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Escola Politécnica da Universidade de São Paulo Departamento de Engenharia Mecatrônica
Transdutores Capacitivos
PMR 2727 – Sensores: Tecnologias e Aplicações – Nº USP: Professor: Celso Massatoshi Furukawa
4.1. Conceitos Básicos de Capacitância O capacitor mais familiar consiste em duas placas paralelas separadas por um espaço preenchido por ar ou algum material dielétrico. Se uma carga, q, é transferida de uma placa para outra, uma diferença de tensão V será criada. Para uma carga dada, a tensão será maior quando a placas forem pequenas e distantes uma da outra do que quando elas forem grandes e próximas uma da outra. A capacitância do par de placas é a medida da quantidade de carga que pode ser transferida antes de ser alcançada certa tensão. A capacitância também é influenciada pelo dielétrico presente entre as placas. O campo elétrico produzido entre as placas carregadas distorce as órbitas dos elétrons do dielétrico, o que faz com que a força do campo seja reduzida e a capacitância seja aumentada. Um capacitor não precisa ser feito de duas placas paralelas. Qualquer par de condutores, independentemente de seus formatos e da distância entre si, apresentam capacitância. 4.2. Circuito para Medição de Capacitância A impedância de um capacitor é dada por 1/(2πfC), onde C é a capacitância e f é a freqüência de uma corrente alternada. A impedância pode ser medida de várias formas. Um exemplo de circuito para medição de capacitância pode ser um em que o capacitor é conectado em série entre uma fonte de tensão e um resistor. Aumentando a capacitância, reduz-se a impedância do capacitor e aumenta-se a tensão no resistor. O aumento não é linear com a capacitância, mas pode ser aproximadamente linear se a resistência for pequena. Uma ponte capacitiva também é não-linear, mas tem a vantagem de seu sinal de saída não ser afetado por mudanças de freqüência. Adicionando um amplificador operacional, é possível aumentar linearmente o sinal de saída com a capacitância. Esses circuitos requerem uma fonte de tensão CA cuja amplitude é estável. A estabilidade de freqüência não é importante, exceto no circuito R-C. 4.3. Detectores Capacitivos de Proximidade Os detectores capacitivos de proximidade acusam a presença de objetos metálicos ou não-metálicos. Objetos não-metálicos são detectados por seus efeitos na constante dielétrica próxima ao capacitor. Os sensores capacitivos de proximidade são úteis para contar objetos ou operar interruptores ou alarmes em resposta à posição de mecanismos controláveis. A aplicação e instalação são simples e deve haver precauções para manter uma distância razoável entre os sensores e entre um sensor e qualquer estrutura metálica da instalação. 4.4. Detectores Capacitivos de Deslocamento A capacitância é proporcional à área efetiva das placas e é inversamente proporcional à distância entre as placas. O deslocamento de uma ou ambas as placas, para mudar suas áreas efetivas, irá produzir um transdutor cuja capacitância é proporcional à posição ou deslocamento. Osciladores L-C são apropriados para medir pequenas capacitâncias ou pequenas mudanças. Entretanto, suas respostas não serão lineares com alterações na capacitância. A linearidade é, todavia, suficiente na medição de pequenas mudanças. Um oscilador L-C operando a uma freqüência alta pode fornecer alta resolução para deslocamentos pequenos. 4.4.1. Tacômetros Capacitivos Tacômetros capacitivos podem ser criados fazendo com que o campo elétrico entre as duas placas do capacitor seja afetado por um dispositivo giratório. Usando uma engrenagem com dentes de metal como uma placa do capacitor, por exemplo, produzem-se variações na capacitância na razão proporcional à velocidade rotacional do eixo. Conclui-se, portanto, que a velocidade de resposta do circuito deve ser mais rápida que a razão de variação na capacitância.
4.4.2. Capacitores Diferenciais Um capacitor diferencial de três placas contém duas placas externas fixas e uma interna móvel; quando a placa móvel é centralizada as duas capacitâncias são iguais. Qualquer movimento pode aumentar a capacitância de um lado e reduzir a outra. O desvio de capacitância pode ser detectado usando um circuito de ponte capacitiva amplificada. Capacitores diferenciais podem ser usados para medições sensíveis de pequenos movimentos. 4.5. Medição de Pressão Um diafragma cuidadosamente projetado para produzir movimento linear com variação de pressão pode ser usado para mover uma ou ambas as placas de um capacitor. As vantagens dos sensores capacitivos de pressão incluem alta sensibilidade, resposta rápida, boa resistência a atmosferas adversas, ausência de autoaquecimento e largas faixas de operação. As desvantagens incluem respostas não-lineares, erros de medição devidos a ruídos de capacitância e a necessidade de circuitos sofisticados. 4.6. Medição Capacitiva de Nível Sensores capacitivos podem ser usados para determinar nível de líquidos ou pós, por exemplo, tanto como interruptores on-off de nível ou como indicadores contínuos de nível. 4.6.1. Interruptores de Nível Interruptores de nível são geralmente instalados através das paredes de tanque para detectar a presença ou a ausência do material armazenado em uma dada altura. Dois projetos básicos são muito usados: um que usa a parede-tanque como uma placa do capacitor e outro que contém internamente ambas as placas. Em ambos os casos, funcionam através da detecção de mudança na capacitância quando cobertos pelo material armazenado. 4.6.2. Medição Contínua de Nível Um sensor capacitivo típico para medição contínua de nível consiste em uma haste isolada, ou algum eletrodo similar. O sensor é instalado em paralelo a uma parede vertical de um tanque feito de material condutor. À medida que o espaço entre a parede e o eletrodo é preenchido pelo material retido pelo tanque, a capacitância cresce na proporção do nível do material. Para instalações em tanques não-condutores, um segundo eletrodo é necessário. A capacitância pode ser lida por uma ponte ou por um circuito que converta linearmente capacitância em saída analógica ou digital. 4.7. Medição de Umidade As constantes dielétricas de sólidos isolantes podem ser mudadas pela umidade absorvida. A constante dielétrica da água é alta se comparada à maioria dos sólidos. A adição de pequenas quantidades de umidade pode produzir grandes mudanças na constante dielétrica. Dessa forma, pode-se detectar a quantidade de umidade em materiais através da inserção de eletrodos cilíndricos dentro do material a ser analisado. 4.8. Análise de Composição Apesar de não ser muito comum, medições capacitivas podem ser empregadas para medir a composição de pós ou líquidos dielétricos. Sua utilidade principal está em determinar as proporções relativas de uma mistura com dois materiais diferentes ou em discriminar entre duas substâncias diferentes. Há, no entanto, limitações para uso dessa técnica, pois pode haver muitas substâncias diferentes com constantes dielétricas parecidas, fazendo com que a análise de composição capacitiva deva ser usada apenas em aplicações específicas.
