Configuraciones de puente para sensores de presión
Este artículo describe las configuraciones de puente de diferentes sensores de presión, cuándo se puede y no se puede usar cada uno, y las ventajas y desventajas de cada uno.
Introducción
El puente de Wheatstone es el núcleo de Merit Sensor sensores de presión y se compone de un grupo de cuatro resistencias en un diafragma grabado de silicio. Cuando se aplica presión al diafragma, las resistencias se tensan, lo que cambia su resistencia.
En una configuración ideal, todas las resistencias estarían perfectamente emparejadas y serían totalmente independientes de la temperatura.
Sin embargo, en la práctica, existen diferencias entre los valores de resistencia de cada resistencia. Además, la temperatura también cambia los valores de las resistencias. El cambio en los valores de resistencia y la salida general del puente causada por la temperatura se denomina Coeficiente de resistencia de temperatura o TCR.
En muchas aplicaciones se necesita un sensor de presión que funcione independientemente de la temperatura. Tales aplicaciones requieren la compensación del TCR del sensor de presión.
La compensación de TCR se puede realizar en dos métodos generales: pasivo y activo. En la compensación pasiva, se deben medir los valores de cada resistencia de puente para determinar los valores requeridos para las resistencias de compensación.
En la compensación activa, un circuito analógico, un microcontrolador o un acondicionador de señal registra la salida del puente en varias condiciones de presión y temperatura y ajusta las salidas del sensor en consecuencia.
Configuraciones de puente
una. Cerrado – Un puente en el que se conectan todas las resistencias (Ver Figura 1).
Figura 1. Puente cerrado.
En un puente cerrado, las resistencias individuales no se pueden medir porque las otras tres resistencias del puente siempre tendrán influencia sobre ellas.
b. Medio abierto – Un puente semiabierto se divide en dos ramales y se conecta por un extremo (Ver Figura 2).
Figura 2. Puente medio abierto.
A diferencia del puente cerrado, un puente semiabierto permite medir cada resistencia, lo que es una ventaja si es necesario determinar el rendimiento del sensor. Además, un puente semiabierto permite agregar compensación activa o pasiva según se requiera.
Se necesita una conexión eléctrica adicional por medio de un puente abierto.
C. Completamente abierto – Un puente totalmente abierto se divide en dos ramales y está abierto en ambos extremos (consulte la figura 3).
Figura 3. Puente completamente abierto.
Al igual que el puente semiabierto, el puente completamente abierto también permite la medición de cada resistencia. Puede utilizar compensación activa o pasiva. Además, cada mitad del puente se puede alimentar y medir de forma independiente, lo cual es una ventaja porque algunos acondicionadores de señal que se usan comúnmente en aplicaciones de sensores de presión requieren dos ramas independientes.
Sin embargo, la configuración de puente completamente abierto necesita una conexión eléctrica adicional que va más allá de la requerida por la configuración semiabierta.
Ejemplos de implementaciones
una. Cerrado – Como no es posible medir las resistencias individuales en un puente cerrado, se puede usar con compensación activa o en una aplicación donde las fluctuaciones de salida del sensor causadas por cambios de temperatura son aceptables.
En la Figura 4 se muestra un puente cerrado con compensación activa.
Figura 4. Puente cerrado con dispositivo de interfaz (ASIC de acondicionamiento de señal, microcontrolador, circuitos analógicos, etc.)
Un interruptor de presión es un ejemplo de una aplicación adecuada para un puente cerrado, donde la independencia de la temperatura no es crítica. Aquí, saber que se ha alcanzado un umbral de presión es más importante que medir la presión absoluta.
b. Medio abierto – Como se muestra en la Figura 4, la compensación activa se puede aplicar al puente semiabierto. De manera similar, la compensación pasiva también se puede aplicar al puente semiabierto como se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Puente medio abierto con compensación pasiva.
La Figura 5 muestra la implementación de un puente semiabierto con compensación pasiva, indicando que los componentes agregados y la conexión eléctrica extra (Ven +) son necesarios para cerrar el puente. Tal como su nombre lo indica, las resistencias adicionales logran compensación de amplitud, cero e impedancia de salida. Estos componentes deben agregarse después de tomar las medidas del puente abierto en las condiciones requeridas.
C. Completamente abierto – El puente abierto completo tiene una amplia gama de implementaciones. Además de usarse como un puente completamente abierto, el puente completamente abierto se puede usar como un puente cerrado (Figura 4) o semiabierto (Figura 5). La figura 6 muestra cómo se podría usar un puente completamente abierto para dos funciones: presión y temperatura.
Figura 6. Puente abierto completo con dos funciones.
En esta implementación, la mitad del puente está siendo utilizado como sensor de presión y el otro se utiliza como sensor de temperatura. Como solo existe la oscilación de voltaje de la mitad del puente, solo estará presente la mitad de la señal de salida de presión. Sin embargo, esto proporciona el beneficio adicional de medir la temperatura real del troquel. Cuando se compara con una medición de temperatura ambiente, esta medición de temperatura permitirá una entrada más precisa para la compensación de temperatura.
Elección de la configuración adecuada para una aplicación
Es necesario considerar todo el sistema de detección al tomar decisiones sobre la configuración del puente. Primero, los usuarios deben decidir si la independencia de la temperatura es significativa. Si es importante, entonces deben decidir si se utilizará una compensación pasiva o activa. Si se selecciona la compensación activa y se utilizará un acondicionador de señal u otro dispositivo electrónico, debe cumplir con los requisitos de ese dispositivo. Se debe tener cuidado ya que los dispositivos con funciones similares pueden tener requisitos muy diferentes.
Como se discutió antes, cada configuración tiene sus propias ventajas y desventajas. Aunque las conexiones eléctricas adicionales de un puente completamente abierto aumentan la complejidad del ensamblaje, permiten una mayor flexibilidad y también brindan la capacidad de solucionar los problemas del puente con mayor facilidad.
Eventualmente, la configuración del puente debe elegirse en base a un análisis exhaustivo del sistema.
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