Wheatstone köprüsü nedir?

Wheatstone köprüsü, dört dirençten oluşan ve iki orta noktanın gerilim farkını karşılaştıran bir ölçüm devresidir. Bilinmeyen bir direnci denge yöntemiyle bulmak veya bir sensördeki çok küçük direnç değişimini gerilim sinyaline dönüştürmek için kullanılır. Strain gauge ve rezistif sensör ölçümlerinin temel devrelerinden biridir.

Mantığı: aynı beslemeye bağlı iki gerilim bölücü

Sol kolda R1 üstte, R2 altta; sağ kolda R3 üstte, R4 altta bulunur. Besleme üst ve alt hat arasına uygulanır. A, sol kolun; B, sağ kolun orta noktasıdır. Köprü çıkışı Vout = VA − VB olarak ölçülür. A ve B aynı gerilimdeyse çıkış sıfırdır; farklıysa çıkış oluşur.

Klasik düzende A–B arasına bir galvanometre bağlanır ve sıfır akım noktası aranır. Modern ölçümde yüksek giriş dirençli voltmetre, diferansiyel yükselteç veya uygun ölçüm elektroniği kullanılır. Bu iki gerilim bölücünün hesabı Ohm yasasına dayanır.

R4 değişince ne olur?

Aşağıdaki anlatımda besleme 5 V, R1 = R2 = R3 = 1.000 Ω sabittir. Başlat düğmesine basınca R4’ün üç durumu sırayla gösterilir. Her adımda değişen direnç, B noktasının gerilimi ve çıkış işareti birlikte okunabilir. Durdur / sıfırla, dengeli duruma döndürür.

R4 = 1.000 Ω: VA = VB = 2,500 V; çıkış 0 V olur. R4 = 1.100 Ω: VB yaklaşık 2,619 V’a yükselir; çıkış yaklaşık −119 mV olur. R4 = 900 Ω: VB yaklaşık 2,368 V’a düşer; çıkış yaklaşık +132 mV olur. Ölçü girişinin yüklemesi ihmal edilmiştir; değerler yuvarlanmıştır.

Dengede hangi akım sıfır olur?

Dengede tüm devrenin akımı sıfır olmaz. A ve B aynı potansiyelde olduğu için aralarındaki galvanometre kolundan akım geçmez. Buna karşılık besleme, dirençlerin bulunduğu iki koldan akım geçirmeye devam eder.

Örneğin dört direnç 1 kΩ ve besleme 5 V iken her kolun toplam direnci 2 kΩ’dur. Sol kol akımı 2,5 mA, sağ kol akımı 2,5 mA ve kaynaktan çekilen toplam akım 5 mA olur. Köprü çıkışı ise hâlâ 0 V’tur. “Sıfır fark gerilimi” ile “sıfır besleme akımı” aynı şey değildir.

Bilinmeyen direnci ölçmek ile sensörü okumak

Dengeyle direnç bulma: R4 yerine bilinmeyen Rx bağlanır, bilinen kollardan biri ayarlanır ve A–B farkı sıfıra getirilir. Bu yerleşimde denge koşulu R1 × Rx = R2 × R3 olur; buradan Rx = (R2 × R3) / R1 bulunur. Dört direncin eşit olması gerekmez. İşlemin türetimi ve örnekleri Wheatstone köprüsü formülü sayfasındadır.

Sensör okuma: başlangıçta dengeye yakın bir köprü kurulur. Kuvvet, basınç veya sıcaklık bir ya da birkaç direnci değiştirince oluşan çıkış sürekli ölçülür. Her ölçümde köprüyü yeniden sıfırlamak gerekmez. Devrenin genel çıkışı Vout = Vs × [R2 / (R1 + R2) − R4 / (R3 + R4)] şeklindedir. Ayrıntılı örnekler için köprü gerilimi hesaplamasına bakabilirsiniz.

Endüstride nerede kullanılır?

Kuvvet ve ağırlık: rezistif load-cell içinde yer alan strain gauge elemanları, mekanik şekil değişimini direnç değişimine çevirir. Köprü bu değişimden bir fark gerilimi üretir. Load-cell çalışma prensibi ile ağırlık ölçümü arasındaki bağlantı burada kurulur; kilogram değerine geçmek için kalibrasyon gerekir.

Basınç: rezistif ölçüm elemanları içeren bir basınç sensöründe, diyaframın şekil değiştirmesi köprü dengesini değiştirir. Sıcaklık: Pt100 veya NTC gibi direnç esaslı sensörler bir köprü devresinde ölçülebilir. Ancak her basınç veya sıcaklık sensörü Wheatstone köprüsü kullanmaz; modern RTD girişleri farklı ölçüm yöntemleri de kullanabilir.

Çeyrek, yarım ve tam köprü ne demektir?

Çeyrek köprüde bir, yarım köprüde iki, tam köprüde dört aktif direnç ölçülen etkiye cevap verir. Aktif eleman, örneğin kuvvetle direnci değişen strain gauge’dur. Geri kalan kollar köprüyü tamamlar; bazı düzenlerde sıcaklık telafisi için ek eleman kullanılır. “Çeyrek köprü” yalnızca bir dirençten oluşan devre demek değildir. Dört kol yine tamamlanmalıdır.

Neden küçük sinyaller için kullanışlıdır?

İki büyük orta nokta gerilimini ayrı ayrı ölçüp çıkarmak yerine, aradaki küçük fark doğrudan ölçülüp yükseltilebilir. Fakat doğruluk kendiliğinden oluşmaz: direnç toleransı, kablo direnci, sıcaklık, yükselteç hataları ve gürültü sonucu etkiler. Multimetreyle direnç ölçerken besleme ayrılmalı, devredeki diğer yollar dikkate alınmalıdır.

Milivolt seviyesindeki analog gerilim için uygun diferansiyel analog giriş veya köprü ölçüm elektroniği seçilir. İki giriş noktası yaklaşık 2,5 V’ta bulunurken aralarındaki analog sinyal yalnızca birkaç milivolt olabilir. Bu nedenle hem küçük farkı ölçme kapasitesi hem ortak mod gerilim aralığı kontrol edilmelidir.

Teknik kaynaklar: NI — Measuring Strain with Strain Gages · Analog Devices — Resistive Bridge Basics · Texas Instruments — A Basic Guide to Bridge Measurements.