Kelvin-Brückenschaltung | Kelvin-Doppelbrücke
Bevor wir die Kelvin-Brücke einführen, ist es sehr wichtig zu wissen, warum diese Brücke benötigt wird, obwohl wir bereits die Wheatstone-Brücke haben, die in der Lage ist, den elektrischen Widerstand mit hoher Genauigkeit (in der Regel etwa 0,1 %) zu messen.
Um die Notwendigkeit der Kelvin-Brücke zu verstehen, müssen wir zunächst drei wichtige Arten erkennen, die elektrische Widerstände zu kategorisieren:
Hoher Widerstand: Widerstand, der größer als 0,1 Mega-Ohm ist.
Mittlerer Widerstand: Widerstand, der zwischen 1 Ohm und 0,1 Mega-Ohm liegt.
Niedriger Widerstand: In dieser Kategorie beträgt der Widerstandswert weniger als 1 Ohm.
Die Logik dieser Klassifizierung besteht darin, dass wir für verschiedene Kategorien unterschiedliche Geräte verwenden müssen, um den elektrischen Widerstand zu messen. Das bedeutet, wenn das Gerät, das für den Messung von hohen Widerständen genutzt wird, eine hohe Genauigkeit liefert, kann es sein, dass es bei der Messung niedriger Widerstandswerte nicht dieselbe hohe Genauigkeit erreicht.
Daher müssen wir unseren Verstand nutzen, um zu beurteilen, welches Gerät zur Messung eines bestimmten Widerstandswerts verwendet werden sollte. Es gibt jedoch auch andere Methoden, wie die Amperemeter-Voltmeter-Methode oder die Substitutionsmethode, die jedoch im Vergleich zur Brückenmethode größere Fehler aufweisen und in den meisten Industrien vermieden werden.
Wenn wir uns unsere oben vorgenommene Klassifizierung noch einmal vergegenwärtigen, so nimmt der Widerstandswert von oben nach unten ab, daher benötigen wir ein genauereres und präziseres Gerät, um niedrige Widerstandswerte zu messen.
Einer der Hauptnachteile der Wheatstone-Brücke ist, dass sie, obwohl sie den Widerstand von wenigen Ohm bis hin zu mehreren Mega-Ohm messen kann, bei der Messung niedriger Widerstände erhebliche Fehler aufweist.
Daher benötigen wir eine Modifikation an der Wheatstone-Brücke selbst, und die modifizierte Brücke, die dabei entsteht, ist die Kelvin-Brücke, die nicht nur geeignet ist, niedrige Widerstandswerte zu messen, sondern auch in der industriellen Welt breite Anwendung findet.
Lassen Sie uns einige Begriffe besprechen, die uns beim Studium der Kelvin-Brücke sehr nützlich sein werden.
Brücke :
Brücken bestehen in der Regel aus vier Armen, einem Gleichgewichtsdetektor und einer Spannungsquelle. Sie arbeiten nach dem Prinzip des Nullpunkts. Sie sind in praktischen Anwendungen sehr nützlich, da es nicht erforderlich ist, dass der Messwert linear und mit einer genauen Skala korrekt ist. Es ist nicht notwendig, die Spannung und den Strom zu messen, es reicht, die Anwesenheit oder Abwesenheit von Strom oder Spannung zu überprüfen. Allerdings muss der Messwert während des Nullpunkts in der Lage sein, einen relativ kleinen Strom zu erfassen. Eine Brücke kann als Spannungsteiler in Parallelschaltung definiert werden, und die Differenz zwischen den beiden Teilern ist unser Ausgangssignal. Sie ist äußerst nützlich zum Messen von Komponenten wie elektrischer Widerstand, Kapazität, Induktionsspule und anderen Schaltkreisparametern. Die Genauigkeit einer Brücke hängt direkt mit den Brückenelementen zusammen.
Nullpunkt:
Dies kann als der Punkt definiert werden, an dem die Nullmessung erfolgt, wenn die Anzeige des Amperometers oder des Voltmeters null ist.
Kelvin-Brücken-Schaltung
Wie bereits besprochen, ist die Kelvin-Brücke eine modifizierte Wheatstone-Brücke und bietet besonders bei der Messung von niedrigen Widerständen eine hohe Genauigkeit. Nun stellt sich die Frage, wo wir die Modifikation vornehmen müssen. Die Antwort darauf ist einfach – es ist der Bereich der Leitungen und Kontakte, wo wir die Modifikation vornehmen müssen, da durch diese der Gesamtwiderstand erhöht wird.
Betrachten wir die modifizierte Wheatstone-Brücke oder die Kelvin-Brücken-Schaltung unten:
Hier ist t der Widerstand der Leitung.
C ist der unbekannte Widerstand.
D ist der Standardwiderstand (dessen Wert bekannt ist).
Markieren wir die beiden Punkte j und k. Wenn das Galvanometer an den Punkt j angeschlossen wird, wird der Widerstand t zu D addiert, was zu einem zu niedrigen Wert von C führt. Wenn wir das Galvanometer nun an den Punkt k anschließen, würde dies zu einem zu hohen Wert des unbekannten Widerstands C führen.
Schließen wir das Galvanometer an den Punkt d an, der zwischen j und k liegt, sodass d den Widerstand t in das Verhältnis t1 und t2 teilt, dann kann man aus der obigen Abbildung sehen, dass
Auch dann hat die Anwesenheit von t1 keinen Einfluss, wir können schreiben,
Wir können also schließen, dass es keinen Einfluss von t (d.h. dem Widerstand der Leitungen) gibt. Praktisch ist es unmöglich, solche Situation zu haben, jedoch deutet die obige einfache Modifikation darauf hin, dass das Galvanometer zwischen diesen Punkten j und k angeschlossen werden kann, um den Nullpunkt zu erhalten.
Kelvin-Doppelbrücke
Warum heißt sie Doppelbrücke? Weil sie einen zweiten Satz von Verhältnisarmen enthält, wie unten gezeigt:
In diesem Fall werden die Verhältnisarme p und q verwendet, um das Galvanometer an dem richtigen Punkt zwischen j und k anzuschließen, um den Einfluss des Verbindungswiderstands t zu eliminieren. Unter Gleichgewichtsbedingungen ist der Spannungsabfall zwischen a und b (d.h. E) gleich F (dem Spannungsabfall zwischen a und c)
Für eine Null-Auslenkung des Galvanometers gilt E = F
Wir gelangen wieder zu dem gleichen Ergebnis – t hat keinen Einfluss. Allerdings ist Gleichung (2) nützlich, da sie den Fehler angibt, wenn:
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