Sensores resistivos.
Potenciómetros (Variables mecánicas) Un potenciómetro es un resistor que posee un contacto móvil deslizante o giratorio. La resistencia entre dicho contacto móvil y uno de los terminales fijos viene dada por:
donde x es la distancia recorrida desde el otro terminal fijo, α la fracción de longitud correspondiente, ρ la resistividad del material, l su longitud y A su sección transversal.
Esta ecuación indica que la resistencia medida es proporcional al recorrido del cursor. Esto no siempre es así, pues la resistividad del material no suele ser uniforme a lo largo de todo el recorrido. Tampoco la resolución es infinita, pues muchos potenciómetros funcionan a saltos y no de manera continua; también hay que tener en cuenta la resistencia del contacto. A pesar de todo ello, los potenciómetros permiten medir fácilmente desplazamientos tanto longitudinales como angulares, así como todo tipo de magnitudes físicas asociadas a los mismos.
Materiales:
+ Los potenciómetros más empleados son los basados en una película de carbón depositada sobre un soporte, sola o bien aglomerada con plástico, y un cursor de metales nobles aleados.
+ Si se deben disipar potencias altas y se quiere tener alta resolución se suelen utilizar elementos resistivos formados por partículas de metales preciosos fundidas sobre una base cerámica (cermet) mediante técnicas de película gruesa.
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).
siendo R0 la resistencia en reposo a 25ºC y x = Kε, donde K es el factor de sensibilidad de la galga, ε es la deformación unitaria. La deformación unitaria es adimensional, pero suele hablarse de microdeformaciones (1 microdeformación = 1 με = 10-6 m/m).
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 como el puente representado.
Para las galgas extensométricas hay que utilizarla con mucho cuidado, pues son numerosas las limitaciones a las que están expuestos estos dispositivos por un lado, son sensibles a la temperatura, incluso algunos también a la luz. Por otro lado, las deformaciones que se apliquen a las galgas deben ser muy pequeñas, del orden del 4% de la longitud del material, pues podríamos sacarla de su margen elástico. Por otro lado, hay que controlar que las deformaciones sean en una sola de sus dimensiones, pues si no, los resultados nos llevarían a conclusiones erróneas. A pesar de todo ello, las galgas se utilizan en infinidad de aplicaciones relacionadas con magnitudes mecánicas. Se pueden colocar en voladizos para detectar esfuerzos de torsión, en tubos para medir torsiones circulares, en diafragmas para medir presiones, caudales, velocidades, etc.
Termorresistencias (Variable térmicas): Los termómetros de resistencia son sensores de temperatura que operan con base en el principio de la variación de la resistencia eléctrica de un metal, en función de la temperatura, siendo fabricados con hilos de alta pureza de platina, níquel o de cobre.
Sus principales características son la alta estabilidad mecánica y térmica, resistencia a la contaminación, relación de Resistencia x Temperatura prácticamente linear, el desvío con el uso y envejecimiento desechable, además de la alta señal eléctrica de salida. El sensor de resistencia de platino es el modelo de laboratorio y el estándar mundial para medidas de temperatura en la escala de -270ºC a 962ºC. Para la utilización industrial es un sensor de inigualable precisión, estabilidad y sensibilidad.
Las termorresistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de una vaina o tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad.
La relación fundamental para el funcionamiento será así:
Rt = Ro * (1 + Alpha * t)
donde:
Ro: resistencia en ohmios a 0 grados Celsius
Rt: resistencia a la temperatura t grados Celsius
Alpha: coeficiente de temperatura de la resistencia.Los materiales utilizados para los arrollamientos de termorresistencias son fundamentalmente platino, níquel, níquel-hierro, cobre y tungsteno.
Como se puede observar, se esta suponiendo de antemano, que el material que será usado debe tener un comportamiento lineal, dentro del rango de trabajo asignado. De no ser así, la función debería tener más términos.
El método de medición de la temperatura no es directo, ya que lo que se mide es una resistencia mediante un puente de Wheastone, luego se lee el valor de la temperatura correspondiente de tabla de comportamiento de la citada resistencia. Este proceso, en la actualidad, ya esta automatizado, gracias a los sistemas de control avanzados y la electrónica digital.
CARACTERÍSTICAS
La termoresistencia de platino es la más utilizada en la industria debido a su gran precisión y estabilidad. Conocida como PT-100 o RTD, la termoresistencia de platina que presenta una resistencia óhmica de 100 ohmn a 0ºC. Su escala de trabajo va de -200 a 650ºC, pero, la ITS-90 estandarizó su uso hasta aproximadamente 962ºC.
El aspecto exterior de las termorresistencias industriales es prácticamente idéntico al de las termocuplas. Se aplican las mismas consideraciones ambientales y de instalación y se debe prestar la misma cantidad de atención a los conceptos de presión , temperatura , ataque químico, abrasión , vibración, porosidad y velocidad de fluido, requiriéndose los mismos tipos de vainas de protección
Termistores (Variables térmicas): Un termistor es un semiconductor que varía el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura, su nombre proviene de Thermally sensitive resistor (Resistor sensible a la temperatura en inglés). Existen dos clases de termistores: NTC y PTC.
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 óxidos semiconductores de níquel, 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 tensión-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 seguimos 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.
Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va aumentando a medida que se incrementa la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación.
El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta.
Las aplicaciones de un termistor PTC están, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas.
Hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm, pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutación. La característica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor con respecto a dicha temperatura ambiente.
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 la medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas. Asi como 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 LDR (Light Dependent Resistors) Se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10 nm). La radiación óptica aporta la energía necesaria para aumentar el número de electrones libres (efecto fotoeléctrico) disminuyendo la resistividad.
La relación entre la resistencia (R) de una LDR y la intensidad luminosa (E, en lux) recibida, es fuertemente no lineal. Un modelo de dependencia simple es:
donde A y α son constantes que dependen del material y de las condiciones de fabricación.
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
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.
Acondicionamiento: Puente de Wheastone, Amplificador de Instrumentación.
Es el método habitual para obtener una señal eléctrica de salida en función de la magnitud a medir con el puente. Normalmente, para x=0 el puente debe estar equilibrado, es decir, los dos divisores de tensión presentan la misma tensión de salida. En el equilibrio se debe cumplir que:
La tensión de salida VS se puede expresar en función de k y x:
De la expresión anterior se deduce que la salida del puente sólo es lineal con x si k+1 es mucho mayor que x.
Amplificador de Instrumentacion
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.
Sensores de reactancia variable: Los sensores de reactancia variable tiene las siguientes ventajas con respecto a los resistivos:
a. Efecto de carga mínimo o nulo.
b. Ideales para la medida de desplazamientos lineales y angulares y para la medida de humedad.
c. 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.
Sensores Capacitivos: Las sustancias metálicas y las no metálicas, tanto si son líquidas como sólidas, disponen de una cierta conductividad y una constante eléctrica. Los sensores capacitivos detectan los cambios provocados por estas sustancias en el campo eléctrico de su área de detección. La evaluación de los cambios proporciona información exacta sobre la presencia de objetos en esta área o, por ejemplo, los niveles de material en contenedores y silos.
Características-Alto nivel de estabilidad con temperatura.
-Alcances de detección mejorados para reservas funcionales.
-Nivel elevado de inmunidad contra: Descarga electrostática, p. ej. en la producción de plástico o madera,Interferencias electromagnéticas, p. ej., causadas por receptores radiotelefónicos y teléfonos móviles, Voltaje de choque de interferencia causado por dispositivos de conmutación o válvulas solenoides, Alta frecuencia conducida, p. ej. convertidores de frecuencia o fuentes de alimentación conmutadas.
Condensador variable: Un condensador variable es aquel en el cual se pueda cambiar el valor de su capacidad. En el caso de un condensador plano, la capacidad puede expresarse por la siguiente ecuación:
donde:
ε0: constante dielectrica del vacío
εr: constante dieléctrica o permitividad relativa del material dielectrico entre las placas
A: el área efectiva de las placas
d: distancia entre las placas o espesor del dieléctrico.
Para tener un condensador variable hay que hacer que por lo menos una de las tres últimas expresiones cambien de valor. De este modo, se puede tener un condensador en el que una de las placas sea móvil, por lo tanto varía d y la capacidad dependerá de ese desplazamiento, lo cual podría ser utilizado, por ejemplo, como sensor de desplazamiento.
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.
Acondicionamiento: divisor de tensión, amplificador de carga, amplificador de transconductancia: 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:
Divisor de tensión:
El divisor de tensión es un circuito simple que también se aplica para estos sensores.
ahora
Vs= V(1+X/2+X)si Z=Zo
Para eliminar la tensión fija que aparece en un divisor de tensión se prefiere utilizar un puente de sensores.
Si Z1= Zo(1+x) y si Zo=Z2=Z3=Z4, entonces.
Vs= V(X/2(2+X))
Si ahora se tiene el caso del condensador diferencial veamos que se tiene.
SI se utiliza un divisor de tensión.
Entonces:
Vs= V(1 + X)2
Lo cual tiene un componente común.
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.
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 la 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.
Basados en el 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.
