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Sensor

Ganho do Amplificador de Célula de Carga

Calcula a tensão de saída da célula de carga, ganho de amplificador necessário e sensibilidade para células de carga em ponte Wheatstone.

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Fórmula

VFS=S×Vex,Vamp=VFS×GV_FS = S × V_ex, V_amp = V_FS × G
S— Sensibilidade (mV/V)
V_ex— Tensão de excitação (V)
G— Ganho do amplificador (V/V)

Como Funciona

Essa calculadora determina o ganho do amplificador de instrumentação para o condicionamento do sinal da célula de carga, essencial para projetistas de balanças, engenheiros de automação industrial e desenvolvedores de sistemas embarcados que criam sistemas de pesagem de gramas a toneladas. As células de carga são pontes de Wheatstone com medidor de tensão que produzem milivolts por volt de excitação (mV/V) em carga em grande escala, normalmente de 1 a 3 mV/V de acordo com os padrões OIML R60 e NTEP. Uma célula de carga de 2 mV/V com excitação de 5 V produz apenas 10 mV de saída em grande escala, exigindo amplificação de 100-500x para corresponder às faixas de entrada do ADC. Ganho necessário G = VADC_fs/VloadCell_FS, onde VADC_fs é a tensão ADC em grande escala (normalmente 3,3 V ou 5 V). Os amplificadores de instrumentação (INA125, INA128, AD620) fornecem ganho diferencial preciso com CMRR >90 dB para rejeitar o ruído de alimentação. O ADC HX711 de 24 bits com PGA 128x integrado tornou-se o padrão de fato para pesagem embutida, fornecendo resolução de 0,1 mg a 10 SPS. A precisão da célula de carga de acordo com o OIML R60 Classe C3 é de +/- 0,02% (3000 divisões), exigindo atenção cuidadosa ao ruído e ao desvio térmico.

Exemplo Resolvido

Problema: Amplificação de projeto para uma célula de carga tipo S de 50 kg (sensibilidade de 2 mV/V, ponte de 350 Ohm) com excitação de 10 V, alimentando um ADC de 16 bits com referência de 4,096 V. Resolução alvo de 10 g.

Solução:

  1. Saída em grande escala: Vfs = 2 mV/V * 10V = 20 mV
  2. Resolução necessária: 50 kg/10 g = mínimo de 5000 divisões
  3. Etapa ADC: 4,096V/65536 = 62,5 uV/lsb
  4. Ganho necessário: G = 4096 mV/20 mV = 204,8 V/V (use 200 para valores padrão)
  5. Saída em escala completa: 20 mV * 200 = 4,0V (dentro da faixa de 4,096V)
  6. Resolução efetiva: 62,5 uV/200/20 mV * 50 kg = 7,8 g/LSb
  7. Resistor de ganho INA128: Rg = 50 kOhm/(G-1) = 50k/ 199 = 251 Ohm
  8. Dissipação de energia da ponte: V^2/R = 100/350 = 286 mW
Resultado: Use INA128 com Rg = 249 Ohm (0,1%) para G = 201. A resolução é de 7,8 g por contagem de ADC, excedendo a meta de 10 g.

Dicas Práticas

  • ✓Para uma pesagem embutida econômica, o ADC HX711 de 24 bits fornece condicionamento de sinal completo (excitação, amplificação, ADC) por <$2; defina o ganho em 128 para células de 2 mV/V ou 64 para células de 4 mV/V, de acordo com a ficha técnica da Avia Semiconductor
  • ✓Proteja a fiação de sinal de baixo nível entre a célula de carga e o amplificador para rejeitar captação de 50/60 Hz; excitação por torção e pares de sinal separadamente de acordo com os requisitos do OIML R76 EMC
  • ✓Zere a saída da ponte no firmware após a instalação mecânica; a pré-carga do hardware de montagem muda o ponto zero, exigindo uma correção de tara normalmente de 5 a 20% em escala real

Erros Comuns

  • ✗Esquecendo de reduzir o ganho de largura de banda do amplificador: o INA128 tem 1,3 MHz GBW, então o ganho de 500 limita a largura de banda a 2,6 kHz; para pesagem de 10 Hz com estabilização, isso é adequado, mas a pesagem dinâmica a 100 Hz requer menor ganho ou amplificador mais rápido
  • ✗Omitindo a detecção de 6 fios: a resistência ao chumbo nos fios de excitação causa erro de ganho proporcional à ponte Rlead/Rbridge; 5 m de 22 AWG adicionam 0,42 Ohm, causando erro de 0,12% na ponte de 350 Ohm sem sensor remoto
  • ✗Usando amplificador operacional de alimentação única sem mudança de nível: a saída da ponte oscila +/- Vfs em torno do modo comum Vex/2; o amplificador operacional de trilho a trilho precisa de Vref no fornecimento médio ou use INA125 com referência embutida de 2,5 V

Perguntas Frequentes

mV/V (milivolts por volt) é a saída normalizada da célula de carga: milivolts de saída de ponte por volt de excitação em carga em grande escala. Uma célula de 2 mV/V com excitação de 10 V produz 20 mV na capacidade nominal. Essa especificação torna a sensibilidade independente da tensão de excitação, permitindo a comparação direta entre as células de carga. As células industriais variam de 1 mV/V (alta rigidez para pesagem dinâmica) a 3 mV/V (uso geral) de acordo com as especificações OIML R60.
Um ADC de 12 bits fornece 4096 contagens; para uma faixa de 50 kg, essa é uma resolução de 12,2 g. Um ADC de 24 bits fornece 16,7 milhões de contagens, teoricamente com resolução abaixo de miligramas. No entanto, ruído, vibração mecânica e desvio térmico limitam a resolução prática a 16-18 bits efetivos (65.000 a 262.000 contagens). Para escalas legais para negociação que exijam mais de 3000 divisões (OIML Classe III), use ADCs de 24 bits com média. Para monitoramento industrial com precisão de +/- 1%, 12 bits são suficientes e mais rápidos (10-100 kSPs versus 10-80 SPS para sigma-delta).
Não recomendado para células de carga. Uma ponte de Wheatstone tem saída diferencial flutuante; amplificadores de diferença de amplificador operacional padrão requerem resistores compatíveis de 0,01% para atingir 80 dB CMRR. Os amplificadores de instrumentação (INA128, AD620) têm correspondência interna ajustada a laser para CMRR >100 dB e precisam de apenas um resistor de ganho externo. O custo adicional ($2-5 versus $0,50) é justificado pela eliminação de quatro resistores de precisão e pela obtenção de um desempenho confiável de acordo com a nota de aplicação AN-671 da Analog Devices.

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