De manera práctica podemos decir que medimos una variable física como el nivel, para su a) presentación analógica inmediata, b) su conversión a digital, c) su conversión a una señal de frecuencia variable o d) transmisión en voltaje o corriente.
Para poder lograr esto la señal proveniente del sensor debe ser acondiciona, siendo necesario emplear una fuente de excitación alterna y trabajar el proceso de acondicionamiento a frecuencias comprendidas entre 10KHz y los 100 MHz para tener impedancias manejables, pues las capacitancias manejadas por el sensor primario son inferiores a los 100pF.
A continuación se presentan alguno de los circuitos empleados:
Circuito linealizador
Es un circuito que excita a corriente constante un sensor de desplazamiento basado en la variación de distancias entre las placas de un condensador plano.
Si la capacidad varía de la forma
Circuito inmune a capacidades parásitas
Este circuito es conocido también como Amplificador de Carga
y aunque no amplifica la carga eléctrica presente en su entrada, permite obtener una tensión proporcional a dicha carga y ofrecerla con una impedancia de salida baja empleando un amplificador operacional
Puentes de Blumlein
Es una opción a los puentes de alterna para sensores capacitivos
Para la figura d, con N3=N4 y Zs = Z1Z2, se tiene:
Si el sensor es capacitivo diferencial basado en el cambio de separación de placas, Z1=Zo (1-x), Z2=Zo (1+x), la salida medida con un detector de alta impedancia de entrada, es:
Si el sensor es capacitivo diferencial basado en la variación del área de placas, Z1=Zo/(1-x), Z2=Zo/(1+x), la salida medida con detector de baja impedancia de entrada, es:
Los Pseudopuentes Capacitivos
a) Para sensores capacitivos simples; b) para sensores capacitivos diferenciales. En este segundo caso la salida es diferencial.
Los pseudopuentes capacitivos mostrados permiten medidas por relación simples con cancelación de interferencias y lineales siempre y cuando los amplificadores operacionales tengan ganancias suficientemente grandes a las frecuencias de trabajo
Para el circuito de la figura a) la salida es:
En este caso, para que sea lineal, el sensor se coloca en Z2 si es condensador con cambio de distancia en las placas; o en Z1, si es la permitividad o el área lo que cambia. Z3 y Z4 pueden ser resistencias. Como Z1 y Z2 son condensadores (uno fijo y otro variable – el sensor) hay que colocar resistencias bajas para polarizar el AO; lo cual puede cambiar la expresión anterior .
Para el circuito de la figura b) la salida es:
Z1 y Z4 forman un condensador diferencial en el que se puede colocar a tierra un electrodo y facilitar el apantallamiento.
Integrador basado en condensadores conmutados como acondicionador
Método de la transferencia de carga
Circuito de doble T patentado por K.S. Lion
CONSTRUCCIÓN DE SENSOR CAPACITIVO
En la siguiente figura podemos observar un sensor capacitivo
Como se puede observar el sensor capacitivo mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el liquido y las paredes del tanque. En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la del liquido, la del gas superior y de las conexiones superiores.
En fluido conductores con una conductividad mínima de 100microohmios/cc el electrodo esta aislado usualmente con teflón interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del liquido y del gas.
Para el caso de medición de nivel de sólidos el sensor capacitivo tiene mayor posibilidad de error por la adherencia que puede presentar el sólido en la varilla capacitiva. La lectura viene influida además por las variaciones de densidad del sólido. La varilla del medidor esta aislada y situada verticalmente en el tanque y bien asegurada mecánicamente para resistir la caída del producto y la fuerzas generadas en los deslizamientos internos. La medida esta limitada a materiales de forma granular o en polvo que sean buenos aislante, la presión y temperatura máxima de servicio puede ser de 50 bar y 150 C y el aparato debe calibrarse para cada tipo de material. Su precisión es de unos +-15 mm.
APLICACIÓN INDUSTRIAL
En la actualidad la mayoría de los fabricantes de equipos de control industrial disponen de un amplio repertorio de modelos de sensores capacitivos para la medición de nivel, dependiendo del la magnitud y naturaleza de la variable y medio donde se encuentre.
En la siguiente imagen podemos observar diferente modelos comerciales de sensores capacitivos
Estos sensores son empleado en la medición de nivel de un tanque, que puede contener diferentes líquidos o solidos según la aplicación industrial, como se muestra en las siguientes figuras:
Aplicación Industrial de Sensor Capacitivo en un tanque con liquido.
Aplicación Industrial de Sensor Capacitivo en un tanque para detección de nivel máximo o mínimo.
PROBLEMA PRÁCTICO INDUSTRIAL
Un tanque perteneciente al sistema hidráulica de una maquina de colada continua en una Siderúrgica, con las dimensiones 1500x1000x1200mm, presenta paradas improvista del proceso pues llega a su nivel mínimo sin que existan eventos de alarmas que indiquen con anticipación la ocurrencia de este hecho. Es necesario implementar un sistema de medición de nivel del referido tanque, considerando que solo posee un orificio tapa superior.
Dada las especificaciones anteriores para el control de nivel del tanque se implemento un sensor de nivel capacitivo modelo FMI52 de la Endress+Hauser con una salida de 4-20 mA que es llevada a un sistema de control (PLC) que permite generar eventos y alarmas que indique con antelación los niveles críticos de la central hidráulica.
A continuación se muestra la instalación del sensor capacitivo utilizado para medir y controlar el nivel de una central hidráulica.
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