Acondicionamiento de señales y sensores
Un Pt100 conectado a dos hilos con 10 m de cable fino mide 4,5 °C de más. El sensor es exacto; el error lo ponen los cables.
01Del fenómeno al número
Para medir una temperatura, una fuerza o una presión, un sensor convierte la magnitud en una señal eléctrica: una resistencia que cambia, una tensión de microvolts, una corriente. Casi nunca esa señal se puede conectar directo al conversor. El acondicionamiento es todo lo que hay entre los dos: excitar el sensor, amplificar, filtrar, aislar, compensar y linealizar. Los errores de esa cadena suelen ser mayores que los del sensor mismo. Los sensores y actuadores se presentan en la tecnicatura, en sensores y actuadores.
02Sensores de temperatura
| Sensor | Principio | Rango y exactitud típicos | Acondicionamiento |
|---|---|---|---|
| Pt100 (RTD) | Resistencia de platino, 100 Ω a 0 °C, sube 0,385 Ω/°C | −200 a 600 °C, ±0,3 °C (clase B a 0 °C) | Corriente de excitación, tres o cuatro hilos |
| Termocupla | Tensión de Seebeck entre dos metales: unos 41 µV/°C la tipo K | −200 a 1250 °C (K), ±2 °C | Compensación de junta fría y amplificación alta |
| Termistor NTC | Resistencia que baja fuerte con la temperatura | −40 a 150 °C, muy sensible | Divisor y linealización de Steinhart-Hart |
| Integrado (LM35 y similares) | Tensión de juntura de transistores, ya calibrada | −55 a 150 °C, ±0,5 °C | Casi ninguno: 10 mV/°C |
La resistencia de un Pt100 sigue la ecuación de Callendar-Van Dusen, que para temperaturas positivas es:
03Galgas extensiométricas y puentes
Una galga es un resistor que se estira con la pieza a la que está pegada. Su cambio relativo es proporcional a la deformación \( \varepsilon \), con un factor de galga cercano a 2. Las deformaciones son de milésimas, así que el cambio de resistencia es minúsculo, y se mide en un puente:
Las celdas de carga y los sensores de presión piezorresistivos son puentes completos que se especifican en milivolts por volt de excitación: una celda de 2 mV/V excitada con 10 V da 20 mV a plena carga. Por eso se miden en forma ratiométrica: el conversor usa la misma tensión de excitación como referencia, y sus variaciones se cancelan.
04El amplificador de instrumentación
La salida de un puente es una diferencia de milivolts montada sobre una tensión común de varios volts. Un amplificador operacional común amplificaría también esa tensión común y los errores de sus resistores. El amplificador de instrumentación de tres operacionales tiene entrada diferencial de alta impedancia, una ganancia fijada con un solo resistor y un rechazo de modo común de 100 dB o más:
Antes del conversor va un filtro pasabajos antialias, y en ambientes industriales, un aislador que corta la conexión de tierra entre el sensor y el sistema.
05Excitación, cables y autocalentamiento
Un Pt100 con dos hilos suma la resistencia de los cables a la del sensor: 10 m de cable fino tienen casi 1 Ω por conductor, y 1,7 Ω equivalen a 4,5 °C de error. La conexión de tres hilos compensa los cables en un puente, suponiendo que son iguales; la de cuatro hilos lleva la corriente por dos y mide la tensión por los otros dos, sin corriente, y elimina el error por completo.
La corriente de excitación calienta al sensor, que mide entonces un poco más que el ambiente. Con un coeficiente de autocalentamiento de 0,4 °C/mW, 1 mA en un Pt100 produce 0,06 °C de error; 5 mA, 1,4 °C. Más corriente da más señal, pero no mejor medición.
Un Pt100 a 10 m del equipo, con cable de 0,84 Ω por conductor, excitado con corriente constante. Un amplificador de instrumentación lleva el rango de 0 a 300 °C a los 4,096 V de un ADC de 12 bits. El gráfico muestra el error de cada fuente en todo el rango; el punto, la temperatura elegida.
06Otros parámetros no eléctricos
| Magnitud | Sensor habitual | Salida |
|---|---|---|
| Fuerza y peso | Celda de carga con galgas | Puente de 1 a 3 mV/V |
| Presión | Membrana piezorresistiva | Puente, o 4 a 20 mA ya acondicionado |
| Posición | Potenciómetro, LVDT, codificador óptico | Tensión, alterna modulada o pulsos |
| Iluminación | Fotodiodo | Corriente, con amplificador de transimpedancia |
| Humedad | Capacitivo | Capacidad, o digital por I²C |
En la industria, muchos transmisores entregan una corriente de 4 a 20 mA: la corriente no se pierde en los cables largos, y el cero en 4 mA permite detectar un cable cortado, que daría 0 mA.
07En el laboratorio
Medir un Pt100 en agua con hielo y en agua hirviendo con las tres conexiones, a través de 10 m de cable. Calcular el error de cada una.
Acondicionar una celda de carga con un amplificador de instrumentación y un ADC de 24 bits, calibrar con dos pesas conocidas y medir la repetibilidad.
Medir con una termocupla tipo K y un amplificador sin compensación, y después con un integrado de compensación de junta fría. Comparar con un termómetro de referencia.
08Errores frecuentes
- Medir un Pt100 a dos hilos con cables largos. Cada ohm de cable es 2,6 °C.
- Subir la excitación para tener más señal. Crece el autocalentamiento.
- Olvidar la junta fría de una termocupla. La lectura queda corrida en la temperatura de los bornes.
- Amplificar un puente con un operacional simple. La tensión de modo común y los resistores desapareados agregan errores mayores que la señal.
09Autoevaluación
¿Qué resistencia tiene un Pt100 a 50 °C?
\( 100\,(1 + 0{,}195 - 0{,}00144) \approx 119{,}40\ \Omega \).
¿Qué salida da un cuarto de puente con una galga de factor 2, a 500 µε y 10 V de excitación?
\( 10 \cdot 2 \cdot 500 \cdot 10^{-6} / 4 = 2{,}5 \) mV.
¿Qué resistor de ganancia da G = 101 con la fórmula 1 + 50 kΩ / RG?
500 Ω.
¿Por qué los transmisores industriales usan 4 a 20 mA y no 0 a 20 mA?
Para distinguir el mínimo de la escala de un cable cortado, y para que el transmisor pueda alimentarse con los 4 mA del lazo.
10Para ampliar
- Ramón Pallás Areny. Sensores y acondicionadores de señal. 4.ª ed., Marcombo, 2003. La referencia en castellano: cada tipo de sensor con su circuito de acondicionamiento.
- Jacob Fraden. Handbook of Modern Sensors. 5.ª ed., Springer, 2016. La física de todos los sensores y sus interfaces.
- Walt Kester (ed.). Sensor Signal Conditioning. Analog Devices, 1999. Puentes, amplificadores de instrumentación y acondicionamiento de temperatura con circuitos reales.