Los sensores moduladores, como su nombre lo indica, toman una variable eléctrica como la resistencia (o cualquier forma de impedancia) y la modifica en función a la variable que se mide como pueden serlo la temperatura, la presión, el nivel, el desplazamiento, etc. Dentro de los sensores moduladores se encuentran 3 grupos: los resistivos, los de reactancia variable y los electromagnéticos que se presentan a continuación.
- Sensores resistivos.
Los sensores resistivos son los que modulan o modifican su resistencia ante cambios de la variable medida, que pueden ser variables mecánicas, térmicas, magnéticas, ópticas o químicas. Para cada uno de este tipo de variable existe un sensor resistivo distinto, cuyo funcionamiento se explica a continuación.
- Potenciómetros (Variables mecánicas)
El potenciómetro se utiliza para medir desplazamiento, y su funcionamiento es muy sencillo: se coloca a una resistencia fija, un cable conductor entre los terminales y de esta manera se obtiene una fracción de la resistencia total entre uno de los terminales y el cable colocado. Para calcular la resistencia de un resistor se debe multiplicar la resistividad del material por su longitud entre el área de la sección transversal. De esta manera, el potenciómetro varía la resistencia por medio del cambio de la longitud del resistor que deja de ser la longitud total, y se convierte en la longitud total menos la posición del cable conductor, que generalmente se denomina cursor.
A pesar de la simplicidad de este sensor, se presentan algunos problemas en la práctica. En primer lugar, la resistividad de los materiales varía con la temperatura por lo que el sensor cambia su comportamiento a distintas temperaturas. Luego, también existen otras 2 deformaciones que modifican la resistencia: el desgaste que se produce por el roce donde hay contacto con el cursor, modificando el área de la sección transversal y también producto de las fuerzas ejercidas sobre él.
Con respecto a la linealidad, mientras el área de la sección transversal sea constante el sensor será completamente lineal. Con áreas variables se pueden obtener sensores cuadráticos, logarítmicos, etc dependiendo de la forma de área. Con respecto al tipo de salida, se pueden tener salidas analógicas (carbón) o señales digitales (hilo arrollado).
- Galgas extensométricas (Variables mecánicas)
Las galgas extensométricas se utilizan para medir desplazamiento y utilizan el mismo principio básico del potenciómetro varían la longitud o la sección transversal. El principio se basa en la deformación vs. esfuerzo de los materiales, que al inicio se presenta de manera lineal, hasta un punto y luego la deformación disminuye un poco antes de llegar al punto de ruptura. Las galgas trabajan en la parte lineal de la deformación vs. esfuerzo, ya que la deformación cambia la forma del resistor y por lo tanto, la resistencia; este tipo de sensores se usa para medir fuerza, presión, vibración o pequeños desplazamientos.
Como todo sensor, presentan ciertos problemas como por ejemplo, hay que cuidar el punto de ruptura, ya que se debe mantener la medición en la región lineal para que el material no se rompa. También debe tomarse en cuenta que el esfuerzo debe ser perpendicular a la galga, para lograr deformación con la longitud del resistor. Por último, al igual que todos los dispositivos resistivos la temperatura afecta la medición.
- Termorresistencias (Variable térmicas)
Las termorresistencias cambian su resistividad con la temperatura al igual que todos los dispositivos resistivos pero con mayor sensibilidad. La relación entre la temperatura y resistencia es lineal; existe una resistencia Ro inicial y la resistencia total aumenta a medida que aumenta la temperatura (con una ganancia alfa que depende del material y la forma). A pesar de su similitud con los termopares, las termorresistencias son mucho más sensibles, especialmente las termorresistencias de platino que son las más utilizadas.
Sus principales desventajas son el calentamiento producto de la corriente que pasa por el conductor y también que no se pueden medir temperaturas muy altas, ya que el resistor no puede llegar a su punto de fusión porque se derretiría.
- Termistores (Variables térmicas)
Los termistores cambian su resistividad con la temperatura al igual que todos los dispositivos resistivos pero con mayor sensibilidad. A diferencia de la termorresistencia, el termistor está hecho de semiconductores. La relación entre la temperatura y resistencia no es lineal (generalmente exponencial), y puede construirse con coeficiente positivo o negativo, o sea, la resistencia puede aumentar o disminuir mientras aumenta la temperatura.
Los termistores son mucho más rápidos que las termorresistencias; pero tiene la desventaja de no ser lineal. Sin embargo, para mediciones en rangos pequeños se puede considerar por aproximación de polinomios una recta, es decir, linealidad.
- Magnetorresistencias (Variable magnéticas)
Las magnetorresistencias cambian su resistencia por las variaciones de campo magnético a su alrededor, por medio del efecto magnetorresistivo. Este tipo de sensor se utiliza mucho en tarjetas magnéticas, aunque también se puede usar para detectar desplazamiento de piezas metálicas, o detectores de proximidad; donde el campo generado por el imán es medido por la magnetorresistencia.
Las magnetorresistencias se hacen con una aleación de Hierro y Níquel.
- Fotorresistencias (Variables ópticas)
Las fotorresistencias son sensores moduladores que cambian el valor de la resistencia por la cantidad de luz que recibe, es decir, dependiendo de la cantidad se fotones que llegan a su superficie semiconductora se obtiene un determinado valor de resistencia. En realidad es otro tipo de termorresistencia pero es más sensible a las radiaciones electromagnéticas del campo visible que a los del espectro infrarrojo (calor).
- Higrómetros resistivos (Variables químicas)
El higrómetro modula su valor de resistencia dependiendo de la humedad. Generalmente se utiliza un aislante eléctrico, ya que este disminuye su resistencia a medida que acumula vapor de agua, es decir, humedad.
- Acondicionamiento: Puente de Wheastone, Amplificador de Instrumentación.
Con los sensores moduladores se tiene una desventaja, ellos no funcionan por si solos, ya que como su nombre lo indica, ellos modulan la fuente y por lo tanto necesitan un circuito para poder funcionar. Generalmente se mide tensión, corriente o frecuencia dependiendo del tipo de sensor utilizado, y el circuito que convierte el cambio de resistencia en cualquier otra variable se denomina circuito de acondicionamiento, de los cuales se expondrán los más básicos: el divisor de tensión, el puente de Wheatstone y los amplificadores para puente de sensores.
- Divisor de Tensión:
El divisor de tensión está conformado por una resistencia y un sensor con una fuente constante. Como las resistencias están en serie, con una fuente de corriente se obtienen voltajes constantes sobre la resistencia y variables sobre el resistor; como una fuente de voltaje, la corriente se modifica al modificar el valor resistivo del sensor, y por lo tanto el voltaje también cambia.
En el caso de que se alimente con una fuente de voltaje, la medición de voltaje sobre el sensor será no lineal debido a la resistencia en paralelo que añade el instrumento de medida, es decir, el voltímetro. Por este motivo se presenta un error que disminuye a medida que la resistencia del multímetro aumenta; generalmente se considera la resistencia de los voltímetros como infinito y bajo esta presunción el error es cero. También existe un método alternativo para disminuir el error de no linealidad y consiste en colocar una resistencia en paralelo con la resistencia fija.
- Puente de Wheatstone:
El puente de Wheatstone es un circuito conformado por un puente de 4 resistencias, en el cual, para efectos de la medición se reemplaza uno (un par o los 4) de los resistores por el sensor. El medidor (voltímetro) se coloca en la salida del puente y por lo tanto los errores de linealidad desaparecen. Cuando se tiene un sensor diferencial, se cambian 2 resistores por sensores, y por lo tanto, el voltaje de salida del puente es proporcional a la mitad del desplazamiento. Si se tienen 4 sensores, 2 que aumentan su resistencia y 2 que disminuyen su resistencia dependiendo de la variable medida, la salida del puente debe ser directamente proporcional al desplazamiento incrementando en gran medida la sensibilidad del proceso de medición.
Cabe destacar que para la utilización del puente de Wheatstone se debe tener un instrumento que sea capaz de medir la tensión en la salida del puente. Para esto se puede utilizar un galvanómetro, un osciloscopio o un multímetro digital.
- Amplificadores:
En la mayoría de los casos obtener una medición no es suficiente por el simple hecho de que la amplitud obtenida no es suficiente para los valores de sensibilidad o resolución deseados. En estos casos se usan circuitos amplificadores que pueden estar en la salida de un puente de Wheatstone y de esa manera también se logra aterrar la salida y medir la variable con respecto a una tierra común. Para los amplificadores se tienen distintas configuraciones:
Amplificador diferencial: Toma 2 entradas diferenciales y la resta después de haber amplificado cada una de ellas a su valor final. Su rechazo al modo común no es tan alto.
Amplificador de instrumentación: Sus principales características son la alta impedancia de entrada y el alto rechazo del modo común. El equilibrio se alcanza por medio de la variación de un solo resistor y por lo tanto su ganancia es estable. De hecho, generalmente el fabricante provee valores de resistencias para obtener distintos valores de ganancia.
Amplificadores de Aislamiento: Tienen una impedancia de entrada muy alta, en el orden de los 10^12ohm.
- Sensores de reactancia variable
Además de los sensores resistivos existen sensores de reactancia variable, que varían su reactancia dependiendo de la variable medida. Como no se mide resistencia no existe efecto de carga, ni errores producidos por la resistencia de los cables. Sin embargo, la reactancia no proporciona gráficas de corrientes y voltajes constantes, lo cual produce errores; para compensar este error de no linealidad se utilizan sensores de reactancia variable por pares, es decir, sensores diferenciales.
La principal diferencia está en la fuente, ya que por ser elementos capacitivos e inductivos se requiere una fuente alterna. Por lo tanto, solo se puede medir variaciones más lentas que las frecuencias utilizadas para la fuente de alimentación.
- Sensores Capacitivos
Los sensores capacitivos tienen un capacitor (sensor simple) o un conjunto de ellos (sensor diferencial).
- Condensador variable
Los capacitores son componentes electrónicos conformados por 2 placas metálicas separadas por un material dieléctrico. Al ser alimentado por un voltaje, las placas se cargan con una carga C que depende del material, el área de las placas, el dieléctrico entre ellas y su distancia. Para utilizar un capacitor como sensor es necesario variar uno de los parámetros mencionados. Se prefiere este tipo de sensor para medir desplazamiento ya que no tiene una carga mecánica, no existe ni roce ni fricción, la medida se realiza sin ni siquiera tocar el objeto a medir. Otra ventaja importante de este sensor es que no depende de la temperatura y por lo tanto puede llegar a ser muy preciso y medir en el orden de los picometros. Además de medir distancia, y desplazamiento se puede medir nivel introduciendo las placas paralelas en el tanque a medir; mientras el nivel suba o baje el dieléctrico entre las placas varia su proporción y por lo tanto la capacitancia cambia.
Entre los principales problemas que presenta el capacitor variable es el efecto borde, ya que lo electrones además de ir perpendiculares a las placas paralelas, también saldrán por el borde de una placa hacia la otra describiendo una curva y cambiando el valor de capacitancia. Para corregir estos errores se utiliza un apantallamiento, es decir, se rodea la placa con un material conductor para que el capacitor se forme entre ellos y no una placa con la otra. Otro aspecto importante son los capacitores parásitos que se forman en los cables de conexión y en el circuito en general, y esto también se soluciona apantallando todos los cables posibles con tierra.
Como la capacitancia es proporcional al área e inversamente proporcional a la distancia entre las placas, cuando se varía el área de superposición entre las placas se recomienda medir la admitancia, que es proporcional a la capacitancia, para que la medición sea lineal. Para cambios en la distancia entre las placas se recomienda utilizar la impedancia para que la salida sea lineal.
- Condensador diferencial
Los capacitores también se pueden colocar por pares y por lo tanto la medida es diferencial. Como principal ventaja está que la salida del sistema siempre es lineal, ya que mientras un sensor incrementa su capacitancia el otro disminuye en la misma medida. Su uso más común se da cuando se colocan 2 placas paralelas y el objeto metálico entre ellas formando un capacitor entre cada placa y el objeto a medir. Si el objeto se desplaza hacia un lado, la distancia varía y la capacitancia de un capacitor aumenta y la otra disminuye. La salida diferencial:
Vo1-Vo2 = V x / d
Es posible también variar el área superpuesta, colocando una placa al lado de la otra y el objeto a medir entre ellas con la mitad sobre una placa y la otra mitad sobre la otra. De esta manera, al desplazar el objeto el área superpuesta con cada placa varía:
C2-C1 = 2 Co X / Xo
También se puede medir desplazamiento angular con 4 placas semicirculares:
Vo = 2 V ángulo / Pi
- Acondicionamiento: divisor de tensión, amplificador de carga, amplificador de transconductancia
Como los sensores capacitivos requieren ser alimentados por una señal alterna se prefiere que los sensores capacitores midan con una capacitancia menor a 100pF. Los circuitos de acondicionamiento necesarios dependen del tipo de sensor: simple o diferencial.
Circuito Linealizador (sensor simple): Se utiliza un amplificador operacional con realimentación negativa (el capacitor sensor) y una resistencia en paralelo; en la entrada negativa del operacional se coloca una fuente con un capacitor en serie. El circuito funciona a corriente constante, y por lo tanto el voltaje de salida es:
Vo= -V (1 + x) (C/Co), siendo Co la capacitancia inicial del sensor, C el capacitor que va en serie con la fuente y V el voltaje de la fuente.
Divisor de tensión (sensor simple y diferencial): Al igual que con sensores resistivos, se pueden aplicar divisores de tensión, pero ahora se debe tomar la impedancia en lugar de la resistencia para el cálculo. Se coloca una fuente de voltaje, con una impedancia fija y el sensor capacitivo en serie; luego se mide la salida sobre la impedancia sensor. Generalmente, la capacitancia que se pone en serie es del mismo valor que la capacitancia inicial del sensor, y el desplazamiento se mide según la siguiente fórmula:
Vo = V (1+x)/(2+x)
Para el sensor diferencial se colocan los 2 capacitores sensores en serie con una fuente de voltaje y su salida es:
Vo= V (1+x) / 2
- Sensores inductivos
Los sensores inductivos modulan la reactancia pero por la inductancia por medio del campo magnético. Se mide el campo o la distancia entre el campo magnético y el sensor.
- Reluctancia variable
Los sensores de reluctancia variable se utilizan para medir desplazamiento angular, lineal, distancia, posición, etc. Sus principales ventajas son la alta sensibilidad y la carga mecánica casi nula que ejerce sobre el proceso. Para esto utiliza el principio básico de una inductancia, es decir, la medida se realiza por medio de la variación de la permeabilidad, longitud o área. Los sensores de reluctancia pueden tener entrehierro variable, es decir, cambia la longitud o de núcleo móvil, que es cuando cambia la permeabilidad de la bobina. Al igual que los sensores capacitivos se deben apantallar para prevenir errores por inductancias parásitas y son inversamente proporcionales a la resistencia por lo que sus medidas tienden a ser no lineales.
- Inductancia mutua (LVDT)
Los sensores de inductancia mutua utilizan un conjunto de bobinas que, como su nombre lo indica se inducen corriente mutuamente. Se conecta un primario con 2 secundarios y se desplaza un núcleo entre ellas, variando la corriente que llega a cada uno de los secundarios, midiendo por tanto distancias que pueden ser desde pocos micrómetros hasta un cuarto de metro. Es el único sensor que no cambia su impedancia sino la tensión alterna en las salidas del secundario. No tiene carga mecánica (roce), mantienen un completo aislamiento eléctrico entre el primario y el secundario y su resolución puede ser tan alta como se desee y lineal.
- Acondicionamiento
El acondicionamiento de sensores inductivos es el mismo de los sensores capacitivos: divisores de tensión, puentes de impedancias, etc. En el caso de la LVDT se utiliza un método de amplificación y detección de portadora para encontrar el valor real de la medición de amplitud grande.
- Sensores electromagnéticos
- Basados en la ley de Faraday
La ley de Faraday se refiere a la fuerza electromotriz generada por la variación de flujo magnético en una bobina. Generalmente se usa para mediciones de flujo en tuberías y es ideal cuando se requiere un tratamiento no invasivo, ya que se hace por medio de electrodos, habitualmente de acero. Entre sus principales desventajas está que la tubería (que no puede ser metálica, ni magnética) debe estar llena del objeto a medir.
- Basados en el efecto Hall
El efecto Hall es la aparición de campo eléctrico en un conductor cuando es atravesado por un campo magnético. Con esto, es posible medir campos magnéticos y desplazamientos con un pequeño error de cero por motivos físicos y el cambio de resistencia por la temperatura, pero sin resultar ser un método invasivo.
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