Optimizando el rendimiento de un sistema de sensores

Para mantener alta resolución y exactitud en un sistema de medición basado en sensores o transductores, el diseñador debe tener cuidado en la selección de la fuente de excitación para el transductor – y el esquema de cableado de campo usado para transportar la señal analógica de bajo nivel desde el transductor al convertidor A/D. Este artículo se enfocará en métodos de excitación dc aplicables a aplicaciones basadas en sensores y en la medición de las señales de bajo nivel del sensor usando convertidores A/D sigma-delta con alta resolución y exactitud.

Los sensores y transductores se clasifican en activos o pasivos. Los sensores pasivos, tales como termopares, son dispositivos de dos puertos que directamente transforman energía física en energía eléctrica, generando señales de salida sin la necesidad de una fuente de excitación. Los sensores típicos basados en resistencias, tales como RTDs (detectores de temperatura-resistencia) y medidores de tensión requieren un voltaje para excitación en orden de producir una señal eléctrica. Para una fuente de excitación, el diseñador del sistema se enfrenta con el desafío de medir la señal de salida y abordar los problemas que puedan ir surgiendo. Por ejemplo, la resistencia del cableado y captación de ruido están entre los mayores problemas asociados a las aplicaciones basadas en sensores. Una gran variedad de técnicas de medida están disponibles para par empleo bajo demanda de rendimiento óptimo desde sistemas de medición.

Técnicas de cableado y excitación

Los transductores pueden excitarse usando una corriente o voltaje controlados. En sistemas de adquisición de datos, no es común ver excitación de voltaje-constante usado para sensores de presión, a la vez que la excitación de corriente-constante se usa para excitar sensores resistivos tales como RTDs o termistores. En ambientes industriales ruidosos, la excitación actual es preferible generalmente por su mejor inmunidad al ruido.

Dos factores principales para seleccionar una fuente de excitación realzarán el rendimiento del sistema total. Primero, resolución: la magnitud de la excitación será suficiente para el cambio mínimo en las variables medidas para producir una salida del transductor que es lo bastante grande como para superar el ruido y compensar el sistema. Segundo, nivel de potencia: si el sensor es resistivo, el diseñador debe asegurar que el efecto auto calentamiento de la corriente de excitación fluyendo a través del transductor no afecta adversamente los resultados medidos.

Las operaciones ratiometric son muy poderosas; permiten medición y control – usando la alimentación analógica del sistema como referencia – para obtener exactitud independiente de la estabilidad de las referencias de voltaje o alimentación de la excitación. Debido a que el rechazo del suministro de potencia de la mayoría de los ADCs es bastante alto, desviaciones en el voltaje del suministro de potencia no afecta negativamente la medición.

Los circuitos no ratiometric son especialmente convenientes para aplicaciones que requieren mediciones respecto a una referencia absoluta – o donde un simple convertidor sirve para una gran variedad de entradas analógicas no relacionadas. Ya que cambios en referencia o excitación no se eliminan sino que se reflejan en la medición, se requieren para la mayoría de las aplicaciones referencias exactas, precisas y estables.

En el diseño de sistemas de adquisición de datos de alta resolución, los diseñadores tendrán siempre en mente la efectividad en costes de la operación ratiometric donde su uso sea factible.

Puede emplearse una gran variedad de configuraciones de cableado cuando se conectan a sensores resistivos tales como RTDs y termistores en aplicaciones de medición de temperatura. El motivo de existir diferentes configuraciones es que la resistencia del cableado puede introducir errores de medición significativas si no se toman precauciones adecuadas para eliminarlas, particularmente en aplicaciones de RTD de 100-Ω de baja resistencia.

En circuitos RTD, una corriente controlada (usualmente constante) pasa a través del sensor, un resistor cuya resistencia se incrementa gradualmente, repetiblemente y aproximadamente lineal con la temperatura. Cuando su resistencia se incrementa, su caída de voltaje se incrementa y, aunque pequeña, puede medirse sin dificultad.

En una aplicación ideal, el voltaje medido no sólo incluye el incremento en la resistencia del sensor en sí misma.

Si el sensor es remoto y el cable es muy largo, esta fuente de error será significativa en aplicaciones RTD, donde el valor del sensor nominal es de Ω o 1 kΩ, los cambios incrementales son del orden de 0,4 %/°C. Las aplicaciones de termistores, donde los valores de resistencia del sensor nominal son más altos que los de RTDs, tienden a ser menos sensibles a la resistencia.

Bibliografía: Optimizing the performance of a sensor system. Analog.com
Palabras clave: Design of high-resolution data-acquisition systems