Instrumentación: puentes de medida

Los puentes de medida están pensados para sensores de tipo resistivo, donde las variaciones son muy pequeñas y cualquier error puede ser mayor que aquello que deseamos medir.

Vamos a ver distintos tipos de sensores resistivos:

Resistencias Termométricas de Platino (RTP)

Su resistencia viene dada por la ecuación R(T) = Ro(1+aT), una expresión bastante generalizada para todos los sensores de tipo resistivo.

Donde Ro es la resistencia que tiene a 0 ºC y “a” un coeficiente que suele ser de 0.00385 ºC^-1

Simplemente se trata de una pieza de material conectada a un par de cables y cuya resistencia varía con la temperatura. Sus variaciones no son demasiado pequeñas, se pueden tomar bastante bien.

Galga extensiométrica

Éste sensor es el colmo de lo minúsculo. Se trata de una película metálica (se puede observar en la imagen como un cuadradito gris), cuya resistencia varía cuando la pieza se deforma.

Su expresión es R = Ro(1+kE), donde k es su factor de galga y E la microdeformación en mm/mm.

Sus cambios de resistencia son exageradamente pequeños, y si además tenemos en cuenta que la deformación de cualquier cosa es muy pequeña, pues las variaciones todavía son más pequeñas. En éste caso incluso la temperatura podría afectar a la medida.

Divisor resistivo

Es la forma de medir variaciones en una resistencia más conocida, simplemente se toma otra resistencia a parte del sensor y se ponen en serie. La medida se toma en el punto central de ambas resistencias.

La expresión de Vout es: Vout = R2/(R1+R2)

Puente de medida

En éste caso tomamos 4 elementos resistivos colocados en puente, uno de ellos el sensor, y medimos la diferencial entre los dos puntos centrales:

Si ajustamos adecuadamente las resistencais de forma que Rx, Ra y Rb son igual que la Ro del sensor, tenemos una salida diferencial de 0 en el punto cero del sensor.

Vamos a poner como expresión generalizada de la resistencia de sensor R = Ro(1+x), donde x es el coeficiente por la magnitud.

Con un sólo sensor en el puente, la expresión de la tensión diferencial es:

Como puede observarse, la x aparece en el denominador, lo que nos indica que la variación de la tensión de salida respecto a las variaciones de la magnitud no va a ser lineal. Podría considerarse lineal en casos de rangos de variación muy pequeños.

La sensibilidad de éste puente, que es la derivada de la tensión de salida respecto a la tensión de entrada, es de x/4.

Puente con 2 sensores

Para mejorar la linealidad y sensibilidad de la medida, se utiliza un puente al que se añade otro sensor:

La sensibilidad en éste caso es de S = x/2

Puente con 4 sensores

Cambiando el resto de resistencias por sensores del mismo tipo pero con variación negativa (R = Ro(1-x)) obtenemos un puente de medida tal que:

Su tensión de salida es Vo = 4x (lineal) y su sensibilidad S = x.

Además tiene como ventaja que, en el caso de las galgas por ejemplo, donde la temperatura afecta a la resistencia de la lámina metálica, éstas variaciones de resistencia debido a una magnitud que no nos interesa y que varía por igual en todos los elementos se elimina.

La tensión de alimentación es importante

Debido a que ésta define la amplitud de la tensión de salida, que afecta a la sensibilidad del puente. Y si la calidad del filtrado es mala, habrá errores de exactitud por las variaciones de tensión de alimentación.

Para hacer un buen filtrado se puede alimentar un puente con una referencia de tensión integrada del tipo del regulador REF02, que da 5 voltios con mucha precisión.

Puentes activos

Una forma de obtener una expresión linealizada y, ya de paso, con cierta amplificación, es utilizando un amplificador operacional o dos, que proporcionen al sensor una corriente constante. Aquí hay un par de ejemplos de uso: