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Gain de l'amplificateur à cellule de charge

Calculez la tension de sortie de la cellule de pesée, le gain d'amplificateur requis et la sensibilité mV/V pour les modèles de balance et de capteur de force de Wheatstone Bridge.

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Formule

VFS=S×Vex,Vamp=VFS×GV_FS = S × V_ex, V_amp = V_FS × G
S— Sensibilité (mV/V)
V_ex— Tension d'excitation (V)
G— Gain de l'amplificateur (V/V)

Comment ça marche

Ce calculateur détermine le gain de l'amplificateur d'instrumentation pour le conditionnement du signal des cellules de charge, ce qui est essentiel pour les concepteurs de balances, les ingénieurs en automatisation industrielle et les développeurs de systèmes embarqués qui construisent des systèmes de pesage allant du gramme au tonne. Les cellules de charge sont des ponts de Wheatstone à jauges de contrainte qui produisent des millivolts par volt d'excitation (mV/V) à pleine charge, généralement de 1 à 3 mV/V selon les normes OIML R60 et NTEP. Une cellule de charge de 2 mV/V sur une excitation de 5 V ne produit qu'une sortie pleine échelle de 10 mV, nécessitant une amplification de 100 à 500 fois pour correspondre aux plages d'entrée ADC. Gain requis G = VADC_FS/VLoadCell_FS, où VADC_FS est la tension pleine échelle du CAN (généralement 3,3 V ou 5 V). Les amplificateurs d'instrumentation (INA125, INA128, AD620) fournissent un gain différentiel précis avec un CMRR supérieur à 90 dB pour éliminer le bruit d'alimentation. L'ADC 24 bits HX711 avec PGA 128x intégré est devenu la norme de facto pour le pesage intégré, offrant une résolution de 0,1 mg à 10 SPS. La précision des cellules de charge selon l'OIML R60 Classe C3 est de +/- 0,02 % (3 000 divisions), ce qui nécessite une attention particulière au bruit et à la dérive thermique.

Exemple Résolu

Problème : Amplification de conception pour un capteur de charge de type S de 50 kg (sensibilité de 2 mV/V, pont de 350 ohms) avec une excitation de 10 V, alimentant un ADC 16 bits avec une référence de 4,096 V. Ciblez une résolution de 10 g.

Solution :

  1. Sortie pleine échelle : Vfs = 2 mV/V * 10 V = 20 mV
  2. Résolution requise : 50 kg/10 g = 5000 divisions minimum
  3. Étape ADC : 4,096 V/65536 = 62,5 uV/LSb
  4. Gain requis : G = 4096 mV/20 mV = 204,8 V/V (utilisez 200 pour les valeurs standard)
  5. Sortie à pleine échelle : 20 mV * 200 = 4,0 V (dans la plage de 4,096 V)
  6. Résolution effective : 62,5 uV/200/20 mV * 50 kg = 7,8 g/LSb
  7. Résistance de gain INA128 : Rg = 50 kOhm/(G-1) = 50 k/199 = 251 ohms
  8. Dissipation de puissance du pont : V^2/R = 100/350 = 286 mW

Résultat : Utilisez INA128 avec Rg = 249 ohms (0,1 %) pour G = 201. La résolution est de 7,8 g par nombre d'ADC, dépassant la cible de 10 g.

Conseils Pratiques

  • ✓Pour un pesage intégré rentable, le convertisseur analogique-numérique 24 bits HX711 fournit un conditionnement complet du signal (excitation, amplification, ADC) pour moins de 2 dollars ; le gain est réglé à 128 pour les cellules de 2 mV/V ou à 64 pour les cellules de 4 mV/V, conformément à la fiche technique d'Avia Semiconductor
  • ✓Protégez le câblage du signal de bas niveau entre la cellule de charge et l'amplificateur pour rejeter le capteur 50/60 Hz ; tordez l'excitation et les paires de signaux séparément conformément aux exigences OIML R76 EMC
  • ✓Remettez à zéro la sortie du pont dans le microprogramme après l'installation mécanique ; la précharge du matériel de montage déplace le point zéro, ce qui nécessite une correction de tare de 5 à 20 % sur la pleine échelle

Erreurs Fréquentes

  • ✗Oublier de réduire le gain pour la bande passante de l'amplificateur : l'INA128 a 1,3 MHz GBW, donc un gain de 500 limite la bande passante à 2,6 kHz ; pour un pesage à 10 Hz avec stabilisation, c'est suffisant, mais le pesage dynamique à 100 Hz nécessite un gain plus faible ou un amplificateur plus rapide
  • ✗Omission de détection à 6 fils : la résistance du fil dans les fils d'excitation entraîne une erreur de gain proportionnelle au pont Rlead/R ; 5 m de 22 AWG ajoutent 0,42 ohm, soit une erreur de 0,12 % sur un pont de 350 ohms sans détection à distance
  • ✗Utilisation d'un amplificateur opérationnel à alimentation unique sans décalage de niveau : la sortie du pont oscille de +/- Vfs autour du mode commun Vex/2 ; l'amplificateur opérationnel rail-à-rail nécessite Vref à mi-alimentation, ou utilisez l'INA125 avec une référence de 2,5 V intégrée

Foire Aux Questions

mV/V (millivolts par volt) est la sortie normalisée de la cellule de charge : millivolts de sortie du pont par volt d'excitation à pleine charge. Une cellule de 2 mV/V sur une excitation de 10 V produit 20 mV à sa capacité nominale. Cette spécification rend la sensibilité indépendante de la tension d'excitation, ce qui permet une comparaison directe entre les cellules de charge. Les cellules industrielles vont de 1 mV/V (rigidité élevée pour le pesage dynamique) à 3 mV/V (usage général) conformément aux spécifications OIML R60.
Un ADC 12 bits fournit 4 096 comptes ; pour une plage de 50 kg, soit une résolution de 12,2 g. Un ADC 24 bits fournit 16,7 millions de comptes, soit une résolution théoriquement inférieure au milligramme. Cependant, le bruit, les vibrations mécaniques et la dérive thermique limitent la résolution pratique à 16 à 18 bits effectifs (65 000 à 262 000 points). Pour les balances légales pour le commerce nécessitant plus de 3 000 divisions (classe III OIML), utilisez des ADC 24 bits avec moyenne. Pour une surveillance industrielle avec une précision de +/- 1 %, 12 bits suffisent et sont plus rapides (10 à 100 kSPS contre 10 à 80 SPS pour le sigma-delta).
Non recommandé pour les capteurs de pesage. Un pont de Wheatstone possède une sortie différentielle flottante ; les amplificateurs différentiels d'ampli opérationnel standard nécessitent des résistances adaptées de 0,01 % pour atteindre un CMRR de 80 dB. Les amplificateurs d'instrumentation (INA128, AD620) sont dotés d'une adaptation interne découpée au laser pour un CMRR supérieur à 100 dB et ne nécessitent qu'une seule résistance de gain externe. La prime de coût (2 à 5$ contre 0,50$) est justifiée par l'élimination de quatre résistances de précision et l'obtention de performances fiables conformément à la note d'application AN-671 d'Analog Devices.

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