Transmisores de nivel ultrasónicos o por radar: principios, aplicaciones y guía de selección

Los transmisores de nivel ultrasónicos y de radar son tecnologías sin contacto ampliamente utilizadas para la medición continua del nivel de líquidos y de sólidos en estado granular. Ambos determinan la distancia entre el sensor y la superficie del material, pero emplean tipos distintos de señales, por lo que su comportamiento varía según cambios en temperatura, presión, vapor, espuma, polvo y condiciones del proceso.

Los instrumentos ultrasónicos emplean ondas acústicas, mientras que los instrumentos de radar utilizan ondas electromagnéticas. Esta diferencia en el principio de medición es la razón principal por la que ambas tecnologías presentan límites de aplicación distintos. La selección debe basarse en el entorno del proceso, la precisión requerida, las condiciones de instalación y el costo total del proyecto.

1. ¿Cómo funciona un transmisor de nivel ultrasónico?

Se instala un transmisor de nivel ultrasónico sobre la superficie del material, el cual emite un pulso acústico hacia el líquido o el sólido. Este pulso se refleja en la superficie y es nuevamente captado por el transductor.

El instrumento calcula la distancia a partir del tiempo de ida y vuelta:

Distancia = Velocidad del sonido × Tiempo de ida y vuelta ÷ 2

Cuando se conoce la altura de referencia de la instalación, el nivel real puede calcularse según la siguiente fórmula:

Nivel = Altura de referencia − Distancia medida

Dado que la onda sonora se propaga a través del espacio gaseoso entre el sensor y la superficie del material, variaciones en la temperatura del aire, la composición del gas o la presencia de vapor,La espuma y un flujo de aire eficiente pueden afectar tanto a la propagación del sonido como a la calidad del eco. Por este motivo, los transmisores ultrasónicos industriales suelen emplear compensación térmica para reducir los errores derivados de la variación de temperatura.

2. ¿Cómo funciona un transmisor de nivel por radar?

Un transmisor de nivel por radar emite ondas electromagnéticas de alta frecuencia desde una antena hacia la superficie del material. Estas ondas se reflejan en el líquido o sólido y son recibidas nuevamente por la antena.

El instrumento determina la distancia a partir del tiempo de propagación de la señal o, en el caso del radar FMCW, a partir de la diferencia de frecuencia entre la señal transmitida y la señal reflejada.La distancia medida se convierte entonces en el nivel real.

El radar no depende de la velocidad del sonido en el aire y puede operar en condiciones de vacío. Por lo general, presenta menor sensibilidad ante variaciones en la temperatura del aire, la presión y el flujo de aire. El rendimiento real del radar se ve más influenciado por sus propiedades dieléctricas, el diseño de la antena, la espuma, la condensación, el polvo y la geometría de instalación.

3.Diferencias principales entre la medición de nivel por ultrasonidos y la medición de nivel por radar:

– Ítem de comparación;	– Transmisor de nivel por ultrasonidos;	– Transmisor de nivel por radar;
– Señal de medición;	– Onda acústica de alta frecuencia;	– Onda electromagnética / microondas;
– Método de medición;	– Sin contacto;	– Sin contacto;
– Cambios de temperatura	La velocidad del sonido varía con la temperatura, por lo que normalmente se requiere una compensación.	En general, es menos sensible a las variaciones de temperatura del aire.
Presión de proceso.	Se utiliza con mayor frecuencia a presión atmosférica o bajo presión limitada.dependiendo del modelo:	—Las versiones industriales están disponibles para aplicaciones de vacío y de presión más elevada;
—Condiciones de vapor y gas;	—Un vapor intenso o una variación en la composición del gas pueden afectar la propagación;	—En general, es adecuado para un rango más amplio de condiciones en fase gaseosa;
—Espuma;	—La espuma espesa puede atenuar significativamente el eco acústico;	—También puede verse afectada por la espuma.dependiendo de las propiedades de la espuma y del tipo de radar
– Polvo	El polvo en alta concentración puede atenuar la señal acústica.	Suelen ser más adecuados para aplicaciones en medios sólidos polvosos.
Sistema de vacío.	No es adecuado, ya que las ondas acústicas requieren un medio de propagación.	Es adecuado.
El medio de propagación es fundamental.	La condición de la superficie y las propiedades del espacio gaseoso son importantes.	Las propiedades dieléctricas y la reflectividad del eco también son cruciales.
Posición típica en cuanto al costo.	Suelen ser económicamente ventajosos.Para aplicaciones convencionales de nivel de agua:	El costo depende de la frecuencia, el rango, la temperatura, la presión, la certificación y la configuración de la interfaz.

4. ¿Se limita la medición ultrasónica únicamente a condiciones atmosféricas?

El rango operativo de un transmisor de nivel ultrasónico depende del producto específico. Los instrumentos industriales están disponibles con diferentes especificaciones de temperatura de proceso, temperatura ambiente y presión, por lo que la medición ultrasónica no se limita exclusivamente a tanques abiertos y completamente no presurizados.

No obstante, las ondas ultrasónicas deben propagarse a través del espacio gaseoso situado sobre el material. Altas temperaturas, mayor presión, vapor denso, composición gaseosa inusual o gradientes térmicos pronunciados pueden hacer que el entorno de medición sea más exigente. Estas condiciones deben evaluarse en función de las especificaciones del transductor y del instrumento seleccionados.

5. ¿Puede el radar sustituir a la tecnología ultrasónica en todas las aplicaciones?

El radar y la medición ultrasónica cubren rangos de aplicación que se superponen, aunque difieren. El radar ofrece generalmente un rango operativo más amplio en procesos industriales exigentes —como aquellos que operan a altas temperaturas, bajo presión, en vacío, con alta concentración de vapor—, mientras que la medición ultrasónica sigue siendo una solución consolidada y económica para numerosos tanques de agua, recintos de aguas residuales, canales abiertos y aplicaciones atmosféricas convencionales.

La tecnología final debe seleccionarse en función de las condiciones del proceso, el rendimiento de medición requerido, los requisitos de instalación y el costo del proyecto, en lugar de considerar una tecnología como un sustituto universal de la otra.

6. ¿Cuál es la tecnología más adecuada cuando se presenta espuma?

La presencia de espuma representa un desafío para ambas tecnologías. Una capa gruesa de espuma puede absorber energía ultrasónica y reducir significativamente el eco real entre el líquido y la superficie.El radar también puede atenuarse o reflejarse por la espuma, dependiendo del espesor de la espuma, su contenido de agua, la estructura de sus burbujas, las propiedades del medio y la frecuencia de operación.

Una espuma leve o intermitente aún puede permitir mediciones fiables con cualquiera de las dos tecnologías. Por el contrario, una espuma densa y persistente podría requerir una comparación más detallada entre el radar sin contacto, el radar de ondas guiadas, la medición basada en presión o alguna otra tecnología adecuada.

7. ¿Qué tecnología es más adecuada para silos de sólidos en granel con polvo?

Tanto las tecnologías ultrasónicas como las de radar pueden utilizarse en aplicaciones seleccionadas con materiales en estado sólido, aunque la presencia de polvo, superficies de material inclinadas y la dispersión acústica pueden reducir el rango de funcionamiento de los instrumentos ultrasónicos.

Radar de alta frecuencia, especialmente 80GHz El radar emite un haz estrecho que puede ayudar a evitar las paredes de los silos, los pasillos y las estructuras internas. Por este motivo, se utiliza ampliamente en silos de cemento, granos, minerales, carbón y materias primas químicas.

La selección debe tener en cuenta la concentración de polvo, la altura del silo, el ángulo entre el material y la superficie, las propiedades dieléctricas y la posición de montaje disponible.

8. ¿Qué tecnología ofrece una mayor precisión?

La precisión de una medición no puede determinarse únicamente por el uso de términos como «radar» o «ultrasonico». Los distintos instrumentos presentan diferentes clases de precisión, rangos de medición, capacidad de procesamiento de señales y límites de aplicación. Asimismo, la calidad de la instalación y las condiciones del proceso también influyen en el rendimiento real en campo.

El radar suele ofrecer mediciones estables en un amplio rango de condiciones de temperatura, presión y vapor, lo que proporciona más opciones de productos para aplicaciones exigentes de control de procesos y almacenamiento. En aplicaciones convencionales de nivel de agua donde se requiere estabilidad, los instrumentos ultrasónicos también pueden ofrecer una precisión que cumple con los requisitos del proyecto.

: 9. ¿Cómo se comparan los costos?

No existe una relación de precios fija entre los transmisores de nivel de radar y los transmisores de nivel ultrasónicos. El costo del producto depende del rango de medición, del diseño radar o acústico, de la precisión, de la temperatura y presión del proceso, de la protección del armario, de la certificación para zonas peligrosas, de los materiales utilizados, de la estructura de la antena o del transductor, y de las interfaces de comunicación.

En la medición convencional del nivel de agua en entornos atmosféricos, los transmisores ultrasónicos suelen ofrecer una solución rentable. En el caso de tanques a alta temperatura o bajo presión, procesos en vacío, vapores pesados o silos polvorientos, el radar, por su mayor versatilidad de aplicación, puede cumplir mejor los requisitos técnicos.

10. ¿Qué tecnología es adecuada para diferentes aplicaciones?

Tanques y reservorios de agua

Tanto los sistemas ultrasónicos como los de radar pueden utilizarse.La selección puede basarse en el entorno, la precisión requerida y el presupuesto del proyecto.

Basenas de aguas residuales

Deben considerarse el movimiento de la espuma, el vapor y el movimiento superficial. La técnica ultrasónica es adecuada para numerosas condiciones convencionales, mientras que el radar puede evaluarse en entornos más exigentes.

Tanques a alta temperatura o presurizados

Por lo general, se evalúan primero los instrumentos de radar que presenten las especificaciones adecuadas de temperatura y presión de proceso.

recipientes bajo vacío

El radar utiliza ondas electromagnéticas y es adecuado para la medición del nivel bajo vacío.

Silos de material en granel y sólido;

Alta concentración de polvo, amplio rango de medición y geometría compleja del silo suelen favorecer el uso de radares de alta frecuencia;

Canales abiertos.

La medición ultrasónica cuenta con una larga trayectoria de aplicación y una ventaja en cuanto al costo, mientras que el radar también puede seleccionarse en función de las condiciones ambientales.

11. ¿Qué información se requiere para la selección?

Parámetro de selección	Información para confirmación
Medio de proceso	Agua, agua residual, aceite, líquido químico, suspensión, polvo o granulos
Rango de medición	Distancia máxima desde el sensor hasta el nivel más bajo previsto
Temperatura de proceso	Temperatura de operación normal, mínima y máxima
Presión de proceso	Abierto, atmosférico,Condiciones de presión positiva o de vacío:
– Estado de la superficie	Espuma, movimiento, agitación o superficie inclinada entre masa y sólido; Condiciones del espacio gaseoso
	Vapor, gases volátiles, gradientes de temperatura o polvo
Entorno de instalación	Diámetro del tanque, boquillas, vigas, agitadores y espacio de montaje disponible
Interfaz de salida:	4-20mA, HART, RS485 Modbus RTU u otra interfaz requerida;

FAQ;

Pregunta 1: ¿El radar siempre es mejor que la medición de nivel por ultrasonidos?

A1: Ambas tecnologías tienen rangos de aplicación distintos. El radar se evalúa habitualmente en condiciones exigentes de temperatura, presión, vacío, vapor y polvo, mientras que los tanques de agua, los canales abiertos y las aplicaciones atmosféricas convencionales pueden utilizar cualquiera de las dos tecnologías, según los requisitos del proyecto.

Q2: ¿Se pueden utilizar transmisores de nivel ultrasónicos en tanques presurizados?

A2: Algunos modelos seleccionados pueden operar bajo presión limitada.La presión de proceso admisible depende de la construcción del transductor y del instrumento. Los recipientes de mayor presión suelen requerir la evaluación mediante radar o otra tecnología adecuada.

Pregunta 3: ¿Se ve afectado el radar por la espuma?

R: Sí. El efecto depende del espesor de la espuma, del contenido de agua, de la estructura de las burbujas, de la frecuencia del radar y de las propiedades del medio de procesamiento. En el caso de una espuma densa y persistente, debe evaluarse de forma específica.

Pregunta 4: ¿Por qué la medición ultrasónica requiere compensación de temperatura?

R: La velocidad del sonido en el aire varía según la temperatura. La compensación de temperatura corrige el cálculo de la velocidad del sonido y reduce el error de distancia asociado a la temperatura.

Q5: ¿Puede el radar funcionar en un vacío?

A5: Sí. El radar utiliza ondas electromagnéticas y no requiere aire como medio de propagación. El instrumento seleccionado debe cumplir, no obstante, las especificaciones requeridas de temperatura de proceso, presión y características mecánicas.

Q6: ¿Deberían medirse los sólidos en estado bulk mediante tecnología ultrasónica o radar?

A6: Ambas tecnologías pueden utilizarse para ciertos tipos de sólidos.En aplicaciones de silos con alta carga de polvo, de largo alcance o complejas, suele preferirse el radar de alta frecuencia; por otro lado, en aplicaciones más simples de corto alcance también puede emplearse la medición ultrasónica.

Pregunta 7: ¿Un transmisor de nivel por radar siempre tiene un precio el doble que un transmisor ultrasónico?

A7: No. No existe una relación de precios fija. El costo depende del rango de medición, la frecuencia, la precisión, los materiales, la clasificación de temperatura y presión, la protección, la certificación y las interfaces de comunicación.

Q8: ¿Ambas tecnologías pueden conectarse a un PLC?

A8: Sí. Dependiendo del instrumento, pueden utilizarse interfaces como 4-20mA, RS485 Modbus RTU y HART para la integración con PLCs, DCS, RTUs y sistemas de adquisición de datos.

Conclusión

La principal diferencia entre los transmisores de nivel ultrasónicos y los transmisores de nivel por radar radica en el tipo de señal de medición. Los instrumentos ultrasónicos emplean ondas acústicas, por lo que la temperatura del espacio gaseoso, su composición, así como la presencia de vapor y espuma, pueden afectar a la propagación de dichas ondas. Por su parte, el radar utiliza ondas electromagnéticas y, en general, ofrece un rango operativo más amplio bajo condiciones de vacío, así como ante variaciones de temperatura y presión.

El radar no está destinado a sustituir todas las aplicaciones ultrasónicas, y la tecnología ultrasónica no se limita exclusivamente a tanques completamente abiertos y libres de vapor. Las aplicaciones convencionales de nivel de agua y de canales abiertos pueden beneficiarse de la madurez y la eficiencia de costos de la medición ultrasónica, mientras que en entornos de alta temperatura, bajo presión, en vacío, con abundante vapor o con alta concentración de partículas, suele justificarse la evaluación del radar.

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