁ is closed, no current flows through G . R _1, R _2, dan R ₃ adalah disesuaikan sehingga ketika S ₁ adalah tertutup, tidak ada arus yang mengalir melalui G. When the galvanometer shows no deflection, there is no difference of potential between points b and d . Ketika galvanometer tidak menunjukkan defleksi, tidak ada perbedaan potensial antara titik b dan d. All of I ₁ follows the abc path and all I ₂ follows the adc path. Semua I ₁ mengikuti jalan abc dan semua I ₂ mengikuti jalur adc. This means that a voltage drop E ₁ (across R ₁ between points a and b ) is the same as voltage drop E ₃ (across R ₃ between points a and d ). Ini berarti bahwa jatuh tegangan E ₁ (melintasi R ₁ antara titik a dan b) sama dengan tegangan drop E ₃ (di R ₃ antara titik a dan d). Similarly, the voltage drops across R ₂ and R _x ( E ₂ and E _x ) are also equal. Demikian pula, jatuh tegangan di R ₂ dan R _x (E ₂ dan E _x) juga sama. Expressed algebraically, Dinyatakan secara aljabar,

and dan

With this information, we can figure the value of the unknown resistor R _x . Divide the voltage drops across R ₁ and R ₃ by their respective voltage drops across R ₂ and R _x as follows: Dengan informasi ini, kita bisa mencari nilai resistor yang tak diketahui R _x. Bagilah jatuh tegangan melintasi R ₁ dan R ₃ oleh masing-masing tegangan di R ₂ dan R _x sebagai berikut:

We can simplify this equation: Kita dapat menyederhanakan persamaan ini:

then we multiply both sides of the expression by R _x to separate it: maka kita kalikan kedua sisi ekspresi oleh R _x untuk memisahkan ini:

For example, in Figure 5, we know that R ₁ is 60 ohms, R ₂ is 100 ohms, and R ₃ is 200 ohms. Sebagai contoh, pada Gambar 5, kita tahu bahwa R ₁ adalah 60 ohm, R ₂ adalah 100 ohm, dan R ₃ adalah 200 ohm. To find the value of R _x , we can use our formula as follows: Untuk mencari nilai R _x, kita dapat menggunakan rumus sebagai berikut:

Use of ac Bridges. Penggunaan ac Bridges.

A wide variety of ac bridge circuits (such as the Wheatstone) may be used for the precision measurement of ac resistance, capacitance, and inductance. Let's look at ac bridges in terms of functions they perform. Berbagai jembatan ac sirkuit (seperti Wheatstone) dapat digunakan untuk pengukuran presisi ac resistansi, kapasitansi, dan induktansi. Marilah kita melihat jembatan ac dalam hal fungsi yang mereka lakukan.

Figure 6: Resistance bridge (ac). Gambar 6: Perlawanan jembatan (ac).

Resistance bridge. An ac signal generator, as shown in Figure 6, is used as the source of voltage. Perlawanan jembatan. Pembangkit sinyal ac, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, digunakan sebagai sumber tegangan. Current from the generator passes through resistors R ₁ and R ₂ , which are known as the ratio arms, and through R _s and R _x . Again, R _x is known as resistance. R _s has a standard value and replaces R ₃ in Figure 6. Arus dari generator melewati resistor R ₁ dan R _2, yang dikenal sebagai perbandingan lengan, dan melalui R _s dan R _x. Sekali lagi, R _x adalah dikenal sebagai perlawanan. R _s memiliki nilai standar dan menggantikan R ₃ dalam Gambar 6. When the voltage drops across R ₂ and R _s are equal, the voltage drops across R ₂ and R _x are also equal; no difference of potential exists across the meter and no current flows through it. Ketika tegangan di R ₂ dan R _s adalah sama, jatuh tegangan di R ₂ dan R _x adalah juga sama, tidak ada perbedaan potensial ada di meteran dan tidak ada arus yang mengalir melewatinya. As we discovered with the Wheatstone bridge, when no voltage appears across the meter, the following ratio is true: Ketika kami menemukan dengan jembatan Wheatstone, saat tidak ada tegangan muncul di meteran, rasio berikut benar:

For example, if in Figure 6 we know that R ₁ is 20 ohms, R ₂ is 40 ohms, and R _s is 60 ohms, we can find the value of R _x using our formula as follows: Misalnya, jika pada Gambar 6 kita tahu bahwa R ₁ adalah 20 ohm, R ₂ adalah 40 ohm, dan R _s adalah 60 ohm, kita dapat menemukan nilai R _x menggunakan rumus sebagai berikut:

With the ac signal applied to the bridge, R ₁ and R ₂ are varied until a zero reading is seen on the meter. Dengan sinyal ac diterapkan pada jembatan, R ₁ dan R ₂ adalah bervariasi sampai nol membaca terlihat pada meteran. Zero deflection indicates that the bridge is balanced. ( NOTE: In actual practice, the variables are adjusted for a minimum reading since the phase difference between the two legs will not allow a zero reading.) Defleksi nol menunjukkan bahwa jembatan adalah seimbang. (CATATAN: Dalam praktek, variabel-variabel yang disesuaikan untuk minimum membaca karena perbedaan fasa antara dua kaki tidak akan membiarkan nol membaca.)

Figure 7: Capacitance bridge. Gambar 7: Kapasitansi jembatan.

Capacitance bridge. Because current varies inversely with resistance and directly with capacitance, an inverse proportion exists between the four arms of the bridge in Figure 7; the right side of our expression is inverted from the resistance bridge expression as follows: Kapasitansi jembatan. Karena saat ini berbanding terbalik dengan perlawanan dan langsung dengan kapasitansi, proporsi terbalik ada di antara empat lengan jembatan pada Gambar 7; sisi kanan ekspresi kita adalah terbalik dari jembatan ekspresi perlawanan sebagai berikut: