Fundamentos das células de carga

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Princípio de funcionamento

Vamos começar lembrando como funciona um simples divisor de tensão

celulas_de_carga_divisores_automalabs.com.br

 

Nos três divisores acima a tensão é sempre a mesma: 6V. Com dois resistores de valor idêntico temos metade do valor da tensão no ponto A. Se experimentarmos aumentar o valor do resistor inferior a tensão medida aumenta como vemos no ponto B. Mas se em vez disso aumentarmos o valor do resistor superior a tensão medida diminui como vemos no ponto C.

Digamos que nós temos dois divisores de tensão cada um com uma resistência variável e que essas resistências variem ao mesmo tempo. Para medir o desequilíbrio entre os dois divisores isso não daria certo:

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4V-4V = 0V

2V-2V = 0V

Note que a diferença entre as tensões dos pontos B e C é sempre zero. Para o medidor é como se nada estivesse mudando. Porém se invertemos a posição de uma das resistências variáveis nós passamos a poder medir o desequilíbrio:

celulas_de_carga_divisores_3_automalabs.com.br

B-C = 4V – 2V = 2V

A diferença de tensão se torna proporcional à variação das resistências

 

A medição desse desequilíbrio é o princípio da Ponte de Wheatstone. A medição de células de carga se baseia nesse princípio. A célula de carga é uma Ponte de Wheatstone (ou meia ponte) cujo valor dos resistores variáveis muda com a pressão exercida.  Uma particularidade muito importante é que ao contrário dos exemplos que usei onde a variação da resistência é facilmente mensurável, na célula de carga essa variação é muito pequena sendo que quando você a pressiona com os dedos é de apenas décimos de ohm, por isso é impraticável medir/testar com um ohmímetro.

Com a variação de resistência é muito pequena, a variação de tensão também é. Tão pequena que um Arduino não poderia medir diretamente (tipicamente varia menos de 1mV por kg). Para isso precisamos de um circuito chamado amplificador de instrumentação (um tipo de amplificador operacional) e a saída desse amplificador é conectada ao Arduino. Você está livre para escolher que amplificador de instrumentação usar mas o mais comumente usado em projetos com Arduino é o HX711, que além de ser amplificador especificamente desenhado para ler células de carga incorpora um conversor A/D de 24 bits. Uma resolução muito maior que a do Arduino, que é de 10 bits.

É também comum nas células de carga que a resistência que estamos considerando como fixa também varie, mas no sentido oposto. Ou seja: enquanto uma resistência aumenta de valor a outra diminui. Para simplificar as explicações neste texto eu vou considerar que uma resistência é sempre fixa.

 

As células de baixo custo, usadas em balanças de banheiro e vendidas para projetos de automação com Arduino costumam ter as seguintes características:

  • Apenas três fios, característico de meia ponte;
  • Dos dois resistores internos apenas um é variável (ativo, valor muda com o stress) e o outro é fixo, usado como referência. Vou considerar que o ativo seja o resistor ligado ao fio branco.

Como explicado acima, ao fazer as ligações você deve ter em mente que as resistências variáveis precisam ficar em lados opostos da ponte.

Esquemas de ligação

Nos esquemas a seguir considere o seguinte:

  • As células tem três fios nas cores vermelho, branco e preto;
  • Os círculos coloridos representam as cores dos respectivos fios;
  • Se você ligar tudo certinho e ainda assim ao pressionar uma das células não aparecer variação, inverta a polaridade de um (e apenas um) dos pares. Nos meus desenhos eu considero que ao aplicar stress na célula o valor da resistência ativa aumente (tração). Se o valor diminui (compressão) a polaridade é oposta ao representado nos meus desenhos.

Ligação de 2 células de 3 fios

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Ligação de 4 células de 3 fios

Ao contrário da ligação com duas células aqui ligamos preto com preto e branco com branco. A idéia é sempre colocar os resistores ativos nos mesmos “braços” da ponte.

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Ligação de 1 célula de 3 fios

Esse modo não é recomendado, mas funciona. Você substitui uma das células de 3 fios por dois resistores de precisão do mesmo valor da resistência medida da célula que você vai usar. Como vai existir um resistor fixo no lugar onde deveria haver um variável, o valor da tensão entre S+ e S- é metade do do que haveria com duas células. Explicando de outra forma: se você fizer isso em uma balança, substituindo uma das células por resistores, o peso apresentado será metade do esperado.

A colocação de resistores também desbalanceia a ponte (em repouso a diferença entre S+ e S- é diferente do esperado) por isso é recomendado colocar um trimpot de precisão (multivoltas) de valor imediatamente superior no lugar onde deveria estar o resistor ativo da célula. Esse trimpot consegue balancear a ponte mas não tem nenhuma influência sobre o problema anterior.

celulas_de_carga_ligacoes_1x_1_automalabs.com.br

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