SENSORES DIGITALES

1. Codificadores de posición: incrementales y absolutos.

Los codificadores de posición: Son aquellos que ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica.Sensores autorresonantes, de frecuencia variable o casi digitales:

Son sensores basados en un fenómeno físico resonante, en general todos requieren de frecuencímetros o contadores.

Sirven para realizar mediciones generalmente de posición lineal o angular y pueden ser incrementales o absolutos.

Codificadores incrementales: Son codificadores que deben estar unidos solidariamente al elemento cuya posición desea medirse. Estos elementos poseen regularmente dos zonas, con propiedades únicas que las diferencian, cuya disposición es equidistante y alternativa.

La resolución de un sensor digital esta dado por:

Donde D es el diámetro del disco y X es al ancho de cada sector codificado.

La simplicidad y economía de este tipo de sensores contrasta con los inconvenientes que presenta:

* Pérdida de información sobre la posición cuando falla la alimentación del sistema

* Pérdida de información en presencia de interferencias

* Requerimiento de electrónica especial, como contadores bidireccionales, para acondicionarlos a los elementos de análisis.

* No detecta el sentido de avance si no se dispone de elementos adicionales como otra pista codificada, circuitos electrónicos y otra bobina sensora que dé una señal desfasada 90° respecto a la anterior y un detector de fase que dará una indicación del sentido de giro. Para circuitos ópticos y de contacto se añade una línea de sectores codificados que esté ligeramente desfasada con respecto a la primera y un elemento de lectura adicional.

Los codificadores incrementales pueden ser del tipo magnético, eléctrico u óptico y su salida puede ser en forma de tren de pulsos con un ciclo de trabajo del 50%.Los magnéticos pueden ser de bobina e imán, de imán y sensor magnetorresistivo o de núcleo toroidal. Los codificadores eléctricos pueden ser capacitivos o de contacto. Los codificadores ópticos pueden estar basados en sectores opacos y transparentes, en sectores reflectores y no eflectores, o en franjas de interferencia. Éstos últimos normalmente cuentan con un LED infrarrojo y un fotodetector (LDR: célula fotoeléctrica o fototransistor).

Codificador de posición absoluto: Similares a los incrementales pero con marcas en círculos concéntricos, cada uno de menor resolución. Cada círculo posee un sensor y la posición queda codificada como un número formado unos y ceros.

La principal diferencia con los codificadores incrementales es que cuenta con varias pistas con zonas diferenciadas y agrupadas, de tal forma que el sistema de lectura obtiene directamente, en cada posición del elemento móvil, el número codificado que da su posición. Cada pista representa un bit de la salida, siendo la pista más interior la correspondiente al bit de mayor resolución.Los sensores más utilizados en este caso son los ópticos, con zonas opacas y transparentes y en menor medida, los de contacto, con zonas conductoras y aislantes.

Los codificadores absolutos ópticos funcionan con un concepto similar al de los tipos incrementales, sólo que poseen un disco con un dibujo complejo, distribuido en anillos concéntricos que representan los bits de una palabra binaria. Deben tener un detector óptico por cada uno de estos anillos. Por ejemplo un disco con 8 anillos (como el de la figura), tendrá una resolución de 8 bits, o sea que podrá dividir su circunferencia en 256 porciones (más de 1 grado, si hablamos de ángulo). Un disco con más anillos concéntricos ofrecerá más bits de resolución y dará un dato de posición angular más preciso.

1.1. Construcción de codificadores.

En un codificador de posición incremental hay un disco, con poca inercia, que se desplaza solidario a la pieza cuya posición se desea determinar, por ejemplo, el eje de un motor. El disco posee dos tipos de zonas: transparente (agujeros) y opaca, dispuestas de forma alternativa y equidistante, El tipo absoluto produce un código digital único para cada ángulo distinto del eje. Se corta un patrón complejo en una hoja de metal y se pone en un disco aislador, que está fijado al eje. También se coloca una fila de contactos deslizantes a lo largo del radio del disco. Mientras que el disco rota con el eje, algunos de los contactos tocan el metal, mientras que otros caen en los huecos donde se ha cortado el metal. La hoja de metal está conectada con una fuente de corriente eléctrica, y cada contacto está conectado con un sensor eléctrico separado. Se diseña el patrón de metal de tal forma que cada posición posible del eje cree un código binario único en el cual algunos de los contactos esté conectado con la fuente de corriente (es decir encendido) y otros no (apagados). Este código se puede leer por un dispositivo controlador, tal como un microprocesador, para determinar el ángulo del eje.Codificación Binaria: Un ejemplo de un código binario en un codificador extremadamente simplificado con solamente tres contactos, se demuestra abajo:

Generalmente, si hay n contactos, el número de posiciones distintas del eje es 2n. En este ejemplo, n es 3, así que hay 23, es decir, 8 posiciones.En el ejemplo anterior, los contactos producen una cuenta binaria a medida que el disco gira. Sin embargo, esto tiene la desventaja de que si el disco para entre dos sectores adyacentes, o los contactos no se alinean perfectamente, es imposible determinar el ángulo del eje. Para ilustrar este problema, se considera que el ángulo del eje cambia de 179.9º a 180.1º (sector 4 a sector 5). En cierto instante, según la tabla anterior, el patrón del contacto cambiará de "OFF-ON-ON" a "ON-OFF-OFF". Sin embargo, no sucede realmente. En un dispositivo práctico, los contactos nunca se alinean perfectamente, de modo que cada uno cambiará en diverso momento. Si el contacto 1 cambia primero, seguido por el contacto 3 y luego el contacto 2, por ejemplo, la secuencia real de códigos será:OFF-ON-ON (Posición de salida) ON-ON-ON (Primero, se activa el contacto 1) ON-ON-OFF (Después se desactiva el contacto 3) ON-OFF-OFF (Por último, se desactiva el contacto 2) Codificación con código de Gray: Éste es un sistema de código binario en el cual dos códigos adyacentes sólo se diferencian en una posición. Para entrar en contacto con el ejemplo dado arriba, la versión Grey-Cifrada será la siguiente:

1.2. Sistemas de acondicionamiento codificadores.

Un circuito básico oscilador resonante serie, utiliza un cristal que está diseñado para oscilar en su frecuencia resonante serie natural. En éste circuito no hay capacitores en la realimentación Los circuitos resonantes serie son usados por la baja cantidad de componentes que se utilizan, pero estos circuitos pueden tener componentes parásitos que intervienen en la realimentación. y en el caso que el cristal deje de funcionar oscilarán a una frecuencia impredecible. Un circuito oscilador paralelo utiliza un cristal que está diseñado para operar con un valor específico de capacidad de carga. Esto resultará en un cristal que tendrá una frecuencia mayor que la frecuencia resonante serie, pero menor que la verdadera frecuencia resonante paralelo. Un circuito básico se muestra a continuación.

2. Sensores autorresonantes: resonadores de cuarzo, caudalímetro de vórtice.

El principio de funcionamiento de los sensores autorresonantes se basa en un fenómeno físico resonante ofrecen una frecuencia de salida que depende de una magnitud de interés que afecta a la frecuencia de oscilación. Todos requieren un frecuencimetro—contador para medir bien la frecuencia o bien el periodo de oscilación- La elección de uno u otro método depende de la resolución deseada y del tiempo disponible para la medida. Las estructuras resonantes basadas en monocristales de silicio se prestan bien a la realización de circuitos integrados.En sensores se emplean tanto osciladores armónicos como de relajación. En los primeros hay una energía almacenada que cambia de una u otra forma de almacenamiento, por ejemplo de energía cinética en el movimiento de una masa a energía potencial en la tensión de un muelle. En los segundos hay una única forma de almacenamiento, y la energía almacenada se disipa periódicamente mediante algún mecanismo de puesta a cero.Es importante observar que si bien la ausencia de convertidor A/D hace innecesaria una tensión de referencia estable para medir la salida de estos sensores, no por ello es posible medir una magnitud absoluta -la frecuencia del oscilador- sin tener otra magnitud de referencia bien conocida, en este caso el oscilador del que se obtiene la base de tiempos del contador con que se mida la frecuencia. Este oscilador de referencia será generalmente de cristal de cuarzo y tendrá derivas con el tiempo y la temperatura. Las derivas temporales se deben a cambios estructurales en el cuarzo debidos a imperfecciones en la estructura cristalina, a las tensiones mecánicas ejercidas por los soportes sobre el cuarzo, que decrecen con el tiempo, y que varían después de ciclos térmicos: y a los cambios de masa del cristal por absorción de contaminantes dentro del encapsulado.

Tipos de Sensores Autorresonantes

Sensores Resonadores de Cuarzo

Estos sensores están basados en una frecuencia de oscilación alta, se basan en la variación que sufre ésta ante una deformación del cristal, para un elemento con electrodos metálicos depositados en dos de sus caras, en la figura 4 se muestra el circuito eléctrico equivalente de un sensor de cuarzo resonante. En ésta, Lm viene determinada por la masa del cristal, Cm por la elasticidad mecánica, Rm por la fricción interna (que se traduce en una disipación de calor) y Co es la capacidad del soporte del cristal en paralelo con la de los electrodos metálicos, con el material piezoeléctrico como dieléctrico. La presencia de un circuito resonante permite emplear dicho elemento como base de un oscilador.Dado que el cuarzo es inerte, si se emplea un monocristal de gran pureza la estabilidad de la resonancia mecánica a largo plazo es muy alta. La estabilidad a corto plazo depende del factor de calidad Q (alta rigidez, poca histéresis) y la inductancia equivalente, que son muy elevados. Una estabilidad a corto piazo elevada permite diseñar sensores de alta resolución, mientras que una gran estabilidad a largo plazo significa que se necesitarán menos recalibraciones. Existen diversos tipos de sensores resonantes clasificándose según la variable física a medir.

Termómetros Digitales de Cuarzo

Microbalanzas de cuarzo

Sensores de gas resonante

Sensores de fuerza y presión basados en resonadores de cuarzo

Caudalimetro de Vórtice

El principio del caudalimetro de vértice esta basado en la medición de la frecuencia de generación de vórtices por un obstáculo insertado en el flujo, cuya frecuencia es proporcional a la velocidad media, en un campo dado de número de Reynolds.Aunque existan muchos dispositivos de este tipo, experiencia con este metodo de medida de caudal es limitada y este método solamente se puede utilizar con precaución. Por ejemplo, cualquier vibración de la conducción es capaz de alterar la frecuencia medida y por lo tanto debe ser evitada.

2.1. Construcción de sensores autorresonantes

2.2. Sistemas de acondicionamiento

3. Otros métodos de detección.

a. Basado en uniones semiconductoras.

Este tipo de sensores, como dice su nombre, está basado en uniones P-N.Ya en temas anteriores se han vistos sensores basados en materiales semiconductores, como los termistores, efecto Hall, etc.

Ahora se verán algunos adicionales que no entran en la clasificación anterior.La ventaja de atacar este tipo de dispositivos es el coste reducido que representan y la posibilidad de integrarlos dentro de un sistema mas complejo.

a. Termómetros.Los termómetros basados en diodos semiconductores es la aplicación más simple de las uniones semiconductoras en sensores. Como todos sabéis, los diodos semiconductores, al igual que todos los materiales semiconductores, dependen de la temperatura.

b. Fotodiodos y fototransistores.La celda fotoeléctrica es un ejemplo de sensor basado en uniones semiconductoras. Si se quiere detectar el color de la luz se suelen usar filtros previo a la señal que le llega. Y el color se determina midiendo la corriente generada.

b. Basados en ultrasonidos.

El ultrasonido se define como ondas de sonido de alta frecuencia que están por encima del rango de percepción humana. El punto más bajo es generalmente 20kHz y el superior ya está en el rango del megahertz. Los seres humanos son capaces de detectar sonidos en el rango de 20Hz a 20kHz. Los instrumentos portátiles que miden la intensidad del ultrasonido transportado en el aire o por medio de una estructura cubren frecuencias desde 20 kHz hasta 100 kHz.

El método generalizado para detectar fugas es sencillo. Un inspector con un instrumento de ultrasonido escanea un área y busca un sonido diferente que se acelera. Con ajustes continuos del control de volumen se sigue el sonido de la fuga hasta que se escucha el punto más alto. Enel rango ultrasónico, el inspector es capaz de discriminar entre ruidos de fondo irrelevantes y la señal de la fuga. Alqunos instrumentos incluyen una sonda focalizadora de hule que estrecha el área de recepción. Estas sondas protegen contra ultrasonidos competitivos y ayudan a localizar la ubicación de fugas pequeñas. La gran ventaja de la detección por ultrasonido es que puede usarse en diferentes ambientes, pues es sensible al sonido y no específica para cada gas. Cuando ocurre una fuga, el fluido (líquido o gas) se mueve desde el lado de alta presión a través del agujero al lado de baja presión de la fuga, donde se expande rápidamente y produce un flujo turbulento. Esta turbulencia tiene fuertes componentes ultrasónicos que son detectados por el instrumento. La intensidad de la señal de ultrasonido cae rápidamente desde la fuente, lo cual permite localizar exactamente el sitio de la fuga.

Para sistemas fuera de servicio, una prueba especializada, denominada una prueba de tono, emplea un transmisor ultrasónico para producir una fuente de sonidos ultrasónicos. La prueba se lleva a cabo colocando un transmisor adentro, o en un lado de la pieza del equipo a inspeccionar.

Una señal vibratoria viaja por toda la pieza y penetra cualquier sitio de fuga existente. Un escaneado para penetración sónica usa un instrumento de ultrasonido y localiza la fuga. Esta prueba es especialmente apta para intercambiadores de calor.

c. Basado en fibras ópticas.

Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.

Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.

Un filamento de vidrio sumamente delgado y flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de conducir rayo ópticos (señales en base a la transmisión de luz). Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo. Se utilizan varias clases de vidrios y plásticos para su construcción.
Una fibra es un conductor óptico de forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un recubrimiento (clading) que tienen propiedades ópticas diferentes de las del núcleo y la cubierta exterior (jacket) que absorbe los rayos ópticos y sirve para proteger al conductor del medio ambiente así como darle resistencia mecánica. Además, y a diferencia de los pulsos electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente.
Cuando las compañías telefónicas reemplacen finalmente los cables de cobre de sus estaciones centrales e instalaciones domiciliarias con fibras ópticas, estarán disponibles de modo interactivo una amplia variedad de servicios de información para el consumidor, incluyendo la T.V. de alta definición.
Cada una de las fibras ópticas, puede transportar miles de conversaciones simultáneas de voz digitalizada.
Los sensores de Fibra Optica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar.Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las Fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los sensores de Fibra Optica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.

Parametros de una Fibra Optica

Existen varios parámetros que caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros estructurales y de transmisión establecen las condiciones en las que se pueden realizar la transmisión de información.Parametros Estructurales:

*El perfil de índice de refracción.
*El diámetro del núcleo.
*La apertura numérica.
*Longitud de onda de corte.

En cuanto a los parámetros de transmisión:
*Atenuación.
*Ancho de banda.

SENSORES GENERADORES

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

Ofrecen una alternativa para medir muchas de las magnitudes ordinarias, sobre todo temperatura, fuerza y magnitudes afines. Pero, además, dado que se basa en efecto reversible, están relacionados 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

Efecto Irreversible

El 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.

El Efecto Peltier

Existe un campo el eléctrico en la juntura entre dos materiales distintos. Cuando una fuente externa induce un flujo electrónico en el sentido del campo eléctrico, los electrones deben transformar energía cinética en energía potencial. Un movimiento más lento de los electrones, puede visualizarse como en una disminución de la temperatura. Si por el contrario, los electrones se mueven en sentido contrario, su velocidad aumenta por efecto del campo eléctrico extra.

Este aumento de la velocidad electrónica puede verse nuevamente como un aumento de la temperatura.
En la figura se muestra un esquema de un arreglo de junturas utilizado comercialmente como refrigerador.

Esquema de un refrigerador termoeléctrico. Este dispositivo hace uso del efecto Peltier para mantener refrigerado algún sistema.

El 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 Efecto Seebeck

El efecto Seebeck puede explicarse en términos de la teoría de electrones libres en metales. Según esta aproximación, los electrones en un metal se mueven al azar, sin sufrir el efecto de fuerza neta alguna, al estar rodeados por otros iones en forma simétrica.

Cerca de la superficie del material, empero, la situación es diferente, debido a la rotura de la simetría. Si ahora se colocan dos materiales formando una juntura, la diferencia en densidades electrónicas a ambos lados de la interface se traduce en una fuerza neta sobre los electrones, que tienden a moverse del material con mayor densidad a aquel con menos. Este flujo de electrones induce la aparición de un campo eléctrico y consecuentemente de una diferencia de potencial en la juntura.

Consideremos ahora un circuito formado por dos de estas junturas puestas en serie, en lo que comúnmente se denomina una termocupla. Si la temperatura de las dos junturas que conforman la termocupla es la misma, los campos eléctricos formados en cada juntura tendrán igual módulo, pero signos distintos, por lo que la diferencia de potencial a lo largo de todo el circuito será nula.

Si por otro lado, una de las junturas está a mayor temperatura, los electrones de la juntura más caliente vibrarán más y el campo eléctrico generado en esta juntura será distinto (mayor) al generado en la juntura a menor temperatura.

De esta manera, la diferencia de temperaturas entre las junturas se evidencia como una diferencia de potencial en el circuito.

Tipos de Termopares

Consideraciones en las uniones de un termopar:
Resistencia elevada para no requerir mucha masa, lo que implica alta capacidad calorífica y respuesta lenta.

• Coeficiente de temperatura débil en la resistividad.
• Resistencia a la oxidación a altas temperaturas.
• Linealidad de la respuesta.
  

Estas propiedades se obtienen mediante las aleaciones que muestra la tabla siguiente :

Otros tipos de termopares.

En la actualidad se han hecho investigaciones en termopares fabricados con ambos brazos sin aleación, con el fin de eliminar los efectos de inestabilidad y gradientes de temperatura debidos cambios no uniformes en la composición de la aleación, causadas por la exposición a altas temperaturas. Algunos de estos termopares son : el termopar de “platino- oro” que tienen magnificas características termoeléctricas, gran estabilidad, exactitud y alta reproducibilidad. Así como el termopar de “platino – paladio” con gran estabilidad.Los termopares de “tungsteno – renio” y aleaciones con otros materiales como : molibdeno, iridio y rodio, han mostrado un buen desempeño a temperaturas tan altas como 2750ºC y pueden ser utilizados como termopares: A, B, C, D, G y W.

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

* 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 de conductor.

* Ley de los Metales Intermedios

La suma algebraica de las f.t.e.m en un circuito compuesto de un número cualquiera 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.

* 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 una temperatura de referencia.

Solución de gran exactitud y fiabilidad, pero de alto coste y difícil mantenimiento.
Una solución que permite usar un hilo más económico se muestra en la figura siguiente

Si el margen de variación de la Tª ambiente es menor que la resolución deseada, puede dejarse la unión al aire.

Compensación electrónica de la unión de referencia.
Consiste en detectar las variaciones de la unión de referencia con otro sensor colocado en la vecindad de la unión de referencia y se suma una la tensión igual a la generada en la unión fria. La tensión de alimentación del puente debe ser estable.

Explicacion 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 400ºCF.E.M. producida: -6,258 mV a 20,872 mVCaracterísticas: 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 760ºCF.E.M. producida: -8,096 mV a 42,919 mVCaracterísticas: 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 1000ºCF.E.M. producida: -9,835 mV a 76,373 mVCaracterísticas: 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 1200ºCF.E.M. producida: -6,458 mV a 48,838 mVCaracterísticas: 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 1300ºCF.E.M. producida: -4,345 mV a 47,513 mVCaracterísticas: 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 1768ºCF.E.M. producida: -0,236 mV a 18,693 mVCaracterísticas: 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 1768ºCF.E.M. producida: -0,226 mV a 21,101 mVCaracterísticas: 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 1820ºCF.E.M. producida: 0,000 mV a 13820 mVCaracterísticas: 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.

Sensores Piezoelectricos

Efecto piezoeléctrico

El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo. Es un efecto reversible de modo que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico entre dos caras de un material piezoeléctrico, aparece una deformación. Ambos efectos fueron descubiertos por Jacques y Pierre Curie en 1880-81.La piezoelectricidad no debe confundirse con la ferroelectricidad, que es la propiedad de presentar un momento eléctrico dipolar ( espontáneo o inducido). Todos los materiales ferroelectricos son piezoeléctricos, pero no al revés. Mientras la piezoelectricidad esta relacionada con la estructura cristalina (iónica), el ferromagnetismo esta relacionado con el espin de los electrones.La descripción de la interrelación entre las magnitudes eléctricas y mecánicas en un material piezoeléctrico se hace mediante las denominadas ecuaciones piezoeléctricas.

Materiales piezoeléctricos

Las propiedades piezoeléctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases cristalográficas, aunque en la práctica se usan solo unas pocas, y también en materiales amorfos ferroelectricos. De aquellas 20 clases, solo diez tienen propiedades ferroelectricas.En cualquier caso todos los materiales piezoeléctricos son necesariamente anisótropos.Entre los materiales piezoeléctricos naturales, los de uso mas frecuente son el cuarzo y la turmalina. De las sustancias sintéticas, las que han encontrado mayor aplicación no son monocristalinos sino cerámicas.

Sensores Piroelectricos

El sensor piroelectrico esta hecho de un material cristalino que genera una pequeña carga eléctrica cuando es expuesto al calor en forma de radiación infrarroja. Cuando la cantidad de radiación es notable el cristal cambia, la cantidad de carga también cambia y puede entonces ser medida con un sensible dispositivo FET construido dentro del sensor. Los elementos del sensor son sensibles a la radiación en un amplio rango entonces se agrega una ventana que actúa como filtro para limitar la radiación de llegada a un rango de 8 a 14 micras donde es mas sensible a la radiación del cuerpo humano.

Sensores Fotoelectricos

SENSORES MODULADORES

1. Sensores resistivos.

Los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los más abundantes. Ello se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material.

Para la clasificación de los diversos sensores de esta clase se ha tomado como criterio la magnitud física medida. El orden seguido es:

• Variables mecánicas
• Variables térmicas
• Variables magnéticas
• Variables ópticas
• Variables químicas

1.1. Potenciómetros (Variables mecánicas)

La figura 1 muestra un potenciometro, el cual es un resistor con un contacto movil deslizante o giratorio.


Figura 1. Potenciometro ideal y su simbolo

La resistencia entre dicho contacto móvil y uno de sus terminales fijos es:

donde x es la distancia recorrida desde el otro terminal fijo, a la fraccion de longitud correspondiente, p es la resistividad del material, l su longitud y A su seccion transversal, supuesta uniforme.

Sin embargo, esta ecuacion supone un comportamiento ideal lo cual no esta del todo garantizado ya que la resistencia no es perfectamente uniforme a lo largo de todo el recorrido l, lo que afecta la linealidad del potenciometro. Por otra parte, se supone que el contacto del cursor da una variacion de resistencia continua con resolucion infinita, lo cual no es cierto para todos los tipos de elementos resistivos.

Otro problema está en el hecho de alimentar el potenciometro con corriente alterna, lo cual es de importancia para valores de Rn altos ya que su capacidad parasita no será despreciable. La temperatura tambien afecta su resistividad, una causa de esto puede ser una variacion no uniforme de temperatura ya sea por el ambiente o por autocalentamiento por el limite de disipacion de potencia del potenciometro.

Otro factor limitante es el rozamiento del cursor y su inercia. La fuerza para desplazar el cursor es de 4 a 15 g. Para movimientos variables se usan dos cursores con un brazo de longitud y frecuencia de resonancia distinta al otro.

Por último, si la resolucion deseada es alta, se debe tener en cuenta que el ruido debido a la resistencia y el contacto, debido al polvo, la humedad, la oxidacion y desgaste. Al variar la resistencia del contacto de una a otras posiciones, la corrientre a su traves produce variaciones en la tension y si es alta puede dar fluctuaciones considerables.

Existen modelos lineales y no lineales, en algunos casos la salida es una funcion senoidal del angulo de giro del cursor. Si se deposita un conductor sobre un soporte triangular como el de la figura 2.

Figura 2. Potenciometro no lineal basado en un soporte triangular

la ecuacion de su resistencia sera:

donde A es la seccion del hilo y D su diametro.

En la actualidad se usan los potenciometros basados en una pelicula de carbon depositada sobre un soporte, sola o bien aglomerada con plastico, y un cursor de metales nobles aleados, esto pèrmite una altsa resolucion y laraga vida a bajo precio. su coeficiente de temperatura es alto, lo que provoca que se pierda resolucion cuando disipa potencias altas.


Para medir inclinaciones, se usan los potenciometros liquidos o electroliticos (ver figura 3) que consisten en un tubo curvado y cerrado hermeticamente, parcialmente lleno con un liquido conductor (electrolitico), dejando una burbuja de aire que al variar la inclinacion, permite variar la tension entre el electrodo de control y los otros dos. Normalmente funcionan con voltaje alterno entre los electrodos de sus extremos.
Figura 3. Potenciometro liquido

En la figura 4.a se muestra un sensor resitivo sin cursor, el cual mide el nivel de liquido. Consta de una cinta de acero inoxidable aislado por los lados y la parte posterior y una lamina dorada en su parte frontal, alrededor de la cinta se devana un hilo de nichrome dorado. Cuando la cinta se sumerge en un tanque o deposito (figura 4.b), la presion electrostatica sobre la cubierta externa presiona la helice sobre la cinta, dependiendo asi la resistencia de la longitud sumergida.

Figura 4. Sensor de nivel.

1.2. Galgas extensométricas (Variables mecánicas)

Las galgas extensométricas se basan en la variación de la resistencia de un conductor cuando se le somete a un esfuerzo mecánico. Sea un hilo metalico de longitud l, seccion transversal A y resitividad p, su resistencia electrica sera:
Si se le somete a un esfuerzo longitudinal, cambiaran las tres magnitudes y por consiguiente tambien su resistencia. Segun la ley de Hooke, el cambio del material al palicarle una fuerza F, es:

donde E es una constante del material, (delta) es la tension mecanica y e (epsilon) es la deformacion unitaria. e es adimensional pero se expresa tambien en microdeformaciones.

Para piezas tridimensionales que tengan ademas de la longitud l una dimension transversal t, al aplicarle un esfuerzo cambiaran ambos valores, esto se expresa por medio de la ley de Poisson:

donde u es el coeficiente de Poisson, comprendido entre 0 y 0.5.

Es importante destacar que para que se cumplan las condiciones antes señaladas debe evitarse que el material llegue a la zona de fluencia (ver figura 1.2.1), de la grafica tambien se observa que al llegar a la zona de ruptura, el material se deforma permanentemente y ya no es posible regresarlo a su forma original.

Figura 1.2.1 Relacion entre esfuerzos y deformaciones. La escala de la zona elastica esta muy ampliada.

Si se considera una seccion cilindrica de diametro D para el hilo conductor, se tendra:

La variacion de la resistividad como resultado de un esfuerzo se denomina efecto piezorresistivo. Esto se debe a cambios en la amplitud de las oscilaciones de los nudos de la red cristalina del metal, afectando asi a la resistividad p y tambien su volumen V.

donde C es la constante de Bridgman.

Aplicando 2.6 el cambio de volumen se expresara como :

Si el material es isotropo y no se rebasa su limite elastico, quedara:

donde K es el factor de sensibilidad de la galga. Asó pues para pequeñas variaciones, la resistencia del hilo metalico deformado puede expresarse de la froma:

donde Ro es la resistencia en reposo y X=Ke.

Algunos inconvenientes en el empleo de las galgas son:

- No se debe llevar la galga fuera del margen elastico de deformaciones.

- Debe cuidarse de colocar la galga sobre la superficie de forma tal que el esfuerzo sea aplicado transversalmente a ella, cualquier deformacion minima en estado de reposo constituye un cambio de resistencia y por tanto un error.

- Cualquier cambio de temperatura en la superficie donde se coloca, provocara un cambio de resistencia.

Dependiendo de la necesidad a la que se requiere someter a la galga, o simplemente de disminuir su sensibilidad a la temperatura y otros factores, se tienen diversos tipos de galgas como los que se muestran en la figura 1.2.2:

Figura 1.2.2.Diversos tipos de galgas metalicas y semiconductoras, con y sin soporte

Las galgas se pueden aplicar a:

- Medida de fuerza

- Medida de presión

- Medida de desplazamientos pequeños

- Medida de vibracion

Algunas de estas aplicaciones se aprecian en la figura 1.2.3:

Figura 1.2.3 Diversas aplicaciones de las galgas extensiometricas a la medida de las magnitudes mecanicas

1.3. 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.

Su ecuacion caracteristica es la que sigue:
donde Ro es la resistencia a la temperatura de referencia y T el incremento de temperatur respecto a la de referencia.
􀂃 La variación de resistencia se debe tanto al cambio de resistividad como al cambio de dimensiones
asociado al incremento de temperatura.
􀂃 En el caso de los metales empleados en estos sensores (platino, níquel, cobre, molibdeno) y para los
márgenes de medida de cada uno, prevalece el término lineal (α1T) sobre los demás, con una
proporción de más de 10 a 1.

Se puede decir, por tanto, que existe una linealidad aceptable dentro del margen de medida.

Normalmente se suele aceptar un modelo lineal para los RTD basado en el uso de un solo coeficiente α,
obtenido, para un determinado rango de temperaturas, con la intención de minimizar el error por no linealidad.
De modo que la expresión de la resistencia en función del incremento de temperatura queda así:

Este dispositivo tiene como limitaciones.
o No puede medir temperaturas próximas a la de la fusión del conductor con que se
fabrica.
o El autocalentamiento ocasionará derivas en la medición, por lo tanto, el RTD debe estar a la temperatura a medir.
o Si se deforma, puede cambiar su patrón de medición.

Tiene como ventaja el ser diez veces mas sensible que los termopares, su repetibilidad, estbilidad a largo plazo y exactitud permiten que su margen lineal sea el descrito anteriormente.

1.4. Termistores (Variables térmicas)

Los termistores son resistores variables con la temperatura, pero no están basados en conductores como los
RTD, sino en materiales semiconductores.

􀀹 Si su coeficiente de temperatura es negativo se denominan NTC (Negative Temperature
Coefficient), mientras que si es positivo se denominan PTC (Positive Temperature Coefficient).
􀀹 Los símbolos respectivos son los siguientes, donde el trazo horizontal en el extremo de la línea
inclinada indica que tienen un comportamiento no lineal.

􀀹 El fundamento de los termistores está en la dependencia de la resistencia de los semiconductores
con la temperatura, debida a la variación con esta del número de portadores.
􀀹 Al aumentar la temperatura lo hace también el número de portadores reduciéndose la resistencia
(coeficiente de temperatura negativo, NTC)
􀀹 Esta dependencia varía con la concentración de impurezas. Si el dopado es muy fuerte, el
semiconductor adquiere propiedades metálicas y presenta un coeficiente de temperatura positivo
(PTC) en un margen de temperaturas limitado.

NTC
En un rango de temperaturas reducido (50ºC), la dependencia entre la resistencia (RT) y la temperatura (T) se
puede expresar de forma aproximada (error=±0.3ºC) por la siguiente ecuación:

Donde R0 es la resistencia a 25ºC u otra temperatura de referencia, y T0 es dicha temperatura expresada en
kelvins.

El parámetro B (beta) es la denominada temperatura característica del material, y tiene valores que van de
2000K a 5000K. Pero no es constante para un mismo material, aumenta con la temperatura. También varía de
una unidad a otra para un mismo material, salvo en el caso de modelos intercambiables.

En la gráfica de la figura se muestra la dependencia de la resistencia con la temperatura para el caso de dos
NTC. Téngase en cuenta que la escala vertical es logarítmica.

PTC
Para las PTC hay dos tipos de comportamiento según la composición y el dopado.
􀀹 Las de tipo cerámico presentan un cambio brusco de resistencia cuando se alcanza la temperatura de Curie. Se denominan a veces posistores.
Por encima de la temperatura de Curie, su coeficiente de temperatura es positivo. Por debajo es negativo o casi nulo. Se suelen utilizar en aplicaciones de conmutación. Normalmente se considera que la temperatura de conmutación (TS) es aquella para la que la resistencia alcanza un valor doble del valor mínimo.
􀀹 Las PTC basadas en silicio dopado presentan una variación más suave con la temperatura. A veces se comercializan ya linealizadas con la denominación de silistores. Se suelen utilizar en aplicaciones de medida.

Linealización.
Se puede aumentar la linealidad de un termistor añadiendo una resistencia en paralelo de valor R. La resistencia
resultante Rp presenta una linealidad mayor y una menor dependencia con la temperatura, es decir, una menor sensibilidad.

Otro método consiste en forzar un punto de inflexión en la curva resistenciatemperatura que esté justo en el centro del margen de medida (TC). Para obtener el valor de R basta con imponer la condición de que la segunda derivada de RP con respecto de la temperatura sea igual a cero.

1.5. Magnetorresistencias (Variable magnéticas)

Si se aplica un campo magnetico a un conductor por el que circula corriente, dependiendo de la direccion del campo, además de la tensión Hall hay una reduccion de corriente al ser desviados algunos electrones de su trayectoria, aumentando asi su resistencia electrica.

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 y el registro magnetico de audio en cintas
• 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.

1.6. 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.

Su simbolo es el siguiente:

Las aplicaciones de las LDR ordinarias se pueden dividir entre las de medida de luz, con poca precision y bajo coste, y las que emplean la luz como radiacion a modificar. En el primer grupo están: el control automatico de brillo y contraste de television, el control de iluminacion de vias publicas, etc. En el segundo grupo estan los detectores de presencia y posicion y algunas medidas de nivel de depositos.

1.7. 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.

La mayoría de los aislantes eléctricos presentan un descenso brusco de resistividad al aumentar la humedad de su entorno. Si se mide la variación de su resistencia se tiene un higrómetro resistivo. La relación entre la humedad relativa y la resistencia no es lineal, es casi exponencial. La resistencia se debe medir con una corriente alterna de valor medio cero.

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

PUENTE DE WHEATSTONE. MEDIDAS POR DEFLEXIÓN

Es el método habitual para obtener una señal eléctrica de salidafunción 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 elequilibrio 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 sóloes lineal con x si k+1 es mucho mayor que x.

Derivando VS con respecto de x se obtiene la sensibilidad del puente frente a variaciones de x.

Se observa que la sensibilidad es función de V, de x y de k. Derivando S respecto de k e igualando a cero se obtiene que si k=x+1la sensibilidad es máxima. Calculando la segunda derivada se comprueba que efectivamente este punto corresponde a un máximo.
De lo dicho hasta el momento se desprende que la sensibilidad y la linealidad se comportan de forma contraria. Si se aumenta k, para obtener una buena linealidad, disminuye lasensibilidad y viceversa.

Puente de Wheatstone alimentado en corriente.

Cuando se alimenta el puente en corriente también se obtiene unafunción de transferencia no lineal.De la expresión anterior se deduce que la condición para que exista linealidad entre VSy x, es menos exigente que si el puente se alimenta en tensión.
Puente alimentado en tensión: linealidad si k+1 mucho mayor que x.

Puente alimentado en corriente: linealidad si 2(k+1) mucho mayor que x.

Derivando VS con respecto de x se obtiene la sensibilidad del puente frente a variaciones de x.


De la expresión anterior se deduce que la sensibilidad de un puente de Wheatstone alimentado en corriente tiende asintóticamente a 0.5IR0 cuando k tiende a infinito. Además, la sensibilidad y la linealidad no varían en sentido inverso como cuando la alimentación es en tensión. En este caso, ambas características crecen al aumentar la k del puente. El único problema de la alimentación en corriente que cabe comentar, es que obtener una fuente de corriente constante del valor requerido y con la estabilidad necesaria es más complicado que en el caso de la fuente de tensión. No obstante, hoy en día existen fuentes de corriente enforma de C.I. perfectamente válidas. En las figuras se muestra gráficamente la dependencia, ya comentada, de la sensibilidad con respecto a la k del puente y a la magnitud a medir.

Calibración de puentes sensores

En muchos transductores comerciales el sensor y el puente de medida vienen en el mismo encapsulado y sólo se tiene acceso a los terminales de alimentación y a los de salida. Es el caso de muchos sensores de presión o de fuerza. Como ya es sabido, la sensibilidad depende de la tensión de alimentación, de k y de x. Si x es mucho menor que k+1 se puede suponer la sensibilidad constante en el margen de medida.

Supuesto un comportamiento lineal, si se quiere determinar con exactitud el valor de la sensibilidad que presenta el puente, se puede aplicar el siguiente procedimiento.
Antes de conectar Rc (con x=0) se ajusta el puente hasta que VS=0. Al conectar Rc, y manteniendo nula la variable de medida, la deflexión de la salida se puede interpretar como debida a un cambio x en R3. De modo que:

Como se ha supuesto un comportamiento lineal, la sensibilidad con respecto de x sería:

Basta, pues, con conocer R0 y la resistencia de calibración Rc para deducir la sensibilidada partir de la medida de VS.

Medidas diferenciales y medias. Compensaciones

Una de las ventajas que presenta un puente frente a un divisor de tensión es su capacidad para medirdiferencias entre magnitudes o valores medios. Permite, además, aumentar la sensibilidad empleando sensores múltiples, y compensar determinadas interferencias.

Disponiendo un sensor en cada una de las ramas adyacentes de un puente de wheatstone (según se muestra en la figura a) se puede medir la diferencia entre las magnitudes que detectan respectivamente.
La tensión desalida viene dada por la siguiente expresión: de donde se desprende que VS es función de la diferencia entre las magnitudes a medir.

El montaje de varias galgas extensométricas en un mismo puente ofrece también muchas posibilidades. Si se emplean dos galgas que experimentan deformaciones de igual amplitud pero de signo opuesto, al disponerlas de la forma que se indica en la figura b se tiene una tensión de salida:

Que es lineal sin necesidad de aproximaciones.

Utilizando galgas extensométricas dobles montadas adecuada-mente, se puede lograr una situación como la descrita por la figura c.

La tensión de salida en este caso es: Vs= V.x

Las galgas extensométricas son sensibles a la temperatura, y un puente permite reducir esta interferencia. Si se utiliza una galga simple que experimenta una variación de yΩ/Ωdebida a la temperatura, además de la variación de xΩ/Ωdebida al esfuerzo que se desea medir, basta disponer otra galga igual pero pasiva (es decir, no sometida al esfuerzo a medir), y emplear el circuito de la figura.
En el caso de utilizar galgas múltiples, además de aumentar la sensibilidad, la compensación de temperatura se obtiene directamente, pues, al afectarles a todas por igual sus efectos se anulan.

La última aplicación del puente de Wheatstone que se expondra es la medida de valores medios utilizando la configuración del puente que se muestra en la figura. Se supone que los tres sensores (podían ser más) son iguales, pero miden valores distintos de una misma variable. Por ejemplo, la temperatura en diferentes puntos. En estas condiciones la tensión de salida del puente sería:

Las distintas configuraciones de puente mencionadas se conocen frecuentemente como montajes en cuarto de puente, semipuenteo puente completo, dependiendo de si los sensores se sitúan en una, dos o cuatro ramas respectivamente.

Amplificadores de instrumentación (AI):

Para recibir tal denominación deben reunir las siguientes características:

• Alta impedancia de entrada.


• Baja impedancia de salida.


• Alto CMRR.


• Ganancia estable y ajustable con una única resistencia y sin que afecte al ancho de banda.


• Tensiones y corrientes de desequilibrio (offset) bajas y con pocas derivas.

En la figura se muestra un AI con una estructura típica basada en tres amplificadores operacionales.

• La ganancia se puede fijar con una sola resistencia (RG) sin afectar al CMRR total.
• Las impedancias de entrada y salida son las correspondientes a los amplificadores operacionales.
• Para conseguir un CMRR alto se debe cumplir que CMRRAO1=CMRRAO2, que las resistencias presenten un alto grado de apareamiento y que CMRRAO3sea alto. El valor del CMRR total aumenta con la ganancia.

El terminal designado como referencia(en la figura) es accesible en los AI comerciales. De esta forma, el nivel de tensión de referencia de la salida se puede desplazar según convenga. El terminal designado como detecciónsuele ser accesible. Si se conecta directamente a la salida, latensión en un punto alejado diferirá de VOsegún la caída de tensión que se produzca en el conductor. En cambio, si el terminal de detección se conecta al punto remoto, por acción de la realimentación, la tensión en ese punto será VO.