lunes, 29 de abril de 2013

Sistema de medida & Sensores



Un sensor, es básicamente un dispositivo electrónico que convierte magnitudes físicas en variables eléctricas; las magnitudes más comunes a tener en cuenta en un sensor son: temperatura, humedad, caudal, masa, volumen, entre otros.

A diferencia de lo que es un transductor, un sensor siempre se tiene en cuenta la magnitud en la que se esté tomando, siempre y cuando tengan diferentes etapas para la visualización al usuario. Usualmente un “sensor”, no es la parte que recepciona la magnitud física del entorno, sino una de las etapas del elemento lector.

Las características de un sensor se describen de la siguiente forma:

                     Rango de medida
                     Precisión
                     Desviación de cero
                     Linealidad
                     Resolución
                     Rapidez de respuesta
                     Repetitividad

Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano.
Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de los circuitos.
 

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN - GENERALIDADES

Un amplificador de instrumentación, es un conjuto de amplificadores operacionales muy usados en la Instrumentación Electrónica, debido a que se presentan impedancias altas de entrada; y una relación de rechazo en modo común (o CMRR por sus siglas en inglés) elevado; se pueden constituir a partir de opamps básicos como el LM741, o existen encapsulados y mejorados como el INA114

Normalmente, un amplificador de instrumentación es utilizado en equipos médicos (ejemplo: un electrocardiograma) debido a que la señal de entrada es demasiado pequeña, por lo tanto se amplifican mucho mas debido a las características mencionadas anteriormente.

A continuación, veremos el modelo matemático y su principio de funcionamiento:

Sea el siguiente circuito que se ve a continuación:

Fig 1. Amplificador de instrumentación
Como se ilustra en la imágen, ante la existencia de realimentación negativa entre los dos operacionales; se puede decir que existe un corto circuito virtual entre los bornes de la resistencia de ganancia (Rgain), por lo tanto se circula una corriente entre ellos:

I_g=(V_2-V_1)\left(\frac{1}{R_g}\right) 
Debido a que existe una impedancia elevada en las entradas del amplificador de instrumentación, la corriente que atraviesa por la resistencia de ganancia, es similar a la corriente que pasa por R1, por lo tanto sus tensiones pasan por ello:

V_{intermedia}=\frac{(V_2-V_1)}{R_g}(R_g+2R_1)=(V_2-V_1)\left(\frac{R_g}{R_g}+\frac{2R_1}{R_g}\right) 

Para finalizar el modelo matemático de este amplificador, se toman los resistores R2 y R3, para añadir a la ecuación final, en este caso si los resistores no son equivalentes su resultado se verá en breve:

V_{out}=(V_2-V_1)\left(1+\frac{2R_1}{R_g}\right)\frac{R_3}{R_2}  

 Si los resistores son equivalentes (R2 y R3), la ecuación se verá de forma similar, excepto que no cuenta con este último término, en pocas palabras, este término se simplifica y se va.


V_{out}=(V_2-V_1)\left(1+\frac{2R_1}{R_g}\right)

Las aplicaciones mas utilizadas en cuanto al uso de amplificadores de instrumentación son:

-Acondicionar la salida de un puente de Wheatstone
-Amplificar señales biológicas
-En fuentes de alimentación
-Otros

Si quieren conocer una muestra de un amplificador de instrumentación, puede hacer clic en el amplificador INA131

-ENLACE PARA EL AMPLIFICADOR INA131

PUENTE DE WHEATSTONE - VISTO DESDE EL DIVISOR DE VOLTAJE

Como se vió en el capítulo anterior sobre que és el Puente de Wheatstone, y la obtención de sus respectivas ecuaciones para encontrar el resistor desconocido, o mejor conocido como Rx; a continuación, nos percatamos el mísmo principio pero a partir de divisores de voltaje:

Sea el circuito de la siguiente imágen:

Fig 1. Puente de Wheatstone

Sin incluir la resistencia del medio, siendo reemplazado por un voltímetro, nos indicamos que la diferencia entre los dos voltajes, aplicando divisor de tensión y restando esos dos valores, nos llegamos a la conclusión de que es extremadamente pequeño. No obstante, la teoría se explica con mas detalle

"Un divisor de voltaje, es un resistor sobre la suma total del circuito por la tension aplicada"

¿Que podemos decir de esto?. Que al segundo resistor de cada ramificación en paralelo, se comporta como un circuito en serie de forma individual dado como resultado esto:

 
&

 

Restando ambas expresiones, se obtiene un resultado de 2.45 V, como este puente está configurado a partir de resistores de 85 Ohms, suele indicar que nos dé un valor negativo; lo cual no es muy recomendado que se le aplique a un dispositivo progamable tales como un microcontrolador, debido a que los TIMERS no lo soportan, añadiendo primero que todo; el AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN, que se verá a continuación




lunes, 8 de abril de 2013

PUENTE DE WHEATSTONE

PUENTE DE WHEATSTONE

Un puente de Wheatstone, es un dispositivo que puede ser operado tanto en corriente continua, como en corriente alterna; su principio radica en encontrar o medir resistores desconocidos, o también valores capacitivos e inductivos.

Veamos el caso de un puente de Wheatstone meramente resistivo, basta con añadir una diferencia de potencial a cada uno de sus extremos; rigiendo por la ley de Ohm (R=V/I). Pero como todo instrumento no es del todo perfecto, y puede verse afectado por factores externos como la temperatura o el deterioro del mísmo.

 
Fig 1. Un típico puente de Wheatstone
En la figura 1. se ve la descripción de un puente de Wheatstone, cuatro resistores de precisión, mejor conocidos como trimmers, están unidos unos de otros, pero el voltaje de referencia a medir es entre los extremos B y C (originalmente vistos cómo Va y Vb). El resistor R2, se toma como referencia para variar el voltaje "total" entre los extremos a y b del puente. Su principio y analisis del mísmo se describen a continuación:

Principio de funcionamiento:

El puente de Wheatstone resistivo, se aplica el principio de las leyes de Kirchoff:

Fig 2. Modelo del puente de Wheastone resistivo aplicando las leyes de Kirchoff

Posee tres mallas, en lo que corresponde a tres corrientes en el circuito:

  • Malla para iaiaR1+iaR3-ibR1-icR3= Vdc
  • Malla para ib: ibR1+ibR2+ibR5-iaR1-icR5= 0
  • Malla para icicR3+icR5+icR4-iaR3-ibR5= 0

Después de obtener las ecuaciones de cada malla, los reagruparemos de tal forma que se forme una matriz; para luego calcular sus respectivas corrientes, y llegar a la fórmula coincidente para el funcionamiento del puente de Wheatstone:

(R1+R3)ia-ibR1-icR3 = Vdc
-iaR1+(R1+R2+R5)ib-icR3= 0
-iaR3-ibR5+(R3+R4+R5)ic= 0

Asimismo, las ecuaciones para obtener sus corrientes se agrupan de tal forma, que en este caso encontraremos los valores de ib e ic para determinar la corriente que pasa por el trimmer:

  • Ecuacion para ib:
Fig 3. Ecuación para Ib
  •  Ecuación para ic:

Fig 4. Ecuación para Ic

 Para que el puente esté en equilibro la corriente i5= 0,  entonces:


Fig 5. Modo de resolución de la ecuación para i5 y su respectivo equivalente

Esta última ecuación presenta una importancia extraordinaria para el puente de Wheatstone. Observe si:

R2R3=R1R4

Si la corriente i5 es nula, eso quiere decir que el puente está en equilibrio, ademas de que tres de los resistores poseen valores conocidos,la cuarta tiende a ser desconocido, por lo cual lo llamaremor Rx.

La resistencia Rx, se expresan en términos de los resistores restantes; es decir:

Rx= (R1/R2)*R4

Así concluye el teorema del puente de Wheatstone mediante el uso de las leyes de Kirchoff, a continuación veremos el teorema mediante el uso de divisores de voltaje.