Tecnologías de medición por  Tiempo de Tránsito

Artículo gentileza Endress+Hauser Chile.   www.endress.com/www.e-direct.cl

Es bien sabido que aún no existe el “sensor universal de nivel”, sin embargo, hay métodos de medición que combinados ofrecen óptimas soluciones a diversas aplicaciones. Los equipos de medición por el principio de Tiempo de Tránsito son mucho más recientes que la tecnología de medición hidrostática y consisten en dispositivos ultrasónicos y de radar (no-contacto y onda guiada) que utilizan este tipo de tecnologías en las mediciones de nivel.

El método de medición de la tecnología Tiempo de Tránsito, consiste principalmente en la emisión de pulsos, ultrasonido o microondas, los cuales son reflejados por la superficie del medio y detectados por el receptor. La distancia entre el emisor y el receptor es determinada por el tiempo de tránsito de la onda y la velocidad de propagación conocida. La figura 2 proporciona una explicación de cómo opera el tiempo de tránsito en dispositivos que pueden medir nivel líquido/sólido en un estanque o silo. La distancia D hasta la superficie del producto es proporcional al tiempo de retorno t del impulso: D = V x t/2 Donde: V puede ser la velocidad de la luz o la del sonido. Conociendo la distancia E del depósito vacío, el nivel L se calcula a partir de: L = E – D En la figura 2 se puede apreciar la ubicación del punto de referencia "E". Las ondas ultrasónicas no son ondas electromagnéticas, sino que son ondas mecánicas. La velocidad de propagación de las ondas mecánicas es alrededor de 334 metros/segundo a través del aire a 20ºC. El nivel de líquido se puede determinar, midiendo la cantidad de tiempo que tarda la onda ultrasónica en viajar hacia la superficie del líquido, y el tiempo de reflexión hacia el dispositivo. Basada en ondas de radio, la tecnología Radar (Radio Detection and Ranking) fue patentada por los ingleses en 1935 y utilizada para localizar las aeronaves. Similares investigaciones fueron puestas en operación en EE.UU. y Alemania en la localización de buques y aeronaves por Radio Frecuencia. En la industria, los equipos de Radar son utilizados hoy en día para la medición de nivel, funcionando con radiación electromagnética en longitudes de onda mucho más corta, del orden de 1,5 a 26 GHz, comúnmente conocida como microondas. El Radar de No-Contacto y el de Onda Guiada funcionan con el mismo principio de microonda. El Radar de No-Contacto se considera en un espacio libre (no está en contacto con el medio a medir), mientras que el Radar de Onda Guiada no irradia ondas electromagnéticas libremente en un contenedor, sino que envía pequeños pulsos en una amplia banda de frecuencias (200kHz hasta 1,2GHz) que viajan a través de una sonda o cuerda metálica. Dado que la velocidad de la luz es conocida, así como la velocidad del sonido, el nivel del líquido puede ser medido por la cantidad de tiempo que tarda la señal de microondas en viajar hasta la superficie del líquido/sólido, y ser reflejada de vuelta hacia el equipo de radar. Los Dispositivos de Radares de No-Contacto utilizan microondas en una gama de rangos de 6 a 26 GHz para medición de nivel de líquido en estanques. Al igual que la velocidad del sonido, la velocidad de la luz (radiación electromagnética) es también conocida: 300.000 kilómetros por segundo. Sobre la base de ecuaciones antes mencionadas, el nivel puede ser calculado por conocer las dimensiones del estanque y la cantidad de tiempo que tarda el microondas en ir y ser reflejada por el medio. ¿Por qué los equipos de radar usan microondas? Las microondas se ven poco afectadas por distintos tipos de gases, temperatura, presión, adherencia y condensación. Sin embargo, debe considerarse la posibilidad de que el proceso refleje o no las microondas. Se puede determinar esta capacidad para reflejar la luz o microondas, chequeando en el medio a medir el valor numérico de la constante dieléctrica (una medida de energía de polarización de un material aislante o cuánta carga puede ser almacenada en un tipo de material v/s el aire). Mientras que el aire, un mal reflector de microondas, tiene una constante dieléctrica de valor numérico 1, el agua tiene una constante dieléctrica de 80 y se considera como un gran reflector de microondas. Mezclas acuosas tienden a trabajar bien con el radar debido al alto número de constante dieléctrica que poseen. Sin embargo, aunque líquidos basados en hidrocarburos pueden ser medidos, el rango de medición se ve considerablemente disminuido, debido al menor número de constante dieléctrica que poseen. El petróleo diesel tiene una constante dieléctrica de valor numérico 2, mientras que la gasolina tiene una constante dieléctrica que va entre los rangos de 2 y 3. ¡Porque las condiciones ambientales tienen poco efecto sobre las microondas! Los equipos de radar son generalmente aceptados como los dispositivos con mayor precisión en la medición de nivel, donde algunos pueden medir nivel de ±0,5 mm o ±0,02 pulgadas. Este es uno de los principales motivos para que los proveedores, clientes finales y vendedores de petróleo crudo y otros materiales de alto costo utilicen o prefieran equipos de radar para la medición de nivel en sus estanques como parte del conjunto de aforo. Cuando se utiliza un equipo de Radar de No-Contacto, el usuario debe tener en cuenta la forma del estanque, boquillas y otros dispositivos sobresalientes, ya que éstos pueden producir falsas mediciones o interferencias. El nivel del líquido debe ser gradual y uniforme. Superficies con agitación y con espuma pueden tener algunos efectos negativos en las mediciones de nivel. Similar a la de los ultrasónicos, algunos equipos de radar presentarán una distancia mínima de operación conocida como "zona de bloqueo". No obstante, otros diseños de equipos de Radar (Radar de Onda guiada) no presentan esta distancia de bloqueo. La distancia de Bloqueo es cuando el nivel del líquido llega muy cerca del equipo de radar, causando que las reflexiones no puedan ser recibidas, mientras que el dispositivo continúa emitiendo pulsos de microondas. Por último -y no menos importante-, el líquido debe poseer un mínimo de constante dieléctrica para la medición en espacio libre. La mínima constante dieléctrica generalmente posee un valor de 1,4. Ventajas de diferentes principios de funcionamiento Medición de nivel con radar: • La microonda no requiere medio de propagación. • En general, es independiente de la temperatura y presión del proceso, con rangos de operación que van desde presión de vacío hasta 64 bares y temperaturas hasta 350°C. • Gases y polvo difícilmente afectan la medición. Medición de nivel con ultrasonido: • Son soluciones de menor costo. • Es aplicable tanto en sólidos como en líquidos. • La presión del sonido produce un efecto de auto-limpieza de la membrana, impidiendo formación de depósitos. Medición de nivel con radar guiado: • Al guiar la onda por una sonda, el ángulo de propagación del haz es muy pequeño, por lo tanto, los obstáculos en el contenedor o silo no causan interferencia. • Conos formados por acumulación de producto no son un problema. • Polvos, como por ejemplo alimentadores neumáticos, no afectan la medición. • Son posibles las mediciones en contenedores altos y angostos.