کرنش سنج در مدار پل وتستون (اصول و مبانی ابزار دقیق بخش 5)

پل وتستون (Wheatstone Bridge Circuit) که در این مقاله می خواهیم راجب آن صحبت کنیم یک مدار الکتریکی پسیو است که از چهار مقاومت تشکیل شده و برای اندازه‌گیری مقدار مقاومت الکتریکی نامعلوم به کار می‌رود. این مدار توسط سر چارلز وتستون در سال ۱۸۴۳ ابداع شد و از آن زمان تاکنون به عنوان یک ابزار دقیق و قابل اعتماد برای اندازه‌گیری مقاومت باقی مانده است. پل وتستون به علت حساسیت بالایی که دارد تغییرات بسیار کوچک مقاومت را نیز اندازه‌گیری می‌کند، از این رو می‌توان از کرنش سنج به عنوان مقاومت متغییر در پل وتستون استفاده نمود.

مبدل نیرو دستگاهی است که نیروهای مکانیکی را به سیگنال‌های الکتریکی قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌کند. این سیگنال‌های الکتریکی می‌توانند برای نمایش، ثبت، کنترل یا تجزیه و تحلیل نیرو استفاده شوند. و مبدل‌های نیرو در طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله صنعت، پزشکی، هوافضا و تحقیقات استفاده می‌شوند. مبدل های نیرو شامل چهار بخش مهم هستند:

در این مقاله قصد داریم تا درباره کرنش سنج در مدار پل وتستون یعنی قسمت سوم مبدل های نیرو صحبت کنیم.

مدار پل وتستون چیست؟

پل وتستون (Wheatstone Bridge Circuit)، یک مدار الکتریکی است که از چهار مقاومت تشکیل شده است و به منظور اندازه گیری دقیق مقاومت مجهول مورد استفاده است. به علت حساسيت بسیار بالا و صحیح، از رايج ترين مدارها براي استفاده از كرنش سنج ها مي باشد. يك نمونه از مدار ساده پل وتستون (ویتستون)، در شكل زير نشان داده شده است.

در صورتي كه تنشي در مدار وجود نداشته باشد، ΔR = 0 است، تمام چهار مقاومت با هم برابر بوده (R₂ = R₃R₄/R₁) و در نتيجه ولتاژ خروجي برابر صفر (پل در حالت تعادل) است.

زمانی كه به كرنش سنج، تنشي وارد شود، مقاومت در آن به اندازه ΔR تغيير می كند.

شکل (1). نمونه مدار ساده پل وتستون (ویتستون) (Wheatstone Bridge Circuit)

به دلیل این که در رابطه فوق هم در صورت و هم در مخرج، ΔR وجود دارد، خروجي پل به صورت غير خطي و با نيروي وارد شده تغيير مي كند. مقدار R، حدود چند صد اهم مي شود، در حالي كه ΔR معمولاً 0.01 اهم یعنی حدود 10.000 برابر، كوچك تر است.

پس اگر:

محاسبه ولتاژ خروجی را مي توان به صورت زير، خلاصه کرد:

باید به خاطر داشت كه ولتاژ خروجي (V_out)، به صورت تفاضلي بوده و نسبت به زمين در نظر گرفته نمی شود، هم چنين اين ولتاژ به صورت معمول، بسیار كوچك است و از منبعی با امپدانس خروجي R/2 گرفته شده كه ممكن است در حدود چند صد اهم و يا حتی بيش تر باشد.

در نتیجه اين سيگنال مي بايست به وسیله مدار تقويت كننده تفاضلي و با امپدانس ورودي بسیار بالایی تقويت شود.

پرسشی که مطرح می شود، این است که:

مزیت استفاده از پل وتستون برای اندازه گیری کرنش چيست؟

یکی از روش های اندازه گیری میزان تغییر مقاومت الکتریکی در کرنش سنج ها قرار دادن کرنش سنج به عنوان یک مقاومت مجهول در مدار پل وتستون می‌باشد. به عبارتی جهت اندازه گیری دقیق تغییرات ناچیز مقاومت در استرین گیج ها می‌توان از پیکربندی مدار پل وتستون استفاده کرد. پس یکی از کاربردهای پل وتستون اندازه گیری کرنش می‌باشد. با افزودن يك كرنش سنج ديگر به طرف مقابل، مي توان اثر دماي محيط را حذف کرد (شكل زير):

شکل (2) کرنش سنج فعال و دروغین در مدار پل وتستون

با دقت در شكل، مشخص می شود كه كرنش سنج اول به گونه اي نصب شده تا نيروي اعمال شده بتواند طول آن را افزایش دهد که در اصل، اين كرنش سنج، فعال (Active) و يا واقعي نامیده می شود. كرنش سنج دیگر، خلاف جهت نيرو نصب شده تا تحت تاثير نيروي واقع شده قرار نگیرد. بنابراين در طول آن تغييری ایجاد نمی شود. اين كرنش سنج را دروغين يا (Dummy) می گویند.

نيروي اعمالي تنها به كرنش سنج فعال اثر نموده و پل را از حالت تعادل خارج ميكند. در حالي كه تغيير دما در هر دو كرنش سنج به صورت يكسان عمل می کند پس پل از حالت تعادل خارج نمی شود. بنابراين با اين روش مي توان، اثر حرارت را بر كرنش سنج حذف کرد.

اگر دو كرنش سنج فعال (Active) را در دو سوی ميله ای فلزي قرار دهيم (شكل زير)، مشاهده مي شود كه يكي از آن ها تحت نيروي كرنشي (مقاومت با نيرو زیاد مي شود) و ديگري تحت نيروي فشاري (مقاومت با نيرو كم مي شود) قرار می گیرد و ولتاژ خروجي در ازای هر يك بار و با یک نيروي مشخص در مقايسه با حالتی که تنها يك كرنش سنج در مدار است؛ دو برابر مي گردد.

شکل (3). دو کرنش سنج فعال در مدار پل وتستون

خدمات نیکسا: مشاوره، نصب و راه اندازی تجهیزات ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی نیکسا

براي ساخت مدار پيشنهادي مطابق شكل بالا باید سمت چپ پل، دو مقاومت كه حدود چند صدم اهم با یکدیگر اختلاف دارند و از لحاظ حرارتي شرايط يكسانی دارند؛ قرار بگیرد.

يا اين كه دو كرنش سنج ديگر نيز مورد استفاده قرار بگیرد. شكل زير، روش ورود چهار كرنش سنج فعال به مدار را نشان مي دهد:

شکل (4). چهار کرنش سنج فعال در مدار پل وتستون

در اين حالت، ولتاژ خروجي پل در مقايسه با روش دو كرنش سنج فعال، دو برابر و در مقايسه با يك كرنش سنج فعال، چهار برابر می شود:

در استفاده عملي از كرنش سنج ها سيم كشي، تغذيه مناسب و نيز پردازش سيگنال الكترونيكي از اهميت ويژه اي برخوردار است. اين موضوع زمانی اهميت بيش تري پيدا مي كند كه قسمتي از پل در شرايط و محيط تست و قسمت ديگري از آن با فاصله زياد، در نزديكي مدار الكترونيكي قرار داشته باشد.

باید خاطر نشان کرد كه باید کرنش سنج ها را با طول و جنسی مشابه در هر طرف از پل قرار داد. با این روش، مقدار برابری از مقاومت به طرفين پل اضافه شده و پل در حالت تعادل خود باقي خواهد ماند.

روش های صحیح و غلط سيم كشي، در شكل زير نشان داده شده است. در روش هاي صحيح، تغيير مقاومت سيم (R_wire) در اثر گرما خنثي می شود.

در مدار شكل (b)، سیم سوم به یک قطعه اندازه گيري با امپدانس ورودي بالا متصل شده پس مقاومت، در نظر گرفته نمی شود و در مدار شكل (c) نیز، سيم سوم نقشي در افزودن مقاومت به پل ندارد.

شکل (5). روش های سیم کشی کرنش سنج

a) دو سیمه (غلط)

b) سه سیمه (صحیح)

c) سه سیمه جایگزین (صحیح)

سخن پایانی

در این مقاله نحوه قرار گرفتن کرنش سنج در مدار پل وتستون را توضیح دادیم. مدار پل وتستون با استفاده از چهار مقاومت، شامل سه مقاومت مرجع با مقادیر ثابت و یک مقاومت متغیر (کرنش سنج) تشکیل می‌شود. با تغییر شکل جسم و تغییر مقاومت کرنش سنج، عدم تعادل در پل ایجاد می‌شود و یک سیگنال ولتاژ خروجی در پایانه‌های پل ظاهر می‌شود. با اندازه‌گیری سیگنال ولتاژ خروجی و دانستن مشخصات مدار و کرنش سنج، می‌توان میزان کرنش را با استفاده از فرمول‌های مربوطه محاسبه کرد. لازم به ذکر است که این مقاله بخشی از کتاب Industrial Control Electronics نوشته مایکل جاکوب است با مراجعه به بخش اصول و مبانی ابزار دقیق در مقالات سایت می توانید مقالات بیشتری را با محوریت این کتاب مطالعه نمایید.