El principio de los sensores de nivel tipo microondas se basan en un sistema de antenas emite y recibe las microondas ultracortas que se reflejan en la superficie del producto. Las señales se transmiten a la velocidad de la luz, siendo el tiempo entre la emisión y la recepción de las mismas proporcional al nivel de llenado del recipiente. Gracias al procedimiento de propagación especialmente desarrollado para tal fin, se pueden medir de forma fiable y exacta incluso intervalos de tiempo extremadamente cortos. Los sensores de radar funcionan con poca potencia en las bandas de frecuencia C (fecuencias por debajo a 6GHz) y K (frecuencia superior a 20GHz).
Las microondas (ondas de radar) se reflejan por la diferencia de impedancia entre el aire y el producto y el mismo sensor vuelve a detectarla. El tiempo de retorno de la señal es una medida de la altura de la sección vacía del tanque. Si a esta distancia se le resta la altura total del tanque, se obtiene el nivel del producto. El tiempo de retorno se convierte en una señal de salida analógica.
Gracias a la más reciente tecnología de microcontroladores, estos sensores son capaces de reconocer fiablemente la señal correcta, suprimiendo los ecos falsos para medir el nivel de llenado con gran precisión
Las microondas (ondas de radar) se reflejan por la diferencia de impedancia entre el aire y el producto y el mismo sensor vuelve a detectarla. El tiempo de retorno de la señal es una medida de la altura de la sección vacía del tanque. Si a esta distancia se le resta la altura total del tanque, se obtiene el nivel del producto. El tiempo de retorno se convierte en una señal de salida analógica.
Gracias a la más reciente tecnología de microcontroladores, estos sensores son capaces de reconocer fiablemente la señal correcta, suprimiendo los ecos falsos para medir el nivel de llenado con gran precisión
El transmisor de nivel Micropilot funciona según el principio del eco. Una antena de varilla o una antena de trompeta dirige impulsos cortos de microondas de 0,8 ns de duración hacia el producto, éstos se reflejan en su superficie, y la misma antena los detecta a su regreso, esta vez, actuando como receptor (véase la fig. 1). La distancia a la superficie del producto es proporcional al tiempo de retorno del impulso de microondas:
D=C.t/2 D: Distancia del transmisor/superficie del producto.
C: Velocidad de la Luz.
t: Tiempo de tránsito en segundos.
Figura 1. Medición de nivel por microondas en Líquidos.
El nivel L es la altura total del tanque vacío, E, menos la distancia medida, D: L = E — D. El nivel L se puede medir hasta justo por debajo de la antena de varilla o la antena de trompeta, de modo que no hay restricciones por distancia. Este instrumento, conocido como Micropilot, opera en la banda de frecuencias para aplicaciones industriales, científicas y médicas, o banda ISM (6 GHz a 26 GHz). Su baja potencia de radiación permite una instalación segura en recipientes metálicos y no metálicos, sin riesgos para los seres humanos o el entorno. La medición de niveles por microondas es virtualmente independiente de la temperatura, de condiciones de altas presiones o vacío, y de la presencia de polvo o vapor. Los impulsos de microondas viajan a la velocidad de la luz y no se ven afectadas por la presencia de vapor.
En la medición de niveles por ultrasonidos, los impulsos de onda sonoros se generan mecánicamente mediante vibraciones del aire, y se reflejan debido a las propiedades mecánicas del medio. En cambio, la medición por microondas consiste en radiación electromagnética que se refleja debido a una variación en la impedancia (es decir, un cambio de la constante dieléctrica del medio en que se refleja). La constante dieléctrica Er del producto debe tener un valor mínimo. Los valores de Er deben estar por encima de 1,4 para aplicaciones en tubos tranquilizadores, o de 1,9 en cualquier otro caso. Por encima de estos valores, los cambios en Er no afectan a la medición. Para productos conductores (> 10 mS/cm), la medición resulta totalmente independiente de er.
Un oscilador de alta frecuencia (HF) genera una señal de microondas básica de 6 GHz. Un generador de impulsos de onda que genera una frecuencia de 3,6 Mhz transmite por la antena la alta frecuencia original. La señal se refleja en el producto y regresa de nuevo al receptor por la antena. Luego, la señal recibida y la señal de referencia, con la misma pulsación de 3,6 MHZ, pero reducida en 43,7 Hz, se envían a un mezclador de frecuencias. Cuando el impulso de referencia se mezcla con el transmitido (incluyendo el impulso reflejado), la señal aumenta en un factor 82.380, con lo que se obtiene un impulso 'de muestra' de 43,7 Hz (= 3,6 MHz / 82.380) con una frecuencia portadora de 70 kHz (= 6 GHz / 82.380). Esta señal 'de muestra', de frecuencia más baja y más fácil de manejar, tiene la misma forma y contiene la misma información de reflexión que la señal original transmitida (véase la fig. 2). Después de procesar la señal, sólo 44 curvas por segundo se emplean para lo análisis estadísticos y se convierten en una señal de salida.
La calidad de la señal de microondas reflejada puede depender de la cantidad y del tipo de espuma presente. Si la espuma es densa conductora, la reflexión se producirá en la espuma, en vez de en la superficie del producto. Si, por el contrario, la espuma es no conductora y no demasiado espesa, la señal aún se reflejará en la superficie del producto.
Figura 2. Señales microondas usadas en el proceso de transmisión y recepción.
El empleo de agitadores o la existencia de olas reduce la amplitud de la señal reflejada, si ésta era suficiente. Un indicador de nivel por microondas es una medición por tiempo de retomo de las ondas y, por ello, no depende de la amplitud de la señal de retorno. El empleo de indicadores de nivel por impulsos de onda presenta ciertas ventajas respecto a los indicadores de nivel conocidos como FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave), onda continua de frecuencia modulada). Un instrumento FMCW emite una señal de alta frecuencia de modo continuado, lo cual significa que su potencia efectiva es unas 6 veces superior a la potencia efectiva de un indicador de nivel por impulsos de onda. Por este motivo, en algunos países no se permite el empleo de instrumentos FMCW en aplicaciones abiertas a la atmósfera y/o su uso se regula mediante la adquisición de licencias. Por el contrario, el empleo de indicadores de nivel industriales basados en señales de impulsos de microondas se permite con toda libertad y no está sujeto a restricciones ni a la adquisición de licencias. La potencia de un solo impulso (de cualquier indicador de nivel por impulsos) es doscientas veces superior, por lo que la señal es más efectiva en condiciones de medición desfavorables.
Criterios de selección
La elección de un instrumento de medición de niveles por impulsos de microondas adecuado para cada aplicación depende de los factores siguientes:
l. La resistencia química, la presión de proceso y la temperatura de la antena determinan el material de la antena y de la brida.
2. El campo de medida deseado y las condiciones de proceso tales como Er, olas o remolinos y espuma determinan el tamaño de la antena.
3. El tipo de tanque (de almacenamiento, depósitos reguladores o de proceso) y el tipo de montaje (espacio abierto, tubo tranquilizador o derivación).
4. La precisión requerida y los requisitos de calidad exigidos por Ex.
El primer aspecto que se suele considerar se refiere al campo de medida deseado para una aplicación determinada (por ejemplo, en un tanque de almacenamiento en calma, en un depósito regulador o en un tanque de proceso con agitador). Un tubo tranquilizador o una derivación a la práctica se pueden ver también como un tanque de almacenamiento en calma y presentan el campo de medida máximo. Los valores bajos de la constante dieléctrica y la presencia de olas favorecen la atenuación de la señal, y hacen disminuir el campo de medida máximo de 35 m. Cada tipo de instrumento tiene su propia lista de aplicaciones adecuadas para cada tipo de tanque, montaje y producto (véase el ejemplo de la fig 3 para dos diámetros distintos).
Figura 3. Ejemplo de diversos tamaños de trompetas para el sensor.
Las indicaciones B, C y D representan varios líquidos: B = liquidas no conductivos tales como productos petroquímicos con una constante dieléctrica de Er = 1,9 ... 4; C = ácidos concentrados, disolventes orgánicos, ésteres, alcoholes y acetonas con una constante dieléctrica de Er = 4 ... 10; Y D = líquidos conductores, disoluciones en agua y ácidos diluidos con una constante dieléctrica Er > 10. Los impulsos electromagnéticos se emiten mediante una antena, que puede ser de trompeta de diámetros DN80, DN100, DN150, DN200 Y DN250, o de varilla, de 390 mm o 540 mm de longitud. La antena de trompeta de acero inoxidable puede soportar una temperatura máxima de 400 ºC y 100 bar de presión (aunque no al mismo tiempo), mientras que la antena de varilla (PTFE o PPS) puede soportar una temperatura máxima de 150 ºC y 40 bar de presión (aunque no a la vez).
Propiedades importantes de la antena de trompeta y cuándo empleada:
· Cuando pueden formarse condensaciones en la antena
· Para empleo en tubuladuras > 250 mm
· Para campos de medida mayores
· Para condiciones de presión y temperatura mayores
· Mayor robustez
· Se adapta mejor a aplicaciones en derivaciones
· En caso de reflexión débil (er baja o olas).
Propiedades importantes de la antena de varilla y cuándo empleada:
· Resistencia química (completamente PTFE)
· Acoplamientos a proceso pequeños
· Tubuladuras estrechas
· Cuando se pueden producir adherencias en la tubuladura.
Montaje
El impulso de microondas debe llegar sin problemas a la superficie del producto siempre que sea posible. Cada objeto que se interponga con el haz produce una señal de eco, mayor cuanto más cerca esté el objeto (véase la fig. 4 (A)). Si no se puede elegir una posición de montaje diferente que evite los ecos fuertes, éstos interferirán con la medición y se deberán suprimir durante el calibrado. Éste se lleva a cabo de manera parecida a la medición por ultrasonidos con la opción TDT (Time Dependent Threshold, umbral función del tiempo). Puesto que las microondas están polarizadas, el haz de radiación tiene que ser perfectamente paralelo a la pared del recipiente, de modo que la marca de alineación en el acoplamiento de brida o de cable debería colocarse paralela a la pared del recipiente (véase la fig. 4 (B)). Evite una posición central en el tanque y manténgala separada (por lo menos 300 mm.) de accesorios, entradas, aros, tuberías y paredes. E] eje del transmisor debe estar perpendicular a la superficie del producto. El nivel máximo se alcanza justo debajo de la antena o antena de trompeta, de modo que no hay restricciones por distancia.
Figuras 4. Ángulo de emisión y Posición en la curvatura respectivamente.
La arista frontal de la antena de varilla y la parte cónica de las antenas de trompeta deben estar encaradas hacia el tanque (véanse las fig. 5). Evite ¡as mediciones a través de la cortina de vertido del producto o en el remolino. Preste atención a las instrucciones de montaje de la hoja de especificaciones para el montaje del tubo tranquilizador y del conducto (tubo de inmersión) en derivación. Las tuberías deben ser metálicas, tener un diámetro constante y montarse junto al diámetro de la antena de trompeta. Para que el producto se mezcle mejor, en el tubo tranquilizador se pueden abrir ranuras de un tamaño determinado (véase la fig. 6 (A)). Se puede emplear una válvula de bola de paso total que cierre el punto de medición para las tareas de mantenimiento (véanse la fig. 6 (B) y, en la práctica, la fig. 8). Para casos en que existan tubuladuras elevadas o incluso tubuladuras inclinadas que no se adecúen a las exigencias de montaje especificadas, existen extensiones de antena especiales y extensiones curvas.
Características eléctricas y electrónicas
El indicador de nivel por microondas se tiene que conectar a una fuente de alimentación CC o CA, indistintamente. La energía de alta frecuencia radiada es baja (alrededor de 0,2 mW de potencia efectiva, lo cual representa 500 veces menos que un teléfono móvil, y 2.500 veces menos que el ritmo de dispersión de radiación de un horno de microondas). Por lo tanto, los indicadores de nivel industriales basados en impulsos de señal de microondas son seguros y, por otra parte, no están sujetos a adquisición de licencias o cualquier otro tipo de regulación. La señal de salida es de 4-20 mA (activa o pasiva) y algunos instrumentos tienen una salida de relé adicional para la función de alarma. Para funcionamiento remoto, el Micropilot se puede distribuir con uno de los cuatro módulos de comunicación siguientes:
· protocolo PROFIBUS
· protocolo HART
· interfase RS--185
· bus de campo Foundation
Las versiones no equipadas con interfase digital se configuran mediante un módulo de visualización portátil. Para versiones Ex (ATEX II 1/2 G), esta unidad es intrínsecamente segura. Esta unidad de calibrado compacta, que comprende un visualizador, un teclado y un indicador de error (véase la fig. 10), va introducida en el compartimiento de conexiones del transmisor. Un cable corto permite manipularlo con facilidad, incluso cuando el transmisor está en una posición embarazosa. El visualizador, de cuatro líneas de texto claro, muestra lo que se está haciendo y lo que hay que hacer a continuación. También muestra la curva de la sena] envolvente cuando el instrumento la detecta. También hay un modelo ATEX EEx de ia IIc T6/T4 (seguridad intrínseca).
Figura 10. Unidad de calibrado del medido Endress+Hauser.
Tanto si se configura con el módulo de visualización, con el software de configuración (ToF-Tool), desde un terminal portátil o por un sistema de bus, el Micropilot se maneja siempre a partir de un menú de configuración con campos de entrada y salida de información.
Aplicaciones
Los instrumentos de indicación y medición de niveles por microondas se emplean en situaciones en que las ventajas de otros indicadores de nivel de no contacto con el producto como, por ejemplo) los ultrasonidos, son obvias, pero no pueden funcionar debido a las condiciones de trabajo, por ejemplo, altas presiones, presiones muy bajas (vacío), altas temperaturas o composición del aire. Por ello, las microondas se emplean a menudo en procesos químicos y en aplicaciones de almacenamiento (véanse las fig. 7 y 8).
En la fig. 7, un indicador de nivel por microondas se emplea en un tanque de almacenamiento por condensación de hidrocarburo a alta presión. El instrumento se monta en un tubo tranquilizador que disponga de una válvula de bola) de modo que se pueda acceder a éste sin necesidad de alterar el proceso. Por supuesto, el indicador de nivel por microondas de esta aplicación cumple las exigencias Ex. En la fig. 8, el indicador de nivel por microondas se emplea en un tanque de almacenamiento de mercaptano. Por razones de seguridad, se añade un interruptor de nivel de diapasón, o L1QUIPHANT (en la parte delantera), como alarma independiente de detección de nivel alto (HLA, High Leve! Alarm).
En la fig. 9, se emplea un indicador de nivel por microondas para una cuba de purines en una aplicación aparentemente sencilla que, en principio) se podría haber resuelto con un indicador de nivel por ultrasonidos. Pero la espuma conductora absorbe toda la energía acústica y, en cambio, refleja la energía electromagnética.
Modelos
Hay cuatro tipos de indicadores de nivel por microondas (véase la fig. 10): 1) Tipo estándar, precisión de 10 mm. con antena de varilla o antena de trompeta para aplicaciones generales. 2) Un modelo de mayor precisión (±3 mm.) con una pequeña antena de trompeta. 3) Tipo de sensor planar con una precisión de 1 mm. para aplicaciones en tubos tranquilizadores, por ejemplo para uso en aplicaciones de almacenamiento de fluidos en custodia y en productos caros. 4) Lo mismo que tres pero con una antena parabólica planar para medición en espacios abiertos.
La industria de telecomunicaciones por cable desarrolló el principio de la medición de niveles por microondas guiadas, o TDR (Time Domain Reflectometry, reflectometría de dominio temporal) para detectar una rotura en su extensa red de cable. Cuando se transmite un impulso de radar por el cable, el tiempo que la señal de retorno necesita para su recorrido, varía debido a que el circuito abierto o cortocircuitado presenta impedancias diferentes (es decir, por la distancia). Anualmente, este método se emplea para la medición de niveles (véase la fig. 11) en presencia de grandes cantidades de polvo, porque los instrumentos de medición por ultrasonidos pueden fallar debido a un elevado contenido de polvo y los indicadores de nivel de sondeo por microondas libres tampoco pueden usarse debido a que los sólidos secos no reflejan la energía emitida.
La tecnología TDR difiere de la del radar convencional en que los impulsos de microondas se emiten en una amplia banda de frecuencias (200 kHz hasta 1,2 GHz). La tecnología TDR emplea microimpulsos electromagnéticos que viajan por cable (ondas guiadas) y se reflejan debido a un cambio súbito en la constante dieléctrica. En medición de niveles, el cambio en el valor de la constante dieléctrica se corresponde con la interfase aire/producto. La distancia D a la superficie del producto es proporcional al tiempo de retorno del impulso, , donde C es la velocidad de propagación. Es importante el hecho de que la potencia de los impulsos emitidos es muy baja (menos de 1 microwatio) y que están guiados, por lo que apenas se disipa energía. Por este motivo, la intensidad (amplitud) de la señal que retorna será casi la misma si el nivel del producto está entre 3 m y 10m de la brida.
Así como en la medición por ultrasonidos y por microondas se emplea el método de la curva envolvente, en la técnica de medición TDR cada cable sonda se representa por 512 puntos digitales, independientemente de la longitud de éste. Se recoge una muestra del comportamiento de los impulsos reflejados en cada punto de la sonda y la información acumulada sobre el ciclo de muestreo se procesa y se convierte en información acerca del nivel del producto. El principio del tiempo de retorno de las microondas guiadas se emplea en indicadores de nivel para sólidos de hasta 20 m y se conoce con el nombre de Levelflex. La baja potencia de la energía de radar permite su instalación segura en contenedores y silos tanto no metálicos como metálicos sin riesgos para los seres humanos ni el entorno. No se requiere ningún tipo de licencias. Otra diferencia entre los indicadores de nivel por microondas en espacio abierto y los instrumentos por TDR es que, en los primeros, la misma estructura, otros posibles montajes en el silo y el extremo del cable sonda también se detectan y se devuelven más impulsos que propiamente el del nivel del producto. Por esta razón se lleva a cabo el llamado "mapa sonda" que confirma que el impulso recibido es el del nivel del producto (véase la fig. 14). Este "mapeado" se efectúa generalmente en la fábrica para las longitudes de la sonda especificadas y sólo es necesario en caso de montajes especiales o de reducción de la longitud de la sonda.
Los instrumentos de medición de nivel por microondas guiadas sirven para una amplia variedad de sólidos de hasta un tamaño de grano de 20 mm y con valores de la constante dieléctrica de 1,8 o superiores. No se ven afectados por la humedad ni por los cambios en la composición, ni por la presión o la temperatura. La presencia de grandes cantidades de polvo, vapor, adherencias, ruido acústico o el ángulo de talud del producto tampoco afectan a la medición. El indicador no tiene partes móviles que se desgastan o se estropean. La salida suele ser de 4-20 mA, pero el sistema se puede integrar con la interfase RS 485, los protocolos HART o PROFIBUS O con el Fieldbus Foundation. El indicador es capaz de efectuar mediciones en un rango que abarca desde 30 cm. a partir de la conexión a proceso hasta 35 cm del extremo del peso del sensor o el punto de sujeción (véase la fig. 12).
El instrumento se monta mediante una rosca BSP 1 ½ ", o con una conexión a proceso NPT, o con una brida. Hay dos modelos, uno con un cable de 4 mm. de diámetro (longitud máxima de la sonda: 10m) y uno con un cable de 8 mm. de diámetro (longitud máxima de la sonda: 20 m). Durante el llenado y el vaciado el producto ejerce una carga que está limitada a un valor máximo que no se debe rebasar: 10 ki'\l para el cable de 4 mm. y 40 kN para el de 8 mm.; y por supuesto, el montaje en el techo del silo también debe ser capaz de soportar estas fuerzas. Para evitar que la sonda se incline hacia una tubuladura o un acoplamiento que sobresalga, el contrapeso del extremo de la cuerda debe estar encarado hacia el silo y el diámetro de la tubuladura debería ser, por lo menos, tan alto como ancho (véase la fig. 13 (A)). Para evitar falsos cambios de impedancia, el cable tiene que colgar libremente por lo menos a 30 cm. de la pared o de cualquier otro objeto del silo. Es posible montar este sistema en silos parcialmente llenos; después de hacer un mapa de ajuste parcial, el sistema estará listo para la medición. Durante el vaciado, el cable del silo se estira totalmente (véase la Fig. 13 (B)). Si se prevé que el producto vaya a mover el cable a menos de 30 cm. de la pared del silo, el extremo de la sonda se puede anclar a la parte inferior (o parte cónica) del silo. Si además, se ata sin ningún tipo de aislante, actuará como una toma de tierra.
Hay dos tipos de modelos disponibles para varias longitudes de medición máximas (véase la fig. 14). El primer tipo, con un cable de 4 mm., abarca una longitud de medición máxima efectiva de 19m35, y resiste una fuerza de tracción máxima de 10 kN. El segundo tipo tiene un cable de 8 mm. de diámetro que permite un campo de medida efectivo de 19m35 y resiste una fuerza de tracción por fricción máxima de 40 kN, por lo cual, tiene un mecanismo de acoplamiento mecánico especial (véase la parte izquierda de la fig. 14) entre el cabezal y la rosca de conexión a proceso o la brida. Ambos tipos se pueden emplear con un peso de sonda o con grapas de amarre según los casos mencionados. Las sondas atadas con grapas de amarre se recomiendan si el movimiento del producto puede producir un movimiento no deseado del cable sonda. En ocasiones, la sonda se puede recubrir con un material resistente a la corrosión. Sondas de mayor longitud, están disponibles como versión especial.
Los instrumentos de medición de nivel por microondas guiadas se emplean en todo tipo de silos, contenedores ti otros recipientes que contengan áridos o materiales brutos cuyo tamaño de los granos no sobrepase los 20 mm. y el campo de medida no exceda los 20 m. Incluso en materiales pulverulentos como ceniza volante y cemento así como granos, granulados o copos, estos instrumentos dan un buen resultado aunque el producto tenga una constante dieléctrica tan baja como 1,8. Incluso en silos altos y delgados o en silos de formas especiales con travesaños u obstáculos, estos indicadores de nivel proporcionan una medición fiable. También se pueden emplear en aplicaciones con materiales pulverulentos como serrín) con telas o con productos reflectantes brillantes. Su montaje es fácil (véase la fig. 15) Y su ajuste suele venir de fábrica.
Ajuste
Como se ha dicho, el ajuste de los indicadores de nivel por microondas guiadas a las longitudes especificadas suele hacerse en fábrica. Sólo es necesario efectuar un nuevo ajuste ("mapeado" de la sonda) si hay obstáculos a menos de 30 cm. del cable sonda, o en caso de recorte de éste. El "mapeado" de la sonda se lleva a cabo en un silo vacío mediante un ajuste de la matriz de cuatro teclas que hay en la electrónica o por calibrado remoto mediante comunicación inteligente, por ejemplo, con HART.
Pagina fuente:
Nombre: Josmar Eduardo Depablos Rodriguez
Asignatura: Circuitos de Alta Frecuencia
