SENSOR CAPACITIVO, MEDIR NIVEL DE UN LIQUIDO

“Se diseñó un circuito que posee un sensor capacitivo para medir la profundidad o nivel del agua. Sirve como base a futuros proyectos en los que se requiera la medición del nivel de líquidos como medida única o como parte de una serie de mediciones, por ejemplo para medir el caudal en un río donde aparte de la velocidad del agua se necesita la profundidad." 

INTRODUCCIÓN:

El diseño general del circuito que manipula la señal analógica proveniente del sensor se muestra a continuación con sus bloques representativos:

Estos cuatro bloques constituyen la parte analógica del circuito; de la salida Vo se toma la señal para un posterior tratamiento digital con microcontrolador y despliegue en pantalla LCD, que se expondrá más adelante. 

En el proceso de diseño se inició definiendo el tipo de sensor, sus características y prestaciones para la obtención de la señal eléctrica para analizarla. Se optó por un montaje sencillo que consiste en un capacitor cilíndrico formado por una varilla de hierro y un tubo de aluminio dispuestos en forma coaxial y con cables soldados en el extremo. 

Ambos cilindros tienen 24 cm de longitud, la varilla tiene un radio de 0.3 cm y el tubo un radio de 0.5 cm;  Para calcular la capacitancia del sensor (sin estar sumergido, es decir, con aire como dieléctrico) se aplica la fórmula:

Longitud del cilindro

La constante de Coulomb

Radio de la cubierta cilíndrica (tubo)

Radio del cilindro interior (varilla)

Haciendo la conversión de las medidas a metros y reemplazando valores se obtiene:

Utilizando un multímetro para medir la capacitancia experimentalmente se obtuvo un valor de 27.4 nF, un valor muy cercano al teórico.

Dada una capacitancia Co, al cambiar el dieléctrico ésta cambia por un factor k, es decir C=KCo . El capacitor del montaje inicialmente tiene en su totalidad aire como dieléctrico. La constante dieléctrica del aire es E=1.006. Al irse sumergiendo el capacitor, el aire es reemplazado poco a poco por agua, la cual tiene una constante dieléctrica E=80 , lo que aumenta la capacitancia neta. Esta variación de capacitancia es la señal que se toma del sensor para hacerle el tratamiento adecuado para definir la profundidad a la que está sumergido el sensor. En el diseño del circuito, paralelo al capacitor (sensor) se colocó un capacitor cerámico de 0.1pF para que sirviera de referencia, lo que resulta en una capacitancia igual a la suma de las capacitancias individuales.

Para apreciar mejor las variaciones que pudiese haber en los capacitores se pensó en excitarlos con una señal alterna para tratarlos como impedancias. Un generador de este tipo de onda puede hacerse de múltiples maneras (con un 555 por ejemplo), se optó por utilizar un Amplificador Operacional para incentivar el uso que pueden hacerse de estos dispositivos. Se usó una configuración popular para formar un circuito generador de onda cuadrada como se muestra en la figura.

Es un circuito usado en aplicaciones de temporización que se clasifica como un multivibrador astable que se caracteriza por conmutar de un estado a otro sin ningún comando externo. Sus tiempos de oscilación son establecidos externamente por el circuito que comprende el capacitor. Básicamente es un circuito comparador el cual tiende a mantener al amp op en saturación y así tener dos posibles estados en su salida: ±Vsat. Al tener retroalimentación positiva se convierte en un disparador Schmitt. 

En el circuito las resistencias de retroalimentación R1 y R2 forman el disparador Schmitt. Si el amp op se ha saturado a +Vsat entonces el capacitor C1 se carga a +Vsat mediante R3. Mientras tanto llega un momento en el que alcanza el nivel de umbral positivo del comparador, el cual dispara el voltaje de salida de +Vsat a –Vsat, invirtiendo la corriente en el capacitor hasta que del mismo modo alcanza eventualmente el nivel de umbral negativo lo que ocaciona que la salida pase de -Vsat a +Vsat, repitiendo así el ciclo.

Se ve entonces que el circuito sostiene periódicamente por sí solo la oscilación, saltando de +Vsat a – Vsat. La frecuencia de oscilación se halla mediante 

Aplicando la fórmula para el circuito diseñado se obtiene Hz, que se buscó fuera pequeña para que los capacitores en el sensor tuvieran una impedancia ni muy alta ni muy baja.

La señal proveniente del generador de onda carga los capacitores de la parte del sensor y establece un voltaje en ellos. Este voltaje tiene las mismas características de la onda del generador.

En este punto, cualquiera la variación en la capacitancia neta se ve reflejada en un cambio en el voltaje a través de los capacitores. La relación entre capacitancia y voltaje está dada por C=Q/V , lo que significa que al aumentar la capacitancia disminuye el voltaje. Al ir sumergiendo el sensor aumenta la capacitancia y por ende disminuye el voltaje, esto se verá reflejado más adelante en la tabla de datos recogidos en las pruebas de calibración.

En aras del tratamiento digital que posteriormente se le hace a la señal, se necesita hacer un proceso de rectificación. Por simplicidad se usó un diodo como rectificador de media onda.

En ausencia del capacitor de filtro, el voltaje sobre R4 es la mitad de la onda cuadrada, como aparece en la figura (línea roja).

Al conectar C4 se crea un pequeño circuito RC. Cuando pasa la porción positiva de la onda cuadrada a través del diodo, C4 se carga y durante la fase negativa de la onda cuando el diodo bloquea el paso de señal, C4 se descarga a través de R4, por lo que la constante de tiempo es tao=RC=1k*100uf=0.1s. Como el periodo de la onda cuadrada es 1/f =1/954.3=1.05ms que es mucho menor que tao , entonces no se tiene una descarga apreciativa de C4 por lo que la onda rectificada sale con muy poco rizo, tal como se muestra en la figura 

Esta señal rectificada se pasa por un buffer o seguidor de voltaje con amp op para acoplar la salida. Aquí el seguidor actúa como un transformador de resistencia; en su entrada se presenta como un circuito abierto por lo que no se presenta proceso de carga, en su salida se ve como un corto circuito como una fuente de voltaje con magnitud igual a la de la entrada.

Para la calibración del sensor se marcaron lineas en el tubo que representan los centímetros a los que se va sumergiendo. Se midió el voltaje en la salida del seguidor, mismo voltaje que aparece sobre R4, a una escala de mV para una mejor lectura. 

Se obtuvieron los siguientes valores de voltaje en función a la profundidad a la que se encontraba el sensor capacitivo.

Se percibe una disminución de más o menos 30 mV inicialmente y luego de 20mV. Al graficar los datos se obtuvo:

El sensor responde de una manera bastante satisfactoria con un comportamiento casi que predecible. Utilizando el software Origin se aproximó la curva a la función y = 1.224.2 e(-0.078X), que corresponde a la línea discontinua superpuesta sobre la curva original. 

Hasta aquí se tiene la parte analógica. La señal de salida Vo se transfiere ahora a un PIC 18F452 el cual mostrará los valores de profundidad y voltaje en una LCD.