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.