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Sensor

Salida del Puente de Sensor de Presión

Calcula el voltaje de salida del puente Wheatstone para sensores de presión piezoresistivos a partir de excitación, sensibilidad y presión aplicada.

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Fórmula

Vout=Vex×S×(P/PFS)V_out = V_ex × S × (P/P_FS)
S— Sensibilidad (mV/V)
P_FS— Presión a gran escala (kPa)

Cómo Funciona

Esta calculadora calcula el voltaje de salida del puente del sensor de presión piezorresistivo, esencial para los ingenieros de control de procesos, los diseñadores de sistemas HVAC y los integradores de sensores automotrices. Los sensores de presión piezorresistivos contienen un puente de Wheatstone compuesto por galgas extensométricas difusas o de película delgada sobre un diafragma de silicio o acero. La presión aplicada desvía el diafragma y cambia la resistencia para desequilibrar el puente. La salida es Vout = Vex S (P/Pfs), donde Vex es el voltaje de excitación (de 5 a 10 V, normalmente), S es la sensibilidad en mV/V (normalmente, de 10 a 30 mV/V según las recomendaciones de la OIML), P es la presión aplicada y Pfs es la presión a gran escala. Un sensor de 20 mV/V con una excitación de 5 V produce 100 mV a gran escala. Según la norma IEC 61298, las especificaciones de los sensores de presión incluyen la precisión (+/- -1% FS), la no linealidad (+/ -0,1-0,5% FS), la histéresis (+/ -0,005-0,2% FS) y el cambio térmico cero (normalmente +/ -0,02% FS/C). Los sensores industriales de Honeywell, Sensata y Bosch alcanzan una banda de error total (TEB) de +/ -0,25% FS entre -40 y +125 °C según la calificación automotriz AEC-Q100.

Ejemplo Resuelto

Problema: Acondicionamiento de señal de tamaño para un sensor de presión MLH500PSB01A de Honeywell (0-500 psi, sensibilidad de 20 mV/V) en un sistema hidráulico. La excitación es de 10 V, el ADC es de 12 bits con una referencia de 5 V.

Solución:

  1. Salida a gran escala: Vfs = 10 V * 20 mV/V = 200 mV
  2. Ganancia requerida del amplificador: G = 4500 mV/200 mV = 22,5 V/V (deje espacio libre para la compensación)
  3. Utilice INA128 con Rg = 50 k/ (G-1) = 50 k/21,5 = 2,33 kOhm (utilice 2,32 kOhm al 0,1%)
  4. Salida a 350 psi: Vout = 200 mV (350/500) 22,5 = 3,15 V
  5. Resolución ADC: 5 V/4096 = 1,22 mV/lsb
  6. Resolución de presión: 1,22 mV/22,5/200 mV * 500 psi = 0,136 psi/LSB
  7. Precisión del sensor: +/ -0,25% FS = +/- 1,25 psi por hoja de datos TEB
  8. Voltaje de modo común: Vex/2 = 5 V (el INA128 maneja 0-5 V Vcm con una fuente de 5 V)
Resultado: el INA128 con G = 22,5 proporciona una resolución de 0,14 psi. El sensor TEB (+/-1,25 psi) domina la precisión del sistema.

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice la operación radiométrica: conecte tanto la referencia del ADC como la excitación del sensor a la misma tensión regulada; si el suministro fluctúa un +/ -5%, tanto la escala proporcional como la relación Vout/Vex permanecen constantes, según la nota técnica HSC-AN-800 de Honeywell
  • ✓Para obtener una precisión absoluta, realice una calibración de dos puntos a presión cero y presión de referencia conocida (calibrador rastreable por el NIST) para corregir los errores de compensación y ganancia según los requisitos de la norma ISO 17025
  • ✓Agregue condensadores cerámicos de 100 nF desde cada línea de excitación a tierra, cerca del sensor, para filtrar el ruido de alta frecuencia de la conmutación PWM que podría aparecer como ruido de medición

Errores Comunes

  • ✗Aplicar una excitación que supere el máximo del sensor: la sobretensión provoca que el puente se autocaliente, lo que cambia el valor de cero entre un 0,1 y un 1% FS y reduce la precisión; verifique la excitación máxima (normalmente de 5 a 12 V) según la hoja de datos del fabricante
  • ✗Instalación del sensor al revés en relación con la orientación calibrada: muchos sensores incluyen el peso muerto del diafragma en la calibración cero; el cambio de orientación provoca un desplazamiento de compensación igual al del cabezal de presión del diafragma (0,1-1% FS para sensores llenos de líquido)
  • ✗Sin tener en cuenta el voltaje de modo común en la entrada del amplificador: la salida puente funciona en el modo común Vex/2; elija INA con un rango de entrada que incluya Vex/2 en sus rieles de suministro según la hoja de datos INA128 de Texas Instruments

Preguntas Frecuentes

Los sensores manométricos miden en relación con la presión atmosférica (salida cero a 1 atm); se utilizan para la presión de los neumáticos, el nivel del tanque y el HVAC. Los sensores absolutos miden en relación con el vacío (salida cero a 0 Pa); se utilizan para altímetros, barómetros y sensores MAP. Los sensores diferenciales miden la diferencia de presión entre dos puertos (positivos para P1>P2 y negativos para P1<P2); se utilizan para la medición del flujo, la monitorización de filtros y el control de zonas de climatización. La serie HSC de Honeywell y el BMP390 de Bosch ofrecen los tres tipos según las respectivas familias de productos.
La compensación térmica cero es un cambio en la salida del puente a presión cero causado por un desequilibrio de resistencia inducido por la temperatura. Especificado como +/ -0,02% de FS/C típico según la norma IEC 61298. En un rango superior a 100 °C, se trata de un error de FS del 2%. Métodos de compensación: (1) analógicos con un termistor en una red puente, (2) digitales con un sensor de temperatura integrado en el chip y corrección de polinomios (sensores integrados como el HSC de Honeywell y el BMP390 de Bosch). Los sensores digitales alcanzan una TEB de +/- 0,5% en todo el rango de temperatura, frente al +/ -2% de los sensores analógicos sin compensación.
Una excitación más alta proporciona una salida mayor (mejor SNR) pero aumenta el autocalentamiento. Error de autocalentamiento = (Vex^2/Rbridge) * thermal_resistance. Para un puente de 350 ohmios a 10 V: P = 100/350 = 286 mW. Con una resistencia térmica de 0,1 °C/mW, el autocalentamiento es de 28,6 °C, lo que provoca un error de FS del 0,6% a una deriva del 0,02% °C. Práctica estándar: utilice 5 V para puentes de silicio con una potencia máxima de 5 a 10 V. Para aplicaciones que funcionan con baterías, utilice el voltaje mínimo recomendado (normalmente 3 V) para reducir la potencia a <26 mW en los modos de bajo consumo del Honeywell HSC.

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