Wheatstone-Messbrücke und ihre Verwendung
Einer der Berühmtesten BrückenschaltungenNoch heute in Messgeräten und in Elektrolaboren verwendet, ist die Wheatstone-Messbrücke, benannt nach dem englischen Erfinder Charles Wheatstone, der dieses Schema zur Widerstandsmessung bereits 1843 vorschlug.
Die Wheatstone-Messbrücke ist im Wesentlichen ein elektrisches Analogon der pharmazeutischen Balkenwaage, da hier eine ähnliche Methode der Kompensationsmessung zum Einsatz kommt.
Das Funktionsprinzip der Messbrücke basiert auf dem Potentialausgleich der Mittelklemmen zweier parallel geschalteter Widerstandszweige, wobei jeder Zweig zwei Widerstände aufweist. Einer der Zweige enthält einen Widerstand, dessen Wert Sie wissen möchten, und der andere einen Widerstand mit einstellbarem Widerstand (Rheostat oder Potentiometer).
Durch stufenloses Verändern des Widerstandswerts des einstellbaren Widerstands erhält man auf der Skala des Galvanometers, die in der Diagonale zwischen den Mittelpunkten der beiden genannten Zweige liegt, einen Nullwert.Unter Bedingungen, bei denen das Galvanometer Null anzeigt, sind die Potentiale der Mittelpunkte gleich und daher kann der gewünschte Widerstand leicht berechnet werden.
Es ist klar, dass der Stromkreis zusätzlich zu Widerständen und einem Galvanometer über eine Versorgung für die Brücke verfügen muss, in der Abbildung ist sie als galvanische Zelle E dargestellt. Der Strom fließt vom Pluspol zum Minuspol und teilt sich dabei zwischen den beiden Zweigen auf umgekehrt proportional zu ihren Widerständen.
Wenn die oberen und unteren Widerstände im Zweig der Brücke paarweise gleich sind, d des Galvanometers ist Null. In diesem Fall spricht man von einer ausgeglichenen bzw. balancierten Brücke.
Wenn die oberen Widerstände gleich sind und die unteren nicht, fließt der Strom diagonal vom Arm mit höherem Widerstand zum Arm mit niedrigerem Widerstand, und die Nadel des Galvanometers wird in die entsprechende Richtung ausgelenkt.
Wenn also die Potentiale der Punkte, an die das Galvanometer angeschlossen ist, gleich sind, sind die Werteverhältnisse der oberen und unteren Widerstände in den Armen gleich. Wenn wir diese Beziehungen gleichsetzen, erhalten wir eine Gleichung mit einer Unbekannten. Die Widerstände R1, R2 und R3 sollten zunächst mit hoher Genauigkeit gemessen werden, dann ist die Genauigkeit beim Auffinden des Widerstands Rx (R4) hoch.
Die Wheatstone-Brückenschaltung wird häufig zur Temperaturmessung verwendet, wenn einer der Brückenzweige einschaltet Widerstandsthermometer als unbekannter Widerstand.In jedem Fall gilt: Je größer der Widerstandsunterschied in den Zweigen ist, desto größer ist der Strom durch die Diagonale, und wenn sich der Widerstand ändert, ändert sich auch der Diagonalstrom.
Diese Eigenschaft der Wheatstone-Brücke wird von denjenigen, die Steuerungs- und Messprobleme lösen und Steuerungs- und Automatisierungssysteme entwickeln, sehr geschätzt. Die geringste Widerstandsänderung in einem der Zweige führt zu einer Änderung des Stroms durch die Brücke, und diese Änderung wird aufgezeichnet. Anstelle eines Galvanometers kann je nach Stromkreis und Zweck der Studie auch ein Amperemeter oder Voltmeter in die Diagonale der Brücke eingebaut werden.
Im Allgemeinen können Sie mit der Wheatstone-Brücke verschiedene Größen messen: elastische Verformung, Beleuchtung, Feuchtigkeit, Wärmekapazität usw. Es reicht aus, nur den entsprechenden Sensor anstelle des gemessenen Widerstands in den Stromkreis einzubinden, dessen empfindliches Element dies tut In der Lage sein, den Widerstand zu ändern, stimmt mit der Änderung des Messwerts überein, auch wenn dieser nicht elektrisch ist. Normalerweise wird in solchen Fällen eine Wheatstone-Brücke angeschlossen über ADCund die Weiterverarbeitung des Signals, die Anzeige von Informationen auf dem Display, Aktionen basierend auf den empfangenen Daten – all dies bleibt eine Frage der Technologie.