En este artículo técnico haremos una introducción a la tecnología de radar por onda guiada para la medición de nivel y profundizaremos en su efectividad en las aplicaciones de sólidos.
¿Qué es realmente un radar?
Radar es la abreviatura de «radio detection and ranging» (detección y medición de distancias por radio), que se traduce vagamente como «posicionamiento y medición de distancias por radio». Las ondas electromagnéticas constituyen la base de esta tecnología. Un dispositivo de radar emite una onda electromagnética agrupada que es reflejada por los objetos en forma de eco y, a continuación, evaluada por el dispositivo según diversos criterios.
Dependiendo de la aplicación, se puede obtener la siguiente información a partir de las ondas reflejadas:
- El ángulo o la dirección con respecto al objeto
- La velocidad de un objeto (efecto Doppler)
- Los contornos de un objeto
- La distancia al objeto
Este último punto lleva a utilizar también la tecnología de radar para determinar los niveles. En las últimas décadas ha ido adquiriendo cada vez más importancia y se ha ido desarrollando continuamente. En la actualidad, el campo de aplicación abarca desde sencillas aplicaciones de tanques de almacenamiento hasta complejos contenedores de proceso con los retos más diversos.
¿Cómo funciona la medición de nivel con TDR?
El principio básico de un sensor de nivel basado en TDR es sencillo. La electrónica genera un impulso electromagnético que se acopla a una sonda y se guía hacia abajo a lo largo de ella. Cuando la onda choca con la superficie del material, parte de la energía se refleja. Esta llamada señal de eco también es guiada a lo largo de la varilla de vuelta a la electrónica, reconocida por ésta y convertida en una indicación de nivel mediante una medición del tiempo de recorrido. El tiempo de tránsito “t” es la diferencia de tiempo entre el impulso emitido y la señal de eco recibida. Dado que la velocidad de propagación de una onda electromagnética en el aire puede equipararse a la velocidad de la luz “c” puede calcularse mediante una sencilla relación se puede calcular la distancia “D” a la superficie del medio. A continuación, se determina el nivel de llenado introduciendo la altura del recipiente.
¿Por qué la tecnología de radar guiado es tan adecuada para la medición de nivel?
Sin embargo, el principio básico, que es fácil de entender, se enfrenta a retos mucho mayores en la práctica industrial. Los gases y vapores superpuestos, las fluctuaciones de temperatura y presión, los movimientos superficiales del medio, así como la fuerte generación de polvo son problemas típicos que pueden dificultar la determinación precisa y fiable del nivel. Incluso en estas difíciles condiciones, los sensores TDR funcionan de forma fiable y con gran precisión.
La velocidad de propagación y su importancia para la detección de nivel
Un factor decisivo para la precisión de un sensor de radar es, además de la medición exacta de la duración de la ejecución, la velocidad de propagación de las microondas. Esto depende a su vez de la constante dieléctrica del medio portador. Los medidores de nivel radar suelen calibrarse en el medio portador aire, que por definición tiene un valor DK de aproximadamente 1. Este valor cambia ligeramente debido a los gases y vapores que pueden formarse por encima del medio real. Sin embargo, el cambio sólo tiene una influencia marginal en la velocidad de propagación de las microondas. Por lo tanto, la precisión del sensor de radar no se ve afectada. La situación es similar para los cambios de temperatura y presión.
Por ejemplo, una Temperatura de 2000°C (3632°F) da lugar a una desviación de precisión de sólo el 0,026%. Incluso presiones de hasta 40 bar / 580 psig no tienen ningún efecto perceptible sobre la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas, lo que garantiza una medición precisa y fiable también en este caso. Esta insensibilidad a una amplia gama de retos de proceso convierte a los sensores TDR en un todoterreno universal en multitud de aplicaciones.
La gama de configuraciones abarca desde sólidos y líquidos hasta aplicaciones de alta presión y temperatura. Las capas de interfase también pueden medirse fácilmente con estos sensores. En el campo de la tecnología TDR, UWT ofrece una amplia gama de versiones que proporcionan la solución ideal para cada aplicación y combinan funcionalidad y rentabilidad.
La pregunta sobre la frecuencia adecuada
Con los medidores de nivel por radar, siempre se plantea la cuestión de la frecuencia. Mientras que los sensores de radar de radiación libre operan a altas frecuencias, actualmente de hasta 130GHz, la tecnología de microondas guiadas utiliza una frecuencia comparativamente baja, de 1 GHz. Hay argumentos a favor de los radares de alta y baja frecuencia. En general, las bajas frecuencias son mucho menos susceptibles a las interferencias relacionadas con el proceso, como la acumulación, el condensado, el polvo, el vapor o la espuma.
Todas estas interferencias tienen algo en común: atenúan las ondas electromagnéticas emitidas, debilitando así la señal, lo que en última instancia puede dar lugar a resultados de medición erróneos. Esta atenuación de la señal es mucho menos pronunciada con los sensores TDR de baja frecuencia. Por ello, estos sensores se utilizan con gran éxito para mediciones de determinados medios específicos de la industria, en calderas de vapor o en procesos de interfase.
¿Cómo superan los sensores TDR los retos de las aplicaciones de sólidos?
Los retos del sector de los sólidos son muchos y variados. Los silos altos y estrechos y las grandes distancias de medición, los conos de descarga, las acumulaciones, el polvo, los materiales con valores DK bajos, así como las elevadas fuerzas mecánicas de tracción plantean retos particulares a la tecnología de medición. Los sensores TDR demuestran ser auténticas robustas soluciones.
POLVO Si es un poco más desafiante…
Un fastidioso problema cotidiano: ¡el polvo! Un compañero familiar también en aplicaciones de materiales sólidos. En este caso, sin embargo, no se trata tanto de polvo doméstico, sino de la formación de polvo relacionada con el proceso, por ejemplo, durante un proceso de llenado. Sin embargo, los sensores TDR no se dejan impresionar por ello. Los impulsos de microondas de baja frecuencia apenas se ven afectados por el fuerte desarrollo de polvo. Esto garantiza un resultado de medición fiable.
ADHERENCIA Si es un poco más desafiante…
El cemento o la harina son ejemplos clásicos de cómo a veces pueden producirse acumulaciones en las piezas que entran en contacto con el proceso en aplicaciones sólidas. En los sensores TDR, una de esas piezas en contacto con el proceso es la sonda. Se utiliza una varilla o un cable. Las superficies respectivas están diseñadas para minimizar la acumulación de producto. Además, las respectivas variantes de cuerda pueden recubrirse con un Revestimiento PA. Incluso si se produce alguna acumulación, los sensores TDR proporcionan resultados de medición fiables debido a la baja atenuación de la señal.
BAJOS VALORES DK Si es un poco más desafiante…
Una cuestión que siempre se plantea cuando se quiere determinar un nivel con tecnología de radar es el valor dieléctrico del medio. Cuanto mayor sea el valor DK, más energía reflejará el medio. En consecuencia, la amplitud de la señal de eco será mayor, lo que aumenta la fiabilidad de la medición. Si el valor DK es bajo, se refleja poca energía y la mayor parte de la energía se irradia a través del medio hasta el extremo de la sonda.
El final de la sonda se reconoce como un descenso negativo en la curva del eco, a menos que la señal ya se haya atenuado completamente con anterioridad. Los valores DK bajos (entre 1,3 y 5) suelen ser característicos de los sólidos. El resultado son débiles señales de eco, lo que plantea retos especiales para los sensores TDR. El valor 1,5 se especifica como límite en muchas fichas técnicas. Los medios con valores DK más bajos no reflejan la cantidad de energía necesaria para el análisis de eco directo.
Si el valor cae por debajo del límite se utiliza otra característica física de la tecnología de radar: la relación entre la velocidad de propagación y el medio portador. La velocidad de propagación de los impulsos de microondas emitidos depende del medio portador y de su valor DK. En el aire, con un valor DK de aproximadamente 1, las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz. Como ya se ha mencionado, una gran parte de la energía de microondas penetra en materiales con un valor DK bajo. La microonda sigue propagándose en el medio, pero aquí a una velocidad de propagación menor. Este efecto se utiliza para determinar el nivel de materiales con un valor DK muy bajo de forma indirecta a través de la proyección del extremo de la sonda.
PROYECCIÓN DEL EXTREMO DE LA SONDA Si algo se pierde…
Si se comparan las curvas de eco de un contenedor vacío y uno lleno, se aprecia una segunda diferencia, además de la amplitud del eco de nivel. La señal del extremo de la sonda aparece más lejos en un recipiente lleno de material que en recipientes vacíos. Esto muestra la dependencia de la velocidad de propagación y del medio portador. Mientras que en un recipiente vacío las microondas siempre pueden propagarse en el espacio libre hasta el extremo de la sonda, en un recipiente lleno deben penetrar en el medio para alcanzar el extremo de la sonda. En el interior del medio, la velocidad de propagación de la onda electromagnética se reduce. Esto hace que el extremo de la sonda parezca estar más lejos de lo que realmente está.
El software de procesamiento de ecos utiliza este efecto para la determinación indirecta del nivel. Se utiliza cuando la cantidad de energía reflejada por el producto no es suficiente para la evaluación directa de la señal de eco. Esto significa que el nivel puede determinarse incluso si el valor DK cae por debajo del límite crítico de 1,5. La proyección del extremo de la sonda ofrece una segunda ventaja útil que entra en juego durante la puesta en servicio. A menudo, las sondas de varilla o de cable se piden en longitudes estándar, de modo que en realidad son demasiado largas para la aplicación. En tal caso, pueden acortarse fácilmente y su nueva longitud se determina automáticamente con ayuda de la señal del extremo de la sonda. Esto suele hacerse con un clic en el módulo operativo.
CONO DE DESCARGA Si es un poco más empinado…
Los conos de descarga son un fenómeno bien conocido en las aplicaciones de materiales a granel. Se forman durante los procesos de llenado y vaciado. Debido a la forma cónica de la superficie, pueden producirse pérdidas de señal y errores de medición. Aquí es donde los sensores TDR ofrecen una ventaja decisiva. Como las microondas son guiadas a lo largo de la sonda, se excluye la pérdida de señal debida a las señales que se reflejan. Esto también simplifica el análisis del eco. Además, debido a la baja frecuencia, las ondas emitidas tienen longitudes de onda relativamente largas (30 cm) cuyo comportamiento de reflexión depende menos de la forma de la superficie del material.
ALTA TRACCIÓN Si es un poco más pesado…
Cuanto mayor sea el silo, mayores serán las fuerzas que actúen sobre el cable. La fuerza de tracción viene determinada por la altura del silo, su diámetro y el peso a granel. El diseño del acoplamiento, especialmente adaptado al sector de los materiales a granel, en combinación con un cable de acero estable, hace que los sensores TDR sean especialmente resistentes. Esto significa que pueden actuar sobre el cable fuerzas de tracción de hasta 30 kN. Por tanto, la rotura de la cuerda es imposible. Se ofrece una segunda variante de diseño económico (carga de tracción de 12 kN) para aplicaciones con requisitos de estabilidad menos estrictos.
ALTOS SILOS Si está un poco más alto…
Con una longitud máxima de cable de hasta 75 metros los sensores TDR también son adecuados para su uso en silos altos. Dado que los impulsos de microondas emitidos se amortiguan menos debido a su baja frecuencia (1GHz), proporcionan una señal de medición suficientemente grande incluso a grandes distancias de medición
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