Sensores de Reactancia Variable

Los sensores de reactancia variable tiene las siguientes ventajas con respecto a los resistivos:

• Efecto de cara mínimo o nulo.
• Ideales para la medida de desplazamientos lineales y angulares y para la medida de humedad.
• La no-linealidad intrínseca puede superarse usando sensores diferenciales.

Como limitación tiene que la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida debe ser menor a la frecuencia de la tensión de alimentación empleada. En este apartado veremos los sensores capacitivos e inductivos.

• Sensores Capacitivos

Los sensores de este tipo pueden ser simples (Co +/- C) y diferenciales (Co + C , Co – C). El caso simple es el condensador variable.

• Condensador variable

Un condensador esta formado por dos placas y un dieléctrico.

donde:

pero la capacidad C es función de la geometría del conductor, el material del dieléctrico. Por ejemplo, para un condensador de placas planas y paralelas se tiene:
donde ε0 = 8.85 pF/m y εr = ε / ε0

ε es la constante dieléctrica del material y ε0 es la constante dieléctrica del vacío. Por tanto, con variar la geometría o el dieléctrico se puede usar para medir un fenómeno físico. Los problemas que presenta este tipo de medidor es que.

• No se puede despreciar el efecto de los bordes.
• El aislamiento entre placas debe ser alto y constante.
• Existen muchas interferencias capacitivas.
• Los cables de conexión generan condensadores parásitos.

El efecto de bordes es importante ya que en la ecuación de C se indica que esta está afectada por la distancia entre las placas. Realmente está afectada por la distancia que recorren los electrones desde una placa a la otra. Esto es asumiendo que se desplazan perpendicularmente sobre las placas. Pero en la práctica no es así, y ocurre que en los bordes el desplazamiento es angular, recorriendo una distancia mayor. Esto genera un error.

Esto se corrige utilizando guardas. La guarda consiste en rodear un o de los electrodos con un anillo puesto al mismo potencial del mismo electrodo.

Las interferencias capacitivas consiste en que entre cada conductor existen condensadores
parásitos. Una solución en este caso es apantallar el cable para llevar todos los posibles contactos a tierra.

Otro problema mencionado son los cables de conexión. Al apantallar el cable para reducir las interferencias capacitivas, se introduce un nuevo error, si el cable es largo:; Es la aparición de capacidades en paralelo a lo largo del cable.

Algunas aplicaciones de los sensores son.
a. Medida de desplazamientos lineales y angulares.
b. Detector de proximidad.
c. Cualquier otra magnitud que se pueda convertir en desplazamiento.
d. Medidas de nivel de líquido conductor y no conductor.

• Condensador diferencial

La ventaja de los condensadores diferenciales está en que proveen una salida lineal y permiten la medida tan pequeña como 10-13 mm a 10 mm, y capacidades desde 1 pF a 100 pF.

Consiste en un principio similar al de los sensores resistivos diferenciales: mientras uno se incrementa el otro disminuye en la misma proporción, y viceversa.

• Acondicionamiento de sensores capacitivos

Los sensores capacitivos presentan una situación particular que deben ser alimentados con una señal alterna de excitación. Como se prefiere una capacidad sensora menor a 100 pF, la frecuencia oscilará entre 10 kHz y 100 MHz. Los circuitos de acondicionamiento dependerán de si el sensor es simple o diferencial. Para el caso de condensador simple se tiene.

CIRCUITO LINEALIZADOR

Este circuito es excitado a corriente constante, por lo que:

• Sensores inductivos

Los sensores inductivos son aquellos que producen una modificación de la inductancia o inductancia mutua por variaciones en un campo magnético. Esta variaciones pueden ser fruto de perturbaciones en el campo, o modificación de la distancia de influencia del campo. Solo hablaremos de dos tipos: la reluctancia variable y la inductancia mutua.

• Reluctancia variable

Este tipo de sensor se basa en la ley.
donde φ es el flujo de campo magnético, I es la corriente y N es el número de vueltas del inductor.

Pero el flujo magnético es igual al cociente entre la fuerza magnetomotriz M y la reluctancia magnética R, y además, M = NI, por lo que

Para una bobina de longitud L y sección de área A, donde la longitud sea mucho mayor que el diámetro de las espiras se tiene:

donde

μr es la permeabilidad relativa del núcleo
L = recorrido de las líneas de campo en el aire.
A = Area delas bobinas.

Normalmente se aprovechan las variaciones de la longitud y de la permeabilidad. Cuando lo que varía es la distancia L se está hablando de sensores de entrehierro variable, y cuando lo que varia es la permeabilidad se dice que se está hablando de sensores de núcleo móvil.

Esto sensores tiene los siguientes problemas:
a. Los campos magnéticos parásitos afectan a L, por lo que se deben apantallar.
b. La relación L y R no es constante y varía hacia los extremos.
c. L y R son inversamente proporcionales, por lo que las medidas serán normalmente no lineales.
d. La temperatura de trabajo debe ser menor a la de Curie del material usado.

Por contra tienen la siguientes ventajas:
a. La humedad los afecta muy poco.
b. Tiene poca carga mecánica.
c. Y una alta sensibilidad.

• Inductancia mutua (LVDT)

Este tipo de sensores se basa en la variación de la inductancia mutua entre un primario y cada uno de los dos secundarios al desplazar el núcleo. La denominación LVDT viene de Linear Variable Differential Transformer.

Aunque este dispositivo cambia la impedancia mutua, la salida es una tensión alterna modulada, no un cambio de impedancia. Tiene como limitaciones que en el centro la inductancia mutua no se anula, por deficiencias en el proceso de construcción. Además existe la presencia de armónicos en la salida.

Sin embargo tiene las siguientes ventajas:
a. Resolución infinita.
b. Poca carga mecánica.
c. Bajo rozamiento: vida ilimitado y alta fiabilidad.
d. Ofrecen aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario.
e. Aísla el sensor (vástago) del circuito eléctrico
f. Alta repetibilidad.
g. Alta linealidad.

Tiene alcances desde 100 micrometro hasta 25 centímetros.

• Sensores Electromagnéticos.

Basados en ley de Faraday

Se basa en el principio de que una variación en el flujo magnético sobre una bobina, genera
una fuerza electromotriz.

Las condiciones que deben cumplirse para poder usar este tipo de medidor son:

• Perfil de velocidades simétrico.
• Tubería no metálica ni magnética: teflón o cerámica.
• Electrodo de acero o titanio
• Tubería llena
• Campo magnético continuo o alterno.
• Ideal para aguas residuales, líquidos corrosivos o con sólidos en suspensión.

De efecto Hall

El efecto hall se refiere a la generación de un potencial en un conductor por el que circula una corriente y hay un campo magnético perpendicular a esta.

Tiene como limitación.

• La temperatura cambia la resistencia del material.
• Hay un error de cero debido a inexactitudes físicas,
  

Tiene como ventajas:

• Salida independiente de la velocidad de variación del campo magnético.
• Inmune a las condiciones ambientales.
• Sin contacto.

Se puede aplicar a la medida de campos magnéticos, medida de desplazamientos, etc.

Tema III sensores moduladores resistivos

• 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:

• 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.

El problema de este tipo de sensor es:

1. Varía con la temperatura.
2. Varía con la deformación de la sección transversal, causada por la presión o fuerzas ejercidas sobre el.
3. El contacto del cursor origina desgaste, modificando la sección transversal.

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:

1. Se puede utilizar para medir presión, si se conecta el cursor al extremo de un tubo Bourdon.
2. Para medir nivel en líquidos conductores o no conductores.
3. Para medir temperatura si se conecta al extremo de un medidor de bulbo y capilar.
4. En los casos 1 y 3 se utiliza para generar una señal eléctrica. Mientras que en el caso 2 es el elemento primario.

• 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,

En la zona elástica lineal aplica la ley de Hooke (cambio de longitud por fuerza), 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)

Los principales problemas de las galgas son:

1. Cuidar el margen elástico.
2. El esfuerzo debe ser totalmente transversal a la galga.
3. La temperatura altera su valor.

Las galgas se pueden aplicar para la medicion de fuerza, presión, desplazamientos pequeños, vibraciónes entre otros

• 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 mas sensible que los termopares, tal como se verá mas adelante.

Normalmente no es necesario considerar todos los coeficientes de la ecuación, 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). 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)

• Termistores (Variables térmicas)

Los termistores también son resistencia 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, mas 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 tiene muchas aplicaciones algunos de los cuales son.

• Medida directa de temperatura por variación de corriente.
• Medida de caudal en circuito puente.
• Protección por autocalentamiento.

• 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.

• Fotorresistencias (Variables ópticas)

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

• Higrómetros resistivos (Variables químicas)

El higrómetro se utiliza para medir humedad. Se basan en la variación de resistencia que experimentan los materiales por la humedad, como el vapor de agua en un gas o el agua absorbida en un líquido o sólido.

Un material típico es el aislante eléctrico, el cual disminuye su resistencia al aumentar su
contenido de humedad.

Informe de Pre - laboratorio N° 3

ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES

• OBJETIVOS

1) Analizar la importancia del amplificador de instrumentación como interfaz para sensores.

2) Calcular los errores obtenidos diferenciando el de cero, ganancia y no linealidad

• FUNDAMENTO TEORICO

Un sensor es un dispositivo que detecta, o sensa manifestaciones de cualidades o fenómenos físicos, como la energía, velocidad, aceleración, tamaño, cantidad, etc.Muchos de los sensores son eléctricos o electrónicos, aunque existen otros tipos. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores sensados puedan ser leídos por un humano.

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.

Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales . Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo el INA114).
La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor.

Este amplificador se usa para medir pequeños voltajes diferenciales superpuestos sobre un voltaje de modo común, más grande que el diferencial, se le llama también, amplificador transductor, amplificador de error o amplificador de puente. El amplificador de instrumentación se coloca en la etapa de entrada de un instrumento electrónico, se utiliza para aumentar la sensibilidad del circuito.

Aplicaciones
· Para acondicionar la salida de un puente de Wheatstone
· Para amplificar señales eléctricas biológicas (por ejemplo en electrocardiogramas).
· Como parte de circuitos para proporcionar alimentación a corriente constante.
· En fuentes de alimentación.

• TABLA DE RESULTADOS TEORICOS

Para llenar la tabla debemos culcular la ganancia que debe tener el amplificador diferencial, para asi poder obtener nuestro margen de salida del sistema.

La minima tension teorica del sensor (VTmin) es de 0mV.
La maxima tension teorica del sensor (VTmax) es de 15.91mV, y el maximo margen de salida del sistema VSmax es 10V. con esto nuestra ganancia debe ser:

Informe de Laboratorio Nº 2

Introducción

El sensor es la pieza clave de todo sistema de medida. Este es el dispositivo que está en contacto directo con la variable a medir, y que modifica alguna de sus propiedades físicas en función de una fluctuación en la variable que mide. Esto permitirá interpretar dicha variación a fin de proporcionar información acerca del estado actual de la variable medida.
En aras de implementar correctamente cualquier sistema de medida se hace indispensable conocer a fondo las propiedades del sensor empleado. A continuación haremos una caracterización de nuestro sensor y presentaremos los resultados experimentales de la medición realizada en el laboratorio para finalmente calcular los errores asociados a ellos.

Objetivos

• Caracterizar Sensores.
• Calcular los errores obtenidos diferenciando el de cero, ganancia y no linealidad.

Marco Teórico

Los errores de un sistema se determinan a partir de su calibración, que consiste en aplicarle entradas conocidas y comparar su salida con la obtenida con un sistema de medida de referencia, más exacto. Según su efecto en la característica de transferencia, los errores pueden ser de cero, de ganancia y de no linealidad. Un error de cero permanece constante con independencia del valor de la entrada. Un error de ganancia es proporcional al valor de la entrada. Un error de no linealidad hace que la característica de transferencia se aparte de una línea recta. Los errores de cero y de no linealidad se suelen expresar como errores absolutos. Los errores de ganancia se suelen expresar como errores relativos. Dado que normalmente hay errores de todos los tipos, la expresión de la incertidumbre o error total suele incluir un término constante y otro que depende del resultado.

Descripción del Circuito Propuesto

El sensor en cuestión se trata de un puente de wheastone, tal y como se presenta a continuación:

Procedimiento Experimental

En primer lugar se ajusta el nivel de cero en el tanque. Una vez calibrada la fuente y alimentado el sensor se procede a tomar cinco medidas por cada valor de la variable patrón (primero subiendo y luego bajando. A este fin se emplea la bomba de la maqueta, la cual es alimentada con 0 - 12v). Finalmente se vacían dichos datos en la tabla proporcionada para tal fin y se procede con los cálculos de rigor.

Medidas Obtenidas

Subiendo:

Bajando:

Calculo de Errores

A continuación presentamos las curvas obtenidas

Análisis De Errores

Observado los errores calculados y las graficas esbozadas, se puede apreciar que para valores pequeños, el resultado obtenido a partir de la lectura del sensor es bastante cercano al calculado teóricamente. A medida que se miden valores mas grandes, esta brecha aumenta, pero no de forma demasiado significativa. Las diferencias entre los errores subiendo y bajando son relativamente pequeñas.

Conclusiones y recomendaciones

A partir del análisis de errores y las graficas presentadas con anterioridad, podemos concluir que el sensor presenta ambos precisión y exactitud bastante aceptables. Se debe tomar en cuenta que una fuente muy importante de errores en la práctica realizada es inherente a la apreciación y a la arquitectura misma de las maquetas en las cuales se llevó a cabo la medición. Se recomienda entonces mejorar el diseño de dicha maqueta, con el objeto de efectuar mediciones más cercanas a la realidad física de la variable en cuestión.