WO2022162259A1 - Sensor capacitivo para la medición de nivel de una sustancia en un depósito - Google Patents

Sensor capacitivo para la medición de nivel de una sustancia en un depósito Download PDF

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WO2022162259A1
WO2022162259A1 PCT/ES2021/070930 ES2021070930W WO2022162259A1 WO 2022162259 A1 WO2022162259 A1 WO 2022162259A1 ES 2021070930 W ES2021070930 W ES 2021070930W WO 2022162259 A1 WO2022162259 A1 WO 2022162259A1
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layer
capacitive sensor
plane
electrodes
signal conditioning
Prior art date
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PCT/ES2021/070930
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jose Luis Landatxe Zugarramurdi
Sergio Diez Garcia
Enrique Breton Cristobal
Javier Garcia Izaguirre
Jorge MACHIN MINDAN
Original Assignee
Cebi Electromechanical Components Spain, S.A.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/26—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring variations of capacity or inductance of capacitors or inductors arising from the presence of liquid or fluent solid material in the electric or electromagnetic fields

Definitions

  • the object of the present invention is a capacitive sensor for measuring the level of a substance (generally a liquid) in a reservoir or tank.
  • the capacitive sensor object of the present invention offers an optimal level of reliability in the measurements, as well as excellent protection against electromagnetic noise that could distort the precise measurement of the level of the liquid in the tank.
  • the capacitive sensor for the level of a substance in a tank that is the object of the present invention has application in the industry of measurement systems for industrial installations and, more specifically, in the systems for measuring the level of liquids in tanks typical of the automotive sector in which measurement standards are more demanding in terms of accuracy.
  • capacitive systems for measuring the level of liquids in tanks are known, which are based on the arrangement of electrodes immersed in the liquid present in the tank and on the measurement of the variation in capacity between said electrodes.
  • the linear electrodes work as an antenna, being able to capture electromagnetic disturbances, which would be led to the sensor's measurement controller, causing false readings or even the complete impossibility of carrying out the measurement.
  • the tracks that go to the “wet” reference electrode also couple with the liquid when its level rises, causing the capacitance value of the submerged reference electrode to decrease, which introduces non-linearities in the response. that are difficult to correct.
  • capacitive level sensors such as the one described in document EP 1573280 B1, based on a group of discrete electrodes aligned in the direction of variation of the liquid level in the tank.
  • This type of capacitive sensor solves the aforementioned problems with respect to linear electrodes, since this group of discrete electrodes is less likely to form antennas due to its geometry and, on the other hand, makes the reference electrodes redundant (in the middle).
  • connection tracks are coupled to the medium, causing the response of each electrode to vary continuously with the height of the liquid, once the level of the liquid has exceeded the level of the electrode, reaching different final values for each electrode, such as and as it happens with the base capacity.
  • the connection tracks are susceptible to electromagnetic disturbances of external origin, as well as to capacitive couplings with external grounded elements.
  • the present invention relates to a capacitive sensor for measuring the level of a substance in a tank.
  • the capacitive sensor for measuring the level of a substance in a tank object of the present invention comprises a motherboard (PCB) with a plurality of layers. Each layer comprises one or more areas of components such as measurement electrodes, signal conditioning electronic circuit and connection tracks of the measurement electrodes with the signal conditioning electronic circuit.
  • PCB motherboard
  • the capacitive sensor comprises a first layer which in turn comprises an area comprising a plurality of measurement electrodes distributed linearly.
  • all the connection tracks of the measurement electrodes with the signal conditioning electronic circuit comprise the same shape and length, and; - they are surrounded by at least one guard plane and optionally at least one shield plane, both made of conductive material, the guard plane being subjected to a guard voltage to prevent coupling between the tracks with the medium and with any conductor adjoining that is at a different potential so that it can influence the capacity measured by the measurement electrodes; and the shielding plane being connected to ground for the electromagnetic shielding of the tracks.
  • Guard plane and shield plane are different names for a plane of conductive material for shielding the traces and, optionally, other components of the capacitive sensor base plate.
  • the at least one guard plane and/or the at least one shielding plane can be made of copper and/or tin.
  • the guard plane may be connected to a guard voltage, so that if an electrode and the corresponding track are connected to the measurement voltage, it is possible by means of the signal conditioning electronic circuit to put the remaining tracks at the same voltage as the guard plan.
  • the at least one shield plane may be connected to ground.
  • the tracks are surrounded by guard planes, it is possible, on the one hand, to avoid or at least minimize the coupling of the electrode connection tracks with the medium (eg liquid medium) whose level is desired. measure, reinforcing the effect of "equalization" of the response of the electrodes, also with the inclusion of the shielding plane it is protected against electric and electromagnetic fields that may affect the measurement, providing a high-precision sensor especially indicated for motorsports where greater precision is required in the measurement of sensors.
  • the medium eg liquid medium
  • the combination of the tracks of the same shape and length with the shielding planes allows to obtain: smaller and equal base capacities; More uniform responses of the individual measurement electrodes when facing the medium, without influence from the rest of the “wet” electrodes and without additional variation as the level rises, and; Greater immunity to external disturbances of any kind, robustly obtaining a sufficient signal-to-noise ratio for the correct operation of the sensor device.
  • the capacitive value of each measurement electrode can simply be compared with a reference value of each measurement electrode, stored in the memory of the electronic signal conditioning circuit, to know if a given electrode is or not facing the middle. This would be equivalent to performing an “autozero” of the system when the measurement electrodes are in contact with air, subtracting the value measured in that condition from the output value of each measurement electrode, thus taking the output to zero “in air” and subsequently using as output signal the subtraction thus calculated.
  • the capacitive sensor comprises a second layer comprising a shielding plane; a third layer comprising the connection tracks of the measurement electrodes with the signal conditioning electronic circuit, and; a fourth layer comprising a guard plane.
  • the first layer and the second layer are the outer layers of the motherboard (PCB), and the third layer is arranged between the second layer and the fourth layer.
  • the capacitive sensor comprises a second layer comprising a shielding plane and a third layer comprising a guard plane, as well as the connection tracks of the measurement electrodes with the electronic circuit. signal conditioning.
  • Each track is inserted in a corresponding elongated window made in the guard plane.
  • the first layer and the second layer are the outer layers of the motherboard (PCB), and the third layer is arranged between the first layer and the second layer.
  • the insertion of the tracks in the guard plane hardly has a negative effect on the shielding function of said plane, since every time an electrode (and the corresponding track) is connected to the measurement voltage, it is possible to put, by means of a switching device, the remaining tracks at the same voltage of the guard plane (guard voltage) with which it is as if said remaining tracks were part of the guard plane and were not interrupted.
  • This solution is especially applicable to sensors with few measurement levels, and consequently with a short sensor element and with few electrodes and short tracks, since in these types of sensors, on the one hand, the geometric and electrical disturbance of the guard plane due to the insertion of the tracks it is minimized and, on the other hand, since the tracks are short, the value of their capacity with respect to any adjoining conductor is lower compared to the value of the capacity of the wet electrode.
  • a ground electrode is arranged between every two measurement electrodes. All ground electrodes are physically and electrically connected to the same electrical potential.
  • the medium has to be a conductive medium and act as a "virtual electrode", needing to be grounded. or in some way connected to the circuit for this scheme to work, which is a clear drawback of this strategy since not all the media of interest are conductive (think, for example, of oils or fuels such as diesel or gasoline, which are insulators ).
  • the measurement electrodes and the tracks that are not measuring and the guard plane are preferably placed at the guard voltage to avoid coupling of the tracks with the medium; and the ground electrodes are preferably connected to ground to act as a second armature.
  • the capacitive sensor in addition to the measurement electrodes of the first layer, the capacitive sensor comprises an additional layer which in turn comprises three or more linearly distributed measurement electrodes, where the first layer and the aforementioned additional layer of electrodes of measurement are the outer layers of the motherboard (PCB).
  • PCB motherboard
  • the signal conditioning electronics is arranged in an area located in the first layer adjacent to the area comprising the measurement electrodes.
  • the fourth layer comprises a shielding plane of the signal conditioning electronics, where said shielding plane of the signal conditioning electronic circuit is at a voltage different from the of the guard plane, preferably to the ground voltage of the system.
  • the signal conditioning electronic circuit can be arranged in an area located in the second layer linked to a shielding plane arranged in said layer.
  • the first layer may comprise a shielding plane for the electronic signal conditioning circuit, where said shielding plane for the electronic signal conditioning circuit is at a different electrical potential than the measurement electrodes.
  • the third layer (which includes the tracks) may comprise a shielding plane of the electronic signal conditioning circuit, where said shielding plane of the electronic signal conditioning circuit is at a different potential than the guard plane and/or the connection tracks of the measurement electrodes with the signal conditioning electronic circuit, commonly to the ground voltage.
  • Figure 1 Shows a perspective view of the different exploded layers that make up the base plate of the capacitive sensor, according to a first embodiment of the invention.
  • Figure 2 Shows a schematic plan view of the different layers in exploded view of the base plate of the capacitive sensor, according to the first embodiment.
  • Figure 3 Shows a schematic plan view of the different layers in exploded view of the base plate of the capacitive sensor, according to the second embodiment.
  • Figure 4 Shows a perspective view of the different exploded layers that make up the base plate of the capacitive sensor, according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 5 Shows a schematic plan view of the different layers in exploded view of the base plate of the capacitive sensor, according to the second plus the third embodiment.
  • Figure 6 Shows a schematic plan view of the different layers in exploded view of the base plate of the capacitive sensor, according to the fourth embodiment.
  • the present invention relates, as mentioned above, to a capacitive sensor for measuring the level of a substance in a tank.
  • the capacitive sensor object of the present invention is built on a base plate (PCB) composed of a plurality of superimposed layers (1a, 1b, 1c, 1d, 1e).
  • PCB base plate
  • Each of the layers (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) of the motherboard may comprise one or more planes for performing different functions.
  • the base plate comprises four superimposed layers (1a, 1b, 1c, 1d).
  • a first sensing layer (1a) comprises two areas. In a first area there is a plurality of measurement electrodes (2) distributed linearly. In a second area of the first layer (1a) is the electronic signal conditioning circuit (3) of the motherboard.
  • a second shielding layer (1b), opposite the first sensing layer (1a), comprises two planes made of conductive material.
  • One of these planes is a shielding plane (7), for shielding against external electric and electromagnetic fields of the tracks (4) that connect each of the measurement electrodes (2) with the electronic signal conditioning circuit ( 3) from the motherboard.
  • the other of these planes is also a shielding plane (7) in an area adjacent to the previous one, for shielding the signal conditioning electronic circuit (3) located in the first layer (1a).
  • a third layer (1c), superiorly adjacent to the second layer (1b), comprises an area in which the aforementioned tracks (4) are located, connecting each of the measurement electrodes (2) with the electronic conditioning circuit of signal (3).
  • a fourth layer (1d) of the capacitive sensor is located between the first layer (1a) and the third layer (1c).
  • This fourth layer (1 d) comprises two areas.
  • One of these areas comprises a plane made of conductive material, said plane being a guard plane (8), for shielding the plane of the third layer (1c) comprising the tracks (4) in such a way as to avoid or minimize the coupling of said tracks (4) with the medium, with the measurement electrodes (2), or with any adjoining conductor that is at a different potential.
  • Said guard plane (8) can be connected to a guard voltage, preferably substantially equal to the measurement voltage, so that all the tracks are at the same voltage, so that, comparing the capacitive value of each measurement electrode With a reference value of each measurement electrode, stored in the memory of the signal conditioning electronic circuit, it is determined whether or not a given electrode is facing the medium.
  • the other area comprises a shielding plane (7) for shielding the signal conditioning electronic circuit (3) located in the first layer (1a).
  • Each measuring electrode (2) preferably rectangular and arranged with its long sides side by side, connects to a node (5) of a track (4), by means of a conductive element (not shown) that passes through a corresponding hole (6).
  • all the tracks (4) have the same length, regardless of whether the node (5) is located at a different height for the connection with the measurement electrode (2). ) correspondent.
  • all the tracks (4) have the same shape.
  • Figure 3 schematically shows the second embodiment of the capacitive sensor object of the present invention.
  • the second embodiment differs from the first embodiment in that, between each two measuring electrodes (2) of the first layer (1a), a ground electrode (2') is arranged. All the ground electrodes (2') are preferably wider than the measurement electrodes (2) being interconnected with each other around said ground electrodes (2'), as can be seen in figure 3. In this way the electrodes (2') are connected to the same potential (typically to ground).
  • the set of ground electrodes (2') behaves as a second capacitor armature, the first armature being the respective measurement electrodes (2).
  • FIGS 4 and 5 schematically show the third embodiment of the capacitive sensor object of the present invention.
  • the third embodiment differs from the first embodiment in that the second layer (1c) and the fourth layer (1d) of the first embodiment are integrated into a single third layer (1c) in this third embodiment. realization of the capacitive sensor.
  • This third layer (1c) of the third embodiment comprises the plurality of tracks (4) inserted in corresponding elongated windows (9) or elongated channels made in a guard plane (8).
  • the signal conditioning electronic circuit (3) can be located in the first layer (1a) (as in the first embodiment) or in the second layer (1b) comprising a shielding plane (7). Additionally, as can be seen in figure 5, in this embodiment the configuration of ground electrodes (2') has been adopted in the first layer (1a), said configuration being equally optional.
  • Figure 6 schematically shows the fourth embodiment of the capacitive sensor object of the present invention.
  • the fourth embodiment differs from the first embodiment in that there is an additional layer (1e) of the base plate, located externally adjacent to the second layer (1b), on the opposite side to the side on which the third layer (1c) contacts the second layer (1b).
  • This additional layer (1 e) is therefore an outer layer of the base plate, as is the first layer (1a).
  • the additional layer (1e) is a sensing layer, like the first layer (1a), which allows the system's sensitivity to be increased by doubling the useful surface of the measurement electrodes (2). Therefore, the additional layer (1 e) comprises a plurality of measuring electrodes (2) linearly distributed and connected to the respective tracks (4) of the third layer (1c) by means of nodes (5) that are accessed through of perforations (6) in the shielding plane (7) of the second layer (1b) which in this case becomes a shielding plane like the guard plane (8).
  • the configuration of the second embodiment of Figure 3 has also been adopted, that is, ground electrodes (2') have been included between the sensing electrodes (2), both in the first layer (1a) and in the additional layer (1 e), this optional arrangement being more suitable when working with insulating fluids or those with low conductivity.
  • ground electrodes (2') have been included between the sensing electrodes (2), both in the first layer (1a) and in the additional layer (1 e), this optional arrangement being more suitable when working with insulating fluids or those with low conductivity.
  • four embodiments of the invention have been described, each with its own characteristics.
  • the capacitive sensor object of the present invention can present combinations of characteristics of the different embodiments, creating various alternative embodiments with characteristics typical of two or more of the embodiments described above.

Landscapes

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Abstract

Sensor capacitivo para la medición de nivel de una sustancia en un depósito que comprende una placa base con una pluralidad de capas (1a, 1b, 1c, 1d, 1e), donde cada capa (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) comprende uno o más planos de componentes tales como electrodos de medida (2), microcontrolador (3) y pistas (4) de conexión de los electrodos de medida (2) con el microcontrolador (3), donde el sensor capacitivo comprende una primera capa (1a) que a su vez comprende un plano que comprende una pluralidad de electrodos de medida (2) distribuidos linealmente, donde todas las pistas (4) de conexión de los electrodos de medida (2) con el microcontrolador (3) comprenden la misma forma y longitud, y; están rodeadas por al menos un plano de guarda (8) y opcionalmente al menos un plano de blindaje (7), ambos realizados en material conductor.

Description

DESCRIPCIÓN
SENSOR CAPACITIVO PARA LA MEDICIÓN DE NIVEL DE UNA SUSTANCIA EN UN DEPÓSITO
Sector de la técnica
La presente invención tiene por objeto un sensor capacitivo para la medida del nivel de una sustancia (generalmente un líquido) en un depósito o tanque.
El sensor capacitivo objeto de la presente invención ofrece un óptimo nivel de fiabilidad en las medidas, así como una excelente protección frente a ruidos electromagnéticos que pudieran distorsionar la medida precisa del nivel del líquido en el depósito.
El sensor capacitivo de nivel de una sustancia en un depósito objeto de la presente invención tiene aplicación en la industria de los sistemas de medición para instalaciones industriales y, más concretamente, en los sistemas de medición de nivel de líquidos en depósitos propios del sector automovilístico en el que los estándares de medida son más exigentes en cuanto a su precisión.
Estado de la técnica
En la actualidad se conocen los sistemas capacitivos de medición de nivel de líquidos en depósitos que se basan en la disposición de unos electrodos sumergidos en el líquido presente en el depósito y en la medición de la variación de la capacidad entre dichos electrodos.
Algunos de estos sistemas, como el descrito en el documento WO 2008080865 A2, se basan en la introducción de dos electrodos lineales y paralelos a la dirección de variación de nivel de líquido en el depósito. Estos sistemas presentan la ventaja de tener una elevada resolución en la medida de variación de nivel, si bien presentan vahos inconvenientes. En primer lugar, si no se usan electrodos de referencia, estando uno de los electrodos de referencia totalmente sumergido en el medio líquido y el otro en aire, no es posible determinar el nivel del líquido, pues a nivel del medio constante, el valor de capacidad entre los electrodos cambia con las propiedades dieléctricas tanto del medio como del sustrato aislante sobre el que se ubican los electrodos, propiedades éstas que se ven influidas por factores como la humedad o la temperatura instantáneas, o bien más lentamente debido al progresivo envejecimiento de los materiales aislantes. En segundo lugar, los electrodos lineales funcionan a modo de antena, pudiendo captar perturbaciones electromagnéticas, que serían conducidas al controlador de medida del sensor, motivando falsas lecturas o incluso imposibilidad completa de realizar la medida. En tercer lugar, las pistas que van al electrodo de referencia “mojado”, también se acoplan con el líquido al subir el nivel de éste, haciendo vahar el valor de capacidad del electrodo de referencia sumergido, lo cual introduce no linealidades en la respuesta, que son difíciles de corregir.
Existe otro tipo de sensores de nivel capacitivos, como el descrito en el documento EP 1573280 B1 , basado en una agrupación de electrodos discretos alineados en la dirección de variación de nivel del líquido en el depósito. Este tipo de sensor capacitivo viene a resolver los problemas mencionados con respecto a los electrodos lineales, ya que esta agrupación de electrodos discretos es menos susceptible de formar antenas debido a su geometría y, por otro lado, hacen redundantes los electrodos de referencia (en medio sumergido y en medio seco), ya que permiten adoptar una estrategia basada en medir, de forma secuencial, el valor de capacidad “distribuida” existente entre cada uno de los electrodos de la formación (actuando como electrodo de medida, o primera armadura del condensador) y el resto de electrodos de la formación, estando éstos conectados “en bloque” a un mismo potencial conocido, y actuando por tanto como segunda armadura del condensador. Los electrodos en los que la capacidad es alta están enfrentados al medio líquido, mientras que los que muestran capacidad comparable o cercana a su valor inicial en aire (el cual se puede almacenar en la memoria del controlador a modo de referencia individual de cada electrodo) no están enfrentados al medio.
No obstante, este tipo de sensores capacitivos basados en una agrupación de electrodos discretos presentan también algunos inconvenientes derivados del hecho de que es preciso llevar unas pistas conductoras, por la cara opuesta al sustrato de la placa base (PCB, por las siglas en inglés de “Printed Circuit Board’), desde la correspondiente entrada del controlador hasta cada electrodo de medida. Estas pistas se acoplan con el resto de electrodos, así como con el medio líquido y con cualesquiera otros conductores colindantes que estén a diferente potencial a lo largo de la longitud de dichas pistas. Los problemas que esto genera son vahos. En caso de conectarse los electrodos que no están midiendo, como es lo habitual, a la tierra del sistema, se añade al electrodo que está en modo medida una importante capacidad de base (capacidad cuando no está enfrentado al medio líquido), que se ve incrementada si además, como también es habitual, existen otros conductores próximos puestos a tierra. Estas capacidades de base con respecto a tierra, así como cualesquiera otras capacidades parásitas en las que intervengan dichas pistas, son diferentes para cada electrodo, y además varían fuertemente con la temperatura o humedad, pues éstas hacen variar las propiedades dieléctricas del sustrato. Se ocasionan así cambios en la respuesta comparables a los inducidos por la variación en el nivel del medio líquido, siendo estos cambios diferentes para cada electrodo, con diferentes leyes de variación, lo cual hace muy difícil establecer leyes de compensación eficaces para el conjunto del sensor. Además, las pistas de conexión se acoplan al medio, motivando que la respuesta de cada electrodo varíe continuamente con la altura del líquido, una vez que el nivel del líquido ha superado el nivel del electrodo, llegando a valores finales diferentes para cada electrodo, tal y como sucede con la capacidad de base. Las pistas de conexión son susceptibles a perturbaciones electromagnéticas de origen exterior, así como a acoplamientos capacitivos con elementos exteriores puestos a tierra.
Objeto de la invención
Con objeto de solucionar los inconvenientes anteriormente mencionados, la presente invención se refiere a un sensor capacitivo para la medición de nivel de una sustancia en un depósito.
El sensor capacitivo para la medición de nivel de una sustancia en un depósito objeto de la presente invención comprende una placa base (PCB) con una pluralidad de capas. Cada capa comprende una o más áreas de componentes tales como electrodos de medida, circuito electrónico de acondicionamiento de señal y pistas de conexión de los electrodos de medida con el circuito electrónico de acondicionamiento de señal.
Así pues, el sensor capacitivo comprende una primera capa que a su vez comprende un área que comprende una pluralidad de electrodos de medida distribuidos linealmente.
Novedosamente, en el sensor capacitivo objeto de la presente invención, todas las pistas de conexión de los electrodos de medida con el circuito electrónico de acondicionamiento de señal: comprenden la misma forma y longitud, y; - están rodeadas por al menos un plano de guarda y opcionalmente al menos un plano de blindaje, ambos realizados en material conductor, estando el plano de guarda sometido a una tensión de guarda para evitar el acoplamiento entre las pistas con el medio y con cualquier conductor colindante que se encuentre a distinto potencial de forma que pueda influir en la capacidad medida por los electrodos de medida; y estando el plano de blindaje conectado a masa para el apantallamiento electromagnético de las pistas.
Plano de guarda y plano de blindaje son distintas denominaciones para un plano de material conductor para el blindaje o apantallamiento de las pistas y, opcionalmente, de otros componentes de la placa base del sensor capacitivo.
El al menos un plano de guarda y/o el al menos un plano de blindaje pueden estar realizados en cobre y/o estaño.
El plano de guarda podrá estar conectado a una tensión de guarda, de manera que si se pone un electrodo y la correspondiente pista a la tensión de medida, es posible mediante el circuito electrónico de acondicionamiento de señal poner las pistas restantes a la misma tensión del plano de guarda.
El al menos un plano de blindaje puede estar conectado a tierra.
Al tener todas las pistas la misma forma y longitud, todas ellas tienen la misma capacidad de base en relación con conductores colindantes con lo cual, dentro de un margen relativamente estrecho, presentan también la misma evolución frente a variaciones en la constante dieléctrica del entorno, como por ejemplo las inducidas por la temperatura o la humedad. Esto facilita eventuales estrategias de calibración o compensación.
Por otra parte, al estar las pistas rodeadas de planos de guarda, se permite por un lado evitar o al menos minimizar el acoplamiento de las pistas de conexión de los electrodos, con el medio (p.ej. medio líquido) cuyo nivel se desea medir, reforzando el efecto de “ecualización” de la respuesta de los electrodos, además con la inclusión del plano de blindaje se protege frente a campos eléctricos y electromagnéticos que puedan afectar a la medida, proporcionando un sensor con alta precisión indicado especialmente para automovilismo donde se exige mayor precisión en la medida de los sensores.
Se permite evitar o al menos minimizar el acoplamiento indeseado de dichas pistas con el resto de conductores colindantes en el circuito impreso de la placa base (PCB), con lo cual se minimiza la influencia de variaciones en las propiedades del sustrato de circuito impreso, sobre la medida. De no ponerse los planos metálicos (planos de guarda y/o blindaje), la ecualización de la capacidad de base cuando el sensor no está enfrentado al medio, se haría a costa de aumentar dicha capacidad de base, lo cual es muy desfavorable para la relación señal/ruido.
Por otro lado, se permite evitar o minimizar el acoplamiento de perturbaciones electromagnéticas exteriores con dichas pistas, (“efecto de antena”).
En definitiva, la combinación de las pistas de igual forma y longitud con los planos de apantallamiento (guarda) permite obtener: capacidades de base más pequeñas e igualadas; respuestas más uniformes de los electrodos de medida individuales al ser enfrentados al medio, sin influencia del resto de electrodos “mojados” y sin variación adicional conforme el nivel va subiendo, y; mayor inmunidad a perturbaciones exteriores de cualquier tipo, obteniendo de forma robusta una relación señal ruido suficiente para un correcto funcionamiento del dispositivo sensor.
El elevado grado de ecualización de la respuesta de los diferentes electrodos de medida del sensor capacitivo, cualquiera que sea su posición en el mismo, así como la estabilidad que proporciona la reducción de las derivas de las propiedades dieléctricas del sustrato con la temperatura, humedad o envejecimiento (motivos principales de las derivas), hace que no sea necesario disponer de electrodos de referencia en posiciones distales o proximales de la estructura, como ocurre en aquellas estructuras que no están compuestas de múltiples elementos sensores sino de electrodos lineales, o en aquellas otras que, aun consistiendo en estructuras de elementos sensores discretos, adolezcan de derivas importantes que pueden llegar a ser del orden de la señal útil inducida por la presencia del líquido, haciendo imperativa la comparación con un electrodo de referencia sumergido y con otro no sumergido, para poder determinar si el cambio en la lectura de un electrodo se debe o no a la presencia de líquido.
De este modo para la presente invención, puede simplemente compararse el valor capacitivo de cada electrodo de medida con un valor de referencia propio de cada electrodo de medida, almacenado en la memoria del circuito electrónico de acondicionamiento de señal, para saber si un electrodo dado está o no enfrentado al medio. Esto sería equivalente a realizar un “autocero” del sistema cuando los electrodos de medida están en contacto con aire, restando al valor de salida de cada electrodo de medida el valor medido en esa condición, llevando así la salida a cero “en aire” y usando posteriormente como señal de salida la resta así calculada.
Otra ventaja de esta solución es que, por las mismas razones antedichas, es independiente de la constante dieléctrica del fluido o medio cuyo nivel se desea medir, estando el límite de sensibilidad marcado por la variación residual de la lectura en estado “seco” de cada electrodo, la cual es muy pequeña. En efecto, diferentes líquidos proporcionarán diferentes valores absolutos de capacidad para los electrodos individuales, pero siempre y cuando la diferencia en comparación con el valor inicial (electrodo “seco”) esté por encima del umbral de ruido del sistema, el método de comparación funcionará.
Según una primera forma de realización de la invención, el sensor capacitivo comprende una segunda capa que comprende un plano de blindaje; una tercera capa que comprende las pistas de conexión de los electrodos de medida con el circuito electrónico de acondicionamiento de señal, y; una cuarta capa que comprende un plano de guarda. La primera capa y la segunda capa son las capas exteriores de la placa base (PCB), y la tercera capa está dispuesta entre la segunda capa y la cuarta capa.
Según una posible forma de realización de la invención, el sensor capacitivo comprende una segunda capa que comprende un plano de blindaje y una tercera capa que comprende un plano de guarda, así como las pistas de conexión de los electrodos de medida con el circuito electrónico de acondicionamiento de señal. Cada pista está insertada en una correspondiente ventana alargada realizada en el plano de guarda. La primera capa y la segunda capa son las capas exteriores de la placa base (PCB), y la tercera capa está dispuesta entre la primera capa y la segunda capa. Esta forma de realización descrita anteriormente tiene la ventaja de simplificar la placa base (y con ello reducir su coste), al unificar la capa que comprende las pistas con la placa que comprende el plano de guarda.
La inserción de las pistas en el plano de guarda no tiene apenas efecto negativo en la función de apantallamiento de dicho plano, pues cada vez que se pone un electrodo (y la correspondiente pista) a la tensión de medida, es posible poner, mediante un dispositivo de conmutación, las pistas restantes a la misma tensión del plano de guarda (tensión de guarda) con lo cual es como si dichas pistas restantes formasen parte del plano de guarda y no estuviese interrumpido. Esta solución es sobre todo aplicable a sensores con pocos niveles de medida, y consecuentemente con un elemento sensor corto y con pocos electrodos y pistas cortas, ya que en estos tipos de sensores, por un lado, la perturbación geométrica y eléctrica del plano de guarda debido a la inserción de las pistas se ve minimizada y, por otro lado, al ser las pistas cortas, el valor de su capacidad con respecto a cualquier conductor colindante es más reducido frente al valor de capacidad del electrodo mojado.
Según un aspecto de la invención, entre cada dos electrodos de medida se dispone un electrodo de masa. Todos los electrodos de masa están conectados físicamente, y eléctricamente a un mismo potencial eléctrico.
Mediante la característica descrita en el párrafo anterior, se evita la necesidad de que, como ocurre con otros sensores capacitivos del estado de la técnica, el medio tenga que ser un medio conductor y actúe como un “electrodo virtual”, necesitando ser puesto a tierra o de alguna manera conectado al circuito para que este esquema funcione, lo cual es un claro inconveniente de esta estrategia dado que no todos los medios de interés son conductores (piénsese por ejemplo en los aceites o carburantes tipo gasoil o gasolina, los cuales son aislantes).
Según la característica de intercalar electrodos de masa entre los electrodos de medida, se ponen preferentemente los electrodos de medida y las pistas que no están midiendo y el plano de guarda a la tensión de guarda para evitar acoplamiento de las pistas con el medio; y los electrodos de masa se conectan preferentemente a tierra para que actúen como segunda armadura. Según otro aspecto de la invención, además de los electrodos de medida de la primera capa, el sensor capacitivo comprende una capa adicional que a su vez comprende tres o más electrodos de medida distribuidos linealmente, donde la primera capa y la mencionada capa adicional de electrodos de medida son las capas exteriores de la placa base (PCB). Mediante esta característica, se consigue aumentar la sensibilidad del sensor capacitivo. De manera preferente, los electrodos de medida de la primera capa y de la capa adicional están interconectados por pares, aumentando así la superficie de las armaduras.
Según una posible forma de realización, la electrónica de acondicionamiento de la señal está dispuesta en un área situada en la primera capa adyacente al área que comprende los electrodos de medida. En el caso de la primera forma de realización, de manera preferente, la cuarta capa comprende un plano de blindaje de la electrónica de acondicionamiento de la señal, donde dicho plano de blindaje del circuito electrónico de acondicionamiento de señal está a una tensión diferente de la del plano de guarda, preferentemente a la tensión de masa del sistema.
Alternativamente a lo mencionado en el párrafo anterior, el circuito electrónico de acondicionamiento de señal puede estar dispuesto en un área situada en la segunda capa unido a un plano de blindaje dispuesto en dicha capa.
Según lo mencionado en el párrafo anterior, la primera capa puede comprender un plano de blindaje del circuito electrónico de acondicionamiento de señal, donde dicho plano de blindaje del circuito electrónico de acondicionamiento de señal está a diferente potencial eléctrico que los electrodos de medida.
Alternativamente a lo mencionado en el párrafo anterior, la tercera capa (que comprende las pistas) puede comprender un plano de blindaje del circuito electrónico de acondicionamiento de señal, donde dicho plano de blindaje del circuito electrónico de acondicionamiento de señal está a distinto potencial que el plano de guarda y/o de las pistas de conexión de los electrodos de medida con el circuito electrónico de acondicionamiento de señal, comúnmente a la tensión de masa.
Descripción de las figuras Como parte de la explicación de al menos una forma de realización de la invención se han incluido las siguientes figuras.
Figura 1 : Muestra una vista en perspectiva de las diferentes capas en explosionado que componen la placa base del sensor capacitivo, según una primera forma de realización de la invención.
Figura 2: Muestra una vista esquemática en planta de las diferentes capas en despiece de la placa base del sensor capacitivo, según la primera forma de realización.
Figura 3: Muestra una vista esquemática en planta de las diferentes capas en despiece de la placa base del sensor capacitivo, según la segunda forma de realización.
Figura 4: Muestra una vista en perspectiva de las diferentes capas en explosionado que componen la placa base del sensor capacitivo, según una tercera forma de realización de la invención.
Figura 5: Muestra una vista esquemática en planta de las diferentes capas en despiece de la placa base del sensor capacitivo, según la segunda más la tercera forma de realización.
Figura 6: Muestra una vista esquemática en planta de las diferentes capas en despiece de la placa base del sensor capacitivo, según la cuarta forma de realización.
Descripción detallada de la invención
La presente invención se refiere, tal y como se ha mencionado anteriormente, a un sensor capacitivo para la medición de nivel de una sustancia en un depósito.
El sensor capacitivo objeto de la presente invención está construido sobre una placa base (PCB) compuesta por una pluralidad de capas (1a, 1b, 1c, 1 d, 1e) superpuestas.
Cada una de las capas (1a, 1b, 1c, 1 d, 1e) de la placa base puede comprender uno o más planos para la realización de distintas funciones. Según una primera forma de realización del sensor capacitivo, mostrada en la Figura 1 y en la Figura 2, la placa base comprende cuatro capas (1a, 1 b, 1c, 1d) superpuestas.
Una primera capa (1a) de sensado comprende dos áreas. En una primera área existe una pluralidad de electrodos de medida (2) distribuidos linealmente. En una segunda área de la primera capa (1a) se encuentra el circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) de la placa base.
Una segunda capa (1b) de blindaje, opuesta a la primera capa (1 a) de sensado, comprende dos planos realizados en material conductor. Un de estos planos es un plano de blindaje (7), para el blindaje frente a campos eléctricos y electromagnéticos externos de las pistas (4) que conectan cada uno de los electrodos de medida (2) con el circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) de la placa base. El otro de estos planos es también un plano de blindaje (7) en un área adyacente a la anterior, para el blindaje o apantallamiento del circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) situado en la primera capa (1a).
Una tercera capa (1c), adyacente superiormente a la segunda capa (1b), comprende un área en la que se sitúan las mencionadas pistas (4) que conectan cada uno de los electrodos de medida (2) con el circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3).
Una cuarta capa (1d) del sensor capacitivo se sitúa entre la primera capa (1a) y la tercera capa (1c). Esta cuarta capa (1 d) comprende dos áreas. Una de estas áreas comprende un plano realizado en material conductor, siendo dicho plano un plano de guarda (8), para el apantallamiento del plano de la tercera capa (1c) que comprende las pistas (4) de forma que se evite o minimice el acoplamiento de dichas pistas (4) con el medio, con los electrodos de medida (2), o con cualquier conductor colindante que esté a diferente potencial. Dicho plano de guarda (8) puede ser conectado a una tensión de guarda, preferentemente sustancialmente igual a la tensión de medida, de modo que todas las pistas estén a la misma tensión, de modo que, comparando el valor capacitivo de cada electrodo de medida con un valor de referencia propio de cada electrodo de medida, almacenado en la memoria del circuito electrónico de acondicionamiento de señal, se determina si un electrodo dado está o no enfrentado al medio. La otra área comprende un plano de blindaje (7), para el blindaje del circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) situado en la primera capa (1a). Cada electrodo de medida (2) preferentemente rectangular y dispuesto con sus lados largos uno al lado de otro, conecta con un nodo (5) de una pista (4), mediante un elemento conductor (no representado) que atraviesa un correspondiente taladro (6) de la cuarta capa (1d) donde se sitúa el plano de guarda (8), estando dicho taladro (6) metalizado para establecer dicha conducción, de modo que quedan conectados los electrodos de medida (2) con el circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3). De forma que la conexión entre capas se realiza mediante los mencionados taladros (6) metalizados.
En todas las formas de realización del sensor capacitivo objeto de la presente invención, todas las pistas (4) tienen la misma longitud, independientemente de que el nodo (5) se sitúe a una altura diferente para la conexión con el electrodo de medida (2) correspondiente.
Asimismo, en todas las formas de realización del sensor capacitivo objeto de la presente invención, todas las pistas (4) tienen la misma forma.
En la Figura 3 se muestra de forma esquemática la segunda forma de realización del sensor capacitivo objeto de la presente invención.
La segunda forma de realización difiere de la primera forma de realización en que, entre cada dos electrodos de medida (2) de la primera capa (1a), se dispone un electrodo de masa (2’). Todos los electrodos de masa (2’) son preferentemente más anchos que los electrodos de medida (2) estando interconectados entre sí alrededor de dichos electrodos de masa (2’), como se puede ver en la figura 3. De este modo los electrodos de masa (2’) se conectan a un mismo potencial (típicamente a masa).
De esta forma, según esta segunda forma de realización, el conjunto de electrodos de masa (2’) se comporta como una segunda armadura de condensador, siendo la primera armadura los respectivos electrodos de medida (2).
La Figura 4 y 5 muestran de forma esquemática la tercera forma de realización del sensor capacitivo objeto de la presente invención.
La tercera forma de realización se diferencia de la primera forma de realización en que la segunda capa (1c) y la cuarta capa (1 d) de la primera forma de realización se integran en una única tercera capa (1c) en esta tercera forma de realización del sensor capacitivo. Esta tercera capa (1c) de la tercera forma de realización comprende la pluralidad de pistas (4) insertadas en correspondientes ventanas (9) alargadas o canales alargados practicados en un plano de guarda (8).
Por su parte, en esta tercera forma de realización, el circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) puede situarse en la primera capa (1a) (tal y como ocurre en la primera forma de realización) o en la segunda capa (1b) que comprende un plano de blindaje (7). Adicionalmente, como se puede ver en la figura 5, en esta forma de realización se ha adoptado la configuración de electrodos de masa (2’) en la primera capa (1a), siendo dicha configuración igualmente opcional.
La Figura 6 muestra de forma esquemática la cuarta forma de realización del sensor capacitivo objeto de la presente invención.
La cuarta forma de realización se diferencia de la primera forma de realización en que existe una capa adicional (1e) de la placa base, situada de manera adyacente exteriormente a la segunda capa (1 b), por el lado opuesto al lado por el que la tercera capa (1c) contacta con la segunda capa (1 b).
Esta capa adicional (1 e) es por tanto una capa exterior de la placa base, al igual que lo es la primera capa (1a).
La capa adicional (1 e) es una capa de sensado, al igual que la primera capa (1a) que permite aumentar la sensibilidad del sistema al duplicar la superficie útil de los electrodos de medida (2). Por tanto, la capa adicional (1 e) comprende una pluralidad de electrodos de medida (2) distribuidos linealmente y conectados con las respectivas pistas (4) de la tercera capa (1c) mediante nodos (5) a los que se accede a través de perforaciones (6) en el plano de blindaje (7) de la segunda capa (1b) que en este caso pasa a ser plano de apantallamiento como el plano de guarda (8). Para esta última realización, como se puede ver en la figura 6, se ha adoptado igualmente la configuración de la segunda realización de la figura 3, es decir se han incluido electrodos de masa (2’) entre los electrodos de sensado (2), tanto en la primera capa (1a) como en la capa adicional (1 e), siendo esta disposición opcional más adecuada al caso de estar trabajando con fluidos aislantes o con baja conductividad. En este apartado se han descrito, con ayuda de las Figuras, cuatro formas de realización de la invención, cada una de ellas con sus características propias. No obstante, el sensor capacitivo objeto de la presente invención puede presentar combinaciones de características de las distintas formas de realización, creando diversas realizaciones alternativas con características propias de dos o más de las formas de realización descritas anteriormente.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Sensor capacitivo para la medición de nivel de una sustancia en un depósito que comprende una placa base con una pluralidad de capas (1a, 1 b, 1c, 1d, 1e), donde cada capa (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) comprende una o más áreas de componentes tales como electrodos de medida (2), circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) y pistas (4) de conexión de los electrodos de medida (2) con el circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3), donde el sensor capacitivo comprende una primera capa (1a) que a su vez comprende un área que comprende una pluralidad de electrodos de medida (2) distribuidos linealmente, caracterizado por que todas las pistas (4) de conexión de los electrodos de medida (2) con el circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3):
- comprenden la misma forma y longitud, y;
- están rodeadas por al menos un plano de guarda (8) y, opcionalmente, al menos un plano de blindaje (7), ambos realizados en material conductor, estando el plano de guarda (8) sometido a una tensión de guarda para evitar el acoplamiento entre las pistas (4) que pueda influir sobre la capacidad medida por electrodos de medida (2), y estando el plano de blindaje (7) conectado a masa para el apantallamiento electromagnético de las pistas (4).
2. Sensor capacitivo según la reivindicación 1 , caracterizado por que comprende una segunda capa (1 b) que comprende un plano de blindaje (7), una tercera capa (1c) que comprende las pistas (4) de conexión de los electrodos de medida (2) con el circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) y una cuarta capa (1 d) que comprende un plano de guarda (8), donde la primera capa (1a) y la segunda capa (1b) son las capas exteriores de la placa base, y donde la tercera capa (1c) está dispuesta entre la segunda capa (1b) y la cuarta capa (1 d).
3. Sensor capacitivo según la reivindicación 1 , caracterizado por que comprende una segunda capa (1 b) que comprende un plano de blindaje (7) y una tercera capa (1c) que comprende un plano de guarda (8) así como las pistas (4) de conexión de los electrodos de medida (2) con el circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3), donde cada pista (4) está insertada en una correspondiente ventana (9) alargada realizada en el plano de guarda (8), donde la primera capa (1a) y la segunda capa (1b) son las capas exteriores de la placa base, y donde la tercera capa (1c) está dispuesta entre la primera capa (1a) y la segunda capa (1b).
4. Sensor capacitivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que entre cada dos electrodos de medida (2) se dispone un electrodo de masa (2’), donde todos los electrodos de masa (2’) están conectados a un mismo potencial eléctrico.
5. Sensor capacitivo según la reivindicación 4, caracterizado por que los electrodos de masa (2’) están conectados a masa.
6. Sensor capacitivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) está configurado para realizar la medida de capacidad del electrodo de medida (2) a una tensión de medida conectando el resto de los electrodos de medida (2) a una misma tensión.
7. Sensor capacitivo según cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado por que el circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) está configurado para realizar la medida de capacidad entre cada electrodo de medida (2) y los electrodos de masa (2’).
8. Sensor capacitivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que además de la primera capa (1a), el sensor capacitivo comprende una capa adicional (1e) que a su vez comprende una pluralidad de electrodos de medida (2) distribuidos linealmente, donde la primera capa (1a) y la mencionada capa adicional (1e) de electrodos de medida (2) son las capas exteriores de la placa base.
9. Sensor capacitivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) está dispuesto en un área situada en la primera capa (1a) adyacente al área que comprende los electrodos de medida (2).
10. Sensor capacitivo según la reivindicación 9, caracterizado por que la cuarta capa (1d) comprende un plano de blindaje (7) del circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3), donde dicho plano de blindaje (7) del circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) está a distinto potencial eléctrico que el plano de guarda (8). - 16 -
11. Sensor capacitivo según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, caracterizado por que el circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) está dispuesto en un área situada en la segunda capa (1b) unido a un plano de blindaje (7) dispuesto en dicha área.
12. Sensor capacitivo según la reivindicación 11 , caracterizado por que la primera capa (1a) comprende un plano de blindaje (7) del circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3), donde dicho plano de blindaje (7) del circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) se dispone adyacente al área que comprende los electrodos de medida (2).
13. Sensor capacitivo según la reivindicación 11 , caracterizado por que la tercera capa (1 d) comprende un plano de blindaje (7) del circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3), donde dicho plano de blindaje (7) del circuito electrónico de acondicionamiento de señal (3) está conectado a tierra.
14. Sensor capacitivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la tensión de guarda es sustancialmente la tensión de medida.
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