Brückenmessungen

Brückenschaltung – ein Schema zum Verbinden der Elemente eines Stromkreises (Widerstände, Gleichrichterdioden usw.), gekennzeichnet durch das Vorhandensein eines Brückenzweigs zwischen zwei Punkten des Stromkreises, die nicht direkt mit der elektrischen Energiequelle verbunden sind. Die Brückenschaltung basiert auf der Wheatstone-Brückenschaltung (Abb. 1).

Das Funktionsprinzip der Brückenschaltung basiert auf der Tatsache, dass, wenn das Verhältnis der Impedanzen in den Brückenzweigen gleich За / Зб = ЗНС/Зд ist, kein Strom in der Diagonale der Brücke (im Anzeigegerät) fließt ). Durch die Erhöhung der Empfindlichkeit des Nullindikators ist es möglich, eine sehr genaue Gleichheit der Impedanzverhältnisse in der Brückenschaltung zu erreichen. Auf diesem Prinzip basieren Brückenmessungen.

Reis. 1. Brückendiagramm (Wheatstone-Brückendiagramm)

Stromversorgungen für Brückenschaltungen können entweder Gleich- oder Wechselstromquellen sein. Der Brückenausgleich ist völlig unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung.

Brückenmessungen – Methoden zur Messung der Parameter von Gleichstromkreisen (Gleichstromwiderstand, Strom) und Wechselstromkreisen (Wirkwiderstand, Kapazität, Induktivität, Gegeninduktivität, Frequenz, Verlustwinkel, Qualitätsfaktor usw.) mittels Brückenketten. Brückenmessungen werden auch häufig für elektrische Messungen nichtelektrischer Größen mithilfe von Sensoren verwendet – Zwischenwandlern der gemessenen Größe in einen funktionsbezogenen Parameter des Stromkreises.

Brückenmessungen werden mit Messbrücken (Brückenanlagen) durchgeführt, die zur Kategorie der Vergleichsgeräte gehören. Im Allgemeinen basieren sie auf der Verwendung eines bestimmten Stromkreises, der aus mehreren bekannten und einem unbekannten (gemessenen) Widerstand besteht, von einer einzigen Quelle gespeist wird und mit einem Anzeigegerät ausgestattet ist.

Durch Veränderung der bekannten Widerstände wird dieser Stromkreis so lange angepasst, bis eine bestimmte, durch den Zeiger angezeigte Verteilung der Spannungen in einzelnen Abschnitten des Stromkreises erreicht ist. Es ist offensichtlich, dass einem gegebenen Spannungsverhältnis auch ein bestimmtes Verhältnis der Stromkreiswiderstände entspricht, aus dem sich der unbekannte Widerstand berechnen lässt, wenn die anderen Widerstände bekannt sind.

Historisch gesehen wurde die erste, einfachste und gebräuchlichste Variante der Brückenmessung mittels einer symmetrischen Brücke mit vier Armen realisiert, bei der es sich um eine Ringschaltung aus 4 Widerständen („Arm“-Brücken) handelt, in der die Stromversorgung und der Zeiger verbunden sind diagonal zu gegenüberliegenden Eckpunkten, in Form von „Brücken“ (Abb. 2).

Reis. 2.

Wenn die Bedingung R1R3 = R2R4 erfüllt ist (bzw. Z1Z3 = Z2Z4 bei Wechselstrom), ist die Spannung am Ausgang der Brückenschaltung (unabhängig von der Versorgungsspannung) Null (Ucd = 0), d. h. die Brücke ist „ ausgeglichen «, was durch einen Nullzeiger angezeigt wird.

Der stationäre Zustand der Gleichstrombrücke entsprechend der Bedingung R1R3 = R2R4 kann durch die Anpassung nur eines variablen Parameters erreicht werden und ermöglicht auch die Bestimmung nur eines unbekannten Widerstands.

Um den komplexen Wechselstrom-Gleichgewichtszustand Z1Z3 = Z2Z4 zu erreichen, der beim Einsetzen der komplexen Werte der Widerstände Z = R + jx in zwei unabhängige Zustände zerfällt, müssen mindestens zwei variable Parameter angepasst werden. In diesem Fall ist es möglich, gleichzeitig zwei Komponenten des komplexen Widerstands zu bestimmen (z. B. L und R oder L und Q, C und tgφ usw.).

Eine Vielzahl von vierarmigen Wechselstrombrücken sind Resonanzbrücken... Zusätzlich zu den Vierarmbrücken werden komplexere Brückenschemata verwendet – Doppelbrücken für Gleichstrom (Abb. 3) und Mehrarmbrücken (sechs oder sieben Arme) – für Wechselstrom Strom (zum Beispiel Abb. 4) . Die Gleichgewichtsbedingungen für diese Kreisläufe unterscheiden sich natürlich von den oben angegebenen.

Reis. 3.

Reis. 4.

Brücken können sowohl im symmetrischen als auch im unsymmetrischen Modus verwendet werden. Im letzteren Fall wird das Messergebnis ohne Anpassung der Widerstände direkt aus dem Strom oder der Spannung am Ausgang der Brückenschaltung ermittelt, die vom gemessenen Widerstand und der Versorgungsspannung (letztere muss stabil sein) abhängen. Das Ausgabegerät wird direkt im Messwert kalibriert.

AC-Brückenmessungen können in zwei weiteren Modi verwendet werden: quasi-symmetrisch und halb-symmetrisch. Letzteres zeichnet sich dadurch aus, dass die herkömmliche Vierarmschaltung (Abb. 2) mit nur einem variablen Parameter so lange eingestellt wird, bis die minimale Ausgangsspannung erreicht ist (vollständiges Gleichgewicht, d. h. Ucd= 0, was die Einstellung von zwei Parametern erfordert, in diesem Fall ist es nicht erreichbar).

Der Zeitpunkt des Erreichens der Mindestspannung Ucd kann direkt aus einem einfachen Zeiger am Ausgang der Schaltung bestimmt werden, oder genauer – indirekt – beispielsweise anhand der Phasenbeziehungen der momentan auftretenden Spannungsvektoren der Brückenschaltung des Halbgleichgewichts.

Im zweiten Fall ähneln die experimentellen und anzeigenden Geräte denen, die im quasi-symmetrischen Modus verwendet werden. Die Komponenten des gemessenen Widerstands werden bestimmt: eine – aus dem Wert des variablen Parameters im Moment des Halbgleichgewichts, die andere – aus der Brückenausgangsspannung. Die Versorgungsspannung muss stabilisiert werden.

Das Ausbalancieren von Messbrücken kann sowohl direkt durch eine Person (Brücken mit manueller Führung) als auch mit Hilfe einer automatischen Vorrichtung (automatische Messbrücken) erfolgen.

Brückenmessungen dienen sowohl der Messung von Widerstandswerten als auch der Bestimmung der Abweichungen dieser Werte von einem vorgegebenen Nennwert. Sie gehören zu den gebräuchlichsten und fortschrittlichsten Messmethoden. Serienmäßig hergestellte Brücken haben Genauigkeitsklassen von 0,02 bis 5 für Gleichstrom und von 0,1 bis 5 für Wechselstrom.