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Sensor

ホイートストンブリッジカリキュレータ

ホイートストンブリッジの出力電圧、バランス状態、および感度を計算します。ひずみゲージ、RTD、高精度抵抗測定に使用されます。

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公式

Vout=Vin(R3R1+R3−R4R2+R4)V_{out} = V_{in} \left(\frac{R_3}{R_1+R_3} - \frac{R_4}{R_2+R_4}\right)
V_out— 差動出力電圧 (V)
V_in— ブリッジ電源電圧 (V)
R1–R4— ブリッジアーム抵抗 (Ω)

仕組み

この計算機は、ホイートストンブリッジの出力電圧とバランス条件を計算します。これは、精密測定技術を学ぶ計装エンジニア、センサー設計者、電子工学を学ぶ学生にとって不可欠です。ホイートストンブリッジは、小さな抵抗変化を測定可能な電圧に変換するための基本回路で、ひずみゲージ、RTD、ロードセル、圧力センサーに使用されます。ブリッジ出力はVout = Vin (R3/ (R1+R3)-R4/ (R2+R4)) で、R1/R2 = R3/R4 (平衡状態) の場合はゼロに等しくなります。片方のアームの抵抗変化がわずかdRの場合、公称抵抗Rのクォータブリッジでは直線化出力はVout = Vin dR/ (4*R) です。IEEE 1451.4 (スマートトランスデューサインターフェース) によると、ブリッジベースのセンサーは適切な信号調整を行えば+/ -0.02% の精度を実現します。1 つのアクティブアームの感度は、抵抗変化が 0.1% あたり 0.25 mV/V です。フルブリッジ構成 (4 つのアクティブアーム) では、ASTM E251 ストレインゲージ規格に従い、対向のアームが同じ温度になった場合に 4 倍の感度 (0.1% の変化につき 1 mV/V) と自動温度補正が可能になります。

計算例

問題:プラチナ RTD (PT100) 温度センサー用のホイートストンブリッジを設計します。目標:12 ビット ADC (3.3 V リファレンス) を使用して、0 ～ 200 ℃ を 0.1C の分解能で測定します。ブリッジ励起は 1 mA の定電流です。

解決策: 1。PT100 抵抗:0C で R0 = 100 オーム、200C で R200 = 175.86 オーム (IEC 60751) 2.抵抗値の変化:200℃以上でルピー=175.86-100=75.86オーム 3.ブリッジ構成:R1 = R2 = R4 = 100 オーム固定、R3 = PT100 (可変) 4.励起電圧:ベックス = 1 mA × 100 オーム = 1 アームあたり 0.1 V、ただし電圧源を使用してください 5.適切な信号を得るには Vex = 2.5V を使用してください。VOUT_Max = 2.5* (175.86/ (100+175.86) -100/ (100+100)) 6.VOUT_Max = 2.5* (0.637-0.5) = 2.5* 0.137 = 200C で 343 mV 7.必要なゲイン:G = 3000 mV/343 mV = 8.75 (マージンには 10 を使用) 8.解像度:3.3V/4096/10/343 mV * 200C = 0.047C/LSB (0.1C 目標を超えています) 9.自己発熱:2.5V^2/ (4*100) = 15.6 mW (0.5Cの誤差が発生する可能性があります。重要な場合は1Vの励起を使用してください)

結果:励起電圧が2.5V、ゲインが10倍のブリッジは、200℃で0.05C/LSBの分解能で343mVの出力が得られます。

実践的なヒント

  • ✓最高の安定性を実現するには、固定ブリッジアームにフォイル抵抗器 (+/-2 ppm/C TCR、+/ -0.01％の許容誤差) を使用してください。ビシェイ社のVHPシリーズとTE Connectivity VSMPシリーズは、MIL-PRF-55182に準拠した精密ブリッジの業界標準です。
  • ✓リモートセンサー (R3) には3線式または4線式で接続し、リード抵抗誤差をなくします。3線式では、ASTM E1137 RTD測定規格に従って隣接するアームのリードを一致させることでリード抵抗が相殺されます。
  • ✓ブリッジ出力（10〜100 Hzのカットオフ）の後にローパスフィルターを追加して、50/60 Hzのピックアップを除去します。R = 10 kOhm、C = 0.1 uFのシンプルなRCフィルターは、最小限の負荷で160 Hzのカットオフを実現します。

よくある間違い

  • ✗バランス条件の誤解：バランスは、R1*R4 = R2*R3ではなく、R1/R2 = R3/R4のときに発生します。どちらの形式も数学的には同等ですが、比率形式はどの抵抗が同じブリッジアームにあるかを示します
  • ✗固定抵抗器の温度係数を無視すると、標準の 1% 金属皮膜抵抗器のTCRは+/-100ppm/C、50℃を超えると 0.5% のドリフトが測定誤差として現れます。ブリッジアームには+/-25 ppm/C以上を使用してください
  • ✗不適切な励起レベルの使用:電圧が高くなると SNR は向上しますが、自己発熱 (I^2*R 損失) が発生します。PT100 ブリッジの場合、IEC 60751 に従って自己発熱を 0.1C 未満に抑えるため、励起電流を 1 mA に制限してください

よくある質問

ホイートストンブリッジは、小さな抵抗変化 (0.01-1%) を測定可能な差動電圧に変換します。その用途は、ひずみゲージの力/圧力測定 (ASTM E251では+/ -0.02% の精度)、RTD温度検知 (IEC 60751では+/-0.1C)、ロードセル計量システム (OIML R60あたり+/ -0.02%)、および一般的な高精度抵抗測定 (ヌル検出器achiです) 検流計で+/-0.001％）。差動出力は、マッチング抵抗またはダミーゲージを使用すると、同相ノイズ (電源変動、EMI) と温度ドリフトを除去します。
バランス (Vout = 0) は、R1/R2 = R3/R4のときに発生します。ディケード・レジスタンス・ブリッジ (ケルビン・ダブル・ブリッジ) では、片方のアームにキャリブレーション済みの可変抵抗器が組み込まれています。可変抵抗器は、ヌル・ディテクタがゼロになるまで調整されます。その場合、未知の抵抗値は、ダイヤルの読み取り値にレシオアームを掛けたものに等しくなります。センサー用途では、ブリッジは意図的にアンバランスになっています。出力電圧は測定値 (ひずみ、温度、力) に比例します。ヌル測定では、NIST のキャリブレーション手順に従って最高の精度 (+/ -0.01%) が得られます。

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