Eine Wheatstonesche Messbrücke [ˈwiːtstən-]

Eine Schaltung, die aus zwei Reihenschaltungen mit jeweils 2 Widerständen (R1 in Reihe mit
R2 und R3 in Reihe mit R4) besteht, die zueinander parallel geschaltet sind (eine gemeinsame
Spannung Uges) wird als Brückenschaltung bezeichnet. Nach Ihrem Erfinder wird diese
Schaltung auch Wheatstone -Brücke genannt.
Formeln:
R1
U1 = U * -----------R1 + R 2
(1)
R3
U3 = U * -----------R3 + R4
(2)
Eine Wheatstonesche Messbrücke [ˈwiːtstən-] ist eine Parallelschaltung zweier
Spannungsteiler, benannt nach dem britischen Physiker Sir Charles Wheatstone. Mit
ihr lässt sich ein unbekannter Widerstand bestimmen.
Einsatzgebiet
Die Wheatstonesche Messbrücke wird gerne in elektronischen Waagen eingesetzt,
weil sie sehr einfach zu realisieren ist. Es handelt sich aber auch um das
vergleichsweise am wenigsten genaue Messverfahren, genauer messen
piezoelektrische Waagen und solche mit elektromagnetischer Kraftkompensation.
Im Ausschlagsverfahren betrieben (Messung des Wertes der
Brückenausgangsspannung anstatt der oben beschriebenen Kompensation) dient sie
als primäre Auswertung moderner Sensoren mit DMS als Widerständen, wie sie z.B.
in Druckmessdosen oder Beschleunigungssensoren mit Biegebalken verwendet
werden. Durch Schaltung als Halb- oder Vollbrücke (zwei bzw. vier sich ändernde
Widerstände) wird zum einen eine Verstärkung des Messwerts erzielt, außerdem
eine Temperaturkompensation ermöglicht. Wird die Brücke mit Wechselspannung
betrieben, können auch kapazitive Sensorelemente durch die Wheatstonebrücke
verstärkt werden.
Eine Wheatstonesche Messbrücke [ˈwiːtstən-] ist eine Parallelschaltung zweier
Spannungsteiler, benannt nach dem britischen Physiker Sir Charles Wheatstone. Mit
ihr lässt sich ein unbekannter Widerstand bestimmen.
Die Messbrücke ist abgeglichen, wenn die Brückendiagonalspannung UA = 0 ist - bei
einer Realisierung mit vier Widerständen also wenn das Widerstandverhältnis in
beiden Spannungsteilern gleich ist. Mit Hilfe einer abgeglichenen Messbrücke kann
man einen unbekannten Widerstand bestimmen. Dazu muss man einen
Spannungsteiler durch ein Potentiometer ersetzen und die Abgleichbedingung
benutzen: R1/R2 = Rv/Rx oder U1/U2 = Uv/Ux. Diese Einrichtung zur Messung von
Widerständen nennt man Wheatstonesche Messbrücke oder nur Wheatstonebrücke.
Schaltplan Wheatstonesche Brückenschaltung
Die Eingangsspannung UE und die Ausgangsspannung UA werden jeweils an
gegenüberliegenden Verbindungspunkten angelegt bzw. abgegriffen. Die
Widerstände R1 und R2 sind bekannt und Rv ist ein variabler, bekannter
Vergleichswiderstand. Rx ist der unbekannte, zu bestimmende Widerstand. Rv wird
nun so eingestellt bzw. gewählt, daß über die Brücke kein Strom fließt - also an UA
keine Spannung abgegriffen wird; dieser Vorgang heißt auch Nullabgleich.
Damit ergibt sich nun Rx nach den Ohmschen Gesetzen zu:
Die Wheatstonesche Messbrücke wird vor allem in der Messtechnik sowie in der
Steuerungs- und Regelungstechnik (Sensortechnik) für Präzisionsmessungen
verwendet, siehe auch Kalibrierung.
Statt reinen Widerständen werden in der Wechselstromtechnik oft Impedanzen
eingesetzt, um Wirkwiderstand und Blindwiderstand gleichzeitig abzugleichen. Je
nach Anzahl der variablen Widerstände unterscheidet man dann Viertelbrücke (eine
variable Impedanz), Halbbrücke (zwei variable Impedanzen) und Vollbrücke (vier
variable Impedanzen).
Realisierung
In der Praxis ist es unpraktisch und teuer, den Vergleichswiderstand Rv stets
auszutauschen.
Daher verwendet man ein Potentiometer anstelle von R1 und R2, auf dem dann nur
noch das Verhältnis zwischen R1 und R2 bestimmbar ist. Nach obiger Formel reicht
dies aber und führt zu:
Um die Ungenauigkeit des Widerstandsdrahtes zu umgehen, benötigt man trotzdem
noch einen Vergleichswiderstand Rv in der selben Größenordnung wie Rx. Um den
Nullabgleich präzise durchzuführen, wird in der Praxis nicht die Spannung UA,
sondern hier gleichbedeutend der Stromfluss präzise gemessen - beispielsweise
durch ein Galvanometer.