Acondicionadores de señales. El término “acondicionadores de señal” se utiliza para el...

Acondicionadores de Acondicionadores de señalesseñales

Acondicionadores de señalesAcondicionadores de señales

El término “acondicionadores de El término “acondicionadores de señal” se utiliza para el elemento ó señal” se utiliza para el elemento ó elementos de un circuito de medida o elementos de un circuito de medida o control que convierte la señal procedente control que convierte la señal procedente del sensor en un formato adecuado para un del sensor en un formato adecuado para un tratamiento posterior.tratamiento posterior.

Tipos de Acondicionadores de señalesTipos de Acondicionadores de señales

•Divisores de tensiónDivisores de tensión•PotenciómetrosPotenciómetros•Puente de WheatstonePuente de Wheatstone•Amplificación de la Señal Amplificación de la Señal •Linealización de la Señal Linealización de la Señal •Convertidor de Tensión a CorrienteConvertidor de Tensión a Corriente•Acondicionadores para TermoparesAcondicionadores para Termopares•Acondicionadores para sensores capacitivosAcondicionadores para sensores capacitivos•Acondicionadores para sensores piroeléctricosAcondicionadores para sensores piroeléctricos

Divisores de tensiónDivisores de tensión

Divisores de tensiónDivisores de tensión

El circuito esencial de un divisor de tensión, también llamado divisor de potencial o divisor de voltaje es:

APLICACIONES APLICACIONES del divisor de tensióndel divisor de tensión

Sensores de LuzSensores de Luz

Una LDR esta constituida por un bloque de material semiconductor sobre el que puede incidir la radiación y dos electrodos metálicos en los extremos.

Las fotorresistencias (LDR’s, Light Dependent Resistor) son sensores resistivos basados en semiconductores utilizados para detectar y medir radiación electromagnética.

A

d

+ -i

V

ELECTRODOS

L() INTENSIDAD DE RADIACIÓNLUMINOSA

LDR

(a) (b)


Una LDR típica consiste en una fina capa semiconductora sobre un sustrato cerámico o plástico.

Sustratocerámico

Contactosmetálicos Película

semiconductora


La parte sensible a la luz del LDR es una pista 'ondulada' de sulfuro de cadmio. La energía de la luz que incide en esta zona, acciona la avalancha de los portadores de carga en este material de modo que bajará su resistencia mientras que el nivel de la iluminación se mantenga.

Modelo matemático de Sensores de LuzModelo matemático de Sensores de Luz

L es la iluminación (en Lux), α es una constante que depende del material (entre 0,7 y 1,5) y RL y R0 son las resistencias a los niveles de luz L y L0 respectivamente.

L

LRR 0

0L

Divisor de tensión en Sensores de LuzDivisor de tensión en Sensores de Luz

R(L)

L

LRR

Rv

oo

o

Sensores de sonidoSensores de sonido

Para que los micrófonos Electret trabajen correctamente, necesitan de una tensión de alimentación, generalmente alrededor 1.5 V.

Un circuito adecuado para el uso con una fuente de 9 V es el siguiente:

Divisor de tensión en Sensores de Divisor de tensión en Sensores de sonidosonido

En Señales con Interruptores

Cuando se utiliza un interruptor para proporcionar una entrada a un circuito, este genera un pico de tensión. Este pico de tensión que genera el propio circuito es lo que se le llama acción de puesta en marcha. Para generar una señal de tensión con el interruptor se necesita un divisor de tensión. El circuito se puede construir de las dos formas siguientes:

Hay una variedad de pulsadores que llaman pulsador táctil miniatura. Estos son pulsadores pequeños que encajan bien en la placas estándar para montajes de prototipos:

En Señales con Interruptores

¿Cómo podríamos hacer un circuito con un termistor, para su uso en una alarma de incendios? Utilizaremos un circuito que entregue una tensión alta cuando se detecten las condiciones de temperatura caliente. Necesitamos poner un divisor de tensión con un termistor ntc en la posición que ocupa Rarriba:

Con Termistores

• Los termistores encuentran su principal aplicación en la compensación de temperatura, como temporizadores y como elementos sensibles en vacuómetros.

• Inyección electrónica de combustible, en la cual la entada de aire, la mezcla aire/combustible y las temperaturas del agua que le enfría, se supervisan para ayudar a determinar la concentración del combustible para la inyección óptima. • Controles de temperatura del aire acondicionado y de asientos en vehículos.

• Inyección electrónica de combustible, en la cual la entada de aire, la mezcla aire/combustible y las temperaturas del agua que le enfría, se supervisan para ayudar a determinar la concentración del combustible para la inyección óptima.

• Los indicadores de alertas, tales como temperaturas de aceite y de líquido, nivel de aceite y turbo-cargador.

• Control del motor de ventilador, basado en la temperatura del agua que se enfría.

• Sensores de escarcha, para la medida de la temperatura exterior.

• Sistemas acústicos.

• Los termistores se utilizan para medir las temperaturas superficiales y profundas del mar para ayudar a supervisar corrientes del océano.

•Obviamente, los termistores se utilizan para medir flujo de aire, por ejemplo en la supervisión de la respiración en bebés prematuros, entre otras aplicaciones.

TIPOS DE TERMISTORES

PotenciómetrosPotenciómetros


El potenciómetro es una resistencia variable cuya función es regular la tensión entregada a una resistencia, no obstante en algunos casos también controla la corriente haciendo que varíe la tensión.

Normalmente solo produce variaciones de tensión sin variaciones apreciables de corriente.

Los resistores variables se clasifican usualmente por su linealidad o velocidad de cambio de resistencia desde la mínima hasta la máxima.


Acondicionamiento con potenciómetros

MUELLE

POTENCIÓMETRO

Magnitud física(FUERZA)

VARILLA

V

+

-

VoSEÑAL ELÉCTRICA

DE SALIDA



Sin carga

R2=R·(1-x)L

R1=R·x

vi

RL

Carga

0voL

vTH

R o = R·x·(1-x)

Vi·xRL

Carga

voL

l

0

0,5 1

10

20

30

[%]

R

(x)oR

x

L

lvxv

RR

Rvv ii

21

1io



Con carga

R2=R·(1-x)L

R1=R·x

vi

RL

Carga

0voL

vTH

R o = R·x·(1-x)

Vi·xRL

Carga

voL

l

x0

100

0,5 1

50

voL / vi [%]

K=1

K=10

L

LiLo R)x1(Rx

Rxvv

1k

)x1(x1

xvv iLo

con k = RL / R y x [0,1]

Características

El potenciómetro puede adoptar la forma de un solo hilo continuo o bien estar arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal de resistencia.

Existen varios tipos de potenciómetros:

•Grafito•Bobinado•Película metálica•Plástico moldeado

APLICACIONESAPLICACIONES

Potenciómetros de Precisión1 vuelta con o sin tope Muy usados como posicionadores en sensores de posición. Tienen excelente linealidad, precisión y muy larga vida útil

Multivuelta Estos se usan donde se requiere un ajuste muy fino, los hay de 3, 5 y 10 vueltas; de 3.08 y 5 wattsModelo 533 Spectrol, 3 vueltas , 1.5 watts, valores de 100 ohms a 10 kohms

Perillas cuentavueltas Estas se usan con los potenciómetros multivuelta, las hay de varios tipos y tamaños.Perilla 16-1-11 Modelo compacto tipo caja fuerte hasta 14 vueltasPerilla 21-1-11 Modelo grande y robusto tipo caja fuerte hasta 14 vueltas

Puente de Wheatstone

Un puente de Wheatstone es un instrumento eléctrico de medida inventado por Samuel Hunter Christie en 1833, mejorado y popularizado por Sir Charles Wheatstone en 1843.

Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.

La figura muestra la disposición eléctrica del circuito.


El puente de Wheatstone se puede utilizar para la medida de impedancias, capacidades e inductancias.

La disposición en puente es ampliamente utilizada en Instrumentación electrónica. Para ello, se sustituyen una o más resistencias por sensores, que al variar su resistencia dan lugar a una salida proporcional a la variación. A la salida del puente suele colocarse un amplificador.

El puente de Wheatstone se utiliza como método de ajuste de cero en acondicionamiento de señal, cuando las resistencias que forman el circuito están tan equilibradas, que en su salida la diferencia de potencial es cero.


En caso de conectar un dispositivo para la medición de tensión en sus terminales de salida (galvanómetro), implicaría un ajuste para dar a través de este una corriente cero.

VENTAJASVENTAJAS

• Estos productos están diseñados para fácil instalación, operación y mantenimiento.

• Se puede capitalizar exitosamente en cuanto a flexibilidad y comportamiento.

• Si tres de las resistencias tienen valores conocidos, la cuarta puede establecerse a través de una simple relación.

• El detector de cero tiene suficiente sensibilidad para indicar la posición de equilibrio del puente con el grado de precisión requerido.

• Son los elementos tipos para acondicionar una señal, puesto que un cambio en la resistencia, capacitancia o inductancia puede ser convertido en una variación de la diferencia de potencial.

APLICACIONESAPLICACIONES

• Son aplicables siempre que se necesite acondicionar salidas de sensores, aislar problemas de tierra o agregar más manejo en sus lazos de corriente.

• Para ello existe un conjunto de productos para seleccionar cualquier necesidad de acondicionamiento de señales analógicas.

• Acondicionadores de señal para Termopares.

• Acondicionadores de señal para las RTD.

• Acondicionadores de señal para sensores de Humedad.

Amplificación de Señal Amplificación de Señal

Estos dispositivos son utilizados frecuentemente para aumentar las señales de los sensores con el fin de que puedan ser nuevamente procesados ó visualizados.

Existen varios tipos de amplificación, como por ejemplo las electrónicas y mecánicas.

Dentro de las Amplificaciones electrónicas se tienen a los amplificadores operacionales que son la base de los amplificadores de corriente alterna y continua.

Amplificación de Señal Amplificación de Señal

+

-

Vi VO

R1

R2

I1

+

-

V1

VO

R1

R3

R2

V2

Amplificador Inversor Amplificador Diferencial

Linealización de la Señal Linealización de la Señal

+

-

VO

R1

V1

Circuito de Linealización de Señal.

Para el proceso de linealización de señales, las aplicaciones de los amplificadores operacionales son convenientes puesto que, sirven para proporcionar una salida lineal ante una entra no lineal que esta definida por la función de transferencia del circuito.

Convertidor de Tensión a Corriente

En muchos sistemas de control de proceso, una característica común es el uso de conversores de milivoltios a miliamperios. Esta necesidad es debida al uso extendido de corrientes en el rango de los 4 a 20 mA, utilizadas para señales de control.

Carga

+

-

R1

V1

R2

R3

R5R4

Conversor de tensión a Corriente.

Acondicionadores para Acondicionadores para termopares y RTD’stermopares y RTD’s

Acondicionadores para termoparesAcondicionadores para termopares

El termopar proporciona una tensión de pequeño valor, del orden de El termopar proporciona una tensión de pequeño valor, del orden de algunos microvoltios por grado centígrado.algunos microvoltios por grado centígrado.

El circuito de acondicionamiento consistirá básicamente de un El circuito de acondicionamiento consistirá básicamente de un amplificador de tensión.amplificador de tensión.

Para determinar la temperatura objeto de la medida será necesario Para determinar la temperatura objeto de la medida será necesario conocer la temperatura de la otra unión. conocer la temperatura de la otra unión.


Compensación mediante uniones de referenciaCompensación mediante uniones de referencia

Amplificador

Metal 1

Metal 2

Cu

Cu

TcA

Hielo

Consiste en fijar en un valor conocido la temperatura de una de las uniones. (Se introduce en hielo y agua para garantizar 0ºC).

Se utiliza en laboratorios por su dificultad para aplicaciones industriales.


Compensación digitalCompensación digital

Consiste en medir la temperatura de la union fria mediante otro sensor de temperatura (por ejemplo, una Pt100 o una NTC).

Con el microprocesador se consigue una elevada precisión.

Metal 1

Metal 2

Cu

Cu

TcTf A

Amplificador

Bloqueisotermo

Sensor detemperatura

Acondicionamiento

de señal

A/D Microcontrolador

Acondicionadores para RTD’sAcondicionadores para RTD’s

+T

+V

R1

RtR3

R2

Vsa b

)tα1r()1r(

tαrVVs

31

3

20

0abs RR

RV

R)tα1(R

)tα1(RVVVV

31

3

20

0

RR

R

RR

R

Acondicionadores para RTD’sAcondicionadores para RTD’s

+V

rR0 rR0

Vsa b

R0

Rt

+T

RW

RW

RW

c

d

Conexión remota del puente

0

W

0

W

s

R

R2tα1r1r

R

R1rtαr

.VV

Acondicionadores para RTD’sAcondicionadores para RTD’sCon Amplificadores Operacionales: En conjunción con los puentes realizan la función de linealizadores de las características de los mismos.

+

-R1

Rt

Vs

+V

+T

(a)

Vs

+

-R1

+V

R1

Ro

+T

Rt

(b)

(c)

+T

R1

Rt

R1

Ro

+V

ab

-

+

Vc

Vs

)t1(RR ot

Acondicionadores para RTD’sAcondicionadores para RTD’sCon Amplificadores de Instrumentación: En conexiones de 2, 3 y 4 hilos siendo la mas eficiente la de 4 hilos.

(c)

-

++T

RW2

AI

G

RW3

VsRt

RW1 I

RW4

Rt

(b)

-

++T

RW1

I1

AI

GRW2

Vs

I2

RW3

V1

V2

Rt

(a)

-

++T

RW1

I

AI

GRW2

Vs

GRRRIV ts 2W1W

tαRIGRIGVVGV 0021s

tαRIGRIGV 00s

Acondicionadores para Acondicionadores para sensores capacitivossensores capacitivos

Acondicionadores para sensores Acondicionadores para sensores capacitivoscapacitivos

C1

C2

VoV

R

1o

2

CV -V

C

La solución mas directa es emplear un amplificador de alterna.

La tensión de salida es proporcional a C1/C2.

Se utiliza para obtener una salida lineal con la variación del área de las placas o con la distancia de separación de ellas.

Acondicionadores para Acondicionadores para sensores piroeléctricossensores piroeléctricos

Acondicionadores para sensores Acondicionadores para sensores piroeléctricospiroeléctricos

El circuito equivalente del sensor se caracteriza por tener una alta impedancia de salida y una corriente extremadamente baja por lo cual debe utilizarse un amplificador con una alta impedancia de entrada.

Existen dos alternativas para realizar el acondicionamiento: modo tensión (a) y modo corriente (b). El modo tensión se implementa con un seguidor de tensión y el modo corriente mediante un convertidor corriente-tensión.

RG

CP vo

(a)

Rfb

CP Vo

(b)

Cfb

iPiP

El acondicionamiento de señales es un componente importante en un sistema de adquisición de datos

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