Transductor capacitivo

Este artículo explica la definición y el principio de funcionamiento de un transductor capacitivo. Además de esto, también se analizan en detalle las ventajas y desventajas y la aplicación del transductor capacitivo.

Índice de contenidos

Definición:
Principio de funcionamiento del transductor capacitivo:
Ventaja y desventaja del transductor capacitivo:
- Ventaja:
- Desventaja:
Aplicación de transductor capacitivo:

Definición:

El transductor capacitivo es un dispositivo que cambia su capacitancia con el cambio en los fenómenos físicos a medir. Es un transductor pasivo que requiere una fuente externa de alimentación para funcionar. El elemento de transducción del transductor capacitivo es un condensador que puede ser un condensador de placa paralela, cilíndrico o angular. Se utiliza comúnmente para la medición del desplazamiento lineal.

Principio de funcionamiento del transductor capacitivo:

El principio de funcionamiento del transductor capacitivo se basa en la capacitancia de condensador de placas paralelas. La capacitancia (C) de un capacitor de placas paralelas con un área de placa A separada por una distancia d se da a continuación.

C = ƐoƐrA / d ………….(1)

Donde Ɛo y Ɛr son la permitividad del espacio libre y la permitividad relativa del material dieléctrico del capacitor.

En la siguiente figura se muestra un condensador típico de placas paralelas con un material dieléctrico entre las placas.

El transductor capacitivo funciona según el principio de que la capacitancia se puede variar variando lo siguiente:

área de la placa
Separación entre las placas.
Cambio del material dieléctrico entre las placas.

En el transductor capacitivo, los cambios anteriores son causados por variables físicas como desplazamiento lineal, desplazamiento angular, fuerza, presión y nivel de líquido. Observe que cuando el nivel del líquido cambia a través del capacitor, el medio dieléctrico cambia y, por lo tanto, la capacitancia cambiará.

El cambio de capacitancia puede medirse mediante un circuito puente. La impedancia de salida del transductor capacitivo se da como Xc = (1/2πfC) donde f es la frecuencia de suministro y C es la capacitancia. Suponiendo que la frecuencia si el suministro es constante, la impedancia de salida es una función de la capacitancia y, por lo tanto, el cambio en la variable física da como resultado el cambio correspondiente en Xc.

El transductor capacitivo se utiliza principalmente para la medición del desplazamiento lineal. Para ello, se utilizan los siguientes efectos:

Cambio en la capacitancia debido al cambio en el área superpuesta de la placa
Cambio en la capacitancia debido al cambio en la separación entre las placas.

Transductor usando cambio en el Área de la Placa:

Como sabemos, la capacitancia del capacitor de placas paralelas es directamente proporcional al área de la placa, por lo tanto, esta propiedad se puede emplear para medir el desplazamiento. Sobre todo, la respuesta de este tipo de transductor será lineal, lo que simplemente significa que el cambio físico tendrá una relación lineal con la capacitancia medida.

Para la medición del desplazamiento utilizando un transductor capacitivo, una placa del capacitor de placas paralelas se mantiene fija mientras que la otra placa se permite que se desplace. Un diagrama elemental de este transductor se muestra en la figura a continuación.

Supongamos que el ancho de la placa es W y la longitud en cualquier momento t es X. Por lo tanto, el área de las placas del capacitor de placas paralelas así formadas en el momento t será (WX). Por lo tanto, la capacitancia en cualquier momento t se da a continuación.

C = [ƐoƐr(WX) / d]

De la expresión anterior, está claro que el desplazamiento X es directamente proporcional a la capacitancia C. Por lo tanto, la medición de la capacitancia nos dirá directamente la magnitud del desplazamiento. Por lo tanto, el desplazamiento de cantidad física se convierte en capacitancia de cantidad eléctrica, que es la función requerida de un transductor.

La sensibilidad de un dispositivo es la tasa de cambio de la salida con respecto a la entrada. Por lo tanto, la sensibilidad del transductor capacitivo será la tasa de cambio de la capacitancia (C) con respecto al desplazamiento (X). Busquemos ahora esta sensibilidad (S).

S = dC / dX

= ƐoƐrW / d

De la expresión anterior, se puede afirmar que la sensibilidad de un transductor capacitivo es constante y depende del ancho y la separación entre las placas. Esta es una gran característica del transductor capacitivo y se aprovecha para medir el desplazamiento lineal que va de 1 mm a 10 mm. La precisión es tan alta como 0.005%.

El principio de cambio de capacitancia con cambio de área también se emplea para medir el desplazamiento angular. La siguiente figura muestra un condensador de dos placas en el que una placa está fija y la otra puede girar.

El desplazamiento angular cambia el área efectiva entre las placas y, por lo tanto, un cambio correspondiente en la capacitancia. Sea, en cualquier momento t, la posición de superposición angular es Ɵ. Dado que el área de toda la placa es (πr2/2) para superposición angular de π radianes, por lo tanto, el área (A) de la placa para superposición angular de Ɵ radianes será

A = (πr2/2π)Ɵ = Ɵr2/2

Capacitancia = [ƐoƐrƟr2/ (2d)]

De la expresión anterior, es obvio que la capacitancia es directamente proporcional al movimiento angular. Por lo tanto, la medición de la capacitancia es una indicación directa del movimiento angular. El gráfico entre la capacitancia y la posición angular es una línea recta y se muestra a continuación.

Debe tenerse en cuenta que el transductor capacitivo mencionado anteriormente solo se puede usar para medir la posición angular de 0 a 180 °.

Transductores que utilizan el cambio de distancia entre las placas:

También se puede diseñar un transductor capacitivo para responder al desplazamiento lineal uniendo una de las placas del capacitor al objeto en movimiento y manteniendo la otra placa fija. Cuando el objeto se mueve, la distancia entre las placas cambia y, por lo tanto, cambia la capacitancia. La variación de la capacitancia con la separación entre las placas es evidente a partir de (1). Se puede ver fácilmente a partir de (1) que la capacitancia es inversamente proporcional a la distancia entre las placas.

En la siguiente figura se muestra un diagrama elemental de un transductor capacitivo que utiliza el principio de cambio de capacitancia con cambio en la distancia entre las placas.

La separación entre las placas es x en cualquier tiempo t. Por lo tanto, la capacitancia se da como

C = ƐA/x

Las características de este transductor son, por tanto, no lineales. En realidad, es hiperbólico como se muestra a continuación.

La sensibilidad de este transductor se calcula de la siguiente manera.

S = dC/dx

= -ƐA/x2

La sensibilidad de este transductor no es constante sino que varía con la separación entre las placas. De hecho, cuanto menor es la distancia x, mayor es la sensibilidad. Esto significa que el dispositivo responderá por menor valor de desplazamiento. No responderá a un mayor valor de desplazamiento. Esta es la razón; este tipo de transductor capacitivo se utiliza para aplicaciones que requieren la medición de desplazamientos extremadamente pequeños.

Se podría pensar que esto es una desventaja. Pero en realidad, no es así. Simplemente compare la sensibilidad del transductor capacitivo utilizando el cambio en el área y el cambio es la distancia entre la placa. La sensibilidad es constante para el primero mientras que la misma es mayor para desplazamientos extremadamente pequeños. Esto significa que, si queremos medir un desplazamiento muy, muy pequeño, el transductor que utiliza el cambio en la separación entre las placas será más sensible, es decir, el cambio en la capacitancia será mayor para un cambio extremadamente pequeño en el desplazamiento entre las placas. Esto es ventajoso para la medición de pequeños desplazamientos. ¿Cualquier duda? Por favor escriba en el cuadro de comentarios.

Transductor que usa el cambio en la constante dieléctrica:

Un transductor capacitivo puede usar el principio de cambio en la constante dieléctrica para lograr una capacitancia variable. Esto es bastante obvio si se refiere a (1). La capacitancia del capacitor de placas paralelas es directamente proporcional a la constante dieléctrica (Ɛ) para un área y una separación de placas dadas. Este principio también se utiliza en transductores capacitivos para la medición del desplazamiento lineal.

En la siguiente figura se muestra un diagrama elemental que utiliza el cambio en la capacitancia debido al cambio en la constante dieléctrica.

Las placas del capacitor son fijas. Sin embargo, un objeto en movimiento que tiene alguna constante dieléctrica Ɛr se está moviendo hacia las placas. Queremos medir el desplazamiento del objeto. En cualquier etapa intermedia, deje que la longitud l2 del objeto esté dentro de las placas. Por lo tanto, hasta l2 de longitud, el capacitor está lleno de dieléctrico con constante dieléctrica Ɛr, mientras que l1 de longitud tiene aire. La capacitancia en esta combinación se puede encontrar como se muestra a continuación.

De la expresión anterior, está claro que, a medida que el objeto se mueve hacia el capacitor, el valor de l2 aumenta y, por lo tanto, aumenta la capacitancia C. Al medir esta capacitancia, se puede predecir el desplazamiento lineal.

Ventaja y desventaja del transductor capacitivo:

Ventaja:

Las principales ventajas del transductor capacitivo se enumeran a continuación:

Este transductor requiere una fuerza muy pequeña para funcionar y, por lo tanto, se utiliza en sistemas pequeños.
Son muy sensibles. La precisión es tan buena como 0.005%.
El efecto de carga es mínimo en este transductor debido a la alta impedancia de entrada.
Con estos transductores se puede obtener fácilmente una resolución del orden de 2,5×10-3.
La medición del transductor inductivo se ve afectada por el campo magnético perdido, mientras que un transductor capacitivo no se ve afectado.
El requisito de potencia del transductor capacitivo es menor ya que requieren menos fuerza para operar.

Desventaja:

Las principales desventajas de un transductor capacitivo se mencionan a continuación:

El transductor capacitivo requiere que su parte metálica esté aislada entre sí. Si se acortan, el valor de la capacitancia será cero. Sobre todo, para evitar el efecto de la capacitancia parásita en la medición, el marco de este transductor debe estar conectado a tierra.
El transductor capacitivo muestra un comportamiento no lineal en ocasiones debido al efecto de los bordes. Los anillos de protección se utilizan para eliminar este efecto.
El cable que se conecta al transductor también es una fuente de error cuando se miden pequeños cambios físicos. El cable puede ser una fuente de carga que provoque una pérdida de sensibilidad. Además, la carga hace que la respuesta de baja frecuencia sea pobre.
La capacitancia puede cambiar debido al polvo, la humedad, etc.
Son sensibles a la temperatura y, por lo tanto, cualquier cambio de temperatura afecta negativamente a su rendimiento.
El circuito de instrumentación utilizado con el transductor capacitivo es bastante complejo.
La impedancia de salida (1/2πfC) del transductor capacitivo es bastante alta debido al valor más bajo de la capacitancia. Esto conduce al efecto de carga. La impedancia de salida depende de la frecuencia de la señal utilizada para medir la capacitancia. Para una capacitancia entre 10 y 500 pF, la frecuencia utilizada es tal que da una impedancia de salida en el rango de 1 kΩ a 10 MΩ. Este alto valor de impedancia de salida significa que la resistencia de aislamiento debe mantenerse alta para evitar la derivación indebida de la capacitancia y la reducción de la sensibilidad.

Aplicación de transductor capacitivo:

Las principales aplicaciones de un transductor capacitivo se enumeran a continuación.

El transductor capacitivo se utiliza principalmente para medir el desplazamiento lineal y angular. Son muy sensibles y pueden medir desplazamientos extremadamente pequeños del orden de 10-6 mm.
También se utilizan para la medición de fuerza y presión. La fuerza y la presión se convierten primero en desplazamiento lineal y luego el desplazamiento se mide mediante un transductor capacitivo.
El transductor capacitivo se puede usar directamente para medir la presión donde el cambio de presión da como resultado el cambio correspondiente en la constante dieléctrica del medio entre las placas del capacitor.
La constante dieléctrica de los gases cambia con la humedad. Por lo tanto, un transductor capacitivo puede medir la humedad en los gases empleando el cambio de capacitancia debido al cambio en el principio de la constante dieléctrica.
También se puede utilizar para medir el nivel de líquido, el volumen, la densidad, etc. Sin embargo, se requiere un modificador mecánico para la medición de estos parámetros.