Sensores

SENSORES

Un sensor convierte una señal física de un tipo en una señal física de otra

naturaleza. Por ejemplo una termocupla produce un voltaje que está relacionado con la

temperatura, así mismo en una resistencia metálica se aprovecha el fenómeno de

variación de la resistencia con la temperatura para producir una señal de voltaje que sea

proporcional a la temperatura.

La diferencia entre los dos ejemplos está que para el caso de la termocupla se

produce un milivoltaje producto de la unión de dos materiales a una determinada

temperatura, en el segundo ejemplo la pura resistencia por si sola no puede hacer la

conversión a voltaje sino que requiere de un circuito y de una fuente de alimentación. En

el primer caso tenemos al elemento sensor sólo, en el segundo a el elemento sensor más

un circuito, en este segundo caso la unión de los dos constituye el transductor. Tanto en

el caso de la termocupla como de la resistencia metálica se necesitan etapas adicionales

de acondicionamiento como amplificación y filtraje de la señal.

7.1 Características de los sensores

Cuando se diseñan sistemas de adquisición de datos con computadora, hay

aspectos a cerca de los sensores que es necesario tener en cuenta:

- La naturaleza de la señal que el sensor – transductor genera: voltaje, rango de

amplitud, respuesta en frecuencia, precisión necesaria, determinan el tipo de

acondicionamiento de señal, convertidor A/D y cualquier otro hardware a utilizar.

- La influencia de las señales de ruido así como los efectos de carga del hardware de

adquisición de datos sobre el sensor.

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- La calibración del sensor con respecto a la variable física. Si la respuesta del sensor a

los cambios de la variable física es lineal o no. Una calibración mal hecha va a

producir mediciones erróneas.

- La interdependencia entre los distintos componentes del sistema de adquisición de

datos, por ejemplo un sensor muy bueno, con un pobre convertidor A/D no sirve de

casi nada.

- La precisión del sensor, esto es la capacidad de medir el mismo valor repetidas

veces en idénticas condiciones.

- El tiempo de respuesta del sensor, es decir, el tiempo requerido para responder a un

cambio brusco de la variable que está siendo sensada.

- El coeficiente de temperatura del sensor, el cual viene dado por el cambio que se

produce en la respuesta del sensor debido al cambio en la temperatura a la cual se

encuentra, por ejemplo el aumento en las corrientes de fuga y el voltaje offset de un

amplificador, el aumento de la corriente en la oscuridad de un fotodiodo.

- La histérisis de un sensor, la cual se define como la dependencia de la salida del

sensor de la respuesta anterior. Esta es muy común en sistemas magnéticos y

mecánicos.

Existen varias formas de clasificar los sensores, por ejemplo se pueden clasificar

por el principio físico de funcionamiento (inductivo, capacitivo, termoeléctrico o

resistivo etc.), por la variable física medida (temperatura, presión, posición etc. por la

capacidad de generar energía (activos) o de necesitar de un circuito de excitación

(pasivos). En este trabajo se estudian los sensores de acuerdo al tipo de variable física

medida.

7.2 Sensores de temperatura

Entre los sensores más comunes empleados para medir temperatura con

instrumentación electrónica se tienen: RTDs, termistores, sensores de circuito integrado

(IC ) y termocuplas.

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• Detector de resistencia metálica (RTD)

El detector de resistencia metálica RTD, es uno de los sensores más precisos de

temperatura. Se caracteriza por su excelente estabilidad, usualmente es utilizado para

medir temperaturas de 0 °C a 450 °C.

La resistencia metálica es de alambres finos o de películas de metales. Su

resistencia varía en forma directamente proporcional con la temperatura. Ellas son

fabricadas de metales como cobre, plata, oro, tungsteno y níquel, no obstante el platino

es el material más comúnmente usado. El platino presenta una excelente estabilidad y la

más alta resistividad con respecto a los otros metales.

Entre las desventajas de las RTDs de platino (Pt100) se pueden mencionar: 1- su

alto costo, por lo que hacer instrumentación con ellas es caro; 2- debido a su baja

resistencia (100 Ω a 0 °C) y sensibilidad (0.4 Ω/°C), los alambres de conexión es uno

de los principales problemas, la vía para minimizarlo es usar el esquema de medición

con 4 alambres; 3- en el sistema de medición con 4 alambres, dos alambres llevan y

traen la corriente proveniente de una fuente de corriente constante y otros dos alambres

se emplean para la conexión del instrumento de medición de voltaje, convertidor A/D en

un sistema de adquisición de datos por computadora; 4- la corriente de excitación

constante produce una disipación de potencia en la RTD, lo cual le genera calentamiento

que incrementa adicionalmente su temperatura que no es posible de detectar cuando se

hace la medición de temperatura, una forma de reducir este error usar una corriente de

excitación lo más pequeña posible.

• Termistor

Un termistor es un semiconductor hecho de dos óxidos metálicos unidos dentro

de una pequeña bola, disco u otra forma y recubierto con epóxido o vidrio.

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Hay dos clases de termistores los que presentan un coeficiente negativo de

temperatura (CNT), cuya resistencia disminuye con la temperatura y coeficiente positivo

con la temperatura ( CPT) cuya resistencia aumenta con la temperatura. Los termistores

CNT son los más usados para medición de temperatura. Valores comunes de termistores

son 2252 Ω, 5000 Ω y 10000 Ω. Un termistor de 5000 Ω tiene aproximadamente una

sensibilidad de 200 Ω/°C a la temperatura ambiente, comparada con 0.4 Ω/°C de la

Pt100, la sensibilidad del termistor es bastante más alta.

Los termistores se pueden emplear para medir temperaturas hasta de 300 °C.

Debido a que los

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