Interfases y TransductoresSensores Resistivos

Detectores de Temperatura Resistivos (RTD)Los detectores de temperatura basados en la variacin de una resistencia elctrica se suelen designar con sus siglas inglesas RTD (Resistance Temperature Detector).Sensor de temperatura basado en el cambio de resistencia de un conductor cuando existe un cambio de temperatura.Cuando la temperatura aumenta la vibracin de los electrones alrededor de los ncleos se incrementa reducindose de esta forma la velocidad media, lo que implica un aumento de resistencia.

Detectores de Temperatura Resistivos (RTD)Smbolo del RTD.Resistencia de una RTD viene dada por la frmula.Donde Ro es la resistencia a la temperatura de referencia y T es el incremento de la temperatura con respecto a la temperatura de referencia.Usualmente para los clculos matemticos y para trabajar en una regin lineal, se utiliza la siguiente ecuacin.

Detectores de Temperatura Resistivos (RTD)La mayora de los RTD estn compuestos por un cable fino arrollado alrededor de un ncleo cermico o de cristal.El material ms utilizado es el platino y al RTD de este material se le designa como RTD Pt100 debido a que a 0C la resistencia es de 100.Debido a la fragilidad de las RTD se suelen proteger dentro de una cpsula que puede encontrarse comercialmente con diversas formas.

Detectores de Temperatura Resistivos (RTD)Limitaciones No se puede medir temperatura en valores cercanos a la temperatura de fundicinEvitar autocalentamiento. AplicacinDonde se requiera alta sensibilidad, alta repetibilidad y gran precisin se emplea platino y para bajo costo el coste cobre y nquel.

TermistoresLos termistores son elementos en los cuales se mide las variaciones de la temperatura (K) en funcin del cambio de resistencia que experimentan, pero a diferencia de los RTD, los termistores se basan en semiconductores y no en conductores.Segn sea el coeciente de temperatura positivo o negativo se les denomina como PTC o NTCEl fundamento de estos sensores es la variacin de resistencia de los semiconductores al variar el nmero de portadores.Para un rango limitado de temperatura (50 C) la relacin de la resistencia en una NTC con la temperatura se suele considerar exponencial,

TermistoresAplicaciones Medicin de temperatura por calentamiento externoMedicin de ujos por enfriamiento. En el caso de los NTC la adicin de una resistencia en paralelo, permite su utilizacin como un sensor linealizado.Con una temperatura ambiente constante, para corrientes bajas el comportamiento del termistor es casi lineal. Conforme aumenta la corriente, las consecuencias del autocalentamiento son ms apreciables y la tensin crece cada vez ms despacio y llega un momento en el que la temperatura alcanza un valor para el que la tensin no solo no crece sino que decrece.En la zona de autocalentamiento el termistor es sensible a cualquier efecto que altere el ritmo de disipacin de calor. Esto permite aplicarlo a la medida de caudal, nivel, conductividad calorfica, nivel de vaco, etc.

TermistoresPosibilidad de ligeros cambios de las caractersticas con el paso del tiempo.Este fenmeno se minimiza en los modelos sometidos a envejecimiento artificial.Intercambiabilidad slo garantizada para modelos especiales.Necesidad de reajuste del circuitoen caso de sustitucin.Alta sensibilidad y alta resistividad.Comportamiento no lineal.Linealizable a costo de perder sensibilidad.Considerando varios modelos, amplio margen de temperaturas [-100C, +450C]Bajo precio.

Fotorresistencias (LRD)Las LDR (Light Dependent Resistors) Se basan en la variacin de la resistencia elctrica de un semiconductor al incidir en l radiacin ptica (radiacin electromagntica con longitud de onda entre 1mm y 10 nm). La radiacin ptica aporta la energa necesaria para aumentar el nmero de electrones libres (efecto fotoelctrico) disminuyendo la resistividad.

MagnetorresistenciasSon sensores basados en materiales ferromagnticos. Cuando son sometidos a un campo magntico se produce un aumento de la resistencia elctrica. El campo magntico altera la trayectoria de los electrones aumentando la resistividad.La relacin entre el cambio de resistencia y el campo magntico aplicado es cuadrtica, pero es posible linealizarla aplicando tcnicas de polarizacin.Medida directa:Registro magntico de audioLectoras de tarjetas magnticasResonancia magnticaMedida de otras magnitudes a travs de las variaciones del campo magntico:Medida de desplazamiento y velocidadDetectores de proximidadMedida de posiciones y la medida de niveles con flotador.

Acondicionadores de sealLos acondicionadores de seal son elementos encargados de transformar la salida del sensor en una medida equivalente adecuada para su proceso por las siguientes etapas del sistema de instrumentacin.En los procesos automatizados, el acondicionamiento de las seales es de gran importancia, debido a que es la base de los clculos y del buen funcionamiento del proceso. Se dice que a buenas medidas, buenos clculos y buen resultado del sistema de control. Los transductores, sensores y transmisores son los encargados de tomar las medidas primarias, dentro de estos, el acondicionador contribuye a escalar las seales medidas y presentarlas al sistema de control en una forma adecuada y fiable para su procesamiento.La flexibilidad en el diseo de los acondicionadores de seal para sensores de resistencia variable, junto con la abundancia de mecanismos que pueden modificar la resistencia elctrica de un material, hacen que dicho grupo de sensores sea el ms numeroso.

Acondicionadores de sealEn general, el comportamiento de un sensor resistivo se puede expresar como: R=R0f(x), con f(0)=1. Para el caso en que la relacin sea lineal R=R0(1+kx)El margen de variacin de kx cambia mucho segn el tipo de sensor y, por supuesto, segn la amplitud de los cambios en la magnitud a medir. A efectos prcticos puede acotarse en el margen [0 ,-1] para los potencimetros lineales de cursor deslizante y [0, 10-5 a 10-2] para las galgas extensomtricas.Cualquiera que sea el circuito de medida, hay dos consideraciones con validez general para todos los sensores resistivos:Todos necesitan una alimentacin elctrica (en tensin o en corriente) para poder obtener una seal de salida elctrica.La magnitud de esta alimentacin, que influye directamente en la sensibilidad del sensor, viene limitada por el posible autocalentamiento del mismo, ya que una variacin de su temperatura influye en su resistencia.

Medida de resistenciaPara la medida de resistencias existen varios mtodos clasificados en mtodos de deflexin y mtodos de comparacin.El mtodo de deflexin ms simple consiste en alimentar el sensor con una tensin o una corriente y medir, respectivamente, la corriente o la cada de tensin en la resistencia. El problema ms serio que presenta es que, en muchos casos, el valor mximo del cambio a medir es incluso de slo el 1%. Ello supone tener que medir cambios de corriente o tensin muy pequeos superpuestos a valores estacionarios muy altos (correspondientes a x=0).Los mtodos de comparacin estn basados en el uso de dos divisores de tensin, en uno de los cuales est insertado el sensor resistivo. Son los denominados puentes de Wheatstone.

Medida por deflexin

Medida por comparacinEstos mtodos son adecuados para medir variaciones pequeas de Rx. En este caso se ajusta el cursor del potencimetro graduado hasta anular Vm. Cuando Vm=0 se dice que el puente est equilibrado. El valor de Rx se lee directamente en la escala graduada. Este procedimiento, normalmente es de aplicacin manual.Aunque se trata de un mtodo de comparacin, en el sentido de que se comparan las tensiones de dos divisores, en este puente la salida VS se mide por deflexin. Si se consideran fijos V, R1, R2 y R4, VS es funcin de Rx.

Circuito de medida para potencimetrosSupondremos un potencimetro con resistencia nominal Rn. En la figura se muestra el circuito de medida ms simple. Para medir la tensin del cursor se utiliza un voltmetro con una impedancia de entrada Rm.

Circuito equivalenteEl circuito elctrico equivalente, considerando que el dispositivo de medida tiene una resistencia de entrada finita Rm.

Circuito equivalenteDe la expresin anterior se desprende que para valores altos de k, el denominador es prcticamente uno y la tensin leda es proporcional al desplazamiento del cursor. En las figuras se muestra la linealidad de la medida y el error cometido en funcin de k y de x.De estas grficas se desprende la necesidad de utilizar un equipo con alta impedancia de entrada para medir la tensin del cursor del potencimetro.

Circuito de medidaEl circuito muestra una forma simple de reducir el error por carga sin aumentar la impedancia de entrada del dispositivo de medida. El valor de Vm para x=0.5, est en el punto medio de la tensin de alimentacin, con lo que el error para x=0.5 es cero. Esto contribuye a reducir el error mximo con respecto al circuito inicial.

Puente de Wheatstone - ComparacinSistema realimentado en el que el valor de la resistencia R3 resulta de balancear el puente con la resistencia ajustable R4 de modo que la corriente por la rama central sea nula.En el equilibrio se verifica que R3 = R4R2/R1.

Puente de Wheatstone - DeflexinEste elemento ofrece una medida de alta precisin y confiabilidad. Existen modificaciones de estos puentes para la medida de resistencias pequeas y altas. Hay una amplia variedad de puentes de corrientes alternas para mediciones de inductancias y capacitancias. Los puentes de Wheatstone comerciales tienen una precisin de 0.1%.En la figura se muestra un circuito de un puente de Wheatstone para la medida de resistencia, con R3 la resistencia a ser medida.Se genera una seal elctrica como medida de la descompensacin del puente.

Puente de Wheatstone - DeflexinDe la expresin se deduce que la salida del puente slo es lineal con x si k+1 es mucho mayor que x. En las figuras se muestra la tensin de salida del puente en funcin de x para varios valores de k.

Puente de Wheatstone - DeflexinDerivando VS con respecto de x se obtiene la sensibilidad del puente frente a variaciones de x.Se observa que la sensibilidad es funcin de V, de x y de k. Derivando S respecto de k e igualando a cero se obtiene que si k=x+1 la sensibilidad es mxima. Calculando la segunda derivada se comprueba que efectivamente este punto corresponde a un mximo.

Puente de WheatstoneDe lo anterior se desprende que la sensibilidad y la linealidad se comportan de forma contraria.Si se aumenta k, para obtener una buena linealidad, disminuye la sensibilidad y viceversa.Aunque la linealidad no es imprescindible para tener una buena exactitud, la interpretacin del resultado siempre es ms fcil si la salida es proporcional a la magnitud medida.Limitar la medida a un rango estrecho. Sacricar la sensibilidad empleando valores elevados de k, tratando de compensar esta reduccin con mayores voltajes. Linealizacin mediante tcnicas analgicas o digitales.

Puente de WheatstoneVentajas de los puentes de Wheatstone:Permite medidas de tipo diferencial (gradientes). Pueden construirse esquemas para medidas promediadas. Mayor sensibilidad y compensacin de interferencias

Amplificadores operacionalesSon elementos de amplificacin de alta ganancias, utilizados para trabajar con seales de poco voltaje. Son utilizados para amplificar seales de corrientes continuas y para seales de corrientes alternar pueden alcanzar hasta MHz. Generalmente son utilizados con una red compuesta por elementos electrnicos como resistencias y capacitores entre ellos, con la finalidad de producir una salida estable.

Amplificadores operacionalesPara llamarse amplificadores operacionales deben cumplir:Alta impedancia de entradaBaja impedancia de salidaAlto CMMR (Common mode rejection ratio)Ganancia estable y ajustable con una nica resistencia y sin que afecte al ancho de bandaTensiones y corrientes de desequilibrio (offset) bajas y con pocas variaciones.Caractersticas reales de los amplificadores operacionales:Gananciade 103 a 109Ancho de Bandade 0 a MHzImpedancia de Salidade 25 a 50Impedancia de Entradade 105 a 1012 Seal de Salida con V1=V2muy pequea

Diferencial de lazo abiertoIdealmenteLos amplificadores operacionales poseen una ganancia de modo comn KC, la cual es funcin de los voltajes de entrada, genera una salida no deseada. Los buenos amplificadores operacionales tienen una CMRR >1000

Seguidor de tensinEste se comporta bsicamente como el amplificador de tensin ideal, tiene una impedancia de entrada muy grande, una impedancia de salida pequea y una ganancia de voltaje estable. Para el anlisis de la impedancia de entrada y salida que presenta esta configuracin, lo haremos en funcin a la figura. Ganancia de lazo CerradoSi se cumple que:

Seguidor de tensinLa fraccin de retroalimentacin y viene dada por: La impedancia de entrada a lazo cerrado La impedancia de salida a lazo cerrado:

Seguidor inversorEsta configuracin invierte el signo de la seal medida, pero conservando fielmente la forma de onda de la entrada. Posee una ganancia que viene determinada por la relacin entre la resistencia de salida y la resistencia de entrada del sistema. Esto podemos notarlo en las siguientes ecuaciones.La ganancia a lazo cerrado:Las impedancias de entrada y salida:y

Amplificadores operacionalesDiferenciador: Su funcin consiste en tomar la derivada de la funcin de entrada. El circuito es el siguiente:Integrador: Esta configuracin toma la integral de la seal de entrada al circuito. El circuito es el siguiente :

Diferencial a lazo cerradoEsta configuracin toma la diferencia de las dos seales de entrada y en funcin al resultado, genera la salida. La salida del sistema viene dada por la ecuacin Si hacemos R1 = R2 y adems Rf = R3, tendremos que la salida ser

Sumador inversorEsta configuracin es una modificacin del seguidor inversor, con la ventaja que puede amplificar ms de una seal a la vez, debido a la tierra virtual que se forma en VX, donde fluyen todas las corrientes de entrada y pasan por la nica resistencia de salida, amplificando la suma de las entradas. Si R1 = R2 = R3, la ecuacin queda:

Amplificador de instrumentacinEl mas usual de los tipos de amplificadores de instrumentacin se hace con tres amplificadores operacionales y se obtiene un mejor desempeo con respecto a un solo amplificador. Al ser tres amplificadores estos presentan un rechazo de modo comn al menos diez veces mayor.