“Sensor De Nivel Utilizando Efecto Capacitivo Aplicado Para Un

“Sensor De Nivel Utilizando Efecto Capacitivo Aplicado Para Un
Vaporizador”
INTRODUCCION
En esta práctica se tocan los temas de la capacitancia, su variación y sus
aplicaciones sobre la base de las aplicaciones prácticas, en este caso, en la detección de
dos niveles de contenido de los líquidos. Otro concepto importante es el hecho de buscar
las mejores alternativas para elaborar este tipo de aplicaciones.
OBJETIVO
Desarrollar el uso del efecto capacitivo para detectar el nivel de agua de un
contenedor, con el fin de simular el nivel de un liquido abrasivo, en donde no se puedan
utilizar los electrodos de uso convencional, para tal efecto, se deben de utilizar los medios
electrónicos disponibles, considerando costo y funcionalidad.
DESARROLLO
Partiremos de explicar el efecto capacitivo, como se define y bajo que
circunstancias se presenta.
La capacitancia es una medida de la eficiencia de un capacitor para almacenar
carga en sus placas, en otras palabras su capacidad de almacenamiento. Un capacitor tiene
una capacitancia de un farad si se deposita en las placas una carga de un Coulomb
mediante una diferencia de potencial de un volt entre ellas:
C = Q/V
C = Capacitancia en Farads (F)
Q = Carga Eléctrica en Coulombs (C)
V = Voltaje en Volts (V)
Si se aplica una diferencia de potencial de V volts a una distancia d, la intensidad
de campo eléctrico se determina por medio de:
 = V/d (Volts/metro).
Se pueden obtener muchos valores de la capacitancia para el mismo conjunto de
placas paralelas, mediante la adición de ciertos materiales aislantes entre ellas.
Puesto que el material es aislante, los electrones del aislador no pueden salir del
átomo original y desplazarse a la placa positiva; sin embargo los componentes positivos
(protones) y negativos (electrones) de cada átomo cambian para formar dipolos.
Cuando todos los átomos del material aislante se convierten en dipolos y se
alinean, el material se polariza. Los componentes positivos y negativos de los dipolos
adjuntos neutralizan los efectos unos de otros. No obstante, la capa de la carga positiva en
una superficie y la carga negativa de la otra no se neutralizan, lo que da como resultado el
establecimiento de un campo eléctrico en el interior del aislador.
El campo eléctrico neto entre las placas (resultante = aire - dieléctrico) se reducirá
debido a la inserción del dieléctrico. Por consiguiente, la finalidad del dieléctrico es crear
un campo eléctrico que se oponga al establecido por cargas libres en las placas paralelas.
+  Volts
 –
+  Volts 
–
dieléctrico

resultante


d
a)


d

b)
Figura 1. Efecto de un dieléctrico en la distribución del campo entre las placas de
un capacitor:
a) Alineación de los dipolos en el dieléctrico.
b) Componentes del campo eléctrico entre las placas de un capacitor con un
dieléctrico presente.
(“di” opuesto y “eléctrico” por campo eléctrico).
Para diferentes materiales dieléctricos entre las dos mismas placas paralelas se
depositaran distintas cantidades de carga en las placas: Sin embargo = Q, de modo que
el dieléctrico determina también el número de líneas de flujo entre las placas y, por ende,
la densidad de flujo (D = /A) puesto que A esta fija.
La razón de la densidad de flujo a la intensidad del campo eléctrico se le denomina
permitividad ():
= D/[Farads/metro]
es una medida de la facilidad con que el dieléctrico “permitirá” establecer líneas de flujo en el
interior del dieléctrico. Cuanto mayor sea su valor, tanto mayor será la cantidad de carga
depositada en las placas y mayor la densidad de flujo para el área fija.
Para el vacío el valor de denotado por O) es de 8.85 E-12 F/m. La razón de la
permitividad de cualquier dieléctrico a la del vacío se denomina permitividad relativa r:
r = O (Constante
dieléctrica)
Así, la ecuación correspondiente a la capacitancia será:
C = r (A/d)
CONDICIONES DE DISEÑO DEL SISTEMA:
Para este sensor de nivel se utilizará el principio de la capacitancia, en donde, por
efecto del cambio de dieléctrico, la capacitancia sufre una variación al pasar de un
dieléctrico de aire, a un dieléctrico líquido, el cual puede ser desde agua hasta cualquier
otro liquido con características distintas.
El fin de utilizar el efecto capacitivo es evitar el uso de electrodos dentro de
líquidos con características distintas al agua, pues en algunos otros líquidos se tienen que
considerar la temperatura, inflamabilidad (facilidad para ser combustibles), riesgos a la
salud personal por contacto directo o exposición continúa y características de corrosión o
de manejo (viscosidad, etc.), incluyendo la cantidad (volumen) de líquido que se va a
manejar.
El sistema de detección de nivel con capacitor tiene que tener dos niveles de
detección como mínimo, donde se detecte cuando esté lleno y cuando este vacío. Cuando
el contenedor esté lleno, se consumirá líquido por uso constante de algún proceso,
entonces se activará una bomba de suministro de líquido cuando detecte el nivel de vacío
y dejará de suministrar hasta que detecte el nivel de lleno.
EQUIPO Y MATERIAL
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

1 Multímetro Digital.
1 Fuente variable.
1 Vaso con agua corriente.
3 Resistencias variables de 50K.
1 capacitor elaborado con placas de
cobre (baquelitas) aislado.
 Resistencias de valores varios.
 Cables,
LED´s,
elementos
misceláneos, proto, pinzas, etc.
 1 LM324.
 Transistores.
 1 LM741
 1 Relevador electromecánico
 2 placas de acero inoxidable para
simular la conducción de AC.
DESARROLLO PRACTICO.
Para el diseño del circuito con la aplicación del efecto capacitivo, se optó por
utilizar un circuito oscilador, en el cual, al variar el valor del capacitor, el valor de la
frecuencia se vería afectada, con lo que nos permitiría establecer una variación de voltaje
(ya sea por un convertidor de frecuencia a voltaje, un valor de referencia del integrado ó
una rectificación).
El circuito con mas estabilidad en el principio de funcionamiento es el siguiente:
En este circuito, el nivel de voltaje de la frecuencia de oscilación es rectificado por
un diodo a la salida del circuito, dependiendo de la frecuencia de oscilación es el nivel de
DC rectificada que presentan el diodo y el capacitor, posteriormente se tiene una
amplificación y finalmente la comparación de los niveles.
En la etapa del LM741 representaría el oscilador el cual a la salida se va a tener un
nivel de frecuencia que va a depender de la configuración RC, la resistencia es un valor
estable, pero el capacitor (formado por el par de baquelitas) va a variar dependiendo de
que porcentaje de cobre este haciendo contacto con el agua.
El valor del capacitor en aire (cuando ya esta evaporada todo el agua del contenedor=
0.001nF.
El valor del capacitor en agua = 0.01nF.
En esta etapa se encuentra principalmente el funcionamiento del sistema on-off ya
que, por medio de el nivel de superficie de cobre que este en contacto con el agua, se van
a establecer posteriormente dos sistemas de comparación por medio de dos voltajes: uno
de referencia que no va a depender del oscilador, y otro que va a depender de que nivel
del capacitor este en contacto con el agua. Cuando el agua llegue a un valor mínimo de las
baquelitas (este valor previamente definido por el diseñador y completamente variable si
se modifica el voltaje de referencia por el comparador de ventana) se va a apagar el
sistema, y cuando se vierta un valor de agua que exceda el limite superior de operación
del sistema también se va a apagar.
Distribución física
del sistema:
CONCLUSIONES
Se comprueba la utilidad de un sistema detector de niveles con capacitor, pues no
solamente se pueden detectar dos niveles, como en el caso de los electrodos, sino que
agregando un convertidor de frecuencia a voltaje y este último a una serie de
comparadores, se podría obtener una escala digital del nivel del líquido, nivel, que
dependiendo de las necesidades puede ser fundamental en el proceso de fabricación de
medicinas o semiconductores, donde los procedimientos con precisión son utilizados con
mucha frecuencia.
Además como experiencia, nos muestra que no podemos improvisar sistemas, sino
que tenemos que pensarlos y detallarlos como debe ser, aunque esto ultimo represente un
“extra” en el costo del sistema.