SENSOR CAPACITIVO DE NIVEL Construcción de Capacitores con dieléctricos.

  

SENSOR CAPACITIVO DE NIVEL Construcción de Capacitores con dieléctricos.

Resumen—En este artículo se explorará la introducción, el desarrollo y el clímax de la realización de un sensor capacitivo de nivel líquido con sus respectivos caracteres que son sus diagramas y circuitos agregados, además explicaremos una breve introducción a la capacitancia y aprenderemos varios conceptos así como el funcionamiento del circuito y su explicación por bloques además la explicación de cada material usado en nuestro circuito y que función tendrá y cada parte que lo conforma; como las señales obtenidas del osciloscopio y el tipo de dieléctrico usado para nuestro capacitor. Por lo tanto explicaremos una metodología del desarrollo de nuestro sensor capacitivo paso por paso y con explicaciones detalladas para la construcción del mismo. Y finalmente mostraremos lo más importante que son nuestros resultados, observaciones y conclusiones y como actúa nuestro sensor capacitivo de nivel para finalizar.

 

    Palabras clave-- Sensor Capacitivo, Capacitancia, Liquido, Sensor de Nivel, Capacitor Dieléctrico, Circuito, Señales.

 

 

 

Abstract—This article will explore the introduction, development and climax of the development of a capacitive liquid level sensor with its respective characters, which are its diagrams and aggregate circuits, and we will explain a brief introduction to capacitance and learn several concepts and the operation of the circuit and its explanation by blocks, in addition to the explanation of each material used in our circuit and what function it will have and each part that forms it; such as the signals obtained from the oscilloscope and the type of dielectric used for our capacitor. Therefore, we will explain a methodology for the development of our capacitive sensor step by step and with detailed explanations for its construction. And finally we will show how important our results, observations and conclusions are and how our capacitive level sensor works to finish.

 

 

Index Terms—Capacitive Sensor, Capacitance, Liquid, Level Sensor, Dielectric Capacitor, Circuit, Signals.

I.     INTRODUCCIÓN

Un capacitor es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por la permitividad eléctrica del vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.

Símbolo electrónico del capacitor. En condensadores cerámicos (izquierda): no presentan polaridad; en electrolíticos (derecha): negativo y positivo

 

La capacitancia puede tener la magnitud de cualquiera de los conductores y la magnitud de la diferencia de potencial que existe entre las dos placas paralelas del capacitor.

La capacitancia siempre es una cantidad positiva ya que la diferencia de potencial aumenta a medida que a carga va siendo almacenada pues esta va incrementando, la proporción Q/V es constante para un capacitor dado.

 

CAPACITORES EN SERIE

Os capacitores están conectados a través de una de sus terminales uno después del otro están conectados en serie. Para obtener el valor del capacitor equivalente se utiliza la siguiente formula: 1/Ceq=1/c1+1/12+1/c3+….así sucesivamente hasta contemplar todos los capacitores que estén conectados en serie [Figura 1].

Figura 1. Ceq de capacitores en serie.

 

 

CAPACITORES EN PARALELO

Esto es cuando los capacitores están conectados por las dos de sus terminales a una fuente de energía. Para encontrar el capacitor equivalente usamos la siguiente formula: Ceq=c1+c2+c3+…. Y así sucesivamente para todos los capacitores que estén en paralelo como se muestra en la figura 2.

Figura 2. Ceq de capacitores en paralelo.

 

 

DIELÉCTRICOS

Se denomina dieléctrico a un mal conductor de electricidad, por lo que se usa como un aislante eléctrico y además si éste es sometido a un campo eléctrico externo; Los dieléctricos se emplean en los condensadores para separar físicamente sus placas y para incrementar su capacidad al disminuir el campo eléctrico y por tanto, la diferencia de potencial de las mismas como se observa en la figura 3.

 

Figura 3: capacitores dieléctricos como aislante se muestra un pedazo de vidrio.

 

 

 

II.     DESARROLLO DEL SENSOR CAPACITIVO

 

Como ya hemos visto antes los principales conceptos de capacitor y las respectivas formulas que se usan, ahora podemos hacer un capacitor dieléctrico para diseñar nuestro sensor capacitivo de nivel. Los sensores capacitivos reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. La distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica. Entonces el capacitor hecho en este proyecto lo que hará es reaccionar usando agua y el dieléctrico será principalmente el aire.

Para el desarrollo del sensor capacitivo seguiremos una metodología muy fácil y adecuada que nosotros seguimos para la realización de nuestro sensor.

 

METODOLOGÍA:

·         Investigación de la realización del sensor capacitivo.

·         Armado del capacitor a utilizar.

·         Obtención de material de apoyo.

·         Construcción del circuito de apoyo.

·         Obtener cálculos teóricos del capacitor con aire.

·         Realización de las primeras pruebas con el puro capacitor.

·         Realización de pruebas con el capacitor y el circuito de apoyo.

·         Obtención de resultados conseguidos por el puente de impedancias.

·         Obtención de señales del osciloscopio al reaccionar el capacitor con agua.

·         Comparación de cálculos teóricos y prácticos.

·         Obtención de resultados y dar las conclusiones finales.

·         Presentación final del proyecto.

 

 

Empecemos explicando la realización del capacitor. En si la realización de nuestro capacitor no se demoro de demasiado tiempo, fue creado con aluminio alrededor de un pedazo de plástico con aluminio alrededor y envuelto [Figura 4].

 

Figura 4. Se puede alcanzar a observar el capacitor construido para el sensor.

 

 

III.     CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO

 

Luego de que nuestro capacitor estaba listo y funcionaba, era hora de construir nuestro circuito de apoyo para poder obtener los resultados que mostraremos al final; como ya hemos visto en clases la construcción del circuito se baso principalmente por una compuerta lógica y por un microcontrolador normal que ayudaron a obtener las señales esperadas. En nuestra construcción de circuito nos basamos principalmente en que funcionara como un capacitor dieléctrico pero sobre todo de la explicación de cada bloque y también de cada pieza usada en el circuito [Figura 5].

 

Figura 5. Diagrama del circuito utilizado para el sensor capacitivo.

 

El diagrama del circuito muestra cada elemento implementado en nuestro sensor de nivel. Además en esta sección seria de mucha ayuda a explicar todo el diagrama completo para el mejor entendimiento de lo que hace el diagrama.

 

IV.     EXPLICACION A BLOQUES DEL CIRCUITO

 

BLOQUE I.  Este primer bloque se conforma por dos resistencias de 2K y 68K respectivamente, dos capacitores de 100pF y 0.01µF, además de un circuito integrado LM555, cada uno con diferentes funciones conforman el bloque de oscilación en donde el LM555 es la principal fuente generadora de ondas. Este circuito integrado se compone de un temporizador de propósito general que en este caso, opera en configuración estable.  El circuito opera como oscilador de generación de señales rectangulares disponibles en el pin de salida 3, este circuito puede generar señales de 0.01 Hz a 500 kHz.

BLOQUE II. En el segundo bloque del circuito utilizamos una compuerta NAND, que principalmente cumple la función de invertir las señales generadas por el circuito integrado, y una vez invertidas se encarga de generar la señal de salida y así acceder a nuestro sensor, para que éste pueda detectar el líquido a un cierto nivel y el led encienda, para que al mismo tiempo observemos lo que sucede con la capacitancia de acuerdo al nivel de agua que se encuentre dentro del recipiente.

 

V.     EVIDENCIAS Y RESULTADOS

 

En esta sección presentamos los resultados obtenidos una vez terminado nuestro sensor capacitivo, y las experiencias que tuvimos al realizarlo.

Ya que tuvimos listo nuestro capacitor y su respectivo circuito, realizamos las mediciones necesarias para observar la señal generada en el osciloscopio, así como el valor de la capacitancia en el puente de impedancias, en la figura 6 se muestra la evidencia de las mediciones realizadas.

 

Fig. 6  Prueba del circuito para la generación de la señal en el osciloscopio y sus respectivas mediciones.

 

En la tabla 1 se muestran los valores obtenidos de capacitancia conforme aumentaba el nivel del agua en el recipiente y el capacitor fue sumergido.

 

TABLA 1

Altura de las placas	Capacitancia (teórico)	Nivel del agua en el que se sumergen las placas.	Capacitancia medida al sumergirse
1 cm	14.16 µF	1 cm	1.038 µF
2 cm	28.32 µF	2 cm	1.647 µF
4 cm	56.64 µF	4 cm	2.972 µF
6 cm	84.96 µF	6 cm	4.326 µF
8 cm	113.28 µF	8 cm	4.352 µF
10 cm	141.6 µF	10 cm	5.311 µF
11 cm	169.92 µF	11 cm	5.987 µF
Valor teórico del capacitor	228. 33 pF	Valor medido del capacitor	223.85 pF

Valores de capacitancia de acuerdo al nivel del agua sumergido.

 

Los valores de capacitancia mostrados en la tabla 1, columna 2 se obtuvieron a partir de la siguiente fórmula:

 

      (1)

 

Utilizando el dieléctrico como agua, y su respectivo valor, y una vez comparando esto con los valores medidos haciendo la prueba y medición con el puente de impedancias son bastante alejados al valor teórico en cada centímetro sumergido, sin embargo, el valor de la capacitancia en el capacitor únicamente con vacío entre las placas es similar a la medida con el puente de impedancias.

 

La señal generada se muestra con una frecuencia de oscilación de 106.68 Hz. [Figura 6].

 

Fig. 6 Señal de salida del circuito del sensor capacitivo.

 

VI.     CONCLUSIONES

 

Una vez concluido nuestro sensor capacitivo obtuvimos los resultados esperados, la capacitancia no fue exactamente la esperada pero obtuvimos valores dentro del rango contemplado, observamos la señal generada y concluimos que la capacitancia en el capacitor aumentaba cuanto más era sumergido al agua, asimismo la frecuencia de oscilación aumentaba debido a la compuerta en el circuito y las alteraciones directamente aplicadas al dieléctrico entre las placas del capacitor.

Un sensor capacitivo tiene distintas aplicaciones, nosotros utilizamos un sensor para líquidos, y observamos pues las variaciones en la capacitancia, tomando en cuenta esto y concluimos con las experiencias y conocimientos adquiridos a lo largo de la realización de este proyecto, aplicando los conocimientos previos sobre capacitancia y dieléctricos.

 

VII.     REFERENCIAS

 

1)       Kuncicky, D.C.; Hruska, S.I. y Lacher, R.C.: «Hybrid systems: The equivalence of rule-based expert system and artificial neural network inference». International Journal of Expert System, 4(3), 1992, pp. 281–297.

2)       Mira, J.: «Capacitancia y dieléctricos », 2003. Lección Inaugural del Curso 2003-04. UNED.

3)       Mira, J. y Delgado, A.E.: «Capacitores con dieléctricos». En: Aspectos Básicos de la Capacitancia. Cap. 11; J. Mira, A.E. Delgado, J.G. Boticario y F.J. Díez, pp. 485–575. Sanz y Torres, Madrid, 1995a.

4)       Mira, J. y Delgado, A.E.: «Perspectiva Histórica Conceptual». En: Aspectos Básicos de la Capacitancia, pp. 1–51. Sanz y Torres, Madrid, 1995b.

5)       José Palma M. y Roque M. M. «Capacitores con dieléctricos» en: métodos, técnicas y aplicaciones, pp. 3-28.