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Sensor

Ganancia de Amplificador de Celda de Carga

Calcula el voltaje de salida de la celda de carga, ganancia requerida del amplificador y sensibilidad para celdas de carga de puente Wheatstone.

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Fórmula

VFS=S×Vex,Vamp=VFS×GV_FS = S × V_ex, V_amp = V_FS × G
S— Sensibilidad (mV/V)
V_ex— Tensión de excitación (V)
G— Ganancia del amplificador (V/V)

Cómo Funciona

Esta calculadora determina la ganancia del amplificador de instrumentación para el acondicionamiento de señales de células de carga, algo esencial para los diseñadores de básculas, los ingenieros de automatización industrial y los desarrolladores de sistemas integrados que crean sistemas de pesaje de gramos a toneladas. Las células de carga son puentes extensométricos de Wheatstone que emiten milivoltios por voltio de excitación (mV/V) a plena carga, normalmente de 1 a 3 mV/V según las normas OIML R60 y NTEP. Una célula de carga de 2 mV/V con una excitación de 5 V produce solo una salida a escala completa de 10 mV, lo que requiere una amplificación de 100 a 500 veces para adaptarse a los rangos de entrada del ADC. Ganancia requerida G = vADC_fs/ Vloadcell_fs, donde vADC_fs es el voltaje de escala completa del ADC (normalmente 3,3 V o 5 V). Los amplificadores de instrumentación (INA125, INA128, AD620) proporcionan una ganancia diferencial precisa con un CMRR superior a 90 dB para rechazar el ruido de alimentación. El ADC HX711 de 24 bits con PGA integrado de 128 aumentos se ha convertido en el estándar de facto para el pesaje integrado, ya que ofrece una resolución de 0,1 mg a 10 SPS. La precisión de las células de carga según el OIML R60 de clase C3 es de +/ -0,02% (3000 divisiones), por lo que es necesario prestar especial atención al ruido y a la deriva térmica.

Ejemplo Resuelto

Problema: Diseñe la amplificación para una célula de carga tipo S de 50 kg (sensibilidad de 2 mV/V, puente de 350 ohmios) con excitación de 10 V, alimentando un ADC de 16 bits con una referencia de 4,096 V. Objetivo de resolución de 10 g.

Solución:

  1. Salida a gran escala: Vfs = 2 mV/V * 10 V = 20 mV
  2. Resolución requerida: 50 kg/10 g = 5000 divisiones como mínimo
  3. Paso ADC: 4,096 V/65536 = 62,5 uV/lsb
  4. Ganancia requerida: G = 4096 mV/20 mV = 204,8 V/V (utilice 200 para los valores estándar)
  5. Salida a escala completa: 20 mV * 200 = 4,0 V (dentro del rango de 4,096 V)
  6. Resolución efectiva: 62,5 uV/ 200/ 20 mV * 50 kg = 7,8 g/lsB
  7. Resistencia de ganancia INA128: Rg = 50 kOhm/(G-1) = 50 k/199 = 251 ohmios
  8. Disipación de potencia del puente: V^2/R = 100/350 = 286 mW
Resultado: utilice INA128 con Rg = 249 ohmios (0,1%) para G = 201. La resolución es de 7,8 g por cada recuento de ADC, lo que supera el objetivo de 10 g.

Consejos Prácticos

  • ✓Para un pesaje integrado rentable, el ADC de 24 bits HX711 proporciona un acondicionamiento completo de la señal (excitación, amplificación, ADC) por menos de 2 dólares; establezca la ganancia en 128 para celdas de 2 mV/V o 64 para celdas de 4 mV/V según la hoja de datos de Avia Semiconductor
  • ✓Proteja el cableado de señal de bajo nivel entre la célula de carga y el amplificador para rechazar la captación de 50/60 Hz; tuerza los pares de señal y excitación por separado según los requisitos de EMC del OIML R76
  • ✓Ponga a cero la salida del puente en el firmware después de la instalación mecánica; la precarga del hardware de montaje desplaza el punto cero, lo que requiere una corrección de tara, por lo general, del 5 al 20% a escala completa

Errores Comunes

  • ✗Olvidar reducir la ganancia del ancho de banda del amplificador: el INA128 tiene un GBW de 1,3 MHz, por lo que una ganancia de 500 limita el ancho de banda a 2,6 kHz; para un pesaje de 10 Hz con estabilización, esto es adecuado, pero el pesaje dinámico a 100 Hz requiere una ganancia más baja o un amplificador más rápido
  • ✗Omitir la detección de 6 hilos: la resistencia del cable en los cables de excitación provoca un error de ganancia proporcional al puente Rlead/R; 5 m de 22 AWG añaden 0,42 ohmios, lo que provoca un error del 0,12% en un puente de 350 ohmios sin teledetección
  • ✗Uso de un amplificador operacional de fuente única sin cambio de nivel: la salida puente oscila +/- Vfs en torno al modo común Vex/2; el amplificador operacional de riel a riel necesita Vref a mitad de suministro, o usa el INA125 con una referencia de 2,5 V incorporada

Preguntas Frecuentes

mV/V (milivoltios por voltio) es la salida normalizada de la célula de carga: milivoltios de salida de puente por voltio de excitación a plena carga. Una celda de 2 mV/V con una excitación de 10 V produce 20 mV a su capacidad nominal. Esta especificación hace que la sensibilidad sea independiente del voltaje de excitación, lo que permite una comparación directa entre las celdas de carga. Las celdas industriales varían entre 1 mV/V (alta rigidez para el pesaje dinámico) y 3 mV/V (uso general) según las especificaciones de la OIML R60.
Un ADC de 12 bits proporciona 4096 recuentos; para un rango de 50 kg, es decir, una resolución de 12,2 g. Un ADC de 24 bits proporciona 16,7 millones de recuentos, una resolución teóricamente inferior a los miligramos. Sin embargo, el ruido, la vibración mecánica y la deriva térmica limitan la resolución práctica a entre 16 y 18 bits efectivos (65 000 a 262 000 recuentos). En el caso de básculas legales para el comercio que requieran más de 3000 divisiones (clase III del OIML), utilice ADC de 24 bits con un promedio. Para una monitorización industrial con una precisión de +/ -1%, 12 bits son suficientes y más rápidos (10 a 100 kSPS frente a 10 a 80 SPS para la sigma-delta).
No se recomienda para células de carga. Un puente de Wheatstone tiene una salida diferencial flotante; los amplificadores diferenciales estándar para amplificadores operacionales requieren resistencias ajustadas al 0,01% para lograr un CMRR de 80 dB. Los amplificadores de instrumentación (INA128, AD620) tienen una adaptación interna recortada con láser para un CMRR superior a 100 dB y solo necesitan una resistencia de ganancia externa. La prima de coste (entre 2 y 5 dólares frente a 0,50 dólares) se justifica al eliminar cuatro resistencias de precisión y lograr un rendimiento fiable según la nota de aplicación AN-671 de Analog Devices.

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