Sensores y Puentes de Medida

Tema 7. Sensores y Puentes de Medida

ndice de contenido 1 Transductores....................................................................................................................................1 2 Caractersticas deseables de los transductores.................................................................................2

2.1 Exactitud...................................................................................................................................2 2.2 Precisin....................................................................................................................................2 2.3 Rango de funcionamiento.........................................................................................................2 2.4 Velocidad de respuesta..............................................................................................................2 2.5 Calibracin................................................................................................................................3 2.6 Fiabilidad..................................................................................................................................3

3 Tipos de sensores..............................................................................................................................3 4 Sensores Resistivos..........................................................................................................................4

4.1 VDR..........................................................................................................................................5 4.2 RTD...........................................................................................................................................5 4.3 NTC..........................................................................................................................................7 4.4 PTC...........................................................................................................................................8 4.5 Galgas extensomtricas.............................................................................................................8 4.6 LDR..........................................................................................................................................9

5 Puentes de medida..........................................................................................................................10 5.1 Puente de Wheatstone.............................................................................................................10 5.2 Variantes..................................................................................................................................11 5.3 Puente de Maxwell..................................................................................................................12

5.3.1 Medicin de inductancias ...............................................................................................12 5.3.2 Medicin de capacitancias..............................................................................................12

5.4 Puente de Wien.......................................................................................................................13

1 Transductores

Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable fsica (por ejemplo fuerza, presin, temperatura, velocidad, etc.) en otro.

Un sensor es un transductor que se utiliza para medir una variable fsica de inters.

Algunos de los sensores y transductores utilizados con ms frecuencia son los calibradores de tensin (utilizados para medir la fuerza y la presin), los termopares (temperaturas), los velocmetros (velocidad)

Cualquier sensor o transductor necesita esta calibrado para ser til como dispositivos de medida.

La calibracin es el procedimiento mediante el cual se establece la relacin entre la variable medida y la seal de salida convertida.

Autor: Gerardo Bentez

Los transductores y los sensores pueden clasificarse en dos tipos bsicos, dependiendo de la forma de la seal convertida. Los dos tipos son:

Transductores analgicos Transductores digitales

Los transductores analgicos proporcionan una seal analgica continua, por ejemplo voltaje o corriente elctrica. Esta seal puede ser tomada como el valor de la variable fsica que se mide.

Los transductores digitales producen una seal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas.

En una u otra forma, las seales digitales representan el valor de la variable medida.

Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser ms compatibles con las computadoras digitales que los sensores analgicos en la automatizacin y en el control de procesos.

2 Caractersticas deseables de los transductores

2.1 Exactitud

La exactitud de la medicin debe ser tan alta como fuese posible. Se entiende por exactitud que le valor verdadero de la variable se pueda detectar sin errores sistemticos positivos o negativos en la medicin. Sobre varias mediciones de la variable, el promedio de error entre el valor real y el valor detectado tendera a ser cero.

2.2 Precisin

La precisin de la medicin debe ser tan alta como fuese posible. La precisin significa que existe o no una pequea variacin aleatoria en la medicin de la variable. La dispersin en lo

2.3 Rango de funcionamiento

El sensor debe tener un amplio rango de funcionamiento y debe ser exacto y preciso en todo el rango.

2.4 Velocidad de respuesta

El transductor debe ser capaz de responder a los cambios de la variable detectada en un tiempo mnimo. Lo ideal sera una respuesta instantnea.


2.5 Calibracin

El sensor debe ser fcil de calibrar. El tiempo y los procedimientos necesarios para llevar a cabo el proceso de calibracin deben ser mnimos. Adems, el sensor no debe necesitar una recalibracin frecuente.

El trmino desviacin se aplica con frecuencia para indicar la prdida gradual de exactitud del sensor que se produce con el tiempo y el uso, lo cual hace necesaria su recalibracin.

2.6 Fiabilidad

El sensor debe tener una alta fiabilidad. No debe estar sujeto a fallos frecuentes durante el funcionamiento.

3 Tipos de sensores

En la siguiente tabla se indican algunos tipos y ejemplos de sensores electrnicos.

Magnitud Transductor Caracterstica

Posicin lineal o angularPotencimetro AnalgicaEncoder DigitalSensor Hall Digital

Desplazamiento y deformacin

Galga extensiomtrica AnalgicaMagnetoestrictivos A/DMagnetorresistivos AnalgicaLVDT (transformador diferencial de variacin lineal ) Analgica

Velocidad lineal y angular

Dinamo tacomtrica AnalgicaEncoder DigitalDetector inductivo DigitalServo-inclinmetros A/DRVDT Sensores de ngulo inductivos AnalgicaGirscopo

AceleracinAcelermetro AnalgicoServo-accelermetros

Fuerza y par (deformacin)Galga extensiomtrica AnalgicoTriaxiales A/D

PresinMembranas AnalgicaPiezoelctricos AnalgicaManmetros Digitales Digital

CaudalTurbina AnalgicaMagntico Analgica

Temperatura Termopar AnalgicaRTD Analgica


Termistor NTC AnalgicaTermistor PTC Analgica[Bimetal - ]] I/0

Sensores de presenciaInductivos I/0Capacitivos I/0pticos I/0 y Analgica

Sensores tctilesMatriz de contactos I/0Piel artificial Analgica

Visin artificialCmaras de video Procesamiento digitalCmaras CCD o CMOS Procesamiento digital

Sensor de proximidad

Sensor final de carreraSensor capacitivoSensor inductivoSensor fotoelctrico

Sensor acstico (presin sonora) micrfono

Sensores de acidez IsFETSensores qumicos Alcoholmetro

Sensor de luz

fotodiodoFotorresistenciaFototransistorClula fotoelctrica

Sensores captura de movimiento Sensores inerciales

4 Sensores Resistivos

Muchos de los sensores de la relacin anterior transforma la magnitud fsica a una variacin en la resistencia, vamos a ver distintos casos


4.1 VDR

La curva caracterstica es la de la figura siguiente, lo que quiere decir es que la resistencia es muy grande para su tensin nominal pero se reduce drsticamente para tensiones mayores (ya sean positivas o negativas)

Se utilizan para proteger de sobretensiones a dispositivos electrnicos o motores.

4.2 RTD

Un RTD (del ingls: resistance temperature detector) es un detector de temperatura resistivo, es decir, un sensor de temperatura basado en la variacin de la resistencia de un conductor con la temperatura. Su smbolo es el siguiente, en el que se indica una variacin lineal con coeficiente de temperatura positivo.

Smbolo RTD


Al calentarse un metal habr una mayor agitacin trmica, dispersndose ms los electrones y reducindose su velocidad media, aumentando la resistencia. A mayor temperatura, mayor agitacin, y mayor resistencia.

La variacin de la resistencia puede ser expresada de manera polinmica como sigue a continuacin. Por lo general, la variacin es bastante lineal en mrgenes amplios de temperatura.

donde:

R0 es la resistencia a la temperatura de referencia T0 T es la desviacin de temperatura respecto a T0 (T = T T0) es el coeficiente de temperatura del conductor especificado a 0 C, interesa que sea de

gran valor y constante con la temperatura

Los materiales empleados para la construccin de sensores RTD suelen ser conductores tales como el cobre, el nquel o el platino. De todos ellos es el platino el que ofrece mejores prestaciones, como:

alta resistividad para un mismo valor hmico, la masa del sensor ser menor, por lo que la respuesta ser ms rpida

margen de temperatura mayor alta linealidad sin embargo, su sensibilidad () es menor

Un sensor muy comn es el Pt100 (RTD de platino con R=100 a 0 C). En la siguiente tabla se muestran valores estndar de resistencia a distintas temperaturas para un sensor Pt100 con = 0.00385 / / K.

Temperatura (C)) 0 20 40 60 80 100Resistencia () 100 107.79 115.54 123.24 130.87 138.50

Ventajas de los RTD

Margen de temperatura bastante amplio.

Proporciona las medidas de temperatura con mayor exactitud y repetitividad.

El valor de resistencia del RTD puede ser ajustado con gran exactitud por el fabricante (trimming), de manera que su tolerancia sea mnima. Adems, ste ser bastante estable con el tiempo.

Los RTD son los ms estables con el tiempo, presentando derivas en la medida del orden de 0.1 C/ao.

La relacin entre la temperatura y la resistencia es la ms lineal.

Los sensores RTD tienen una sensibilidad mayor que los termopares. La tensin debida a cambios de temperatura puede ser unas diez veces mayor.

La existencia de curvas de calibracin estndar para los distintos tipos de sensores RTD (segn el material conductor, R0 y ), facilita la posibilidad de intercambiar sensores entre distintos fabricantes.


A diferencia de los termopares, no son necesarios cables de interconexin especiales ni compensacin de la unin de referencia.

Inconvenientes de los RTD

Dado que el platino y el resto de materiales conductores tienen todos una resistividad muy baja, para conseguir un valor significativo de resistencia ser necesario devanar un hilo de conductor bastante largo, por lo que, sumando el elevado coste de por s de estos materiales, el coste de un sensor RTD ser mayor que el de un termopar o un termistor.

El tamao y la masa de un RTD ser tambin mayor que el de un termopar o un termistor, limitando adems su velocidad de reaccin.

Los RTD se ven afectados por el autocalentamiento.

Los RTD no son tan durables como los termopares ante vibraciones, golpes

No tener en cuenta la resistencia de los hilos de interconexin puede suponer un grave error de medida. Por ejemplo, para un Pt100 con = 0.00385 /K, la variacin de resistencia ser de 0.385 /C. Para el circuito de la figura:

Efecto de la resistencia de los hilos de interconexin

La resistencia de 10 introducida por el conexionado supondr un error de (10 )/(0.385 /C) = 26 C. Por ello, ser necesario utilizar tcnicas de medida ms complejas, como por ejemplo, la medida a cuatro hilos.

Medida a cuatro hilos

En definitiva, los RTD son los ms apropiados para aplicaciones en las que la exactitud de la medida es crtica mientras que la velocidad y el coste son menos importantes.

4.3 NTC

Las NTC son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura sea elevado, es decir, su conductividad crece muy rpidamente con la temperatura.

Se emplean en su fabricacin xidos semiconductores de nquel, zinc, cobalto, etc.


La relacin entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial. Dicha relacin cumple con la frmula siguiente:

donde A y B son constantes que dependen del resistor.

La caracterstica tensin-intensidad (V/I) de un resistor NTC presenta un carcter peculiar, ya que cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeas, el consumo de potencia (R I2) ser demasiado pequeo para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia hmica; en esta parte de la caracterstica la relacin tensin-intensidad ser prcticamente lineal y en consecuencia cumplir la ley de Ohm.

Si seguimos aumentando la tensin aplicada al termistor, se llegar a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocar aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementndose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio trmico.

4.4 PTC

En las PTCs la resistencia aumenta al aumentar la temperatura segn la curva de la figura, ntese que el eje Y es logarmico. La curva es ms difcil de linealizar que para las NTCs.

4.5 Galgas extensomtricas

Las galgas extensomtricas se basan en la variacin de la resistencia de un conductor o semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecnico. Este efecto fue descubierto por Lord Kelvin en 1856. Si se considera un hilo metlico de longitud , seccin y resistividad , su resistencia elctrica R es:


R= lA , esta frmula es vlida en la zona elstica del material, por lo que la variacin de

la resistencia es proporcional al alargamiento e inversamente proporcional a su seccin.

4.6 LDR


5 Puentes de medida

5.1 Puente de Wheatstone

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

Figura 1.0-Disposicin del Puente de Wheatstone.

La Figura 1.0 siguiente muestra la disposicin elctrica del circuito y la Figura 2.0 corresponde a la imagen real de un puente de Wheatstone tpico.

En la Figura 1 vemos que, Rx es la resistencia cuyo valor queremos determinar, R1, R2 y R3 son resistencias de valores conocidos, adems la resistencia R2 es ajustable. Si la relacin de las dos resistencias del brazo conocido (R1/R2) es igual a la relacin de las dos del brazo desconocido (Rx/R3), el voltaje entre los dos puntos medios ser nulo y por tanto no circular corriente alguna entre esos dos puntos C y B.Para efectuar la medida lo que se hace es variar la resistencia R2 hasta alcanzar el punto de equilibrio. La deteccin de corriente nula se puede hacer con gran precisin mediante el galvanmetro V.La direccin de la corriente, en caso de desequilibrio, indica si R2 es demasiado alta o demasiado baja. El valor de la F.E.M. (E) del generador es indiferente y no afecta a la medida.


Figura 2.- Imagen de un Puente de Wheatstone tpico.

Cuando el puente esta construido de forma que R3 es igual a R2, Rx es igual a R1 en condicin de equilibrio.(corriente nula por el galvanmetro).

Asimismo, en condicin de equilibrio siempre se cumple que:

Si los valores de R1, R2 y R3 se conocen con mucha precisin, el valor de Rx puede ser determinado igualmente con precisin. Pequeos cambios en el valor de Rx rompern el equilibrio y sern claramente detectados por la indicacin del galvanmetro.

De forma alternativa, si los valores de R1, R2 y R3 son conocidos y R2 no es ajustable, la corriente que fluye a travs del galvanmetro puede ser utilizada para calcular el valor de Rx siendo este procedimiento ms rpido que el ajustar a cero la corriente a travs del medidor.

Ejemplo: Tenemos un sensor resistivo y hemos conseguido el equilibrio con R1=2 k,

R3=8k2 y R2= 3k3 Cuanto vale Rx? Rx=2000820003300=4,96 K

5.2 VariantesVariantes del puente de Wheatstone se pueden utilizar para la medida de

impedancias, capacitancias e inductancias

La disposicin en puente tambin es ampliamente utilizada en instrumentacin electrnica. Para ello, se sustituyen una o ms resistencias por sensores, que al variar su resistencia dan lugar a una salida proporcional a la variacin. A la salida del puente (en la Figura 1, donde est el galvanmetro suele colocarse un amplificador.

Ejemplo: R1=R3=R2=5k6 y Rx = 5'1 k, Vcc= 10 V Cual ser la tensin diferencial de salida?


V1=Vcc2=5V V2=VccR3

Rx+ R3=5 ' 2336V La tensin diferencial de salida ser

V=5'2336-5=0'2336 V

5.3 Puente de Maxwell

5.3.1 Medicin de inductancias

5.3.2 Medicin de capacitancias

5.4 Puente de WienPara medir la frecuencia podemos realizar el siguiente puente


Si R1=R3, C1 = C3 y R2R4

=2 entonces f = 12RC


1 Transductores 2 Caractersticas deseables de los transductores 2.1 Exactitud 2.2 Precisin 2.3 Rango de funcionamiento 2.4 Velocidad de respuesta 2.5 Calibracin 2.6 Fiabilidad

3 Tipos de sensores 4 Sensores Resistivos 4.1 VDR 4.2 RTD 4.3 NTC 4.4 PTC 4.5 Galgas extensomtricas 4.6 LDR

5 Puentes de medida 5.1 Puente de Wheatstone 5.2 Variantes 5.3 Puente de Maxwell 5.3.1 Medicin de inductancias 5.3.2 Medicin de capacitancias

5.4 Puente de Wien

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