8 - Circuitos de Acondicionamiento para Sensores de Reactancia Variable

 

TE MA 7: CIR CUITO OSS D E A C O N D I C I O ON NAMIE NTO PAR A  S E N S O R E S D E R E A C T A N C I A V A R I A B L E 

Bibliografía: Sensores y acondicionadores de señal Pallás Areny, R. Marcombo, 1994 Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición Cooper, W.D. 1990 y otro Prentice-Hall, Componentes electrónicos Siemens Marcombo,1987 Hojas de características de los fabricantes

Juan Enrique García Sánchez, Diciembre 2007 Dpto. de Ing. Eléctrica, Electrónica y Automática. Universidad Univers idad de Castilla Castilla – La Mancha

 

Circuitos de acondicionamiento para sensores de reactancia variable

Juan Enrique García Sánchez, Diciembre 2007

INTRODUCCIÓN  



El circuito de acondicionamiento de un sensor de reactancia variable (inductiva o capacitiva) debe ser alimentado con una tensión o una corriente alterna. Debe existir un med io para detectar lasde variaci variaciones ones de amplitud amplitud, , en la señal de salida del circuito circuito de polarización delmedio sensor, consecuencia las variaciones de la magnitud a medir.



Finalmente, lo deseable es obtener una tensión proporcional a las variaciones de la magnitud a medir.



En el proceso de diseño es preciso minimizar el efecto de los campos electromagnético electromagnéticoss espúreos y



capacidades parásitas que introducen el propio circuito de acondicionamiento y los cables de conexión. Por estas razones, el diseño de los circuit circuitos os de acond acondicionamien icionamiento to para este tipo de sensores no es una tarea simple, en muchas ocasiones de di difícil fícil resolución uti utilizando lizando componen componentes tes discretos. De hecho, la mayoría de los sensores de reactancia variable son acondicionados por el mismo fabricante del sensor, estando disponible, comercialmente, comercialmente, el sensor y su s u circuito de alimentación y acondicionamiento acondicionam iento en un mismo encapsulado, o en encapsulados diferente diferentess pero directament directamentee conectables.



Dado el nivel del curso, curso, el objetivo general generalista ista que se pretende y la gran variedad y casuística que existe existe para este tipo de sensores, expondremos expondremos en este cap capítulo ítulo algunos principios gen generales erales de acondicionamiento acondicionami ento aplicables a sensores capacitivos e inductivos. El conocimiento de estas cuestiones generales nos permitirá (como usuarios) comprender y utilizar adecuadame adecuadamente nte los sensores preacondicionados preacondiciona dos de este tipo que comercialmente están disponibles.

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E S Q U E M A G E N E R A L DE DE A C O N D DII C I O N A M MII E N T O Tensión Tensión de alimentación alimentación del circu ito de polariza polarización ción d el sensor.

Señal Señal de salida del circ uito de polarización polariza ción del sensor, modu lada por la magnitud a me medir. dir.

CIRCUITO DE

SENSOR

POLARIZACIÓN

DETECTOR DE LA SEÑAL MODULADORA

Detección coherente. Otra alternati alternati va es la detección de envolvente.

Evolución temporal de la magnitud a medir.

Señal de salida proporcional a la magnitud a medir.

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P UE U E N T E S D E A L TE TE R N A Para el acondicionamiento acondicionamiento de sensores de reactancia variable, la solución clásica es emplear emplear una configuración de medida en puente alimentado en alterna. De modo que la tensión de salida V S tiene la misma frecuencia que la tensión de alimentación y su amplitud está modulada por la magnitud a medir. (a)

Z0 VS

V Z0

(b)

Z0

VS = V Z0(1+x)

x 2(2 + x )

Z0 VS

V Z0

(c)

Z0(1-x)

VS   = V

x 2

R

L0(1-x) VS

V

Z0(1+x)

VS   = V

R

x 2

L0(1+x)

En el puente (a) la salida varía de forma no lineal con x. Pero si se trata de un sensor diferencial y se ponen sus dos impedancias en brazos adyacentes (puente (b)), entonces hay proporcionalidad entre VS y x. Además, como ya es sabido, las interferencias interferencias térmicas y de otros otros tipos, que afectan por igual eenn los dos brazos, se anulan. Esta es una de las las razones de que los puentes de alterna alterna sean el método de medida habi habitual tual para sensores diferenciales. Si el sensor es inductivo, el divisor fijo se s e toma normalmente resistivo (puente (c)) En el caso de sensores capacitivos (diferenciales o simples) su capacidad es muy pequeña (del orden de pF), si se emplea un puente con un divisor fijo resistivo los errores debidos a las capacidades parásitas a tierra son muy importantes. Los efectos de estas se reducen mucho empleando un apuente el divisor fijo concon la toma intermedia conectada masa.con Normalmente seinductivo implementa un transformador, según se muestra en la figura, y se denomina puente de Blumlein . Debido a la baja impedancia de salida del secundario del transformador, las capacidades parásitas CP no desequilibran el puente.

ZS

CP1 N

VS

V N

VS =

Z1

CP2

≡

VS

Z2

V Z2 − Z1 ⋅     y ZS = Z1 Z2 2 Z1 + Z2 4

 

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P uente d dee B lumlein umlein (continuación) ZS

CP1 N V

Z1 VS

≡

N

VS

Z2

C P2

VS =

V Z2 − Z1 ⋅     y ZS = Z1 Z2 2 Z1 + Z2

Es precisorápidamente. tener en cuenta que para frecuencias mayores de 100kHz las características del transformador se degradan Si las variaciones de impedancia son lineales, por ejemplo con un sensor capacitivo diferencial basado en el cambio de la distancia entre placas, Z1=Z0(1-x) y Z2=Z0(1+x), midiendo la salida con un detector de alta impedanciaa de entrada, la expresión de esta será: impedanci

VS   = V x 2 Si, por el contrario, se trata de un sensor capacitivo diferencial basado en la variación del área de las placas, Z1=Z0/(1-x) y Z2=Z0/(1+x), entonces es mejor emplear un detector de corriente con baja impedancia de entrada porque así se tiene:

IS =  −

V x Z0 5

 

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Li neal nea lizaci ón a ana nallóg ic a de p puent uentes es c ap apaci aci tivos El creciente interés interés por los sensores cap capacitivos acitivos ha mo motivado tivado el desarrollo de circuitos de acondicionamiento acondicionamiento que presenten las ventajas de los puentes pero sin los inconvenientes de la no linealidad de alguno de ellos y, además, que sean más simples que los puentes con transformador. estos circuitos se conocen genéricamente con el nombre de pseudopuentes .

R Z1

V

Si la magnitud a medir produce un cambio en la distancia entre placas, el sensor debe colocarse en el lugar de Z2. Si es la permitividad o el área la que cambia, debe colocarse en Z1. Con el fin de polarizar adecuadament adecuadamentee el amplificador operacional, operacional, es preciso poner una resistencia en paralelo con Z2. El valor de esta resistencia no es crítico; debe ser suficientemente alta para poder considerarla infinita al obtener la expresión de salida (VS) y debe permitir la polarización en continua del operacional. En la práctica, su Z 2.

impedancia debe ser del orden de 100 veces La solución que se muestra en la figura (b) es mejor. En este caso la salida es diferencial. Z1 y Z4 pueden constituir un condensador diferencial con un terminal puesto a masa. Si el parámetro variable es el dieléctrico o el área, entonces la tensión de salida es proporcional a la magnitud a medir. medir. Si el pparámetro arámetro variab variable le es la di distancia stancia entre placas, el sensor debe colocarse en Z2 o en Z3 y no puede ser diferencial. Las necesarias resistencias de polarización de los operacionales no influyen en la salida si están apareadas.

   -

(a)

Si consiste en un condensador con circuito de la figura (a)elsesensor obtiene una salida una lilineal neal cualqui cualquiera erasimple, que sea eell el parámetro que produzca la variación de capacidad del condensador.

Z2

     +

R4

R3

VS

⎛ R R − Z Z  ⎞ VS = V ⎜⎜ 3 4 2 1 ⎟⎟ ⎝  1 + R3 R4  ⎠

Z1

+ -

Z2

(b) Z3

Z4

VS

V         +

⎛ Z Z  ⎞ VS = V ⎜⎜ 2 − 3 ⎟⎟ ⎝ Z1 Z4 ⎠ 6

 

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 A m p li f i c a d o r e s d e a lt ltee r n a Los amplificadores operacionales operacionales de bajo coste, disponibles actualmente, permiten amplificar señales de hasta 10MHz con ganancias de hasta 10, en una sola etapa. Características más que suficientes para la mayoría de los puentes de alterna. Dado que en los puentes de Blumlein la salida VS está referenciada a masa (no es diferencial), no se requiere un amplificadorr diferencial, como en los puentes de continua. Se pueden utilizar amplificadores como los que se amplificado muestran en la figura.

Z1 Z

   -

   -

ZS

ZP VS

     +

(a)

Z2

VO  = − VS VO

     +

Z ZS

ZS

VO

VO = VS

ZP ⎛  Z2 ⎞ ⎜⎜1 + ⎟⎟ ZS + ZP ⎝  Z1 ⎠

ZP VS

(b)

Considerando Considerand o elconfiguración puente representado su equivalente de es Thevenin (VS, ZteS),de si las se emplea comoparásitas detector un amplificad amplificador or en inversorapor (figura (a)), la salida independiente independien impedancias (ZP) que puedan aparecer aparecer en paralelo con los terminales de salida del puente. Por otra parte, la tensión amplificada amplificada es función de VS y de ZS y esto puede dar lugar a una dependencia no lineal aun cuando VS sea lineal. La configuración no inversora (figura (b)), presenta las características contrarias, pues la impedancia parásita ZP S se ve fácilmente en la expresión de V O que desaparece influye en la señal y, amplificada. ZP>>Z esta dependencia por tanto, siNoV Sobstante, es lineal sicon x también lo será VO.

Las impedancias Z, Z1 y Z2 se eligen de modo que el amplificador rechace las frecuencias no deseadas. En concreto, Z y Z2 están constituidas constituidas por un condensador en paralelo con una re resistencia sistencia para rechaza rechazarr el ruido de alta frecuencia, y Z1 sería una resistencia resistencia en serie con un condensa condensador dor para rechazar la componente continua. continua. 7

 

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 A m p li f i c a d o r e s d e a lt ltee r n a (continuación) Trabajar en alterna obliga a mencionar algunas cuestiones que limitan seriamente las prestaciones de los amplificadores amplificad ores operacionale operacionales. s. 

La impedanci impedancia a de entrada es mucho menor qu que ee en n con tinu a. Esto se debe a la capacidad de las

entradas del operacional que presentan valores por encima de 3pF, lo que supone que, por ejemplo, a 1MHz presenta una impedancia de entrada de unos 50kΩ. Si además se añaden otras 



capacidades parásitas por cables de conexión o zócalos, este valor puede ser menor. El anch ancho o de banda se reduce como consecuencia de las capacidades parásitas de los componentes pasivos, especialmente especialmente resistencias. Si es preciso utilizar resistencias de alto valor se deben obtener por asociación serie, con el fin de reducir la capacidad parásita asociada. las alimentaciones alimentacion esEl Al trabajar frecuencias altas, conviene poniendo entre cada apatilla patill a de alimentaci alimentación ón y masadesacoplar según se muestra en la figura. objet objetivo ivo un delcondensador desacoplamiento desacoplami ento es reducir la amplitud de los transitorios en los terminales de alimentación de AO, formando un divisor divisor de tensión entre la im impedancia pedancia de las lín líneas eas de alimentaci alimentación ón y el condensador añadido. Normalmente se ponen condensadores de tántalo de unos 10 μF, no obstante los

fabricantes suelen dar indicaciones precisas al respecto. Los amplificadores operacionales operacionales tienen una capacidad de rechazo de estas fluctuaciones (PSRR: Power Supplay Rejection Ratio) que disminuye al aumentar la frecuencia. Puede pasar de 100dB en continua a unos 30dB a 1MHz. Incluso, a altas frecuencias, el PSRR llega a ser lloo que impl implica icaa que las int interferencias erferencias de alta frecuencia en negativo, la alimentaci alimentación ón pasan la salida amplificadas. En algunos casos las fluctuaciones en la alimentación pueden producir realimentaciones realimentaci ones internas que hacen oscilar al amplificador.

VCC+ 10 10μ μF         +

10 10μ μF

VCC-

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B L I N DA D A J E S E L E C T R OS O S T Á T I C OS OS . G U A R D A S A C T I V A S La impedancia de los sensores capacitivos es tan alta que en el análisis de los circuitos no se puede prescindir normalmentee de las capacidades parásitas que aparecen entre el sensor y los elementos que lo rodean. normalment Además, al depender estas capacidades de la posición relativa del sensor respecto al entorno (cables circundantes, líneas de masa, etc.) se introduce un factor de error importante. Un blindaje (o apantallamiento) eléctrico, consiste en una superficie conductora, conectada a una tensión determinada, determinad que encierra elementocon de independenci interés. El objetivo obje al apantallar sensor capacitivo es mante mantener ner constante laa,capacidad del al elemento, independencia a tivo de las variacionesundel entorno. ZS CS

G

CS CP

(a )

CPT

CP1

(b)

CPT

VO

VS

(c)

En la figura (a) se muestra un blindaje simple. La pantalla añade una capacidad CP a CS, además, la capacidad CPT entre la pantalla pantalla y tierra (dependie (dependiente nte del entorno entorno)) interfiere también con el sensor. S See usa este apantallamiento apantallam iento simple cuando es posible conectar a tierra un terminal del sensor con lo que se anula C PT. El blindaje doble de la figura (b) elimina la dependencia de C PT con el entorno. Con el apantallamiento se logra que la capacidad parásita sea fija aunque de un valor mayor. Es preferible que la capacidad parásita sea más grande pero fija, aunque esto implique una disminución de sensibilidad del sensor, a que sea menor pero dependiente del entorno con la incertidumbre que esto introduce en la medida. En la figura (c) se muestra la conexión entre el sensor y el amplificador con cable apantallado (coaxial) (coaxial) en el que la pantalla se ha puesto a tierra, con lo que se añade una nueva capacidad parásita fija al sensor que es mayor cuanto más largo largo sea el cable, esto puede reducir mucho su sensibilidad. sensibilidad.

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B L I N DA D A J E S E L E C T R OS O S T Á T I C OS O S . G U A R D A S A C T I V A S (continuación) Para lograr una reducción de la capacidad parásita hay que conectar el blindaje no a tierra, sino a un potencial próximo al de los conductores del interior. Esta técnica se denomina guarda acti activa va y requiere el empleo de un circuito seguidor previo o incluido en el amplificador de alterna, según se muestra en la figura. VE ZS

   -

ZS

     +

VI

G

VO

VS

VS

+

CP

VI

ZD: Impedancia de entrada en modo diferencial ZC: Impedancia de entrada en modo común

I2

ZD

I1

I3

ZC ZC

ZD || (1/CPwj) = Z

El circuito puede estudiarse analizando el modelo propuesto en la figura. Se pueden plantear las siguientes ecuaciones. VI = A (VE − VI ) = A (I2ZC − VI ) VS = I1(Z + ZS ) − I2Z + VI 0 = (I2 − I1 )Z + I2ZC + (I2 − I3 )ZC VI = (I3 − I2 )ZC V De estas ecuaciones se deduce que la impedancia de entrada es: E = ( A + 1)Z || ZC I1 Es la impedancia de la capacidad parási ta y lauce impedancia de entrada diferencia diferencial quedan multipli multiplicadas cadas pordecir, A+1. Por tanto, la capacidad parásitaparásita que introduce introd el cable queda reducida en un lfactor prácticame prácticamente nte igual 6 a la ganancia en lazo abierto del amplificador operacional, que decrece desde valores superiores a 10 en continua hasta un va valor lor entre 1 y 10 a la frecue frecuencia ncia de 1 MHz. Cuant Cuantoo mayor sea A, a las fre frecuencias cuencias de interés, tanto mayor será la reducción de la capacidad parásita.

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C O N V E R T I D OR O R E S D E S E Ñ A L A L T E R N A -C O N T I N U A . D eett e c c i ón ó n d e eenn v ol olv en ent e En general, paraaun sensor reactancia variable, a la del amplificador seinformaci tendrá una misma frecuenci frecuencia que la de de excitación mo modulada dulada por la salida magn magnitud itud a medir (x). La información ón señal sobrealterna x se de la encuentra en la amplitu amplitudd de la señal modulada. Será preciso, po porr tanto, extraer la envo envolvente lvente de esta señal. PUENTE

Magnitud x (moduladora)

G

SENSOR

DE

x ALTERNA

t

 Al im ent ación aci ón del pu ent ente e (port (po rt ado ra)

Señal de salida modulada

En aquellas aplicaciones donde la magnitud a medir sólo toma valores positivos, para obtener una tensión proporcional a la amplitud de la señal modulada (envolvente) existen varias alternativas. Comentaremos aquí la obtención del valor de pico y la obtención del valor absoluto (entendido como el valor medio tras rectificar). R    -

VI

R

     +

R

(a)

C

+ -

VO

VI

R

R         +

VO R

(b)

En la figura (a) se muestra un detector de pico. Está basado en el uso de un comparador y un elemento de memoria (condensador). Si VI > VO el condensador condensador se carg carga, a, a traves del diod diodo, o, hasta que VO alcaza a VI. El diodo permite permite la carga y evita la descarga. La resistencia facilita uunn camino de descarga lenta pa para ra el condensad cond ensador or y, de es esta ta fo forma, rma, el ci circuit rcuitoo sig sigue ue lo loss incr incremen ementos tos de decreci creciente entess de llaa ten tensión sión de pico pico.. En la figura (b) se muestra uno de los muchos rectificadores posibles con tensión umbral cero. Aplicando a la salida de este circuito un filtro paso bajo se obtiene el valor medio, también proporcional a x.

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De tec c ión de envol envolvente vente (continuación) En la figura muestra el esquema completo de un de circuito de acondicionamiento un sensor reactancia variable conse dete detección cción de envolvente. Este m método étodo detecció detección n o demodulación (lo (lpara o mismo ocurrede con el detector de pico) es aplicable aplicable cuando la seña señall a medir no cambia de signo. Esta forma de de demodulación modulación no es sensible al signo de x. La tensión obtenida en la salida para –x es la misma que se obtiene para x. En la figura se muestra un ejemplo doble; en el primer caso la entrada siempre es positiva y en el segundo caso se produce un cambio de signo en la magnitud de entrada. x

t

PUENTE DE

SENSOR

ALTERNA

x

t

G

FPB

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Detec c ión coh coherent erentee En los sensores alimentació alimentación n en la modulación amplitud del producto entre la tensión de alimentació alimentación n y lacon variable a medir. Así,alterna, por ejemplo, para un en puente que surge incorpore x( t ) un sensor simple (capacitivo o inductivo) en uno de sus brazos la señal de salida es: VS ( t ) = V( t ) 4 donde se ha supuesto que la impedancia de los cuatro brazos del puente es la misma y que x