Circuito para medir capacitancias de pocos picofaradios

#1
Saludos a todos, necesito ayuda con lo siguiente: tengo un proyecto tecnológico integral para el que requiero desarrollar ciertos sensores capacitivos de humedad enterrados en el suelo. Dichos sensores consisten en anillos de cobre o aluminio arrollados alrededor de un tubo de PVC de 2 o 3 pulgadas que, a su vez, está alojado dentro de otro tubo de PVC que va enterrado en el suelo de donde se necesite evaluar la humedad y la temperatura. Originalmente había pensado en usar un timer 555 astable con una resistencia de 1.2M, otra de 1.2K y usar como capacitor de timing el conjunto de anillos; con esto pretendía generar una frecuencia de salida conectada a un circuito multiplexor CD4051 (son 8 dispositivos en disposición vertical) que a su vez entregaría datos a un ATMega328P. He hecho algunas mediciones y, en efecto, la capacitancia varía con la cantidad de humedad en el suelo; sin embargo, para eliminar ciertos detalles que afectan la medición al parecer los dispositivos comerciales (carísimos por cierto) implementan medición de la capacitancia basada en circuitos resonantes RLC o en osciladores de cristal a frecuencias superiores a los 150 MHz (de preferencia a 500 MHz). La verdad desconozco como podría generar frecuencias de semejante ciclaje y como podría medir la salida generada por estos dispositivos. Por esto decidí mejor acudir con ustedes para ver que necesito hacer y como puedo adaptar mi diseño a esto. Las capacitancias involucradas irían del rango de los 4 a los 300 pF dependiendo de las dimensiones de los anillos y de la humedad en suelo, dicho valor debe ser medido a intervalos de 1 minuto a 1 hora dependiendo de los requisitos del agricultor y los datos son almacenados en un sistema especial. Si, debo decirlo: mi nivel en la materia es mas bien básico y el lenguaje que manejo a nivel electrónico es C++ y la variante de Arduino. Agradezco de antemano su atención, quedo a sus órdenes.
 

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#2
tienes que hacer los sensores de humedad? si la respuesta es negativa, puedes usar un
Modulo Sensor de Humedad del suelo (tierra) - Higrómetro
este modulo tiene una salida de 0 a 4.2V lo puedes usar con un arduino
 
#4
Castro y pandacba, muchas gracias por sus respuestas. Respecto a la primera pregunta, la respuesta desgraciadamente es si, tengo que desarrollar si o si el sensor, puesto que es parte de un proyecto profesional integral. Respecto a la pregunta de panda, las frecuencias que necesito manejar son mucho muy superiores, del orden de los 200 MHz o incluso 500 MHz, entre mayor sea la frecuencia es mejor; de hecho con el NE555 manejo frecuenicas de 150 KHz y pues no son lo adecuado. De hecho había pensado en algo como cristales osciladores, dicen que son lo mas exacto y lo mas fino.
 
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Daniel Lopes

Miembro Geconocido
#5
Hola a todos , mi viejissimo y ya jubilado capacimetro Tektronix model 130C ( veer el mejor en : tektronix type 130 - Google Search ) tiene en su premera escala de medidas de capacitancia como 3pF de fondo de escala , asi logro medir con resolución hasta de 0,1pF .
El es todo basado en tubos termoyonicos (valvulado) , fue construido en 1965 y aun funciona perfectamente hasta los dias de hoy , jajajajajajajaja.
!Saludos desde Brasil !.
Att,
Daniel Lopes.
 

Daniel Lopes

Miembro Geconocido
#7
Bueno entiendo que quieres medir la humedad de la tierra por un proceso capacitivo y no resistivo como es mas conocido.
?Pero lo porque de enpleyar una frequenzia tan elevada de centienas de megahercios (200 , 500 Mhz) ?.
Creo que algunas centienas de Kilohercios serias mas que suficiente , incluso mi viejissimo LC meter Tektronix hace uso desa gama de frequenzia .
Att,
Daniel Lopes.
 
#9
Hay muchas forma de trabajar con sensores capacitivos, tienen la ventaja que una vez calibrados son muy exactos, he reparado y construido sensores para medir distancia sin contacto para controlar dimensionalmente partes de producción, un ejemplo del mismo control en la longitud de resortes.
Tienes varias opciones o medir la capacidad directamente, o hacerlo formar parte de un divisor capacitivo atravesado por un corriente alterna de frecuencia y tensión conocidas
 
#10
Muchas gracias por todos sus consejos. Creo que olvidé mencionar la razón de la elevadísima frecuencia: lo que ocurre es que por debajo de los 180 MHz el capacímetro estaría detectando erróneamente como humedad ciertos detalles como salinidad, aire disuelto, fluctuaciones de temperatura, algún bicho pasando frente a la sonda, etc. Ese efecto desaparece por completo arriba de los 200 MHz, por eso los especialistas recomiendan mediciones que involucren frecuencias muy elevadas, aunque ya he experimentado con el 555 y si obtengo valores, pero pues no es lo mas profesional (se supone). Respecto a los circuitos que menciona "elucches" (RF2506 y MAX2620) no tengo información, pero ya que me los ha mencionado voy a investigar un poco. Saludos.
 
#11
Para hacer lo que deseas y quieres tener buen éxito debes empaparte en el tema osciladores, es un tema extenso que requiere paciencia y mucha lectura, entender el funcionamiento de cada tipo de oscilador, sus pro, sus contra, para que caso es más adecuado c/u frecuencias que se pueden alcanzar con cada tipo
Por ejemplo te dije pero obvio no le prestaste atención porque en este tema eres nulo, te comente de hacerlo con compuerts te puse un valor no te dije que ese era el máximo ni tampoco investigaste, con ese tipo de circuito se pueden hacer osciladores desde 1Hz hasta unos 15MHz
Aqui hay algo que te puede ser útil baja la información y leela
 
#12
Hola cybercharles, lo que tu comentas de la frecuencia a valores tan elevados quizas no sea tan necesario, te paso una investigación que realice hace ya un tipo acerca de este tema, veras la dependencia que hay entre la frecuencia y los diferentes parametros asociados al suelo. Espero te sirva como puntapie para arrancar. La forma en que funcionan algunas de las sondas de medición es de la siguiente manera: generan una señal senoidal de por ejemplo 1MHz y la inyectan a la tierra; luego miden la corriente y establecen el desfazaje que hay entre las señales; a partir del modelo equivalente establecido del suelo establecen el valor de permeabilidad, y con ello establecen el valor de humedad. Requiere de muchas pruebas y no es una tarea sencilla, pero tampoco imposible, todo va a depender del conocimiento que tu tengas y tus habilidades de adaptaión y aprendizaje.
 

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#14
Muchas gracias PandaCBA, si te presté atención, de hecho estoy investigando sobre las compuertas lógicas. Ya las había usado para otra cosa, pero igual me puede servir lo que dices, muchas gracias por tu consejo. Lo que menciona juanma2468 también es viable, aunque veo que es mas bien para la técnica resistiva, igual voy a indagar un poco. Muchas gracias smoke, voy a ver los datasheets que mencionas.
 
#15
Muchas gracias PandaCBA, si te presté atención, de hecho estoy investigando sobre las compuertas lógicas. Ya las había usado para otra cosa, pero igual me puede servir lo que dices, muchas gracias por tu consejo. Lo que menciona juanma2468 también es viable, aunque veo que es mas bien para la técnica resistiva, igual voy a indagar un poco. Muchas gracias smoke, voy a ver los datasheets que mencionas.
No, justamente es para que veas que de forma resistiva no se puede determinar de forma certera la humedad del suelo, por eso es que se analiza las permeabilidades eléctricas y magnéticas, determinandose que la permeabilidad magnética no se ve modificada a diferencia de la permeabilidad eléctrica que si se modifica con la humedad del suelo, por eso se realiza un modelo matemático del suelo (simplificado), considerandolo como un circuito RC. Lee el articulo que te pasé y si lo miras con detenimiento veras que con el valor de la resistencia sola no se puede determinar de forma correcta el valor de la humedad del suelo.
Originalmente había pensado en usar un timer 555 astable con una resistencia de 1.2M, otra de 1.2K y usar como capacitor de timing el conjunto de anillos
Lo que propones no es viable, ya que no tenes forma de correlacionar el valor de capacidad con el valor de humedad del suelo. Para poder analizar la impedancia del suelo (Z(w)) se debe aplicar una tensión alterna (senoidal pura) por lo que el circuito con el 555 o con compuertas que quieres no sirve dado que genera ondas cuadradas que tiene infinitas componentes senoidales (fundamental y sus armonicos impares), por lo tanto ya no es posible hablar de impedancia, solo aplica para señales senoidales.
 
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#17
Tiro enlaces por si sirven.
Según esto con 70 MHz alcanzaría para independizar de la salinidad la lectura.
Esto es un modelo teórico bastante completo.
Esto cuenta que la técnica es tan buena cuando se usan altas frecuencias, que es la de elección.

Con respecto a osciladores de cerca de 100 MHz, me acordé de los viejos micrófonos espías de FM (como este o este) de 1 transistor (o 2 a lo sumo), que usan micrófonos a condensador o electret.
 
#18
Muchas gracias, les agradezco a todos su apoyo :):):)
Tiro enlaces por si sirven.
Según esto con 70 MHz alcanzaría para independizar de la salinidad la lectura.
Esto es un modelo teórico bastante completo.
Esto cuenta que la técnica es tan buena cuando se usan altas frecuencias, que es la de elección.

Con respecto a osciladores de cerca de 100 MHz, me acordé de los viejos micrófonos espías de FM (como este o este) de 1 transistor (o 2 a lo sumo), que usan micrófonos a condensador o electret.
Dado el ejemplo de los micrófonos ¿como mediría la capacitancia en este caso? Me imagino que sustituiría el micrófono por el sensor capacitivo o algo así
 
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#19
Muchas gracias, les agradezco a todos su apoyo :):):)


Dado el ejemplo de los micrófonos ¿como mediría la capacitancia en este caso? Me imagino que sustituiría el micrófono por el sensor capacitivo o algo así
En el ejemplo de 1 transistor, el varicap es el que fija la frecuencia, y en el de 2 transistores es C4. Si la capacitancia a medir es suficientemente parecida, con el sensor capacitivo en lugar del componente correspondiente, sintonizás un receptor de FM sin silenciador automático ("squelch"), viendo dónde aparece silencio (que no sea de una emisora, por supuesto:), y de la frecuencia deducís la capacitancia. Si la capacitancia es demasiado distinta o no tenés a mano un receptor de FM sin squelch, tendrás que medir la frecuencia.
(Los micrófonos a condensador o electret rara vez son usados como capacitores en estos transmisores, porque lo común es comprarlos con el amplificadorcito integrado en la cápsula.)
Te lo decía porque es un oscilador simple que tal vez te permite empezar a hacer algunas pruebas, nomás. Luego diseñarás algo mejor.
 

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