Owen’s Bridge คืออะไร

สะพานโอเวน: บทนิยามและหลักการ

สะพานโอเวนถูกกำหนดให้เป็นสะพานไฟฟ้าที่ออกแบบมาเพื่อวัดความเหนี่ยวนำโดยการเทียบกับความจุทางไฟฟ้า ที่หัวใจของมัน ทำงานตามหลักการของการเปรียบเทียบ โดยค่าของตัวเหนี่ยวนำที่ไม่ทราบจะถูกประเมินอย่างเป็นระบบโดยการวางเคียงข้างกับตัวเก็บประจุมาตรฐาน วิธีการนี้ช่วยให้สามารถกำหนดค่าความเหนี่ยวนำได้อย่างแม่นยำผ่านการสร้างความเท่าเทียมทางไฟฟ้าระหว่างสองส่วนประกอบ

แผนภาพการเชื่อมต่อของสะพานโอเวน ดังแสดงในรูปประกอบ แสดงการจัดเรียงเฉพาะขององค์ประกอบไฟฟ้าต่างๆ แผนภาพนี้เป็นคู่มือทางสายตาในการทำความเข้าใจว่าวงจรสะพานถูกกำหนดไว้อย่างไร แสดงให้เห็นการเชื่อมต่อระหว่างตัวเหนี่ยวนำที่ทดสอบ ตัวเก็บประจุมาตรฐาน และส่วนประกอบอื่นๆที่เกี่ยวข้อง ผ่านการตั้งค่าที่ออกแบบอย่างรอบคอบนี้ สะพานโอเวนทำให้การวัดความเหนี่ยวนำได้อย่างแม่นยำและเชื่อถือได้ ทำให้เป็นเครื่องมือสำคัญในการวิศวกรรมไฟฟ้าสำหรับการจำแนกส่วนประกอบที่เหนี่ยวนำ

สะพานโอเวน: การกำหนดค่าวงจรและการสมดุล

ในสะพานโอเวน วงจรประกอบด้วยแขนสี่แขนที่ระบุว่า ab, bc, cd, และ da แขน ab เป็นไปตามความเหนี่ยวนำอย่างเดียว ซึ่งประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำที่ไม่ทราบ L1 ที่ต้องการวัด แขน bc ในทางตรงกันข้าม มีลักษณะทางไฟฟ้าที่เป็นต้านทานอย่างเดียว แขน cd ประกอบด้วยตัวเก็บประจุคงที่ C4 ในขณะที่แขน ad ประกอบด้วยตัวต้านทานปรับได้ R2 และตัวเก็บประจุปรับได้ C2 ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมภายในวงจร

การทำงานพื้นฐานของสะพานโอเวนเกี่ยวข้องกับการเปรียบเทียบตัวเหนี่ยวนำที่ไม่ทราบ L1 ในแขน ab กับตัวเก็บประจุที่ทราบ C4 ในแขน cd เพื่อให้สะพานอยู่ในสภาพสมดุล ตัวต้านทาน R2 และตัวเก็บประจุ C2 จะปรับแต่งแยกกัน เมื่อสะพานถึงสภาพสมดุลแล้ว ตัวบ่งชี้สำคัญคือไม่มีกระแสไหลผ่านตัวตรวจจับที่วางระหว่างจุด b และ c การขาดแคลนกระแสนี้หมายความว่าจุดปลาย b และ c ของตัวตรวจจับอยู่ที่ระดับแรงดันไฟฟ้าเดียวกัน สร้างความสมดุลที่จำเป็นสำหรับการวัดที่แม่นยำ

แผนภาพเฟเซอร์ของสะพานโอเวน

แผนภาพเฟเซอร์ของสะพานโอเวน ดังแสดงในรูปด้านล่าง ให้ภาพรวมของปริมาณไฟฟ้าและสัมพันธ์ทางเฟสภายในวงจรสะพาน มันให้มุมมองที่มีคุณค่าในการที่แรงดันและกระแสปฏิสัมพันธ์กันที่จุดต่างๆในวงจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพสมดุล ทำให้เข้าใจหลักการการทำงานของสะพานและปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าที่อยู่เบื้องหลังได้ลึกซึ้งขึ้น

การวิเคราะห์เฟเซอร์และทฤษฎีของสะพานโอเวน

ในสะพานโอเวน กระแส I1 พร้อมกับแรงดัน E3 = I3 R3 และ E4=ω I2 C4 ทั้งหมดมีเฟสเดียวกัน ปริมาณเหล่านี้ถูกแทนที่บนแกนนอนของแผนภาพเฟเซอร์ แสดงถึงความสัมพันธ์ในเฟสเดียวกัน เช่นเดียวกัน แรงดันตก I1 R1 ข้ามแขน ab ก็ถูกวาดบนแกนนอน สะท้อนถึงการสอดคล้องเฟสกับเฟเซอร์อื่นๆที่อยู่ในแนวราบ

แรงดันตกทั้งหมด E1 ข้ามแขน ab เป็นผลจากการรวมสองส่วน: แรงดันตกจากความเหนี่ยวนำ ω L1 I1 และแรงดันตกจากต้านทาน I1 R1 เมื่อสะพานอยู่ในสภาพสมดุล แรงดัน E1 และ E2 ข้ามแขน ab และ ad ตามลำดับ จะมีขนาดและเฟสเท่ากัน ดังนั้นจึงถูกวาดบนแกนเดียวกันในแผนภาพเฟเซอร์ เน้นถึงสภาพสมดุลของวงจรสะพาน

แรงดันตก V2 ข้ามแขน ad ประกอบด้วยสองส่วน: แรงดันตกจากต้านทาน I2 R2 และแรงดันตกจากความจุ I2 ω C2 เนื่องจากมีตัวเก็บประจุคงที่ C4 ในแขน cd กระแส I2 ที่ไหลผ่านแขน ad นำหน้าแรงดันตก V4 ข้ามแขน cd 90 องศา ความแตกต่างเฟสนี้เป็นลักษณะสำคัญของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างความจุและความเหนี่ยวนำภายในวงจรสะพาน

กระแส I2 และแรงดัน I2 R2 ถูกแทนที่บนแกนตั้งของแผนภาพเฟเซอร์ ดังแสดงในรูป แรงดันไฟฟ้าของสะพานได้จากการรวมเฟเซอร์ของแรงดัน V1 และ V3 ซึ่งรวมแรงดันไฟฟ้าจากส่วนต่างๆของวงจร

ทฤษฎีของสะพานโอเวน

ให้:

• L1 แทนความเหนี่ยวนำตนเองที่ไม่ทราบพร้อมกับต้านทานที่เกี่ยวข้อง R1

• R2 แทนต้านทานที่ไม่ใช่เหนี่ยวนำที่ปรับได้

• R3 คือต้านทานที่ไม่ใช่เหนี่ยวนำที่คงที่

• C2 แทนตัวเก็บประจุมาตรฐานที่ปรับได้

• C4 แทนตัวเก็บประจุมาตรฐานที่คงที่

ในสภาพสมดุลของสะพานโอเวน,

I2 C4 ทั้งหมดมีเฟสเดียวกัน ปริมาณเหล่านี้ถูกแทนที่บนแกนนอนของแผนภาพเฟเซอร์ แสดงถึงความสัมพันธ์ในเฟสเดียวกัน เช่นเดียวกัน แรงดันตก I1 R1 ข้ามแขน ab ก็ถูกวาดบนแกนนอน สะท้อนถึงการสอดคล้องเฟสกับเฟเซอร์อื่นๆที่อยู่ในแนวราบ

แรงดันตกทั้งหมด E1 ข้ามแขน ab เป็นผลจากการรวมสองส่วน: แรงดันตกจากความเหนี่ยวนำ ωL1 I1 และแรงดันตกจากต้านทาน I1 R1 เมื่อสะพานอยู่ในสภาพสมดุล แรงดัน E1 และ E2 ข้ามแขน ab และ ad ตามลำดับ จะมีขนาดและเฟสเท่ากัน ดังนั้นจึงถูกวาดบนแกนเดียวกันในแผนภาพเฟเซอร์ เน้นถึงสภาพสมดุลของวงจรสะพาน

แรงดันตก V2 ข้ามแขน ad ประกอบด้วยสองส่วน: แรงดันตกจากต้านทาน I2 R2 และแรงดันตกจากความจุ I2  C2 เนื่องจากมีตัวเก็บประจุคงที่ C4 ในแขน cd กระแส I2 ที่ไหลผ่านแขน ad นำหน้าแรงดันตก V4 ข้ามแขน cd 90 องศา ความแตกต่างเฟสนี้เป็นลักษณะสำคัญของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างความจุและความเหนี่ยวนำภายในวงจรสะพาน

กระแส I2 และแรงดัน I2 R2 ถูกแทนที่บนแกนตั้งของแผนภาพเฟเซอร์ ดังแสดงในรูป แรงดันไฟฟ้าของสะพานได้จากการรวมเฟเซอร์ของแรงดัน V1 และ V3 ซึ่งรวมแรงดันไฟฟ้าจากส่วนต่างๆของวงจร

ทฤษฎีของสะพานโอเวน

ให้:

• L1 แทนความเหนี่ยวนำตนเองที่ไม่ทราบพร้อมกับต้านทานที่เกี่ยวข้อง R1

• R2 แทนต้านทานที่ไม่ใช่เหนี่ยวนำที่ปรับได้

• R3 คือต้านทานที่ไม่ใช่เหนี่ยวนำที่คงที่

• C2 แทนตัวเก็บประจุมาตรฐานที่ปรับได้

• C4 แทนตัวเก็บประจุมาตรฐานที่คงที่

ในสภาพสมดุลของสะพานโอเวน,

เมื่อแยกส่วนจริงและส่วนจินตภาพ เราจะได้,

และ,

ข้อดีและข้อเสียของสะพานโอเวน
ข้อดีของสะพานโอเวน

สะพานโอเวนมีประโยชน์หลายประการ ทำให้เป็นเครื่องมือที่มีคุณค่าในการวัดไฟฟ้า:

• ความง่ายในการสร้างสมการสมดุล: หนึ่งในข้อดีหลักของสะพานโอเวนคือความง่ายในการหาสมการสมดุล กระบวนการในการกำหนดเงื่อนไขสมดุลของสะพานค่อนข้างง่าย ทำให้การวิเคราะห์รวดเร็วและมีประสิทธิภาพ

• สมการสมดุลที่ไม่ขึ้นอยู่กับความถี่: สมการสมดุลของสะพานโอเวนค่อนข้างง่ายและไม่รวมองค์ประกอบความถี่ ลักษณะนี้เป็นประโยชน์อย่างมาก เนื่องจากทำให้การวัดที่คงที่และเชื่อถือได้ในช่วงความถี่ที่กว้าง โดยไม่ต้องคำนึงถึงความแตกต่างที่ขึ้นอยู่กับความถี่ ทำให้กระบวนการวัดง่ายขึ้นและผลลัพธ์ไม่ได้รับผลกระทบจากความผันผวนของความถี่แหล่งกำเนิดไฟฟ้า

• ความหลากหลายในการวัดความเหนี่ยวนำ: สะพานโอเวนเหมาะสมในการวัดความเหนี่ยวนำในช่วงกว้าง ไม่ว่าจะเป็นความเหนี่ยวนำที่เล็กหรือใหญ่ สะพานสามารถให้การวัดที่แม่นยำได้ ทำให้สามารถใช้งานได้ในสถานการณ์ทางวิศวกรรมไฟฟ้าต่างๆที่ต้องการการจำแนกความเหนี่ยวนำ

ข้อเสียของสะพานโอเวน

แม้จะมีข้อดี แต่สะพานโอเวนก็มีข้อจำกัดบางประการ:

• ราคาสูงและความแม่นยำปานกลาง: สะพานใช้ตัวเก็บประจุที่มีราคาแพง ทำให้ค่าใช้จ่ายโดยรวมสูง นอกจากนี้ ความแม่นยำของสะพานโอเวนโดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณหนึ่งเปอร์เซ็นต์ ความแม่นยำระดับปานกลางนี้อาจไม่เพียงพอสำหรับการใช้งานที่ต้องการการวัดความเหนี่ยวนำที่แม่นยำมาก และค่าใช้จ่ายที่สูงจากการใช้ส่วนประกอบที่จำเป็นอาจทำให้สะพานนี้ไม่เหมาะสมสำหรับโครงการที่มีงบประมาณจำกัด

• ข้อจำกัดของส่วนประกอบ: ค่าของตัวเก็บประจุคงที่ C2 ในสะพานโอเวนมากกว่าค่าคุณภาพ Q2 ความสัมพันธ์นี้อาจสร้างข้อจำกัดในการทำงานและความยืดหยุ่นของสะพาน อาจส่งผลกระทบต่อความสามารถในการจัดการกับส่วนประกอบเหนี่ยวนำบางประเภทหรือการทำงานภายใต้เงื่อนไขทางไฟฟ้าที่เฉพาะเจาะจง

การปรับปรุงสะพานโอเวน

เพื่อแก้ไขข้อจำกัดบางประการหรือปรับให้เหมาะสมกับความต้องการในการวัดที่ต่างกัน สะพานโอเวนสามารถปรับปรุงได้ การปรับปรุงที่พบบ่อยคือการเชื่อมต่อโวลต์มิเตอร์ขนานกับแขนที่มีต้านทานของสะพาน การตั้งค่านี้ช่วยให้สามารถใช้ทั้งแหล่งกำเนิดกระแสตรงและกระแสสลับกับสะพานได้ แอม