3-wire load cells e Arduino

Buongiorno,

ho recuperato da una bilancia pesapersone 4 celle di carico(tipo: http://i.stack.imgur.com/xXID1.jpg la foto non dà certo specifiche tecniche ma almeno dà un'idea di quello di cui sto parlando). Girando in internet non ho trovato altro nome se non "celle a 3 fili" per distinguerle da quelle, molto più comuni, a 4. Ora vedendo in giro varie pagine ho trovato gente che come me ha cercato di collegarle ad un Arduino. Solo che in quasi tutti saltavano sempre fuori schemi di circuiti con celle a 4 fili. Ora qualcosa su come farle funzionare penso di aver capito, solo che mi rimangono diversi dubbi:

1) Come sono fatte internamente queste celle? Devo considerarlo come un singolo estensimetro? se così fosse perchè i 3 fili e non semplicemente l'input e l'output?

2) Una volta capito come si genera la tensione in uscita, rimane il problema dell'amplificazione. A quanto ho letto si parla di qualche mV/V non registrabile quindi dal microcontrollore. Cosa posso fare per amplificare? Ho letto soluzioni che vanno da ponti di Wheatsone a circuiti integrati tipo INA125.

3) Posso usare singolarmente una di queste celle, oppure devono per forza essere accoppiate? Avevo visto su una pagina che si mettono accoppiate per esempio per annullare gli effetti della temperatura. Riguarda solo quello oppure c'è proprio un motivo di fondo per cui non possono lavorare singolarmente?

4 e ultima) Io le parti di elettronica della bilancia le ho ancora, solo che, davanti ai miei occhi ignoranti di elettronica, sembra solo un pezzo di silicio con qualche condensatore e resistenza sopra. Credete che sia possibile trovare il modo per sfruttare quel circuito già esistente e tarato su quelle celle, oppure è meglio lasciar perdere?

Grazie in anticipo a chi riesca solo a risolvere alcuni di questi dubbi, inoltre avviso che la mia conoscenza di elettronica è davvero misera; quindi accetto benissimo anche chi mi dissuadesse dal capirci qualcosa se fosse troppo complicato.

Le celle usate nelle bilance pesa persona comuni (max 160-200kg) sono tutte [u]passive/u e, per avere un misura più precisa, se ne usano 4 [u]suddividendo[/u] il carico.

Possiamo dire perciò che ognuna è in grado di misurare circa 40-50 kg al massimo (4x50=200kg).

La struttura interna è equiparabile ad un partitore di tensione in cui il rapporto tra i due resistori varia secondo la forza applicata. Applicando al partitore una tensione di riferimento di 5V si ottiene una variazione di tensione di circa 50 mV (10mV/V) con carico massimo, quindi è indispensabile un circuito di amplificazione con basso rumore.

Per aumentare la precisione di solito si usa un circuito [u]differenziale[/u] con due celle celle (ad esempio un INA125 con guadagno 100 e Vref = 2.5V)

Difficilmente potrai usare il circuito della bilancia poiché l'uscita analogica non è disponibile.

Grazie della risposta perchè finalmente inizio a capire cosa ci sia dentro quel pezzo di metallo. Con la sua spiegazione del partitore ho capito quindi la necessità dei 3 fili :) detto questo, l'impiego per cui mi servono non è nè una pesacarri nè una bilancia di precisione. Di fatto mi serve pesare masse che non superano il quintale e con una precisione anche intorno all'etto, anche un kilo. Sul circuito di amplificazione mi sa che dovrò iniziare a studiarmi come funziona un amplificatore perchè i due termini che ha citato riguardo all'ina125 non so neanche cosa significhino :) Una sola domanda: poichè appunto volevo evitare di spendere un'esagerazione considerato il fatto che questa bilancia mi serve per stime qualitative e non pesi di precisione, posso usare solo un amplificatore per tutte (collegandole per esempio in serie) oppure la cosa è più complicata?

un etto su un quintale è piuttosto precisa: 0.1%

No infatti il quintale è proprio il tetto massimo e ho detto etto/kilo. Contanto che una bilancia normalmente segna l’etto pensavo che, con un ’ elettronica adeguata si potesse raggiungere lo stesso risultato. …

Se è un Kilo allora ci riuscirai sicuramente, un etto con questi sensori no di sicuro

No infatti il quintale è proprio il tetto massimo e ho detto etto/kilo.

Allora vuoi costruirti una bilancia che pesa 1 quintale o una che pesa 1 kg?

In entrambi i casi le cose sono problematiche. Con una cella di carico non arrivi a 100 kg. Non puoi amplificare in modo da avere 1kg di finescala perché il tutto sarebbe troppo instabile.

posso usare solo un amplificatore per tutte (collegandole per esempio in serie) oppure la cosa è più complicata?

Non hai capito il funzionamento. Non puoi collegarle in serie. Una cella dic arico a 3 Fili é un partitore resistivo dove una resistenza diminuisce e l' altra aumenta in funzione della forza (deformazione) applicata. Per leggere il valore serve un amplificatore differenziale come proprio il INA125. Un segnale sará il comune dellla cella di carico e l' altro puó essere un partitore con 2 resistenza di precisione oppure un altra cella di carico collegata in modo che il cambio di tensione si opposta rispetto la prima. Cosí si ha il segnale di grandezza doppia rispetto a una cella di carico e un partitore resistivo.

Ciao Uwe

Di fatto mi serve pesare masse che non superano il quintale e con una precisione anche intorno all'etto, anche un kilo.

Quintale = massima massa utile per la misurazione. Kilo/etto = precisione auspicabile.

Riguardo alla seconda osservazione, come dicevo nel primo messaggio, avevo sospetti poichè nelle pagine che avevo visto venivano sempre accoppiate, tipo questo: http://img5.fotos-hochladen.net/uploads/circuitinan7qpkr42ho.png ;) Ciò significa che non c'è modo di trovare un modo per usare uno stesso amplificatore per 4? Scusi per le domande magari stupide ma come elettronica non sono molto ferrato, infatti per ora sto cercando di capire se è una cosa fattibile con le mie conoscenze...

Allora la precisione che vuoi ottenere é da 1% al 0,1%.

Quel schema linkato non mi sembra giusto. se le celle di carico sono uguali e la forza da misurare viene applicata in modo analogo su entrambe allora l'alimetazione di una deve essere invertita.

Sí il modo c'é; usi sempre solo 1 resistenza per cella di carico e non entrambe come partitore. Con le 4 Resistenze delle 4 celle di carico devi fare un ponte H. Percui devi usare 2 resistenze che con la forza applicata aumentano e 2 che co la forza diminuiscono e collegarli in modo opportuno. Ma cosí facendo diminuirai la precisione perché l' errore della temperatura non viene piú eliminato automaticamente.

Ciao Uwe

Stavo riflettendo su questa ultima proposta uwefed, a parte la temperatura anche la dinamica del segnale è minore quindi l'errore è il doppio che usare 2 amplificatori differenziali ognuno collegato a 2 celle contrapposte, che infine vanno in 2 ingressi analogici a 10 bit

Rinviando il problema di creare il circuito con “opportuni collegamenti” che non sarà cosa facile per me :), sapreste quantificare l’errore cui andrei incontro usando un solo amplificatore? Lo chiedo perchè l’intenzione è quella di minimizzare sia i costi sia i pin analogici occupati, considerato che nel data logger potrei aver bisogno di altri sensori, sempre analogici. La domanda è posta per sapere se è fattibile entro certi errori (se sapeste stimarli " a occhio") oppure se devo procedere, come consigliato da icio, con i 2 amplificatori.

Rieccomi...

Dopo aver recuperato gli amplificatori ho provato a mettere in piedi il tutto, peccato che siano sorti ancora maggiori problemi.

Circuito: Per prima cosa ho unito due celle per completare in questo modo il ponte. Ho seguito questo schema (http://cerulean.dk/words/wp-content/00431.png) e di conseguenza ho collegato il GND di una cella all'alimentazione dell'altra e viceversa, in modo da avere gli estensimetri che lavorano in contrasto l'un l'altro (cioè come in figura). Ho tenuto indipendenti le due uscite e con un tester ho individuato i Vout+ e Vout-.

Ho poi rifatto il circuito dell'amplificatore seguendo quest'altro schema (http://www.thaieasyelec.com/images/mboard_1374656832/1374656832.png), in realtà anche su altri post ho trovato riconferma di tale circuito. Ho messo una resistenza da 1kOhm per avere un guadagno di ca 60.

Sketch;

int sensorPin = A0;   
float voltage = 0;  

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  voltage = (analogRead(sensorPin)*5)/1023;    
  Serial.print("Tensione: ");
  Serial.println(voltage);
  delay(1000); 
}

Problemi:

1) Innanzitutto già provando con il tester a misurare le uscite delle celle di carico ho registrato una tensione di 4,99 V. E' corretto che sia così alta?

2) Sempre con il tester l'uscita dell'analogico rispetto a GND l'ho misurata in 4,22 V, peccato che l'arduino da seriale mi mostrava un 4 costante.

3) Ultimo problema, appunto da seriale il valore era sempre 4.00, a prescindere dalla pressione esercitata. A me sembra strano che, al netto di problemi col circuito, la lettura analogica mi dia un valore costante di 4.00 V. Usando altri sensori spesso oscillava seppur in minima parte, come credo sia normale rispetto a questa "precisione" indesiderata :drooling_face:

Ringrazio in anticipo chi mi saprà dare qualche consiglio/errore in quello che faccio. :)

Mi viene da pensare che è errata l'individuazione dei 3 fili della cella di carico

Eh ma i 3 fili sono uno nero, uno rosso e l'ultimo bianco. So che nulla è certo ma suppongo che per una più che sensata convenzione il bianco sia l'uscita e il nero e il rosso rispettivamente GND e Vin. Sto sclerando dietro a questa cosa e non riesco a venirne a capo, considerato anche che, guardando online, in molti ci riescono senza problemi :~

Un'altra domanda: dei problemi che avevo indicato prima, uno non c'entra proprio con arduino o la parte dell'amplificatore. Mi riferisco ai 4,99 V registrati dal tester direttamente alle uscite del ponte di Wheatsone, è possibile? Perchè se fosse una tensione troppo alta in partenza vuol dire che c'è un problema con le celle, indipendente dall'elettronica. (la quale per la legge di Murphy non sarà esente da ulteriori problematiche :P )

E' proprio così, ci deve essere 2.5V tra massa e ogni uscita cella

trovare i fili è facile: misura la resistenza in qualunque delle 3 combinazioni tra i 3 fili , quando incontri la resistenza più grande hai trovati i fili vcc e gnd , ovviamente il filo che rimane è l'uscita

Ok almeno un dubbio risolto :) Domani provo allora a separare le celle e verifico che stia usando i cavi giusti. Mentre per la lettura analogica, com'è possibile che un 4,2 V mi diventi 4,00? Premetto che il povero tester (uno abbastanza economico) che ho usato ne ha passate di avventure e potrebbe essere lui il problema. Domani ne recupero uno più affidabile e controllo meglio...

Nulla... ho provato anche usando il bianco come 5V ma sono punto a capo. Questa volta al posto del costante 4,00V mi dà un fantastico 0,00. Guardando in giro trovo solo gente che lo fa con la mia stessa configurazione a cui funziona tutto. Non so se davvero mi sfugge qualcosa di stupido oppure se c'è qualcosa che proprio non va. Le celle collegate al circuito della bilancia normale funzionano benissimo... Bo... :(

Tempo fa ho preparato uno schema, ma non l’ho mai provato.

Spero che ti sia utile, se non altro per vedere come collegare le celle in modo contrapposto.

Grazie!! :) Appena ho tempo provo a guardarmelo bene e realizzarlo, sperando che sia la volta buona! Due cose.. prima volevo in ogni caso controllare con l'ohmetro che i cavi siano dei colori giusti. Perchè dal suo schema vedo che sono invertiti rispetto a come li usavo io o anche altri post in internet. Secondo, la R posta vicino al ponte suppongo indichi la resistenza degli estensimetri con relativa variazione, nel caso i valori non siano simili influisce molto sul dimensionamento delle altre parti dello schema? Lo chiedo perchè al momento ho tanta voglia di imparare ma non molte conoscenze di elettronica applicata ... Nel caso naturalmente provvedo io a cercare di fare i dovuti aggiustamenti perchè il contributo è già stato più che generoso! :)