Sensores ultrasónicos para la medición del nivel: Aplicaciones y guía de selección

Los sensores de nivel ultrasónico se utilizan ampliamente para la medición del nivel industrial no contacto, especialmente en tanques abiertos, cuencas de aguas residuales, tanques de agua, pozos húmedos y algunos buques de almacenamiento atmosféricos. Determinan el nivel midiendo el tiempo de viaje de ida y vuelta de un pulso ultrasónico entre el sensor y la superficie líquida. La tecnología ofrece una instalación relativamente simple y un coste competitivo del sistema, pero su rendimiento depende en gran medida de las condiciones en el espacio de gas entre el sensor y el líquido.

1. ¿Cómo funciona un sensor de nivel ultrasónico?

Sendero de señalización

Sensor transmite un pulso ultrasónico → El sonido viaja a la superficie líquida → La superficie refleja la señal → El sensor recibe el eco que regresa.

Cálculo de distancia

Distancia D = c × t / 2, donde c es la velocidad de sonido en el gas y t es el tiempo de viaje de ida y vuelta.

Una vez que se conoce la distancia sensor-superficie, el transmisor la convierte en nivel líquido utilizando la distancia vacía configurada. Por ejemplo, si el sensor se instala 5 m sobre el fondo del tanque y la distancia medida a la superficie líquida es de 2 m, el nivel calculado es de aproximadamente 3 m.

Debido a la velocidad del sonido en los cambios de aire con temperatura, los transmisores ultrasónicos industriales normalmente incluyen una compensación automática de temperatura. Cerca de la temperatura ambiente normal, el cambio relativo en la velocidad del sonido es aproximadamente 0. 17% por °C, lo que hace que la compensación de temperatura sea una parte importante de la medición de nivel ultrasónico.

2. ¿Cuáles son las ventajas principales de la medición de nivel ultrasónico?

Medición de no contacto

El sensor se instala por encima del líquido y no necesita inmersión, reduciendo la exposición directa a la corrosión, contaminación y escala.

Instalación relativamente simple

Para tanques de agua, cuencas, pozos húmedos y muchas otras aplicaciones, se puede utilizar el montaje en rodajas, brida o soporte.

Mantenimiento mecánico bajo

No hay flotadores, barras guía u otros componentes móviles en contacto con el líquido.

Costo-efectivo para aplicaciones convencionales

Para la medición a nivel de agua en la atmósfera, la tecnología ultrasónica puede proporcionar un monitoreo continuo a un costo global competitivo.

Independiente de Densidad Líquida

El instrumento mide la distancia superficial, por lo que los cambios en la densidad líquida no producen directamente el mismo error de nivel asociado con la medición hidrostática.

Bien adaptado a aplicaciones de agua

Las aplicaciones típicas incluyen tanques de agua, cuencas de aguas residuales, pozos húmedos, canales abiertos, embalses y estaciones de bombeo.

3. ¿Cuáles son las principales limitaciones de los sensores de nivel ultrasónico?

La principal limitación es queLa energía ultrasónica debe viajar a través del espacio de gas entre el sensor y la superficie líquida. Los cambios en este espacio pueden afectar la velocidad del sonido, la atenuación y la fuerza del eco.

Bloqueo de distancia

Existe una zona cercana al campo donde no es posible medir de forma fiable. La distancia necesaria depende del diseño, rango y modelo de sensores.

Efectos de temperatura

La temperatura del aire cambia la velocidad del sonido. La compensación automática reduce este efecto, pero los gradientes de temperatura fuerte todavía pueden introducir error.

Espuma

Una capa de espuma gruesa y suelta puede absorber energía ultrasónica y debilitar significativamente el eco de la superficie líquida real.

Composición de vapor y gas

Los cambios en la composición del gas o la concentración de vapor pueden cambiar la velocidad del sonido y por lo tanto requieren una evaluación cuidadosa de la aplicación.

polvo

El polvo aerotransportado pesado puede dispersar o atenuar la energía acústica, haciendo que el radar valga la pena evaluar para aplicaciones de sólidos difíciles.

Vacuo

Las ondas ultrasónicas requieren un medio de gas para la propagación, por lo que los sensores de nivel ultrasónico estándar no son adecuados para buques casi vacíos.

4. ¿Cuál es la distancia de bloqueo de un sensor de nivel ultrasónico?

Después de que un transductor ultrasónico envía un pulso, el transductor continúa vibrando durante un corto período antes de que pueda recibir fiablemente un eco cercano. La región cercana al sensor donde no se puede garantizar la medición válida se llama normalmentebloqueo de distancia, zona muerta o distancia en blanco cerca del campo.

No hay distancia universal de bloqueo para todos los instrumentos ultrasónicos. Los sensores industriales compactos pueden tener distancias de bloqueo de varias decenas de centímetros, mientras que los transductores de largo alcance pueden requerir una distancia mayor.

Regla de selección:El nivel máximo de líquido debe permanecer por debajo de la distancia de bloqueo especificada del sensor seleccionado, con un margen de seguridad adecuado.

5. ¿Por qué la temperatura afecta la medición de nivel ultrasónico?

Los instrumentos ultrasónicos calculan la distancia de la velocidad del sonido y el tiempo de viaje. Debido a la velocidad del sonido en los cambios de aire con temperatura, los instrumentos industriales utilizan normalmente un sensor de temperatura integrado para compensar el cálculo de distancia automáticamente.

La compensación de temperatura no elimina todos los errores relacionados con la temperatura. Por ejemplo, el aire cerca de un sensor montado sobre un tanque exterior puede ser mucho más cálido que el aire cerca de la superficie líquida. Esto crea un gradiente de temperatura a lo largo del camino acústico, mientras que el instrumento normalmente mide la temperatura sólo cerca del transductor.

Por lo tanto, las instalaciones exteriores deben considerar la protección solar, ventilación, condensación y el ambiente de temperatura real alrededor del sensor.

6. Ultrasonic vs. Medición del nivel de radar

7. ¿Cuándo debería evaluarse el ultrasónico o el radar primero?

Evaluar Ultrasonic First

Tanques abiertos o semiabiertos
nbsp; nbsp; Tanques de agua potable
nbsp; nbsp; cuencas de aguas residuales y pozos húmedos
nbsp; nbsp; Espuma limitada y vapor
nbsp; nbsp; Presión atmosférica
nbsp; nbsp; Requisitos de precisión moderados
nbsp; nbsp; Proyectos sensibles a los costos

Evaluar Radar First

Cambios significativos de composición de vapor o gas
nbsp; nbsp; Alta temperatura, alta presión o vacío
nbsp; nbsp; Rango de medición largo
nbsp; nbsp; Estructuras internas complejas
nbsp; nbsp; Polvo pesado en aplicaciones de sólidos
nbsp; nbsp; Medición de nivel sólido
nbsp; nbsp; Mayores requisitos de estabilidad a largo plazo

Estos son puntos de partida de ingeniería más que reglas absolutas. Por ejemplo, la medición ultrasónica puede funcionar en algunos vasos atmosféricos cerrados o de baja presión cuando la composición del gas es estable. Asimismo, el rendimiento de radar en espuma debe ser evaluado según la estructura de espuma y las propiedades dieléctricas del medio de proceso.

8. Proceso de selección de sensores de nivel ultrasónico

1. Confirmar rango de medición

Determinar la distancia máxima del sensor al nivel líquido más bajo, no sólo la profundidad del tanque.

2. Compruebe el nivel máximo

Asegúrese de que el nivel máximo no introduzca la distancia de bloqueo del sensor.

3. Evaluar la superficie

Compruebe la espuma, la turbulencia, la aeración o el flujo de entrada de alta velocidad.

4. Evaluar el Espacio de Gas

Compruebe el vapor, los gases volátiles o las variaciones de temperatura significativas.

5. Confirmación

Seleccione 4-20 mA, RS485 Modbus, u otra interfaz según el PLC, RTU o sistema de monitoreo.

6. Compare Radar si es necesario

Si la aplicación está cerca de los límites operativos de medición ultrasónica, compare el rendimiento del radar y el coste total del ciclo de vida.

9. Aplicaciones típicas

Agua residual

Pozos húmedos, asentamientos de cuencas, tanques de aguas residuales y estaciones de bombeo.

Almacenamiento de agua limpia

Depósitos de agua, tanques de agua de fuego, tanques de agua de lluvia y depósitos generales.

Hidrología y Gestión del Agua.

Canales, embalses y otras aplicaciones de monitoreo de nivel abierto.

Tanques de agua industrial

Tanques de agua de proceso atmosféricos, tanques de circulación y sistemas de control de nivel.

10. Directrices de instalación

11. ¿Qué información se requiere para la selección?

Condiciones de medición

Nombre medio
Distancia máxima de medición
Nivel máximo de líquido
Turbulencia superficial

Process Environment

Gama de temperatura
Presión
Espuma
Gases de vapor o especiales

Instalación

Dimensiones de tanque o cuenca
Posición de montaje
Tamaño de conexión
Ubicación interior o exterior

Requisitos eléctricos

Suministro de energía
4 a 20 mA
RS485 Modbus
Necesidades de zona peligrosa o recinto

FAQ: Medición de nivel ultrasónico

1. ¿Cuál es la distancia típica de bloqueo de un sensor de nivel ultrasónico?

No hay valor universal. Dependiendo del rango de diseño y medición del sensor, la distancia de bloqueo puede ser de varias decenas de centímetros o más. Utilice siempre el valor especificado para el modelo seleccionado.

2. ¿Pueden los sensores ultrasónicos medir aguas residuales con espuma?

Depende de la espuma. Una pequeña cantidad de espuma húmeda todavía puede permitir la medición, mientras que una capa de espuma persistente gruesa y suelta puede atenuar fuertemente la señal acústica. El radar también debe evaluarse en aplicaciones de espuma difíciles.

3. ¿La variación de temperatura grande afecta la medición ultrasónica?

Sí. Los instrumentos industriales normalmente proporcionan una compensación automática de temperatura, pero los gradientes fuertes de temperatura a lo largo de la trayectoria del sonido todavía pueden introducir errores adicionales.

4. ¿El radar es más preciso que el ultrasonido?

La precisión debe compararse utilizando modelos de instrumentos específicos. El radar de alto rendimiento puede proporcionar medición de milímetro, mientras que también están disponibles instrumentos ultrasónicos de alta precisión. Radar generalmente tiene un sobre operativo más amplio en aplicaciones difíciles de vapor, temperatura, presión o de largo alcance.

5. ¿Es ultrasónico una buena opción para un tanque de agua limpia abierta?

Sí. Para tanques atmosféricos con espuma limitada, rango de medición moderado y condiciones ambientales relativamente estables, la medición ultrasónica es a menudo una opción económica y práctica.

6. ¿Por qué fluctua una lectura de nivel ultrasónico?

Las causas comunes incluyen espuma, turbulencia de superficie fuerte, vapor, gradientes de temperatura, condensación en el sensor, alineación incorrecta del sensor, o falsos ecos de estructuras cercanas.

7. ¿Hay una distancia mínima de instalación?

Sí. El nivel máximo de líquido debe permanecer fuera de la distancia de bloqueo especificada del instrumento, de lo contrario, la medición cerca del campo puede ser poco fiable.

8. ¿Pueden utilizarse sensores ultrasónicos en tanques cerrados?

Se pueden utilizar en algunos vasos cerrados atmosféricos o de baja presión cuando la composición del gas es estable. Para la alta presión, el vacío, el vapor pesado o el cambio de la composición del gas, el radar u otra tecnología debe ser evaluado.

9. ¿Un sensor de nivel ultrasónico requiere mantenimiento frecuente?

El mantenimiento es generalmente bajo, pero la cara sensor debe ser inspeccionada periódicamente por condensación, depósitos o hielo, y la compensación de instalación y temperatura debe permanecer en condiciones normales.

10. ¿Qué información necesita METRAVON para comparar la medición de nivel ultrasónico y radar?

Proporcione el medio, distancia de medición, dimensiones de tanque o cuenca, temperatura, presión, espuma, condiciones de vapor, posición de montaje y señal de salida requerida. Estos parámetros pueden utilizarse para determinar si el ultrasonido o el radar es más adecuado.

Conclusión

Las principales ventajas de los sensores de nivel ultrasónico sonmedición sin contacto, instalación sencilla, mantenimiento relativamente bajo y coste global competitivo. Son especialmente adecuados para tanques de agua potable, cuencas de aguas residuales, pozos húmedos, sistemas de almacenamiento de agua y muchas aplicaciones de monitoreo de aguas abiertas.

Sus principales limitaciones están asociadas con las condiciones de propagación acústica, incluyendobloqueo de distancia, variación de temperatura, espuma, vapor, polvo y cambios en la composición del gas. Cuando la aplicación implica condiciones de vapor difíciles, alta temperatura o presión, vacío, largo rango de medición, polvo pesado o mayores requisitos de estabilidad, también se debe evaluar la medición del nivel de radar.

METRAVON puede comparar la medición de nivel ultrasónico y radar según el medio de proceso, rango de medición, temperatura, presión, dimensiones de los buques y condiciones de instalación para ayudar a determinar la tecnología de medición adecuada para cada proyecto.