Lab #3

República Bolivariana de Venezuela
Universidad Nacional Experimental Politécnica
“Antonio José de Sucre”
Vicerrectorado-Puerto Ordaz
Mediciones Industriales


ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES: Ajuste de Cero, Ganancia y Visualización

Integrantes:
Azócar Elías
Cayones Marilyana
Granado Ángel
Velásquez Verónica

Marzo de 2009



Introducción.
Todo sensor necesita un circuito acondicionador que amplifique la señal que toma del medio, para establecerla en rangos de voltajes, para realizar un posterior análisis.

El circuito de acondicionamiento es un arreglo básico conformado por un circuito de instrumentación, el cual toma la diferencia del voltaje arrojado por el sensor y la amplifica; además hace una corrección del nivel de la señal de salida; dependiendo del nivel de sensibilidad y de la localización de la posición de referencia “cero” es necesario realizar un ajuste en el valor de la amplificación y en el nivel de la señal. Para la práctica se hace uso de los sensores resistivos colocados sobre un puente de Wheatstone el cual es un circuito de acondicionamiento usado con sensores resistivos para generar una tensión proporcional a la variación de resistencia y por tanto a la magnitud física a la que es sensible el transductor.

Objetivos
Lograr el ajuste del error de cero.
Lograr el ajuste del error de ganancia.
Visualizar los resultados en display.
Elaborar un Datasheet de un equipo de medida.

Fundamento teórico.

El ajuste a cero o línea de base define los pasos para definir las condiciones iniciales o cero de un sistema de medición.

Resolución del CAD: es el número de bits que posee la salida del conversor analógico digital. El numero de estados que esta podrá tomar viene dado por: D = 2 ^ n, donde n es la resolución.
Error de cuantización: es el error intrínseco que presenta la conversión analógico digital, y depende del número de bits que este posea. De este modo, a mayor resolución, menor error de cuantización.
Aproximaciones sucesivas: es un modelo de circuito electrónico que permite la obtención de un número digital a partir de (y equivalente a) un voltaje continuo. Es un método de conversión analógico digital.
Un puente de Wheatstone 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.

Generalmente la salida de estos puentes es una señal analógica de un nivel bajo; este hecho hace necesario un conjunto de circuitos que procesen la señal de salida del sensor para adecuarla al elemento de procesamiento al que se destine. La señal de salida requerida por esos elementos suele ser de un nivel elevado (Voltios), generalmente digital, dependiente tan sólo de la magnitud a medir y a ser posible sin offset y relacionada linealmente con esta magnitud. Asimismo, las derivas que con el tiempo se produzcan en la salida deberían ser adecuadamente compensadas mediante una calibración periódica del sistema.
Para poder compensar el sistema es necesario hacer un arreglo de resistencias que permita ajustar los errores de cero y de ganancia del sistema.
A la hora de querer mostrar en algún tipo de dispositivo como por ejemplo en una pantalla LCD es necesario convertir los valores de salida del amplificador que están en analógico a un voltaje digital para ello se usa un convertidor analógico digital que puede ser un PIC.

Descripción del circuito propuesto.
El circuito que se muestra en la siguiente figura se puede dividir en dos partes, el circuito acondicionador de la termorresistencia (parte superior), y el circuito acondicionador del termistor (parte inferior izquierda).

El circuito acondicionador de la termorresistencia (parte superior) comienza con un puente de wheatstone, donde el divisor de tensión que contiene la termorresistencia se le resta un valor de voltaje con un potenciómetro para reducir el error de cero. Luego las entradas del puente de wheatstone son pasadas por un amplificador instrumental y esta salida es amplificada por amplificador no inversor cuya ganancia puede variar según el valor de resistencia de otro potenciómetro.

El circuito acondicionador del termistor (parte inferior izquierda) comienza con un divisor de tensión que contiene al termistor. La salida del divisor de voltaje se le resta un voltaje que depende de un potenciómetro para reducir el error de cero. Luego esta salida pasa por un amplificador no inversor cuya ganancia varía según el valor de la resistencia de otro potenciómetro.

Las dos salidas acondicionadas son enviadas al CAD de un microprocesador el cual procesa la señal para después ser mostrada en una LCD de 16x4.

Procedimiento experimental.
Se debe primero determinar el margen de medida del sistema.
Luego se calculan los valores de las variable asignadas a los porcentajes establecidos, (0 %, 25%, 50%, 75%, 100% del margen de medida).
Se procede a medir la variable desde el valor mayor al menor, registrando los resultados en la tabla anexa. Se toma nota de los cinco valores para cada sensor, en cada parada de medición.

Medidas obtenidas.

Cálculo de errores.
Primero se calculan los valores promedios y sus desviaciones estándar respectivas:

Luego se grafican las curvas de calibración:

Para calcular el Error de Cero:

Termistor:

12Ecero=Vminexp-Vminpatron=9.2-3= 6.2'>

Termorresistencia:

12Ecero=Vminexp-Vminpatron=12.8-3= 9.8'>


Para calcular el Error de Ganancia se linealizan las curvas experimentales mediante el método de minimos cuadrados y se calculan sus pendientes:

Termistor:

Entonces:

12Eganancia=mexp-mpatronmpatron=0.8971-11= 10.29%'>

Termorresistencia:

Entonces:

12Eganancia=mexp-mpatronmpatron=0.8849-11= 11.51%'>


Para el Error de No Linealidad se calculan los errores absolutos de cada medida y se toma el mayor error:

Termistor:

Entonces:

12Eno linealidad=10.7'>


Termorresistencia:

Entonces:

12Eno linealidad=9.8'>


Análisis de errores.

Estos errores se deben a la falta de estabilidad de las fuentes utilizadas y también se deben a las aproximaciones o tolerancias de las resistencias.

Conclusiónes

Se comprobó la aplicabilidad de los sensores de presión, los cuales permiten medir de una manera casi precisa un rango de presión establecido. Además, permitió conocer y aprender a utilizar dichos sensores con el fin de poner en práctica en un futuro los conocimientos adquiridos.

Se logró comprobar el error de cero y de ganancia y de igual modo, se pudo visualizar los resultados en este caso en un lcd.

Recomendaciones

Calibrar bien la salida del puente para que la salida del amplificador sea correcta y anexar a la salida un ajuste de cero, y ser cuidadoso al momento de las mediciones para evitar los errores.
Verificar la alimentación de los convertidores digitales y dispositivos de salida como el PIC y la pantalla LCD ya que si no se alimentan correctamente se pueden quemar, y estos son dispositivos muy sensibles y costosos.

Estar pendiente de cada una de las conexiones que se haga entre el amplificador, los convertidores A/D y los dispositivos de salida.

Sensores generadores

Que es efecto reversible

El efecto reversible es la generacion de una señal a partir de otra la cual, generó dicha señal, es decir, si una señal x se genera a partir de la señal Y, con el efecto reversible se genera la señal Y a partir de la señal X.

Que es efecto irreversible.

Es todo lo contrario al efecto reversible, es decir, si una señal X se genera con una señal Y, el efecto reversible no permite generar la señal Y a partor de X.

Que es efecto termoelectrico.

Es la relación del flujo de calor que recorre un material con la corriente que lo atraviesa. Históricamente, fue Thomas J. Seebeck quien descubrió en 1822 que en un circuito de dos metales distintos A y B con dos uniones a diferentes temperaturas, aparece una corriente eléctrica. Seebeck se dio cuenta de que una aguja metálica es desviada cuando se la sitúa entre dos conductores de materiales distintos unidos por uno de sus extremos y sometidos a una diferencia de temperatura. Este efecto es de origen eléctrico, ya que al unir dos materiales distintos y someterlos a una diferencia de temperatura aparece una diferencia de potencial. La principal aplicación práctica del efecto Seebeck es la medida de temperatura mediante termopares.

Unos años más tarde, en 1834, el físico francés Jean-Charles Peltier descubrió el segundo efecto termoeléctrico: en la unión de dos materiales diferentes sometidos a una corriente eléctrica aparece una diferencia de temperaturas.
El físico inglés Williams Thomson (Lord Kelvin) demuestra en 1854 que los efectos Seebeck y Peltier están relacionados: un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por una corriente eléctrica intercambia calor con el medio exterior. Recíprocamente, un material sometido a un gradiente de temperatura y recorrido por un flujo de calor genera una corriente eléctrica. La diferencia fundamental entre los efectos Seebeck y Peltier considerados por separado y el efecto Thomson es la existencia de este último en un único material, sin necesidad de que exista una unión entre materiales distintos. :

a) Reversibles: Efecto Peltier y Efecto Thompson.
b) Irreversibles: Efecto Joule.

Defina con texto y con gráficos el Efecto Peltier

Descubierto por Jean C.A. Peltier en 1834, consiste en el calentamiento o enfriamiento de una unión entre dos metales distintos (interface isotérmico) al pasar corriente por ella. Al invertir la corriente, se invierte también el sentido del flujo del calor. Este efecto es reversible e independiente de las dimensiones del conductor. Depende solo del tipo de metal y de la temperatura de la unión.
Por lo anterior el efecto Peltier es un efecto de Juntura.

Si se sueldan dos alambres de metales distintos como el hierro y cobre y se calienta la unión se una tensión eléctrica. La tensión generada depende de cada combinación de metales pero siempre es baja. Se tiene en cuenta que al calentarse producen una tensión que va en aumento al aumentar la temperatura.
El segundo fenómeno utilizable es el que ocurre cuando se aplica una tensión en los extremos de los alambres soldados. Ocurre que la soldadura se calienta o enfría según el sentido de circulación de la corriente.

Cuando se hace circular una corriente I a través del circuito, se desprende calor de la unión superior y es absorbido por la unión inferior. El calor de Peltier absorbido por la unión inferior por unidad de tiempo, es igual a:

Donde Π es el coeficiente de Peltier ΠAB de la termopareja completa, y ΠA y ΠB son los coeficientes de cada material. El silicio tipo-p tiene un coeficiente Peltier positivo a temperaturas inferiores a 550k y el silicio tipo-n tiene un coeficiente Peltier negativo.
Los conductores intentan volver al equilibrio electrónico que existía antes de aplicar la corriente. Para ello absorben la energía de un foco y la desprenden en el otro. Las parejas individuales pueden ser conectadas en serie para incrementar el efecto.
La dirección de la transferencia de calor es controlada por la polaridad de la corriente. Al invertir la polaridad se cambia la dirección de la transferencia y, como consecuencia, la unión donde se desprendía calor lo absorberá y donde se absorbía lo desprenderá.

Defina con texto y con gráficos el Efecto Thompson

Descubierto por William Thompson en 1856, consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor homogéneo sometido a un gradiente de temperatura por el que circula una corriente. El calor liberado es proporcional a la corriente y por ello cambia de signo al cambiar la dirección de la corriente. Liberándose calor cuando la corriente circula del punto más caliente hacia el más frío.

Defina con texto y con gráficos el Efecto Seebeck

Consiste en la aparición de una diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor eléctrico que se encuentra de manera simultánea a diferentes temperaturas.
El efecto Seebeck es solamente un efecto termoeléctrico que convierte calor en electricidad.
Rigurosamente el efecto Seebeck no es un efecto de juntura. Pero es muy aplicado a materiales con características diferentes.

Tipos de Termopares .

Tipo K (Cromo(Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni-Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a +1.372 ºC y una sensibilidad 41µV/°C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación.
Tipo E (Cromo /Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µV/°C.
Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC y una sensibilidad de ~52 µV/°C. Es afectado por la corrosión.
Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros.
Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µV/°C aprox.) generalmente son usados para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC).
Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a 1.800 ºC. Los tipo B presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50 ºC.
Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.300 ºC. Su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio quitan su atractivo.
Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.300 ºC, pero su baja sensibilidad (10 µV/°C) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 °C).
Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar.

Construcción de Termopares.

Los termopares eléctricos están construidos simplemente por dos cables de diferentes materiales y empalmados en un extremo, el punto de empalme es la punta que detecta la temperatura, y estos entregan una señal en milivolts, proporcional a la temperatura, el termopar mas usado por sencillo eficiente y barato es el de tipo “J” y esta constituido por dos cables uno de hierro y otro de un material llamado constantan.

Para fabricar un termopar, se necesita un cable con los dos conductores aislados independientemente y que estén dentro de una malla de acero o algún material como fibra de vidrio, por lo que para hacer un termopar solo se corta un tramo de cable de este tipo de la longitud deseada y en un extremo pelar las puntas y empalmarlas o cortocircuitarlas, y del otro extremo las puntas se conectan a algún aparato que mida este tipo de termopar como un control de temperatura o a un multimetro.

Normas de aplicación practica por los Termopares

La medición de temperaturas mediante termopares, además de las ventajas e inconvenientes expuestos esta sujeta a una serie de leyes verificadas experimentalmente, que simplifican en gran manera el análisis de circuitos con termopares. Leyes que se presentan a continuación:

· Ley de los circuitos homogéneos

En un circuito de un único metal homogéneo, no se puede mantener una corriente termoeléctrica mediante la aplicación exclusiva de calor aunque se varíe la sección transversal del conductor.

· Ley de los Metales Intermedios

La suma algebraica de las fuerzas termoelectromotrices en un circuito compuesto por un número cualquiera de metales distintos es cero si todo el circuito se encuentra a temperatura uniforme.

· Ley de las temperaturas sucesivas o intermedias.
Dos metales homogéneos diferentes producen una tensión V12, cuando sus uniones están a T1 y T2, y, hay una tensión V23 cuando están a temperaturas T2 y T3, Entonces, la tensión que aparecerá cuando las uniones se encuentren a T1 y T3 será la suma de las caídas de tensión V12 + V23 e igual a V13.

Efecto de la temperatura ambiente en la unión de referencia de los termopares.

En las Centrales industriales es muy común el hecho de que el termopar, introducido en un medio cuya temperatura se desea medir o controlar, y el instrumento de lectura de la fuerza electromotriz termoeléctrica generada por este, estén físicamente distantes. También es muy frecuente que exista una diferencia de temperatura entre la junta de referencia del termopar y la temperatura del ambiente en donde está instalado el instrumento de medición.

Compensación de la unión de referencia en circuitos de termopares.

Para aplicar el efecto seebebck a la medida de temperatura es necesario mantener una de las uniones a una temperatura de referencia. Una solución es disponer la unión de referencia en hielo fundente.

Es una solución de gran exactitud y facilidad de montaje pero es de difícil mantenimiento. y coste alto. Se puede mantener también la unión de referencia a una temperatura constante a base de emplear un elemento de refrigeración basado en el efecto Peltier inverso o un horno termostatado, pero en cualquier caso debe usarse mucho hilo de uno de los dos metales del termopar y esto encarece la solución.

La Compensación electrónica consiste en dejar que la unión de referencia sufra las variaciones de la temperatura ambiente, pero esta se detectan con otro transductor de temperatura. Dispuesto en la vecindad de la unión de' referencia, y se resta una tensión igual a la generada en la unión fría. La tensión de alimentación del puente debe de ser estable, y puede ser la de una pila de mercurio.
Explicación de la tabla estandar de termopares.

Los termopares comerciales se designan por letras (T, E, J, K, R) que identifican los materiales que contienen y se especifican generalmente por su sensibilidad o coeficiente térmico (MV/ºC). El tipo E, J, K, y T son termopares de base metálica y se pueden utilizar hasta por encima de 1000°C. El tipo S, R, y B se denominan termopares nobles por poseer platino como elemento básico y se pueden utilizar hasta por encima de 2000°C.

Se establece uniformidad en la designación de los termopares y cables de extensión, por medio de colores en sus aislamientos e identificar su tipo o composición asi como su polaridad.

Sensores piezoeléctricos

En el efecto Piezo-Eléctrico la energía pasa de eléctrica a mecánica. Fue descubierto en el siglo XIX (circa 1880), por los hermanos Curie. Su principio está basado en la fuerza o presión aplicada a una sustancia compuesta por cristales polarizados (piezo significa presión en griego). Al ejercer presión sobre el cristal, éste se desforma produciendo una descarga eléctrica. Esto significa que en los micrófonos piezo-eléctricos, la presión acústica se transforma en voltaje.
El efecto Piezo-Eléctrico es conmutativo y también funciona en forma opuesta contraria a su dirección original. Esto quiere decir que al aplicar una descarga eléctrica a un cristal polarizado, el cristal se desforma produciendo un movimiento que genera presión acústica.

Los sensores piezoeléctricos se utilizan para medidas de presión, aceleración, tensión o fuerza. Se basan en el efecto piezoeléctrico. La conversión de la fuerza aplicada es proporcional a la carga eléctrica y posibilita la aplicación en procesos industriales para la adquisición de la magnitud fuerza.

La principal ventaja de la técnica piezoeléctrica radica en una escasa deformación, unos pocos micrometros (micras).

Con la tecnología piezoeléctrica es posible medir un campo de medida muy amplio con precisión y fiabilidad. Otra ventaja es la adquisición de valores muy pequeños como las oscilaciones con una carga nominal alta. La carga muerta puede ser anulada fácilmente.

Sensores piroeléctricos

La piroelectricidad es el cambio en la polarización de un material sometido a cambios de temperatura. Este tipo de fenómenos se observa en materiales dieléctricos que contienen polarizaciones espontáneas producidas por dipolos orientados.
Estos efectos han sido conocidos por el hombre desde hace muchos años, recibió este nombre de D. Brewster en 1824. Pero la investigacion de la pyroelectricidad en polímeros es relativamente nueva pues data de mediados del siglo XX, sin embargo los resultados iniciales fueron pobres y no atractivos a nivel comercial. Grandes adelantos ocurrieron en 1971, con el descubrimiento de los efectos piroeléctricos en el fluoruro de polivinilideno PVDF por J.B. Bergman, J.H. y solamente después de que el Dr. H. Kawai descubrió la piezoelectricidad en el mismo material.

El sensor piroelectrico esta hecho de un material cristalino que genera una pequeña carga eléctrica cuando es expuesto al calor en forma de radiación infrarroja. Cuando la cantidad de radiación es notable el cristal cambia, la cantidad de carga también cambia y puede entonces ser medida con un sensible dispositivo FET construido dentro del sensor. Los elementos del sensor son sensibles a la radiación en un amplio rango entonces se agrega una ventana que actúa como filtro para limitar la radiación de llegada a un rango de 8 a 14 micras donde es mas sensible a la radiación del cuerpo humano.

Los sensores piroeléctricos cuentan con una respuesta más rápida que los termopares, empleándose incluso para la detección de pulsos de radiación de picosegundos y con energías desde los nanojulios hasta julios. Las aplicaciones más comunes de estos sensores son:
Pirómetros (medida de temperatura a distancia en hornos, vidrio o metal fundido)
Detección de pérdidas de calor en oficinas, residencias o edificios.
Medidas de potencia generadas por una fuente de radiación.
Analizadores de IR,
Detectores de CO2 y otros gases que absorben radiación,
Detectores de IR emitidas por el cuerpo humano (para detección de intrusos y de presencia en sistemas de encendido automático de iluminación o calefacción de viviendas, apertura de puertas.
Detección de pulsos láser de alta potencia y
En termómetros de alta resolución (6x10 °C).

Sensores fotoeléctricos

Un Sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que “ve” la luz generada por el emisor. Todos los diferentes modos de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas.

Laboratorio #2

Universidad Nacional Experimental Politécnica

"Antonio José de Sucre"

Vice-rrectorado Puerto Ordaz

Departamento de Ingeniería Electrónica

ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES

Azócar Elías

Cayones Marilyana

Granado Angel

Velásquez Verónica

Introducción

A continuación se analizará la importancia del amplificador de instrumentación como interfaz para sensores a partir de los errores de cero, de ganancia y de linealidad que arroje.
Se realizarán medidas experimentales al sensor termistor RS 256-073 y termorresistencia RS 341-452, con un circuito posteriormente explicado y se compararán los resultados de las experiencias con las medidas teóricas y se establecerán notas y conclusiones de ellas.

Objetivos
Analizar la importancia del amplificador de instrumentación como interfaz para sensores.
Calcular los errores obtenidos diferenciando el de cero, ganancia y no linealidad.

Fundamento teórico
Los sensores más abundantes basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son los más abundantes, debido a que muchas magnitudes físicas afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material.
De los sensores para medir temperatura más usados se encuentran los termistores y termorresistencias, siendo el termistor un semiconductor que varía el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura, (Thermally sensitive resistor), (Resistor sensible a la temperatura en inglés). Existiendo dos clases de termistores: NTC (si su resistencia es inversamente proporcional a la temperatua) y PTC (si su resistencia aumenta con la temperatura). Por su parte 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.

Descripción del circuito propuesto
Se debe primero determinar el margen de medida del sistema.
Luego se calculan los valores de las variables asignadas a los porcentajes establecidos, (0 %, 25%, 50%, 75%, 100% del margen de medida).
Proceder a medir la variable desde el valor mayor al menor, registrando los resultados en la tabla.
El montaje para ambos sensores es una configuración del puente de wheatstone.

Procedimiento experimental.
Se procede a medir las variaciones de tensión para cada sensor variando la temperatura desde 0°C a 100°C y se procede a llenar la tabla siguiente.
Medidas obtenidas.
Medidas para el termistor

Medidas para la termorresistencia

Cálculo de errores.

Análisis de errores.
Error de cero:
Es la desviación de la salida del sistema del cero cuando no hay entrada. Se alcanzaron bajas temperaturas pero no menores a 3°C y las tensiones de salida de ambos circuitos no fue lo suficientemente baja, sin embargo, aunque hubiese sido menor a 1 voltio no es posible medir el error en 0°C.
Error de linealidad:
Con la gráfica de medida de temperatura experimental vs temperatura patrón se aproxima la relación con una recta de regresión de los mínimos cuadrados, calculando el coeficiente de correlación para ambos sensores dando como resultado una recta para ambos sistemas mostrando una mejor linealidad para el termistor, es decir, el circuito es lineal. Por ende, se puede decir que el error de linealidad es casi nulo aunque haya un error pero muy pequeño.
Error de ganancia:
Es el aumento de la desviación con respecto al aumento de la entrada de los sensores en la recta de regresión. El error aumenta mientras aumenta la temperatura.

Conclusión
El puente de wheatstone corrigió el error de linealidad en los sensores y cabe destacar que se usó un amplificador de instrumentación para la medición por deflexión.
El circuito para el termistor mejora la linealidad en la salida del circuito pero es menos sensible; debido a los rápidos cambios de voltaje en la salida del sistema
Recomendación.
Tomar en cuenta la tolerancia de las resistencias y el tipo de potenciómetros a utilizar, preferiblemente usar potenciómetros de precisión.

moduladores resistivos

1. Sensores resistivos
Son los que varían una resistencia en función de la variable a medir.
1.1. Potenciómetros (Variables mecánicas)
Sensor utilizado para medir la variable mecánica desplazamiento, y consiste de un dispositivo con dos partes y tres terminales, en otras palabras, es un resistor con un contacto móvil, y dicha resistencia entre dicho contacto móvil y uno de los terminales fijos es:

donde:
r = Resistividad del material (Wm)
A = Sección transversal
l = Longitud del conductor.

El problema de este tipo de sensor es:
a. Varía con la temperatura.
b. Varía con la deformación de la sección transversal, causada por la presión o fuerzas ejercidas sobre el.
c. El contacto del cursor origina desgaste, modificando la sección transversal.


1.2. Galgas extensométricas (Variables mecánicas)
Se basan en el efecto piezorresistivo para el potenciómetro. Se busca modificar la resistencia variando algunos de los parámetro de la resistencia, por ejemplo, su longitud l o su sección transversal A. Se basan en la variación de la resistencia de un conductor
cuando se le somete a un esfuerzo mecánico.


1.3. Termorresistencias (Variable térmicas)
es un dispositivo que varía su resistencia con la temperatura. Suele denominarse RTD (Resistive temperature detector)
Este dispositivo tiene como limitaciones.
o No puede medir temperaturas próximas a la de la fusión del conductor con que se fabrica.
o El autocalentamiento ocasionará derivas en la medición.
o S se deforma, puede cambiar su patrón de medición.
Tiene como ventaja el ser diez veces mas sensible que los termopares.

1.4. Termistores (Variables térmicas)
son resistencia que varían su magnitud con la temperatura. Se diferencian de las termorresistencia por que están basadas en semiconductores. Por tanto su característica no es lineal, aunque dentro de un margen adecuado pueda ser considerada de es amanera.

1.5. Magnetorresistencias (Variable magnéticas)
Se basan en la variación de resistencia en un conductor por variaciones en el campo magnético.
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.
Tiene las siguientes aplicaciones:
o Medición de campos magnéticos en las lectoras de tarjetas.
o 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.



1.6. Fotorresistencias (Variables ópticas)
Las fotorresistencia o LDR, es un dispositivo que cambia su resistencia por el nivel de incidencia de luz. Esta formada por materiales semiconductores.

1.7. Higrómetros resistivos (Variables químicas)
se utiliza para medir humedad. Se basan en la variación de resistencia que experimentan los materiales por la humedad, como el vapor de agua en un gas o el agua absorbida en un líquido o sólido.
Un material típico es el aislante eléctrico, el cual disminuye su resistencia al aumentar su contenido de humedad.
1.8. Acondicionamiento:
Los sensores resistivos deben ser conectados a circuitos de interfaz adecuado para poder aprovechar o medir el parámetro variado.
Puente de Wheastone,
Es un dispositivo orientado a corregir parte del problema que presenta la Linealidad y sensibilidad.

Amplificador de Instrumentación.
dispositivo que tenga simultáneamente alta impedancia de entrada, alto rechazo del modo común, ganancia estable y variable con una sola resistencia, y que no se contraponga ganancia-ancho de banda, tensión y corriente de fugas bajas, bajas derivas, impedancia de salida baja.
2. Sensores de reactancia variable
Los sensores de reactancia variable tienen las siguientes ventajas con respecto a los resistivos:
a. Efecto de carga mínimo o nulo.
b. Ideales para la medida de desplazamientos lineales y angulares y para la medida de humedad.
c. La no-linealidad intrínseca puede superarse usando sensores diferenciales.

Como limitación tiene que la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida debe ser menor a la frecuencia de la tensión de alimentación empleada.
2.1. Sensores Capacitivos
Los sensores de este tipo pueden ser simples (Co +/- C) y diferenciales (Co + C , Co – C). El caso simple es el condensador variable.

2.1.1. Condensador variable
Un condensador esta formado por dos placas y un dieléctrico.
Los problemas que presenta este tipo de medidor es que:
a. No se puede despreciar el efecto de los bordes .
b. El aislamiento entre placas debe ser alto y constante.
c. Existen muchas interferencias capacitivas.
d. Los cables de conexión generan condensadores parásitos.
Otro problema importante es la alta impedancia de salida de este tipo de sensores, determinada por el dieléctrico no conductor utilizado.
Para resolver en este caso existen tres alternativas:
a. Colocar la electrónica de acondicionamiento.
b. Usar un transformador de impedancia.
c. Medir la intensidad de corriente en vez de la tensión.

2.1.2. 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.
2.1.3. Acondicionamiento: divisor de tensión
Un divisor de tensión es una interfaz formada por una combinación serie de un resistor y un sensor, alimentados por una fuente de fija de tensión o corriente. Puede darse el caso que el sensor forme conforme la asociación serie de estos dos dispositivos.

amplificador de carga, amplificador de transconductancia

2.2. Sensores inductivos
Son aquellos que producen una modificación de la inductancia o inductancia mutua por variaciones en un campo magnético. Estas variaciones pueden ser fruto de perturbaciones en el campo, o modificación de la distancia de influencia del campo.

2.2.1. Reluctancia variable

donde f 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

mr es la permeabilidad relativa del núcleo
L = recorrido de las líneas de campo en el aire.
A = Area delas 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 la siguientes ventajas:

a. La humedad los afecta muy poco.
b. Tiene poca carga mecánica.
c. Y una alta sensibilidad.

2.2.2. Inductancia mutua (LVDT)
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.

Tiene alcances desde 100 micrometro hasta 25 centímetros.
2.2.3. Acondicionamiento
3. Sensores electromagnéticos
3.1. Basados en la ley de Faraday
Se basa en el principio de que una variación en el flujo magnético sobre una bobina, genera una fuerza electromotriz.
Las condiciones que deben cumplirse para poder usar este tipo de medidor son:

o Perfil de velocidades simétrico.
o Tubería no metálica ni magnética: teflón o cerámica.
o Electrodo de acero o titanio
o Tubería llena
o Campo magnético continuo o alterno.
o Ideal para aguas residuales, líquidos corrosivos o con sólidos en suspensión.

3.2. Basados en el efecto Hall
El efecto hall se refiere a la generación de un potencial en un conductor por el que circula una corriente y hay un campo magnético perpendicular a esta.
Tiene como limitación.
o La temperatura cambia la resistencia del material.
o Hay un error de cero debido a inexactitudes físicas,
Tiene como ventajas:
o Salida independiente de la velocidad de variación del campo magnético.
o Inmune a las condiciones ambientales.
o Sin contacto.

Se puede aplicar a la medida de campos magnéticos, medida de desplazamientos, etc

laboratorio 1

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DE EDUCACIÓN SUPERIOR
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ ANTONIO JOSÉ DE SUCRE ”
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
Mediciones industriales


CARACTERIZACIÓN DE SENSORES RESISTIVOS


Azócar Elías 17.708.902
Cayones Marilyana 18.514.072
Granado Ángel 18.567.417
Velásquez Verónica 17.883.988


Puerto Ordaz Diciembre de 2008.



INTRODUCCION

Los sensores resistivos tienen diversas aplicaciones, en especial, la medición de la temperatura.Los sensores resistivos de temperatura o termistores son resistores variables con la temperatura, basados en semiconductores. A continuación se procede a utilizar los siguientes sensores para la realización de experiencias para entender el funcionamiento de estos sensores; el termistor RS 256-073 y la termorresistencia RS 341-452.
Se desea determinar las características de los sensores resistivos, específicamente de los antes mencionados, a través de una serie de pruebas y experiencias para posteriormente calcular los errores del sistema y conocer su estructura y funcionamiento.

OBJETIVOS

Caracterizar sensores resistivos
Calcular los errores obtenidos diferenciando el de cero, ganancia y no linealidad

FUNDAMENTO TEORICO
Este tipo de sensores varían su resistencia en función de una determinada medida física. Por lo general, el comportamiento de los sensores resistivos están regidos por curvas de operación. En la figura 1 se muestra la curva característica de un termistor (sensor de temperatura) PTC (Coeficiente de temperatura positivo).

Figura 1 Curva característica de un PTC.

Entre algunos de los sensores resistivos, se puede mencionar:

· Potenciómetros.- Varían su resistencia en función al desplazamiento angular o lineal.

· Termistores.- Su resistencia varía en función de la temperatura. Los termistores se dividen en NTC (Coeficiente de temperatura negativo), en los cuales la resistencia disminuye conforme aumenta la temperatura y PTC (Coeficiente de temperatura positivo), en los que la resistencia aumenta ante un incremento de temperatura.

· Fotorresistencias (LDR).- Son resistencias dependientes de la intensidad de luz incidente.

La diferencia entre los termistores y las termorresistencia es que están basados en semiconductores. Por tanto su característica no es lineal, aunque dentro de un margen adecuado pueda ser considerada de esa manera. Tiene como ventajas el ser más sensible que las Termorresistencias, más rápidas y permite hilos de conexión mayores.Tiene como desventaja el ser no lineal, y al variar su temperatura por el autocalentamiento del material

Para la clasificación de los diversos sensores de esta clase se toma como criterio el tipo de magnitud física a medir. El orden seguido es el de variables mecánicas, térmicas magnéticas, ópticas y químicas
La conductividad eléctrica de un metal depende de la movilidad de los electrones en conducción. Si un voltaje es aplicado a los terminales de un metal los electrones se mueven al polo positivo.
La relación entre la temperatura y la resistencia eléctrica generalmente no es directamente proporcional pero puede ser representada por esta ecuación:
R(t) = R0 (1 + At + Bt2 + Ct3 + ........)
R0 = Resistencia Nominal (es determinada a una cierta temperatura)t2, t3 .... = Pueden ser incluidos dependiendo de la exactitud de la medición.A, B, ... = Depende de la resistencia del material, representa una amplia definición de la relación temperatura-resistencia


DESCRIPCION DEL CIRCUITO PROPUESTO
El circuito está compuesto por un bombillo de 100 watts que es el portador de calor en el circuito, el cual está conectado a un dimmer que regulará la intensidad de calor del montaje. Para mantener la temperatura del sistema se utiliza una cubierta resistente. Con la ayuda de un multímetro se mide la variación de temperatura de los sensores tanto del termistor como de la termorresistencia y se compara con el patrón del sistema de medida previamente establecido.
A continuación se presenta el diagrama del circuito.










PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
Se determinar el margen de medida del sistema: midiendo la temperatura del hielo y luego la temperatura del bombillo en plena potencia.
La temperatura del hielo= 0°C
Bombillo a plena potencia= 95°C
MM=95°C
Se calculan las temperaturas asignadas a los porcentajes establecidos, (0 %, 25%, 50%, 75%, 100% del margen de medida), quedando asignado para el 0%=0°C; 25%=23,7°C; 50%=47,5°C; 75%=71,2°C y por ultimo para el 100%= 95°C.
Se mide la temperatura desde el valor mayor al menor, registrando los resultados en la tabla anexa. Se registran cinco valores para cada sensor, en cada parada de temperatura. Se espera a que se estabilice la temperatura en cada parada (unos cinco minutos), y luego se toman las lecturas cada 30 segundos. Es decir, en cada parada se toman 10 lecturas: 5 para el termistor y cinco para la termorresistencia. Ambas se toman simultáneamente y por tanto se debe tardar unos 3 minutos por medida.
Luego, se repite el proceso inverso: de 0 º a 100 º.

MEDIDAS OBTENIDAS.
De 0% a 100% (subida)


















De 100% a 0% (bajada)
















CÁLCULO DE ERRORES.
De 0% a 100% (subida)
Desviación Estándar y Valor Promedio








Curvas de Calibración de los Medidores (Subida)












Error de cero: 2.24
Error de ganancia: 0.15













Error de cero: 11.94
Error de ganancia: 0.14

100% a 0% (bajada)
Desviación Estándar y Valor Promedio







Curvas de Calibración de los Medidores (Bajada)














Error de cero: 5.42
Error de ganancia: 0.08

Error de cero: 1.92

Error de ganancia: 0.05

ANÁLISIS DE ERRORRES
Error de cero:
El error de cero es el error del instrumento que se mantiene a una misma distancia del error de offset. Para calcularlo en cada gráfica se toma el valor teòóico y el medido y con la diferencia de ambas se obtiene dicho error. Dado los resultados se puede decir que existe un error de cero relativamente pequeño en ambos sistemas de medidas, tanto de subida como de bajada, sin embargo, se toman en cuenta su mínimo error o desviación, pero en general las gráficas siguen el patrón de una línea recta.

Error de ganancia:
El error de ganancia quiere decir que los valores medidos por un instrumento están relacionados o en proporción a los valores reales, sin embargo, no son iguales. Este error se calcula mediante la diferencia de la pendiente de la recta obtenida por regresión y la pendiente ideal entre la pendiente ideal (m=1). El error de ganancia en las gràficas coo se determonó, arribaron a valores muy pequeños, estableciendo muy poco error de ganancia en el sistema.

Error de no linealidad:
El error de no linealidad se refiere a la modificación que hace un instrumento de una recta q la convierte en una curva, entonces, los puntos iniciales y finales de las gràficas o de la recta son los mismos, mientras que en el medio se hace la curvatura.

CONCLUSIÓN Y RECOMENDACIÓN.
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 señal generada por un sensor resistivo depende de la variable medida y su característica depende de la relación entrada salida que se determine

Para eliminar los errores encontrados en ambos dispositivos de medición es necesario el establecimiento de un sistema de calibración.

Se observa que el dispositivo que tiene mejor sensibilidad es el termistor, lo cual es bien usado para entornos de medida donde la temnperatura cambie muy bruscamente. Por otra parte, la termorresistencia es màs estable, porq requiere de un mayor tiempo de "establecimiento" para encontrar el valor resistivo que es deseado.