Debido a que el sonido viaja a una velocidad constante conocida a una temperatura dada, el tiempo entre la ráfaga de sonido transmitida y la detección del eco de retorno será proporcional a la distancia entre el sensor y el dispositivo reflector. Por esto, se puede calcular la distancia entre ambos por la relación:

Distancia = Velocidad x Tiempo

Donde Velocidad es la del sonido en el aire y Tiempo es la mitad del tiempo desde la transmisión hasta la detección del eco.

La velocidad del sonido a través del aire varía proporcionalmente con la temperatura. Por esto, los sensores de temperatura usados en mediciones ultrasónicas se ubican comúnmente en el transductor e indican la temperatura del aire a través de la que viaja la onda de la señal del ultrasonido. Esta información se usa para compensar la variación en la velocidad de sonido en el aire, la cual es usada sucesivamente en el cálculo de distancia.

Funcionamiento de los sensores ultrasónicos

Un sensor ultrasónico genera energía que se irradia hacia el exterior. No obstante, el dispositivo tiene un área donde la energía es más intensa. Los límites de esta área o banda de alta intensidad es el punto donde la intensidad de campo es reducida a la mitad o por 3 decibeles (dB), que es la unidad de la expresión logarítmica de un radio. Esto usualmente se expresa en grados de un ángulo.

Los sensores usados para el monitoreo ultrasónico de nivel de estanques generan pulsos a altas frecuencias varias veces por segundo. Después de la transmisión de la ráfaga inicial, el transductor mantiene una vibración mecánica que disminuye exponencialmente, conocida como timbre (ringing). En la instalación de estos sensores, y en consideración de este fenómeno, se debe dejar una distancia llamada Banda Muerta (dead band).

La ráfaga viaja por el aire hasta que encuentra un obstáculo (el reflector), el cual reflecta parte de la señal devuelta hacia el sensor. La parte que éste detecta de la ráfaga reflectada se denomina eco. Entre la disminución o caída del timbre y la recepción del eco, no existe una señal completamente pura, existiendo pequeñas fluctuaciones aleatorias (ruido).

Para que el instrumento mida el nivel de forma precisa, éste debe detectar un eco e interpretarlo como dato válido. El eco debe ocurrir dentro de los parámetros de configuración del instrumento (como Set Zero y Span); cumplir o exceder una duración con cierto mínimo; tener una amplitud mayor al umbral fijado, y determinar el centro absoluto del eco. Estas calificaciones ayudan a validar el eco como información útil.

Cuando la medición por ultrasonido es difícil

Las condiciones para las mediciones de nivel mediante ultrasonido no siempre son ideales y se pueden presentar problemas de espuma, turbulencias en el líquido, bloqueo de la señal por otros objetos, efecto excesivo de ringing en el transductor o demasiado ruido eléctrico (ruido de línea, arcos en los contactos, etc.).

Aunque cada condición presenta un problema único al instrumento, se han creado soluciones especiales de interpretación de la señal y técnicas de aplicación. Al depender el instrumento de una onda de sonido reflejada, es importante que el transductor se monte en forma perpendicular a la superficie del líquido o sólido que requiere ser medido, pues un leve deslizamiento puede significar una degradación en su desempeño.

Algunos instrumentos muestran la fuerza del eco en números digitales, representando los primeros dígitos la amplitud del eco, mientras que los siguientes al punto decimal están relacionados al número de pulsos contados o al ancho de pulso del eco retornado. Al maximizar la amplitud de la fuerza del eco, se puede lograr una alineación apropiada. Use el ancho del eco para determinar si el instrumento está recibiendo el número exacto de pulsos de eco que ha enviado.

Superficies altamente absorbentes, como espumas gruesas, pueden absorber las ondas de sonido hasta eliminarlas o restringir la medición a través de ultrasonido. Asimismo, la espuma puede tener efectos impredecibles sobre las mediciones, afectándolas en términos de confiabilidad y precisión; por ende, es recomendable evitarla.

En este tipo de aplicaciones, una solución simple es ubicar el sensor en un lugar que no esté sujeto a la presencia de espumas. En otros casos, es posible colocar un tubo o columna ascendente de tal forma que la espuma no afecte la medida.