ACONDICIONADORES DE SEÑAL PARA TRANSDUCTORES RESISTIVOS

Transcripción

1 ACONDICIONADOES DE SEÑAL PAA TANSDUCTOES ESISTIOS Juan A. Montiel-Nelson Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Universidad de Las Palmas de Gran Canaria

2 Indice Medida de esistencias. Márgenes de ariación. Consideraciones. Técnicas de Medida. Métodos de Defleión. Métodos de Comparación. Divisores de Tensión. Potenciómetros. Modelo y Circuito Equivalente. Linealidad en Carga. Medida a Dos y Cuatro Hilos. Alimentación. Termistores. Modelo y Circuito Equivalente. Linealidad. 8/0/004 Transductores esistivos

3 Indice Divisores de Tensión. Medidas Dinámicas. Acoplamiento. Sensibilidad. Puentes. Medidas por Comparación. Principios Básicos. Método Siemens. Ajuste Automático del Cero. Medidas por Defleión. Sensibilidad. Linealidad. Linealización Analógica. Calibración. 8/0/004 Transductores esistivos 3

4 Indice Puentes. Medidas por Defleión. Medidas Diferenciales y Medias. Incremento de Sensibilidad. Incremento de Linealidad. Compensación de Temperaturas. Ajuste de Cero. Media de alores. Alimentación. 8/0/004 Transductores esistivos 4

5 Medida de resistencias 0 f ( ) f (0) Comportamiento general de un transductor Introducción elación lineal Márgenes de variación Consideraciones Consideraciones generales Necesidad de alimentación Autocalentamiento Consideraciones específicas Linealización de un termistor Potenciómetros lineales Galgas etensométricas TD y Termistores [0,-] [0-5,0 - ] alores intermedios Compensación de perturbaciones/interferencias en galgas etensométricas 8/0/004 Transductores esistivos 5

6 Medidas de resistencias Métodos para la medida de resistencias Método de defleión Método más simple Alimentar al transductor con una fuente de tensión o corriente constantes, y medir la corriente a través del circuito o la caída de tensión en el resistor Método de la doble lectura P X X P P P X P X X P X 8/0/004 Transductores esistivos 6

7 Medidas de resistencias Métodos para la medida de resistencias Método de defleión Método del divisor de tensión X X P P X X X X 8/0/004 Transductores esistivos 7

8 Medidas de resistencias Métodos para la medida de resistencias Método de comparación Puente de Wheatstone 8/0/004 Transductores esistivos 8

9 8/0/004 Transductores esistivos 9 Divisores de tensión Potenciómetros Acondicionamiento de la señal de un potenciómetro como transductor de desplazamientos ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( n m m m n m n S S α α α α

10 Divisores de tensión Potenciómetros ariación de la tensión entre contacto móvil y el contacto fijo de un potenciómetro en función de la posición del cursor, para distintos valores de. 8/0/004 Transductores esistivos 0

11 Divisores de tensión Potenciómetros ariación del error relativo en función de la posición del cursor y del factor ε dε 0 d ε ma m s 0 s 0,5 0,5 ( ) ( ) 8/0/004 Transductores esistivos

12 Divisores de tensión Potenciómetros ariación del error absoluto en función de la posición del cursor y del factor e de d e ma m 0 s 0,5 ( ) ( ) 8/0/004 Transductores esistivos

13 Divisores de tensión Potenciómetros Circuito para corregir la no linealidad debida a la carga al medir con un potenciómetro 8/0/004 Transductores esistivos 3

14 Divisores de tensión Potenciómetros Evolución del error absoluto referido al fondo de escala e m de d e ma m 0? ( )( ) ( ) s ( ) ( ( ) ) 8/0/004 Transductores esistivos 4

15 Divisores de tensión Potenciómetros Problema de aplicación para el ajuste fino de una tensión s alrededor de un punto determinado Se ha de elegir y El objetivo es que la variación de la posición del cursor, alrededor de la posición del fondo de escala, suponga un cambio de la tensión de salida 8/0/004 Transductores esistivos 5

16 Divisores de tensión Potenciómetros Problema de aplicación para el ajuste fino de una tensión s alrededor de un punto determinado Determinar y para que la variación en la posición del cursos en ± 5% del recorrido, alrededor de la posición correspondiente a ¾ del fondo de escala, suponga un cambio de la tensión de salida de sólo un 0% respecto a la tensión de fondo de escala. 8/0/004 Transductores esistivos 6

17 Divisores de tensión Potenciómetros Fuente de error adicional esistencia de los hilos de coneión si el potenciómetro está alejado de la fuente de alimentación y del dispositivo de lectura Problema de los hilos de coneión en un potenciómetro 8/0/004 Transductores esistivos 7

18 Divisores de tensión Potenciómetros Problema de los hilos de coneión en un potenciómetro >> 0 > > m0 m n n n h h h h 8/0/004 Transductores esistivos 8

19 Divisores de tensión Potenciómetros Circuito de medida a cuatro hilos para un potenciómetro >> 0 > > m0 m 0 n n h 8/0/004 Transductores esistivos 9

20 Divisores de tensión Potenciómetros Alimentación Aparte de requerir una resistencia interna lo más pequeña posible Coeficiente bajo de temperatura Alimentación simétrica e ( )( ) ( ) Error absoluto referido a fondo de escala 8/0/004 Transductores esistivos 0

21 Divisores de tensión Potenciómetros Alimentación simétrica Error absoluto referido a fondo de escala La evolución de este error con la posición del cursor, para el caso 0 8/0/004 Transductores esistivos

22 8/0/004 Transductores esistivos Divisores de tensión Termistores Diseño de un divisor resistivo lineal con la temperatura ( ) T f e T T B T ) ( ) ( ) ( ) ( 0 0 T F T f s s T f s T f s T T T s

23 Divisores de tensión Termistores Aplicación al problema de linealizar un termistor mediante una resistencia en paralelo. 8/0/004 Transductores esistivos 3

24 Divisores de tensión Termistores Aplicación al problema de linealizar un termistor mediante una resistencia en paralelo. La elección del valor de s depende del margen de temperaturas. De 0 a 50º, s,5 De 90 a 00ºC, s 0,0. s F( T ) s f ( T ) 8/0/004 Transductores esistivos 4

25 8/0/004 Transductores esistivos 5 Divisores de tensión Termistores Aplicación al problema de linealizar un termistor mediante una resistencia en paralelo. [ ] [ ] ) ( ) ( T F T F s p T T T p

26 Divisores de tensión Termistores Medidas dinámicas Cuando la variable a medir,, varía con el tiempo de una forma rápida, periódica o no, aunque sus valores sean pequeños, si lo que interesa es sólo la componente alterna. Divisor de tensión: Acoplamiento mediante condensador que junto con la resistencia de entrada constituya un filtro paso alto, con frecuencia de corte apropiada Sensibilidad d p ds S 0 p S d d ( ) p Divisor de tensión alimentado con tensión alterna Frecuencia de alimentación al menos diez veces mayor que la frecuencia de variación de la magnitud que interesa medir p 4 p. 8/0/004 Transductores esistivos 6

27 Puente de Wheatstone Medidas por comparación Sistema de realimentación Condición de equilibrio independiente: Del valor de la tensión de alimentación del puente y de sus posibles cambios Tipo de detector, ni siquiera hace falta que sea lineal 8/0/004 Transductores esistivos 7

28 Puente de Wheatstone Medidas por comparación Disposición del puente de Wheatstone para reducir la influencia de la resistencia de contacto en la posición de equilibrio 8/0/004 Transductores esistivos 8

29 Puente de Wheatstone Medidas por comparación Transductor dispuesto en una zona alejada del puente ε Método de coneión de Siemens o de los tres hilos 3 Los cables y 3 deben ser iguales y eperimentar la misma variación térmica Las características del cable son irrelevantes Error relativo en la media de 3 h 8/0/004 Transductores esistivos 9

30 Puente de Wheatstone Medidas por comparación Transductor dispuesto en una zona alejada del puente Error relativo en la medida de 3 Montaje alternativo Método de medida con más de un transductor Métodos dinámicos Puente de Wheatstone funcionando por el método de comparación con ajuste automático y salida digital 8/0/004 Transductores esistivos 30

31 Puente de Wheatstone Medidas por comparación Métodos dinámicos Puente de Wheatstone funcionando por el método de comparación con ajuste automático y salida digital 8/0/004 Transductores esistivos 3

32 Puente de Wheatstone Medidas por defleión Sensibilidad y linealidad Puente de Wheatstone funcionando por el método de defleión 8/0/004 Transductores esistivos 3

33 Puente de Wheatstone Medidas por defleión Sensibilidad y linealidad Condiciones óptimas de diseño para un puente resistivo 8/0/004 Transductores esistivos 33

34 Puente de Wheatstone Sensibilidad ariación de la sensibilidad de un puente resistivo alimentado a tensión constante Sensibilidad en función de para el caso de 0,00 8/0/004 Transductores esistivos 34

35 Puente de Wheatstone Linealidad Condición no necesaria Aunque la linealidad no es una condición necesaria para tener buena eactitud, sino que lo importante es que los resultados sean reproducibles, la interpretación del resultado siempre es más fácil si la salida es proporcional a la magnitud medida Galgas etensométricas alores no superiores a 0,0 Termistores resistivos Limitación de la medida a márgenes pequeños Perder sensibilidad Linealizar, analógica o digitalmente Efecto del valor de 8/0/004 Transductores esistivos 35

36 8/0/004 Transductores esistivos 36 Puente de Wheatstone Medidas diferenciales Error de linealidad ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ) (, e s s <<

37 8/0/004 Transductores esistivos 37 Puente de Wheatstone Suma de medidas Error de linealidad ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ) (, e s s <<

38 8/0/004 Transductores esistivos 38 Puente de Wheatstone Medidas diferenciales Error absoluto de temperatura ( ) ( ) e e I I T I T I T T e a a y y y y y y a δ δ δ δ δ δ δ δ

39 8/0/004 Transductores esistivos 39 Puente de Wheatstone Suma de medidas Error absoluto de temperatura ( ) ( ) e e I I T I T I T T e a a y y y y y y a δ δ δ δ δ δ δ δ

40 Divisores de tensión Termistores Problema de linealizar un termistor mediante un puente de Wheatstone. Problema de diseñar un puente de Wheatstone para medida diferencial. Problema de diseñar un puente de Wheatstone para suma de medidas. 8/0/004 Transductores esistivos 40

41 Puente de Wheatstone Linealización analógica de puentes resistivos s 8/0/004 Transductores esistivos 4

42 Puente de Wheatstone Linealización analógica de puentes resistivos s 0 8/0/004 Transductores esistivos 4

43 Puente de Wheatstone Calibración de puentes de transductores Determinar sensibilidad X0, interruptor abierto, ajuste de s 0 X0, interruptor cerrado 0c 0 c 0 ( ) Medir 0 y conocer bien la resistencia de calibración, para deducir la sensibilidad 0 0 c 8/0/004 Transductores esistivos 43

44 Puente de Wheatstone Medidas diferenciales y medias. Compensaciones. s s ( ) ( )( ) ( ) ( ), << 8/0/004 Transductores esistivos 44

45 Puente de Wheatstone Alimentación del puente de Wheatstone Estabilidad Convertidores de alterna/continua o continua/continua de buena calidad Generadore de tensión de referencia de los empleados con conversores A/D 8/0/004 Transductores esistivos 45

46 Puente de Wheatstone Alimentación del puente de Wheatstone Estabilidad Medidas ratiométricas o por relación 8/0/004 Transductores esistivos 46

47 Puente de Wheatstone Alimentación del puente de Wheatstone Estabilidad Método de medida de los cuatros hilos 8/0/004 Transductores esistivos 47

48 Puente de Wheatstone Alimentación del puente de Wheatstone Estabilidad Método de medida de los tres hilos 8/0/004 Transductores esistivos 48

49 Puente de Wheatstone Alimentación del puente de Wheatstone Señal continua Efectos termoeléctricos En las uniones de metales distintos Derivas propias de los amplificadores uido de baja frecuencia Señal alterna Efectos termoeléctricos no afectan Desequilibrios debidos a capacidades parásitas Demodulador de fase para conocer el signo de la señal 8/0/004 Transductores esistivos 49