GU´ IA DE LABORATORIOS ´ DEPARTAMENTO DE INGENIER´ IA ELECTRONICA
´ CTICA: TIPO DE PR A
Elaborada
TITULO: N
o
X
Guiada
Por corte
3
N
o
GRUPO
FECHA DE ENTREGA:
o
´ NICA I II LABORATORIO DE ELECTRO
3
Sergio Andr´ es Chaparro Moreno
Por semestre
´ PRACTICA N
SENSORES CAPACITIVOS
INTEGRANTES
PROFESOR:
Demostrativa
Versi´ on on 3.3 Periodo Periodo 2016
NOMBRE ASIGNATURA:
07-10-2016
4 X
Electr´ onica onica III
VALOR PORCENTUAL:
10 %
MATERIA MATERIALES: LES: Placas de cualquie cualquier r material material para crear el capacitor capacitor.. 1 Integrad Integrado o 555. 1 LM2907. LM2907. Resistenc Resistencias ias y condensad condensadores ores de acuerdo a los esquem´ aticos aticos y c´ alculos. alculos. EQUIPOS DE LABORATORIO: LABORATORIO: PC con MATLAB, MATLAB, Mult´ ımetro, osciloscopio, fuente de tensi´ on on y conectores. ´ TEXTOS, MANUALES Y DIRECCIONES ELECTR ONICAS
•
Perez M., Alavarez Alavarez J. & Campo J. Instrumentaci´ on on Electr´ onica, Thompson, 2004. onica,
•
Hayt W., Kemmerly J. & Durbin S. Engineering Circuit Analysis 8th Edition, McGraw McGraw Hill, 2012.
•
Pallas R., Sensores y Acondicionadores Acondicionadores de Se˜ nal nal 3ra Edici´ on, Marcombo Editores, 1998. on,
•
Northrop R., Introduction to Instrumentation Instrumentation and Measurements 2nd Edition, Taylor Taylor & Francis, Francis, 2005.
´ PRACTICA DE LABORATORIO 4: SENSORES CAPACITIVOS 1.
Propu Propues esta ta de labora laborator torio io
Esta pr´actica actica tiene como objetivo profundizar en el conocimiento y manejo de los sensores capacitivos, sensores especialmente utilizados para la medida de nivel de l´ıquidos o detecci´ on de proximidad. En este caso, se usar´a el on efecto capacitivo para detectar el nivel de agua de un contenedor, con el fin de simular el nivel de un l´ıquido. Con esta finalidad, finalida d, la l a circuiter´ cir cuiter´ıa ıa el´ectrica ectrica utilizada utili zada para p ara adecuar ad ecuar la se˜ se nal n ˜ al del sensor consta de un circuito oscilador 555, un convers conversor or frecuencia frecuencia a voltaje voltaje y una etapa amplificado amplificadora ra para mejorar la sensibilidad sensibilidad..
2.
Compet Competen enci cias as a desarr desarroll ollar ar
Comp etencia ete ncia gen´ erica: eri ca: acticas dan lugar a reflexiones te´oricas. acticas oricas. 4) La descripci´on on de situaciones, soluciones Investigar: 1) Las acciones pr´ o fen´omenos omenos discrimina sesgos que el propio punto de vista puede estar introduciendo en ella. 6) El significado de datos cuantitativos puede ser interpretado como una cualidad o un conjunto de ellas. 7) Los informes sobre acciones pr´acticas acticas y experiment experimentales ales logran un nivel nivel adecuado adecuado de detalle. detalle.
Comp etencia ete nciass Esp ec´ ec´ıficas: ıfic as: Investigar: 1) los fen´ omenos o procesos se explican usando conceptos y principios matem´aticos. 2) estos fen´omeomenos omenos y procesos se representan gr´aficamente. aticos presenta presentados dos son analizados analizados en diferent diferentes es situacione situacioness que permiten permiten expeDise˜ nar: 2) Los modelos matem´aticos rimentar con los resultados.
3.
Marco teorico o ´rico
Los sensores sensores capacitiv capacitivos os est´ an basados en la variaci´on an on de la capacitancia entre dos o m´as as placas paralelas separadas por p or un diel´ ectrico ectrico producto de tres posibles factores:
GU´ IA DE LABORATORIOS ´ DEPARTAMENTO DE INGENIER´ IA ELECTRONICA
Versi´ on 3.3 Periodo 2016
1. Una variaci´ on en la distancia de las placas. 2. Una variaci´ on en el diel´ectrico entre placas. 3. Una variaci´ on en el ´area de una de las placas. Capacitor de placas paralelas
Si dos placas paralelas de material conductor que comparten un ´area A, est´an separadas por un material diel´ectrico una distancia d, entonces la capacitancia puede expresarse como: A
C =
Dieléctrico
A A = o r d d
ε
d
Figura 1: Capacitor de placas paralelas.
donde es la constante diel´ectrica del material que consta del producto entre la permitividad del vacio o ( o = 8,85 pF/m) y la permitividad relativa r que var´ıa con cada material. Por lo tanto, como se mencion´o anteriormente, si cualquiera de estas variables se altera la capacitancia tambi´en.
Variaci´ on de la distancia entre placas Placa fija
Placa movil
A
Si una de las placas paralelas de material conductor que comparten un ´area A es m´ovil de tal forma que la distancia entre ellas pueda aumentarse o disminuirse ( d ± ∆d), entonces la variaci´on de la capacitancia puede expresarse como:
Dieléctrico ε
C =
A d ± ∆d
donde la placa m´ovil puede desplazarse producto de una fuerza o presi´on.
d ±∆ d
Figura 2: Variaci´ on de la distancia entre placas. Variaci´ on del ´ area com´ un entre placas Placa movil Placa fija W A A Dieléctrico ε
Si una de las placas paralelas de material conductor es m´ovil de tal forma que el ´area en com´un entre las dos placas var´ıa, entonces la variaci´on de la capacitancia puede expresarse como: (A − W · x) C = d
donde la placa m´ovil puede desplazarse producto de una inclinaci´ on.
x d
Figura 3: Variaci´on del ´area com´ un entre placas.
GU´ IA DE LABORATORIOS ´ DEPARTAMENTO DE INGENIER´ IA ELECTRONICA
Versi´ on 3.3 Periodo 2016
Variaci´ on de la constante diel´ ectrica Placa fija
Placa fija
Dieléctrico
A
Si dos placas paralelas de material conductor son fijas y entre ellas se var´ıan los diel´ectricos, entonces la variaci´on de la capacitancia puede expresarse como:
l
ε1
C = Dieléctrico
x
ε2
W [1 · l − (1 − 2 ) · x] d
donde la constante diel´ectrica varia producto de la presencia de niveles de fluidos o gases.
W
d
Figura 4: Variaci´ on del diel´ectrico. Circuitos de medida
La variaci´on de la capacitancia producto de alguno de los fen´omenos descritos debe ser cuantificada a modo de una tensi´on el´ectrica, una variaci´on de frecuencia, o una modulaci´on del ancho de pulso en un circuito. Debido a la naturaleza de los capacitores, la se˜nal de excitaci´on que debe usarse para cuantificar su variaci´on debe ser senoidal y su frecuencia debe ser lo suficientemente alta para no obtener impedancias muy altas, pero no demasiado alta de tal forma que aumenta considerablemente la complejidad de los circuitos a usar. Entre los circuitos que pueden usarse para cuantificar la variaci´on de la capacitancia se encuentran los amplificadores de corriente alterna, los puentes de corriente alterna y los osciladores de frecuencia variable (figura 5). Ante variaciones de la capacitancia en el sensor, los dos primeros circuitos presentan variaciones de tensi´o n y el ´ultimo variaciones de frecuencia. R R 2
C 2 C 1
C 1 vin v out=-vin
R1
V o
vin
v out
C 2
C 1 C 2 V o=
vin
C 1-C 2
2
C 1+C 2
(a)
(b) 555 Umbral Salida
Contador
Disparo R C
f osc=1/1.4RC
(c)
Figura 5: Circuitos de medici´on: (a) Amplificador de alterna; (b) Puente de alterna y (c) Oscilador de frecuencia variable.
GU´ IA DE LABORATORIOS ´ DEPARTAMENTO DE INGENIER´ IA ELECTRONICA
4.
Versi´ on 3.3 Periodo 2016
Preguntas y trabajo previo al desarrollo de la pr´ actica Investigar y reportar c´omo crear un capacitor de placas paralelas de forma casera, implementarlo caracterizando su valor de capacitancia en el vac´ıo y con las placas separadas por agua. Elegir un temporizador integrado 555 y analizar su hoja de datos (datasheet). Estudiar la hoja de datos del conversor de frecuencia LM2907.
5.
Pasos a seguir y desarrollo pr´ actico
5.1.
Realizaci´ on te´ orica
En esta pr´actica se pretende medir el nivel de un l´ıquido mediante el principio de la capacitancia como se muestra en la Figura 6, en donde, por efecto del cambio de diel´ectrico, la capacitancia sufre una variaci´ on al pasar de un diel´ectrico de aire, a un diel´ectrico l´ıquido, el cual puede ser desde agua hasta cualquier otro liquido con caracter´ısticas distintas. Circuito de control para la detección de nivel de agua
Se utiliza el efecto capacitivo para evitar el uso de electrodos dentro de l´ıquidos con caracter´ısticas distintas al agua, pues en algunos otros l´ıquidos se tienen que considerar la temperatura, inflamabilidad (facilidad para ser combustibles), riesgos a la salud personal por contacto directo o exposici´on contin´ ua y caracter´ısticas de corrosi´on o de manejo (viscosidad, etc.), incluyendo la cantidad (volumen) de l´ıquido que se va a manejar.
Figura 6: Distribuci´ on del sistema de medici´on de nivel. Para el desarrollo de la pr´actica se deben tener en cuenta los siguientes aspectos te´oricos que involucran la realizaci´ on de c´alculos matem´aticos de acuerdo al sensor dise˜nado: 1. Estimar la capacitancia m´ınima, es decir, cuando no hay presencia de l´ıquido. 2. Estimar la capacitancia m´ axima, es decir, cuando el sensor o el tanque est´a a su m´axima capacidad de l´ıquido. 3. A partir de los l´ımites de capacitancia estimados, calcular el rango de frecuencia en el que el circuito integrado 555 funcionar´a. Este l´ımite debe elegirse de tal forma que se garantice el correcto funcionamiento del conversor de frecuencia LM2907. 555 Umbral Salida
Contador
Disparo R C
f osc= 1 1.4RC
Figura 7: M´etodo para determinar variaci´on de la capacitancia.
4. La se˜ nal de oscilaci´ on generada debe ingresar a un conversor de frecuencia a voltaje o contador como se muestra en la Figura 7. Se debe determinar si es necesario amplificar la se˜ nal generada por el 555 para el correspondiente acople con el LM2907.
GU´ IA DE LABORATORIOS ´ DEPARTAMENTO DE INGENIER´ IA ELECTRONICA
Versi´ on 3.3 Periodo 2016
5. El conversor LM2907 debe configurarse como se muestra en la Figura 8 para obtener un rango de trabajo o voltaje de salida V o , como se muestra en la curva. 10V
V out [V]
91K Ω
8
6
7
+
8 7 6 5 4 3 2 1
5
Bomba de carga
+ 1
f in
2
100pF
3 100K Ω
4 0.47 µ F
V out
1 2 3 4 5 6 7 8
f in [KHz
10K Ω
Figura 8: Esquem´ atico del conversor frecuencia-tensi´on y su curva caracter´ıstica.
11 10 9 8
] V 7 [ t u o
6 V 5 4 3 2 1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
5. Debido a que el rango de frecuencia generado por el 555 no est´a en todo el SPAN del LM2907, ser´a necesaria una etapa amplificadora para generar una gr´a fica de 1 V con el tanque desocupado y 11 V cuando el tanque est´ a a su m´axima capacidad como se muestra en la Figura 9.
Nivel [ml]
Figura 9: Curva de comportamiento del sistema.
5.2.
Realizaci´ on pr´ actica
Aumentar progresivamente los niveles de agua y seguir los siguientes pasos: 1. Tomar medidas de la tensi´on de salida para cada uno de los diferentes niveles y generar una tabla como la propuesta y comprobar si los incrementos de tensi´ on por cada nivel son constantes. Niveles
Seco
Sin l´ıquido
25 ml
50 ml
75 ml
100 ml
125 ml
150 ml
180 ml
V out [V]
2. Construir una gr´afica que relacione la tensi´on de salida con el nivel. Observar si el sensor tiene una respuesta lineal en todo el rango. 3. Calcular la sensibilidad del sensor.
