Q=CV
La capacidad de un condensador es función de su geometría y de la constante dieléctrica (ε) del material dieléctrico utilizado entre las placas.
C=F(ε, geometría)
Cualquier magnitud física que modifique la constante dieléctrica o la geometría de un condensador podría ser medida midiendo la capacidad. Existen multitud de sensores capacitivos con geometrías diferentes, adaptadas a la medida de diversas magnitudes físicas.
El caso más simple es el condensador de placas paralelas que se muestra en la figura.
A continuación se muestra el esquema del principio de funcionamiento de diversos sensores capacitivos basados en una variación de área, de distancia entre placas y de dieléctrico.
El empleo de un condensador variable como sensor está sujeto a una serie de limitaciones.
Efecto borde: en un condensador de placas paralelas, cuando la separación entre placas es mucho menor que las dimensiones laterales, este efecto es despreciable. En caso contrario, las alteraciones del campo eléctrico en las proximidades de los bordes del condensador, hacen que la capacidad real del mismo no coincida con la obtenida al aplicar la expresión teórica. Un método para reducir el efecto de los bordes sin alterar las relaciones geométricas es el empleo los denominados anillos de guarda. Consiste en rodear una de las placas del condensador, a una cierta distancia g, con un anillo puesto al mismo potencial que dicha placa, según se muestra en la figura.
Aislamiento entre placas: debe ser alto y constante. Por ejemplo, si como consecuencia de variaciones de humedad, se altera el aislamiento ofrecido por el dieléctrico y aparecen resistencias parásitas en paralelo con C, se producen variaciones en la impedancia del condensador no atribuibles a un cambio de capacidad. Es decir, parte del cambio de impedancia no es consecuencia de la magnitud que se mide.
Interferencias capacitivas: si cualquier conductor próximo al condensador variable alcanza un determinado potencial con respecto a la placa de este no conectada a masa, aparecerá una capacidad parásita (CP) entre la placa y el conductor, que interfiere en la medida. Puede ser necesario apantallar eléctricamente esta placa y los cables conectados a ella respecto al entorno ajeno al sensor.
Cables de conexión: al ser apantallados para evitar las interferencias capacitivas, aparece una capacidad parásita (CP) en paralelo con la capacidad del sensor (CS). Esto hace que se pierda sensibilidad, pues la magnitud a medir hará cambiar sólo CS, que es ahora una parte de la capacidad total.
No linealidad: su linealidad depende del parámetro que varía, de la expresión de la capacidad y de si se mide la impedancia o la admitancia del condensador. Para el caso de un condensador de placas paralelas:
Alta impedancia de salida: si se quiere medir la tensión en los terminales del sensor capacitivo, es preciso utilizar un circuito de medida que tenga una impedancia de entrada muy alta. De lo contrario se producirá un error por carga considerable. Esto no siempre es fácil de conseguir. Una alternativa consiste en medir la corriente a través del sensor, con lo que la exigencia de una impedancia de entrada alta desaparece.
Frente a las limitaciones anteriores, los sensores capacitivos presentan una serie de ventajas que los hacen atractivos en muchas aplicaciones.
Error por carga mecánica mínimo: como sensores de desplazamiento, al no haber contacto mecánico directo, como sucedía en los potenciómetros, no hay errores por fricción. Además, el elemento móvil suele tener muy poca masa, con lo que su inercia es muy pequeña y la energía necesaria para desplazarlo es despreciable.
Estabilidad y reproducibilidad muy elevadas: al no depender la capacidad de las propiedades de las placas, no afectan en este sentido los cambios de temperatura ni hay derivas temporales. Si el dieléctrico es el aire, ε varía poco con la temperatura. Para otros materiales, las variaciones de temperatura pueden tener más influencia. Pero en todo caso, la resistividad varía más con la temperatura, por lo que los sensores resistivos deben ser considerados menos inmunes a estos cambios de las condiciones ambientales.
Muy alta resolución en la medida de desplazamientos: esto es consecuencia de la alta resolución que se puede conseguir, con los circuitos de acondicionamiento, en la medida de capacidades. Se logran detectar desplazamientos de hasta 10 pm.
No producen campos eléctricos ni magnéticos grandes: esto es una ventaja frente a los sensores inductivos, que pueden producir campos magnéticos de dispersión intensos que perturban el funcionamiento de otros circuitos del entorno.
Entre las aplicaciones más inmediatas de los sensores capacitivos están los detectores de proximidad y las medidas de desplazamientos lineales y angulares, niveles de líquidos y humedad. Estos sensores pueden medir otras magnitudes si un sensor primario apropiado las convierte en un desplazamiento. Por ejemplo, presión, aceleración, fuerza, etc.
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