Sensores Moduladores

Los sensores moduladores son aquellos que varían un parámetro eléctrico en función de la variable a medir. La variable puede ser presión, temperatura, caudal, etc., y el parámetro eléctrico puede ser resistencia, inductancia, capacitancia o campo magnético o eléctrico. La clasificación general de esto sensores se hace en Sensores resistivos y sensores de reactancia variable.

1. Sensores resistivos.

Los sensores moduladores del tipo resistivos, son aquellos que varían una resistencia en función de la variable a medir. Se ha realizado una clasificación de estos sensores en función de la variable a medir, tal como refleja la tabla siguiente:

1.1. Potenciómetros (Variables mecánicas)

Potenciómetros (Variables mecánicas)

El potenciómetro es un sensor utilizado para medir la variable mecánica desplazamiento, y consiste de un dispositivo con dos partes y tres terminales.

Una de las partes es una resistencia fija descubierta la cual puede ser de carbón o de hilo arrollado.

La otra parte es un contacto móvil que se desplaza por la resistencia fija.

En Teoría, para un conductor cualquiera, su resistencia viene dada por:

Donde:

ρ = Resistividad del material (Ωm)

A = Sección transversal

l = Longitud del conductor.

En la figura siguiente se muestra el modelo de un potenciómetro. Si se denomina x a la distancia recorrida por el curso, la resistencia obtenida será:

El problema de este tipo de sensor es:

a. Varía con la temperatura.

b. Varía con la deformación de la sección transversal, causada por la presión o fuerzas ejercidas sobre el.

c. El contacto del cursor origina desgaste, modificando la sección transversal.

Pueden ser lineales, como la figura mostrada anteriormente, o no lineales como el siguiente:

En este último caso, la resistencia fija entre E y C está formada por una sección triangular variable de hilo arrollado. Este hilo tiene una sección A y diámetro D.

La ecuación de su resistencia es ahora:

Los potenciómetros pueden dar una salida analógica, si la resistencia fija es de carbón, o digital, si la resistencia fija está formada por hilo arrollado.

El potenciómetro se utiliza para medir preferiblemente desplazamientos, conectando el objeto de medición a su cursor. Sin embargo, puede ser utilizado para medir otras variables de forma indirecta, cuando estas generen desplazamientos en otros dispositivos.

Por ejemplo:

a. Se puede utilizar para medir presión, si se conecta el cursor al extremo de un tubo Bourdon.

b. Para medir nivel en líquidos conductores o no conductores.

c. Para medir temperatura si se conecta al extremo de un medidor de bulbo y capilar.

En los casos a y c se utiliza para generar una señal eléctrica. Mientras que en el caso b es el elemento primario.

1.2. Galgas extensométricas (Variables mecánicas)

Se basan en el efecto piezorresistivo ya descrito para el potenciómetro. LA diferencia es que ahora se busca modificar la resistencia variando algunos de los parámetro de la resistencia, por ejemplo, su longitud l o su sección transversal A.

Si a una pieza de material resistivo se le aplica un esfuerzo, esta se deformará, y cambiará su resistencia. Por tanto, este tipo de sensores se utiliza para medir fuerza o presión, aunque también puede aplicarse a la medida de desplazamientos pequeños.

Todo material al que se le aplica un esfuerzo se deformará en mayor o menor grado, y llegará a un punto en que se romperá. Esta relación esfuerzo vs deformación se muestra en la siguiente gráfica.

Si se tiene un conductor cilíndrico de longitud l y sección transversal A, y se le aplica un esfuerzo perpendicular a la sección transversal, de tal forma de comprimirlo o estirarlo, es decir,

Donde:

E = Constante del material o módulo de Young en Pa

σ = Tensión mecánica o esfuerzo en Pa o Kg/cm2

ε = Deformación unitaria adimensional, normalmente dada en μdeformaciones (10-6 m/m)

Este análisis tan simple no es aplicable para piezas tridimensionales, ya que al aplicar el esfuerzo en la dirección indicada es de esperar que también se altere la sección transversal A. Si denominamos D al diámetro involucrado, se debe definir un nuevo coeficiente: el coeficiente de Poisson, el cual viene definido como:

Se procederá a realizar un análisis de la relación de estas deformaciones con la resistividad del material.

Para los metales se cumple:

dp/p=CdV/V

Donde C es la constante de Bridgman (1,13 a 1,15 para galgas)

El volumen del resistor cilíndrico indicado al principio es:

Sustituyendo (8) en (7)

Sustituyendo (9) en (6)

De (1)

Sustituyendo (11) en (10)

Como es un cilindro:

Sustituyendo (14) en (12)

K se denomina factor de sensibilidad de la galga.

Si los cambios en un sensor resistivo puede ser expresados como

Finalmente como de (4)

Los principales problemas de las galgas son:

a. Cuidar el margen elástico.

b. El esfuerzo debe ser totalmente transversal a la galga.

c. La temperatura altera su valor.

Ejemplos de galgas:

Las galgas se pueden aplicar a:

a. Medida de fuerza.

b. Medida de presión.

c. Medida de desplazamientos pequeños.

d. Medida de vibración.

1.3. Termorresistencias (Variable térmicas)

Una termorresistencia es un dispositivo que varía su resistencia con la temperatura. Suele denominarse RTD (Resistive temperature detector) por sus siglas en ingles.

El símbolo que la caracteriza es:

El símbolo sin flecha indica que la variación es intrínseca por la característica resistiva, no por manipulación manual.

La ecuación característica de las termorresistencia es la siguiente:

Este dispositivo tiene como limitaciones.

* No puede medir temperaturas próximas a la de la fusión del conductor con que se fabrica.

* El autocalentamiento ocasionará derivas en la medición.

* S se deforma, puede cambiar su patrón de medición.

Tiene como ventaja el ser diez veces más sensible que los termopares, tal como se verá más adelante.

Normalmente no es necesario considerar todos los coeficientes de la ecuación (19), sino que considerando solo el primer término se tiene una excelente aproximación, es decir,

Donde α es la sensibilidad del material, y R0 es la resistencia a la temperatura de referencia (normalmente 0 grados).

En la tabla siguiente se muestran las Termorresistencias típicas:

La termorresistencia mas común por su linealidad es la de platino, que se suele denominar.

Pt100 (termorresistencia de platino con R0 =100 Ω a 0° C)

Pt1000 (termorresistencia de platino con R0 =1000 Ω a 0° C)

1.4. Termistores (Variables térmicas)

Los termistores también son resistencias que varían su magnitud con la temperatura. Se diferencian de las termorresistencia por que están basadas en semiconductores. Por tanto su característica no es lineal, aunque dentro de un margen adecuado pueda ser considerada de es amanera.

Su símbolo será:

La raya quebrada indica que no es lineal. El elemento positivo o negativo indica que tiene una característica positiva o negativa respectivamente. Es decir, si es de coeficiente positivo, PTC, la resistencia se incrementa con la temperatura. Si es de coeficiente negativo, NTC, disminuye con la temperatura.

En el caso de una NTC la ecuación característica será

Donde:

B = temperatura característica del material (2000 K a 5000 K)

R0 = Resistencia a la temperatura de referencia T0, normalmente la temperatura ambiente

(25 °C o 298 K)

Tiene como ventajas el ser más sensible que las Termorresistencias, más rápidas y permite hilos de conexión mayores.

Tiene como desventaja el ser no lineal, y al variar su temperatura por el autocalentamiento del material.

Los termistores tienen muchas aplicaciones algunos de los cuales son.

a. Medida directa de temperatura por variación de corriente:

b. Medida de caudal en circuito puente.

c. Protección por autocalentamiento.

1.5. Magnetorresistencias (Variable magnéticas)

Las magnetorresistencias se basan en la variación de resistencia en un conductor por variaciones en el campo magnético. Este efecto se denomina efecto magnetorresistivo y fue descubierto por Lord Kelvin en 1856

Este tipo de sensores tiene la ventaja con respecto a los sensores inductivos, por ser de orden cero, y con respecto a los sensores de efecto Hall por ser más sensible y proveer un mayor margen de medición de medición.

Está formada por una aleación de Hierro y Níquel (permalloy)

Tiene las siguientes aplicaciones:

• Medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas.

• Otras magnitudes que provean un cambio en el campo magnético, como el desplazamiento de una pieza, detectores de proximidad, nivel de flotador, etc. En estos casos se utiliza un imán que cambia su posición con el proceso. El campo generado por el imán es medido por la magnetorresistencia

1.6. Fotorresistencias (Variables ópticas)

Las fotorresistencias o LDR, es un dispositivo que cambia su resistencia por el nivel de incidencia de luz. Esta formada por materiales semiconductores.

Su símbolo:

1.7. Higrómetros resistivos (Variables químicas)

Los sensores resistivos deben ser conectados a circuitos de interfaz adecuado para poder aprovechar o medir el parámetro variado.

Tradicionalmente no se suele medir la resistencia que varía, sino la variación de otro parámetro que depende de esta, como la tensión, la corriente o la frecuencia.

En este capítulo nos centraremos en los circuitos de interfaz tradicionales, dejando la salida casi-digital o digital a capítulos posteriores.

Los métodos de acondicionamiento se clasificarán en tres grupos:

a. Divisor de tensión.

b. Puente de Weatstone

c. Amplificadores para puente de sensores.

Si en forma general se representa la variación de resistencia en un sensor resistivo como

R=Ro(1+x)

El margen de variación de estos medidores puede representar se como:

Todos estos sensores necesitan una alimentación eléctrica y presentan el problema que el autocalentamiento influye en la medida.

1.8. Acondicionamiento: Puente de Wheastone, Amplificador de Instrumentación.

Puente de Wheatstone:

El puente de Wheatstone es un dispositivo orientado a corregir parte del problema que presenta la configuración anterior: Linealidad y sensibilidad.

donde

si en el equilibrio se considera

entonces

Se ha obtenido una relación no lineal, lo cual será proporcional solo cuando x <<>

si se alimenta a una corriente constante

Ahora la condición para la linealidad es mejor, es decir, x <<>

De libro del profesor Pallas se sugiere que un circuito de linealización puede ser:

Si lo que se quiere es ajustar el cero un posible circuito será:

Un problema crucial en la conexión de estos circuitos es la conexión del sensor.

Por ejemplo, considérese los hilos de conexión del sensor tal como se muestra en la figura.

La ecuación será:

Una forma de resolver este problema es mediante la conexión a tres hilos o método Siemens.

idealmente

en la practica

Calculando el error entre estos dos términos, se obtiene:

Obsérvese que si las resistencias son iguales el error se hace cero y se compensa el efecto de los hilos de conexión.

Si en vez de un solo sensor se tiene que conectar dos, en configuración de medio puente, se obtiene:

donde

Si ahora se tiene cuatro sensores, el resultado será


donde


Note como se ha incrementado la sensibilidad de la medida

¿Cómo medir la salida de un puente?

Veamos estas alternativas:

a. Mediante un galvanómetro, aunque este tiene el problema de su baja resistencia.

b. Con un Osciloscopio se tiene le problema que no posee entradas diferenciales.

c. Con un Multímetro digital puede resultar muy costoso.

Amplificadores

Posibles configuraciones de operacionales para medir en el puente de Weatstone.

La figura a recoge la conexión de un amplificador de instrumentación. En la figura b se conecta un amplificador operacional. Como la fuente es flotante, se puede conectar el operacional a tierra. En la figura c. Se obtiene un operacional con una fuente diferente de la que alimenta al puente.

Cuando el puente esta conectado a tierra. No es recomendable que el operacional o amplificador esté conectado a la misma tierra.

A continuación veremos algunas posibles configuraciones.

Amplificador diferencial:

El amplificador diferencial es un dispositivo como el mostrado en la figura

Donde

Si las resistencias son iguales se puede deducir que

Pero lograr este apareo de resistencia es difícil, por lo que su capacidad de rechazar las señales de modo común no será infinita.

Expresemos la ecuacion de Vs de la siguiente forma

Donde el primer término es la ganancia en modo común, y el segundo, la ganancia en modo diferencial. Nosotros deseamos que el primer término se anule. Calculemos cada término tomando en cuenta que

Luego:

Para que la ganancia en modo común sea cero se necesita que el coeficiente del primer término sea cero, lo cual se cumplirá solo si

La capacidad que tiene un dispositivo para rechazar esta ganancia de modo común se denomina CMRR, y en este caso será:

Este dispositivo puede ser conectado al puente directamente desde sus terminales e1 y e2, pero también desde los puntos v1 y v2.

Amplificadores de Instrumentación

Se denomina amplificador d instrumentación a aquel dispositivo que tenga simultáneamente alta impedancia de entrada, alto rechazo del modo común, ganancia estable y variable con una sola resistencia, y que no se contraponga ganancia-ancho de banda, tensión y corriente de fugas bajas, bajas derivas, impedancia de salida baja.

La estructura típica de un A.I. es la mostrada en la figura siguiente, cuya ecuación es:

Si R4 = R5 = R6 = R7 , entonces,

Con R2 se puede variar la ganancia pero no de forma lineal.

Algunos amplificadores de instrumentación monolíticos son:

Analog Devices: AD624

National: LM363

Burr-Brown: INA101

Linear: LTC1100, LT1101

Ya que esta estructura es muy típica, algunos fabricantes la ofrecen con redes de resistencias y poder cambiar el valor de la ganancia.

El terminal denominado referencia es accesible en algunas versiones, con el fin de poder desplazar el nivel de tensión de referencia de la salida.

Amplificadores de Aislamientos

Son dispositivos que permiten un aislamiento óhmico entre la entrada y la salida. Por tanto tienen una alta resistencia y una baja capacidad de entrada (1012 ohm / 10 pF)

Se utilizan porque los amplificadores normales no soportan tensiones de modo común altas.

El paso de energía o señal se hace mediante transformador o por opto acopladores.