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====== Note sull'area di progetto ====== | |
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===== Risorse ===== | |
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* il progetto è preso da elettronica in luglio/agosto 2017 | |
* {{ :riservata:area_progetto_dosatore_elettronico_5c.pdf |modulo del progetto per la scuola}} | |
* [[http://www.tij.co.jp/jp/lit/an/sloa034/sloa034.pdf|opamp e ponte wheatstone]]: application report della Texas Instruments sull'influenza della resistenza dei uscita dell'estensimetro nella misura con ponte wheatstone, amplificatore per strumentazione | |
* {{ :riservata:snosc16d.pdf |datasheet LM324}} | |
* [[https://www.omega.com/literature/transactions/volume3/strain.html|technical reference su strain gauge di un produttore]] | |
* [[http://www.ti.com/lit/ml/slyp163/slyp163.pdf|documento didattico sulle misure a ponte di TI]]: 30 pagine stile presentazione con varie soluzioni (utile la prima parte) | |
* par 7 sezione 13C libro elettronica quarta (in particolare esempio 10 che usa un amplificatore per strumentazione) | |
* par 7 sezione 23A libro elettronica quinta su sensori estensimetrici e celle di carico | |
* [[http://www.hallikainen.com/rw/theory/theory6.html|ponte wheatstone squilibrato, studio analitico]] | |
* pagina di [[https://learn.sparkfun.com/tutorials/getting-started-with-load-cells|sparkfun]] su celle di carico | |
* [[https://electronics.stackexchange.com/questions/336579/lm324-op-amp-wheatstone-bridge-amplifier-formula|domanda su formula lm324 su SE]] | |
* [[https://www.phidgets.com/docs/Load_Cell_Primer|introduzione alle celle di carico, link da sparkfun]] | |
* [[http://electronics360.globalspec.com/article/5424/design-notebook-linearization-of-a-wheatstone-bridge|altra doc sulla linearizzazione del ponte wheatstone]] | |
* [[http://www.thermofisher.com.au/Uploads/file/Environmental-Industrial/Process-Monitoring-Industrial-Instruments/Sound-Vibration-Stress-Monitoring/Stress-Analysis/VishayMM/technology/technotes/TN-507-Wheatstone-Bridge-Nonlinearity.pdf|wheatstone e non linearità (pdf da vecchio sito web)]] | |
* [[http://ecetutorials.com/analog-electronics/opamp-bridge-amplifier/|calcolo della formula sul datasheet dell'LM324 per le celle di carico]] | |
* [[http://www.signal.uu.se/Courses/CourseDirs/MeasurementSystems/Elements%20part%201.pdf|circuiti per ponte (pdf e stile presentazione)]] | |
* [[https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an43f.pdf|application note della linear sulle misure a ponte]] | |
* [[https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-8/the-instrumentation-amplifier/|instrumentation amplifier con operazionali]] | |
* [[http://www.analog.com/media/en/training-seminars/design-handbooks/Op-Amp-Applications/Section4.pdf]] ottimo, tratto da [[http://www.analog.com/en/education/education-library/op-amp-applications-handbook.html|questo testo della Analog Devices]] | |
* https://electronics.stackexchange.com/questions/106259/what-is-the-difference-of-a-loadell-input-and-output-resistance | |
* [[https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2012/apr/protecting-inputs-in-digital-electronics|protezione ingressi microcontrollore]] con diodi da digikey.com | |
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===== Note ===== | |
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* la cella di carico è un sensore di forza estensimetrico (in inglese estensimetro è //strain gauge//) a ponte di Wheatstone, produce un segnale in tensione **flottante** proporzionale alla forza applicata | |
* nella cella due o quattro estensimetro (due in trazione e due in compressione) per compensare le variazioni dovute alla temperatura e aumentare la sensibilità | |
* quattro fili: due di alimentazione e due per il segnale (a volte altri due fili //sense// per misurare senza cdt la tensione di alimentazione) | |
* serve un amplificatore differenziale o per strumentazione | |
* l'amplificatore LM324 è particolare: | |
* contiene 4 opamp | |
* alimentazione singola (o duale) | |
* Vol arriva a 0V (Voh è Vcc - 1,5V) | |
* con 0V di modo comune il funzionamento resta lineare (non satura) | |
* con alimentazione duale è il classico opamp | |
* con alimentazione singola si può polarizzare i segnali a Vcc/2 (pseudo-ground) e avere segnali negativi | |
* il circuito applicativo è a pag. 21 //bridge current amplifier//, sembra che manchino due resistenze ma c'è quella del ponte (1/2 R del lato) da considerare (vedi doc TI sui ponti) | |
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===== Ponte Wheatstone ===== | |
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Quattro resistenze collegate in serie a due a due (due rami in parallelo con due resistenze in serie ognuno). Si misura la tensione tra i punti intermedi dei due rami. | |
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{{::wheatstone.png|ponte Wheatstone}} | |
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Il ponte si usa: | |
* all'equilibrio, cioè quando la tensione vale zero | |
* squilibrato, con tensioni diverse da zero | |
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==== Ponte in equilibrio ==== | |
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Si usa per misurare una resistenza incognita conoscendo il valore delle altre tre. In genere si procede così: | |
* due resistenze hanno valore fisso (ad esempio R<sub>3</sub> e R<sub>4</sub>) mentre la terza è variabile (R<sub>2</sub>) | |
* si agisce sulla resistenza variabile in modo da azzerare la tensione V<sub>d</sub> | |
* la resistenza incognita (R<sub>1</sub>) si calcola con la relazione R<sub>1</sub>/R<sub>2</sub>=R<sub>3</sub>/R<sub>4</sub> | |
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Più in generale se V<sub>d</sub> è nulla vale: | |
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`V_A=(R_1)/(R_1+R_2) V_(\C\C)` | |
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`V_B=(R_3)/(R_3+R_4) V_(\C\C)` | |
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e uguagliando le due tensioni si ottiene: | |
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`(R_1)/(R_1+R_2)=(R_3)/(R_3+R_4)=> R_1(R_3+R_4)=R_3(R_1+R_2) => R_1 R_3 + R_1 R_4 = R_3 R_1 + R_3 R_2 => R_1/R_2=R_3/R_4` | |
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==== Ponte squilibrato ==== | |
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Si parte da una condizione di equilibrio con V<sub>d</sub> = 0, ad esempio ponendo tutte le resistenze uguali. Se una di queste cambia la tensione V<sub>d</sub> non è più nulla ed il suo valore dipende da quanto è cambiata la resistenza. Questa soluzione si usa per i sensori resistivi perché: | |
* si ottiene una tensione | |
* la tensione dipende da ΔR e non da R | |
* la sensibilità è elevata (tensione in uscita anche a fronte di piccole ΔR) | |
* permette l'uso di più sensori resistivi (maggiore sensibilità, minore dipendenza dalla temperatura) | |
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Se, come avviene per le celle di carico, le quattro resistenze sono quattro estensimetri collegati in modo da deformarsi in direzioni opposte a due a due si ottiene il circuito seguente: | |
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{{::cellacarico.png|cella di carico con quattro estensimetri}} | |
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Dove R<sub>0</sub> è la resistenze dell'estensimetro a riposo (non deformato) e x=ΔR/R<sub>0</sub> è la variazione relativa della resistenza. | |
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La tensione V<sub>d</sub> si calcola così: | |
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`V_d=V_(\C\C) ( (R_0(1+x) )/(R_0(1+x)+R_0(1-x) )-(R_0(1-x) )/(R_0(1+x)+R_0(1-x) ) )= V_(\C\C) (2R_0 x)/(2R_0)=V_(\C\C) cdot x` | |
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Questa configurazione è la migliore possibile perché: | |
* la relazione tra tensione e ΔR è lineare | |
* la sensibilità è massima | |
* la temperatura non influisce sulla misura (tutti gli estensimetri ne sono affetti e cambia solo R<sub>0</sub>) | |
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L'unico difetto è che la tensione in uscita non è riferita a massa e richiede un amplificatore differenziale per per poter essere amplificata (meglio ancora un amplificatore per strumentazione). | |