Skip to content
RFrftools.io
Sensor

ロードセルアンプゲイン

ホイートストンブリッジ式ロードセルの出力電圧、必要アンプゲイン、感度を計算します。

Loading calculator...

公式

VFS=S×Vex,Vamp=VFS×GV_FS = S × V_ex, V_amp = V_FS × G
S— 感度 (mV/V)
V_ex— 励起電圧 (V)
G— アンプゲイン (V/V)

仕組み

この計算機は、重量からトン単位までの計量システムを構築するスケール設計者、産業オートメーションエンジニア、組み込みシステム開発者にとって不可欠な、ロードセル信号調整用の計装アンプのゲインを決定します。ロードセルはひずみゲージのホイートストンブリッジで、フルスケール負荷時に励起1ボルト/ボルト (mV/V) を出力します (OIML R60およびNTEP規格では通常1～3mV/V)。5V励起の2mV/Vのロードセルでは、わずか10mVのフルスケール出力しか生成されないため、ADCの入力範囲に合わせて100～500倍の増幅が必要になります。必要なゲイン G = VADC_FS/VLoadcell_FS。ここで、VADC_FS は ADC フルスケール電圧 (通常は 3.3 V または 5 V) です。計装アンプ (INA125、INA128、AD620) は、CMRR が 90 dB を超える高精度の差動ゲインを提供し、電源ノイズを除去します。128x PGAを内蔵したHX711 24ビットADCは、10 SPSで0.1 mgの分解能を実現し、組み込み計量のデファクトスタンダードとなっています。OIML R60クラスC3あたりのロードセル精度は+/ -0.02%（3000分割）なので、ノイズと熱ドリフトには注意が必要です。

計算例

問題：4.096Vリファレンスを16ビットADCに給電し、励起電圧が10Vの50kgのS型ロードセル（感度2mV/V、350オームブリッジ）の増幅を設計します。10 g の分解能を目標とします。

解決策: 1。フルスケール出力:Vfs = 2 mV/V * 10V = 20 mV 2.必要な解像度:50 kg/10 g = 最低 5000 ディビジョン 3.ADC ステップ:4.096V/65536 = 62.5 uV/LSb 4.必要なゲイン:G = 4096 mV/20 mV = 204.8 V/V (標準値には 200 を使用) 5.フルスケールでの出力:20 mV * 200 = 4.0V (4.096 V の範囲内) 6.有効解像度:62.5 uV/200/20 mV * 50 kg = 7.8 g/lSb 7.INA128 ゲイン抵抗:Rg = 50 kOhm/ (G-1) = 50k/199 = 251 オーム 8.ブリッジの電力損失:V^2/R = 100/350 = 286 mW

結果:G = 201 には Rg = 249 オーム (0.1%) の INA128 を使用してください。分解能は ADC カウントあたり 7.8 g で、目標の 10 g を上回っています。

実践的なヒント

  • ✓費用対効果の高い組み込み計量のため、HX711 24ビットADCは完全なシグナルコンディショニング（励起、増幅、ADC）を2ドル未満で提供します。アビアセミコンダクターのデータシートによると、2mV/Vセルの場合はゲインを128、4mV/Vセルのゲインを64に設定しています。
  • ✓ロードセルとアンプ間の低レベル信号配線をシールドして、50/60 Hzのピックアップを防止します。励起と信号ペアをOIML R76 EMC要件に従って個別にねじってください
  • ✓機械的なインストール後にファームウェアのブリッジ出力をゼロにする。ハードウェアのプリロードをマウントするとゼロポイントがずれるため、通常はフルスケールで5～ 20% のテア補正が必要になる

よくある間違い

  • ✗アンプ帯域幅のゲインのディレーティングを忘れる：INA128のGBWは1.3 MHzなので、ゲインを500に設定すると帯域幅は2.6 kHzに制限されます。セトリングを伴う10 Hzの計量の場合はこれで十分ですが、100 Hzでの動的計量ではゲインを低くするか、より高速なアンプが必要になります。
  • ✗6線式検出を省略：励起線のリード抵抗により、Rlead/Rbridgeに比例したゲイン誤差が生じる。22 AWGの5mでは0.42Ω増加し、リモートセンスなしの350Ωブリッジでは0.12％の誤差が生じる
  • ✗レベルシフトのない単電源オペアンプの使用：ブリッジ出力はVex/2の同相付近で+/-Vfsを振幅します。レール・トゥ・レールオペアンプは電源の真ん中にVrefが必要、または2.5Vリファレンスを内蔵したINA125を使用

よくある質問

mV/V（ミリボルト/ボルト）は標準化されたロードセル出力で、フルスケール負荷での励起電圧1ボルトあたりのブリッジ出力はミリボルトです。10V励起時の2mV/Vのセルは、定格容量で20mVを生成します。この仕様では感度が励起電圧に依存しないため、ロードセル同士を直接比較できます。産業用セルの範囲は、OIML R60仕様では1 mV/V (動的計量用の高剛性) から3 mV/V (汎用) までさまざまです。
12ビットのADCは4096カウントを実現し、50kgの範囲では12.2gの分解能になります。24 ビット ADC は 1,670 万カウントで、理論上はサブミリグラム分解能です。ただし、ノイズ、機械的振動、および熱ドリフトにより、実際の分解能は 16 ～ 18 有効ビット（65,000～262,000 カウント）に制限されます。3000以上のディビジョンを必要とするリーガル・フォー・トレード・スケール（OIMLクラスIII）には、平均化機能を備えた24ビットADCを使用してください。+/ -1% の精度で産業用モニタリングを行うには、12 ビットで十分かつ高速です (シグマ・デルタの場合の 10 ～ 80 SPS に対して、10 ～ 100 kSPS)。
ロードセルにはお勧めしません。ホイートストンブリッジにはフローティング差動出力があります。標準のオペアンプのディファレンス・アンプでは、80 dB CMRR を実現するには 0.01% のマッチング抵抗が必要です。計装アンプ (INA128、AD620) は、CMRR が 100 dB 以上になるように内部マッチングがレーザートリムされており、必要な外付けゲイン抵抗は 1 つだけです。アナログ・デバイセズのアプリケーション・ノート AN-671 によると、4 つの高精度抵抗が不要になり、信頼性の高い性能が得られるため、コストプレミアム（2 ～ 5 ドルから 0.50 ドル）は正当化されます。

関連電卓

Sensor

ホイートストンブリッジ

ホイートストンブリッジの出力電圧、バランス状態、および感度を計算します。ひずみゲージ、RTD、高精度抵抗測定に使用されます。

Sensor

ストレインゲージブリッジ

ひずみゲージのホイートストンブリッジ出力電圧を計算します。構造監視およびロードセル設計用のクォーター、ハーフ、フルブリッジ構成をサポートします。

Sensor

圧力ブリッジ

励起電圧、感度、印加圧力からピエゾ抵抗式圧力センサーのホイートストンブリッジ出力電圧を計算します。

Sensor

NTC サーミスタ

Steinhart-Hart ベータ方程式を使用して NTC サーミスタ抵抗から温度を計算します。PT100/PT1000 および一般的な NTC サーミスタに役立ちます。