Ganancia del amplificador de celda de carga: obtención de una salida de voltaje útil

Por qué las señales de las células de carga son tan molestas

Las células de carga están en todas partes: básculas industriales, equipos de medición de fuerza, sensores de par e incluso esa báscula de baño que siempre quieres hackear. Son fiables, precisas y se basan en una física bien entendida. Pero producen señales absolutamente diminutas, y ahí es donde la mayoría de los proyectos fracasan.

Una célula de carga típica es un puente de Wheatstone formado por galgas extensométricas adheridas a un elemento metálico. Cuando aplicas fuerza, el elemento se deforma, las resistencias cambian y se obtiene una tensión diferencial. Suena bastante simple. El problema es la sensibilidad: la mayoría de las células de carga emiten entre 1 mV/V y 3 mV/V a gran escala. Esa notación de «mV/V» hace que la gente se asuste constantemente, así que seamos claros: significa milivoltios de salida por voltio de excitación, a plena carga nominal.

Por lo tanto, si lo que busca es una célula de carga de 2 mV/V con 5 V y le pone la carga nominal completa, obtendrá 10 mV. Ese es el rango completo de su señal. Intenta introducir 10 mV en un ADC de 12 bits con una referencia de 3,3 V y utilizarás unos 12 conteos de tu 4096. No es genial.

La matemática de la cadena de señales

Analicemos lo que realmente está sucediendo. La tensión de salida a gran escala de su célula de carga es:

donde $V_{EX}$ es el voltaje de excitación y $S$ es la sensibilidad en mV/V (que debes convertir a V/V para que los cálculos funcionen, de modo que 2 mV/V se convierten en 0.002 V/V).

Tras la amplificación:

donde $G$ es la ganancia de su amplificador. Quieres que el $V_{AMP}$ esté cerca de la entrada de escala completa de tu ADC sin que se interrumpa.

La sensibilidad de todo el sistema (los voltios por unidad de carga) pasa a ser:

donde $F_{FS}$ es tu carga máxima en cualquier unidad con la que estés trabajando (kg, lb, N, no importa, siempre y cuando mantengas la consistencia).

Y si tu objetivo es un rango de entrada de ADC específico, puedes trabajar hacia atrás para encontrar la ganancia requerida:

Ejemplo práctico: una célula de carga de 100 kg

Supongamos que tiene una célula de carga de 100 kg con una sensibilidad de 2 mV/V. Está utilizando una excitación de 10 V (bastante común en las células industriales) y desea enviar la señal a un ADC de microcontrolador con una referencia de 5 V. Tienes un amplificador de instrumentación INA125 en tu contenedor de piezas.

En primer lugar, busca la salida a gran escala:

Esa es toda tu oscilación de señal a 100 kg. Con 50 kg, verías 10 mV. Con 1 kg, verías 200 µV. Por eso necesitas la amplificación.

Para llenar un rango de ADC de 5 V, necesita:

Por lo tanto, una ganancia de 250 haría que la carga a escala completa fuera de 5 V. En la práctica, se reduciría un poco; tal vez, el objetivo sería alcanzar 4,5 V a gran escala para tener más margen de maniobra. Esto supone una ganancia de 225.

Ahora, el INA125 ajusta la ganancia con una sola resistencia de acuerdo con el artículo $G = 4 + \frac{60\text{k}\\Omega}{R_G}$. Para G = 250:

Probablemente usarías una resistencia de 240 Ω o 249 Ω, dependiendo del contenido de tu kit, lo que te daría una ganancia de 254 o 245, respectivamente. Lo suficientemente cerca.

Con una ganancia de 250, la sensibilidad del sistema pasa a ser:

O lo que es lo mismo, 20 cuentas por gramo en un ADC de 12 bits. Es una resolución viable para la mayoría de las aplicaciones de pesaje.

Compensaciones entre el voltaje de excitación

Una mayor excitación significa más señal, lo cual es genial. Pero hay límites.

La mayoría de las células de carga especifican un voltaje de excitación máximo, a menudo de 10 V o 15 V. Si subes el voltaje, cocinarás las galgas extensométricas. La disipación de energía en el puente es P = V_EX²/R_bridge, y con un puente de 350 Ω a 10 V, son casi 300 mW. El calor tiene que ir a alguna parte y, si provoca gradientes térmicos en el cuerpo de la célula de carga, se producirá una deriva.

Una excitación más baja reduce el calentamiento automático, pero proporciona menos señal con la que trabajar. En las aplicaciones que funcionan con baterías, es habitual que se produzca una excitación de 3,3 V o 5 V, y se acepta que se necesita más ganancia. Una celda de 2 mV/V con una excitación de 3,3 V proporciona solo 6,6 mV a escala completa; se necesitaría una ganancia de unos 750 para cubrir un rango de ADC de 5 V.

También está la cuestión de la estabilidad de la excitación. La salida de la célula de carga es radiométrica con respecto al voltaje de excitación. Si su excitación se desvía un 0,1%, su lectura se desvía un 0,1%. Al utilizar una referencia de precisión para la excitación, o mejor aún, utilizar un ADC radiométrico que haga referencia a la misma fuente de alimentación, se elimina esta fuente de error.

Errores y errores comunes

Olvidando las unidades mV/V

Veo esto constantemente. Alguien lee «2 mV/V» en una hoja de datos e introduce 2 en su cálculo de ganancia como si se tratara de voltios. El resultado es una ganancia que se reduce en un factor de 1000. La salida de tu amplificador será de microvoltios cuando esperabas, y pasarás una hora convencido de que la célula de carga está rota.

Ignorar el voltaje de compensación

Las células de carga tienen un desfase de carga cero, que normalmente se especifica como un porcentaje de la escala total. Una celda con una compensación de ± 0.05% con una excitación de 10 V podría tener una compensación de ± 5 mV incluso antes de aplicar la carga. Tras una ganancia de 250, se obtiene un desfase de ±1,25 V en la entrada del ADC. Si su ADC no puede soportar voltajes negativos (la mayoría de los ADC de MCU de suministro único no pueden), tiene un problema.

La solución puede ser un acoplamiento de corriente alterna (que rara vez es adecuado para el pesaje), un cambio de nivel o, lo que es más habitual, simplemente aceptar la compensación y calibrarla mediante software. Pero debes asegurarte de que la salida del amplificador se mantenga dentro del rango de entrada del ADC en todo el rango de compensación más el rango de señal.

Elegir la ganancia sin tener en cuenta el ruido

Una ganancia más alta lo amplifica todo, incluido el ruido. Si la célula de carga y el cableado detectan 50 µV de interferencia, una ganancia de 500 la convierte en 25 mV de ruido en el ADC. Podrían ser varios LSB en un convertidor de 12 bits.

El ruido de entrada del amplificador de instrumentación también es importante. Un amplificador barato con un ruido de entrada de 50 nV/√Hz aportará unos 5 µV RMS en un ancho de banda de 10 kHz, lo que no es nada malo, pero suma. Los buenos amplificadores de celda de carga, como el INA125 o el AD620, están diseñados para esta aplicación y tienen menos ruido.

No se filtra antes del ADC

Las señales de las células de carga son lentas. El peso no cambia a velocidades de kilohercios (a menos que algo haya ido muy mal). Un simple filtro RC de paso bajo antes del ADC (incluso solo 1 kΩ y 100 nF para un límite de 1,6 kHz) elimina el ruido de alta frecuencia y evita la formación de alias. Omitir este paso porque la opción «filtraré por software» es una tontería y supone un coste de rango dinámico.

Uso de una topología de amplificación incorrecta

Una célula de carga emite una señal diferencial. El uso de una configuración de amplificador operacional de un solo extremo elimina el rechazo del modo común que hace que las células de carga funcionen bien en entornos ruidosos. Utilice siempre un amplificador de instrumentación o una interfaz adecuada de diferencial a un solo extremo.

Sobrecargar el amplificador

Si alguien se para en tu báscula de 100 kg, es posible que peses 150 kg brevemente. Con una ganancia ajustada para 100 kg a 5 V, esa sobrecarga hace que el amplificador alcance 7,5 V, excepto que no puede funcionar, por lo que se bloquea. Algunos amplificadores se recuperan de los cortes con facilidad; otros tardan milisegundos en volver a funcionar, durante los cuales las lecturas son basura. Diseñe para el caso de sobrecarga o añada circuitos de protección.

Selección práctica de ganancias

No apuntes exactamente al 100% de tu rango de ADC. Apunte entre un 80 y un 90% para dejar margen para las tolerancias de compensación, sobrecarga y componentes. Si sus cálculos indican que necesita una ganancia de 250, considere usar 200 en su lugar.

Considera también si vas a aplicar algún tipo de filtrado analógico o cambio de nivel que afecte a tu rango de voltaje. Si vas a añadir una compensación de 0,5 V para mantener la señal positiva, tu rango utilizable ahora es de 0,5 V a 5 V, no de 0 a 5 V.

Y comprueba qué valores de ganancia puede producir realmente el amplificador elegido. La ecuación de ganancia del INA125 significa que ciertas ganancias son más fáciles de alcanzar que otras. Es posible que 200 requiera un valor de resistencia estándar, mientras que 225 requiere algo extraño.

Pruébalo

Los cálculos no son difíciles, pero es fácil cometer errores unitarios u olvidar un factor de 1000 en alguna parte. Abre la calculadora de ganancia del amplificador de celda de carga para comprobar rápidamente tus números. Introduce el voltaje de excitación, la sensibilidad de la celda de carga, la carga máxima y la ganancia propuesta. Verás de inmediato la salida completa, el voltaje amplificado, la sensibilidad del sistema y la ganancia que necesitarías para alcanzar un rango de ADC de 5 V. Se trata de una comprobación del estado físico que tarda diez segundos y que puede ahorrarle una tarde de depuración.