Universidad Nacional Experimental Politécnica“Antonio José de Sucre”

Vice Rectorado Puerto Ordaz

Departamento de Ingeniería Electrónica

Cátedra: Mediciones Industriales

Laboratorio n° 3
ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES:

Ajuste de Cero, Ganancia y Visualización

Integrantes:
Dillyam García C.I: 18.885.797
Carlos Bermúdez C.I.: 18.014.946

Ciudad Guayana, marzo del 2009

Introducción

Cuando estamos midiendo temperatura o cualquier otra variable física, y nos interesa visualizar la medida tomada, debemos de hacerlo a través de un display. Comúnmente se utilizan display siete segmentos o pantallas LCD. Los elementos visualizadores requieren de una entrada digital, y salvo para los sensores digitales, la salida de un sensor es analógica, por lo que nace la necesidad de utilizar un conversor analógico-digital.

Pero no podemos llevar la salida de un sensor a un conversor analógico-digital directamente. Los conversores analógicos-digitales no soportan cualquier rango de valores analógicos a su entrada. Por este motivo nace la necesidad de acondicionar la salida de un sensor.

En el caso de los sensores resistivos, lo que varía es su resistencia. Pero en electrónica, no medimos omhnios, sino voltaje, por lo que es necesario aplicar una tensión al sensor. Para el caso de los sensores resistivos lineales, como el RTD100, la mejor opción es colocar el sensor en un puente de wehatstone y trabajar con el voltaje de salida del puente, es decir, amplificarlo, desfasarlo y ajustarlo al conversor analógico-digital para finalmente poder visualizarlo en un display.

El circuito acondicionador para la termoresistencia, utilizado en esta práctica, consta de un puente de wheastone y un amplificador de instrumentación. En el caso del termistor, se uso un divisor de voltaje, que linealiza la salida del termistor, y un arreglo de amplificadores operacionales. El circuito acondicionador, fue orientado a trabajar con el conversor analógico-digital del PIC 18F4550. El microcontrolador, a su vez, convierte el voltaje a temperatura y lo muestra en una pantalla LCD.

Objetivos

• Lograr el ajuste del error de cero.
• Lograr el ajuste del error de ganancia.
• Visualizar los resultados en display.
• Elaborar un Datasheet de un equipo de medida.

Fundamento Teórico

· Error de cero y su ajuste

Aun cuando el valor de la variable del proceso esté en el mínimo del rango, donde la salida del instrumento debe ser el valor asociado al cero del rango, el instrumento marca a su salida un valor distinto de cero. Ese valor es el error de cero. En general existen en los instrumentos sistemas para anular, o compensar el error de cero, estos sistemas pueden ser ajustes mediante movimientos en el instrumento o bien por software

En nuestro sistema el error de cero se ajusto en el amplificador diferencial que está presente en ambos circuitos. En este amplificador se produce un error de cero en modo común, un error que se origina cuando las entradas del amplificador son iguales.

La siguiente figura ilustra el amplificador de instrumentación.

FIGURA A

Para el ajuste de cero, se puede sustituir la resistencia R2 que va a tierra por un potenciómetro. La entrada se coloca a su rango mínimo dentro del margen de medida y se varía el potenciómetro hasta obtener cero a la salida.

· Error de ganancia y su ajuste

En un sistema, se tiene una entrada y se espera una salida determinada. El factor que altera la salida con respecto a al entrada se denomina ganancia. La ganancia debe de mantenerse igual en todo el margen de medida, pero no siempre es así. En el siguiente esquema se ilustra este error, y se muestra como la ganancia teórica es distinta a la ganancia experimental.

FIGURA B

Este error puede ajustarse en el circuito acondicionador, haciendo que la ganancia del circuito dependa de una resistencia. En lugar de la resistencia se coloca un potenciómetro, con el valor de resistencia calculado para la ganancia deseada. Al realizar las pruebas se varía el potenciómetro para disminuir el error de ganancia.

· Conversor Analógico digital

Un conversor (o convertidor) analógico-digital (CAD), (ADC) es un dispositivo electrónico capaz de convertir un voltaje determinado en un valor binario, en otras palabras, este se encarga de transformar señales análogas a digitales.

Funcionamiento

Estos conversores poseen dos señales de entrada llamadas Vref+ y Vref- y determinan el rango en el cual se convertirá una señal de entrada.

El dispositivo establece una relación entre su entrada (señal analógica) y su salida (digital) dependiendo de su resolución. Esta resolución se puede saber, siempre y cuando conozcamos el valor máximo que la entrada de información utiliza y la cantidad máxima de la salida en dígitos binarios. A manera de ejemplo, el convertidor análogo digital ADC0804 tiene la capacidad de convertir una muestra analógica de entre 0 y 5 voltios y su resolución es:

Resolución = valor analógico / (2^8)

Resolución = 5 V / 256

Resolución = 0.0195v o 19.5mv.

Resolucion = LSB

Lo anterior quiere decir que por cada 19.5 milivoltios que aumente el nivel de tensión entre las entradas nomencladas como "Vref+" y "Vref-" que ofician de entrada al conversor, éste aumentará en una unidad su salida (siempre sumando en forma binaria bit a bit). Por ejemplo:

Entrada - Salida

0 V - 00000000

0.02 V - 00000001

0.04 V - 00000010

1 V - 00110011

(5 V-LSB) - 11111111


Tipos de conversores usuales

De aproximaciones sucesivas: Es el empleado más comúnmente, apto para aplicaciones que no necesitan grandes resoluciones ni velocidades. Debido a su bajo coste se suele integrar en la mayoría de microcontroladores permitiendo una solución de bajo coste en un único chip para numerosas aplicaciones de control. El conversor realiza una búsqueda dicotómica del valor presente en la entrada. Su principal carencia es el elevado tiempo de conversión necesario.

Flash: este conversor destaca por su elevada velocidad de funcionamiento. Está formado por una cadena de divisores de tensión y comparadores, realizando la conversión de manera inmediata en una única operación. Su principal desventaja es el elevado costo.

Sigma-delta: Tienen una velocidad máxima de conversión baja pero a cambio poseen una relación señal a ruido muy elevada, la mayor de todos.
Otros tipos de conversores igualmente utilizados son: rampa, doble-rampa, etc.

Descripción del circuito Propuesto

· Termoresistencia

El circuito consta de un puente de Wheatstone seguido de un amplificador de instrumentación. La ganancia del amplificador, depende de una sola resistencia, en la cual se colocó un potenciómetro para hacer el ajuste de ganancia. Para hacer el ajuste de cero, se colocó un potenciómetro como se indica en la figura “A”.

Para el diseño, se estableció que la salida varíe de 0 a 4v. Esto es porque el sensor utilizado puede llegar a medir por encima de los 100ºC. Si se coloca la salida de 0 a 5V, podrían llegarle al conversor un poco más de 5V, si la temperatura llegase a subir por encima de los 100ºC, quemando el conversor del PIC. Para prevenir este problema, se establece que la salida para 100ºC sea de 4V.

La ecuación de salida del puente es:

Se fijan los valores de R1 y R2 y R4 para obtener la misma ganancia en ambos brazos del puente y que garantice que la variación minima del termoresistor sea mucho mayor que 2(k+1). Los valores escogidos fueron R1=2.2k, R4=100Ohm y R2=2.2k.

Utilizando la ecuación de Vs se determinan los valores máximos y mínimos del voltaje. En 0ºC, el voltaje será 0V y en 100ºC el voltaje será 0.1890V. Conociendo estos valores, determinamos que la ganancia del amplificador de instrumentación es 21,164. La ecuación del amplificador de instrumentación es:

Conociendo la ganancia, se asumen R3=R1=2.2k y nos queda que R2=218.21. Para la segunda fase del amplificador de instrumentación, se colocaron todas las resistencias iguales, y un potenciómetro para el ajuste de cero. A continuación se muestra el circuito diseñado.

Nota: La resistencia de 218,21 es un potenciometro para ajustar el error de ganancia.

· Termistor

El diseño del termistor se baso en un circuito linealizador, y un arreglo de OPAMP´s para la ganancia. Para diseñar el circuito linealizador, nos basamos en la potencia que soporta el termistor. La potencia máxima que soporta el termistor es de 75mW. La potencia máxima ocurre para el menor valor que adopta el termistor. Si alimentamos el circuilo linealizador con 5V y establecemos que la potencia máxima sea de 50mW, obtendremos una R0=432.73. Esto nos da una sensibilidad de 2.73, un valor relativamente aceptable para el margen de medida.

A continuación se muestra el circuito implementado.

La salida del divisor de tensión, al ser de tan baja potencia, se le coloca un seguidor de voltaje. La salida mínima del puente es de Vmin=0.56 y la Maxima salida es de Vmax=4.32. De aquí, que la ganancia del amplificador no inversor debe de ser de 0.92. Luego se coloca un amplificador diferencial para poder lograr un ajuste de cero.

Procedimiento Experimental

Con ayuda de una termocupla se estableció la temperatura dentro del cilindro para cada valor desead. Para variar la temperatura se variaba la intensidad del bombillo, con ayuda del potenciómetro. Dentro del cilindro se colocó el termistor y la termoresistencia. A cada extremo de cada instrumento se le conecto un cable que salía del cilindro y conectaba con el circuito acondicionador diseñado para cada una respectivamente. La variable medida se procesaba en el microcontrolador y se mostraba en una pantalla LCD.

Resultados de las medidas

P.D.: Hacer click en la imagen para verla más grande



Error de cero

Error de cero= (Valor teorico - valor experimetal)

· Termistor
Subiendo:
Error de cero= (0.00 – 0.00) = 0
Bajando:
Error de cero= (0 – 1.87) = 1.87

· Termoresistencia

Subiendo:
Error de cero= (0.00 – 0.00) = 0
Bajando:
Error de cero= (0 – 1.80) = 1.80






Error de Ganancia

Termistor

Termoresistencia

Error de no linealidad

Usando el método de mínimos cuadrados se hizo una aproximación lineal para la curva experimental. A la recta resultante, se le calculó el coeficiente R2. Este coeficiente determina como los valores de la temperatura patrón describen el comportamiento de la temperatura medida. Cuando R2=1, el sistema de medida tiene un comportamiento lineal. Para el termistor R2=0.9966, mientras que para la termo resistencia dio 0.9979.

Análisis de Errores

En los valores de subida se pudo eliminar el error de cero, ajustando el potenciómetro que se destino para dicho fin. Sin embargo, no fue posible eliminar el error de cero en las medidas de bajada. Esto fue por errores sistemáticos. Cuando se utilizó el hielo para los valores de bajada, en el vaso había más agua que hielo, por eso las medidas no alcanzaban los 0ºC.

El error de ganancia no es cero, sin embargo es bastante bajo tanto para la termoresistencia como para el termistor. Esto es gracias al ajuste que se hizo mediante les potenciómetros. El error de no linealidad es más bajo para la termoresistencia que para el termistor. Esto es de esperar, puesto que la linealización del termistor no es prefecta.

Conclusiones y Recomendaciones

· Se constató que es posible reducir el error de cero mediante un potenciómetro estratégicamente colocado en el circuito acondicionador que elimine el Voff

· Se comprobó que es posible reducir el error de ganancia, haciendo depender la ganancia del circuito amplificador de un potenciómetro.

· Se logró hacer una conversión analógico digital y procesar la información para calcular mediante un software la temperatura

· Se logró visualizar la medida tomada en un display.

· Se recomienda hacer un diseño de la maqueta de manera tal que sea cerrada y concentre bien el calor en todos sus puntos.

· Verificar que el protoboard donde se realicen los montajes no presente capacitancia parásita ya que esto afecta notablemente las medidas.

DATA SHEET

Descripcion

Este dispositivo permite hacer mediciones de temperatura que oscilan entre los 0ºC y 100ºC. Realiza las mediciones con una RTD 100 con una resolución de 1ºC y con un termistor RS 151-136 con una resolución de 0.1ºC. Ambas medidas son mostradas simultáneamente a través de un LCD 16x4.

Dimensiones 24 mm Alto x 72 mm ancho x 120 mm Profundidad (0.94 x 2.83 x 4.72")

Peso 1 kg

SENSORES GENERADORES

Se consideran sensores generadores aquellos que generan una señal eléctrica a partir de la magnitud que miden, sin necesidad de una alimentación eléctrica.

Esto es una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias como por ejemplo: temperatura, fuerza, presión, y otras magnitudes afines.

Dado a que se basa en efecto reversible, están relacionado con diversos tipos de accionadores o aplicaciones inversas en general. Es decir, pueden emplear para la generación de acciones no eléctricas a partir de señales eléctricas

Efecto reversible.

Se define como aquel proceso que una vez ocurrido puede ser revertido a su estado inicial, sin producir cambios en el sistema o sus alrededores. En otras palabras el sistema y alrededores retornan a su estado original sin sufrir variaciones.Los procesos reversibles son idealizaciones de procesos verdaderos.

Efecto irreversible.

Es aquél que supone la imposibilidad, o la dificultad extrema, de retornar a la situación anterior a la acción que lo produce.

Efecto termoelectrico.

El efecto termoeléctrico en un material relaciona el flujo de calor que lo recorre con la corriente eléctrica que lo atraviesa. Este efecto es la base de las aplicaciones de refrigeración y de generación de electricidad: un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica.

Efecto Peltier

Este efecto realiza la acción inversa al efecto Seebeck. Consiste en la creación de una diferencia térmica a partir de una diferencia de potencial eléctrico. Ocurre cuando una corriente pasa a través de dos metales diferentes o semiconductores (tipo-n y tipo-p) que están conectados entre sí en dos soldaduras (uniones Peltier). La corriente produce una transferencia de calor desde una unión hasta la otra. Una unión se enfría mientras que la otra se calienta. El efecto es utilizado para refrigeración termoeléctrica.

Diagrama esquemático del efecto Peltier

Cuando se hace circular una corriente I a través del circuito, se desprende calor de la unión superior y es absorbido por la unión inferior. El calor de Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de tiempo, Q es igual a:

Donde Π es el coeficiente de Peltier ΠAB de la termopareja completa, y ΠA y ΠB son los coeficientes de cada material. El silicio tipo-p tiene un coeficiente Peltier positivo a temperaturas inferiores a 550 K, y el silicio tipo-n tiene un coeficiente Peltier negativo.Los conductores intentan volver al equilibrio electrónico que existía antes de aplicar la corriente. Para ello absorben la energía de un foco y la desprenden en el otro. Las parejas individuales pueden ser conectadas en serie para incrementar el efecto.La dirección de la transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente. Al invertir la polaridad se cambia la dirección de la transferencia y, como consecuencia, la unión donde se desprendía calor lo absorberá y donde se absorbía el calor lo desprenderá.

Efecto Thompson

Consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo con temperatura no homogénea por el que circula una corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente y cambia de signo con ella.

El flujo neto de potencia calorífica por unidad de volumen, en un conductor de resistividad r, con

Donde s es el coeficiente Thomson. El primer término corresponde al efecto Joule, irreversible, mientras que el segundo expresa el efecto Thomson, reversible.Desarrollando esta expresión para obtener la relación entre el coeficiente Thomson y Seebeck y teniendo en cuenta las ecuaciones que rigen los efectos Peltier y Seebeck, quedando para la

Efecto Seebeck

Se refiere a la emisión de electricidad en un circuito termoeléctrico que se compone de metales conductores diferentes, estresados bajo diferentes temperaturas. Los conductores metálicos se conectan en serie. La diferencial térmica produce un flujo de electrones en el sistema termo eléctrico, el flujo de energía clorífica inicia desde el área metálica de mayor temperatura dirigiéndo hacia el metal de menor temperatura. En el punto de contacto de los metales se presenta un diferencial de tensión electroéstatico. La magnitud de la energía termoelectria depende del tipo de material de los metales, y es directamente proporcional a la temperatura de contacto, no depende de la temperatura que se distribuye a todo lo largo del conductor.

Efecto Seebeck en un termopar: aparece una corriente o una diferencia de potencial



Seebeck señaló que si se unían dos metales distintos por sus extremos la ecuación que se cumple es:fem = a + bt + ct2




Donde:

DV: Es la fuerza termoelectromotríz.
DT: Es la diferencia de temperatura entre dos puntos de un conductor homogéneo.

El efecto Seebeck es solamente un efecto termoeléctrico que convierte calor en electricidad. Rigurosamente el efecto Seebeck no es un efecto de juntura. Pero es muy aplicado a materiales con características diferentes.

Tipos de Termopares .

Para escoger los materiales que forman el termopar se deben tomar en cuenta algunos factores que garanticen su mantenimiento y comercialización. De esta forma se han desarrollado los siguientes tipos:

COBRE – CONSTANTANO (TIPO T)

Están formados por un alambre de cobre como conductor positivo y una aleación de 60% de cobre y 40% de níquel como elemento conductor negativo. Tiene un costo relativamente bajo, se utiliza para medir temperaturas bajo o 0 °C. Y como limite superior se puede considerar los 350º C, ya que el cobre se oxida violentamente a partir de los 400º C.

HIERRO – CONSTANTANO (TIPO J )

En este tipo de junta el hierro es electropositivo y el constantano electronegativo. Mide temperaturas superiores que el anterior ya que el hierro empieza a oxidarse a partir de los 700º C. No se recomienda su uso en atmósfera donde exista oxigeno libre. Tiene un costo muy bajo y esto permite que su utilización sea generalizada.

CHROMEL – ALUMEL (TIPO K)

Una aleación de 90% de níquel y 10% de cromo es el conductor positivo y un conductor compuesto de 94% de níquel, 2% de Aluminio, 3% de manganeso y 1% de Silicio como elemento negativo. Este termopar puede medir temperaturas de hasta 1200º C. Ya que el níquel lo hace resistente a la oxidación. Se los utiliza con mucha frecuencia en los hornos de tratamientos térmicos. Su costo es considerable lo que limita su utilización.

PLATINO RODIO – PLATINO (TIPO R)

Tienen como conductor negativo un alambre de platino y como conductor positivo una aleación de 87% de platino con 13% de sodio. Este tipo de junta desarrollada últimamente con materiales de alta pureza son capaces de medir hasta 1500º C si se utilizan las precauciones debidas.
Son muy resistentes a la oxidación pero no se aconseja su aplicación en atmósferas reductoras por su fácil contaminación con el hidrógeno y nitrógeno que modifican la respuesta del instrumento.

PLATINO RODIO – PLATINO ( TIPO S )

El conductor positivo es una aleación de 90% de platino y 10% de Rodio mientras que conductor negativo es un alambre de platino. Sus características son casi similares al termopar anterior con la diferencia que no puede usarse a temperaturas elevadas porque los metales no son de alta pureza produciendo alteraciones de la lectura a partir de los 1000º C. en adelante.

MOLIBDENO – RENIO

Fue desarrollado recientemente y se utiliza para temperaturas inferiores a los 1650º C. Se recomienda usarlos en atmósferas inertes, reductoras o vacío ya que el oxigeno destruye al termopar.

TUNSTENO – RENIO

Al igual que el anterior fue recientemente creado y no tiene datos normalizados de temperatura y mili voltajes. Puede medir temperaturas de hasta 2000º C, el oxigeno y los cambios bruscos de temperaturas destruyen al termopar. Funcionan perfectamente en atmósferas reductoras e inertes si se los protege con funda cerámicas.

IRIDIO – IRIDIO RODIO

Puede medir como máximo 2.000 °C. Su uso es recomendable en atmósferas oxidantes que contienen oxigeno libre. El Hidrógeno produce alteraciones permanentes en el termopar, reduciendo además su vida útil.

TUNGSTENO – TUNGSTENO RENIO

Tiene igual utilización que el tungsteno – renio con la única diferencia que genera mayor mili voltaje por grado. En la siguiente gráfica se muestra el mili voltaje generado por los termopares a diversas temperaturas de su junta caliente y con su junta fría a una temperatura de referencia de 32º F o 0 °C.

Los tipos de termopares los podemos identificar con un código de colores, el cual varia dependiendo del país del fabricante

Construcción de Termopares.

Un termopar esta constituido por dos metales diferentes, unidos físicamente en sus extremos. En la unión se crea una diferencia de potencial que depende de la temperatura (efecto termoeléctrico), que comparada con la que se genera en otra unión similar sometida a condiciones térmicas de referencia, da una medida de la temperatura existente en la primera unión.

Desde el punto de vista constructivo, la unión puede hacerse por contacto (arrollamiento), o soldadura.Para conseguir la inmunidad requerida frente al medio en función de los materiales y del ambiente de trabajo, el termopar puede aparecer al aire o incluido dentro de una vaina protectora (lo que resulta determinante en la velocidad de respuesta). En este último caso, la unión puede conectarse a la vaina (puesta a tierra) o quedar eléctricamente aislada.Los requerimientos más importantes que deben cumplir los materiales de termocuplas son:

Ser mecánicamente robustos y resistentes químicamente.
Deben producir una salida eléctrica mensurable y estable.
Deben tener la precisión requerida.
Deben responder con la velocidad necesaria
Debe considerarse la transferencia de calor al medio y viceversa para no afectar la lectura.
Deben, en algunos casos, estar aislados eléctricamente de masa
Deben ser económicos .

Normas de aplicación practica por los Termopares

La medición de temperaturas mediante termopares, además de las ventajas e inconvenientes expuestos esta sujeta a una serie de leyes verificadas experimentalmente, que simplifican en gran manera el análisis de circuitos con termopares.

· Ley de los circuitos homogéneos

En un circuito de un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor aunque varíe la sección transversal del conductor.

En la Figura anterior las temperaturas T3 y T 4 no cambian la energía termoelectromotriz (ftem debida a T1 y T2 en particular, si T1 es igual a T2 y se calientan A ó B no fluye corriente alguna. Es decir en otras palabras las temperaturas intermedias a las que puede estar sometido cada conductor no altera la ftem. Tampoco ocurre esto debido a una determinada diferencia de temperaturas entre las uniones Sin embargo, esto no significa que si hay distintas temperaturas a lo largo de un circuito se tengan que emplear necesariamente hilos de extensión largos iguales a los del termopar. Para esto se emplean los denominados cables de compensación, los cuales son de metales que, siendo más económicos que los de termopares utilizados frecuentemente en la industria no presentan ftem. significativas.

· Ley de los Metales Intermedios

La suma algebraica de las ftem. en un circuito compuesto de un numero cualesquiera de metales distintos es cero. Si todo el circuito está a una temperatura uniforme.Esto significa que se puede intercalar un instrumento de medida, sin añadir errores, siempre y cuando las nuevas uniones estén a la misma temperatura. El instrumento se puede intercalar en un conductor o en un a unión. Un colorario de esta leyes que si se conoce la relación térmica de dos metales distintos con un tercero. Se puede encontrar la relación entre los dos primeros. Por lo tanto no hace falta calibrar todos los posibles pares de metales para conocer la temperatura correspondiente a 1a ftem. detectada con un par determinado. Basta con conocer su comportamiento con un tercero. Se ha convenido en tomar el Platino como referencia.

. Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias.

Si dos metales distintos producen una f.t.e.m. E1 cuando las uniones están a T1 y T2, y una f.t.e.m E2 cuando las uniones están a T2 y T3, la f.t.e.m cuando las uniones estén a T1 y T3 será E1+E2

Efecto de la temperatura ambiente en la unión de referencia de los termopares.

Un termopar convencional con un tubo de protección metálico se encuentra sometido a una diferencia de temperatura, pues una parte de él está en contacto con el proceso y la otra extremidad en contacto con el ambiente, cada una de ellas a cierta temperatura. Es inevitable, por tanto, que por el conjunto sensor/tubo de protección exista un flujo de calor que parte de la región de mayor temperatura hacia la de menor temperatura. El equilibrio ocurre cuando el flujo de calor recibido por el sensor es igual al que se ha perdido, por lo que en tal situación su temperatura no es necesariamente igual a la temperatura del proceso.

Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares.

Para aplicar el efecto Seebeck a la medida de temperaturas, es necesario mantener una de las uniones a la temperatura de referencia. Una solución consiste en introducir la unión de referencia en hielo fundente, tal como se indica en la figura (a).

Esta solución, aunque de gran exactitud, es poco práctica. Además se debe usar mucho hilo de uno de los dos metales, y esto es caro. La solución de la figura (b) permite emplear un hilo de conexión más económico, pero sigue precisando el mantenimiento de una temperatura de referencia constante.

Lo más frecuente es emplear la denominada compensación electrónica de la unión de referencia. Consiste en dejar la unión fría a la temperatura ambiente y medir esta con otro sensor dispuesto en sus cercanías. A la tensión del termopar se le suma la tensión que corresponde a la temperatura ambiente. De forma que es como si la unión fría estuviera a 0ºC. En la figura se muestra un ejemplo de compensación de la unión fría basado en la dependencia de la tensión directa en un diodo (VD) con la temperatura. El circuito de compensación se diseña estableciendo la condición de que la corriente por el diodo sea de 1mA y que dV1/dT sea igual al coeficiente de Seebeck en el margen de temperatura ambiente.El potenciómetro (PAJ) se incluye para ajustar el cero.Se toman como datos la tensión umbral del diodo y su derivada con la temperatura.

Cuando el punto cuya temperatura se quiere medir está alejado, se suelen utilizar los cables de compensación para conectar el termopar con el sistema de medida. Estos cables son mucho más baratos que los del termopar y no introducen una tensión apreciable en el circuito aunque los extremos estén a temperaturas diferentes. En la figura se muestra un esquema simplificado. La temperatura T3 puede variar sin introducir error. Los cables de compensación son específicos para cada termopar. Suelen ser tres o cuatro veces más caros que los cables de cobre.

En la figura se muestra un esquema más real. Las uniones entre el termopar y el cable de compensación y entre el cable de compensación y el sistema de medida, deben hacerse con conectores específicos para el tipo de termopar que se esté utilizando.

Explicación de la tabla estandar de termopares.

Los termopares comerciales se designan por letras (T, E, J, K, R) que identifican los materiales que contienen y se especifican generalmente por su sensibilidad o coeficiente térmico (MV/ºC).El tipo E, J, K, y T son termopares de base metálica y se pueden utilizar hasta por encima de 1000°C. El tipo S, R, y B se denominan termopares nobles por poseer platino como elemento básico y se pueden utilizar hasta por encima de 2000°C.

Termopar tipo T (Cu- Constantan)

Termoelemento positivo: Cu 100%

Termoelemento negativo: Cu55%, Ni45%

Rango de utilización: -270ºC a 400º

CF.E.M. producida: -6,258 mV a 20,872 mV

Características: puede utilizarse en atmósferas inertes, oxidables o reductoras. Gracias a la gran homogeneidad con que el cobre puede ser procesado, se obtiene una buena precisión. En temperaturas superiores a 300ºC, la oxidación del cobre se torna muy intensa, lo que reduce su vida útil y ocasiona desvíos en la curva de respuesta original.

Termopar tipo J (Fe- Constantan)

Termoelemento positivo: Fe99,5%

Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%

Rango de utilización: -210ºC a 760º

CF.E.M. producida: -8,096 mV a 42,919 mV

Características: puede utilizarse en atmósferas neutras, oxidables o reductoras. No se recomienda en atmósferas muy húmedas y a bajas temperaturas el termoelemento positivo se vuelve quebradizo. Por encima de 540ºC el hierro se oxida rápidamente. No se recomienda en atmósferas sulfurosas por encima de 500ºC.

Termopar tipo E (Cr- Constantan)

Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%

Termolemento negativo: Cu55%, Ni45%

Rango de utilización: -270ºC a 1000º

CF.E.M. producida: -9,835 mV a 76,373 mV

Características: Puede utilizarse en atmósferas oxidables, inertes o al vacío, no debe utilizarse en atmósferas alternadamente oxidables y reductoras. Dentro de los termopares a menudo utilizados, es el que posee mayor potencia termoeléctrica, bastante conveniente cuando se desea detectar pequeñas variaciones de temperatura.

Termopar tipo K (Cr- Constantan)

Termoelemento positivo: Ni90%, Cr10%

Termoelemento negativo: Ni95%, Mn2%, Si1%, Al 2%

Rango de utilización: -270ºC a 1200º

CF.E.M. producida: -6,458 mV a 48,838 mV

Características: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables. Por su alta resistencia a la oxidación se utiliza en temperaturas superiores a 600ºC y en algunas ocasiones en temperaturas por debajo de 0ºC. No debe utilizarse en atmósferas reductoras y sulfurosas. En temperaturas muy altas y atmósferas pobres en oxigeno ocurre una difusión del cromo, lo que ocasiona grandes desvíos de la curva de respuesta del termopar. Este último efecto se llama “green - root”.

Termopar tipo N (Nicrosil - Nisil)

Termoelemento positivo: Ni84,4%, Cr14,2%, Si1,4%

Termoelemento negativo: Ni95,45% Si4,40%, Mg0,15%

Rango de utilización: -270ºC a 1300º

CF.E.M. producida: -4,345 mV a 47,513 mV

Características: Este nuevo tipo de termopar es un sustituto del termopar tipo K que posee una resistencia a la oxidación superior a éste. En muchos casos también es un sustituto de los termopares a base de platino a raíz de su temperatura máxima de utilización. Se recomienda para atmósferas oxidables, inertes o pobres en oxígeno, ya que no sufre el efecto “green - root”. No debe exponerse a atmósferas sulfurosas.

Termopar tipo S

Termoelemento positivo: Pt90%, Rh10%

Termoelemento negativo: Pt100%

Rango de utilización: -50ºC a 1768º

CF.E.M. producida: -0,236 mV a 18,693 mV

Características: Puede utilizarse en atmósferas inertes y oxidables, presenta estabilidad a lo largo del tiempo en temperaturas elevadas, superiores a las de los termopares no constituidos de platino. Sus termoelementos no deben exponerse a atmósferas reductoras o con vapores metálicos. Nunca deben insertarse directamente en tubos de protección metálicos, pero sí en tubos con protección de cerámica. Fabricado con alúmina (Al2O3) de alto contenido de pureza. Para temperaturas superiores a 1500ºC se utilizan tubos de protección de platino. No se recomienda el uso de los termopares de platino en temperaturas abajo de 0ºC debido a la inestabilidad en la respuesta del sensor. En temperaturas por encima de 1400ºC ocurre crecimiento de granulaciones que los dejan quebradizos.

Termopar tipo R

Termoelemento positivo: Pt87%, Rh13%

Termoelemento negativo: Pt100%

Rango de utilización: -50ºC a 1768º

CF.E.M. producida: -0,226 mV a 21,101 mV

Características: Posee las mismas características del termopar tipo "S", aunque en algunos casos es preferible el tipo "R" por tener una potencia termoeléctrica mayor en un11%.

Termopar tipo B

Termoelemento positivo: Pt70,4%, Rh29,6%

Termoelemento negativo: Pt93,9%, Rh6,1%

Rango de utilización: 0ºC a 1820º

CF.E.M. producida: 0,000 mV a 13820 mV

Características: Puede ser utilizado en atmósferas oxidables, inertes y por un corto espacio de tiempo en el vacío. Normalmente se utiliza en temperaturas superiores a 1400ºC, por presentar menor difusión de rodios que los tipos S y R. A temperaturas abajo de los 50ºC la fuerza electromotriz termoeléctrica generada es muy pequeña

Estos termopares son de tipo estándar y tiene los siguientes código de colores de acuerdo a l tipo descrito en la tabla para su fácil conexión a los instrumentos o dispositivos de medición de temperatura.

Para seleccionar el tipo adecuado de termopar a usar en la aplicación es necesario observar los siguientes puntos básicos:

1. Rango de temperatura a medir.

2. Tolerancia y cantidad de error que permite la aplicación

3. ¿Es posible que el termopar toque al objeto sin que este sea invasivo y altere al objeto?

4. ¿Qué tipo de contacto fisico se requiere para sensar la temperatura?

Sensores piezoeléctricos

En el efecto Piezo-Eléctrico la energía pasa de eléctrica a mecánica. Fue descubierto en el siglo XIX (circa 1880), por los hermanos Curie. Su principio está basado en la fuerza o presión aplicada a una sustancia compuesta por cristales polarizados (piezo significa presión en griego). Al ejercer presión sobre el cristal, éste se desforma produciendo una descarga eléctrica. Esto significa que en los micrófonos piezo-eléctricos, la presión acústica se transforma en voltaje.

El efecto Piezo-Eléctrico es conmutativo y también funciona en forma opuesta contraria a su dirección original. Esto quiere decir que al aplicar una descarga eléctrica a un cristal polarizado, el cristal se desforma produciendo un movimiento que genera presión acústica. La estructura de un cristal polarizado puede apreciarse en la siguiente figura .

Sensores piroeléctricos

La piroelectricidad es el cambio en la polarización de un material sometido a cambios de temperatura. Este tipo de fenómenos se observa en materiales dieléctricos que contienen polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados.
Estos efectos han sido conocidos por el hombre desde hace muchos años, recibió este nombre de D. Brewster en 1824. Pero la investigacion de la pyroelectricidad en polímeros es relativamente nueva pues data de mediados del siglo XX, sin embargo los resultados iniciales fueron pobres y no atractivos a nivel comercial. Grandes adelantos ocurrieron en 1971, con el descubrimiento de los efectos piroeléctricos en el fluoruro de polivinilideno PVDF por J.B. Bergman, J.H. y solamente después de que el Dr. H. Kawai descubrió la piezoelectricidad en el mismo material.

El sensor piroelectrico se hace de un material cristalino que genere una carga eléctrica superficial cuando está expuesto al calor en la forma de radiación infrarroja. Cuando la cantidad de radiación que recibe cambia, la cantidad de la carga también y se puede medir con un FET.

Cualquier polímero amorfo puede ser piroeléctrico

Sensores fotoeléctricos

Un Sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Todos los diferentes modos de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas.

SENSORES MODULADORES

1. Sensores resistivos.

Los sensores basados en la variacion de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los mas abundantes. Esto de debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia de un material.
En concecuencia, ofrecen una solución válida para numerosos problemas de medida. En el caso de los resistores variables con la temperatura, ofrecen también un método de compensación térmica aplicables en los sistemas de medidas de otras magnitudes.
Describiremos los sensores , mas frecuentes basados en la variación de la resistencia, exponiendo su fundamento, tecnología circuito eléctrico equivalente y aplicaciones.
Para la clasificacion de los diveresos sensores se toma como criterio el tipo de magnitud fisica a medida



1.1. Potenciómetros (Variables mecánicas)

un potenciómetro es un resistor al que le puede variar el valor de su resistencia. De esta manera, indirectamente se puede controlar la intensidad de corriente que hay por una línea si se conecta en serie, o la diferencia de potencial de hacerlo en paralelo.

1.2. Galgas extensométricas (Variables mecánicas).


Las galgas extensométricas son sensores de deformaciones basados en la variación de la resistencia eléctrica con la deformación, en un hilo conductor calibrado, o en resistencias construidas a base de pistas de semiconductor. Se emplean también, combinadas con muelles o piezas deformables para detectar de forma indirecta esfuerzos. En definitiva suelen usarse más que como sensores de deformación como sensores de medida indirecta de esfuerzos (fuerza o par).

En las galgas de hilo la resistencia esta formada por un hilo dispuesto en forma de zigzag sobre un soporte elástico, con una longitud preferente (L) a lo largo de la cual se encuentra la mayor cantidad de hilo . Al deformarse la galga en la dirección preferente, se produce un alargamiento del hilo y una disminución de su sección y, por tanto, una variación en su resistencia. Para poder medir variaciones de resistencia significativas, la galga debe tener una resistencia alta 100 y 1000 , y funcionar con un consumo muy bajo, para evitar que el efecto Joule provoque variaciones importantes de la resistencia por calentamiento. La medida de deformaciones requiere una meticulosa colocación de las galgas y una calibración laboriosa, y la amplificación suele realizarse por métodos diferenciales con tres hilos.

1.3. Termorresistencias (Variable térmicas)


Sensores pasivos de tipo analógico basados en el cambio de resistividad electrica de algunos metales o semiconductores con la temperatura.
Los conductores eléctricos presentan un aumento de resistencia con la temperatura.

Aprovechando esta propiedad se construyen sondas analógicas de temperatura. Para ello es preciso utilizar un material cuyo coeficiente (coeficiente térmico de resistencia) se mantenga relativamente constante y de una buena sensibilidad. Las sondas industriales se suelen construir a base de Platino cuyo coeficiente térmico es 0.00385 °C-1, dichas sondas suelen tener un valor nominal de 100 a 0°C, de donde se deriva el nombre Pt100. Las sondas Pt100 son aptas para un rango de temperaturas entre -250°C y 850°C, teniendo muy buena linealidad entre -200°C y 500°C

1.4. Termistores (Variables térmicas)

Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura.Se emplean en su fabricación oxidos semiconductores de niquel, zinc, cobalto, étc.

La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial:

, donde A y B son constantes que dependen del termistor. La característica tension-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carácter peculiar ya que, cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R * I2) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la característica, la relación tensión-intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm.

Si se sigue aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Ahora nos encontramos, pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden aumentos de intensidad.

1.5. Magnetorresistencias (Variable magnéticas)
Su resistencia es dependiente del campo magnético. Si se le aplica un campo eléctrico a un conductor por el que circula una corriente eléctrica, dependiendo de la dirección del campo, además de la tensión de Hall hay una reducción de la corriente al ser desviados algunos electrones de su trayectoria. Ello significa que aumenta su resistencia eléctrica. este efecto fue descubierto por Lord kelvin en 1856.

1.6. Fotorresistencias (Variables ópticas)

Una fotorresistencia es un componente electronico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas (LDR) se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor.

Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conduccion. El electrón libre que resulta (y su hueco asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia.

Un dispositivo fotoeléctrico puede ser intrínseco o extrínseco. En dispositivos intrínsecos, los únicos electrones disponibles están en la banda de la valencia, por lo tanto el fotón debe tener bastante energía para excitar el electrón a través de toda la banda prohibida. Los dispositivos extrínsecos tienen impurezas agregadas, que tienen energía de estado a tierra más cercano a la banda de conducción puesto que los electrones no tienen que saltar lejos, los fotones más bajos de energía (es decir, de mayor longitud de onda y frecuencia más baja) son suficientes para accionar el dispositivo

1.7. Higrómetros resistivos (Variables químicas)

Un higrómetro resistivo es un elemento cuya resistencia cambia con cambios en la humedad relativa del aire en contacto con el elemento. Los higrómetros resistivos generalmente están formados por dos electrodos de metal laminado sobre una forma plástica. Los electrodos no deben tocarse entre si, y están aislados uno del otro por medio de la forma plástica. Una solución de cloruro de litio es entonces utilizada para recubrir completamente el dispositivo.

A medida que la humedad del aire circundante crece, la película de cloruro de litio absorbe más vapor de agua del aire. Esto hace que su resistencia disminuya marcadamente. Dado que la película de cloruro de litio está en contacto estrecho con los dos electrodos de metal, también decrece marcadamente a resistencia entre los terminales de los electrodos. La resistencia entre terminales puede entonces relacionarse a la humedad relativa.

1.8. Acondicionamiento: Puente de Wheastone, Amplificador de Instrumentación.

Puente de Wheastone Las salidas de las galgas de presión y los puentes son relativamente pequeñas. En la práctica, la mayoría de los puentes de galgas y transductores de presión tienen salidas de menos de 10 mV/V (10 mV de salida por volt de voltaje de excitación). Con un voltaje de exitación de 10 V , la señal de salida será de 100 mV. Es por esto que los acondicionadores de señal para galgas incuyen amplificadores para aumentar el nivel de la señal, para incrementar la resolución de la medición y mejorar las relaciones de señal a ruido. Los modulos SCXI por ejemplo incluyen amplificadores de ganancia programable, con ganancias de hasta 2000.

Amplificador de Istrumentacion Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplicadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo comun (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.

2. Sensores de reactancia variable

La variación de la reactancia de un componente o circuito ofrece alternativas de medida a las disponibles en sensores resistivos. Muchas de ellas no requieren contacto físico con el sistema donde se va a medir, o bien tienen un efecto de carga mínimo. En concreto, ofrecen soluciones mejores para mediciones de desplazamientos lineales y angulares, en el caso de tratar con materiales ferromagnéticos, y para las medidas de humedad.En este tipo de sensores la falta de linealidad intrínseca en algunos de los principios de medidas empleados se superan mediante el uso de sensores diferenciales. Tienen en cambio una limitación en la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida, pues debe ser inferior a la frecuencia de la tensión de alimentación empleada, necesariamente alterna.Algunos sensores electromagnéticos son de hecho generadores, pero se han incluido aquí por la similitud de la señal de salida y la obtenida con algunos de los sensores de reactancia variable.

2.1. Sensores Capacitivos

2.1.1. Condensador variable

Un condensador eléctrico consiste en dos conductores separados por un dieléctrico (sólido, líquido o gaseoso), o el vacío. La relación entre la carga, Q, y la diferencia de potencial, V, entre ellos viene descrita por su capacidad, C=Q/V. Esta capacidad depende de la disposición geométrica de los conductores y del material, dieléctrico, dispuesto entre ellos, C=C(_,G).Por ejemplo, para un condensador formado por n placas planas paralelas iguales con area A, distancia d entre cada par, y un material entre ellas con constante dieléctrica relativa εr, la capacidad aproximada es:

Donde εo=8,85 pF/m es la constante dieléctrica del vacío.Así pues, cualquier fenómeno o magnitud que produzca una variación en εr, A o d, provocará un cambio en la capacidad C y, en principio, puede ser detectado mediante el dispositivo anterior. En general, cualquier cambio en el dieléctrico o en la geometría puede ser considerado para la detección del fenómeno que lo provoca. En el cuadro se da la capacidad para diversas configuraciones de interés.Si, por ejemplo, se considera la permitividad relativa, εr, para el aire es prácticamente 1, mientras que para el agua varía entre 88 a 0 °C y 55,33 a 100°C. La sustitución de aire por agua como dieléctrico producirá un cambio apreciable, que se puede aplicar, por ejemplo, a la medido del nivel de agua en un depósito, o a la de humedad si se dispone de un dieléctrico que absorba y desabsorba agua sin histéresis.En los materiales ferroeléctricos, por encima de la temperatura de Curie la constante dieléctrica es proporcional al recíproco de la temperatura, según

donde T es la temperatura actual, Tc es la temperatura de Curie y K una constante. En este caso, es la variación de temperatura lo que produce un cambio importante en la capacidad de un condensador que incorpore un material de este tipo.El empleo de un condensador variable como sensor está sujeto a una serie de limitaciones. En primer lugar, en la expresión de la capacidad se suele despreciar los efectos de los bordes, y ello puede que no siempre sea aceptable.En un condensador plano con placas paralelas, los efectos de los bordes son despreciables si la separación entre placas es mucho mayor que la dimensión lineal de éstas. En caso contrario, la ecuación (1.1) debe sustituirse por una aproximación mejor. Si se trata de dos placas rectangulares finas, con anchura a, longitud l y separación d, una fórmula mas correcta es

donde se ve que el error relativo decrece efectivamente al aumentar la relación a/d.

Un método para reducir el efecto de los bordes sin alterar las relaciones geométricas consiste en emplear guardas, consiste en rodear uno de los dos electrodos del condensador con un anillo puesto al mismo potencial que dicho electrodo. Si el otro electrodo del condensador se mantiene un potencial conocido, las líneas de campo eléctrico en el centro quedan delimitadas a una zona bien definida. El efecto de la separación g entre la guarda y el electrodo.

Otra consideración es el aislamiento entre placas, que debe ser alto y constante. Si, por ejemplo, en caso de humedad variable aparecieran resistencias parásitas en paralelo con C por variar el aislamiento ofrecida por el dieléctrico, se tendrían variaciones en la impedancia del condensador no atribuibles a un cambio de capacidad.Si la medida es sensible sólo al módulo de la impedancia, pero no a su fase, los errores pueden ser importantes. La conductivida es un problema a considerar en dieléctricos polares (que tienen momentos dipolares permanentes), pues suelen tenerla alta. Es el caso del agua, acetona y algunos alcoholes. La presencia de una componente resistiva en la impedancia, significará que hay una disipación de potencia que puede producir interferencias térmicas. En cambio, los dieléctricos no polares, como los aceites y los distintos derivados del petróleo, suelen tener una conductividad muy baja.Dado que sólo una de las dos superficies puede ponerse a tierra, las interferencias capacitivas son otra fuente de error a considerar. Según la figura 2.1.1.2, si otro conductor próximo, por e jemplo de la red de distribución eléctrica, está a un determinado potencial respecto a tierra, la placa que no este conectada a tierra alcanzará también un potencial que según su frecuencia puede interferir en el circuito hasta impedir la medida. Puede ser necesario apantallar eléctricamente esta placa y los cables conectados a ella respecto al entorno ajeno al sensor.Los cables de conexión son otra fuente de error. Al ser apantallodos para evitar las interferencias capacitivas, añaden una capacidad en paralelo con el condensador, por lo que se pierde sensibilidad pues la magnitud a medir hará cambiar sólo la capacidad del sensor, que es ahora una parte de la capacidad total. Si además hay movimiento relativo entre los conductores del cable y el dieléctrico, se tiene una fuente de error adicional que puede ser muy grave si las variaciones de geometría son importantes o si el dieléctrico del cable tiene propiedades piezoeléctricas notables.Los sensores capacitivos no son lineales o no lineales en sí mismo. Su linealidad depende del parámetro que varía y de si se mide la impedancia o la admitancia del condensador. En un condensador plano, por ejemplo, con εr o A variable, la salida es lineal si se mide la admitancia (proporcional a C), pero es no lineal si varía la separación entre placas, de la forma C=ε.A/x o C=ε.A/(d+x). En este segundo caso se tiene

Si se deriva para encontrar la sensibilidad, se obtiene

donde se ve que el sensor no es lineal pues la sensibilidad, lejos de ser constante, varia con x y es tanto mayor cuanto menores sean d y x. Esta última consideración podría sugerir el empleo de condensadores con d muy pequeña, pero hay que tener en cuenta el límite impuesto por la tensión de ruptura dieléctrica, que para el aire es de 30 KV/cm.

2.1.2. Condensador diferencial

Un condensador diferencial está formado por dos condensadores variables dispuestos físicamente de tal modo que experimenten el mismo cambio, bajo la acción de la magnitud a medir, pero en sentido opuesto. Mediante un acondicionamiento adecuado se consigue una salida lineal y una sensibilidad mayor que en el caso de un condensador variable simple.

Si la medida implica una diferencia de capacidades se tiene una dependencia linealcon x. Los sensores capacitivos diferenciales se emplean para medir desplazamientos entre 10-13 y 10 mm, con valores de capacidad del orden de 1 a 100pF. También se aplican a la medida de desplazamientos angulares.

2.1.3. Acondicionamiento: divisor de tensión, amplificador de carga, amplificador de transconductancia

2.2. Sensores inductivos

Cuando la tensión se convierte en información, a menudo, la inducción pasa a ser importante. Los sensores inductivos detectan objetos metálicos en áreas de exploración generalmente muy pequeñas. El diámetro del sensor es el factor decisivo para la distancia de conmutación, que con frecuencia es de sólo unos cuantos milímetros. Por otra parte, los sensores inductivos son rápidos, precisos y extremadamente resistentes.

2.2.1. 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:dondeμr es la permeabilidad relativa del núcleoL = 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:

*Los campos magnéticos parásitos afectan a L, por lo que se deben apantallar.

*La relación L y R no es constante y varía hacia los extremos.

*L y R son inversamente proporcionales, por lo que las medidas serán normalmente no lineales.

* La temperatura de trabajo debe ser menor a la de Curie del material usado. Sin embargo la humedad los afecta muy poco, tiene poca carga mecánica y una alta sensibilidad.

2.2.2. 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:•Resolución infinita.•Poca carga mecánica.•Bajo rozamiento: vida ilimitado y alta fiabilidad.•Ofrecen aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario.•Aísla el sensor (vástago) del circuito eléctrico•Alta repetitividad.•Alta linealidad.•Tiene alcances desde 100 micrómetros hasta 25 centímetros.Cuando estos dispositivos tienen la electrónica DC se denominan LVDT de continua (DCLVDT). Si la medida es angular se denominan RVDT.

2.2.3. Acondicionamiento

3. Sensores electromagnéticos

Los sensores de proximidad magnéticos son caracterizados por la posibilidad de distancias grandes de la conmutación, disponible de los sensores con dimensiones pequeñas. Detectan los objetos magnéticos (imanes generalmente permanentes) que se utilizan para accionar el proceso de la conmutación. Los campos magnéticos pueden pasar a través de muchos materiales no magnéticos. El proceso de la conmutación se puede también accionar sin la necesidad de la exposición directa al objeto. Usando los conductores magnéticos (ej. hierro), el campo magnético se puede transmitir sobre mayores distancias para, por ejemplo, poder llevarse la señal de áreas de alta temperatura. Los sensores magnéticos tienen una amplia gama de usos. Por ejemplo: •Detección del objeto a través del plástico (containers)•Detección del objeto en medios agresivos a través de las paredes protectoras del Teflón. •Detección del objeto en áreas de alta temperatura.

3.1. Basados en la ley de Faraday

Estos sensores se utilizan en tacogeneradores o tacómetros de AC (generadores de energía eléctrica) para medir la velocidad angular w. La ley de Faraday dice: “En un circuito magnético o bobina con N espiras con un flujo magnético φ=f(t) se induce una tensión:”

3.2. Basados en el efecto Hall

Son empleados en la medida de campos magnéticos (gaussímetros), medida de corriente (amperímetros) y medida de potencias (vatímetros). El voltaje Hall es la diferencia de potencial que se crea en las superficies de una barra conductora, cuando por ésta fluye una corriente y está sometida a un campo magnético. En la siguiente gráfica se muestra un ejemplo de medición de corriente en donde, Iin crea B, a su vez B crea VH que es proporcional a Iin (Ibias = constante).