Sensor

Saída da Ponte do Sensor de Pressão

Calcula a tensão de saída da ponte Wheatstone para sensores de pressão piezoresistivos a partir de excitação, sensibilidade e pressão aplicada.

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Fórmula

V_out = V_ex × S × (P/P_FS)

S— Sensibilidade (mV/V)

P_FS— Pressão em grande escala (kPa)

Como Funciona

Esta calculadora calcula a tensão de saída da ponte do sensor de pressão piezorresistivo, essencial para engenheiros de controle de processo, projetistas de sistemas HVAC e integradores de sensores automotivos. Os sensores de pressão piezorresistivos contêm uma ponte Wheatstone de medidores de tensão difusos ou de película fina em um diafragma de silício ou aço. A pressão aplicada desvia o diafragma, alterando a resistência para desequilibrar a ponte. A saída é Vout = Vex S (P/Pfs), onde Vex é tensão de excitação (5-10V típica), S é sensibilidade em mV/V (normalmente 10-30 mV/V de acordo com as recomendações da OIML), P é pressão aplicada e Pfs é pressão em grande escala. Um sensor de 20 mV/V com excitação de 5 V produz 100 mV em escala real. De acordo com a IEC 61298, as especificações do sensor de pressão incluem precisão (+/- 0,1 a +/- 1% FS), não linearidade (+/- -0,1-0,5% FS), histerese (+/- 0,05-0,2% FS) e desvio térmico zero (normalmente +/- 0,02% FS/C). Os sensores industriais da Honeywell, Sensata e Bosch atingem uma banda de erro total (TEB) de +/ -0,25% FS acima de -40 a +125C por qualificação automotiva AEC-Q100.

Exemplo Resolvido

Problema: Condicionamento de sinal de tamanho para um sensor de pressão Honeywell MLH500PSB01A (0-500 psi, sensibilidade de 20 mV/V) em um sistema hidráulico. A excitação é de 10V, o ADC é de 12 bits com referência de 5V.

Solução:

Saída em grande escala: Vfs = 10V * 20 mV/V = 200 mV
Ganho de amplificador necessário: G = 4500 mV/200 mV = 22,5 V/V (deixe espaço livre para compensação)
Use INA128 com Rg = 50k/ (G-1) = 50k/21,5 = 2,33 kOhm (use 2,32 kOhm 0,1%)
Saída a 350 psi: Vout = 200 mV (350/500) 22,5 = 3,15 V
Resolução ADC: 5V/4096 = 1,22 mV/lsb
Resolução de pressão: 1,22 mV/22,5/200 mV * 500 psi = 0,136 psi/LSB
Precisão do sensor: +/ -0,25% FS = +/- 1,25 psi por folha de dados TEB
Tensão de modo comum: Vex/2 = 5V (INA128 lida com 0-5V Vcm em fonte de 5V)

Resultado: INA128 com G = 22,5 fornece resolução de 0,14 psi. O sensor TEB (+/- 1,25 psi) domina a precisão do sistema.

Dicas Práticas

✓Use operação raciométrica: conecte a referência ADC e a excitação do sensor à mesma tensão regulada; se a alimentação flutuar +/ -5%, tanto a escala proporcional quanto a relação Vout/Vex permanecem constantes de acordo com a Nota Técnica da Honeywell HSC-AN-800
✓Para obter precisão absoluta, realize a calibração de dois pontos com pressão zero e pressão de referência conhecida (calibrador rastreável pelo NIST) para corrigir erros de compensação e ganho de acordo com os requisitos da ISO 17025
✓Adicione capacitores cerâmicos de 100 nF de cada linha de excitação ao solo, perto do sensor, para filtrar o ruído de alta frequência da comutação PWM que apareceria como ruído de medição

Erros Comuns

✗Aplicação de excitação superior ao máximo do sensor: a sobretensão causa autoaquecimento da ponte, mudança de zero em 0,1-1% FS e degradação da precisão; verifique a excitação máxima (normalmente de 5 a 12 V) de acordo com a ficha técnica do fabricante
✗Instalação do sensor invertido em relação à orientação calibrada: muitos sensores incluem peso morto do diafragma na calibração zero; a mudança de orientação causa uma mudança de deslocamento igual à cabeça de pressão do diafragma (0,1-1% FS para sensores cheios de líquido)
✗Negligenciando a tensão de modo comum na entrada do amplificador: a saída da ponte funciona no modo comum Vex/2; escolha INA com faixa de entrada incluindo Vex/2 em seus trilhos de alimentação, de acordo com a ficha técnica INA128 da Texas Instruments

Perguntas Frequentes

Qual é a diferença entre sensores de pressão manométrica, absoluta e diferencial?

Os sensores medidores medem em relação à pressão atmosférica (saída zero a 1 atm); usados para pressão dos pneus, nível do tanque e HVAC. Sensores absolutos medem em relação ao vácuo (saída zero a 0 Pa); usados para altímetros, barômetros e sensores MAP. Sensores diferenciais medem a diferença de pressão entre duas portas (positiva para P1>P2, negativa para P1<P2); usados para medição de fluxo, monitoramento de filtro e controle de zona HVAC. As séries Honeywell HSC e Bosch BMP390 oferecem todos os três tipos por respectiva família de produtos.

O que é compensação térmica zero e como ela é compensada?

O desvio térmico zero é a mudança na saída da ponte com pressão zero causada pelo desequilíbrio de resistência induzido pela temperatura. Especificado como +/- 0,02% FS/C típico de acordo com a IEC 61298. Acima da faixa de 100C, isso é 2% de erro FS. Métodos de compensação: (1) analógico usando termistor em rede de ponte, (2) digital usando sensor de temperatura no chip mais correção polinomial (sensores integrados como Honeywell HSC, Bosch BMP390). Os sensores digitais atingem +/- 0,5% de TEB em toda a faixa de temperatura versus +/ -2% para sensores analógicos não compensados.

Como seleciono a tensão de excitação da ponte?

Uma excitação mais alta fornece maior saída (melhor SNR), mas aumenta o autoaquecimento. Erro de autoaquecimento = (Vex^2/Rbridge) * thermal_resistance. Para ponte de 350 Ohm a 10V: P = 100/350 = 286 mW. Com resistência térmica de 0,1 C/mW, o autoaquecimento é de 28,6 C, causando 0,6% de erro FS com desvio de 0,02% /C. Prática padrão: use 5V para pontes de silício com classificação máxima de 5-10V. Para aplicações alimentadas por bateria, use a tensão mínima recomendada (geralmente 3V) para reduzir a potência para <26 mW de acordo com os modos de baixo consumo de energia Honeywell HSC.

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