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Sensor

Calculadora Wheatstone Bridge

Calcule a tensão de saída da ponte Wheatstone, a condição de equilíbrio e a sensibilidade. Usado para medidores de tensão, RTDs e medições de resistência de precisão.

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Fórmula

Vout=Vin(R3R1+R3−R4R2+R4)V_{out} = V_{in} \left(\frac{R_3}{R_1+R_3} - \frac{R_4}{R_2+R_4}\right)
V_out— Tensão de saída diferencial (V)
V_in— Tensão de alimentação da ponte (V)
R1–R4— Resistências do braço da ponte (Ω)

Como Funciona

Esta calculadora calcula a tensão de saída da ponte Wheatstone e as condições de equilíbrio, essenciais para engenheiros de instrumentação, projetistas de sensores e estudantes de eletrônica que estão aprendendo técnicas de medição de precisão. A ponte de Wheatstone é o circuito fundamental para converter pequenas mudanças de resistência em tensões mensuráveis, usadas em medidores de tensão, RTDs, células de carga e sensores de pressão. A saída da ponte é Vout = Vin (R3/ (R1+R3) - R4/ (R2+R4)), que é igual a zero quando R1/R2 = R3/R4 (condição balanceada). Para pequenas mudanças de resistência dR em um braço, a saída linearizada é Vout = Vin dR/(4*R) para um quarto de ponte com resistência nominal R. De acordo com o IEEE 1451.4 (interface de transdutor inteligente), os sensores baseados em ponte alcançam +/- 0,02% de precisão com o condicionamento de sinal adequado. A sensibilidade é de 0,25 mV/V por variação de resistência de 0,1% para um único braço ativo. A configuração de ponte completa (4 braços ativos) fornece sensibilidade 4x (1 mV/V por mudança de 0,1%) e compensação automática de temperatura quando os braços opostos experimentam a mesma temperatura de acordo com o padrão de medidor de tensão ASTM E251.

Exemplo Resolvido

Problema: Projete uma ponte de Wheatstone para um sensor de temperatura RTD (PT100) de platina. Alvo: medir 0-200C com resolução de 0,1C usando um ADC de 12 bits (referência de 3,3V). A excitação da ponte é de 1 mA de corrente constante.

Solução:

  1. Resistência PT100: R0 = 100 Ohm a 0C, R200 = 175,86 Ohm a 200C (IEC 60751)
  2. Mudança de resistência: dR = 175,86 - 100 = 75,86 Ohm acima de 200C
  3. Configuração da ponte: R1 = R2 = R4 = 100 Ohm fixo, R3 = PT100 (variável)
  4. Tensão de excitação: Vex = 1 mA * 100 Ohm = 0,1V por braço, mas use fonte de tensão
  5. Use Vex = 2,5 V para sinal adequado: Vout_max = 2,5 * (175,86/ (100+175,86) - 100/ (100+100))
  6. Vout_max = 2,5 (0,637 - 0,5) = 2,5 0,137 = 343 mV a 200° C
  7. Ganho necessário: G = 3000 mV/343 mV = 8,75 (use 10 como margem)
  8. Resolução: 3,3V/4096/10/343 mV * 200C = 0,047C/LSB (excede a meta de 0,1C)
  9. Auto-aquecimento: 2,5 V ^ 2/ (4* 100) = 15,6 mW (pode causar erro de 0,5 C, use excitação de 1 V se for crítico)
Resultado: Ponte com excitação de 2,5 V e ganho de 10x fornece saída de 343 mV a 200° C com resolução de 0,05 C/LSB.

Dicas Práticas

  • ✓Para maior estabilidade, use resistores de alumínio (+/- 2 ppm/C TCR, +/- 0,01% de tolerância) em braços de ponte fixos; as séries Vishay VHP e TE Connectivity VSMP são padrões do setor para pontes de precisão de acordo com MIL-PRF-55182
  • ✓Use uma conexão de 3 ou 4 fios ao sensor remoto (R3) para eliminar erros de resistência do cabo; em 3 fios, a resistência do cabo é cancelada combinando os cabos nos braços adjacentes de acordo com o padrão de medição ASTM E1137 RTD
  • ✓Adicione um filtro passa-baixa após a saída da ponte (corte de 10 a 100 Hz) para rejeitar o captador de 50/60 Hz; um filtro RC simples com R = 10 kOhm, C = 0,1 uF fornece um corte de 160 Hz com carga mínima

Erros Comuns

  • ✗Interpretando mal as condições de equilíbrio: o equilíbrio ocorre quando R1/R2 = R3/R4, não R1*R4 = R2*R3; ambas as formas são matematicamente equivalentes, mas a forma de razão mostra quais resistores estão no mesmo braço de ponte
  • ✗Ignorando os coeficientes de temperatura de resistores fixos: resistores de filme de metal padrão de 1% têm +/- 100 ppm/C TCR; acima de 50° C, esse é um desvio de 0,5% que aparece como erro de medição; use +/- 25 ppm/C ou melhor para braços de ponte
  • ✗Usando nível de excitação inadequado: a alta tensão melhora o SNR, mas causa autoaquecimento (perdas de I ^ 2* R); para pontes PT100, limite a corrente de excitação a 1 mA para manter o autoaquecimento abaixo de 0,1C de acordo com a IEC 60751

Perguntas Frequentes

As pontes Wheatstone convertem pequenas mudanças de resistência (0,01-1%) em tensões diferenciais mensuráveis, usadas para: medição de força/pressão de medidores de tensão (+/- 0,02% de precisão de acordo com ASTM E251), sensor de temperatura RTD (+/- 0,1C de acordo com IEC 60751), sistemas de pesagem de células de carga (+/- 0,02% por OIML R60) e medição geral de resistência de precisão (n/ o detector de casco atinge +/- 0,001% com galvanômetro). A saída diferencial rejeita o ruído de modo comum (variação de alimentação, EMI) e o desvio de temperatura ao usar resistores combinados ou medidores fictícios.
O equilíbrio (Vout = 0) ocorre quando R1/R2 = R3/R4. Em uma ponte de resistência de uma década (ponte dupla Kelvin), um braço contém um resistor variável calibrado ajustado até que o detector nulo mostre zero. A resistência desconhecida então é igual à leitura do mostrador multiplicada pela proporção de braços. Para aplicações de sensores, a ponte é intencionalmente desequilibrada; a tensão de saída é proporcional ao medidor (deformação, temperatura, força). A medição nula atinge a maior precisão (+/- 0,01%) de acordo com os procedimentos de calibração do NIST.

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