ホイートストンブリッジ

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チャールズ・ホイートストン

ホイートストンブリッジ (英語: Wheatstone bridge) は、ひずみゲージなどの抵抗測定に用いられる回路である。 1833年にサミュエル・ハンター・クリスティ(S.H.Christi 1784-1865)によって発明され、1843年にチャールズ・ホイートストンによって広められ[1]、広く使われるようになった。 未知の抵抗を含む4つの抵抗をブリッジ状に配置して、中間点の電位差を測定することによって、未知の抵抗値を測定する。

理論[編集]

ブリッジ回路が平衡状態の場合[編集]

Wheatstonebridge.svg
ホイートストンブリッジ

左図に示すブリッジ回路において、R_{x}を未知抵抗、R_{1}R_{3}を既知抵抗、R_{2}を可変抵抗とする。また、ブリッジ回路をABCと流れる電流をI_{1}、ADCと流れる電流をI_{2}とする。なお、R_{1}R_{3}は比例辺(ratio arm)[2][3][4][4][5][6]R_{2}は、抵抗辺[3]、可変抵抗辺(rheostat arm)[4]、測定辺(measuring arm)[4][6]、標準辺[5]と呼ばれることもある。

ここで、R_{2}の抵抗値を調整することで検流計VGの振れがゼロになり、ブリッジが平衡すれば、各抵抗部における電圧低下は以下に示す式となる[7]

R_{3}I_{1}=R_{1}I_{2}
R_{x}I_{1}=R_{4}I_{2}

上二式のI_{1}I_{2}についての連立方程式を解けば

\frac{R_{2}}{R_{1}}=\frac{R_{x}}{R_{3}}
R_x=\frac{R_3}{R_1}R_{2}

この測定回路では、電圧がちょうどゼロになることを精度よく測定できるので、R_{1}R_{2}R_{3}が精度よくわかっていれば、R_{x}も測定器の内部抵抗を受けることなく、精度よく求めることができる(零位法)。 逆にR_{x}の微小な変化も、電圧の平衡が失われることによって検出することができる。

誤差の発生要因[編集]

ホイートストンブリッジによる未知抵抗の測定は零位法であるため、誤差が少ない精密測定に効果的であるが[2]、以下の5点による誤差要因を考えることができる。 R_{1},R_{2},R_{3}を既知の固定抵抗として、中間点の電位差、または電流値から R_{x}を求めることもできる[8]

  1. 既知抵抗、可変抵抗の真値と公称値とのずれ
  2. 平衡読み取りの誤り
  3. 回路中の熱起電力
  4. 通電による加熱、高い周囲温度による抵抗の加熱がもたらす抵抗値の変化
  5. リード線抵抗、接触抵抗

従って、ブリッジへの印加電圧を低く保つことを要する[9]。 電圧源を交流電源(交流信号源)、検流計を交流を検出するものに置き換えることで、抵抗値の測定用からインピーダンスの測定用に拡張できる。

ひずみゲージの測定回路として用いられる他、さまざまな電気量の測定回路として用いられる基本的な回路である。

鉄道車両では、主電動機の接続方法を切換る際に急激なトルク変動を抑える目的でこの回路が応用され、橋絡渡り方式と呼ばれている。

出典[編集]

  1. ^ 大照完 1966, p. 77.
  2. ^ a b 大熊栄作 1979, p. 142.
  3. ^ a b 山崎亨、岩村衛 1983, p. 144.
  4. ^ a b c d 大照完 1966, p. 78.
  5. ^ a b 大重力 1977, p. 103.
  6. ^ a b 電気学会通信教育会 1987, p. 94.
  7. ^ 熊谷文宏 1991, p. 80.
  8. ^ 電気学会通信教育会 1987, p. 92.
  9. ^ 電気学会通信教育会 1987, p. 93.

参考文献[編集]

  • 熊谷文宏 『絵とき 電気電子測定』 オーム社、1991年4月10日、初版。全国書誌番号:91036927ISBN 4274033198
  • 大照完 『基礎電気測定』 オーム社〈現代電気工学講座〉、1966年8月25日、初版。全国書誌番号:53006180
  • 大熊栄作 『入門 電気計測 詳解付』 東京電機大学出版局、1979年2月10日、初版。全国書誌番号:79009454
  • 山崎亨、岩村衛 『電気測定』 電気書院〈最高級電験講座〉、1983年5月20日、改訂初版。全国書誌番号:83030642
  • 大重力 『電気計測』 森北出版〈森北電気工学シリーズ〉、1977年4月20日、初版。全国書誌番号:77022303
  • 電気学会通信教育会 『電気測定法』 電気学会〈電気学会大学講座〉、1987年9月21日、第15版。全国書誌番号:68003513

関連項目[編集]