Resist en CIA Variable

Instrumentación Electrónica

21

CONTENIDO

II.- Las etapas de sensado y acondicionamiento electrónico.

IV.- Las interferencias en un sistema de medida.

III.- Adquisición de señales en un sistema de medida.

I.- Introducción y conceptos básicos.


22

2.- Sensores de resistencia variable y sus acondicionadores.

3.- Sensores de reactancia variable, electromagnéticos y susacondicionadores.

4.- Sensores generadores y sus acondicionadores.

5.- Otros tipos de sensado.

6.- Amplificadores operacionales de propósito especial.



23

Sensores de resistencia variable

Sensor Variable no eléctrica

Su estudio se aborda según el criterio electrónico de clasificación

Galgas extensométricas


FotorresistenciasFotorresistencias

RRR os ∆+=

RTDsRTDs

TermistoresTermistores


24



Efecto piezorresistivo: Cambio de la resistencia del sensor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico. (Lord Kelvin 1856)

dRR

kdll

= ⋅

k: factor de sensibilidad de la galga.ε: deformación unitaria (adimensional).σ: tensión mecánica. (N/m2)E: módulo de Young del material.(GPa)

( )R R xo= ⋅ +1

x k= ⋅ε

σ ε= ⋅E


25



Medida de deformaciones en voladizos

Pallás Areny, R.; "Sensores y acondicionadores de señal". 2ª ed. Marcombo, Barcelona 1994.


26



Tamaño reducido.

Linealidad.

Baja resistencia de salida.

Límite de elasticidad.

Adaptabilidad de la galga.

Dependencia térmica.

Autocalentamiento.

Medidas de fuerza y par.

Básculas electrónicas.

Deformaciones.

Ventajas Limitaciones Aplicaciones


27

Galgas extensométricas Aplicaciones


http://www.windpower.org/es/tour/manu/bladtest.htm

Medida de deformación en

cimientos

Rehabilitación

Pesado de vehículos


28

Ro: resistencia del sensor a una temperatura de referencia tªo.∆tª: incremento de temperatura respecto a tªo

( )nno tttRR ª...ªª1 2

21 ∆⋅++∆⋅+∆⋅+⋅= ααα

[ ])ªª(1 oo ttRR −⋅+⋅≅ α

Son metales

RTD ≡ Resistance Temperature Detectors

Para el Pt

Para el Cu

α1≈3,90⋅10−3/ºC α2= −5,83⋅10−7/ºC2

α1≈4,30⋅10−3/ºC

α1≈6,80⋅10−3/ºC Para el Ni


RTDs



29

RTDs

Resistencia DC de varios metales en función de la temperatura

Carstens, J.; "Electrical Sensors and Transducers". Regents/Prentice Hall, New Jersey,



30

RTDs

Fuentes de error

en las medidas

Resistencia de los cables

AWG30=0,25 mm con 0,34 Ω/m (~60 m) →∆tª ≅ 54,5 ºC

Analog Devices : Linear Design Seminar. Norwood, MA, 1995.


δRTDPT =∆

δ (Coeficiente de disipación) ≡ Potencia requerida para aumentar la temperatura de la RTD 1ºC.

Autocalentamiento Produce un incremento de tª

I=10 mA, δ=30 mW/ºC, Pt100 @ 100ºC PRTD = 13,9 mW ∆tª ≅ 0,46 ºC


31

Sensores de resistencia variableRTDs

Elevada sensibilidad.

Linealidad.

Alta repetibilidad y

exactitud (Pt100).

Bajo precio (Cu, Ni).

Tª de fusión del material.

Evitar deformaciones

mecánicas.

Medida de tª (automóviles, industria, electrodomésticos, etc.).

RTD popular Pt100 (100 Ω@ 0ºC).


National Instruments: “Measuring Temperature with RTDs – A Tutorial”, Application Note 046, Nov. 1996.


32

RTDsAplicaciones


IndustrialesDiseños especiales

Medida en aire

Inmersión en líquidos

Contacto en superfícies


33


Termistores

Si tª ↑↑ [p] , [n] ↑↑ Refectiva ↓↓

Semiconductores

Clasificación según su coeficiente de temperatura

NTCNTC

SemiconductoresSemiconductoresCerámicosCerámicos

PTCPTC



34


Termistores

NTCR R eT o

BT To= ⋅

⋅ −⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

1 1

Ro: resistencia del sensor a una temperatura de referencia to (25ºC).B: temperatura característica del material ~(2000-5000 K).

2)(TB

RdTdR

T

T ⋅−=≡α



35

Termistores

PTC

Variación brusca alrededor de TCurie.

Coef. positivo sólo en un estrecho margen de tª.

Son semiconductores Si dopado.

R=f(tª) más suave.

Aplicaciones en conmutación y control Aplicaciones en medida y compensación térmica




36


Termistores

Elevada sensibilidad.

Alta resistividad → poca masa

→ poca inercia térmica.

Tª de fusión del material.

Autocalentamiento.

Intercambiabilidad

no garantizada.

Medida de tª (automóviles, industria, electrodomésticos, etc.).

Control nivel de líquidos.

Apertura/cierre de contactos.

Producción de retardos.

Arranque de motores, etc.



37


TermistoresLinealización (Rp en paralelo)

c

ccthp TB

TBTRR

⋅+⋅−

⋅=22

)(

Rp se obtiene a través de la condición de que la asociación global R=Rth//Rp presente un punto de inflexión en la temperatura central del intervalo de temperatura previsto, Tc.

Se aumenta la linealidad pero disminuye la sensibilidad relativa.

Tompkins, W. J.; Webster, J. G.; (ed.) ; “Interfacing Sensors to the IBM PC”, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1988.

Sin linealización Con linealizaciónp

thcTp

RRT

Bc +

⋅⋅−=1

1)( 2αα th T

cc

BT

= − ⋅( ) 2


38


TermistoresLinealización (Gs en serie)

c

ccths TB

TBTGG

⋅−⋅+

⋅=22

)(

Gs se obtiene a través de la condición de que la asociación global R=1/Gs+Rthpresente un punto de inflexión en la temperatura central del intervalo de temperatura previsto, Tc.

Tompkins, W. J.; Webster, J. G.; (ed.) ; “Interfacing Sensors to the IBM PC”, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1988.


39


Termistores Linealización (3 puntos de ajuste)

R R R Rp p p p1 2 2 3− = −

( )231

31312

22

TTT

TTTTT

RRRRRRRR

R⋅−+

⋅⋅−+⋅=

El valor de R se obtiene de imponer que la característica resultante R-temperatura pase por tres puntos equidistantes en temperatura T1, T2 y T3. Los tres puntos definen dos intervalos de temperatura en los que se fuerza a la resistencia paralelo Rp resultante que cumpla la misma pendiente en ambos.

R RR R

R RR R

R RR R

R RR R

T

T

T

T

T

T

T

T

⋅+

−⋅+

=⋅+

−⋅+

1

1

2

2

2

2

3

3


40

Sensores de resistencia variableTermistores

V VR

R RV R

R

Vs f Ts

th th= ⋅

+= ⋅

+= ⋅

+ ⋅1

1

11 ( )

nTmTFVVs +⋅≅⋅≡ )(

Linealización (método gráfico)



RRs tho≡ ⎥

⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅

≡ oTTB

eTf11

)(


41


Medida en superfícies

Medidas en ambientes industriales Medida en ambientes húmedos

Propósito general


42


• Tª del motor.

• Tª de la transmisión.

• Climatización,…

Automoción

• Reproductores mp3.

• Teléfonía móvil.

• Electrodomésticos, PDAs, PCs,…

Electrónica de consumo

Medicina

• Monitorización tª de la sangre.

• Monitorización tª aire de respiración.

• Control tª en oxigenoterapia, … • Control sistemas de climatización.

• Termostatos.

• Control tª en recintos.

Domótica


43

Fotorresistencias

R A E= ⋅ −α

E:densidad superficial de energía recibida (lux).A, α: parámetros que dependen del material y del proceso de fabricación.

Semiconductores

λ~ [1 mm..10 nm]

9,07,0 ≤≤α




44


Fotorresistencias


45

Fotorresistencias

Sensibilidad a la tª (semiconductores).

Respuesta espectral estrecha.

Ruido térmico asociado.

Medida de radiación luminosa (bajas exactitud y coste).

Control de procesos.

Limitaciones Aplicaciones



46


3.- Sensores de reactancia variable, electromagnéticos y susacondicionadores.

4.- Sensores generadores y sus acondicionadores.

5.- Otros tipos de sensado.



47

Acondicionadores para sensores de resistencia variable

El puente de Wheatstone


Tipos de señalesTipos de señales

Acondicionadores posteriores al p. de W.

Acondicionadores posteriores al p. de W.


48



VR

R RV

RR R

V RR

ref ref1 1 1 11

1=

+⋅ +

+⋅ ⋅

+ ⎛⎝⎜⎞⎠⎟ ⋅ +

δ

δ( )

δ ≡∆RR

VR

R RVref2 1

=+

⋅

V V VR

R RV

RR

s ref≡ − =+

⋅ ⋅+ ⎛⎝⎜

⎞⎠⎟⋅ +

1 2 1 11

1

δ

δ( )

( )V

R RR R

Vs ref≅⋅

+⋅ ⋅

11 2 δ1<<δ →

Franco, S.; “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, McGraw-Hill 2ond. Ed., New York, 1998.


49



Alimentación a tensión constante

RRr 1

≡Llamando

)1()1(21 δδ

++⋅+⋅

⋅=−≡rr

rVVVV refs 2)1( +⋅

⋅=rrVV refsLδ

Si δ+>> 1r

1001

100(%) ⋅+

−=⋅−

≡rV

VV

s

sLsLV

δεError de linealidad

)ª1(ª trrV

dtdV

S refs

V ⋅++⋅⋅=≡

ααSensibilidad

para el caso: ªt⋅= αδ


50


El puente de Wheatstone Alimentación a tensión constante

Linealidad y sensibilidad están reñidos.• Para εlin r pero en ese caso S .• Para S r ~ 1 pero en ese caso con δ .


51

Acondicionadores para sensores de resistencia variableAcondicionadores para sensores de resistencia variable


Alimentación a corriente constante

δδ++⋅

⋅⋅⋅=

)1(2 rrRIV os

)1( >>r

Error de linealidad

2)22()1(2

ª δα

++⋅+⋅

⋅⋅⋅⋅=≡r

rrRIdtdV

S os

I

Sensibilidad

100)1(2

(%) ⋅+⋅

−=rLIδε

)1(2 +⋅⋅

⋅⋅=r

rRIV osLδ

para el caso: ªt⋅= αδ


52


El puente de Wheatstone Alimentación a corriente constante

Linealidad y sensibilidad NO están reñidos.• Para εlin r y ahora S también sin depender de δ .


53


El puente de Wheatstone Linealización

V V VRR

Vs ref= − =⋅

⋅ ⋅1 2 2 1δ

VRR

Vref021

= ⋅ ⋅δ



54


El puente de Wheatstone Calibración

Consecuencia de la tolerancia de las resistencias.



55


Tipos de señales

Señal → Cantidad mensurable o detectable cuya magnitud varía con el tiempo y transporta la información sobre un proceso o acontecimiento. Han de ser procesadas para extraer la información contenida en ellas.


56


Tipos de señales

Señal unipolar flotante Señal unipolar puesta a tierra

Pallás Areny, R.; Webster, J. G.: “Analog Signal Processing”. Wiley-Interscience, N. Y., 1999.


57


Tipos de señales

Señal unipolar puesta a tierracon señal de modo común



58


Tipos de señales

Señal diferencial puesta a tierra Señal pseudodiferencial


Balanceada si Zo = Zo’.


59


Tipos de señales

Señal diferencial puesta a masacon modo aislado



60


Tipos de señales

?



61


Acondicionadores posteriores

VRR

ERR

RR R

Es = − ⋅ ⋅ + +⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ ⋅ +

⋅( )21

121

43 41 2

EE E

mc ≡+1 2

2 E E Emd ≡ −2 1

V G E G Es c mc d md= ⋅ + ⋅

GR R R RR R Rc =⋅ − ⋅⋅ +

1 4 2 31 3 4( ) G

RR

RR

RR Rd = ⋅ + +⎛

⎝⎜⎞⎠⎟ ⋅ +

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥

12

21

121

43 4

INA105, AD625….


Amplificador diferencia (AD)


62


RR

RR

k43

21

= ≡ mds EkV ⋅=

CMRRGG

d

c≡

CMRR dB CMRR( ) log≡ ⋅20


Amplificador diferencia (AD)

SiSólo se amplifican las

señales de modo diferencial

Caso totalmente

ideal

Caso real Resistencias con tolerancia + A.O. real

CMRR ≡ Mide el rechazo a las señales de modo común.


63


32414223241

21

RRRRRRRRRRCMRRTOT ⋅−⋅⋅⋅+⋅+⋅

⋅=1 1 1

CMRR CMRR CMRRTOT A O R= +

. .


Amplificador diferencia

Resistencias con tolerancia

R’s con tolerancia y A.O.

real

INA 105 (Texas Instruments) AMP 03 (Analog Devices)

R. Pallás Areny, : “Common Mode Rejection Ratio in Differential Amplifiers”, IEEE Trans. Instrum. and Meas. Vol. 40, n 4, August 1991, pp. 669-676.

Modelos integrados


64


Acondicionadores posteriores Amplificador diferencia Modelos integrados


65


Acondicionadores posteriores Amplificador de instrumentación (AI)

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

+⋅

⋅−⋅+

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅

+

+⋅=

761

74651

21

21

45

21

23

761

451

RR

RRRR

ERR

RR

RR

RR

RR

EV mcmds


Con 3 A.O.s

Inconvenientes del amplificador diferencia (AD)

1º.- Desequilibrio en la impedancia de entrada.

2º.- Ajuste de ganancia poco práctico.

Etapa de entrada: amplificadores no inversores acoplados. Etapa de salida: amplificador diferencia.


66


Acondicionadores posteriores Amplificador de instrumentación


Si

Sólo se amplifican las señales de modo

diferencial

Caso totalmente

ideal

Caso real Resistencias con tolerancia + A.O. real

RR

RR

k54

76

= ≡ )1( GkGd +⋅=2

32212

RR

RRG ⋅

=⋅

≡

mdds EGV ⋅=

con

1 1 1 11

1 1

1 2 3CMRR CMRR CMRR G CMRR CMRRTOT R= − + +

+⋅ +⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥( )

( )

CMRRR R R R R R

R R R RR = ⋅⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅

⋅ − ⋅12

4 7 5 6 2 5 74 7 5 6

Con 3 A.O.s

R. Pallás Areny, : “Common Mode Rejection Ratio in Differential Amplifiers”, IEEE Trans. Instrum. and Meas. Vol. 40, n 4, August 1991, pp. 669-676.


67


Acondicionadores posteriores Amplificador de instrumentación Con 3 A.O.s

1 1 1 11

1 1

1 2 3CMRR CMRR CMRR G CMRR CMRRTOT R= − + +

+⋅ +⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥( )

( )

Optimización del CMRRTOT

Si los AOs de entrada están en un mismo encapsulado CMRR1=CMRR2.

Con R7 es posible conseguir que CMRRR=CMRR3.


68


Acondicionadores posteriores Amplificadores de instrumentación integrados

gRkG+ΩΩ

+=50

401


69


Acondicionadores posteriores Amplificadores de instrumentación integrados

gRkG Ω

+=604


70



?


71

Referencias

[1] Pallás Areny, R.; "Sensores y acondicionadores de señal". 2ª ed. Marcombo, Barcelona 1994.

[2] Franco, S.; “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, McGraw-Hill 2nd. Ed., New York, 1998.

[3] Pallás Areny, R.; Webster, J. G.: “Analog Signal Processing”. Wiley-Interscience, N. Y., 1999.

[4] Tompkins, W. J.; Webster, J. G.; (ed.) ; “Interfacing Sensors to the IBM® PC”, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1988.

[5] Lázaro, A. M.; Prat, J.; Ramos, R. R.; Sánchez, F.; “Problemas resueltos de instrumentación y medidas electrónicas”, Paraninfo, Madrid, 1994.

[6] Pallás Areny, R. et al. : “Sensores e interfaces. Problemas resueltos”. Colección Temes d’Instrumentació Electrónica, Edicions UPC, Barcelona 1999.


Documents

Resist en CIA Variable