MEDICIONES INDUSTRIALES: 6.- Acondicionamiento sensores generadores

En el tema 2, se abordó la teoría relacionada con los sensores generadores(termopares piezoeléctricos, piroeléctricos, fotovoltaícos y electroquímicos); para este tema se tiene previsto analizar los circuitos de acondicionamiento de los mismos.

Instructivo sobre el acondicionamiento de sensores generadores.

Introducción.

Normalmente, la señal obtenida del sensor no puede aplicarse directamente al dispositivo de salida (computador, multímetro, entre otros). La señal eléctrica proveniente de los sensores normalmente necesita de un proceso de acondicionamiento (amplificación, filtrado, linealización, aislamiento, entre otros) para poder ser tratada o presentada.

El acondicionamiento de una señal consiste en la manipulación electrónica de dicha señal, con los dispositivos adecuados, para obtener rangos de voltajes o corrientes adecuados a las características del diseño. Esté resulta conveniente al momento de realizar una instrumentación ya que al tener una señal proveniente de cualquier sensor con rangos de voltaje más amplio, se puede obtener mayor resolución en la medición, además de presentar mayor inmunidad al ruido ambiente de la medición. Por ejemplo, para compensar los errores de medida debidos a posibles ruidos aleatorios puede realizarse un promediado de la señal. Los siguientes son algunos de los procesos que se pueden presentar en el acondicionamiento de una señal.

1. Protección para evitar el daño al siguiente elemento.

2. Convertir una señal en otro tipo de señal. Sería el caso cuando es necesario convertir una señal a un voltaje de corriente directa, a una corriente o presión.

3. Obtener un nivel adecuado de la señal. En muchos casos es necesario amplificar una señal para que esta pueda ser leída.

4. Eliminación o reducción de ruido. La forma más común es utilizando filtros.

5. Manipulación de la señal. Por ejemplo, convertir una variable en una función lineal.

Acondicionamiento de sensores generadores.

Los circuitos más utilizado en el acondicionamiento de una señal proveniente de un sensor generador, se realiza a través de los amplificadores operacionales (AO) y los amplificadores industriales; a parte de estos están el puente de Wheatstone, atenuadores, filtros paso-bajo, fuente de corriente entre otros. A continuación describiremos algunos de estos.

Amplificadores Operacionales

Los amplificadores para sensores generadores están basados en el uso de amplificadores operacionales. En un amplificador operacional (AO) real la tensión de salida no es nula cuando lo son en las entrada, es preciso someter a las entradas a una determinada diferencia de tensión (tensión de offset V_OS) para anular la tensión de salida. Las corrientes de entrada no son nulas y además son diferentes, a la diferencia se le llama corriente de offset o de desequilibrio I_OS. Además, en estos desequilibrios, se producen derivas con el tiempo y la temperatura.

El efecto de los desequilibrios se puede analizar estudiando el amplificador inversor de la figura n°1, también se podría utilizar la configuración no inversora. Se supone que el AO es ideal, la polaridad de V_OS, I₁ e I₂ puede ser cualquiera, se ha tomado una de las posibles para el análisis.

Figura n°1.

Analizando el circuito de la figura n°1, se obtiene la siguiente expresión para la tensión de salida:

ec 1

La resistencia R₃ no es necesaria para la amplificación, pero si se elige R₃= R₁ // R₂, la expresión anterior se reduce a:

ec 2

Aparece un término de error debido a la tensión de offset (V_OS) y otro debido a la corriente de desequilibrio (I_OS). Al ser I_OS << I₁, I₂, la introducción de R₃, con el valor adecuado, ha reducido el término de error debido a las corrientes, al quedar apareadas las resistencias de las dos entradas. Con estas expresiones se aprecia que el error será grande si se desea (como es normal) alta impedancia de entrada y alta ganancia (R₁ y R₂ / R₁ grandes), y que reduciendo el valor de todas las resistencias en un mismo factor se reduce el error debido a I_OS. Se concluye, pues, que interesa utilizar, si es posible, resistencias de valor bajo. Una consecuencia negativa será la reducción de la impedancia de entrada del amplificador.

La mayoría de los AO comerciales cuentan con entradas que permiten corregir la tensión inicial de desequilibrio añadiendo un potenciómetro externo. No obstante, este tipo de ajuste tiene efectos secundarios indeseados:

§ Se modifican las corrientes de polarización y su desequilibrio.
§ Se incrementa la deriva térmica de la tensión de desequilibrio. Por ejemplo, para el caso de un AO bipolar, la deriva térmica de VOS aumenta unos 3.3 µV/ºC por cada mili-voltio que se haya ajustado.

Una alternativa para corregir la tensión de offset consiste en sumar una tensión externa de compensación al terminal de referencia manteniendo las resistencias de entrada apareadas, tal como se ha indicado antes, para minimizar el efecto del desequilibrio de las corrientes de polarización. Esta red de compensación externa permite corregir también los errores de cero debidos a causas ajenas al AO, como por ejemplo las que proceden del sensor. Además, el ajuste se puede hacer en un amplio margen. Ver figura n°2

figura 2

En el amplificador inversor, R₁ debe incluir la resistencia de salida de V_e, y en el amplificador no inversor, R₃ es fija, sería la resistencia de salida de V_e, como se muestra en la figura n°3

figura 3

En el potenciómetro, la toma central puesta a masa, aumenta la estabilidad del ajuste frente a ∆Tª y a ∆Vcc. El ajuste hay que realizarlo cuando el circuito ha alcanzado la temperatura de régimen permanente. Las fuentes de tensión que alimentan el potenciómetro de ajuste deben ser muy estables. También lo deben serlas que alimentan el AO. Una fluctuación (∆Vcc) en la alimentación, produce un desequilibrio de valor:

ec 3

La importancia de los términos de error anteriormente comentados depende en última instancia del valor de V_OS y de I_OS. Éstos dependen de la tecnología y grado de calidad del AO. Hay tres tecnologías básicas de fabricación de AO:

§ Bipolar: todos los transistores son bipolares.

§ Bifet: los transistores de entrada son FET (decanal p), pero el resto de etapas son bipolares.

§ CMOS: todos los transistores son MOS

Además los fabricantes utilizan ciertas combinaciones de las anteriores como la BiMOS en la que los transistores de entrada son MOS y el resto una combinación de bipolar y MOS. En la tabla adjunta se muestran estas características reales y sus derivas térmicas y temporales para distintos tipos de amplificadores operacionales. En el caso de las derivas térmicas, la temperatura obviamente es la de régimen permanente del componente en el interior del encapsulado. En cuanto a las derivas temporales, hay que decir que no son exactamente acumulativas; si la deriva en un mes es m la deriva en N meses sería:

Tabla nº1. Nota 1: IB permanece constante hasta 85 ºC y aumenta a 250pA a 125 ºC.
Nota 2: IB permanece casi constante hasta 75 ºC y aumenta a 200pA a 125 ºC.
Nota 3: IB varía no linealmente con T: cambia poco de 25ºC a 80ºC, y luegopasa de 3pA a 80ºCa 100pA a 125ºC. IOS decrece de 2pA hasta 0.2pA, y aumenta a 6pA a 125ºC

Amplificadores Electrométricos

Existen muchos sensores en los que las señales de salida son muy débiles. Se pueden dar salidas en forma de fuente de corriente y en forma de fuente de tensión con alta impedancia de salida. Es el caso de sensores basados en el efecto fotovoltaico, sensores piezoeléctricos o sensores químicos, entre otros. En todos estos casos se requiere un sistema de medida que posea una baja corriente de entrada. Estos circuitos se denominan genéricamente amplificadores electrométricos y se caracterizan por poseer una resistencia de entrada superior a 1TΩ y una corriente de entrada inferior a 1pA con bajas derivas.

La medida de corrientes débiles se puede realizar tomando directamente la caída de tensión en una resistencia de valor elevado (figura 4.a) o realizando una conversión corriente-tensión mediante un amplificador de transimpedancia (figura 4.b) basado en un AO con características electrométricas.

Un amplificador de carga
Es un circuito cuya impedancia de entrada es un condensador, ofreciendo así una alta impedancia a baja frecuencia. Su función es ofrecer en la salida, con una impedancia muy baja, una tensión proporcional a la carga de la entrada. Es, por tanto, un convertidor carga-tensión. Su estructura un tanto idealizada se muestra en la figura n°7. Se basa en transferir la carga desde el sensor (en paralelo con el cable y la entrada del amplificador) a un condensador bien conocido, C_O, y medir su tensión con un amplificador de características electrométricas. Si la ganancia en lazo abierto del amplificador operacional es A se tiene:

figura 7

ec 8

Si A » 1 entonces

ec 9

Es fácil obtener su función de transferencia, si se sustituye el amplificador operacional por su circuito equivalente y se aplica el teorema de Miller al condensador C_O

§ La sensibilidad es ahora independiente del cable, aunque a alta frecuencia, donde el valor de A no está alto puede adquirir cierta importancia, sobre todo si C_O es pequeña.

§ La exactitud en la ganancia del amplificador de carga depende dela que tenga C_O. No basta con que C_O sea un condensador de precisión; al montarlo es preciso reducir las capacidades parásitas, si es necesario apantallándolo electrostáticamente. En cualquier caso, las derivas de un condensador de precisión son menos predecibles que las de una resistencia, por lo que conviene recalibrar el amplificador periódicamente.

figura 4

De este circuito se desprende que Vs es:

ec 5

Si A » 1 entonces, donde A es la ganancia en lazo abierto del AO y C la capacidad asociada a R

ec 6

Con el circuito de la figura 4.a, no se pueden medir fenómenos dinámicos, pues C_P (suma de la capacidad del sensor, la del cable y la de entrada del amplificador) limita la respuesta. Si, por ejemplo, R=1TΩ y C_P = 100pF, la frecuencia de corte es f _C = 1/2πRC_P = 1.6x10^-3 Hz. El tiempo de respuesta es, pues, t_R = 0.35/f_C = 220s.

Con el convertidor corriente-tensión de la figura 4.b, la respuesta es mucho más rápida. La función de transferencia es también paso bajo con f_C = 1/2πRC. Para R= 1TΩ, la capacidad asociada sería más o menos de 1pF. Con estos valores f_C = 0.16Hz, y t_R = 0.35/f_C = 2.2s. El efecto del AO ha sido eliminar prácticamente la capacidad parásita al quedar dividido su valor por A en la función de transferencia. Si la impedancia de entrada del AO se supone infinita, la impedancia de entrada del circuito 4.a, es R mientras que la del circuito 4.b sería R/A, lo que supone un efecto de carga mucho menor.

Son numerosos los sensores en los que la magnitud de salida es una carga eléctrica dependiente de la magnitud de entrada. Es, por ejemplo, el caso de los sensores piezoeléctricos. Según dijimos, su circuito equivalente es el que se muestra en la figura 20. La señal de salida es preciso tratarla con un amplificador que presente alta impedancia de entrada, pues de lo contrario la capacidad (C_S) se descargaría a través la entrada del amplificador.

Una solución es utilizar un amplificador electrométrico. En la figura n°5, se muestra el circuito equivalente del sensor, la capacidad y la resistencia de fuga del cable y la capacidad y resistencia de entrada del amplificador.

figura 5

El análisis del circuito se simplifica si se aplica la siguiente equivalencia derivada del teorema de Thevenin. Ver figura n°6

Figura N° 6

Tras el correspondiente análisis se llega a la siguiente expresión para la salida V_S:

ec 7

Donde R = R_S // R_C // R_E y C = C_S + C_C + C_E

De la expresión anterior se desprende que:

§ La sensibilidad del sensor (q) queda reducida y, además, en una cuantía que depende de la longitud del cable empleado.

§ La respuesta en frecuencia es del tipo paso alto y con una frecuencia de corte (f_C = 1/2πRC) que depende tanto de la longitud del cable de conexión como de su aislamiento.

Por tanto, el uso de un amplificador electrométrico será adecuado cuando pueda disponerse junto al sensor, por ejemplo, en el caso de micrófonos piezoeléctricos. El denominado amplificador de carga es una solución mejor en la mayoría de los casos.

El circuito estudiado en la transparencia anterior está ciertamente idealizado, pues se han ignorado las resistencias de fuga del sensor y del cable, y la de entrada del amplificador. Además, no se han tenido en cuenta los desequilibrios del AO (V_OS e I_OS) y la resistencia de fugas de C_O (R_O). En el circuito de la figura n°8 se consideran todos estos factores. Realicemos un primer análisis considerando despreciables los desequilibrios (en este caso R_P= 0) y R_O = ∞

Figura N°8

ec 10

Donde R = R_S // R_C // R_E y C = C_s + C_C + C_E

Se trata también (como en el caso del amplificador electrométrico) de una respuesta tipo paso alto que no permite medir fenómenos estáticos. Aunque, la frecuencia de corte (f_C = 1/2πRAC_O) es ahora mucho menor al quedar C_O multiplicada por A, lo que permite medir fenómenos muy lentos.

La resistencia R_O, necesaria para la polarización del AO, influye en la frecuencia de corte anterior. Su valor efectivo queda reducido en A+1 y aparece en paralelo con R. La presencia de R_O afecta también a la contribución de V_OS e I_OS a la tensión de salida. Según ya dijimos, suponiendo que R_P = R//R_O, esta viene dada por la expresión:

ec 11

A la vista de esta expresión, está claro que interesa que R_O sea lo menor posible, dentro de lo que permita la menor frecuencia a medir. Con este criterio se añade un resistor en paralelo con C_O ya que la resistencia de fugas de éste suele ser demasiado alta

Amplificador de Instrumentación

Los voltajes y corrientes de salida de muchos transductores son señales muy pequeñas. Además de los bajos niveles, a menudo es necesario transmitir la salida del transductor hacia el equipo de adquisición de datos o de control. En ambientes industriales donde hay muchas maquinas eléctricas, el ruido eléctrico puede causar serias dificultades en circuitos de bajo nivel. Estos ruidos pueden ser radiados, como un campo electromagnéticos, o inducidos en el cableado de la planta, como circuitos tierra, y producidos por la fuente de alimentación de corriente alterna. A pesar de las fuentes de ruido, las señales de bajo nivel se deben transmitir con cuidado de un lugar a otro. Un método efectivo para combatir el ruido es incrementar la intensidad de las señales de bajo nivel antes de su transmisión a través de los alambres. Esto se realiza frecuentemente con un amplificador llamado “amplificador de instrumentación”.

figura 9

ec12

Las características que distinguen a un amplificador de instrumentación de un amplificador operacional son:

1. Los amplificadores de instrumentación tienen ganancia finita. Un amplificador operacional tiene una ganancia muy grande, la cual es infinita en el caso ideal, suele utilizarse con realimentación externa para proporcionar una ganancia finita.

2. El amplificador de instrumentación tiene una entrada diferencial de alta impedancia. El amplificador operacional también la tiene, sin embargo, cuando los elementos de realimentación se adicionan alrededor del amplificador operacional, la impedancia de entrada disminuye considerablemente.

Dependiendo de la señal del sensor generador se pueden utilizar algunos de los siguientes circuitos para acondicionarlas:

Acondicionadores de señal para Termopares. AD594

Analog Devices dispone de unos circuitos integrados acondicionadores de señal para termopares, como el AD594, mostrado en la figura siguiente, para termopares tipo J que tienen un amplificador de instrumentación y un compensador lineal, una salida de alarma de rotura o desconexión del termopar, se alimenta a +5V y suministra una salida de 10mV/ºC.

figura 10 Acondicionador de señal de un termopar

Ya que el voltaje generado por una termocúpla es muy pequeño (∼ 50 μV/°C), se debe usar un amplificador con la ganancia lo más alta posible. Adicionalmente se debe emplear un convertidor A/D con una alta resolución para conseguir mejor resolución a nivel del instrumento digital virtual.

La termocúpla también requiere como ya se mencionó de un circuito de compensación de la unión que se encuentra a la temperatura de referencia, el cual incluye a un sensor que puede ser un termistor o un sensor de circuito integrado IC con su respectivo circuito eléctrico.

Como parte del acondicionamiento a emplear para todos los tipos de sensores de temperatura, estaría el uso de filtros pasa bajas para rechazar las señales de ruido provenientes de las líneas de potencia (60 Hz) y por otro lado evitar el efecto alias, problema siempre presente en los sistemas muestreados,

Analog Devices con la división denominada Iomation tiene una serie de acondicionadores de señal en forma de módulos híbridos y en concreto para termopares tiene el módulo 1B51 aislado para aplicaciones industriales, donde dan una solución completa.

figura 11 Acondicionador de termopar con el módulo

1B51 de Analog Devices

Los sensores fotovoltaicos están basados en el efecto fotovoltaico. Son más

lineales que los fotoconductores pero es necesario amplificar la señal que

generan.

Circuito equivalente simplificado de un sensor fotovoltaico

figura 12

Circuito de acondicionamiento

figura 13

Acondicionador de señal de corriente fotovoltaíca de baja potencia:

figura 14

En este circuito se amplifica y filtra la señal de un sensor fotovoltaico que genera una corriente para un circuito. La corriente principal entra por el conector de bornes "IN", pasando por un shunt de 0,05 ohm para después salir por el conector "OUT". Un shunt es una resistencia de precisión de muy bajo valor que se usa generalmente para este tipo de aplicación. En él cae una pequeña tensión que, a través de la ley de Ohm, nos permite de calcular la corriente que pasa por el circuito. Por ejemplo, con una corriente de 3A, la tensión sobre el shunt será de V=I * R= 3 * 0,05 = 0,15V. La tensión obtenida es muy baja para ser de utilidad por lo tanto es necesario amplificarla. El AD820 es un amplificador operacional con entradas del tipo FET y que puede trabajar con una sola tensión de alimentación, en este caso la misma tensión de 12V que será medida.

Acondicionadores de señal para las RTD

Hay muchas maneras de acondicionar la señal que se recibe de una RTD. La primera propuesta de Analog Devices es con un amplificador de instrumentación y su circuitería adicional, figura de la izquierda y la

segunda propuesta algo similar con el circuito ADT70 perfectamente adecuado para acondicionar las PRTD de Pt, que entrega una salida de 5mV/ºC cuando se utiliza una RTD de 1kΩ.

figura 15

La tercera propuesta es por medio de una familia de convertidores sigma-delta que incluyen acondicionan la señal de una RTD, con una fuente de corriente de 400μA, un amplificador de ganancia programable y un filtro digital, disponen de una salida serie hacia un microcontrolador o DSP. Texas Instruments dispone de un completo acondicionador de RTD con un transmisor 4-20 mA.

Acondicionadores de señal para sensores de Humedad

figura 16

Estos sensores proporcionan una señal de tensión proporcional a la humedad relativa y puede ser acondicionada por la entrada del convertidor A/D de cualquier microcontrolador.

Acondicionadores de señal para una Célula de Carga

La utilización de un amplificador operacional de instrumentación en modo diferencial, es el método más comúnmente utilizado para la salida de una Célula de Carga. En la figura se muestra este circuito, donde es imprescindible utilizar una referencia de tensión de precisión, que nos dará la tolerancia de la sensibilidad, el amplificador operacional de instrumentación de alta linealidad y bajo ruido.

Con un circuito como este se pueden obtener 14 bits. Analog Devices dispone de una gama de amplificadores operaciones de instrumentación como el AD624, AMP01, AMP02, AMP04,

figura 17 Aplicación típica de una Célula de Carga para pesaje.

Actualmente con la rápida implantación de los convertidores sigma-delta, debido a sus buenas prestaciones y a su bajo coste, se han podido integrar en un solo circuito todo un conjunto de elementos que resuelven en la mayoría de casos todos los circuitos externos. En la siguiente figura se muestra una aplicación típica de una célula de carga con un completo acondicionador de señal de Analog Devices, el AD7730, de una familia de convertidores.

Aplicación típica de una Célula de Carga con un completo acondicionador de señal AD7730.

Sensores Piezoeléctricos

Los sensores piezoeléctricos entregan una tensión cuando se les aplica una fuerza y pueden ser acondicionados con un circuito tal como se muestra en la figura siguiente.

figura 18

figura 19

Se utilizan amplificadores de carga que son amplificadores cuya impedancia de entrada es un condensador CA que proporciona una impedancia elevada a baja frecuencia. La carga generada en el sensor piezoeléctrico se almacena en el condensador CA para que el amplificador la convierta en una tensión Vo. Los sensores piroeléctricos poseen una elevada impedancia de salida y proporcionan una corriente muy pequeña, lo que hace necesario amplificar la señal generada por ellos mediante un amplificador de alta impedancia de entrada (amplificador electrométrico).

El modo tensión se implementa con un seguidor de tensión y el modo corriente mediante un convertidor corriente-tensión. En el modo corriente la constante de tiempo puede ser menor y se obtienen mejores tiempos de respuesta.

figura 20

figura 21

Mediante un amplificador de carga se consigue que la carga eléctrica Q, producida por una fuerza constante F aplicada al sensor, se acumule en forma de tensión en el condensador CA. Esta tensión aparece directamente en la salida del amplificador con signo contrario, y se mantiene aunque la fuerza aplicada sobre el sensor permanezca constante. La capacidad del sensor desaparece porque se cortocircuita virtualmente a masa a través del amplificador.

figura 22

figura 23

La capacidad C de la salida del sensor no hay que tenerla en cuenta porque la tensión en sus bornes es nula.

Las tensiones de asimetría y las corrientes de polarización del amplificador ocasionan una rápida disminución de la tensión en bornes del condensador debida a la integración de los errores hasta llevar el amplificador a saturación. Debido a ello el circuito deja de amplificar la carga y la señal de salida no sigue a la de entrada. Para resolver este problema hay que garantizar que el condensador CA está descargado antes de iniciar la medida. Para ello se utiliza un interruptor que cortocircuita el condensador de forma permanente excepto durante el tiempo de medida.

figura 24

Para limitar los picos negativos de la tensión de salida se suele colocar una R en serie con la entrada aunque introduce retardos adicionales en la medida.

Un LVDT es un dispositivo electromecánico que consiste de dos componentes: Un cuerpo hueco cilíndrico que contiene dos bobinados secundarios idénticos los cuales están posicionados en ambos lados del bobinado central primario y un núcleo de ferrita cilíndrico se mueve libre longitudinalmente dentro de la bobina. Los secundarios típicamente están conectados en serie en oposición uno de otro.

Sencillamente, los LVDT son transformadores con núcleo movible.

Estos sensores proporcionan una señal de tensión proporcional a la humedad relativa y puede ser acondicionada por la entrada del convertidor A/D de cualquier microcontrolador.

figura 25 Bobinado del LVDT con respecto a la posición

Aplicando una señal alterna de excitación al bobinado del primario, genera un campo magnético que se acopla a los bobinados del secundario a través del núcleo de ferrita móvil, por esto se inducen voltajes en los secundarios. Cuando el núcleo está centrado entre los dos secundarios, los voltajes inducidos en ambos son iguales y puesto que están conectados en serie en oposición, el voltaje final será cero. Si el núcleo se mueve en dirección del secundario 1, el voltaje incrementa, y el voltaje del secundario 2 decrece; de este modo el voltaje neto final V1-V2 será de la misma polaridad (en fase) como el de referencia. Si el núcleo se mueve en dirección opuesta, V1-V2 será de polaridad opuesta (180º de desfase).

figura 26 voltaje de salida del LVDT con respecto a la posición

Acondicionamiento de Señal de los LVDT

La mayoría de tareas de un acondicionador de señal LVDT, se dedican a transformar las dos señales a.c. desfasadas 180º a un simple voltaje d.c. que representa la posición longitudinal. Por lo tanto se requiere alguna forma de demodulación para acondicionar la conversión de a.c. a d.c. El modo más común utilizado para acondicionar la señal LVDT es la técnica de demodulación síncrona.

En demodulación sincrona, la excitación del primario sirve como referencia para el demodulador. El demodulador rectifica a media onda la señal a.c., después se filtra con pasa bajos para producir una salida d.c. cuya magnitud indica el movimiento (posición) lejos de la posición central y cuyo signo indica la dirección.

El método de conversión de las señales LVDT, utiliza un número elevado de componentes discretos e integrados, como se muestra a continuación, donde tiene cuatro secciones: oscilador/excitador, amplificador de entrada, demodulador y filtro pasa-bajos. Con la introducción del AD698, Analog Devices da soporte a las aplicaciones de acondicionamiento de señal de los LVDT. Es un completo convertidor monolítico de LVDT a salida en voltaje en continua.

figura 27 Solución de acondicionador de señal LVDT con el AD698.

Acondicionador interno de las señales

Para hacer más fácil el trabajo, Motorola ha integrado circuitos dentro del sensor, además de la compensación y calibración en temperatura en el chip con la serie MPX2000, ofrece actualmente un acondicionador de la señal con un amplificador que se ha integrado en el chip de la serie MPX5000 para permitir una interconexión directa a cualquier microcontrolador que tenga un convertidor A/D.

El acondicionamiento de la señal se hace por medio de cuatro etapas de amplificación, incorporando un proceso bipolar lineal, unas técnicas de metalización de película delgada y un ajuste con láser interactivo que le dan una especial tecnología al sensor.

Para las demás señales generadores se utiliza principalmente os acondicionadores de señal, como dice su palabra prepara la señal que vamos a procesar antes de entrarla a un convertidor A/D, a un microprocesador o DSP.

La alta integración de los circuitos está desplazando los montajes con muchos componentes a diminutas placas con mayor precisión en el proceso analógico, empezando por el uso de amplificadores operacionales integrando varios de ellos en uno sólo, como los amplificadores de instrumentación.

figura 28

También las cadenas de acondicionamiento se han ido reduciendo drásticamente y día a día hay que ir viendo los nuevos productos que compiten en coste con los “actuales” y mejoran sus prestaciones.

figura 29

Además se pueden encontrar en una cantidad de circuitos acondicionadores, de los principales fabricantes de circuitos analógicos, como Analog Devices, Texas Instruments y BurnBrown (comprada por TI), así como en Philips Semiconductors, ST.

Practica

En esta sección te dejamos algunas una prácticas de laboratorio, para que analices el acondicionamiento de algunos modelos de sensores generadores.

Laboratorio N°1

Acondicionamiento de un termopar

.Objetivo

Estudiar el circuito de acondicionamiento de un termopar tipo J

Material requerido

Termopar tipo "J".
Amplificador Operacional OP07.

Resistencias y capacitores varios (ver figura).
Fuente de voltaje +12 y -12 volts.

Procedimiento

Construya el circuito de la figura 1 empleando el amplificador OPA27. Determine su ganancia nominal G.
Mida el voltaje de salida de DC con el multímetro digital y regístrelo. Este es el voltaje de compensación Vc(offset) del circuito.
Modifique el circuito para incorporarle el termopar tal y como se aprecia en la figura 2.
Mida la temperatura ambiente Ta.
Acerque una fuente de calor a la unión del termopar y deje que se estabilice. Mida el voltaje de salida Vt.
Con los datos anteriores y con la ayuda de la tabla de valores para el termopar "J" determine la temperatura de la unión del termopar Tt.

Reporte

Determine la ganancia G del circuito.
Explique porqué se requiere el valor Vc del amplificador construido.
Explique en detalle el procedimiento para determinar la temperatura Tt del la unión del termopar.
Determine el error en la medición partiendo de los errores del proceso.

Esquema de la práctica

Experiencia I.

1. Revisión de la información proporcionada por el fabricante.

2. Preparación de las herramientas de registro para los datos obtenidos.

3. Acondicionamiento de los instrumentos y herramientas necesarias para emprender la caracterización.

4. Caracterización de los valores necesarios bajo cambios en la variable a controlar, considerando las condiciones de caracterización.

5. Caracterización de la variable a controlar a manera de planta o proceso de interés.

Experiencia II.

1. Construcción de los circuitos de acondicionamiento de los sensores a utilizar.

2. Revisión del funcionamiento de los elementos de acondicionamiento.

3. Caracterización del funcionamiento del instrumento bajo las condiciones probadas en la sesión anterior.

Análisis de resultados.

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

Sesión 1.

La práctica consiste en realizar la caracterización de dos instrumentos (sensores) de medición de temperatura, termopar tipo K y sensor LM35, para ello se realizara un análisis de las condiciones de operación proporcionadas por el fabricante, antes de comenzar la práctica se prepararan las herramientas de captura de datos correspondientes y se propondrá un número mínimo necesario de mediciones prudente como objetivo de la caracterización. Posteriormente se prepararan las condiciones y herramientas necesarias para realizar las mediciones en el laboratorio y se emprenderá la larga tarea de tomar datos para ambos sensores, utilizando un elemento calefactor para aumentar la temperatura de un medio en condiciones controladas.

Lista de tareas.

La primera sesión consiste en:

Caracterización del sensor monolitico LM35 (o equivalente).

Caracterización de termopar K y los instrumentos y materiales utilizados durante las mediciones.

Concluir que sensores necesitan acondicionamiento.

Sesión 2.

La segunda sesión de esta práctica consiste en acondicionar la señal de salida de los sensores de la primera parte de esta empresa, para ello se construirán los circuitos electrónicos necesarios para el acondicionamiento de las señales que así lo necesiten.

En esta práctica se compensara el efecto de unió fría presente en todo sensor de temperatura K, J, etc. Para ello se ensamblara un circuito de acondicionamiento utilizando amplificadores de instrumentación comerciales.

Lista de tareas.

La segunda sesión consiste en:

Construcción de un circuito de acondicionamiento de señal para el uso de un sensor de temperatura.

Caracterización de la respuesta del sensor acondicionado.

Amplificador Diferencial entrada cero

Amplificador del Termopar

Introducción

Una forma de medir la temperatura de un medio, es utilizando un termopar (llamado también Termocupla por una mala traducción del término inglés Thermocouple). Un termopar se forma uniendo dos materiales de naturaleza distinta (generalmente en forma de alambre) mediante soldadura, fusión o uniéndolos a presión mediante grapas. El termopar son sensores de temperatura más utilizados en la industria.

Un termopar se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Ver figura siguiente

Un termopar se puede usar para medir temperaturas, desde aproximadamente cero grados absolutos (0 °C) hasta los 3000 °C, según los materiales con que se construya, la forma de instalarlo en el medio a medir su temperatura y de los instrumentos usados para medir el voltaje de los extremos del par, puede ser un dispositivo de baja, mediana o alta precisión

Un termopar está disponible en diferentes combinaciones de metales o calibraciones. Las cuatro calibraciones más comunes son J, K, T y E. Hay calibraciones de alta temperatura que son R, S, C y GB. Cada calibración tiene un diferente rango de temperatura y ambiente, aunque la temperatura máxima varía con el diámetro del alambre que se usa en el termopar. Aunque la calibración del termopar dicta el rango de temperatura, el rango máximo también está limitado por el diámetro del alambre de termopar. Esto es, un termopar muy delgado posiblemente no alcance todo el rango de temperatura.

Existen una infinidad de tipos de termocuplas, pero casi el 90% de las termocuplas utilizadas son del tipo J ó del tipo K. Las termocuplas tipo J se usan principalmente en la industria del plástico, goma (extrusión e inyección) y fundición de metales a bajas temperaturas (Zamac, Aluminio). La termocupla K se usa típicamente en fundición y hornos a temperaturas menores de 1300 °C, por ejemplo fundición de cobre y hornos de tratamientos térmicos. Las termocuplas R, S, B se usan casi exclusivamente en la industria siderúrgica (fundición de acero). Finalmente las tipo T eran usadas hace algún tiempo en la industria de alimentos, pero han sido desplazadas en esta aplicación por los Pt100 (ver la nota técnica 4).

http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/Ejemplo_Practica_22335.pdf

Metas.

ü El estudiante de ingeniería confrontara la caracterización de un instrumento de manera práctica a fin de comparar sus resultados con los datos proporcionados por los fabricantes de algunos sensores de temperatura.

ü El estudiante corroborara el comportamiento de los sensores de temperatura que se analizaran en clase.

ü Se comprobara de manera práctica la necesidad de caracterizar los instrumentos.

LISTA DE HERRAMIENTAS Y MATERIALES.

Herramientas.

La parrilla eléctrica o elemento calefactor, es un elemento grupal, dos o tres elementos por grupo de laboratorio son mas que suficientes, los elementos de seguridad quedan a discreción del estudiantes en función de sus capacidades propias.

https://topicoselectronica.files.wordpress.com/2014/09/instrumentacic3b3n-prc3a1ctica-1-2-0.pdf

http://www.eafranco.com/docencia/instrumentacion/files/practicas/02/Practica02.pdf

http://ciecfie.epn.edu.ec/wss/VirtualDirectories/80/Automatizaci%C3%B3n-Instrumentacion/Laboratorios/instrumentacion/hojasguias/2016A/Pr%C3%A1ctica%205%20IE.pdf

http://www.uv.es/=termo/Laboratori/Termodinamica/Guiones/cas/02-10.pdf

Elaborado por los ingenieros: Cova. P. Yusmary y Bompal O. Jorge

6.- Acondicionamiento sensores generadores

No hay comentarios:

Publicar un comentario