Los sensores moduladores son aquellos que varían un parámetro eléctrico en función de la variable a medir. La variable puede ser presión, temperatura, caudal, etc. y el parámetro eléctrico puede ser resistencia, inductancia, capacitancia o campo magnético o eléctrico.
Sensores Resistivos
Los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los más abundantes. Esto se debe a que son muchas magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material. En consecuencia, ofrecen una solución válida para numerosos problemas de medida.
Potenciómetro
Un potenciómetro es un resistor al que le puede variar el valor de su resistencia. De esta manera, indirectamente se puede controlar la intensidad de corriente que hay por una línea si se conecta en serie, o la diferencia de potencial de hacerlo en paralelo.
La fórmula del potenciómetro está dada por:
Galgas Extensométricas
La resistencia de un conductor de sección uniforme está dada por:
R = Resistencia en Ohms (Ω).
L = Longitud del conductor.
A = Área transversal del conductor.
ρ = Resistividad (propiedad del material, depende de la temperatura).
El término “sensibilidad de elongación” sirve para expresar el cambio de Resistencia de un conductor en relación con el cambio de longitud que lo causa, es decir:
La definición de Sensibilidad de elongación en una galga extensométrica se denomina factor de galga (Sg), y es proporcionado por el fabricante.
En resumen, las galgas extensométricas pueden medir deformaciones unitarias, mediante los cambios de Resistencia proporcionales a estás. Normalmente se colocan sobre la superficie libre del espécimen para medir el esfuerzo en ese punto particular. En general es necesario medir tres deformaciones en un punto para definir completamente los campos de esfuerzo y/o de deformación.
Termorresistencias
La termorresistencia trabaja según el principio de que en la medida que varía la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura.
La relación fundamental para el funcionamiento será así:
R0=Rt(1+αt)
Donde:
Ro= resistencia en ohmios a 0 grados Celsius
Rt= resistencia a la temperatura t grados Celsius
α= coeficiente de temperatura de la resistencia.Los materiales utilizados para los arrollamientos de termorresistencias son fundamentalmente platino, níquel, níquel-hierro, cobre y tungsteno.
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.
El termistor es un tipo de transductor pasivo, sensible a la temperatura y que experimenta un gran cambio en la resistencia eléctrica cuando está sujeto a pequeños cambios de temperatura. Compuesto de una mezcla sintetizada de óxidos metálicos, el termistor es esencialmente un semiconductor que se comporta como un "resistor térmico" con un coeficiente térmico de temperatura negativo de valor muy elevado.
Los termistores también se pueden encontrar en el mercado con la denominación NTC (Negative Temperature Coeficient ) habiendo casos especiales de coeficiente positivo cuando su resistencia aumenta con la temperatura y se los denomina PTC (Positive Temperature Coeficient). Su simbolo es:
La raya quebrada indica que no es lineal. El elemento positivo o negativo indica que tiene una característica positiva o negativa respectivamente. Es decir, si es de coeficiente positivo, PTC, la resistencia se incrementa con la temperatura. Si es de coeficiente negativo, NTC, disminuye con la temperatura.
Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura tanto en gases, como en líquidos o sólidos. A causa de su muy pequeño tamaño, se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos especiales que pueden ser específicamente diseñados para posicionarlos y protegerlos adecuadamente cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar.
Magnetorresistencias
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:
· Medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas.
· 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
Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Está hecha de un semiconductor de alta resistencia. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta (y su hueco asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia.
· Solo componentes con terminales.
· Sensores de diferente tamaño.
· Impermeables o sobre sustrato de cerámica.
· Sensitivos en el espectro visible.
Aplicaciones
· Control de iluminación.
· Retrovisor de automóvil automático.
Higrómetros Resistivos
Un higrómetro resistivo es un aparato cuya resistencia cambia con los cambios en la humedad del aire en contacto con el aparato. El aparato tiene dos electrodos de cinta metálica los cuales no se tocan, y están aislados eléctricamente entre ellos por una forma de plástico. Tambien tiene una solución de cloruro de litio para recubrir por completo todo el dispositivo.
A medida que la humedad relativa del aire aumenta, la película de cloruro de litio absorbe más vapor de agua del aire. Esto hace que su resistencia disminuya marcadamente. Debido a que la película de cloruro de litio está en contacto íntimo con los dos electrodos metálicos, la resistencia entre las terminales de los electrodos también disminuye marcadamente. La resistencia entre las terminales puede relacionarse entonces con la humedad relativa.
Los transductores de higrómetro resistivo no pueden usarse a través del rango completo de humedades relativas (de 0% a 100%). La mayoría de ellos tienen un límite superior seguro de operación de un 90% de RH. La exposición al aire con una humedad relativa mayor a 90% puede dar como resultado una excesiva absorción de agua de la película de cloruro de litio. Una vez que esto ocurre, las características de resistencia del higrómetro se alteran de manera permanente.
Acondicionamiento: Puente de Wheastone, Amplificador de Instrumentación.
Puente de Wheastone
Un puente de Wheatstone DOH es un instrumento eléctrico de medida inventado por. Samuel Hunter Christie en 1832, mejorado y popularizado por Sir Charles Wheatstone en 1843. Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida.
Cuando el puente está construido de forma que R3 es igual a R2, Rx es igual a R1 en condición de equilibrio. (Corriente nula por el galvanómetro).
Asimismo, en condición de equilibrio siempre se cumple que:
Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado.
Su fórmula es:
Si R2 y R3 son iguales entonces queda simplificada:
Sensores De Reactancia Variable
La variación de la reactancia de un componente o circuito ofrece alternativas de medida a las disponibles en sensores resistivos. Muchas de ellas no requieren contacto físico con el sistema donde se va a medir, o bien tienen un efecto de carga mínimo. En concreto, ofrecen soluciones mejores para mediciones de desplazamientos lineales y angulares, en el caso de tratar con materiales ferromagnéticos, y para las medidas de humedad.
Sensores Capacitivos
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 un condensador cuya capacidad puede ser modificada intencionalmente de forma mecánica o electrónica. Son condensadores provistos de un mecanismo tal que, o bien tienen una capacidad ajustable entre diversos valores a elegir, o bien tienen una capacidad variable dentro de grandes límites. Los primeros se llaman trimmers y los segundos condensadores de sincronización, y son muy utilizados en receptores de radio, TV, etcétera, para igualar la impedancia en los sintonizadores de las antenas y fijar la frecuencia de resonancia para sintonizar la radio.
Condensador Diferencial
La ventaja de los condensadores diferenciales está en que proveen una salida lineal y permiten la medida tan pequeña como 10-13 mm a 10 mm, y capacidades desde 1 pF a 100 pF. Consiste en un principio similar al de los sensores resistivos diferenciales: mientras uno se incrementa el otro disminuye en la misma proporción, y viceversa.
Acondicionamiento: Divisor de tensión, Amplificador de Carga, Amplificador de Transconductancia
Divisor de tensión
Un divisor de tensión es una configuración de circuito eléctrico que reparte la tensión de una fuente entre una o más impedancias conectadas en serie.
Supóngase que se tiene una fuente de tensión Vf, conectada en serie con n impedancias.
Divisor de tensión con dos resistenciasPara conocer el voltaje en la impedancia genérica Zi, se utiliza la ley de Ohm:
Sustituyendo la segunda ecuación en la primera se obtiene que el voltaje en la impedancia genérica Zi será:
Obsérvese que cuando se calcula la caída de voltaje en cada impedancia y se recorre la malla cerrada, el resultado final es cero, respetándose por tanto la segunda ley de Kirchhoff.Es un circuito cuya impedancia de entrada es un elemento capacitivo. Su función es obtener una tensión de salida proporcional a la carga del capacitor y entregarla a una tensión de salida baja. En general es un convertidor de carga a tensión; su configuración inicial fue propuesta por W.P Kistler y consistió en un amplificador operacional con un condensador como única rama de realimentación.
Sus aplicaciones más importantes se tienen en acondicionamiento de sensores con impedancia de salida muy alta, especialmente en sensores capacitivos y piezoresistivos.
Para el amplificador de carga de la figura su principio de funcionamiento es la transferencia de carga del sensor a un condensador conocido Co y medir la tensión en bornes a través del amplificador, el voltaje de salida es:
Donde el factor de amplificación G es mucho mayor a 1.
La respuesta del circuito anterior es compleja y debe considerar los siguientes factores:
-Capacitancias de los conductores.
-El condensador Co debe ser de precisión.
-La resistencia de fuga del sensor y del cable.
-La corriente de desequilibrio del amplificador.
Amplificador de Transconductancia
Los amplificadores operacionales de transconductancia son amplificadores operacionales cuya salida, en lugar de ser una fuente de tensión de baja impedancia como en los amplificadores operacionales convencionales, es una fuente de corriente de alta impedancia, controlada mediante tension diferencial de entrada.
Sensores Inductivos
Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia de objetos metálicos en un determinado contexto (control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de conteo).
Reluctancia Variable
Este tipo de sensor se basa en la ley:
donde φ es el flujo de campo magnético, I es la corriente y N es el número de vueltas del inductor. Pero el flujo magnético es igual al cociente entre la fuerza magnetomotriz M y la reluctancia magnética R, y además, M = NI, por lo que:
Para una bobina de longitud L y sección de área A, donde la longitud sea mucho mayor que el diámetro de las espiras se tiene:
Donde μr es la permeabilidad relativa del núcleo
L = recorrido de las líneas de campo en el aire.
A = Area de las bobinas.
Normalmente se aprovechan las variaciones de la longitud y de la permeabilidad. Cuando lo que varía es la distancia L se está hablando de sensores de entrehierro variable, y cuando lo que varia es la permeabilidad se dice que se está hablando de sensores de núcleo móvil.
Esto sensores tiene los siguientes problemas:
a. Los campos magnéticos parásitos afectan a L, por lo que se deben apantallar.
b. La relación L y R no es constante y varía hacia los extremos.
c. L y R son inversamente proporcionales, por lo que las medidas serán normalmente no lineales.
d. La temperatura de trabajo debe ser menor a la de Curie del material usado.
Por contra tienen las siguientes ventajas:
a. La humedad los afecta muy poco.
b. Tiene poca carga mecánica.
c. Y una alta sensibilidad.
Inductancia Mutua
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.
h. Tiene alcances desde 100 micrometro hasta 25 centímetros.
Los sensores electromagnéticos son aquellos en los que una magnitud física puede producir una alteración de un campo magnético o de un campo eléctrico, sin que se trate de un cambio de inductancia o de capacidad. Se tienen dos tipos:
Basados en la Ley de Faraday
Estos sensores se utilizan en tacogeneradores o tacómetros de AC (generadores de energía eléctrica) para medir la velocidad angular w. La ley de Faraday dice: “En un circuito magnético o bobina con N espiras con un flujo magnético φ=f(t) se induce una tensión:”
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 continúo o alterno.
-Ideal para aguas residuales, líquidos corrosivos o con sólidos en suspensión.
Basados en el efecto Hall
Son empleados en la medida de campos magnéticos (gaussímetros), medida de corriente (amperímetros) y medida de potencias (vatímetros). El voltaje Hall es la diferencia de potencial que se crea en las superficies de una barra conductora, cuando por ésta fluye una corriente y está sometida a un campo magnético. En la siguiente gráfica se muestra un ejemplo de medición de corriente en donde, Iin crea B, a su vez B crea VH que es proporcional a Iin (Ibias = constante).
-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.
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