MEDICIÓN DE NIVEL POR ULTRASONIDO: GUÍA COMPLETA

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El término Ultrasónico hace referencia a las ondas sonoras de frecuencias altas de las que normalmente quedan dentro del alcance el oído humano, cuyo rango llega a valores superiores de los 18 KHz.

Las ondas ultrasónicas obedecen a las mismas leyes básicas del movimiento ondulatorio que las ondas sonoras de frecuencia más baja, sin embargo, tiene las siguientes ventajas;

Las ondas de frecuencia más alta tienen longitudes de onda más cortas, lo cual significa que la difracción o flexión en torno a un obstáculo de dimensiones determinadas se reduce en forma correspondiente. Por lo tanto, es más fácil dirigir y enfocar un haz de ultrasonido.

Las ondas ultrasónicas pueden atravesar sin dificultad las paredes metálicas de tubos y recipientes. Esto quiere decir que el sistema de medición entero puede montarse externamente al fluido, es decir es no invasor; esto es muy importante en fluidos hostiles o sea aquellos con propiedades corrosivas, radiactivas o flamables.

Tampoco existe la posibilidad de que ocurra obstrucción con fluidos sucios o pastas aguadas.

El ultrasonido puede emitirse y propagarse a través del tejido biológico, lo que lo hace idóneo para aplicaciones médicas.

ENLACES BÁSICOS DE TRANSMISIÓN ULTRASONICA.

Forma la base de cualquier sistema ultrasónico de medición y se representa con la siguiente figura:

Fig. 1. Principio de ultrasonido.

¿En qué consiste?

Consiste en un transmisor ultrasónico, el medio de transmisión y un receptor ultrasónico, los dispositivos de uso más común para transmisores y receptores ultrasónicos son los elemento sensores piezoeléctricos. El efecto piezoeléctrico es reversible; es decir, la energía mecánica puede convertirse en energía eléctrica y la energía eléctrica en energía mecánica.

El transmisor ultrasónico utiliza el efecto piezoeléctrico inverso; si se aplica un voltaje sinusoidal Vs al cristal de transmisión entonces el cristal experimenta una deformación sinusoidal correspondiente x.

Esta vibración del cristal se transmite a las partículas al principio del medio, las cuales se ponen en movimiento sinusoidal, causando así la vibración de otras partículas, hasta que al final la agitación se transmite al otro extremo del medio.

Tales desplazamientos sinusoidales de las partículas establecen una presión o esfuerzo sinusoidal que es detectada por el receptor ultrasónico, el cual utiliza el efecto piezoeléctrico directo generando una corriente de salida y que a través de la resistencia ZL genera un voltaje de salida.

Los piezoeléctricos tienen la propiedad de expandirse o contraerse al aplicarles un determinado voltaje de polarización.

Figura 2. Efecto piezoeléctrico.

En estado natural, el piezoeléctrico se encuentra polarizado.

Al aplicar un voltaje en sentido directo, el piezoeléctrico se contrae.

Si se aplica un voltaje inverso el piezoeléctrico se expande.

De esta forma al aplicar al piezoeléctrico con una señal de voltaje alterna de frecuencia determinada, el piezoeléctrico genera la fuente de vibración mecánica necesaria para generar la onda sonora.

MEDICION DE NIVEL POR ULTRASONIDOS.

 ¿Qué es?

El ultrasonido emplea el aire o gas presente en la atmosfera, así como también  el vacío.

Figura 3. Tipos de sensores ultrasónicos. 

Para efectos de la medición de nivel de líquidos se acostumbra emplear el fenómeno conocido con el nombre de ECO.

El ECO se produce cuando una onda sonora que viaja en un medio se encuentra con una superficie y como resultado parte de ella retorna al medio. Esta reflexión es la que provoca el efecto habitualmente experimentado en habitaciones vacías, en que se puede oír una reflexión retarda de nuestra vos al hablar.

Para el caso de la medición de nivel, la idea consiste en enviar un pulso de ultrasonido de tal manera que al incidir sobre la superficie parte de la onda es reflejada de regreso y recibida por el transductor.

Entonces, la forma de determinar el valor de nivel consiste en medir el tiempo que demora el pulso ultrasónico en ir y volver.

Esto se determina de acuerdo a la siguiente expresión:

Figura 4: Medición de nivel por ultrasonido en tanque cerrado.

Lo que en realidad se determina es el espacio vacío del tanque, es necesario realizar una configuración al momento de instalar el transmisor con los datos del tanque y por ultimo programar la siguiente ecuación:

La distancia B corresponde a la zona de bloqueo. Esta zona varía de acuerdo a las características del sensor propiamente y se debe a que existe un tiempo mínimo que se requiere desde el momento que se genera el pulso de ultrasonido y hasta que el transductor está en condiciones de recibir el pulso reflejado. Esta zona esta típicamente alrededor de los 0.3 a 0.8 m.

Además de emitir un pulso de sonido también se puede emitir un pulso electromagnético en forma de microondas a la superficie del medio a medir.

Uno de los aspectos a tener en cuenta es el medio que se emplea para el desplazamiento hacia la superficie.

La señal de ultrasonido emplea como medio el aire contenido en la atmosfera. El sistema de reflexión depende de los cambios de densidad del medio.

En el sistema de radar las ondas se transmiten a través del aire, gas o del vacío la reflexión depende de los cambios de densidad de la constante dieléctrica del medio.

¿POR QUÉ USAR TECNOLOGÍA RADAR EN LUGAR DE SENSORES ULTRASÓNICOS?

Cuando la medición de nivel por ultrasonidos llega a su límite.

En comparación con los instrumentos de medición de ultrasonidos, los sensores radar miden de forma independiente de las oscilaciones de temperatura, en vacío o con altas presiones, y no se ven afectados por la suciedad. Los sensores radar de 80 GHz también convencen por una excelente focalización de la señal. Esto facilita la separación de las señales de medición y de fallo, por lo que la medición es mucho más precisa y sencilla.

Influencias del proceso y del entorno.

Los sensores radar no se ven afectados por la temperatura, la presión ni el vacío y proporcionan unos valores de medición correctos en todo tipo de condiciones medioambientales.

Debido a su principio de medición físico, los sensores de ultrasonidos se ven afectados por distintas condiciones medioambientales: el tiempo de propagación del sonido, por ejemplo, cambia con la variación de temperatura, ya sea debido a la luz solar o a la composición del gas. El viento, la lluvia o incluso la niebla atenúan aún más el rango de medición de las ondas de sonido.

Distancia de bloqueo y resistencia a inundaciones

Los sensores radar permiten una medición fiable hasta la antena del sensor, incluso en caso de inundación.

Debido a las condiciones de algunos procesos, hay aplicaciones que provocan una inundación de los sensores. Por lo tanto, los sensores de ultrasonidos a menudo se protegen con fundas mecánicas especiales para inundaciones. Sin embargo, dichos componentes pueden ensuciarse fácilmente y acabar afectando la fiabilidad de la medición. Los sensores radar no tienen zona muerta, no requieren fundas protectoras y miden de forma fiable, incluso en caso de inundación. 

Los sensores radar son insensibles a la suciedad y no es necesario limpiarlos.

En muchas aplicaciones, los sensores tienen que enfrentarse a las adherencias. Sobre todo en el caso de los sensores de ultrasonidos, dichas adherencias afectan a la fiabilidad de la señal de medición y aumentan la zona muerta. Mediante un acondicionamiento de señal optimizado, los sensores radar pueden eliminar las interferencias causadas por las adherencias en la antena.

Fiabilidad y precisión

Los sensores radar también se pueden usar en espacios reducidos y con elementos internos.

 

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