Xây dựng mạch cầu điện trở Wheatstone

Hình 1 cho thấy một mạch cầu cơ bản bao gồm ba điện trở đã biết, R1, R2, và R3 (biến), một điện trở biến đổi không đổi RX (RTD), nguồn điện áp và một ampe kế nhạy cảm.

Hình 1: Sơ đồ mạch cẩu điện trở

Điện trở R1 và R2 là các nhánh tỷ lệ của cầu. Chúng tỷ lệ hai điện trở biến cho dòng điện qua ampe kế. R3 là một điện trở biến đổi được gọi là cánh tay tiêu chuẩn được điều chỉnh để phù hợp với điện trở không xác định. Ampe kế cảm biến hiển thị trực quan dòng điện chạy qua mạch cầu. Phân tích mạch cho thấy khi R3 được điều chỉnh sao cho ampe kế đọc dòng không, điện trở của cả hai tay của mạch cầu là như nhau. Phương trình 1 dưới đây cho thấy mối quan hệ của kháng giữa hai nhánh của cầu.

Vì các giá trị của R1, R2 và R3 là các giá trị đã biết, nên chỉ unkown là Rx. Giá trị của Rx có thể được tính toán cho cầu trong điều kiện hiện tại của ampe kế zero. Biết được giá trị điện trở này cung cấp một điểm cơ sở để hiệu chuẩn thiết bị gắn với mạch cầu. Kháng chiến không xác định, Rx, được cho bởi phương trình 2 bên dưới.

Hoạt động mạch cầu

Cầu hoạt động bằng cách đặt Rx trong mạch, như trong Hình 1, và sau đó điều chỉnh R3 sao cho tất cả dòng điện chạy qua vòng tay của mạch cầu. Khi điều kiện này tồn tại, không có dòng điện chạy qua ampe kế và cầu được cho là cân bằng. Khi cầu được cân bằng, các dòng chảy qua mỗi cánh tay chính xác tỉ lệ thuận. Chúng bằng nhau nếu R1 = R2. Hầu hết thời gian cây cầu được xây dựng để R1 = R2. Khi trường hợp này xảy ra, và cầu được cân bằng, thì sức đề kháng của Rx bằng R3, hoặc Rx = R3.

Khi cân bằng tồn tại, R3 sẽ bằng với điện trở không xác định, ngay cả khi nguồn điện áp không ổn định hoặc không được biết chính xác. Một cây cầu Wheatstone điển hình có một số mặt đồng hồ được sử dụng để thay đổi sức đề kháng. Một khi cây cầu được cân bằng, các mặt đồng hồ có thể được đọc để tìm giá trị của R3. Các mạch cầu có thể được sử dụng để đo điện trở đến mười phần trăm hoặc thậm chí hàng trăm độ chính xác phần trăm. Khi được sử dụng để đo nhiệt độ, một số cầu Wheatstone có điện trở chính xác là chính xác đến khoảng + 0,1 ° F.

Hai loại mạch cầu (không cân bằng và cân bằng) được sử dụng trong các mạch phát hiện nhiệt độ kháng nhiệt kế. Mạch cầu không cân bằng (Hình 2) sử dụng một milivolt kế được hiệu chỉnh theo đơn vị nhiệt độ tương ứng với điện trở RTD.

Hình ảnh: Mạch cầu cân bằng

Pin được kết nối với hai điểm đối diện của mạch cầu. Milivolt kế được nối với hai điểm còn lại. Biến trở điều chỉnh dòng cầu. Dòng điện được điều chỉnh được chia giữa nhánh với điện trở cố định và điện trở phạm vi R1, và nhánh với RTD và điện trở phạm vi R2. Khi điện trở của các thay đổi RTD, điện áp tại điểm X và Y thay đổi. Máy đo milivolt phát hiện sự thay đổi điện áp gây ra bởi sự phân chia dòng điện không đồng đều trong hai nhánh. Đồng hồ có thể được hiệu chỉnh theo đơn vị nhiệt độ vì giá trị điện trở thay đổi duy nhất là của RTD.

Mạch cầu cân bằng (Hình 3) sử dụng điện kế để so sánh điện trở RTD với điện trở cố định. Điện kế sử dụng một con trỏ làm chệch hướng ở hai bên của zero khi điện trở của cánh tay không bằng nhau. Sức đề kháng của dây trượt được điều chỉnh cho đến khi điện kế chỉ số không. Giá trị của điện trở trượt sau đó được sử dụng để xác định nhiệt độ của hệ thống đang được giám sát.

Hình ảnh: Sơ đồ mạch cầu Wheatstone

Một điện trở slidewire được sử dụng để cân bằng cánh tay của cây cầu. Mạch sẽ được cân bằng bất cứ khi nào giá trị của điện trở trượt là như vậy mà không có dòng điện chạy qua điện kế. Đối với mỗi thay đổi nhiệt độ, có một giá trị mới; do đó, thanh trượt phải được di chuyển đến vị trí mới để cân bằng mạch.

Sự cân bằng nhiệt độ:

Do những thay đổi về nhiệt độ môi trường xung quanh, mạch điện trở nhiệt kế phải được bù lại. Các điện trở được sử dụng trong mạch đo được lựa chọn sao cho điện trở của chúng sẽ không thay đổi trong phạm vi nhiệt độ mong đợi. Nhiệt độ bồi thường cũng được thực hiện thông qua thiết kế của mạch điện tử để bù đắp cho những thay đổi môi trường xung quanh trong tủ thiết bị. Nó cũng có thể cho sức đề kháng của máy dò dẫn đến thay đổi do sự thay đổi nhiệt độ môi trường xung quanh. Để bù lại cho sự thay đổi này, ba và bốn mạch RTD dây được sử dụng. Bằng cách này, cùng một lượng dây dẫn được sử dụng trong cả hai nhánh của mạch cầu, và sự thay đổi về điện trở sẽ được cảm nhận trên cả hai nhánh, phủ nhận tác động của sự thay đổi nhiệt độ.

Tóm lược:

Hoạt động mạch phát hiện nhiệt độ được tóm tắt dưới đây và được ứng dụng trong thiết bị loadcell của cân điện tử ngày nay.

Mạch cầu cơ bản bao gồm:

Hai điện trở đã biết (R1 và R2) được sử dụng để tỷ lệ điện trở có thể điều chỉnh và được biết đến

Một điện trở biến đổi đã biết (R3) được sử dụng để phù hợp với điện trở biến không xác định

Một điện trở không xác định (Rx) được sử dụng để đo nhiệt độ

Một ampe kế cảm biến cho biết dòng điện chạy qua mạch cầu

Mạch cầu được xem là cân bằng khi ampe kế cảm biến không có dòng điện.

Một dụng cụ nhiệt độ cơ bản bao gồm:

• RTD để đo nhiệt độ
  

• Một mạng cầu nối để chuyển đổi điện trở điện áp

• Bộ chuyển đổi DC sang AC để cung cấp tín hiệu AC khuếch đại cho bộ khuếch đại

• Bộ khuếch đại tín hiệu AC để khuếch đại tín hiệu AC đến mức có thể sử dụng

• Mạch hở trong dụng cụ nhiệt độ được chỉ định bởi nhiệt độ rất cao. Một mạch ngắn trong dụng cụ nhiệt độ được chỉ định bởi nhiệt độ rất thấp.

• Nhiệt độ công cụ đo nhiệt độ môi trường xung quanh được thực hiện bởi: