Sensores Capacitivos - DEMAR
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U N I V E R S I D A D E D E S Ã O P A U L O<br />
Escola de Engenharia de Lorena – EEL<br />
<strong>Sensores</strong><br />
<strong>Capacitivos</strong><br />
Disciplina : Eletrônica e Instrumentação<br />
Tiago Françoso<br />
Viviane I. Damasceno<br />
Prof. Carlos Yujiro Shigue
1-Introdução<br />
Capacitores<br />
O primeiro capacitor foi construído em 1746 pelo físico holandês Pieter van<br />
Musschenbroek, na Universidade de Leyden, na Holanda. Esse capacitor era<br />
constituído por uma garrafa de vidro, preenchida por água ou outro líquido.<br />
Uma rolha era usada como tampa e por essa tampa passava um condutor que<br />
entrava em contato com a água. Essa garrafa é conhecida até hoje como a<br />
Garrafa de Leyden.<br />
Capacitor é um componente que armazena energia num campo elétrico,<br />
acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica.<br />
Os formatos típicos consistem em dois eletrodos metálicos ou placas paralelas<br />
que armazenam cargas opostas. Estas duas placas são condutoras e são<br />
separadas por um dielétrico, sendo o mesmo uma substância que possui alta<br />
resistência ao fluxo da corrente elétrica.<br />
Figura1 - Quando uma diferença de potencial V = Ed é aplicada às placas<br />
deste condensador simples, surge um campo elétrico entre elas. Este campo<br />
elétrico é produzido pela acumulação de uma carga nas placas.<br />
A propriedade que estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a<br />
forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância ou capacidade<br />
(C) e é medida pelo quociente da quantidade de carga (Q) armazenada pela<br />
diferença de potencial ou tensão (V) que existe entre as placas:<br />
Onde:<br />
C é dado em Farad;<br />
Q é dado em Coulomb;<br />
V é dado em Volt
A equação acima é exata apenas para valores de Q muito maiores que a carga<br />
do elétron (e = 1,602 × 10 −19 C). Porém quando o valor de Q não for muito<br />
maior do que a ordem da carga do elétron usa-se a equação abaixo:<br />
Onde:<br />
C é a capacidade em farad;<br />
ε 0 é a permissividade eletrostática do vácuo ou espaço livre (ε0 = 1/36p nF/m);<br />
ε r é a constante dieléctrica ou permissividade relativa do isolante utilizado;<br />
A é a área coberta pelo capacitor;<br />
d é a distância entre as placas.<br />
2- Tipos de <strong>Sensores</strong><br />
Figura 2 – Circuito com Capacitor<br />
<strong>Sensores</strong> são dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma<br />
grandeza física podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que<br />
indica esta grandeza.<br />
Sistemas computacionais industriais podem usar sensores para verificar se<br />
peças estão presentes ou ausentes, para medir peças, e mesmo para verificar<br />
se o produto está vazio ou cheio. O uso de sensores para monitorar processos<br />
é vital para o sucesso de uma manufatura e para assegurar a segurança do<br />
equipamento e do operador. De fato, os sensores executam tarefas simples<br />
mais eficientemente e mais precisamente do que pessoas. Os sensores são<br />
muito mais rápidos e cometem poucos erros.<br />
Existem vários tipos e modelos de sensores que variam conforme o objeto alvo<br />
de sensoriamento. Os mais comuns são: <strong>Sensores</strong> Indutivos, <strong>Sensores</strong><br />
<strong>Capacitivos</strong>, <strong>Sensores</strong> Fotoelétricos, <strong>Sensores</strong> Magnéticos e <strong>Sensores</strong> de<br />
Pressão ou toque.
2.1- <strong>Sensores</strong> <strong>Capacitivos</strong><br />
São sensores capazes de detectar a aproximação de objetos sem a<br />
necessidade de contato físico, com principio de funcionamento baseado na<br />
variação da capacitância.<br />
O fenômeno da capacitância elétrica é utilizado numa grande variedade de<br />
sensores devido a algumas características convenientes que ele apresenta.<br />
Basicamente, dois princípios podem ser utilizados para caracterizar uma<br />
determinada grandeza variante no tempo:<br />
• O primeiro princípio é baseado na variação da distância entre as placas do<br />
capacitor.<br />
• O segundo utiliza a variação do meio dielétrico existente no interior das placas<br />
do capacitor.<br />
Figura 3 – Sensor Capacitivo<br />
Princípio de Funcionamento<br />
A linha de sensores capacitivos é constituída de modo geral nos seguintes<br />
blocos:<br />
Figura 4 - Linha de Funcionamento<br />
Baseia-se no princípio da mudança de freqüência de oscilação de um circuito<br />
ressonante com a alteração do valor de capacitância formada pela placa<br />
sensível e o ambiente, devido à aproximação de um corpo qualquer. Esta<br />
capacitância pode ser alterada, praticamente por qualquer objeto que se<br />
aproxime do campo de atuação do sensor. A mudança de freqüência<br />
ocasionada pela alteração da capacitância da placa sensível é enviada a um<br />
circuito detector que transforma a variação da freqüência em nível de tensão. O<br />
circuito trigger, trata de receber o sinal de tensão gerado no detector e<br />
transformá-lo em onda quadrada adequada à excitar um circuito de comutação<br />
o que já é o suficiente para acionar circuitos externos.<br />
Os sensores capacitivos são largamente utilizados para a detecção de objetos<br />
de natureza metálica ou não, tais como: Madeira, papelão, cerâmica, vidro,<br />
plástico, alumínio, laminados ou granulados, pós de natureza mineral como
talco, cimento, argila e etc. Os líquidos de maneira geral são ótimos atuadores<br />
para os sensores capacitivos, não importando se são condutivos ou não, a<br />
viscosidade ou cor.<br />
Desta forma excelentes sistemas para controle de níveis máximos e mínimos<br />
de líquidos ou sólidos são obtidos com a instalação de um ou dois sensores,<br />
mesmo que mergulhados totalmente no produto. Para outros fins de detecção,<br />
tais como contagem de garrafas, caixas, pacotes ou peças, o sensor capacitivo<br />
dotado de ajuste de sensibilidade "T" é extremamente versátil, resolvendo<br />
problemas de automação, de difícil solução com sistemas convencionais<br />
3- Exemplos<br />
3.1 - Sensor Capacitivo de detecção de Umidade<br />
Neste exemplo propõe-se a utilização de sensores para medir o<br />
potencial de água no solo. Para isso foram construídos alguns sensores,<br />
através do uso de placas de cobre e alguns tipos de dielétrico como, por<br />
exemplo, gesso e papel.<br />
Utilizando-se um capacitor não lacrado, dotado de um meio dielétrico<br />
poroso, a variação da capacitância depende exclusivamente do tipo e da<br />
quantidade de matéria presente entre as placas, uma vez que os demais<br />
parâmetros que influenciam no valor da capacitância podem ser considerados<br />
constantes para este caso. Desta forma, a medida que o solo ao redor do<br />
sensor se torna mais úmido, o meio poroso que compõe o dielétrico, absorve<br />
uma determinada quantidade de água, proporcional à umidade presente no<br />
substrato. Analogamente, quando o solo se torna mais seco, o meio dielétrico<br />
perde água em função da umidade presente ao redor do sensor. Este<br />
comportamento se deve ao fenômeno de difusão da água através de meios<br />
porosos.<br />
Partindo da Equação (2) pode-se concluir que o valor da capacitância do<br />
sensor varia linearmente com a permissividade elétrica do meio, uma vez que<br />
tanto a distância entre as placas como a área das mesmas são constantes.<br />
Desta forma, a resposta elétrica do sensor depende exclusivamente das<br />
variações ocorridas no meio dielétrico.<br />
Um elemento complicador surge devido às placas dos sensores serem<br />
completamente recobertas por um verniz isolante, para evitar a oxidação do<br />
cobre enquanto as mesmas estiverem imersas no solo. Porém, a principal<br />
propriedade deste isolamento é a de eliminar o possível efeito de condução de<br />
cargas elétricas através do meio dielétrico que pode ocorrer dependendo da<br />
condutividade da água ou do solo.<br />
A Figura 6 apresenta a vista lateral do sensor de forma mais detalhada.<br />
O verniz é um meio dielétrico presente entre as placas do sensor. Sabe-se que<br />
quando existem vários meios dielétricos distintos colocados entre as placas, o<br />
capacitor resultante desta combinação possui comportamento análogo a vários<br />
capacitores associados em série, onde cada um possui exclusivamente um dos<br />
dielétricos que compõe a associação.
Figura 5- Vista lateral ampliada do sensor.<br />
Figura 6 - Representação elétrica equivalente do sensor.<br />
3.2 - Medição Capacitiva de Nível<br />
<strong>Sensores</strong> capacitivos podem ser usados para determinar nível de<br />
líquidos ou pós, por exemplo, tanto como interruptores on-off de nível ou como<br />
indicadores contínuos de nível.<br />
Um sensor capacitivo típico para medição contínua de nível consiste em<br />
uma haste isolada, ou algum eletrodo similar. O sensor é instalado em paralelo<br />
a uma parede vertical de um tanque feito de material condutor. À medida que o<br />
espaço entre a parede e o eletrodo é preenchido pelo material retido pelo<br />
tanque, a capacitância cresce na proporção do nível do material. Para<br />
instalações em tanques não-condutores, um segundo eletrodo é necessário. A<br />
capacitância pode ser lida por uma ponte ou por um circuito que converta<br />
linearmente capacitância em saída analógica ou digital.<br />
Interruptores de nível são geralmente instalados através das paredes de<br />
tanque para detectar a presença ou a ausência do material armazenado em<br />
uma dada altura.<br />
Dois projetos básicos são muito usados: um que usa a parede-tanque<br />
como uma placa do capacitor e outro que contém internamente ambas as<br />
placas. Em ambos os casos, funcionam através da detecção de mudança na<br />
capacitância quando cobertos pelo material armazenado.
3.3 - Análise de Composição<br />
Apesar de não ser muito comum, medições capacitivas podem ser<br />
empregadas para medir a composição de pós ou líquidos dielétricos. Sua<br />
utilidade principal está em determinar as proporções relativas de uma mistura<br />
com dois materiais diferentes ou em discriminar entre duas substâncias<br />
diferentes. Há, no entanto, limitações para uso dessa técnica, pois pode haver<br />
muitas substâncias diferentes com constantes dielétricas parecidas, fazendo<br />
com que a análise de composição capacitiva deva ser usada apenas em<br />
aplicações específicas.<br />
3.4 - Sensor capacitivo de proximidade<br />
Podem ser usados para detecção de qualquer tipo de material, tais<br />
como: papel, madeira, plástico, farinha, metais e etc.<br />
Utiliza como princípio de funcionamento a variação do dielétrico. Pois um<br />
oscilador alimenta um capacitor formado por duas placas em sua extremidade,<br />
que é a parte sensível do aparelho. Quando algum material ingressa nesta<br />
região, provoca uma variação de capacitância alterando o oscilador que é<br />
detectada pelo circuito de acionamento do Sensor Capacitivo, atuando sua<br />
carga em série.<br />
4- Referências<br />
http://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitor<br />
http://www.mecaweb.com.br/eletronica/deteccao/senscapac.php<br />
http://s2i.das.ufsc.br/seminarios/apresentacoes/tecnicas-sensoreamento.pdf<br />
http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u57.jhtm<br />
http://www.priel.com.br/protecao-industrial/sensor-proximidade/index.html