Technische encyclopedie

Winkler Prins (1975)

Gepubliceerd op 10-01-2025

BRUGMETING

betekenis & definitie

(Fr.: mesurage par pont; Du.: Brückenmessung; Eng.: bridge measurement), in de elektrische meettechniek veelvuldig toegepaste meting ter bepaling van de waarde van weerstanden, capaciteiten, zelfinducties enz. en combinaties daarvan.

Het klassieke voorbeeld is de brug van Wheatstone ter bepaling van de elektrische weerstand. De onbekende weerstand Rxmaakt deel uit van een circuit van vier weerstanden R1...R4 (de brug); R1 en R4 hebben bekende en vast ingestelde waarden, terwijl R2 variabel en afleesbaar is. Op een paar tegenovergestelde punten wordt een stroombron aangesloten en in de brugtak een stroommeetinstrument, bijv. een galvanometer. Bij het uitvoeren van de meting wordt R2 zo gevarieerd, totdat de galvanometer geen stroom meer aanwijst; de daarbij behorende waarde van R2 wordt dan afgelezen. Voor deze evenwichtstoestand geldt de voorwaarde

R1R3 = R2R4 , zodat de onbekende weerstand Rx = R3berekend kan worden.

Meettechnisch behoren de brugmetingen tot de zgn. nulmethoden (zie Elektrische meetinstrumenten), die ten opzichte van de rechtstreeks aanwijzende of deflectiemethoden het nadeel hebben dat zij van de uitvoerder van de meting meer tijd en inspanning vragen, maar het voordeel van een grotere nauwkeurigheid, zoals van belang bij rekstrookjes, weerstandthermometers enz.

Bij automatische meetbruggen wordt het zoeken van de evenwichtstoestand met een regelsysteem uitgevoerd; het instellen van de variabele weerstand geschiedt met een servomotor of stappenmotor, gestuurd door het versterkte signaal uit de brugtak. Indien de te meten weerstandswaarden vallen in de grootteorde van 0,001...0,1 Ω wordt de invloed van de verbindingsdraden tussen de weerstanden van belang (zie ook afb. 1).

De brug van Thomson biedt een mogelijkheid de invloed van deze verbindingsdraden te elimineren (afb. 2). De onbekende weerstand Rx wordt in serie met een bekende weerstand RN door een meetstroom I doorlopen. Over de uiteinden van de weerstanden Rx en RN is een combinatie van elementen aangebracht met een galvanometer tussen de contacten a en b. Contact a is een aftakking op een weerstand die daardoor in de delen R1 en R2 wordt verdeeld. Op overeenkomstige wijze verdeelt contact b een weerstand in twee delen R3 en R4. Men manipuleert zodanig dat de contacten a en b gecombineerd versteld worden, waarbij aan de betrekking R1 : R2 = R4 : R3 voldaan blijft. In de evenwichtstoestand geldt dan

Rx : RN = R4 : R3 , zodat Rx berekend kan worden.

Een uitbreiding van het principe van de brug van Wheatstone wordt gegeven door de wisselstroombruggen. De spanningsbron wordt dan een wisselspannings- of signaalgenerator. In de brugtak wordt de galvanometer vervangen door een detector voor wisselspanning. In de vier brugtakken kan men nu ook impedanties van algemener karakter opnemen. Noemt men deze Z1Z4 dan zal het brugevenwicht optreden bij de voorwaarde Z1Z3 = Z2Z4. De vergelijking is nu complex; de verschillen met de situatie bij de eenvoudige weerstandsbrug zijn o.a. dat de evenwichtsinstelling twee variabelen in de brug eist en dat er een grote variëteit van combinaties Z1...Z4 mogelijk is die tot brugevenwicht kunnen leiden.

Onder de vele combinaties van impedanties die men kan bedenken om brugschakelingen te maken, die in een evenwichtstoestand kunnen worden gebracht, is een klein aantal onder een specifieke benaming bekend. Enkele ervan zijn in de afb. 3...7 weergegeven en worden hierna kort toegelicht.

De brug van Schering (afb. 3) dient o.a. voor het meten van de capaciteit Cx en de verliesweerstand Rx van condensatoren. Het brugevenwicht wordt bereikt door variatie van een weerstand en een condensator die in brugtak 1 parallel geschakeld zijn. De gegeven evenwichtsvoorwaarden leveren zo een formule voor de onbekende elementen uitgedrukt in de bekende elementen.

De brug van Maxwell (afb. 4) wordt gebruikt om de zelfinductie en de verliesweerstand van spoelen te meten. Ook hier kan voor de evenwichtstoestand een eenvoudige formule voor de onbekende elementen, uitgedrukt in de bekende elementen worden gegeven. Daarin komt de frequentie niet voor, met het voordeel dat kleine frequentieveranderingen van de bruggenerator tijdens de meting het evenwicht niet beïnvloeden en eventueel aanwezige harmonischen van de generatorspanning niet veel invloed hebben.

De resonantiebrug (afb. 5) kan eveneens voor de meting van de zelfinductie en de verliesweerstand van spoelen gebruikt worden. Uit de formule blijkt, dat de frequentie een grote rol speelt; de brug kan dus niet tegelijk voor de grondfrequentie en de harmonischen van de generator in evenwicht zijn. Een elektrische filter kan dit euvel sterk verminderen.

De brug van Wien (afb. 6) kan gebruikt worden voor meting van de capaciteit en de verliesweerstand van condensatoren. Ook hierbij geldt het bezwaar dat in de evenwichtsvoorwaarden de frequentie voorkomt. Men kan deze omstandigheid gebruiken om frequenties te meten door vaste waarden te geven aan R1, R4, C2 en C3, zodanig dat R1 = 2R4 en C2 = C3 = C. De weerstanden R2 en R3 worden uitgevoerd als identieke variabele weerstanden, die gezamenlijk ingesteld worden, zodat steeds geldt R2 = R3 = Rvar. Door deze keuze wordt bij iedere instelling van Rvar aan de eerste evenwichtsvoorwaarde voldaan. De tweede voorwaarde wordt nu ω2R2varC2 = 1 of ωRvarC = 1 waaraan met de instelling van uitsluitend Rvar kan worden voldaan en waaruit ω dan tevens kan worden bepaald. Brugmetingen met wisselspanning worden moeilijker naarmate de frequentie hoger is door de invloed van allerlei ongewenste parasitaire koppelingen tussen de brugelementen, de generator en de detector. Door zorgvuldige elektrische en magnetische afscherming van de delen van de brugopstelling kan men deze beïnvloeding elimineren. Ook de aanwezigheid van met de aarde verbonden geleiders in de nabijheid van de brugelementen kan fouten introduceren die men met de zgn. wagneraarde kan verminderen.

< >