Fattori che influenzano la capacità e relative misure
Fattori che influenzano
Poiché la costante dielettrica varia al variare della temperatura, sensori capacitivi sono molto sensibili ai cambiamenti ambientali quali la temperatura e l'umidità; le variazioni di temperatura durante il funzionamento del sensore hanno l'impatto più significativo sulle prestazioni.
Inoltre, numerosi fattori esterni possono influire sugli elementi sensibili dei sensori di livello capacitivi a causa degli effetti di bordo.
Il corpo umano stesso introduce una notevole capacità parassita, che può interferire con la misurazione. I sensori di livello capacitivi mostrano comportamenti non lineari a causa degli effetti di bordo.
KSLV605: come migliorarlo (soluzione)
Per evitare tali fattori di influenza, abbiamo progettato KSLV605 sensore di livello capacitivo.
Come evitare gli effetti della temperatura
Nelle applicazioni di rilevamento del livello dei liquidi, la compensazione della temperatura risulta più complessa poiché non è possibile dare per scontato che il sensore non sia immerso nel liquido; infatti, esso potrebbe trovarsi immerso a qualsiasi livello e per un periodo di tempo indefinito.
Dobbiamo quindi compensare le variazioni di temperatura ricorrendo all'uso di algoritmi e a sensori progettati in modo ottimizzato.
Questo approccio riduce al minimo l'impatto dovuto alla deriva termica, che influisce su una serie di parametri in un sistema di rilevamento del livello dei liquidi. Il primo è la capacità da misurare.
La deriva influisce su altri parametri del sistema, quali il condensatore di integrazione e la corrente assorbita dal circuito di rilevamento capacitivo.
A causa di queste variazioni, anche il valore grezzo aumenta o diminuisce in funzione della temperatura (Fig. 2.1). Il circuito di rilevamento capacitivo converte la capacità misurata in un valore digitale, noto come valore grezzo.
L'asse X rappresenta la temperatura, l'asse Y il conteggio grezzo
Esistono due possibili soluzioni per risolvere il problema:
1: Risolto compensazione della temperatura condensatore
Un condensatore di compensazione della temperatura è un sensore che presenta caratteristiche simili a quelle degli altri sensori utilizzati per rilevare il livello del liquido.
Tuttavia, non è a contatto diretto con il liquido. In altre parole, questo sensore non deve subire alcuna influenza dal livello del liquido. Il valore grezzo rilevato da questo condensatore viene utilizzato come riferimento per i sensori effettivi.
Poiché il sensore di compensazione termica e il sensore vero e proprio presentano le stesse caratteristiche, l'effetto della temperatura su entrambi i sensori sarà lo stesso.
In questo modo, è possibile annullare l'effetto della temperatura sui sensori di rilevamento del livello del liquido utilizzando il sensore di compensazione della temperatura come riferimento.
È importante sottolineare che la compensazione della temperatura sul sensore di rilevamento del livello del liquido, effettuata tramite il sensore di compensazione della temperatura, deve essere eseguita sia quando il serbatoio è vuoto sia quando contiene del liquido.
Nel caso in cui la permittività e la temperatura siano sconosciute, è possibile utilizzare un sensore di riferimento per sostituire la capacità di riferimento.
La Figura 2.2 mostra un esempio di contenitore dotato di due piastre sensoriali e di un sensore di riferimento posizionato sul fondo. Ciò serve a garantire che il sensore di riferimento rilevi il liquido anche in presenza di un livello di riempimento basso. Questa configurazione fornisce misurazioni basate sul rapporto. Ciò significa che il rapporto tra il sensore di livello e il sensore di riferimento rimarrà sempre lo stesso, indipendentemente dalle proprietà del materiale o dalla temperatura.
In questa configurazione, entrambi i parametri influiranno su entrambi i sensori e, di conseguenza, si bilanceranno tra loro.
2: Algoritmo software sulla linea di base
Gli algoritmi software per il rilevamento del tocco delle dita tramite sensori capacitivi prevedono un valore di riferimento che è una versione filtrata del conteggio grezzo. Questo valore di riferimento tiene traccia delle variazioni ambientali lente nel conteggio grezzo ed è solitamente denominato “linea di base”.
La linea di base viene utilizzata per rilevare la presenza di un dito nel caso del rilevamento tattile. Nel rilevamento del livello dei liquidi, la linea di base può essere utilizzata per monitorare le variazioni del conteggio grezzo. La deriva termica è spesso lenta; di conseguenza, anche il suo effetto sul conteggio grezzo è lento.
In tali casi, con valori adeguati dei parametri di aggiornamento della linea di base, quest’ultima può essere utilizzata per compensare le variazioni di temperatura nel conteggio grezzo.
Se l'effetto della temperatura sul conteggio grezzo è molto rapido, è opportuno utilizzare invece un condensatore di compensazione della temperatura.
Un effetto secondario della temperatura è la condensa. Un liquido la cui temperatura è notevolmente inferiore a quella dell'aria ambiente può causare la formazione di condensa sulla superficie del sensore. La condensa può determinare un aumento della capacità, il che, a sua volta, comporta un aumento dell'errore.
È possibile ridurre la condensa che si forma durante le prove a bassa temperatura isolando la superficie del sensore.
Un altro approccio consiste nel prevedere un piccolo spazio d'aria isolante tra il contenitore del liquido e il substrato del sensore. Per ottenere le migliori prestazioni, lo spazio d'aria non dovrebbe superare i 3 mm.
Come evitare gli effetti ai bordi
Il corpo umano stesso può introdurre numerose capacità parassite e quindi alterare le misurazioni.
L'elevato contenuto d'acqua nel corpo umano provoca una differenza di potenziale tra le piastre del sensore e, di conseguenza, influisce sulla misurazione.
Questa capacità parassita aggiuntiva verrà misurata e comporterà una distorsione nella relazione tra livello di riempimento e tensione, come si può osservare nella simulazione riportata nella Figura 2.4.
Un modo per ridurre le interferenze parassite esterne consiste nel realizzare una schermatura attorno al sensore di livello, come illustrato nella Figura 13.
Un ulteriore contenitore conduttivo, non collegato alla massa del sensore, funge da schermatura contro le capacità parassite provenienti dall'esterno.
È importante mantenere la massa del sensore e il contenitore isolati l'uno dall'altro, in modo che il sistema di misura sia isolato dalla massa ambientale.
