Medición y control del nivel de líquido un sistema Scada

Este trabajo consiste en la implementación de un sistema de adquisición de datos (DAQ) en la medición y control de una de las variables de proceso más utilizada en un entorno industrial, el nivel de líquidos, dentro de un módulo didáctico.

En el cual, cuando se refiere de un sistema DAQ este consiste de diferentes componentes y la característica de cada uno de estos determinan el desempeño adecuado del sistema y corresponden a:el hardware de adquisición de datos, el acondicionamiento de señal y los sensores.

El hardware de adquisición de datos implementado en el módulo didáctico corresponde a la tarjeta DAQ 6009 que es la encargada de adquirir los datos del proyecto en forma confiable y es utilizable en una infinidad de proyectos.

Para el acondicionamiento de la señal se ha colocado una tarjeta electrónica en cada una de las salidas utilizadas en latarjeta DAQ 6009 para adaptar estas salidas de baja potencia a las entradas de las cargas de gran potencia que se controlan en el sistema.

Para la medición del nivel se utiliza el sensor ultrasónico Q45ULIU64ACR que nos emitirá una señal de voltaje en función del nivel, esta señal es enviada a la tarjeta DAQ 6009 para la recolección de este dato.

Con todos estos componentes junto con una aplicación adecuada en una computadora se podrá analizar y procesar las señales adquiridas y mantener el control del proceso en cualquier momento y lugar.

ABSTRACT

This work is the implementation of a data acquisition system (DAQ) in the measurement and control of process variables most used in industrial environments, the level of liquid within a training module.

In which, when referring to this DAQ system consists of different components and the characteristic of each of these determine the proper performance of the system correspond to: the data acquisition hardware, and signal conditioning sensors.

The data acquisition hardware implemented in the training module corresponds to DAQ6009 card that is responsible for acquiring project data in a reliable and usable in countless projects.

For conditioning of the signal is placed on an electronic card each of the outputs used in the card DAQ6009 to adapt these low power outputs to the inputs of high power loads that are handled in the system.

For level measurement using the ultrasonic sensor Q45ULIU64ACR we emit a voltage signal depending on the level, this signal is sent to the card DAQ6009 for collecting this data.

With all of these components together with an appropriate application on a computer can analyze and process the acquired signals and maintain control of the process at any time and place.

Glosario técnico

SCADA.- Supervisión Control y Adquisición de datos

Bit.- Dígito del sistema de numeración binaria.

Reflexión.- Fenómeno por el cual una onda se refleja (rebota al medio del cual proviene) cuando se encuentra con un obstáculo que no puede traspasar ni rodear

Eco.- Fenómeno acústico producido cuando una onda se refleja y regresa hacia su emisor

Sensor.- Dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas

Software.- Equipamiento lógico o soporte lógico de un sistema informático, que comprende el conjunto de los componentes lógicos necesarios que hacen posible la realización de tareas específicas.

PC.- Computadora personal

DAQ.-Adquisición de datos

USB.-Bus Serial Universal

CAPITULO I

Generalidades

1.1 INTRODUCCIÓN

El persistente perfeccionamiento de nuevas tecnologías en el campo de la automatización, ha provocado la necesidad de extender la manera de monitorizar y de controlar múltiples sistemas remotos, por lo que debido al coste de estos sistemas las instituciones educativas no han podido implementar módulos de entrenamiento de este tipo ,lo que ha causado a los alumnos del área eléctrica del Instituto Tecnológico "Carlos Cisneros " una deficiencia de conocimientos en lo que se refiere a sistemas de supervisión, control y adquisición de datos,causando así un desfase entre el avance tecnológico y la capacitación de profesionales provocando que tengan complicaciones en su desempeño laboral en el futuro. Por todo lo descrito anteriormente nos hemos visto en la necesidad de implementar en el Instituto el proyecto de medición y control del nivel de líquidos basado en un sistema SCADA, la comunicación del sistema eléctrico de control y el programa se lo realizara mediante la tarjeta DAQ 6009 de NI. Que como parte de un sistema de Adquisición de Datos" esta se basa en la integración de los diferentes señales que a través del sensor ultrasónico proporcionara a la tarjeta, y de esta forma solucionar el problema de cómo entrelazar las señales físicas a datos que puedan ser procesadas por el ordenador y al mismo tiempo obtener una herramienta fundamental que proporcione todo los conocimientos básicos para un buen aprendizaje y buena comprensión de cómo se realiza la comunicación de la interface gráfica del software a los elementos físicos del sistema SCADA. El objetivo principal de este sistema integrado al proyecto de control de nivel de fluidos es dotar de las herramientas necesarias para la medición y control de la variable nivel de líquidos en un sistema supervisión, control y adquisición de datos(SCADA).

1.2 ANTECEDENTES

En diferentes proyectos de control industrial se ha notado el interés por realizar pruebas en lo referente a control industrial computarizado logrando desarrollar sistemas básicos. Pero el presente proyecto va un paso más adelante en el desarrollo de sistemas para el control computarizado alcanzando la supervisión y control de parámetros, funcionamiento de elementos, aperturas de electroválvulas en tiempo real desde un ordenador. Para lo cual alcanzar esta forma de control se ha visto la necesidad de emplear tarjetas de interpretación entre el hombre y la máquina los cuales se comunican con mayor rapidez de respuesta, las señales del proceso de automatización son conducidas por estas tarjetas hacia la computadora, pues permite que el operador observe el proceso en tiempo real, lo que provoca que el proceso sea visualizado gráficamente en la pantalla y así solucionando problemas como monitoreo y supervisión.

Los sistemas de adquisición de datos son cada vez mas utilizados en la industria y educación. La cual esta tarjeta sera utilizada para la lectura de la variable física como es el nivel de líquido y para el procesamiento de las variables con la finalidad de controlar el proceso. Con el sistema de adquisición de datos se puede monitorizar muchos procesos industriales por lo que es impresindible un módulo de estos en el campo de la formación de nuevos profesionales.

1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El persistente perfeccionamiento de nuevas tecnologías en el campo de la automatización ha generado que todas las esferas de la vida humana se automaticen provocando que se desarrollen los denominados sistemas inteligentes capases de resolver los más diversos problemas los llamados sistemas de adquisición de datos.

Pero la falta equipamiento de entrenamiento en lo que se refiere a los sistemas de adquisición de datos en las instituciones educativas ha generado una serie de complicaciones en el desempeño laboral de los futuros profesionales puesto que en los Institutos de Educación Superior no se implementan estos tipos de sistemas de entrenamiento debido al escaso presupuesto para su adquisición.

1.4 JUSTIFICACIÓN

La tecnología se encuentra en constante cambios simplificando estructuras y mejorando procesos, lo que exige actuar en forma rápida ante los cambios que aquello produce. Los sistemas de control y adquisición de datos, en la actualidad constituyen la herramienta más utilizada en las grandes industrias a nivel mundial, para llevar información en tiempo real del estado y funcionamiento de equipos y así optimizar las respuestas del sistema. Por tal razón en el instituto tecnológico se dispone a realizar un módulo de control de nivel de líquidos SCADA para el aprendizaje de los estudiantes, la implementación de la tarjeta DAQ USB6009 y el sensor ultrasónico será un aporte tecnológico en beneficio de los estudiantes y de la institución siendo una herramienta que les permita adquirir conocimientos que sin estos equipos seria imposible y asi completar su formación académica de una forma adecuada.

Además la tarjeta de adquisición de datos innovada en el proyecto control de nivel de líquidos conseguirá la comunicación del sistema eléctrico de control y el programa LABVIEW implemento en la PC, así como la manipulación de las señales emitidas por medio del sensor ultrasónico para su análisis.

1.5 OBJETIVOS

1.5.1 Objetivo general:

REALIZAR LA MEDICIÓN Y EL CONTROL DE LA VARIABLE NIVEL DE LÍQUIDOS MEDIANTE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DAQ USB-6009 EN UN SISTEMA SCADA.

1.5.2 Objetivos específicos:

• Conseguir la comunicación del sistema eléctrico de control y el programa LABVIEW 10.0. mediante la DAQ6009 de NI en el proyecto de control de nivel de fluidos.

• Realizar la medición y manipulación de las señales por medio de DAQ6009 para que estos sean procesados de manera gráfica mediante LABVIEW.

• Dotar a la tarjeta de adquisición de datos de un adecuada interface de salida.

• Proporcionar a los docentes de la escuela de electricidad una herramienta necesaria para instalar, probar y usar un dispositivo de adquisición de datos en la enseñanza técnica en conjunto con el software controlador.

CAPÍTULO II

Marco teórico

2.1.PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS

Los líquidos son sustancias en un estado de la materia intermedio entre los estados sólido y gaseoso. Las moléculas de los líquidos no están tan próximas como las de los sólidos, pero están menos separadas que las de los gases.

Tienen un volumen determinado, por lo cual sus distancias moleculares no se ven afectadas al asumirse la forma del recipiente que los contiene.Elcual presenta las siguientes propiedades.

2.1.1 Compresión y expansión

A los líquidos se les considera incompresibles debido a que dentro de ellos existen fuerzas extremas de atracción entre sus moléculas. Por otra parte cuando a un líquido se le aplica una presión, su volumen no se ve afectado en gran cantidad, ya que sus moléculas tienen poco espacio entre sí. Si se aplica un cambio de temperatura su volumen no sufrirá cambios considerables. Cuando las moléculas de un líquido están en continuo movimiento es por causa de la temperatura que está experimentando, lo cual inclina al líquido a aumentar la distancia de sus moléculas; a pesar de esto las fuerzas de atracción que existen en el líquido se oponen a ese distanciamiento de sus moléculas.

2.1.2 Difusión

Al realizar la mezcla de dos líquidos, las moléculas de uno de ellos se difunden en las del otro a menor velocidad que en los gases. Si se desea ver la difusión de dos líquidos, se puede hacer, dejando caer una pequeña cantidad de tinta china en un poco de agua. Debido a que las moléculas en ambos líquidos están muy cerca, cada molécula conlleva una inmensidad de choques antes de alejarse, puede decirse que millones de choques. La distancia promedio que se genera en los choques se llama trayectoria libre media y, en los gases es más grande que en los líquidos, esto sucede porque las moléculas están bastante separadas. A pesar esto hay constantes interrupciones en sus trayectorias moleculares, por lo que los líquidos se difunden mucho más lentamente que los gases.

2.1.3 Forma y volumen

En un líquido, las fuerzas de atracción son suficientemente agudas para limitar a las moléculas en su movimiento dentro de un volumen definido. A pesar de esto las moléculas no pueden guardar un estado fijo, es decir, las moléculas del líquido no permanecen en una sola posición. Las moléculas, dentro de los límites del volumen del líquido, tienen la libertad de moverse unas alrededor de otras; a causa de esto, permiten que el líquido fluya. Los líquidos poseen un volumen definido, pero debido a su capacidad para fluir, su forma depende del contorno del recipiente que los contiene.

2.1.4. Viscosidad

Algunos líquidos fluyen lentamente, mientras que otros fluyen con facilidad; la resistencia a fluir se conoce con el nombre de viscosidad. Si existe una mayor viscosidad, el líquido fluye más lentamente. Los líquidos como el aceite de los motores son relativamente viscosos; el agua y los líquidos orgánicos como el tetracloruro de carbono, no lo son. La viscosidad puede medirse tomando en cuenta el tiempo que transcurre cuando cierta cantidad de un líquido fluye a través de un delgado tubo, bajo la fuerza de la gravedad.

2.2 MEDICIÓN DE NIVEL DE LÍQUIDOS

El nivel es una de las variables de proceso más utilizada en un entorno industrial, específicamente en el control de almacenamiento de materias primas liquidas y sólidas en general. En la selección del tipo de medidor tienen preferencia, técnicamente, los medidores estáticos frente a los que tienen partes móviles y los que no necesitan contacto con el fluido y se ubican en lugares exteriores al recipiente, así como los que requieren menor modificación en la estructura del recipiente y sus soportes, especialmente cuando éstos están ya construidos. En cuanto a métodos de medición de nivel, se puede decir que hoy en día se dispone de una amplia gama de técnicas de medición y, por ello, no siempre resulta fácil la elección del método de obtención de lecturas que se adapte mejor a los requerimientos específicos de una instalación. Antes de la llegada de la tecnología de los semiconductores, la mayoría de los métodos se basaban en principios mecánicos y/o neumáticos. Actualmente los métodos de medición más comunes se pueden clasificar de la siguiente forma:

• Instrumentos de medida directa

• Instrumentos basados en la presión hidrostática

• Instrumentos basados en métodos electromecánicos

• Instrumentos basados en medición de carga

• Detección de niveles por conductividad

• Medición de nivel por capacidad

• Medición y detección de nivel por ultrasonidos

• Detección y medición radiométrica de niveles

2.2.1 Instrumentos de medida directa

2.2.1.1Método de la mirilla de nivel.

Se puede obtener una indicación visual del nivel en líquidos razonablemente limpios, si parte del tanque o contenedor está fabricado con algún material transparente Si la mirilla de nivel se monta en una tubería de derivación con llaves de paso en cada extremo se logra aislarla del tanque o contenedor principal, lo cual permite su retiro para mantención.

Ventajas:

• Sencillo de implementar

• Fácil mantenimiento

• Relativamente barato

Desventajas:

• Poco apropiado para procesos industriales controlados electrónicamente

• Solo permite inspección visual

• No permite transmisión de la información del nivel

Fig. 1 Método de la mirilla de nivel

2.2.1.2 Método de barra calibrada.

Este es un método manual muy simple igualmente aplicable a líquidos y a sólidos granulados. En silos muy altos se emplean flejes de acero con un contrapeso en su extremo. La aplicación más familiar de una barra calibrada es la varilla empleada para comprobar el nivel del aceite de un motor de automóvil.

Ventajas:

• Sencillo de implementar

• Bajo costo

Desventajas:

• Poco apropiado para procesos industriales controlados

• No dispone de salida electrónica

• Requiere el uso de escaleras

• No es apropiado para recipientes a alta presión

Fig. 2 Método de la barra calibrada

2.2.1.3 Método del flotador/cuerda.

Este tipo de medidor consiste de un flotador y se utiliza para la medición continua de nivel. La forma más simple de un sistema de este tipo consiste en un flotador, un cable fino, dos agarres y un peso suspendido en la parte exterior del tanque abierto. En la parte exterior se coloca una escala graduada y la posición del peso a lo largo de la escala indica el nivel del contenido del tanque.

Ventajas:

• Relativamente sencillo

• Adecuados para diversos productos

• Muy preciso

Desventajas:

• Requiere cierta cantidad de equipo mecánico

• No suele ser adecuado para aplicaciones en proceso de los sistemas industriales

Fig. 3 Método del flotador/cuerda

2.2.2 Instrumentos basados en la presión hidrostática 2.2.2.1 Medidores manométricos y de presión diferencial.

Este método se basa en la medición de la presión hidrostática correspondiente a una columna de líquido de una altura determinada. La presión se calcula mediante la expresión:

P = presión

h = altura de la columna de líquido

g = aceleración de la gravedad

? = densidad relativa

A partir de la formula se observa que si la densidad relativa del medio es constante, la única variable es h, así, la presión es directamente proporcional a la altura h, que corresponde con el nivel del líquido en el tanque.

La presión hidrostática de la columna de líquido se mide directamente con un transmisor depresión o de presión diferencial.

Fig. 4 Método del medidor manométrico

La medición de nivel con transmisor de presión se utiliza preferentemente en tanques abiertos expuestos a la atmósfera. En estos casos, la presión medida es igual a la presión de la columna de líquido más la presión atmosférica (presión en la superficie). La presión en la superficie suele ser despreciable porque la mayoría de los sensores de presión disponen de dispositivos que compensan la presión atmosférica. Para estos casos, los transmisores se montan en la parte más baja del tanque.

Cuando la presión de la superficie del líquido es mayor que la presión atmosférica (en tanques cerrados y presurizados), se puede emplear un sensor de presión diferencial, el cual mide por un lado la presión total ejercida al fondo del estanque, y por otro lado la presión en la superficie. La presión de la superficie se resta de la presión total, quedando la presión correspondiente a la columna de líquido. La medición de presión diferencial requiere de dos sensores, pero también se puede llevar a cabo directamente con una célula de medición depresión diferencial, como se muestra en la figura.

Fig. 5 Método medidor manométrico y presión diferencial

Ventajas:

• Montaje sencillo

• Fácil de ajustar

• Precisión razonable

• Amplio uso en aplicaciones de la industria alimentaria, donde se manejan productos con viscosidades cambiantes

Desventajas:

• Dependiente de la densidad relativa

• Relativamente costoso para mediciones de presión diferencial

2.2.2.2 Método de medición por burbujeo.

En este método se mide la presión hidrostática en un tanque insertando un tubo delgado en el líquido y aplicando aire comprimido en el tubo de modo que se empuja hacia abajo la columna de líquido del tubo hasta que salgan burbujas de aire al líquido. Estas burbujas dan su nombre al método. La presión del aire en el tubo es entonces igual a la presión de la columna de líquido y se puede medir con un transmisor de presión, que convierte la presión en una señal eléctrica. El aire comprimido se puede obtener a partir del conducto principal de aire mediante una válvula mano reductora o con un compresor pequeño.

Ventajas:

• Montaje sencillo

• Adecuado para sustancias corrosivas

Desventajas:

• Requiere líneas de aire y consumo de aire

• Peligro de acumulación del medio en el tubo

• No es adecuado para uso en recipientes presurizados

Fig. 6 Método de medición por burbujeo

2.2.3 Instrumentos basados en métodos electromecánicos

2.2.3.1 Método por desplazamiento.

Estos tipos de instrumentos se utilizan generalmente para llevar la medición a sitios remotos o para el control de nivel. Esta compuestos principalmente por un desplazador, una palanca y un tubo de torcion. La figura muestra los componentes basícos de uno de estos medidores. Como se puede observar, el objetivo principal de estos componentes es convertir el movimiento vertical del desplazador en un movimiento circular de tubo de torsion.

Fig. 7 Método de medición por desplazamiento

El principio de funcionamiento se basa en el principio de Arquimides y puede resumirse de la siguiente manera;el peso del desplazador ejerce una fuerza sobre el tubo de torsión, pero al subir el nivel, se desplaza más líquido y éste ejercera una fuerza o empuje sobre el desplazador el cual se vuelve mas liviano.Esto trae como consecuencia que el tubo de torsion gire debido a la disminucion de la torsion que el despazador ejerce sobre el. Este giro es aprovecado acoplandose una aguja,la cual indicara el nivel directamente.

Ventajas:

• Alta precisión

• Adecuado para aplicaciones en gases licuados del petróleo gasolinas y otros productos más pesados, tanques subterráneos y almacenamiento criogénico

Desventajas:

• Depende de la densidad relativa del medio

• Requiere equipamiento mecánico

2.2.3.2 Método de supresión de la rotación.

En este tipo de interruptor de nivel, un pequeño motor eléctrico sincrónico hace girar una pequeña paleta mediante un mecanismo de engranajes reductor. Cuando el producto ofrece resistencia al movimiento de la paleta, el sistema de transmisión de la rotación montado sobre rodamientos se mueve, activando un micro interruptor que emite una señal de nivel.

Fig. 8 Método de medición con supresión de la rotación

Ventajas:

• Para procesos sencillos y en casos en que se prevean adherencias del producto y para líquidos muy viscosos

• Bajo costo

• No requiere ajuste

Desventajas:

• Sujeto a desgastes

2.2.3.3 Sistema de medición por plomada.

En estos sistemas se sondea desde la parte superior del silo la superficie del producto y se compara con la altura del silo, la diferencia de altura es el nivel del producto. Este tipo de indicadores se conocen como silo pilots.

Ventajas:

• Adecuado para silos muy altos de más de 30 m

• Precisión razonable (+/- 100 mm)

• Adecuado para diversos productos, como materiales áridos de grano grueso (como cal, piedra, grava o carbón mineral)

Desventajas:

• Entrega mediciones discretas

• Requiere mantenimiento

Fig. 9 Método de medición por plomada

2.2.4 Instrumentos basados en medición de carga

Método de pesaje.

Este método indirecto de medición de nivel es adecuado para líquidos y áridos, y consiste en montar en el tanque entero o el silo las llamadas células de carga, pero en este caso no se mide el nivel, sino el peso. Por razones de seguridad, siempre debe haber un interruptor de nivel alto independiente.

Ventaja:

• Puede proporcionar una medición de nivel muy precisa para productos con densidad relativa constante; más que el nivel, mide el peso

Desventajas:

• Requiere una gran cantidad de equipamiento mecánico

• Realiza una medida indirecta del nivel

• Es muy caro

Fig. 10 Método de medición por pesaje

2.2.5 Detección de niveles por conductividad.

Este método solo es adecuado para detección de nivel en líquidos conductivos. Se basa en el principio de que la presencia de un producto causa un cambio en la resistencia entre dos conductores. Se puede obtener fácilmente una indicación de nivel de productos conductores de electricidad en un tanque metálico o en otro contenedor mediante una sonda aislada del recipiente y un amplificador conductivo. Si el producto no está en contacto con la sonda, la resistencia eléctrica entre la sonda y la pared del tanque es muy elevada e incluso infinita. Cuando el nivel del producto se eleva y alcanza la sonda, cierra el circuito entre la sonda y la pared del estanque, y la resistencia disminuye a valores relativamente bajos.

Fig. 11 Método de medición por detección de niveles por conductividad

Generalmente la pared metálica del tanque se puede emplear como el segundo electrodo, pero si esto no resulta, se debe introducir otro electrodo en el tanque. Es preferible que la sonda esté conectada a corriente alterna que a corriente continua puesto que, de este modo, se evita el fenómeno de electrólisis, que oxida y causa sulfatación en los electrodos de la sonda.

Ventajas:

• Sencillo

• Bajo costo

• Adecuado para control en dos puntos

Desventajas:

• Se debe evitar que la sonda se ensucie de grasa u otros materiales de deposición

• No es aplicable a la medición de líquidos y sólidos inflamables o explosivos

• Está restringido a productos de conductividad variable

2.2.6 Medición de nivel por capacidad.

En este tipo de dispositivos, una sonda metálica y la pared misma del tanque o silo actúan como dos placas de un condensador. La capacidad de este condensador depende del medio que haya entre la sonda y la pared. Si solo hay aire, es decir, si el tanque o silo está vacío, la capacidad del conductor es baja. Cuando parte de la sonda esté cubierta por el producto, la capacidad se incrementará. El cambio de capacidad se convierte mediante un amplificador en una acción de relé o en una señal de salida analógica

Fig. 12 Medición de nivel por variación en la capacitancia

Ventajas:

• Aplicable para medición de líquidos y sólidos

• No tiene partes móviles

• Adecuado para medios altamente corrosivos

Desventajas:

• Su aplicación está limitada a productos con propiedades eléctricas variables

2.2.7 Medición de niveles por ultrasonido.

El método de reflexión del sonido se basa en medir el tiempo de retorno de un pulso de sonido emitido por un sensor. El pulso ultrasónico emitido se refleja en la superficie del producto y el mismo sensor vuelve a detectarlo. El tiempo de retorno de la señal es una medida indirecta 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.

Ventajas:

• No hay contacto con el producto

• Adecuado para diversos líquidos y materiales granulados

Desventajas:

• El producto no debe producir demasiada espuma en la superficie

• El método no es adecuado a altas presiones ni altas temperaturas

• No es aplicable en condiciones de vacío

Fig. 13 Medición de nivel por ultrasonido

2.2.8 Detección y medición radiométrica de niveles.

El principio del funcionamiento de este instrumento, es que cuando hay producto en el tanque o silo, un haz de rayos gamma que lo atreviese se atenúa. Este es el único método totalmente no invasivo. Ningún elemento del sistema entra en contacto con el medio ni con la atmósfera del proceso. Este método se emplea como indicador de nivel e interruptor de nivel y solo se usa si las condiciones son muy extremas, es decir, altas presiones, temperaturas altas, productos abrasivos, tóxicos, corrosivos o pegajosos. Esto es así principalmente porque la radiación gamma no requiere equipo dentro del tanque o reactor, puesto que penetra fácilmente las paredes del tanque.

Para la medición de nivel, la fuente de rayos gamma emite un haz con un ángulo de salida de aproximadamente 20º o 40º. En el extremo opuesto de la fuente se dispone un detector de rayos gamma conectado eléctricamente con un transmisor de nivel que proporciona una señal de salida.

La intensidad de la fuente de radiación está calculada de modo que cuando el tanque está vacío, el detector transmite justamente los pulsos necesarios para que el amplificador interruptor de nivel o el indicador de nivel procesen una señal. A medida que el nivel del producto aumenta, la radiación se atenúa, el detector deja de transmitir suficientes pulsos y el instrumento indica nivel alto.

Fig. 14 Medición por radiación gama

Ventajas:

• Adecuado para todos los productos y su montaje no causa ningún tipo de obstrucción

• Los sistemas de medición de nivel por rayos gamma ni siquiera requiere modificaciones en el tanque

• No hay contacto con el producto

• Adecuado para altas presiones y altas temperaturas

Desventajas:

• Se requieren medidas especiales de seguridad

• Alto costo

• Interfaz electrónica relativamente compleja

2.3 LOS TRANSDUCTORES Y SENSORES

Un transductor es un dispositivo que transforma un tipo de variable física (por ejemplo, fuerza, presión, temperatura, velocidad, etc.) en otro.

Un sensor es un transductor que se utiliza para medir una variable física de interés. Algunos de los sensores y transductores utilizados con más frecuencia son los calibradores de tensión (utilizados para medir la fuerza y la presión), los termopares (temperaturas), los velocímetros (velocidad). Cualquier sensor o transductor necesita estar calibrado para ser útil como dispositivos de medida. La calibración es el procedimiento mediante el cual se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida convertida.

Los transductores y los sensores pueden clasificarse en dos tipos básicos, dependiendo de la forma de la señal convertida. Los dos tipos son: transductores analógicos y los transductores digitales.

2.3.1 Los transductores analógicos

Estos proporcionan una señal analógica continua, por ejemplo voltaje o corriente eléctrica. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide.

2.3.2 Los transductores digitales

Estos producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas. En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida. Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos.

2.3.3 Características deseables de los transductores y sensores 2.3.3.1 Exactitud

La exactitud de la medición debe ser tan alta como fuese posible. Se entiende por exactitud que el valor verdadero de la variable se pueda detectar sin errores sistemáticos positivos o negativos en la medición. Sobre varias mediciones de la variable, el promedio de error entre el valor real y el valor detectado tendera a ser cero.

2.3.3.2 Precisión

La precisión de la medición debe ser tan alta como fuese posible. La precisión significa que existe o no una pequeña variación aleatoria en la medición de la variable. La dispersión en los valores de una serie de mediciones será mínima.

2.3.3.3 Rango de funcionamiento

El sensor debe tener un amplio rango de funcionamiento y debe ser exacto y preciso en todo el rango.

2.3.3.4 Velocidad de respuesta

El transductor debe ser capaz de responder a los cambios de la variable detectada en un tiempo mínimo. Lo ideal sería una respuesta instantánea.

2.3.3.5 Calibración

El sensor debe ser fácil de calibrar. El tiempo y los procedimientos necesarios para llevar a cabo el proceso de calibración deben ser mínimos. Además, el sensor no debe necesitar una re calibración frecuente. El término desviación se aplica con frecuencia para indicar la pérdida gradual de exactitud del sensor que se produce con el tiempo y el uso, lo cual hace necesaria su re calibración.

2.3.3.6 Fiabilidad

El sensor debe tener una alta fiabilidad. No debe estar sujeto a fallos frecuentes durante el funcionamiento.

2.3.4 El transductor de ultrasonido

Un transductor es un dispositivo que puede convertir una forma de energía en otra, en el caso de un transductor de ultrasonido convierte energía eléctrica en mecánica en forma de onda y viceversa, es por esta razón que la mayoría de los transductores de ultrasonido pueden utilizarse para aplicación de pulso eco. La figura muestra un esquema general de un transductor de ultrasonido en la que se pueden observar las partes principales de mismo, las cuales son las siguientes: Elemento activo o piezoeléctrico (Plomo, Zirconio, Titanio), Backing o contramasa (polvo de Baquelita y de Tungsteno) y Capa de acoplamiento (polvo de Baquelita). La importancia y funcionamiento de ellas se explican a continuación.

Fig. 15 Esquema y partes de un transductor ultrasónico

El elemento activo o elemento piezoeléctrico es el encargado de realizar la conversión electromecánica, el cual está conectado eléctricamente al exterior a través de contactos soldados en los electrodos que cubren al elemento piezoeléctrico. Junto a dicho elemento, se encuentran otros elementos no activos que determinan las características temporales de emisión y/o recepción. Estos elementos son el llamado "Backing" o contramasa y capa de acoplamiento. Estos sistemas mecánicos pasivos tienen como función realizar una asimetría de emisión, lo cual se entiende de la siguiente manera. La placa piezoeléctrica vibra, emitiendo energía mecánica en ambos sentidos. Las aplicaciones prácticas, solo utilizan la emisión en una sola de las caras. Con este fin se coloca la contra masa en la cara posterior que tiene como objetivo fundamental absorber la energía mecánica en esa dirección y detener la oscilación de la cerámica, originando un transductor con mayor resolución.

La capa de acoplamiento por su parte tiene dos funciones, proteger el elemento activo y asegurar una mayor transferencia de energía, esto último se logra fabricándola de un material con una impedancia acústica intermedia entre el elemento activo y el material sobre el cual se espera utilizar el transductor.

2.3.5El sensor ultrasónico

Los sensores de ultrasonidos son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicos y detectan objetos a distancias de hasta 8m. El sensor emite pulsos ultrasónicos.

Estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, colores, superficies y de diferentes materiales.

Los materiales pueden ser sólidos, líquidos o polvorientos, sin embargo han de ser deflectores de sonido. Los sensores trabajan según el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco.

Fig. 16 Sensor ultrasónico 873P de salida analógica

2.3.5.1 Características de los ultrasonidos

La frecuencia del sonido que está por encima del límite audible humano se conoce con el nombre de ultrasonido. El limite más bajo esta aproximadamente en los 20kHz. Las particulares características de los ultrasonidos, aplicada a los sensores de proximidad, son el resultado de la propagación de largas ondas mecánicas, que se manifiestan por una variación periódica de la densidad del medio portador, que conduce a comprensiones y dilataciones. La propagación de las ondas de sonido depende del medio transmisor, con lo que no es posible que se propague en el vacío.

Fig. 17 Frecuencias de propagación de las ondas de sonido

2.3.5.2 Funcionamiento del sensor ultrasónico

El sensor de proximidad ultrasónico puede dividirse en tres módulos principales, el transductor ultrasónico, la unidad de evaluación y la etapa de salida; un pulso corto dispara brevemente el transmisor ultrasónico. Este es generalmente un módulo piezoeléctrico, es decir, basado en piezo óxidos (materiales cerámicos que reaccionan según el efecto piezoeléctrico, de forma similar al cuarzo). El transmisor ultrasónico emite ondas sónicas en el rango inaudible a cualquier frecuencia, generalmente entre 30 y 300 kHz. En muchos casos, el transmisor ultrasónico cambia de emisor a receptor, es decir, operando como en un micrófono.

Fig. 18 Tiempos del sensor ultrasónico

La velocidad de los sensores de proximidad ultrasónicos está limitada por la máxima frecuencia de repetición de pulsos, la cual, dependiendo del diseño, puede oscilar entre 1 Hz y 25 Hz.

La principal ventaja de los sensores de proximidad ultrasónicos reside en el hecho de que pueden detectar una amplia gama de diferentes materiales. La detección es independiente de la forma, color y material, mientras que el material puede ser sólido, fluido o en forma de polvo. La verificación no se ve afectada por la suciedad, ni por las atmosferas con vapores o humos. Se genera una tensión alterna de alta frecuencia para excitar un módulo piezocerámico a la oscilación. Esta tensión de CA es activada en el módulo cerámico por medio de un generador de pulsos, cuando debe emitirse el pulso de transmisión.

La medición de la distancia se calcula según el tiempo de propagación. Un generador de rampa se dispara en el momento de la transmisión, lo cual genera una tensión dependiente del tiempo. Inmediatamente el módulo piezo-cerámico es conmutado para recibir. La señal ultrasónica se refleja si un objeto se halla presente en la zona activa del sensor de proximidad. El sensor se proximidad recibe la señal y el generador de rampa se detiene. En este punto se evalúa el nivel de tensión y emite una señal de salida.

Midiendo el tiempo que transcurre entre la emisión del sonido y la percepción del eco se puede establecer la distancia a la que se encuentra el obstáculo que ha producido la reflexión de la onda sonora, mediante la fórmula:

.

Donde V es la velocidad del sonido en el aire y t es el tiempo transcurrido entre la emisión y recepción del pulso.

A pesar de que su funcionamiento parece muy sencillo, existen factores inherentes tanto a los ultrasonidos como al mundo real, que influyen de una forma determinante en las medidas realizadas. Por tanto, es necesario un conocimiento de las diversas fuentes de incertidumbre que afectan a las medidas para poder tratarlas de forma adecuada, minimizando su efecto en el conocimiento del entorno que se desea adquirir.

Entre los diversos factores que alteran las lecturas que se realizan con los sensores de ultrasonido cabe destacar: