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Misura analogica di peso tramite cella di carico

L'obiettivo di questa esperienza è quello di realizzare una bilancia basata su cella di carico con portata 2 Kg.

Eseguire la messa a punto con massa campione da 600g, misurare la massa incognita e stimare l’incertezza di misura.



Materiale utilizzato:

  • Una cella di carico a parallelogrammo, con 4 estensimetri connessi a ponte

  • resistori con tolleranza: 5%, strato metallico, potenza : 0,25 W, coefficiente di temperatura :

50 ppm/°C

  • 2 amplificatori operazionali OP07

  • 4 condensatori (meglio poliestere) da 100 nF 63 V

  • basetta per montaggi sperimentali

  • un alimentatore da laboratorio duale regolabile in tensione

  • un multimetro da banco con risoluzione di 6.5 cifre HP34401

  • massa campione da (140,79 ±0.05)gr per la messa a punto.



La cella di carico che abbiamo utilizzato è ad alta precisione. Si tratta di una cella di carico a parallelogrammo, con 4 estensimetri connessi a ponte. La portata massima è di 2Kg .


Schema della cella di carico:


I terminali “Vcc” servono per l’alimentazione, mentre i terminali “Vout” sono le uscite del ponte.


Il circuito di misura è il seguente:



Figura 1: circuito di misura con cella di carico



Circuito:


Il circuito impiegato è tipico di un amplificatore da strumentazione collegato ad un ponte di wheatstone. Può risultare utile, comunque,apportare qualche accorgimento circuitale per migliorare le prestazioni del sistema di misura.

I segnali ai terminali di uscita del ponte sono limitati. Pertanto conviene lavorare con collegamenti a filo schermato dal ponte verso il circuito elettronico.

Grazie alla scelta della configurazione a ponte intero per gli estensimetri, e dell’amplificatore da strumentazione, l'effetto delle resistenze dei cavi è trascurabile sull’incertezza della misura. Ai terminali di uscita del ponte è presente una corrente molto piccola: quella di bias dell’OP07, di circa 3 nA. Le cadute sui cavi di alimentazione del ponte,invece, sono leggermente più elevate, perché è più alta la corrente che vi scorre. Tuttavia, non sono rilevanti per la tensione di equilibrio del ponte di estensimetri.

I 4 condensatori da 100 nF poliestere servono a filtrare eventuali segnali di disturbo spuri, ad alta frequenza sulle linee di alimentazione; inoltre riducono le variazioni di tensione create dall’induttanza delle linee di collegamento durante il funzionamento del circuito. Di conseguenza rendono più stabile la tensione che alimenta gli amplificatori operazionali.


Messa a punto:


Per minimizzare le alterazioni dovute al montaggio e smontaggio delle masse da misurare

sulla cella di carico, abbiamo effettuato una serie di misure su ogni massa.

Dalle uscite degli amplificatori misuriamo la tensione Vo con il multimetro digitale; tale tensione è proporzionale allo scostamento dalla posizione di equilibrio, e quindi alla

deformazione della cella di carico rispetto alla posizione di riposo. A causa dell’elevata deriva meccanica e termica del dispositivo, si rende indispensabile eseguire, di volta in volta, una sorta di messa in punto, misurando la tensione a vuoto V0 e la tensione Vx con il ponte sottoposto a stress.

Si avrà quindi :

. La costante K [kg/V] è caratteristica della cella di carico impiegata e del sistema meccanico utilizzato; non varia durante la misura.

Non è nota: è dunque necessario calcolarla effettuando una calibrazione con la massa

campione. Il valore della massa campione è noto: Mc = (140,79±0.05) gr .

Posizioniamo la massa campione sulla bilancia, e leggiamo sul voltmetro una tensione Vc proporzionale alla massa in misura.

Allora la massa incognita risulterà essere .

A causa di derive meccaniche (cella di carico) e termiche (cella di carico ed estensimetri), in generale si avrà . Ma i due valori potrebbero essere ragionevolmente vicini.

Per la taratura si utilizza la massa campione, nota in modo accurato; lo si posiziona sulla bilancia e si memorizza il valore di tensione ad esso relativo. Si calcola, quindi, la costante della bilancia e si ricava la massa in misura.


RISULTATI



Calcoliamo la massa incognita mediante la formula:



dove Vx è la tensione misurata quando si applica la massa incognita; V0 è la tensione a vuoto del ponte; Vc è la tensione che viene segnata dal multimetro quando si applica alla cella di carico la massa campione; Mc è la massa campione che vale :




Per trovare il valore della massa incognita abbiamo effettuato 10 serie di misure e per ciascuna delle quali abbiamo pesato la massa campione, la massa a vuoto, la massa incognita e, infine,

di nuovo la massa a vuoto. Abbiamo poi calcolato il valore medio tramite la formula:



Infine abbiamo calcolato il valore medio delle cinque serie .

Il valore dalla massa incognita risulta essere:



Riportiamo in una tabella i risultati:




La media dei valori risulta essere:









Commenti

1 - lucVen 07 Nov 2014 - 13:04:27  

ciao ma con ad623 si riduce il tutto a 1/5 del circuito proposto


2 - AnonimoLun 11 Feb 2013 - 13:54:16  

ciao
ho letto il tuo articolo ed è molto interssante.
Vorrei fere una prova ho 2 estensimetri da 120 ohm ma mi sogre un dubbio se li collego in serie direttamente all'alimentzione +5 volt non corro il rischio di bruciarli?
104 mW potenza dissipata.
20 mA


3 - AnonimoMer 21 Set 2011 - 16:29:07  

ma non avete di meglio da fare ???


4 - AnonimoGio 31 Mar 2011 - 18:54:07  

VG


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