Circuito Potenciométrico
Generalmente la señal de salida de un sensor toma la forma de una señal de voltaje, este voltaje puede ser fácilmente visualizado en un indicador o registrado con una tarjeta de adquisición o con un microcontrolador. Aún así, en algunos casos los sensores no tiene una señal de salida de voltaje, por lo que deberemos usar componente electrónicos para convertir dicha señal en una salidad de voltaje.
\[\text{Conversión}\ge\text{Potenciométrico}\ge\text{Tipo Puente}\]Los componentes más utilizado para realizar esta conversión son los circuito potenciométricos, y entre ellos los más usados son los circuitos tipo puente. Antes de ver los circuitos tipo puente, estudiemos el circuito potenciométrico más sencillo: el divisor de voltaje.
Divisor de voltaje
Análicemos la relación que existe entre el voltaje de salida del circuito y la variación de una de sus resistencias, la ecuación del divisor es:
En ambos casos podemos ver que existe un relación no lineal entre la entrada y la salida.
Para tratar de remediar esta situación analizaremos los circuitos tipo puente.
Circuitos tipo puente
Existen dos maneras de usar el circuito tipo puente.
Puente de Wheatstone
En la configuración tipo puente Wheatstone se modificará el valor de $R_v$ buscando que $v_o$ sea $0$ (para el calculo se supone que la corriente $I_m = 0$). El valor de $R_v$ entonces será la señal de salida del este circuito, si $R_v$ fue modificada de manera electrónica entonces la señal de control será la señal de salida.
Encontrar la relación entre $R_v$ en función de $R_u$.
Puente de deflexión
En la configuración puente de deflexión tendremos el siguiente circuito, supondremos que la corriente $I_m = 0$.
Encontrar la relación entre $V_o$ en función de $R_u$.
Análisis del error (sensibilidad a los parámetros)
Las tolerancias de los valores de la resistencia afectan enormemente el error del sistema de medidas. Veamos con un ejemplo como se ven afectadas.
Ejemplo
Tenemos un puente de Wheatstone con resistencias $R_1 = R_2 = 500\Omega \pm 0.1\%$ y $R_v$ tiene una incertidumbre de $\pm 0.2\%$, encontremos el rango de valores para $R_u$ teniendo en cuenta que el punto de equilibrio se dio con $R_v = 513.3 \Omega$.
Encontremos los valores máximo y mínimo que puede alcanzar $R_u$ usando los componentes declarados. Usando la expresión:
\[R_u = \frac{R_3}{R_2}\,R_v\]Tendremos como valor mínimo:
\[R_u = \frac{500\Omega-0.1\%}{500\Omega+0.1\%}\left(513.3\Omega-0.2\%\right) = \frac{499.5}{500.5}\left(512.27\right) = 511.25 \Omega = 513.3 \Omega - 0.4\%\]y como valor máximo:
\[R_u = \frac{500\Omega+0.1\%}{500\Omega-0.1\%}\left(513.3\Omega+0.2\%\right) = \frac{500.5}{499.5}\left(514.33\right) = 515.36 \Omega = 513.3 \Omega + 0.4\%\]De aquí podemos ver que la banda de error para $R_u$ es de $\pm0.4\%$
Corrección por balanceo Apex
Para evitar los error generados por las tolerancias de los componentes, podemos modificar el circuito, agregando un potenciómetro como se muestra a continuación.
El cual ajusta el des balance entre el puente. Para la calibración se remplazan $R_u$ y $R_v$ por dos resistencia iguales con valores verificados y se varia $R_5$ hasta que $V_o = 0$, lo que se logra cuando:
\[R_3+R_6 = R_2 + R_7\]Referencias
- Capítuo 9 de Alan S. Morris y Reza Langari (2011). Measurement and Instrumentation: Theory and Application.