MEDICION DE RESISTENCIA - PUENTES DE MEDICIÓN
¿Por qué es importante la medición de las resistencias?
La medición de resistencia es fundamental en la instrumentación electrónica, ya que proporciona información valiosa sobre cambios en la temperatura, deformación mecánica y otras variables importantes en diversos sistemas y aplicaciones. Los sensores ohmicos, como las PTC100 y las galgas extensiométricas, son ejemplos de dispositivos que utilizan la medición de resistencia para obtener datos precisos.
La medición de resistencia se basa en el principio de que la resistencia eléctrica de un material o componente puede variar en respuesta a cambios en la temperatura, deformación mecánica o cualquier otra influencia externa. Los sensores ohmicos aprovechan esta propiedad al tener una resistencia que varía de acuerdo con el fenómeno que se desea medir.
Por ejemplo, el caso de los sensores de temperatura basados en resistencias, como las PTC100, su resistencia aumenta de manera significativa con el incremento de la temperatura. Esto se debe a las características específicas del material utilizado en su fabricación, que presenta un coeficiente de temperatura positivo. Al medir la resistencia de estos sensores, podemos obtener información precisa sobre la temperatura ambiente o de un objeto en particular.
Los métodos más utilizados para la medición de las resistencias son: método de deflexión y los puentes de medición.
Circuitos de medida método de deflexión.
Los circuitos de medida por el método de deflexión se utilizan en conjunto con elementos de medición, como celdas de carga o medidores de presión, para obtener una lectura precisa de la magnitud física que se está midiendo. Estos circuitos permiten convertir la deflexión o deformación del elemento sensor en una señal eléctrica proporcional a la magnitud medida.
Un ejemplo de método de medición por deflexión es el enfoque de lectura
doble, donde se utiliza una resistencia conocida y estable en serie con
el sensor resistivo. En este método, se toman las lecturas de tensión en
ambas resistencias para obtener información precisa sobre la magnitud
medida.
El procedimiento utilizado para determinar el valor de RX, es el siguiente, mediante el uso de los divisores de voltaje, se obtienen las ecuaciónes que describen el voltaje de Vs y Vx, acto seguido se proceden a dividir Vs/Vx, donde despues de un par de pasos algebraicos es posible encontrar una relación para Rx, en terminos de Vs, Rs y Vx.
Otro ejemplo adicional del método de medición por deflexión es el uso de divisores de tensión, que es ampliamente utilizado para medir resistencias de valor alto. Sin embargo, es importante tener en cuenta que una desventaja de este método es la necesidad de asegurar un acoplamiento de impedancias adecuado entre el sensor y el dispositivo de lectura.
Esta técnica se basa en el uso del divisor de tensión, ya que es a partir de este que se puede determinar el valor de la resistencia del sensor (Rx) mediante el despeje de una ecuación. De esta manera, es posible obtener una expresión que relaciona el valor de Rx con otros parámetros accesibles en el sistema de medición.
Puentes de medición DC.
No obstante, entre los métodos más utilizados para la mediciones de las resistencias además del Óhmetro, se encuentra los circuitos de los puentes. La medición de resistencia con circuitos puentes es una técnica común utilizada en electrónica y metrología para medir con precisión el valor de una resistencia desconocida. Los circuitos puentes funcionan comparando la resistencia desconocida con una resistencia de referencia conocida y ajustando otros componentes del circuito para lograr un equilibrio. Cuando el puente está equilibrado, se puede determinar el valor de la resistencia desconocida. Entre los puentes más comunes en mediciones DC se encuentran:
- Puente de Wheatstone.
- Puente de Kelvin.
Puente de Wheatstone.
El puente de Wheatstone es un circuito eléctrico utilizado para medir resistencias desconocidas con alta precisión. Fue inventado por Samuel Hunter Christie en 1833 y popularizado por Sir Charles Wheatstone en la década de 1840. El puente de Wheatstone consta de una red de cuatro resistencias, que se conectan en forma de diamante o cuadrado.
A partir de la relación anterior, se puede despejar el valor de la resistencia desconocida Rx:
Además existe una ecuación para determinar el valor del Vo mediante analisis de circuitos eléctricos:
Algunos beneficios de usar el puente de Wheatstone:
Alta precisión: Permite medir resistencias con una precisión muy alta, lo que es especialmente útil en aplicaciones de metrología y calibración.
Flexibilidad: El puente se puede configurar para adaptarse a diferentes rangos de resistencia y aplicaciones específicas.
Bajo costo: Los componentes necesarios para construir un puente de Wheatstone son generalmente económicos y ampliamente disponibles.
Algunas aplicaciones del puente de Wheatstone:
Medición precisa de resistencias desconocidas: El puente de Wheatstone se utiliza para medir resistencias con una precisión superior a la de los métodos de medición directa.
Detección de cambios de resistencia: Se utiliza en aplicaciones de sensores de resistencia, como medidores de deformación y sensores de temperatura.
Medición de parámetros físicos: El puente de Wheatstone se emplea en la medición de variables físicas como fuerza, presión, luz, humedad, entre otras, utilizando sensores basados en resistencias.
Calibración de instrumentos: Se utiliza para calibrar instrumentos de medición de resistencia, como multímetros y probadores de resistencia.
Puente de Kelvin.
El puente de Kelvin, también conocido como puente de cuatro terminales o puente de Thomson, es un circuito utilizado para medir resistencias de baja resistividad o resistencias en las que es necesario minimizar los efectos de las resistencias de contacto, generalmente para medir resistores eléctricos desconocidos menores a 1 ohmio. Fue desarrollado por William Thomson, más conocido como Lord Kelvin, en el siglo XIX.
El puente de Kelvin se utiliza para eliminar los errores causados por las resistencias de contacto en las mediciones de resistencia. Está compuesto por cuatro terminales o puntos de conexión, a diferencia del puente de Wheatstone que tiene solo dos. Los cuatro terminales se utilizan para separar las resistencias de contacto de las resistencias desconocidas, minimizando así su influencia en la medición.
Si se conecta el galvanómetro en el punto m, la resistencia de Ry se suma con Rx resultando una indicación por arriba de Rx.
Cuando se conecta el galvanómetro en el punto n, la resistencia de Ry se suma con Rx dando así un valor de Rx menor que el que debería ser porque el valor real de R3 es más alto que su valor nominal debido a la resistencia de Ry
Si el galvanómetro se conecta en el punto p, entre m y n, de tal forma que la razón de resistencia de n a p y de m a p iguale la razón de los resistores R1 y R2, entonces:
Algunos beneficios del puente de Kelvin:
Mayor precisión en la medición: Al separar las resistencias de contacto, el puente de Kelvin reduce los errores causados por estas resistencias, lo que resulta en mediciones más precisas y confiables.
Compensación de efectos no deseados: El diseño del puente de Kelvin minimiza los efectos de las resistencias de contacto, lo que permite obtener mediciones más exactas y eliminar las incertidumbres asociadas con ellas.
Mejora de la repetibilidad: Al minimizar las resistencias de contacto, el puente de Kelvin proporciona mediciones más consistentes y repetibles, lo que es esencial en aplicaciones de control de calidad y pruebas de productos.
Puentes de medición AC.
Los puentes de medición AC son circuitos utilizados para medir magnitudes eléctricas de corriente alterna (AC) con mayor precisión y sensibilidad. Estos puentes se basan en el principio de equilibrio de un circuito puente, donde se ajustan los valores de los componentes para que la salida del circuito sea cero cuando se cumple una condición específica.
Los puentes de medición AC son especialmente útiles para medir resistencias, impedancias, capacitancias e inductancias en aplicaciones de corriente alterna. Estos circuitos suelen utilizar un oscilador o una fuente de señal alterna para aplicar una señal AC al circuito puente. Luego, se ajustan los valores de los componentes hasta que se logre el equilibrio, lo que se detecta a través de la medición de la señal de salida, que generalmente se realiza utilizando un detector de fase o un galvanómetro.
Los puentes de medición AC más conocidos son:
- Puente de Maxwell.
- Puente de Schering.
- Puente de Wien.
El puente de Maxwell es un tipo de puente de medición utilizado para determinar la capacitancia de un componente o elemento en un circuito eléctrico. Este puente se basa en el principio del equilibrio de un circuito puente, donde se ajustan los valores de los componentes hasta que la corriente en el galvanómetro sea cero. Al lograr el equilibrio, se puede determinar con precisión el valor de la capacitancia desconocida.
El puente de Maxwell es especialmente útil en aplicaciones donde se requiere medir y calibrar capacitancias, como en el diseño y fabricación de circuitos electrónicos, equipos de comunicación y sistemas de control. Además, este puente se utiliza en laboratorios de metrología y calibración para verificar la precisión de los capacitores utilizados en diversos dispositivos y sistemas.
Fuente: Tomada de Javier M. Baquero, Puentes de Medición AC.
Puente de Schering.
El puente de Schering, también conocido como puente de capacitancia de Schering, es un tipo de puente de medición utilizado para determinar la capacitancia de un componente, como un condensador, con alta precisión. Este puente se basa en el principio del equilibrio de un circuito puente. Al lograr el equilibrio, se puede determinar con precisión el valor de la capacitancia desconocida.
El puente de Schering encuentra aplicaciones en diversas áreas, como en la industria eléctrica y en laboratorios de calibración. Es utilizado para medir y verificar la capacitancia de condensadores utilizados en sistemas de energía, equipos de alta frecuencia y aplicaciones de alta precisión, como en sistemas de comunicaciones y equipos de medición.
Fuente: Tomada de Javier M. Baquero, Puentes de Medición AC.
Puente de Wien.
El puente de Wien, también conocido como puente de Wien-Robinson, es un tipo de circuito puente utilizado para medir y ajustar la frecuencia de una señal sinusoidal. Este puente se basa en la capacidad de equilibrar una señal de frecuencia específica utilizando componentes resistivos, capacitivos e inductivos. Al ajustar los valores de los componentes, se puede lograr un equilibrio en el puente y obtener una señal sinusoidal con una frecuencia precisa.
Fuente: Tomada de Javier M. Baquero, Puentes de Medición AC.
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