Download Acondicionadores de señal para sensores resistivos

Acondicionadores de
señales
Acondicionadores de señales
El término “acondicionadores de
señal” se utiliza para el elemento ó
elementos de un circuito de medida o
control que convierte la señal procedente
del sensor en un formato adecuado para un
tratamiento posterior.
Acondicionadores de señales
El término “acondicionadores de
señal” se utiliza para el elemento ó
elementos de un circuito de medida o
control que convierte la señal procedente
del sensor en un formato adecuado para un
tratamiento posterior.
Tipos de Acondicionadores de señales
•Divisores de tensión
•Potenciómetros
•Puente de Wheatstone
•Amplificación de la Señal
•Linealización de la Señal
•Convertidor de Tensión a Corriente
•Acondicionadores para Termopares
•Acondicionadores para sensores capacitivos
•Acondicionadores para sensores piroeléctricos
Divisores de tensión
Divisores de tensión
El circuito esencial de un divisor de tensión, también
llamado divisor de potencial o divisor de voltaje es:
APLICACIONES
del divisor de tensión
Sensores de Luz
Las fotorresistencias (LDR’s, Light Dependent Resistor) son sensores
resistivos basados en semiconductores utilizados para detectar y
medir radiación electromagnética.
L() INTENSIDAD DE RADIACIÓN
LUMINOSA
Una LDR esta constituida por un
bloque de material semiconductor
sobre el que puede incidir la
radiación
y
dos
electrodos
metálicos en los extremos.
A
d
LDR
ELECTRODOS
+
V
-
i
(a)
(b)
Sensores de Luz
Una LDR típica consiste en una fina capa semiconductora sobre un
sustrato cerámico o plástico.
Sustrato
cerámico
Contactos
metálicos
Película
semiconductora
Sensores de Luz
La parte sensible a la luz del LDR
es una pista 'ondulada' de sulfuro
de cadmio. La energía de la luz
que incide en esta zona, acciona
la avalancha de los portadores de
carga en este material de modo
que
bajará
su
resistencia
mientras que el nivel de la
iluminación se mantenga.
Modelo matemático de Sensores de Luz
 L0 
RL  R0 
 L

L es la iluminación (en Lux), α es una constante que depende del
material (entre 0,7 y 1,5) y RL y R0 son las resistencias a los niveles de
luz L y L0 respectivamente.
Divisor de tensión en Sensores de Luz
vo 
R(L)
R
 Lo 
R  Ro 
 L

Sensores de sonido
Para que los micrófonos Electret trabajen correctamente,
necesitan de una tensión de alimentación, generalmente alrededor
1.5 V.
Un circuito adecuado para el uso con una fuente de 9 V es el
siguiente:
Divisor de tensión en Sensores de
sonido
En Señales con Interruptores
Cuando se utiliza un interruptor para proporcionar una entrada a un
circuito, este genera un pico de tensión. Este pico de tensión que genera
el propio circuito es lo que se le llama acción de puesta en marcha. Para
generar una señal de tensión con el interruptor se necesita un divisor de
tensión. El circuito se puede construir de las dos formas siguientes:
En Señales con Interruptores
Hay una variedad de pulsadores que llaman pulsador
táctil miniatura. Estos son pulsadores pequeños que
encajan bien en la placas estándar para montajes de
prototipos:
Con Termistores
¿Cómo podríamos hacer un circuito con un termistor, para su uso en
una alarma de incendios? Utilizaremos un circuito que entregue una
tensión alta cuando se detecten las condiciones de temperatura
caliente. Necesitamos poner un divisor de tensión con un termistor ntc
en la posición que ocupa Rarriba:
• Los termistores encuentran su principal aplicación en la
compensación de temperatura, como temporizadores y como
elementos sensibles en vacuómetros.
• Inyección electrónica de combustible, en la cual la entada de aire, la
mezcla aire/combustible y las temperaturas del agua que le enfría, se
supervisan para ayudar a determinar la concentración del combustible
para la inyección óptima.
• Controles de temperatura del aire acondicionado y de asientos en
vehículos.
• Inyección electrónica de combustible, en la cual la entada de aire,
la mezcla aire/combustible y las temperaturas del agua que le
enfría, se supervisan para ayudar a determinar la concentración del
combustible para la inyección óptima.
• Los indicadores de alertas, tales como temperaturas de aceite y de
líquido, nivel de aceite y turbo-cargador.
• Control del motor de ventilador, basado en la temperatura del agua que
se enfría.
• Sensores de escarcha, para la medida de la temperatura exterior.
• Sistemas acústicos.
• Los termistores se utilizan para medir las temperaturas superficiales y
profundas del mar para ayudar a supervisar corrientes del océano.
•Obviamente, los termistores se utilizan para medir flujo de aire, por
ejemplo en la supervisión de la respiración en bebés prematuros, entre
otras aplicaciones.
TIPOS DE TERMISTORES
Potenciómetros
Potenciómetros
El potenciómetro es una resistencia variable cuya función es regular la tensión
entregada a una resistencia, no obstante en algunos casos también controla la
corriente haciendo que varíe la tensión.
Normalmente solo produce variaciones de tensión sin variaciones apreciables
de corriente.
Los resistores variables se clasifican usualmente por su linealidad o velocidad
de cambio de resistencia desde la mínima hasta la máxima.
Potenciómetros
Acondicionamiento con potenciómetros
VARILLA
Magnitud física
(FUERZA)
+
POTENCIÓMETRO
Vo
MUELLE
V
-
SEÑAL ELÉCTRICA
DE SALIDA
Potenciómetros
Acondicionamiento con potenciómetros
Sin carga
Carga
R o = R·x·(1-x)
R2=R·(1-x)
Carga
L
vi
vTH
R1=R·x
RL
l
0
R (x)
o
R
Vi·x
RL
v oL
v oL
[%]
30
20
vo  vi
10
0
0,5
1
x
R1
l
 vix  vi
R1  R 2
L
Potenciómetros
Acondicionamiento con potenciómetros
Con carga
Carga
R o = R·x·(1-x)
R2=R·(1-x)
Carga
L
vi
vTH
R1=R·x
RL
l
0
RL
v oL
v oL
voL / vi [%]
voL  vix
100
Vi·x
RL
Rx (1  x )  R L
K=10
K=1
50
voL  vix
0
0,5
1
x
1
x (1  x )
1
k
con k = RL / R y
x
[0,1]
Características
El potenciómetro puede adoptar la forma de un solo hilo continuo o bien estar
arrollado a una bobina siguiendo un valor lineal de resistencia.
Existen varios tipos de potenciómetros:
•Grafito
•Bobinado
•Película metálica
•Plástico moldeado
APLICACIONES
Potenciómetros de Precisión
1 vuelta con o sin tope
Muy usados como posicionadores en sensores de posición. Tienen
excelente linealidad, precisión y muy larga vida útil
Multivuelta
Estos se usan donde se requiere un ajuste muy fino, los hay de 3, 5 y 10 vueltas;
de 3.08 y 5 watts
Modelo 533 Spectrol, 3 vueltas , 1.5 watts, valores de 100 ohms a 10 kohms
Perillas cuentavueltas
Estas se usan con los potenciómetros multivuelta, las hay de varios tipos y
tamaños.
Perilla 16-1-11 Modelo compacto tipo caja fuerte hasta 14 vueltas
Perilla 21-1-11 Modelo grande y robusto tipo caja fuerte hasta 14 vueltas
Puente de Wheatstone
Un puente de Wheatstone es un instrumento eléctrico de
medida inventado por Samuel Hunter Christie en 1833,
mejorado y popularizado por Sir Charles Wheatstone en
1843.
Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante
el equilibrio de los brazos del puente. Estos están
constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito
cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.
Puente de Wheatstone
La figura muestra la disposición eléctrica del circuito.
El puente de Wheatstone se puede utilizar para la medida de impedancias,
capacidades e inductancias.
La disposición en puente es ampliamente utilizada en Instrumentación
electrónica. Para ello, se sustituyen una o más resistencias por sensores,
que al variar su resistencia dan lugar a una salida proporcional a la
variación. A la salida del puente suele colocarse un amplificador.
Puente de Wheatstone
El puente de Wheatstone se utiliza como método de ajuste de
cero en acondicionamiento de señal, cuando las resistencias
que forman el circuito están tan equilibradas, que en su salida
la diferencia de potencial es cero.
En caso de conectar un dispositivo para la medición de
tensión en sus terminales de salida (galvanómetro), implicaría
un ajuste para dar a través de este una corriente cero.
VENTAJAS
•
Estos productos están diseñados para fácil instalación, operación y
mantenimiento.
•
Se puede capitalizar exitosamente
comportamiento.
•
Si tres de las resistencias tienen valores conocidos, la cuarta puede
establecerse a través de una simple relación.
en cuanto a flexibilidad y
• El detector de cero tiene suficiente sensibilidad para indicar la posición de
equilibrio del puente con el grado de precisión requerido.
•
Son los elementos tipos para acondicionar una señal, puesto que un cambio
en la resistencia, capacitancia o inductancia puede ser convertido en una
variación de la diferencia de potencial.
APLICACIONES
•
•
•
•
•
Son aplicables siempre que se necesite acondicionar salidas de
sensores, aislar problemas de tierra o agregar más manejo en
sus lazos de corriente.
Para ello existe un conjunto de productos para seleccionar
cualquier necesidad de acondicionamiento de señales
analógicas.
Acondicionadores de señal para Termopares.
Acondicionadores de señal para las RTD.
Acondicionadores de señal para sensores de Humedad.
Amplificación de Señal
Estos dispositivos son utilizados frecuentemente para
aumentar las señales de los sensores con el fin de que
puedan ser nuevamente procesados ó visualizados.
Existen varios tipos de amplificación, como por ejemplo
las electrónicas y mecánicas.
Dentro de las Amplificaciones electrónicas se tienen a
los amplificadores operacionales que son la base de los
amplificadores de corriente alterna y continua.
Amplificación de Señal
R2
I1
R3
R1
V1
R1
-
Vi
-
V2
+
+
VO
R2
Amplificador Inversor
Amplificador Diferencial
VO
Linealización de la Señal
Para el proceso de linealización de señales, las aplicaciones de los
amplificadores operacionales son convenientes puesto que, sirven
para proporcionar una salida lineal ante una entra no lineal que esta
definida por la función de transferencia del circuito.
R1
+
V1
Circuito de Linealización de Señal.
VO
Convertidor de Tensión a Corriente
En muchos sistemas de control de proceso, una característica común es el
uso de conversores de milivoltios a miliamperios. Esta necesidad es debida
al uso extendido de corrientes en el rango de los 4 a 20 mA, utilizadas para
señales de control.
R2
R1
+
V1
R3
R4
R5
Conversor de tensión a Corriente.
Carga
Acondicionadores para
termopares y RTD’s
Acondicionadores para termopares
El termopar proporciona una tensión de pequeño valor, del orden de
algunos
microvoltios
por
grado
centígrado.
El circuito de
amplificador
acondicionamiento
consistirá
de
básicamente
de un
tensión.
Para determinar la temperatura objeto de la medida será necesario
conocer la temperatura de la otra unión.
Acondicionadores para termopares
Compensación mediante uniones de referencia
Metal 1
Cu
Tc
A
Cu
Amplificador
Metal 2
Hielo
Consiste en fijar en un valor
conocido la temperatura de una
de las uniones. (Se introduce
en hielo y agua para garantizar
0ºC).
Se utiliza en laboratorios por su
dificultad para aplicaciones
industriales.
Acondicionadores para termopares
Compensación digital
Metal 1
Cu
Tc
Tf
Metal 2
A
Cu
Bloque
isotermo
Amplificador
A/D
Microcontrolador
Acondicionamiento
de señal
Sensor de
temperatura
Consiste en medir la temperatura de la union fria mediante otro sensor de
temperatura (por ejemplo, una Pt100 o una NTC).
Con el microprocesador se consigue una elevada precisión.
Acondicionadores para RTD’s
+V
Vs  Vb  Va  V 
R1
R2
a
R3
R 0 (1  αt )
R3
V
R 0 (1  αt )  R 2
R1  R 3
Vs
R0
R3

R 0  R 2 R1  R 3
b
Rt
+T
r  αt
Vs  V 
(r  1)  (r  1  αt )
Acondicionadores para RTD’s
Conexión remota del puente
+V
rR0
rR0
c
a
Vs
b
RW
d
R0
r  α  t  r  1 
RW
Rt
+T
RW
RW
R0
Vs  V.

RW 

r  1   r  1  α  t  2
R0 

Acondicionadores para RTD’s
Con Amplificadores Operacionales: En conjunción con los puentes realizan
la función de linealizadores de las características de los mismos.
Rt
Rt
R1
+V
+T
-
+T
R1
+V
-
R1
Vs
+
+
(a)
Vs
Ro
+V
(b)
R1
a
b
Rt
Ro
+T
+
R t  R o  (1   t )
R1
Vc
(c)
Vs
Acondicionadores para RTD’s
Con Amplificadores de Instrumentación: En conexiones de 2, 3 y 4 hilos
siendo la mas eficiente la de 4 hilos.
I
RW1
+
Rt
+T
RW2
(a)

+
V1
Rt
Vs
AI

I1
RW1
V2
G
Vs
AI
+T
RW2
-
G
I2
Vs  I  R W1  R W2  R t  G R
W1
RW3
I
(b)
Vs  G  V1  V2   G  I  R 0  G  I  R 0  α  t
RW2
+
Rt
+T
RW3
RW4
Vs
AI
(c)
G
Vs  G  I  R 0  G  I  R 0  α  t
Acondicionadores para
sensores capacitivos
Acondicionadores para sensores
capacitivos
La solución mas directa es emplear un amplificador de alterna.
La tensión de salida es proporcional a C1/C2.
Se utiliza para obtener una salida lineal con la variación del área
de las placas o con la distancia de separación de ellas.
R
C2
Vo  -V 
C1
V
Vo
C1
C2
Acondicionadores para
sensores piroeléctricos
Acondicionadores para sensores
piroeléctricos
El circuito equivalente del sensor se caracteriza por tener una alta impedancia de
salida y una corriente extremadamente baja por lo cual debe utilizarse un
amplificador con una alta impedancia de entrada.
Existen dos alternativas para realizar el acondicionamiento: modo tensión (a) y modo
corriente (b). El modo tensión se implementa con un seguidor de tensión y el modo
corriente mediante un convertidor corriente-tensión.
Cfb
Rfb
CP
iP
vo
RG
iP
(a)
CP
Vo
(b)
El acondicionamiento de señales es un componente
importante en un sistema de adquisición de datos