Fundamentos de Instrumentación Electrónica: Sensores PT100 y Amplificadores
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Conceptos Fundamentales de Metrología
Precisión
La precisión es la capacidad de un instrumento de medida para reproducir el mismo valor de la magnitud medida, al medirla varias veces en las mismas condiciones, sin tener en cuenta la concordancia o la discrepancia con el valor real de esa magnitud.
Resolución
La resolución se define como la capacidad de reaccionar ante pequeños cambios en la magnitud medida. Dependiendo de la tecnología del instrumento, se clasifica de la siguiente manera:
- Resolución Analógica: Está limitada por la capacidad del operador para apreciar visualmente un cambio en una longitud o escala.
- Resolución Digital: Está determinada por la variación en una unidad (1) de la cifra menos significativa de la pantalla.
Exactitud
La exactitud es la capacidad de un instrumento para dar una indicación que se aproxime al valor verdadero de la magnitud medida.
Sensores de Temperatura PT100
Existen tres modos de conexión para las Pt100, y cada uno de ellos requiere un instrumento lector distinto. El objetivo principal es determinar exactamente la resistencia eléctrica R(t) del elemento sensor de platino sin que influya en la lectura la resistencia de los cables Rc.
Conexión a 2 Hilos
El modo más sencillo de conexión es con solo dos cables. En este caso, las resistencias de los cables Rc1 y Rc2 que unen la Pt100 al instrumento se suman, generando un error inevitable en la medición final.
Conexión a 3 Hilos
El modo de conexión de 3 hilos es el más común en la industria y resuelve satisfactoriamente el problema del error generado por los cables. El único requisito técnico es que los tres cables tengan la misma resistencia eléctrica, ya que el sistema de medición se basa en el equilibrio del puente de Wheatstone.
Regulación de Tensión: Zener Mejorado
En este esquema de diseño electrónico, se consigue independizar totalmente la tensión de salida V0 de la tensión de entrada Vs.
Existe un intervalo de tiempo al inicio en el que la tensión Vs favorece la polarización del diodo Zener. Transcurrido este tiempo, el diodo D2 se polariza en inversa y el Zener mantiene su corriente constante gracias a la realimentación positiva del amplificador operacional.
Comportamiento en Régimen Estable y Transitorio
La tensión de salida en el régimen estable se mantiene constante. Por otro lado, en el periodo transitorio, el circuito experimenta ajustes hasta alcanzar su punto de operación.
Si V’s < Vz, se polarizará en inversa el diodo D2 y el resto del circuito quedará aislado. La corriente Zener que se suministra mediante la realimentación positiva asegura la estabilidad del sistema.
Amplificadores de Instrumentación
Para demostrar la fórmula característica de los amplificadores de instrumentación, partiremos del análisis de su esquema circuital fundamental.
Debido a que la tensión diferencial de entrada de cada uno de los amplificadores operacionales es de 0V (cortocircuito virtual), en los nudos 1 y 2 habrá la misma tensión que en las entradas E1 y E2 respectivamente. Aplicando la Ley de Ohm, podemos determinar el flujo de corriente en la etapa de entrada.
Esta corriente circula a través de las dos resistencias de valor R. La tensión resultante en estas tres resistencias se define como Vo, donde se establece la relación de ganancia diferencial del dispositivo.