چیست پل اوون؟

پل اون: تعریف و اصل کار

پل اون به عنوان یک پل الکتریکی خاص طراحی شده است که برای اندازه‌گیری القایی بوسیله مقایسه آن با ظرفیت سازگار شده است. در اصل، این پل بر اساس اصل مقایسه عمل می‌کند، که در آن مقدار یک القاگر ناشناخته به صورت سیستماتیک با یک خازن استاندارد مقایسه می‌شود. این روش منظم امکان تعیین دقیق مقدار القایی را از طریق ایجاد هم‌ارزی‌های الکتریکی بین دو مؤلفه فراهم می‌کند.

نمودار اتصال پل اون، همان‌طور که در شکل همراه نشان داده شده، ترتیب خاص عناصر الکتریکی آن را نمایش می‌دهد. این نمودار به عنوان یک راهنمای بصری برای درک نحوه تنظیم مدار پل، ارتباطات بین القاگر تحت آزمون، خازن استاندارد و سایر مؤلفه‌های مرتبط را برجسته می‌کند. از طریق این تنظیم دقیق، پل اون اندازه‌گیری‌های دقیق و قابل اعتماد القایی را تسهیل می‌کند و آن را به ابزار ضروری در مهندسی الکتریکی برای مشخص کردن مؤلفه‌های القایی تبدیل می‌کند.

پل اون: تنظیم مدار و حالت تعادل

در پل اون، مدار از چهار بخش متمایز تشکیل شده است که به ترتیب با نام‌های ab, bc, cd, و da مشخص شده‌اند. بخش ab کاملاً القایی است و شامل القاگر ناشناخته L1 است که باید اندازه‌گیری شود. بخش bc به طور کامل مقاومتی است. بخش cd شامل یک خازن ثابت C4 است، در حالی که بخش ad شامل یک مقاومت متغیر R2 و یک خازن متغیر C2 است که هر دو به صورت سری در مدار متصل شده‌اند.

عملکرد اساسی پل اون شامل مقایسه القاگر ناشناخته L1 در بخش ab با خازن شناخته شده C4 در بخش cd است. برای دستیابی به حالت تعادل در پل، مقاومت R2 و خازن C2 مستقل از یکدیگر تنظیم می‌شوند. وقتی پل به این حالت تعادل می‌رسد، یک نشانه مهم آن است که جریانی از طریق دیتکتور قرار گرفته بین نقاط b و c جریان نمی‌یابد. این عدم جریان نشان می‌دهد که نقاط b و c دیتکتور در یک پتانسیل الکتریکی قرار دارند، که تعادل لازم برای اندازه‌گیری دقیق را ایجاد می‌کند.

نمودار فازی پل اون

نمودار فازی پل اون، همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده، یک نمایش بصری از کمیت‌های الکتریکی و روابط فازی آنها در مدار پل ارائه می‌دهد. این نمودار دیدگاه‌های ارزشمندی درباره چگونگی تعامل ولتاژها و جریان‌ها در نقاط مختلف مدار، به ویژه در حالت تعادل، ارائه می‌دهد و درک عمیق‌تر از اصول عملکرد پل و پدیده‌های الکتریکی زیربنایی را تسهیل می‌کند.

تحلیل فازی و نظریه پل اون

در پل اون، جریان I1، همراه با ولتاژها E3 = I3 R3 و E4=ω I2 C4، همه دارای فاز یکسان هستند. این کمیت‌ها در محور افقی نمودار فازی نشان داده شده‌اند که نشان‌دهنده رابطه هم‌فازی آنها است. به طور مشابه، فشار ولتاژ I1 R1 در بخش ab همچنین روی محور افقی نمودار فازی نشان داده شده است که نشان‌دهنده هم‌فازی آن با سایر فازورهای افقی است.

فشار ولتاژ کل E1 در بخش ab نتیجه ترکیب دو مؤلفه است: فشار ولتاژ القایی ω L1 I1 و فشار ولتاژ مقاومتی I1 R1. وقتی پل به حالت تعادل می‌رسد، ولتاژها E1 و E2 در بخش‌های ab و ad به ترتیب، در مقدار و فاز یکسان می‌شوند. بنابراین، آنها در یک محور در نمودار فازی نشان داده می‌شوند که تأکید بر شرایط تعادل مدار پل را انجام می‌دهد.

فشار ولتاژ V2 در بخش ad شامل دو بخش است: فشار ولتاژ مقاومتی I2 R2 و فشار ولتاژ خازنی I2 ω C2. به دلیل وجود خازن ثابت C4 در بخش cd، جریان I2 در بخش ad به فشار ولتاژ V4 در بخش cd 90 درجه پیشی می‌گیرد. این اختلاف فاز یک ویژگی کلیدی تعامل خازنی-القاگری در مدار پل است.

جریان I2 و ولتاژ I2 R2 در محور عمودی نمودار فازی نشان داده شده‌اند، همان‌طور که در شکل نشان داده شده است. ولتاژ تغذیه پل از طریق جمع فازوری ولتاژها V1 و V3 که مشارکت‌های الکتریکی از بخش‌های مختلف مدار را ترکیب می‌کند، به دست می‌آید.

نظریه پل اون

فرض کنید:

• L1 القایی ناشناخته با مقاومت مرتبط R1 را نشان دهد

• R2 مقاومت متغیر غیر القایی را نشان دهد

• R3 مقاومت ثابت غیر القایی باشد

• C2 خازن استاندارد متغیر را نشان دهد

• C4 خازن استاندارد ثابت باشد

در حالت تعادل پل اون،

I2 C4، همه دارای فاز یکسان هستند. این کمیت‌ها در محور افقی نمودار فازی نشان داده شده‌اند که نشان‌دهنده رابطه هم‌فازی آنها است. به طور مشابه، فشار ولتاژ I1 R1 در بخش ab همچنین روی محور افقی نمودار فازی نشان داده شده است که نشان‌دهنده هم‌فازی آن با سایر فازورهای افقی است.

فشار ولتاژ کل E1 در بخش ab نتیجه ترکیب دو مؤلفه است: فشار ولتاژ القایی ωL1 I1 و فشار ولتاژ مقاومتی I1 R1. وقتی پل به حالت تعادل می‌رسد، ولتاژها E1 و E2 در بخش‌های ab و ad به ترتیب، در مقدار و فاز یکسان می‌شوند. بنابراین، آنها در یک محور در نمودار فازی نشان داده می‌شوند که تأکید بر شرایط تعادل مدار پل را انجام می‌دهد.

فشار ولتاژ V2 در بخش ad شامل دو بخش است: فشار ولتاژ مقاومتی I2 R2 و فشار ولتاژ خازنی I2  C2. به دلیل وجود خازن ثابت C4 در بخش cd، جریان I2 در بخش ad به فشار ولتاژ V4 در بخش cd 90 درجه پیشی می‌گیرد. این اختلاف فاز یک ویژگی کلیدی تعامل خازنی-القاگری در مدار پل است.

جریان I2 و ولتاژ I2 R2 در محور عمودی نمودار فازی نشان داده شده‌اند، همان‌طور که در شکل نشان داده شده است. ولتاژ تغذیه پل از طریق جمع فازوری ولتاژها V1 و V3 که مشارکت‌های الکتریکی از بخش‌های مختلف مدار را ترکیب می‌کند، به دست می‌آید.

نظریه پل اون

فرض کنید:

• L1 القایی ناشناخته با مقاومت مرتبط R1 را نشان دهد

• R2 مقاومت متغیر غیر القایی را نشان دهد

• R3 مقاومت ثابت غیر القایی باشد

• C2 خازن استاندارد متغیر را نشان دهد

• C4 خازن استاندارد ثابت باشد

در حالت تعادل پل اون،

با جدا کردن بخش‌های حقیقی و موهومی داریم،

و،

مزایا و معایب پل اون
مزایای پل اون

پل اون چندین مزیت قابل توجه دارد که آن را به ابزار ارزشمندی در اندازه‌گیری‌های الکتریکی تبدیل می‌کند:

• سادگی در بدست آوردن معادله تعادل: یکی از نقاط قوت اصلی پل اون سهولت در به دست آوردن معادله تعادل آن است. فرآیند تعیین شرایط تعادل برای پل نسبتاً ساده است که تحلیل سریع و کارآمد را تسهیل می‌کند.

• معادله تعادل مستقل از فرکانس: معادله تعادل پل اون ساده است و هیچ مؤلفه فرکانسی در آن وجود ندارد. این ویژگی بسیار مفید است زیرا امکان اندازه‌گیری‌های مطمئن و قابل اعتماد در یک محدوده گسترده از فرکانس‌ها را بدون نیاز به در نظر گرفتن تغییرات وابسته به فرکانس فراهم می‌کند. این موضوع فرآیند اندازه‌گیری را ساده‌سازی می‌کند و مطمئن می‌شود که نتایج توسط نوسانات فرکانس منبع الکتریکی تاثیر نمی‌پذیرند.

• تنوع در اندازه‌گیری القایی: پل اون برای اندازه‌گیری القایی در یک محدوده گسترده مناسب است. چه با مقادیر نسبتاً کوچک یا بزرگ القایی کنار بیایم، پل می‌تواند اندازه‌گیری‌های دقیق ارائه دهد که آن را در سناریوهای مختلف مهندسی الکتریکی که نیاز به مشخص کردن القایی وجود دارد، قابل استفاده می‌کند.

معایب پل اون

با وجود مزایایش، پل اون نیز محدودیت‌هایی دارد:

• هزینه بالا و دقت متوسط: پل از خازنهای گران‌قیمت استفاده می‌کند که هزینه کلی آن را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. علاوه بر این، دقت پل اون معمولاً حدود یک درصد است