Sensores Ultrasónicos
Figura NV43.
Este es otro de los métodos para la medición de nivel usado en tanques cerrados o para tanques abiertos. Se basan en el efecto Doppler, el cual se explica a continuación:
Efecto Doppler
El efecto Doppler está directamente relacionado con la naturaleza ondulatoria del sonido y establece formalmente, el cambio de frecuencia de un sonido de acuerdo al movimiento relativo entre la fuente del sonido y el observador, lo cual permite percibir por ejemplo el cambio de tonalidad de un sonido cuando se acerca y luego cuando se aleja el motor de un carro, el silbido de una locomotora, el paso de un avión en vuelo bajo, entre otros. Cuando el origen de las ondas se desplaza en un sentido causa que el ancho de banda de la onda se acorte en la dirección hacia donde se está moviendo y que se alargue en el sentido contrario. De esta manera, el tono del sonido cambia haciéndose más alto en la dirección hacia donde el origen de la onda se acerca y de tono bajo hacia donde se aleja.
Por ejemplo, se puede observar en la figura NV38, la propagación de una onda audible.
Figura NV39.
Donde los parámetros presentes en la figura 2 son:
f1 = Constante [Hz]
f2 = Variable f(h) [Hz]
h = Altura del líquido detectada [m, pie, cm, pulgadas]
TX = Señal de salida del Transmisor ultrasónico [Hz, Khz, Mhz]
RX = Receptor de la transmisión ultrasónica [Hz]
λ = Longitud de onda [unidades de longitud]
Vp = velocidad de propagación
d = distancia[m]
∆t = tiempo[s]
Se sabe que:
Vp = d/∆t (NV29)
d = Vp. ∆t (NV30)
Si Vp = λ.f2 (NV31)
De esta manera se puede decir: d = λ.f2. ∆t (NV32)
f2 = d/( λ. ∆t) (NV33)
Esto quiere decir que cuando el receptor observe cambios de frecuencia, estos serán proporcionales a la altura (h), por el incremento o disminución del nivel en el interior del tanque.
Medición Continua
Están normalmente calibrados para los medios gaseosos o líquidos según el caso (ejemplo figura NV40). La señal de calibración tiene aproximadamente 15 Khz.
Figura NV41.
Amortiguados (On - Off)
En el caso de la figura NV42, el receptor cambiará el estado de unos contactos cuando el valor de f2=f0 (frecuencia de resonancia).
En la figura NV44 se muestra un ejemplo de un sensor de nivel ultrasónico instantáneo (tipo flauta)
Figura NV44.
Características generales:
-
Campo de medida: (0,5 a 100) ft (0,152 a 30,48) m
-
Exactitud: ± (1 a 3) % fe
-
Presión máxima: 400 kg/cm²
-
Temperatura máxima de fluido: 200 °C
-
Frecuencia de ultrasonido: (1 a 20) kHz
-
Potencia de consumo < 10 W
-
Repetibilidad: 6,4 mm
Ventajas:
-
Adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos.
-
Muy exactos.
-
Más sofisticados que los medidores convencionales.
-
No poseen partes móviles.
-
No requieren mantenimiento.
-
No es intrusivo.
Desventajas:
-
Costosos.
-
La medición es afectada por las propiedades del medio como porosidad de la superficie, espesor del material y rigidez.
-
Sensibles a la densidad.
-
Dan señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como en el caso de un líquido que forme espuma.
-
La velocidad del sonido cambia con la temperatura: al aumentar la temperatura, la velocidad del sonido en el aire aumenta mientras que en el agua disminuye.
Figura NV38.
Se dirá que el efecto Doppler asume la frecuencia de la fuente como una constante pero lo escuchado depende de las velocidades de la fuente y del observador. La frecuencia que percibirá el observador se puede hallar de la siguiente relación:
(NV27)
Donde
F0 = Frecuencia del observador [Hz, Khz, Mhz]
Ff = Frecuencia de la fuente [Hz, Khz, Mhz]
V = Velocidad del sonido [m/seg, pie/seg]
Vf = Velocidad de la fuente. [m/seg, pie /seg]
Las velocidades V0 y Vf son positivas si hay acercamiento y son negativas si se alejan.
Aplicaciones del medidor de nivel Ultrasónico
Dentro de las aplicaciones en las que se podría utilizar este método se encuentran las siguientes:
-
Para la detención continua de la altura h
-
Para detención puntual (ON-OFF)
-
Se utilizan para hacer mediciones de nivel continuas y para alarmas.
El ultrasonido es utilizado en mediciones donde no se permite el contacto del instrumento de medición con el líquido. En el medidor de nivel por ultrasonido, cuando las ondas sonoras viajan en un medio que absorbe el sonido y golpean a otro medio tal como una pared, una partícula en el líquido, o la superficie del líquido, solamente una pequeña porción de la energía de la onda sonora penetra la barrera y el resto de la energía se refleja. La onda sonora reflejada es un eco. El medidor de ultrasonido utiliza el principio del eco para su funcionamiento.
La cantidad de energía reflejada depende del coeficiente de absorción de los materiales el cual se define como:
d = (Energía absorbida) / (Energía reflejada por el material) (NV28)
Este valor depende de la frecuencia y propiedades del líquido tales como: porosidad, grosor del material y rigidez.
El arreglo de fase o vapor de gas está basado en el rebote o el principio de eco a través de una fase de vapor o gas encima de la superficie del líquido (figura NV39). En operación, es similar al de fase líquida, excepto que el tiempo de respuesta en la transmisión del pulso sónico es inversamente proporcional al nivel del líquido que se está midiendo.