Hva er Owens bro?

Owen's Bridge: Definisjon og Prinsipp

Owen's bridge er definert som en elektrisk bro spesielt designet for å måle induktans ved å relatere den til kapasitans. I sin kjernen fungerer den basert på sammenligningsprinsippet, der verdien av en ukjent spole systematisk vurderes ved å sette den opp mot en standardkapasitor. Denne metiske tilnærmingen muliggjør nøyaktig fastsetting av induktansverdien gjennom etablering av elektriske ekvivalenter mellom de to komponentene.

Forbindelseskartet for Owen's bridge, som vises i den medfølgende figuren, viser den spesifikke oppstillingen av dens ulike elektriske elementer. Dette kartet fungerer som en visuell guide for å forstå hvordan brokretsen er konfigurert, med fremheving av koblingene mellom spolen som testes, den standardkapasitoren, og andre tilknyttede komponenter. Gjennom denne nøye designet oppstillingen, lar Owen's bridge unna nøyaktige og pålitelige målinger av induktans, noe som gjør den til et essensielt verktøy i elektrisk ingeniørvirksomhet for karakterisering av induktive komponenter.

Owen's Bridge: Kretsoppstilling og Balansert Tilstand

I Owen's bridge består kretsen av fire distinkte armer merket som ab, bc, cd og da. Armen ab er rent induktiv, inneholdende den ukjente spolen L1 som skal måles. Armen bc har derimot rent resistive egenskaper. Armen cd inneholder en fast kapasitor C4, mens armen ad inneholder en kombinasjon av en variabel resistor R2 og en variabel kapasitor C2, begge koblet i serie i kretsen.

Den grunnleggende funksjonen til Owen's bridge involverer sammenligning av den ukjente spolen L1 i armen ab med den kjente kapasitoren C4 i armen cd. For å oppnå en balansert tilstand i broen, justeres resistoren R2 og kapasitoren C2 uavhengig. Når broen når denne balanserte tilstanden, indikerer det at ingen strøm går gjennom detektoren plassert mellom punktene b og c. Dette fraværet av strøm betyr at endepunktene b og c til detektoren er på samme elektriske potensial, etablerer den nødvendige likevekt for nøyaktig måling.

Fasordiagram for Owen's Bridge

Fasordiagrammet for Owen's bridge, vist i figuren nedenfor, gir en visuell representasjon av de elektriske størrelsene og deres faseforhold innenfor brokretsen. Det gir verdifulle innsikter i hvordan spenninger og strøm interagerer ved ulike punkter i kretsen, spesielt under den balanserte tilstanden, noe som forenkler en dypere forståelse av broens operasjonsprinsipper og de underliggende elektriske fenomenene.

Fasoranalyse og Teori for Owen's Bridge

I Owen's bridge deler strømmen I1, sammen med spenningene E3 = I3 R3 og E4=ω I2 C4, samme fase. Disse størrelsene representeres langs den horisontale aksen i fasordiagrammet, noe som indikerer deres faseforhold. På samme måte representeres spenningsnedgangen I1 R1 over armen ab også på den horisontale aksen, noe som reflekterer dens fasejustering med de andre horisontalt orienterte fasorene.

Den totale spenningsnedgangen E1 over armen ab er resultatet av kombinering av to komponenter: den induktive spenningsnedgangen ω L1 I1 og den resistive spenningsnedgangen I1 R1. Når broen oppnår en balansert tilstand, blir spenningene E1 og E2 over armene ab og ad henholdsvis like i størrelse og fase. Dermed deles de på samme akse i fasordiagrammet, noe som understreker den likevektstilstanden i brokretsen.

Spenningsnedgangen V2 over armen ad består av to deler: den resistive spenningsnedgangen I2 R2 og den kapasitive spenningsnedgangen I2 ω C2. På grunn av tilstedeværelsen av den faste kapasitoren C4 i armen cd, fører strømmen I2 som flyter gjennom armen ad spenningsnedgangen V4 over armen cd med 90 grader. Dette fasedifferanse er en nøkkelfunksjon i det kapasitive-induktive interaksjonen i brokretsen.

Strømmen I2 og spenningen I2 R2 representeres på den vertikale aksen i fasordiagrammet, som vist i figuren. Forsyningsspenningen til broen fås ved fasoraddisjon av spenningene V1 og V3, som kombinerer de elektriske bidragene fra ulike deler av kretsen.

Teori for Owen's Bridge

La:

• L1 representere den ukjente selvinduktanse med en tilknyttet motstand R1

• R2 representere den variable ikke-induktive motstanden

• R3 være den faste ikke-induktive motstanden

• C2 representere den variable standardkapasitoren

• C4 stå for den faste standardkapasitoren

Ved balansertilstanden for Owen's bridge,

I2 C4, deler alle samme fase. Disse størrelsene representeres langs den horisontale aksen i fasordiagrammet, noe som indikerer deres faseforhold. På samme måte representeres spenningsnedgangen I1 R1 over armen ab også på den horisontale aksen, noe som reflekterer dens fasejustering med de andre horisontalt orienterte fasorene.

Den totale spenningsnedgangen E1 over armen ab er resultatet av kombinering av to komponenter: den induktive spenningsnedgangen ωL1 I1 og den resistive spenningsnedgangen I1 R1. Når broen oppnår en balansert tilstand, blir spenningene E1 og E2 over armene ab og ad henholdsvis like i størrelse og fase. Dermed deles de på samme akse i fasordiagrammet, noe som understreker den likevektstilstanden i brokretsen.

Spenningsnedgangen V2 over armen ad består av to deler: den resistive spenningsnedgangen I2 R2 og den kapasitive spenningsnedgangen I2  C2. På grunn av tilstedeværelsen av den faste kapasitoren C4 i armen cd, fører strømmen I2 som flyter gjennom armen ad spenningsnedgangen V4 over armen cd med 90 grader. Dette fasedifferanse er en nøkkelfunksjon i det kapasitive-induktive interaksjonen i brokretsen.

Strømmen I2 og spenningen I2 R2 representeres på den vertikale aksen i fasordiagrammet, som vist i figuren. Forsyningsspenningen til broen fås ved fasoraddisjon av spenningene V1 og V3, som kombinerer de elektriske bidragene fra ulike deler av kretsen.

Teori for Owen's Bridge

La:

• L1 representere den ukjente selvinduktanse med en tilknyttet motstand R1

• R2 representere den variable ikke-induktive motstanden

• R3 være den faste ikke-induktive motstanden

• C2 representere den variable standardkapasitoren

• C4 stå for den faste standardkapasitoren

Ved balansertilstanden for Owen's bridge,

Ved å separere den reelle og den imaginære delen får vi,

Og,

Fordele og Ulemper med Owen's Bridge
Fordele ved Owen's Bridge

Owen's bridge tilbyr flere bemerkelsesverdige fordeler, noe som gjør den til et verdifullt verktøy i elektriske målinger:

• Enkelhet i derivasjon av balansekvation: En av de viktigste styrkene ved Owen's bridge er lettheten med hvilken dens balansekvation kan oppnås. Prosesen med å bestemme likevektsbetingelsene for broen er relativt enkel, noe som forenkler hurtig og effektiv analyse.

• Frekvensuavhengig balansekvation: Balansekvationen for Owen's bridge er enkel og inkluderer ikke noen frekvenskomponenter. Dette er høygradig fordelaktig da det tillater konsistente og pålitelige målinger over et bredt frekvensområde uten behov for å ta hensyn til frekvensavhengige variasjoner. Det forenkler målingsprosessen og sikrer at resultaten ikke påvirkes av fluktuasjoner i driftsfrekvensen til den elektriske kilden.

• Versatilitet i induktansmåling: Owen's bridge er godt egnet for å måle induktans over et bredt område. Uansett om det gjelder relativt små eller store induktansverdier, kan broen effektivt gi nøyaktige målinger, noe som gjør den anvendelig i ulike elektriske ingeniørsituasjoner der induktanskarakterisering er nødvendig.

Ulemper ved Owen's Bridge

Trotters sine fordeler, har Owen's bridge også noen begrensninger:

• Høy kostnad og moderat nøyaktighet: Broen bruker dyre kapasitorer, noe som øker den totale kostnaden betydelig. I tillegg er nøyaktigheten til Owen's bridge typisk rundt en prosent. Denne moderate nivået av nøyaktighet kan være utilstrekkelig for applikasjoner som krever ekstremt presise induktansmålinger, og den høye kostnaden forbundet med de nødvendige komponentene kan gjøre den mindre attraktiv for prosjekter med begrenset budsjett.

• Komponentspesifikke begrensninger: Verdien av den faste kapasitoren C2 i Owen's bridge er mye større enn kvalitetsfaktoren Q2. Dette forholdet kan sette begrensninger for broens ytelse og fleksibilitet, potensielt påvirke dens evne til å håndtere visse typer induktive komponenter eller operere under spesifikke elektriske forhold.

Modifikasjoner av Owen's Bridge

For å adressere noen av dens innebygde begrensninger eller tilpasse den til ulike målingsbehov, kan Owen's bridge modifiseres. En vanlig modifikasjon involverer å koble en spenningmåler parallelt med de resistive armene i broen. Denne oppstillingen tillater bruken av både direkte og alternerende strømforsyninger til broen. En strømmåler kobles i serie med broen for å måle den direkte strømmen, mens den alternerende strømmen måles ved hjelp av spenningmåleren. Disse modifikasjonene forbedrer broens funksjonalitet og muliggjør mer omfattende elektriske målinger, selv om de også kan introdusere ytterligere kompleksitet i den totale kretsuppstillingssettet.