Ganho do amplificador de célula de carga: obtendo uma saída de tensão útil

Por que os sinais das células de carga são tão irritantes

As células de carga estão por toda parte — balanças industriais, equipamentos de medição de força, sensores de torque e até mesmo aquela balança de banheiro que você sempre quer hackear. Eles são confiáveis, precisos e baseados em física bem compreendida. Mas eles produzem sinais absolutamente pequenos, e é aí que a maioria dos projetos fracassa.

Uma célula de carga típica é uma ponte de Wheatstone com medidores de tensão ligados a um elemento metálico. Quando você aplica força, o elemento se deforma, as resistências mudam e você obtém uma tensão diferencial. Parece bastante simples. O problema é a sensibilidade: a maioria das células de carga produz algo entre 1 mV/V e 3 mV/V em escala real. Essa notação “mV/V” confunde as pessoas constantemente, então vamos ser claros: significa milivolts de saída por volt de excitação, em carga nominal total.

Portanto, se você estiver usando uma célula de carga de 2 mV/V com 5 V e colocar a carga nominal total nela, obterá 10 mV. Esse é todo o seu alcance de sinal. Tente alimentar 10 mV em um ADC de 12 bits com uma referência de 3,3 V e você usará cerca de 12 contagens do seu 4096. Não é ótimo.

A matemática da cadeia de sinais

Vamos detalhar o que realmente está acontecendo. A tensão de saída em grande escala da sua célula de carga é:

onde $V_{EX}$ é sua tensão de excitação e $S$ é a sensibilidade em mV/V (que você precisa converter em V/V para que a matemática funcione — então 2 mV/V se torna 0,002 V/V).

Após a amplificação:

onde $G$ é o ganho do seu amplificador. Você deseja que o $V_{AMP}$ esteja próximo à entrada em grande escala do seu ADC sem recortes.

A sensibilidade do seu sistema geral — os volts por unidade de carga — se torna:

onde $F_{FS}$ é sua carga em grande escala em qualquer unidade com a qual você esteja trabalhando (kg, lb, N, não importa, desde que você seja consistente).

E se você estiver visando uma faixa específica de entrada de ADC, você pode retroceder para encontrar o ganho necessário:

Exemplo resolvido: uma célula de carga de 100 kg

Digamos que você tenha uma célula de carga de 100 kg com sensibilidade de 2 mV/V. Você está executando uma excitação de 10 V (bastante comum em células industriais) e deseja alimentar o sinal em um microcontrolador ADC com uma referência de 5 V. Você tem um amplificador de instrumentação INA125 em seu compartimento de peças.

Primeiro, encontre a saída em grande escala:

Essa é toda a sua oscilação do sinal em 100 kg. Com 50 kg, você veria 10 mV. Com 1 kg, você veria 200 µV. É por isso que você precisa de amplificação.

Para preencher uma faixa de 5 V ADC, você precisa:

Portanto, um ganho de 250 colocaria sua carga em escala real em 5 V. Na prática, você recuaria um pouco — talvez opte por 4,5 V em escala real para ter espaço livre. Isso é um ganho de 225.

Agora, o INA125 define o ganho com um único resistor de acordo com o $G = 4 + \frac{60\text{k}\\Omega}{R_G}$. Para G = 250:

Você provavelmente usaria um resistor de 240 Ω ou 249 Ω, dependendo do que está em seu kit, proporcionando um ganho de 254 ou 245, respectivamente. Perto o suficiente.

Com um ganho de 250, a sensibilidade do seu sistema se torna:

Ou, equivalentemente, 20 contagens por grama em um ADC de 12 bits. Essa é uma resolução viável para a maioria das aplicações de pesagem.

Compensações de tensão de excitação

Maior excitação significa mais sinal, o que é ótimo. Mas existem limites.

A maioria das células de carga especifica uma tensão máxima de excitação — geralmente 10 V ou 15 V. Vá mais alto e você cozinhará os medidores de tensão. A dissipação de energia na ponte é $P = V_{EX}^2 / R_{bridge}$ e, com uma ponte de 350 Ω a 10 V, são quase 300 mW. O calor precisa ir para algum lugar e, se causar gradientes térmicos no corpo da célula de carga, você verá um desvio.

A menor excitação reduz o autoaquecimento, mas fornece menos sinal para trabalhar. Para aplicações alimentadas por bateria, a excitação de 3,3 V ou 5 V é comum e você simplesmente aceita que precisa de mais ganho. Uma célula de 2 mV/V com excitação de 3,3 V fornece apenas 6,6 mV em escala total — você precisaria de um ganho de cerca de 750 para preencher uma faixa de 5 V ADC.

Há também a questão da estabilidade da excitação. A saída da célula de carga é raciométrica em relação à tensão de excitação. Se sua excitação oscila em 0,1%, sua leitura varia em 0,1%. Usar uma referência de precisão para excitação, ou melhor ainda, usar um ADC raciométrico que se refere à mesma fonte, elimina essa fonte de erro.

Erros e pegadinhas comuns

Esquecendo as unidades mV/V

Eu vejo isso constantemente. Alguém lê “2 mV/V” em uma folha de dados e insere 2 no cálculo de ganho como se fossem volts. O resultado é um ganho que é reduzido por um fator de 1000. A saída do seu amplificador será de microvolts quando você esperava volts, e você passará uma hora convencido de que a célula de carga está quebrada.

Ignorando a tensão de compensação

As células de carga têm um deslocamento de carga zero, normalmente especificado como uma porcentagem da escala total. Uma célula com deslocamento de ± 0,05% em excitação de 10 V pode ter ± 5 mV de deslocamento antes mesmo de aplicar a carga. Após um ganho de 250, isso representa ± 1,25 V de deslocamento na entrada do ADC. Se o seu ADC não consegue lidar com tensões negativas (a maioria dos ADCs MCU de fonte única não consegue), você tem um problema.

A solução é o acoplamento AC (raramente apropriado para pesagem), a mudança de nível ou, mais comumente, apenas aceitar o deslocamento e calibrá-lo no software. Mas você precisa garantir que a saída do amplificador permaneça dentro da faixa de entrada do ADC em toda a faixa de deslocamento mais a faixa de sinal.

Escolhendo o ganho sem considerar o ruído

O ganho mais alto amplifica tudo, incluindo o ruído. Se sua célula de carga e sua fiação detectarem 50 µV de interferência, um ganho de 500 transforma isso em 25 mV de ruído em seu ADC. Isso pode ser vários LSBs em um conversor de 12 bits.

O ruído referido à entrada do amplificador de instrumentação também é importante. Um amplificador barato com ruído de entrada de 50 nV/√Hz contribuirá com cerca de 5 µV RMS em uma largura de banda de 10 kHz — não é terrível, mas soma. Bons amplificadores de célula de carga, como o INA125 ou o AD620, foram projetados para essa aplicação e têm menos ruído.

Não filtrando antes do ADC

Os sinais da célula de carga estão lentos. O peso não muda nas taxas de quilohertz (a menos que algo tenha dado muito errado). Um simples filtro RC passa-baixo antes do ADC — mesmo que apenas 1 kΩ e 100 nF para um corte de 1,6 kHz — elimina o ruído de alta frequência e evita o aliasing. Ignorar essa etapa porque “Vou filtrar no software” é preguiçoso e custa a faixa dinâmica.

Usando a topologia de amplificador errada

Uma célula de carga emite um sinal diferencial. O uso de uma configuração de amplificador operacional de extremidade única elimina a rejeição do modo comum que faz com que as células de carga funcionem bem em ambientes ruidosos. Sempre use um amplificador de instrumentação ou um front-end diferencial adequado para extremidade única.

Sobrecarregando o amplificador

Se alguém estiver na sua balança de 100 kg, você poderá ver 150 kg brevemente. Com um ganho definido para colocar 100 kg em 5 V, essa sobrecarga leva o amplificador a 7,5 V — exceto que ele não pode ir até lá, então ele se encaixa. Alguns amplificadores se recuperam do recorte normalmente; outros demoram milissegundos para voltar, durante os quais suas leituras são inúteis. Projete para o estojo de sobrecarga ou adicione um circuito de proteção.

Seleção prática de ganhos

Não atinja exatamente 100% do seu alcance de ADC. Procure que 80-90% deixem espaço livre para tolerâncias de compensação, sobrecarga e componentes. Se seus cálculos indicarem que você precisa de um ganho de 250, considere usar 200 em vez disso.

Considere também se você fará alguma filtragem analógica ou mudança de nível que consuma sua faixa de tensão. Se você estiver adicionando um deslocamento de 0,5 V para manter o sinal positivo, sua faixa utilizável agora é de 0,5 V a 5 V, não de 0 a 5 V.

E verifique quais valores de ganho o amplificador escolhido pode realmente produzir. A equação de ganho do INA125 significa que certos ganhos são mais fáceis de obter do que outros. Você pode descobrir que 200 requer um valor de resistor padrão, enquanto 225 requer algo estranho.

Experimente

A matemática não é difícil, mas é fácil cometer erros unitários ou esquecer um fator de 1000 em algum lugar. Abra a calculadora de ganho do amplificador de célula de carga para verificar rapidamente seus números. Conecte sua tensão de excitação, sensibilidade da célula de carga, carga em grande escala e ganho proposto — você verá imediatamente a saída em grande escala, a tensão amplificada, a sensibilidade do sistema e o ganho necessário para atingir uma faixa ADC de 5 V. É uma verificação de integridade que leva dez segundos e pode economizar uma tarde de depuração.