วงจรสะพานเคิลวิน | สะพานเคิลวินสองชั้น

ก่อนที่เราจะแนะนำสะพานเคิลวิน มันเป็นสิ่งที่จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องทราบว่าทำไมต้องใช้สะพานนี้ แม้ว่าเราจะมีสะพานวีทสโตนซึ่งสามารถวัดความต้านทานไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำ (โดยทั่วไปมีความแม่นยำประมาณ 0.1%)

เพื่อให้เข้าใจความจำเป็นของสะพานเคิลวิน เราต้องรู้จักการแบ่งประเภทของความต้านทานไฟฟ้าใน 3 วิธีสำคัญ:

1. ความต้านทานสูง: ความต้านทานที่มากกว่า 0.1 เมกะโอห์ม

2. ความต้านทานปานกลาง: ความต้านทานที่อยู่ระหว่าง 1 โอห์มถึง 0.1 เมกะโอห์ม

3. ความต้านทานต่ำ: ความต้านทานที่ต่ำกว่า 1 โอห์ม

เหตุผลของการแบ่งประเภทนี้คือ หากเราต้องการวัดความต้านทานไฟฟ้า เราต้องใช้อุปกรณ์ที่แตกต่างกันสำหรับแต่ละประเภท หมายความว่าหากอุปกรณ์ที่ใช้วัดความต้านทานสูงให้ความแม่นยำสูง มันอาจไม่ได้ให้ความแม่นยำสูงในการวัดความต้านทานต่ำ

ดังนั้น เราต้องใช้สมองในการตัดสินใจว่าควรใช้อุปกรณ์ใดในการวัดค่าความต้านทานไฟฟ้าเฉพาะค่า อย่างไรก็ตาม มีวิธีการอื่น ๆ เช่น วิธีการแอมมิเตอร์-โวลต์มิเตอร์ วิธีการทดแทน ฯลฯ แต่วิธีเหล่านี้มีความคลาดเคลื่อนสูงเมื่อเทียบกับวิธีการสะพานและถูกหลีกเลี่ยงในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่

ตอนนี้เรามาทบทวนการแบ่งประเภทที่ทำไว้ข้างต้นอีกครั้ง เมื่อเราลงมาตามลำดับจากบนลงล่าง ค่าความต้านทานจะลดลง ดังนั้น เราต้องใช้อุปกรณ์ที่แม่นยำและละเอียดมากขึ้นในการวัดความต้านทานต่ำ

ข้อเสียสำคัญหนึ่งของสะพานวีทสโตน คือ แม้ว่าจะสามารถวัดความต้านทานได้ตั้งแต่ไม่กี่โอห์มถึงหลายเมกะโอห์ม แต่มันมีความคลาดเคลื่อนสูงเมื่อวัดความต้านทานต่ำ

ดังนั้น เราต้องการการปรับปรุงบางอย่างในสะพานวีทสโตน และสะพานที่ได้จากการปรับปรุงนี้คือสะพานเคิลวิน ซึ่งไม่เพียงแค่เหมาะสมในการวัดความต้านทานต่ำเท่านั้น แต่ยังมีการใช้งานอย่างกว้างขวางในโลกอุตสาหกรรม

ขอเรามาศึกษาคำศัพท์บางคำที่จะช่วยให้เราเข้าใจสะพานเคิลวิน

สะพาน:
สะพานโดยทั่วไปประกอบด้วยแขนสี่แขน ตัวตรวจจับสมดุล และแหล่งกำเนิด ทำงานตามหลักการของจุดสมดุล พวกมันมีประโยชน์มากในการประยุกต์ใช้จริง เพราะไม่จำเป็นต้องทำให้มิเตอร์มีความเที่ยงตรงเชิงเส้นด้วยมาตราที่แม่นยำ ไม่จำเป็นต้องวัดแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า เพียงแค่ต้องตรวจสอบว่ามีกระแสไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้าหรือไม่ อย่างไรก็ตาม สิ่งที่สำคัญคือต้องมั่นใจว่ามิเตอร์สามารถตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่ค่อนข้างเล็กได้ สะพานสามารถนิยามเป็นตัวแบ่งแรงดันที่ขนานกัน และความแตกต่างระหว่างตัวแบ่งแรงดันสองตัวคือผลลัพธ์ของเรา มันมีประโยชน์มากในการวัดคอมโพเนนต์เช่นความต้านทานไฟฟ้าความจุไฟฟ้าอินดักเตอร์และพารามิเตอร์วงจรอื่น ๆ ความแม่นยำของสะพานขึ้นอยู่โดยตรงกับคอมโพเนนต์ของสะพาน

จุดสมดุล:
สามารถนิยามเป็นจุดที่เกิดการวัดที่สมดุลเมื่ออ่านค่าของแอมมิเตอร์หรือโวลต์มิเตอร์เป็นศูนย์

วงจรสะพานเคิลวิน

อย่างที่เราได้กล่าวไว้ว่า สะพานเคิลวินคือสะพานวีทสโตนที่ได้รับการปรับปรุงและให้ความแม่นยำสูงโดยเฉพาะในการวัดความต้านทานต่ำ ตอนนี้คำถามที่ควรจะเกิดขึ้นในใจของเราคือ ที่ไหนที่เราต้องการการปรับปรุง คำตอบของคำถามนี้คือ การปรับปรุงส่วนของสายและตัวต่อเพราะส่วนนี้ทำให้ความต้านทานรวมเพิ่มขึ้น

ลองพิจารณาสะพานวีทสโตนที่ได้รับการปรับปรุงหรือวงจรสะพานเคิลวิน ดังนี้:

ที่นี่ t คือความต้านทานของสาย
C คือความต้านทานที่ไม่ทราบค่า
D คือความต้านทานมาตรฐาน (ซึ่งทราบค่า)
ลองทำเครื่องหมายจุด j และ k ถ้าเราเชื่อมต่อกะลิโนมิเตอร์ที่จุด j ความต้านทาน t จะถูกเพิ่มเข้ากับ D ทำให้ค่า C ต่ำเกินไป ตอนนี้เราเชื่อมต่อกะลิโนมิเตอร์ที่จุด k จะทำให้ค่าความต้านทาน C ที่ไม่ทราบค่าสูงเกินไป
ลองเชื่อมต่อกะลิโนมิเตอร์ที่จุด d ซึ่งอยู่ระหว่าง j และ k โดยที่ d แบ่ง t เป็นอัตราส่วน t₁ และ t₂ จากภาพดังกล่าวสามารถเห็นได้ว่า

แล้วความต้านทาน t₁ ก็ไม่ทำให้เกิดความผิดพลาด เราสามารถเขียนได้ว่า

ดังนั้นเราสามารถสรุปได้ว่า ไม่มีผลกระทบจาก t (คือความต้านทานของสาย) ในทางปฏิบัติเป็นไปไม่ได้ที่จะมีสถานการณ์เช่นนี้ แต่การปรับปรุงง่ายๆ นี้แนะนำว่ากะลิโนมิเตอร์สามารถเชื่อมต่อระหว่างจุด j และ k เพื่อให้ได้จุดสมดุล

สะพานเคิลวินแบบสองชั้น

ทำไมเรียกว่าสะพานแบบสองชั้น? เพราะมันมีแขนสัดส่วนชุดที่สองดังแสดงด้านล่าง:

ในนี้แขนสัดส่วน p และ q ใช้เชื่อมต่อกะลิโนมิเตอร์ที่จุดที่ถูกต้องระหว่าง j และ k เพื่อลบผลกระทบจากสายต่อความต้านทานไฟฟ้าt ภายใต้สภาพสมดุลแรงดันตกคร่อมระหว่าง a และ b (คือ E) เท่ากับ F (แรงดันตกคร่อมระหว่าง a และ c)

สำหรับการไม่เคลื่อนที่ของกะลิโนมิเตอร์ E = F

เราได้ผลลัพธ์เดียวกัน – t ไม่มีผลกระทบ อย่างไรก็ตาม สมการ (2) มีประโยชน์ในการให้ความผิดพลาดเมื่อ:

คำชี้แจง: โปรดเคารพต้นฉบับ บทความที่ดีน่าแชร์ หากมีการละเมิดสิทธิ์โปรดติดต่อลบ