Referat Meßbrücken - Definitionen, Gleichspannungsgespeiste Meßbrücken (Wheatstone-Brücke)

Meßbrücken

Prinzipiell unterteilt man Meßbrücken in:

Gleichspannungsgespeiste Meßbrücken

Wechselspannungsgespeiste Meßbrücken

1. Definitionen

Empfindlichkeit einer Meßbrücke
Unter der Empfindlichkeit einer Meßbrücke (E) versteht man das Verhältnis einer kleinen Anderung der Spannung am Nullindikator (U_NI) zur Anderung des zu Bestimmenden Widerstadswertes (R_X).



optimale Empfindlichkeit: - bei Gleichheit der vier Zweige (gleicher Wert)
- bei großer Versorgungsspannung

Genauigkeit einer Meßbrücke
Unter Genauigkeit einer Meßbrücke versteht man die Abweichung vom gemessenen Widerstandswert (Ist-Wert) zum tatsächlichen Widerstandswert (Soll-Wert). Sie ist abhängig von:
- der Präzision der Brückenwiderstände
- der Empfindlichkeit des Nullindikators
- der Höhe der Versorgungsspannung (je höher desto empfindlicher)

Störeinflüsse bei der Messung
- Rauschspannung der Bauteile
zusätzliche Störeinflüsse bei wechselspannungsgespeisten Meßbrücken:
- Versorgungsspannung ist nie ein reiner Sinus




Kennwert: Klirrfaktor k




- Fremdfeldeinflüsse:
Kennwert: Schirmfaktor S



Schirmung gegen Wechselfelder: Kupfergeflecht bei Kabel
Aluminium-Hülle bei Baugruppen
Die genannten Schirmungen bringen eine Abschwächung der Fremdfelder
von etwa 40 - 60dB

2. Gleichspannungsgespeiste Meßbrücken (Wheatstone-Brücke)

Eine Brücke ist dann abgeglichen, wenn der Nullindikator Null anzeigt. Man kann sich nun leicht überlegen, daß die Anzeige des Nullindikators dann Null wird, wenn beide Spannungsteiler das gleiche Teilverhältnis aufweisen. Man spricht dann von der Abgleichbedingung: U_NI=0

Die Wheatstonesche Brückenschaltung kann nun sehr einfach zur Messung von Widerstandswerten verwendet werden. Fügt man einen unbekannten Widerstand R_X in einen Zweig der Brückenschaltung ein, und variiert man dann einen der drei übrigen Widerstände so lange, bis der Nullindikator keinen Ausschlag mehr zeigt, so ist die Abgleichbedingung erfüllt, und es folgt:

Wie man erkennen kann wird das Meßergebnis von der Versorgungsspannung U₀ nicht beeinflußt, jedoch gilt es zu beachten, das die Höhe von U₀ einen Einfluß auf die Empfindlichkeit (siehe Seite 1) nimmt.

3. Wechselspannungsgespeiste Meßbrücken

Abgleichbedingung: U_NI=0

Betragsabgleich:

Phasenabgleich:

Bei einer Wechselstrommeßbrücke sind immer zwei Abgleichvorgänge notwendig. In den meisten Fällen beeinflußen sich diese beiden Vorgänge gegenseitig. Bei der Durchführung des Abgleichs muß daher folgende Reihenfolge eingehalten werden:

Betragsabgleich

Phasenabgleich

Betragsabgleich

Phasenabgleich

Für diese beiden unterschiedlichen Abgleichvorgänge sind in der Regel auch zwei Abgleichorgane notwendig (Widerstand, Spule, Kondensator), die jeweils abwechselnd zu betätigen sind. Bei den einzelnen Abgleichschritten stellt man am Nullindikator immer auf Spannungsminimum. Dieses Minimum sollte bei jedem Schritt verbessert werden. Ein Erreichen des idealen Abgleichs (U_NI=0) ist aufgrund von Störeinflüssen (siehe Seite 1,2) nicht möglich.

Abgleichbarkeit:

Eine wechselspannungsgespeiste Meßbrücke ist nicht in jedem Fall abgleichbar. Es muß darauf geachtet werden, ob es möglich ist, außer der Betragsbedingung auch die Winkelbedingung zu erfüllen.

Frequenzabhängigkeit:

Eine weitere Eigenart von Wechselstrommeßbrücken ist, daß der Abgleich je nach gewählter Struktur (gewählte Bauelemente) frequenzabhängig oder frequenzunabhängig sein kann. Ob eine Meßbrücke nun frequenzabhängig ist oder nicht erkennt man daran, ob in der Abgleichsbedingung eine Frequenz vorkommt oder ob sich diese wegkürzt.

4. Beispiel: Maxwell - Brücke

Betragsabgleich: auf jeden Fall abgleichbar

Phasenabgleich:

T  Die Brücke ist abgleichbar!

Berechnung der unbekannten Größen R_X und L_X:

Diese komplexe Gleichung beinhaltet zwei Gleichungen: