SENSOR DE NIVEL DE SÓLIDOS POR RADAR

Introducción

La medición del nivel y volumen de sólidos granulados y polvos en tanques de almacenaje es más compleja que la medición de nivel de líquidos, y el desafío principal es la naturaleza irregular y cambiante de la superficie del producto.

Al determinar el nivel del líquido, solo existe la necesidad de medir un punto en la superficie, porque el nivel en esa ubicación será el mismo que en cualquier otro punto dentro del recipiente. Sin embargo, no ocurre lo mismo con las aplicaciones de sólidos, donde la superficie del material rara vez es plana. En cambio, la superficie consiste en una multitud de picos y valles que cambian constantemente a medida que el recipiente se llena y se vacía. La diferencia entre el nivel de un pico y un valle puede ser muy grande.

Por otra parte, las partículas de los materiales también pueden variar desde polvos muy finos hasta rocas grandes. Y estas variaciones también pueden tener un efecto en la efectividad de los dispositivos de medición. Además, dado que los sólidos son materiales secos, normalmente hay polvo en la superficie de ellos, especialmente durante el llenado. Este ambiente polvoriento puede causar problemas con diferentes tecnologías de medición. Y el polvo mezclado con humedad puede crear acumulación en la superficie de los instrumentos de medición.

Por muchos años se han utilizado métodos mecánicos, como la plomada, para la medición de nivel de sólidos.

   

Figura 1. Plomada

Estos dispositivos bajan un peso en la superficie del material. Al medir la longitud del cable requerido para que el peso toque la superficie, se puede determinar el nivel del material. Sin embargo, estos sistemas requieren mantenimiento regular, poniendo al personal en riesgo al exponerse a condiciones peligrosas en silos altos, y tienen limitaciones en términos de precisión, confiabilidad y repetibilidad de la medición.  Además, el peso puede continuar moviéndose más allá de la superficie, por lo que no obtiene una medición precisa del punto.

Métodos de medición

Algunas de las tecnologías más comunes para la medición de nivel sólidos incluyen:

• Radar sin contacto
•  Radar guiado
• Ultrasonidos
• Celdas de carga
• Escáner de sólidos 3D con matriz en fases acústicas

Aunque la medición por ultrasonidos y mediante celdas de carga se han utilizado tradicionalmente para la medición de sólidos, los ultrasonidos pueden tener problemas con el polvo y las células de carga necesitan una calibración regular y tienen limitaciones para los tamaños de los recipientes. El radar sin contacto, el radar de onda guiada y el escáner de sólidos 3D son tecnologías más nuevas y tienen bastantes ventajas para la medición de sólidos, aunque la selección de la tecnología apropiada depende de la aplicación.

Las aplicaciones de medición de sólidos se pueden dividir en dos tipos principales:

1.  Medición de nivel continuo en recipientes pequeños utilizados en el proceso de producción.
2. Medición de volumen en tanques o almacenes más grandes utilizados en el proceso de producción o para el almacenamiento a granel, que a menudo está relacionado con una demanda de control de inventario.

Transmisores de nivel por radar de onda guiada

Los transmisores de nivel por radar guiado proporcionan mediciones continuas de nivel, basándose en la tecnología de las microondas. Pulsos de microondas de baja energía son enviados a lo largo de la sonda, y cuando el pulso llega a la superficie del producto, las microondas son reflejadas desde la superficie del material hacia el transmisor. La diferencia de tiempo entre el pulso generado y el reflejado se convierte en una distancia a partir de la cual se calcula el nivel total o el nivel de la interfaz. 

Figura 2. Transmisor de nivel por radar guiado.

Si la constante dieléctrica del producto es baja, un porcentaje del pulso emitido continua por la sonda, lo cual permite detectar el final de la sonda.

Los transmisores de nivel por radar guiado, tales como el Rosemount Serie 5300, son especialmente adecuados para recipientes pequeños, con un diámetro menor a 10 m, que contienen polvos y pequeños materiales granulares, y donde el área de instalación está restringida. Estos dispositivos pueden usar la funcionalidad de proyección del final de sonda para permitir mediciones cuando el pulso de la superficie es demasiado débil para ser detectado. Se recomienda esta función para sólidos con una constante dieléctrica igual o menor a 2 (por ejemplo, perlita o pellets de plástico).

En aplicaciones con sólidos, el producto puede causar fuerzas descendentes considerables provocadas por el medio en los techos de los silos, por lo que el techo debe soportar la carga de tensión máxima de la sonda. La carga de tensión depende del tamaño del silo, de la densidad del material y del coeficiente de fricción. Las fuerzas aumentan con la longitud enterrada, el silo y el diámetro de la sonda. Para estos casos se recomienda la sonda con cable individual flexible.

Figura 3. Fuerza descendente sobre la sonda del transmisor de nivel por radar 

Transmisores de nivel por radar sin contacto 

Los transmisores de nivel de radar sin contacto también proporcionan mediciones continuas de nivel; pero, no hay contacto con la superficie del material. Para este método se utilizan alguna de estas dos:

técnicas para realizar la medición:

• de radar de pulso o 
• de radar de onda continua modulada en frecuencia (FMCW)

Los dispositivos de radar FMCW pueden mejorar la medición de sólidos en comparación con los radar de pulsos, porque envían continuamente energía de microondas, lo que significa que la cantidad total de energía enviada a la superficie será mucho mayor. En la practica, esto significa que los transmisores FMCW son mucho mejores que los dispositivos de impulsos para determinar los ecos débiles dentro de un entorno ruidoso. Los dispostivos FMCW también tienen una resolución mucho más alta que los radares de pulso.   

En los dispositivos FMCW, como el radar sin contacto de Rosemount 5408 de Emerson, el dispositivo transmite un barrido de señal continuo con una frecuencia en constante cambio. La frecuencia de la señal reflejada se compara con la frecuencia de la señal transmitida en ese momento. La diferencia entre estas frecuencias es proporcional a la distancia desde el radar a la superficie, lo que permite medir el nivel. 

 

Figura 4. Transmisor de nivel de radar sin contacto

Mediante el uso de un algoritmo dedicado al cálculo de nivel sólidos, algunos transmisores radar sin contacto pueden proporcionar una alta fiabilidad incluso con cambios de nivel muy rápidos. Los dispositivos de radar sin contacto aún ven solo la porción de superficie dentro de su ángulo de haz. Al igual que el radar de onda guiada, esto los convierte en una elección adecuada para aplicaciones que utilizan recipientes o silos más pequeños, donde es posible realizar movimientos rápidos, pero pocas veces se necesitan mediciones de volumen precisas.

A diferencia del transmisor de radar de onda guiada, no hay restricciones con respecto al peso del material y fuerzas descendentes. El Rosemount 5408 tiene una mayor eficiencia energética, y en consecuencia requiere solo dos cables para poder y comunicación. Esto permite a los usuarios beneficiarse de la superior precisión y sensibilidad de la tecnología FMCW sin la necesidad de instalar una infraestructura de cableado adicional. 

Fuentes de informacion:

Este articulo esta basado en la informacion presentada en el documento electronico 00870-0300-4530, Rev AA, Enero 2018 de Rosemount Emerson "Selecting the Right Technology to Measure the Level and Volume of Bulk Solids".