Puntea Wheatstone

Puntea Wheatstone

Se utilizeaza ca aparat de laborator cat si in instrumentatie industriala (termometrie rezistiva, tensometrie, etc.) la masurarea rezistentelor in intervalul zeci de W pana la zeci de MW cu precizii de    0,1 - 1% (precizii greu sau imposibil de realizat prin metode directe).

Schema de principiu a puntii Wheatstone este data in fig. 8.13, unde R_X este necunoscuta, R₂, R₃, R₄ - rezistente calibrate, IN indicator de nul (galvanometru sau milivoltmetru electronic), E - o sursa de tensiune continua de 2 - 6 V (baterii sau alimentator de retea), iar R_p - o rezistenta de protectie (zeci de kW) necesara limitarii tensiunii pe IN, la inceputul operatiei de echilibrare.

Ecuatia de echilibru. Rp fiind pe maxim, se inchide intrerupatorul K si se regleaza R₄ (reducand treptat pe R_p pana la zero) pana cand IN arata zero, situatie ce conduce la relatia:

din care se obtine ecuatia de echilibru:

pe baza careia se pot trage urmatoarele concluzii:

1. Echilibrul puntii este independent de tensiunea sursei (E) si de rezistenta interioara a acesteia;
2. Conditia de echilibru este independenta de sensibilitatea detectorului de nul (IN), de rezistenta lui interioara si de oricare rezistenta ce-l sunteaza. Acesti factori influenteaza doar eroarea de sensibilitate a puntii si nu conditia de echilibru;
3. Echilibrul puntii nu se modifica daca se schimba diagonala sursei (ac) cu cea a indicatorului de nul (bd);
4. Puntea ramane in echilibru daca se schimba R₂ cu R₄, sau R_x cu R₃.

Schema tehnologica. Ecuatia de functionare a puntii echilibrate poate fi scrisa in forma:

(8.14)

care arata ca intervalul de masura (gamele) poate fi prescris, prin modificarea raportului R₄/R₃, asa cum se arata in fig. 8.13, b, ce reprezinta schema unei punti monobloc (aparat compact) de constructie obisnuita. In acest caz, rezistorul de echilibrare (R₂) este realizat dintr-o cutie de rezistente in decade (punti de precizie) sau dintr-un potentiometru bobinat, de constructie circulara (punti de precizie mai redusa).

La puntile mai vechi, punti cu fir, gamele se prescriu din R₂, iar echilibrarea se face prin reglarea raportului R₄/R₃ (rezistenta R₃+R₄ este realizata dintr-un fir de manganina). Asemenea punti nu se mai utilizeaza in prezent.

Erori

Eroarea totala. Din ecuatia de functionare (8.14) rezulta eroarea limita ce afecteaza pe R_x:

(8.15)

in care DR₂/R₂,    DR₃/R₃ si DR₄/R₄ reprezinta erorile de constructie (0,05-0,5 %) ale rezistentelor respective (fig. 8.13, a), iar dR₂/R₂- eroarea de sensibilitate.

Eroarea absoluta de sensibilitate (DR₂) reprezinta cea mai mica valoare modificata la R₂, in jurul valorii de echilibru, pentru care se obtine o deviatie perceptibila (tipic, jumatate de diviziune) la indicatorul de nul. Daca rezolutia lui R₂ nu este suficient de buna (valoarea minima reglabila prea mare), dR₂ se determina printr-o interpolare liniara.

Sensibilitatea lui IN si rezolutia lui R₂ trebuie astfel alese incat dR₂/R.₂ sa fie mica in comparatie cu eroarea de constructie DR₂ /R._2.

Precizia de masurare la puntile Wheatstone monobloc este: 0,05-0,2 % - la puntile de laborator de inalta precizie si 0,5-1,5% - la cele portabile. Precizia de masurare (clasa) este mentionata in prospectul puntii (sau pe panoul frontal al acesteia), impreuna cu intervalul de masura in care ramane valabila.

Cresterea preciziei de masurare Din (8.15) rezulta ca precizia de masurare poate fi crescuta numai prin reducerea numarului erorilor de constructie. Cea mai utilizata cale in acest scop este metoda substitutiei.

Dupa o prima echilibrare, descrisa de (8.14), se inlocuieste R_x cu o rezistenta calibrata reglabila (R_o) si lasand pe R₂, R₃, R₄ neschimbate - se aduce din nou puntea la echilibru obtinandu-se ecuatia:

care asociata cu (8.15) conduce la relatia

R_x =R₀ (8.16)

din care se deduce:

(8.17)

Se observa ca erorile de constructie au fost reduse de la trei la una singura (erorile de sensibilitate dR₂ /R₂ si dR₀ /R₀, pot fi aduse la valori mici in comparatie cu DR₀ /R₀) si ca rezistentele R₂, R₃, si R₄ pot sa nu fie calibrate, singura cerinta fiind de a ramane stabile pe durata celor doua etape ale masurarii. Cu alte cuvinte, puntea serveste numai ca dispozitiv de comparatie intre R_x si R₀.

Limita superioara, de regula, nu poate depasi 1-10 MW, mai ales din cauza valorii limitate a rezistentelor de izolatie (si a micsorarii sensibilitatii).

In concluzie, puntea Wheatstone standard permite masurarea rezistentelor in limitele 10 W -1 MW cu precizii de 0,1-1 %.