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Wägezellen-Verstärkerverstärkung

Berechnet Wägezellen-Ausgangsspannung, erforderliche Verstärkerverstärkung und Empfindlichkeit für Wheatstone-Brücken-Wägezellen.

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Formel

V_FS = S × V_ex, V_amp = V_FS × G

S— Sensitivity (mV/V)
V_ex— Excitation voltage (V)
G— Amplifier gain (V/V)

Wie es funktioniert

Eine Wägezelle ist ein Kraftaufnehmer, der mechanische Last mithilfe einer Wheatstone-Brücke aus Dehnungsmessstreifen, die mit einem Strukturelement verbunden sind, in ein elektrisches Signal umwandelt. Die Brückenleistung wird in der Regel als Empfindlichkeit in mV/V angegeben: der Ausgangsspannung in Millivolt pro Erregungsvolt bei voller Last. Eine 2-mV/V-Wägezelle bei 5-V-Erregung erzeugt bei voller Skala 10 mV. Da dieses Millivolt-Signal einen A/D-Wandler ansteuern muss (häufig 5 V oder 3,3 V bei voller Skala), ist ein Präzisions-Instrumentenverstärker erforderlich. Die erforderliche Verstärkung ist G = V_ADC_FS/V_FS, wobei V_ADC_FS die ADC-Vollspannung und V_FS die maximale Ausgangsleistung der Wägezelle in Volt ist. Zu den gängigen ICs gehören der INA125 (integrierte Spannungsreferenz), der INA128 und spezielle Wägezellenverstärker wie der HX711 (24-Bit, einschließlich ADC). Die Verlustleistung in der Wägezellenbrücke beträgt P = V_Ex²/ (4R_Bridge).

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Eine 50-kg-Wägezelle hat eine Empfindlichkeit von 2 mV/V bei 5-V-Erregung und speist einen 12-Bit-ADC mit einer Referenz von 3,3 V. Welche Verstärkungsstärke wird benötigt und wie hoch ist die Auflösung in Gramm? Lösung: 1. Ausgangsleistung bei voller Skala: V_FS = 2 mV/V × 5 V = 10 mV 2. Erforderliche Verstärkung: G = 3300 mV/10 mV = 330 V/V 3. ADC-Schritt: LSB = 3,3 V/4096 = 0,806 mV 4. Ausgangsschritt pro LSB: 0,806 mV/330 = 2,44 μV 5. Belastung pro LSB: (2,44 μV/10 mV) × 50 kg = 12,2 g/LSB Ergebnis: Verwenden Sie eine Verstärkung von 330 (z. B. INA128 mit R_G = 604/329 × 100 Ω ≈ 150 Ω); die Auflösung beträgt etwa 12 g pro ADC-Schritt.

Praktische Tipps

  • ✓Für eingebettete Systeme bietet das 24-Bit-ADC+-Verstärkermodul HX711 eine Komplettlösung zu sehr niedrigen Kosten mit einer integrierten programmierbaren Verstärkung von 64 oder 128.
  • ✓Schirmen Sie die Low-Level-Signalkabel zwischen der Wägezelle und dem Verstärker ab, um die 50/60-Hz-Aufnahme zu reduzieren. Verdrehen Sie die Erregungs- und Signaldrahtpaare getrennt.
  • ✓Stellen Sie den Brückenausgang nach der Montage in der Firmware auf Null — die mechanische Vorspannung aufgrund der Montageteile verschiebt den Nullpunkt und erfordert eine Tarakorrektur.

Häufige Fehler

  • ✗Vergessen wir, die Verstärkung für das Verstärkungsbandbreitenprodukt des Verstärkers zu verringern — bei einer Verstärkung von 500 mit einem 1-MHz-GBW-Operationsverstärker bleibt nur eine Bandbreite von 2 kHz übrig, was zu Einschwingproblemen führen kann.
  • ✗Das Weglassen der 4-Draht-Erregungsmessung (Kelvin) — der Leitungswiderstand im Erregerdraht verursacht einen Verstärkungsfehler proportional zu I × R_Lead; durch 6-Draht-Fernerkundung wird dies vermieden.
  • ✗Bei Verwendung eines Operationsverstärkers mit Einzelversorgung ohne Referenz für die mittlere Versorgung schwingt der Brückenausgang symmetrisch um Null, und ein Rail-to-Rail-Operationsverstärker, der auf V_cc/2 verweist, ist erforderlich, um ein Abklemmen negativer Ausgänge zu vermeiden.

Häufig gestellte Fragen

mV/V (Millivolt pro Volt) bedeutet, dass die Wägezelle eine bestimmte Anzahl von Millivolt für jedes Volt Brückenerregung ausgibt, wenn die volle Last angelegt wird. Eine 2-mV/V-Wägezelle bei 10-V-Erregung erzeugt 20 mV bei voller Skala. Diese normalisierte Spezifikation macht den Ausgang unabhängig von der Erregerspannung.
Ein 12-Bit-ADC liefert 4096 Schritte; über einen Bereich von 50 kg entspricht das einer Auflösung von etwa 12 g. Ein 24-Bit-ADC bietet 16 Millionen Schritte, theoretisch eine Auflösung von unter einem Milligramm, aber Rauschen, mechanische Vibrationen und thermische Drift begrenzen die praktische Auflösung in der Regel auf 14—16 Bit. Verwenden Sie für Waagen, die eine Auflösung von mehr als 1 zu 1000 benötigen, 24-Bit-ADCs mit ausreichender Mittelwertbildung.
Nicht für Wägezellen. Eine Wheatstone-Brücke hat einen schwimmenden Differenzausgang. Ein Standard-Operationsverstärker in Differentialkonfiguration benötigt exakt aufeinander abgestimmte Widerstände, um eine hohe Gleichtaktunterdrückung zu erreichen. Instrumentenverstärker (INAs) verfügen über eine präzise interne Anpassung (CMRR > 90 dB) und benötigen nur einen einzigen externen Verstärkungswiderstand.

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