SENSORES DE NIVEL CAPACITIVO

Definición de un Sensor.

Un sensor es un dispositivo que detecta, o sensa manifestaciones de cualidades o fenómenos físicos, como la energía, velocidad, aceleración, tamaño, cantidad, etc. Podemos decir también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro elemento.

Como por ejemplo: el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Muchos de los sensores son eléctricos o electrónicos, aunque existen otros tipos.

Es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores sensados puedan ser leídos por un humano.

Los sensores capacitivos funcionan de manera similar a un capacitor simple, es decir; son dispositivos que almacenan carga. Los capacitores se utilizan en una variedad muy amplia de circuitos eléctricos y electrónicos. Un capacitor se compone de dos conductores separados por un aislador. La capacitancia de un dispositivo dado depende de su geometría y del material que separa a los conductores cargados, llamado dieléctrico. En la figura 1 se muestra un capacitor de placas paralelas con su dieléctrico.

Fig. 1

La capacitancia, C, de un capacitor se define como la razón entre la magnitud de la carga en cualquiera de los conductores y la magnitud de la diferencia de potencial entre ellos. De lo anterior se deduce la ecuación (1) C= Q/V (1) donde: C=capacitancia Q=carga V=diferencia de potencial La capacitancia siempre es una cantidad positiva.

Además, puesto que la diferencia de potencial aumenta a medida que la carga almacenada se incrementa, la proporción Q/V es constante para un capacitor dado. En consecuencia, la capacitancia de un dispositivo es una medida de su capacidad para almacenar carga y energía potencial eléctrica.

De la ecuación (2) vemos que la capacitancia tiene la unidad del SI coulomb por volt.
La unidad de capacitancia del SI es el farad (F), en honor a Machael Faraday. 1F=1C/1V (2)

Un sensor capacitivo es adecuado para el caso de querer detectar un objeto no metálico. Para objetos metálicos es más adecuado escoger un sensor inductivo. Para distancias superiores a los 40 mm es totalmente inadecuado el uso de este tipo de sensores, siendo preferible una detección con sensores ópticos o de barrera.

Principio de Funcionamiento de sensores capacitivos

El Condensador forma parte del lazo de realimentación de un oscilador de alta frecuencia, sin objetivo la capacitancia es baja y produciendo una señal de muy baja frecuencia y poca amplitud.
Por otra parte Consta de una sonda situada en la parte posterior de la cara del sensor el cual es una placa condensadora. Al aplicar corriente al sensor, se genera un campo electrostático que reacciona a los cambios de la capacitancia causados por la presencia de un objeto.

Cuando el objeto se encuentra fuera del campo electrostático, el oscilador permanece inactivo, pero cuando el objeto se aproxima, se desarrolla un acoplamiento capacitivo entre éste y la sonda capacitiva. Cuando la capacitancia alcanza un límite especificado, el oscilador se activa, lo cual dispara el circuito de encendido y apagado.

Figura 2 Principio de funcionamiento

Tipos de Sensores Capacitivos

Condensador diferencial

La ventaja de los condensadores diferenciales está en que proveen una salida lineal y permiten la medida tan pequeña como 10-13 mm a 10 mm, y capacidades desde 1 pF a 100 pF. Consiste en un principio similar al de los sensores resistivos diferenciales: mientras uno se incrementa el otro disminuye en la misma proporción, y viceversa. En el caso de que se quiera medir desplazamientos o distancia una configuración típica es:

Figura 3 Condensador Diferencial

en este caso

Finalmente;





Lo que es lineal.

En el caso de lo que se quiera es variar el área con una medida lineal se tiene:

Figura.4

por lo que;

Construcción de un Sensor Capacitivo

Figura5.

Potenciómetro: La sensibilidad (distancia de detección) de la mayoría de los sensores capacitivos puede ajustarse por medio de un potenciómetro (resistencia variable). De esta forma es posible eliminar la detección de ciertos medios (por ejemplo es posible determinar el nivel de un liquido a través de la pared de vidrio de su recipiente).

Oscilador: La amplitud de oscilación varía al aproximarse un objeto.

Circuito Rectificador: La señal alterna recibida del oscilador es convertida por medio del circuito rectificador, de manera que la aproximación del objeto al sensor se traducirá en una variación de una señal de corriente continua.

Circuito Disparador: Este circuito (trigger) compara la señal que le proporcional el rectificador con una señal umbral que cambia ligeramente dependiendo del estado de activación creando así la histéresis del sensor de proximidad. Etapa de Salida: Acondiciona la señal proporcionada por el circuito comparador a los valores de tensión y corriente normalizados, activando o desactivando la salida según corresponda.

Sistema de acondicionamiento

Los sensores capacitivos presentan una situación particular que deben ser alimentados con una señal alterna de excitación. Como se prefiere una capacidad sensora menor a 100 pF, la frecuencia oscilará entre 10 kHz y 100 MHz. Los circuitos de acondicionamiento dependerán de si el sensor es simple o diferencial.

Para el caso de condensador simple se tiene un circuito linealizador

Figura 6 Circuito Linealizador

Este circuito es excitado a corriente constante, por lo que:

Divisor de Tensión.

El divisor de tensión es un circuito simple que también se aplica para estos sensores.

Figura 7 Circuito divisor de tension

Ahora,

Para eliminar la tensión fija que aparece en un divisor de tensión se prefiere utilizar un puente de sensores.

Figura 8

Resolviendo nos queda:

Aplicaciones Industrial de los Sensores Capacitivos

1. Medición de Nivel en liquido Censado a través de paredes de cristal tales como: nivel de aceite o de agua.



2. Detección de productos en líneas de producción: Nivel en cajas de cereal, harina, azúcar, leche en polvo entre otros.



3. Detección de partes plásticas.




4. Detección de paletas para el manejo de material.



5. Conteo de piezas metálicas y no metálicas, entre otros.



6. Irregularidades en materiales.
   


7. Orientación de materiales en bandas transportadora, grandes irregularidades en la textura.

fig.9

Problemas Practico Industrial Para mantener una pieza centrada entre dos superficies paralelas, un determinado servosistema emplea un sensor capacitivo diferencial conectado al acondicionador de señal de la figura 10.

La pieza metálica está puesta a masa y cuando se aparta de un electrodo se acerca al otro una distancia igual. ¿Qué relaciones deben cumplir los componentes pasivos del circuito para que la tensión de salida dependa de la posición de la pieza central pero sea independiente de la frecuencia de la tensión aplicada al sensor.

Figura 11 Sensor capacitivo diferencial conectado a un amplificador de alterna diferencial

El condensador diferencial constituye un divisor de tensión del que se mide la diferencia entre la tensión que hay entre el terminal superior y masa, y entre el terminal inferior y masa. Las tensiones e impedancias equivalentes de Thévenin respectivas son:

Cada amplificador de entrada se comporta como un amplificador inversor. Para que su salida no dependa de la frecuencia, según pide el enunciado, es necesario que R1 y R2 sean mucho mayores que la impedancia de C1 y C2 a la frecuencia de trabajo. En este caso, si se considera que Ad a la frecuencia de trabajo es suficientemente grande, tendremos

Si se desprecian los efectos de bordes, el valor respectivo de los dos elementos del condensador diferencial formado por dos condensadores de placas paralelas con área A es

La tension de salida será:

Esta tensión es independiente de la frecuencia, pero depende del desplazamiento de la pieza móvil de forma no lineal.

Conclusión

Sin importar el tipo de sensor, la parte fundamental para su selección es atender minuciosamente a la aplicación, ya que de ésta depende en gran medida su correcta selección.
El medio ambiente es otra variable importante, ya que puede entorpecer en cierto rango el
medio de sensado, además de los problemas de operación del mismo. Es importante atender
las recomendaciones de uso y aplicación del fabricante, en particular por el hecho de que algunos sensores son de precio elevado y un error en su instalación o manejo puede ocasionar una inversión adicional al volverlos a comprar.

Osnaiber D 'imperio

Nelson Cordero