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.