Fatores que influenciam a capacitância e medidas de capacitância
Fatores que influenciam
Como a constante dielétrica varia com a temperatura, sensores capacitivos são muito sensíveis a mudanças ambientais, como temperatura e umidade; as flutuações de temperatura durante a operação de detecção têm o impacto mais significativo no desempenho.
Além disso, muitos fatores externos podem afetar os elementos dos sensores capacitivos de nível devido aos efeitos de borda.
O próprio corpo humano introduz uma grande capacitância parasítica, o que pode interferir na medição. Os sensores de nível capacitivos apresentam comportamentos não lineares devido aos efeitos de borda.
KSLV605: como melhorar (solução)
Para evitar esses fatores de influência, projetamos KSLV605 sensor de nível capacitivo.
Como evitar os efeitos da temperatura
Em aplicações de detecção de nível de líquido, a compensação de temperatura é mais difícil, pois não podemos presumir que o sensor de líquido não esteja coberto pelo líquido; ele pode ficar coberto até qualquer nível e por qualquer período de tempo.
Devemos, portanto, compensar as variações de temperatura por meio do uso de algoritmos e de projetos de sensores otimizados.
Essa abordagem minimiza o impacto causado pela variação de temperatura, que afeta diversos parâmetros em um sistema de detecção de nível de líquido. O primeiro deles é a capacitância a ser medida.
O desvio afeta outros parâmetros do sistema, como o capacitor integrador e a corrente utilizada pelo mecanismo de detecção capacitiva.
Como resultado dessas variações, a contagem bruta também aumenta ou diminui devido à temperatura (Fig. 2.1). O circuito de detecção capacitiva converte a capacitância medida em uma contagem digital, conhecida como contagem bruta.
O eixo X representa a temperatura, e o eixo Y, a contagem bruta
Existem duas maneiras possíveis de resolver o problema:
1: Corrigido compensação de temperatura capacitor
Um capacitor de compensação de temperatura é um sensor que possui características semelhantes às dos demais sensores utilizados para detectar o nível do líquido.
No entanto, ele não fica em contato direto com o líquido. Em outras palavras, esse sensor não deve ser afetado pelo nível do líquido. O valor bruto desse capacitor é usado como referência para os sensores propriamente ditos.
Como o sensor de compensação de temperatura e o sensor propriamente dito têm as mesmas características, o efeito da temperatura sobre ambos os sensores será o mesmo.
Dessa forma, o impacto da temperatura nos sensores de detecção de nível de líquido pode ser anulado utilizando-se o sensor de compensação de temperatura como referência.
Vale ressaltar que a compensação de temperatura no sensor de detecção de nível de líquido, por meio do sensor de compensação de temperatura, deve ser realizada tanto quando o tanque estiver vazio quanto quando houver líquido no tanque.
Caso a permissividade e a temperatura sejam desconhecidas, pode-se utilizar um sensor de referência para substituir a capacitância de referência.
A Figura 2.2 mostra um exemplo de um recipiente com duas placas sensoriais e um sensor de referência na parte inferior. Isso serve para garantir que o sensor de referência meça o líquido mesmo com um baixo nível de enchimento. Essa configuração produz medições métricas de razão. Isso significa que a razão entre o sensor de nível e o sensor de referência será sempre a mesma, independentemente das propriedades do material ou da temperatura.
Nessa configuração, ambos os parâmetros afetarão os dois sensores e, portanto, o equilíbrio se estabelecerá entre eles.
2: Algoritmo de software na linha de base
Os algoritmos de software para detectar o toque de um dedo por meio de sensores capacitivos incluem uma referência que é uma versão filtrada da contagem bruta. Essa referência acompanha as mudanças ambientais lentas na contagem bruta e é normalmente chamada de linha de base.
A linha de base é utilizada para detectar a presença de um dedo no caso da detecção por toque. Na detecção de nível de líquido, a linha de base pode ser usada para acompanhar as variações na contagem bruta. A deriva de temperatura costuma ser lenta; portanto, seu efeito sobre a contagem bruta também é lento.
Nesses casos, com valores adequados dos parâmetros de atualização da linha de base, a linha de base pode ser usada para compensar as variações de temperatura na contagem bruta.
Se a variação da temperatura no valor bruto for muito rápida, deve-se utilizar, em vez disso, um capacitor de compensação de temperatura.
Um efeito secundário da temperatura é a condensação. Um líquido significativamente mais frio do que a temperatura do ar ambiente pode causar a formação de condensação na superfície do sensor. A condensação pode resultar em uma capacitância mais elevada, o que, por sua vez, causa um aumento no erro.
A condensação durante os testes em baixas temperaturas pode ser reduzida isolando-se a superfície do sensor.
Outra abordagem consiste em criar uma pequena camada de ar isolante entre o recipiente de líquido e o substrato do sensor. Para obter o melhor desempenho, essa camada de ar não deve ter mais de 3 mm.
Como evitar efeitos de borda
O próprio corpo humano pode introduzir muitas capacitâncias parasíticas e, portanto, interferir nas medições.
O alto teor de água no corpo humano causa uma diferença de potencial entre as placas do sensor e, por isso, influencia a medição.
Essa capacitância parasítica adicional será medida e causaria uma distorção na relação entre o nível de preenchimento, conforme pode ser observado na simulação da Figura 2.4.
Uma maneira de reduzir as influências parasíticas externas é instalar uma blindagem ao redor do sensor de nível, conforme mostrado na Figura 13.
Um recipiente condutor adicional, que não está conectado ao terra do sensor, atua como blindagem contra capacitâncias parasíticas provenientes do exterior.
É importante manter o aterramento do sensor e o recipiente isolados um do outro para que o sistema de medição fique isolado do aterramento ambiental.
A Parte 1 aborda o princípio de funcionamento, os cenários de aplicação e as vantagens do sensor;
