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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— Empfindlichkeit (mV/V)

V_ex— Erregerspannung (V)

G— Verstärkung des Verstärkers (V/V)

Wie es funktioniert

Dieser Rechner bestimmt die Verstärkung des Instrumentenverstärkers für die Signalkonditionierung von Wägezellen, was für Waagendesigner, industrielle Automatisierungstechniker und Entwickler eingebetteter Systeme, die Wiegesysteme von Gramm bis Tonnen bauen, unverzichtbar ist. Bei Wägezellen handelt es sich um Wheatstone-Brücken mit Dehnungsmessstreifen, die bei voller Last Millivolt pro Erregungsvolt (mV/V) abgeben, typischerweise 1—3 mV/V gemäß den OIML R60- und NTEP-Standards. Eine 2-mV/V-Wägezelle mit 5-V-Erregung erzeugt nur eine Ausgangsleistung von 10 mV im vollen Messbereich und erfordert eine 100- bis 500-fache Verstärkung, um den ADC-Eingangsbereichen zu entsprechen. Erforderliche Verstärkung G = vADC_FS/VloadCell_FS, wobei vADC_FS die ADC-Vollspannung ist (typischerweise 3,3 V oder 5 V). Instrumentenverstärker (INA125, INA128, AD620) bieten eine präzise Differenzverstärkung mit einem CMRR von >90 dB zur Unterdrückung von Versorgungsgeräuschen. Der 24-Bit-ADC HX711 mit integriertem 128-fach-PGA hat sich zum De-facto-Standard für integriertes Wägen entwickelt und bietet eine Auflösung von 0,1 mg bei 10 SPS. Die Genauigkeit der Wägezelle gemäß OIML R60 Klasse C3 liegt bei +/- 0,02% (3000 Teilungen), weshalb besonders auf Geräusche und thermische Drift geachtet werden muss.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Entwurfsverstärkung für eine 50-kg-Wägezelle vom Typ S (2 mV/V-Empfindlichkeit, 350-Ohm-Brücke) mit 10-V-Erregung, die einen 16-Bit-ADC mit 4,096-V-Referenz speist. Zielauflösung 10 g.

Lösung:

Ausgangsleistung bei voller Skala: Vfs = 2 mV/V * 10 V = 20 mV
Erforderliche Auflösung: 50 kg/10 g = mindestens 5000 Teilungen
ADC-Schritt: 4,096 V/65536 = 62,5 uV/LSB
Erforderliche Verstärkung: G = 4096 mV/20 mV = 204,8 V/V (verwenden Sie 200 für Standardwerte)
Ausgangsleistung bei voller Skala: 20 mV * 200 = 4,0 V (innerhalb des Bereichs 4,096 V)
Effektive Auflösung: 62,5 uV/200/20 mV * 50 kg = 7,8 g/LSB
INA128-Verstärkungswiderstand: Rg = 50 kOhm/(G-1) = 50k/199 = 251 Ohm
Verlustleistung der Brücke: V^2/R = 100/350 = 286 mW

Ergebnis: Verwenden Sie INA128 mit Rg = 249 Ohm (0,1%) für G = 201. Die Auflösung beträgt 7,8 g pro ADC-Zähler und liegt damit über dem Sollwert von 10 g.

Praktische Tipps

✓Für kostengünstiges integriertes Wägen bietet der 24-Bit-ADC HX711 eine vollständige Signalkonditionierung (Anregung, Verstärkung, ADC) für <2 $; stellen Sie die Verstärkung auf 128 für 2-mV/V-Zellen oder 64 für 4-mV/V-Zellen gemäß Avia Semiconductor-Datenblatt ein
✓Schirmen Sie Low-Level-Signalleitungen zwischen Wägezelle und Verstärker ab, um 50/60-Hz-Aufnahmen zu verhindern; Verdrillungserregung und Signalpaare getrennt gemäß OIML R76 EMV-Anforderungen
✓Stellen Sie den Brückenausgang nach der mechanischen Installation in der Firmware auf Null; die Vorspannung der Montageteile verschiebt den Nullpunkt, sodass eine Tarakorrektur von typischerweise 5 bis 20% des Skalenendwerts erforderlich ist

Häufige Fehler

✗Ich habe vergessen, die Verstärkung für die Verstärkerbandbreite herabzusetzen: INA128 hat 1,3 MHz GBW, daher begrenzt eine Verstärkung von 500 die Bandbreite auf 2,6 kHz; für eine 10-Hz-Gewichtung mit Abgleich ist dies ausreichend, aber eine dynamische Gewichtung bei 100 Hz erfordert eine geringere Verstärkung oder einen schnelleren Verstärker
✗Verzicht auf die 6-adrige Erfassung: Der Leitungswiderstand in den Erregerdrähten verursacht einen Verstärkungsfehler proportional zur Rlead/R-Brücke; 5 m bei 22 AWG fügen 0,42 Ohm hinzu, was bei einer 350-Ohm-Brücke ohne Fernerkundung zu einem Fehler von 0,12% führt
✗Verwendung eines Operationsverstärkers mit Einzelversorgung ohne Pegelverschiebung: Der Brückenausgang schwankt um +/- VFS im Vex/2-Gleichtakt; Rail-to-Rail-Operationsverstärker benötigt Vref in der Mitte der Versorgung, oder verwenden Sie INA125 mit integrierter 2,5-V-Referenz

Häufig gestellte Fragen

Was bedeutet mV/V-Empfindlichkeit?

mV/V (Millivolt pro Volt) ist die normalisierte Wägezellenleistung: Millivolt Brückenleistung pro Erregungsvolt bei Volllast. Eine 2-mV/V-Zelle erzeugt bei 10-V-Erregung 20 mV bei Nennkapazität. Diese Spezifikation macht die Empfindlichkeit unabhängig von der Erregerspannung und ermöglicht so einen direkten Vergleich zwischen Wägezellen. Industrielle Zellen reichen gemäß den OIML R60-Spezifikationen von 1 mV/V (hohe Steifigkeit für dynamisches Wägen) bis 3 mV/V (Allzweck).

Wie wähle ich zwischen einem 12-Bit- und einem 24-Bit-ADC für Wägezellenanwendungen?

Ein 12-Bit-ADC liefert 4096 Zählungen; für einen Bereich von 50 kg entspricht das einer Auflösung von 12,2 g. Ein 24-Bit-ADC bietet 16,7 Millionen Zählungen, theoretisch eine Auflösung von unter einem Milligramm. Aufgrund von Rauschen, mechanischer Vibration und thermischer Drift ist die praktische Auflösung jedoch auf 16 bis 18 Bit begrenzt (65.000-262.000 Zählungen). Verwenden Sie für handelsübliche Waagen, die mehr als 3000 Divisionen erfordern (OIML-Klasse III), 24-Bit-ADCs mit Mittelwertbildung. Für industrielle Überwachungen mit einer Genauigkeit von +/ -1% sind 12 Bit ausreichend und schneller (10-100 kSPS gegenüber 10-80 SPS bei Sigma-Delta).

Kann ich einen Standard-Operationsverstärker anstelle eines Instrumentenverstärkers verwenden?

Nicht für Wägezellen empfohlen. Eine Wheatstone-Brücke hat einen variablen Differenzausgang; herkömmliche Operationsverstärker-Differenzverstärker benötigen Widerstände, die auf 0,01% abgestimmt sind, um einen CMRR von 80 dB zu erreichen. Instrumentenverstärker (INA128, AD620) verfügen über eine lasergetrimmte interne Anpassung für CMRR-Werte von >100 dB und benötigen nur einen externen Verstärkungswiderstand. Der Preisaufschlag (2—5 $ gegenüber 0,50$) ist gerechtfertigt, weil vier Präzisionswiderstände wegfallen und eine zuverlässige Leistung gemäß dem Anwendungshinweis AN-671 von Analog Devices erreicht wird.