Transmisor ultrasónico de nivel: error de compensación de temperatura

Una variación de 25 °C en la temperatura del aire sin corregir cambia la velocidad del sonido en 15 m/s y añade un error de distancia del 4.2-4.4 %. La compensación de temperatura del transmisor ultrasónico lo corrige midiendo la temperatura del aire y recalculando la velocidad utilizada para convertir el tiempo de vuelo. Solo funciona si la lectura de la sonda representa todo el trayecto. Los recorridos cortos en interiores son sencillos; los largos en exteriores suelen necesitar una sonda externa.

La ley de velocidad del sonido que sustenta la compensación de temperatura ultrasónica

Un transmisor de nivel ultrasónico envía un pulso hacia la superficie del líquido y mide el tiempo del eco. La distancia es d = c*t/2, donde t es el tiempo de ida y vuelta y c la velocidad del sonido en el gas entre transductor y superficie. El transmisor no mide c: supone un valor. En aire seco a 20 °C es de 343.4 m/s y la ley lineal habitual es c = 331.4 + 0.6*T, con T en °C y c en m/s.

La consecuencia es un error puramente de escala. Un cambio de 1 °C modifica c en 0.6 m/s, el 0.17 % de 343.4 m/s; una distancia de 6.000 m se desplaza así unos 10.5 mm por °C si no se corrige. Con una oscilación día/noche de 25 °C son 262 mm, el 4.4 % del intervalo. La compensación de temperatura elimina exactamente este término: convierte una lectura de temperatura en una c corregida y recalcula el resultado del tiempo de vuelo. No mejora la calidad del eco, la zona ciega ni el estado de la superficie; solo cambia la escala de distancia.

Cálculo del error de distancia para una variación de 25 °C

Ejemplo con valores supuestos de la instalación (cálculo ilustrativo, no datos medidos en campo). Un transmisor está calibrado a 20 °C y mantiene c = 343.4 m/s. La distancia real es 6.000 m. Si el aire del trayecto acústico está a 45 °C, la velocidad real es 331.4 + 0.6 * 45 = 358.4 m/s y el eco vuelve tras t = 2 * 6.000 / 358.4 = 33.48 ms. El transmisor sin compensación calcula d = 343.4 * 0.03348 / 2 = 5.749 m y subestima la distancia en 0.251 m, el 4.2 %. El 4.4 % citado es la forma linealizada 0.6 * 25 / 343.4 = 4.37 %. El valor exacto depende del sentido del cambio, porque la relación se invierte.

Con la conversión fija a 20 °C y 343.4 m/s, el error es -251 mm cuando el aire está a 45 °C y +274 mm cuando está a -5 °C. Los 262 mm corresponden al incremento de temperatura de 25 °C linealizado a 20 °C.

Estos valores se han calculado para aire seco a 1 bar; no son especificaciones del producto. Confirme el intervalo de temperatura compensado y la zona ciega en la ficha técnica actual. Por encima de unos 40 °C deben comprobarse conjuntamente el trayecto acústico y la clasificación del transductor.

Las condiciones son aire seco de composición fija a 1 bar y temperatura uniforme a lo largo de todo el trayecto de 6.000 m. La humedad, el vapor de disolvente, el dióxido de carbono o un cambio de presión modifican c de formas que una sonda de temperatura no detecta. Si el gas no es aire ordinario, la propia ley lineal es un modelo incorrecto.

Sondas de temperatura internas y externas

La mayoría de los equipos compactos incorporan un sensor interno unido al transductor o a la carcasa. No necesita cableado adicional y sigue bien la temperatura de la electrónica; por eso la compensación suele venir activada de fábrica. Su debilidad es que la carcasa no es el trayecto acústico. Una cubierta expuesta al sol puede mantener la carcasa entre 10 °C y 15 °C por encima del aire del depósito y hacer que el transmisor aplique una c incorrecta a un trayecto más frío.

Una sonda externa en el espacio de vapor, o un transmisor de temperatura separado conectado al equipo de nivel, mide el gas que realmente atraviesa el pulso. Es la mejor disposición para depósitos exteriores, pozos abiertos y cualquier trayecto acústico largo. Implica un cable adicional, otro punto de mantenimiento y mantener la sonda lejos de la pared, del sol directo y de la superficie del líquido.

• Sonda interna: sin cableado adicional, sigue la temperatura de la carcasa y deriva bajo sol directo.
• Sonda externa: sigue el trayecto acústico y requiere un cable y un punto de montaje.
• Equipos separados: confirme que sonda y procesador compartan el mismo coeficiente de compensación.
• Compare la lectura interna con otra independiente a tres alturas; una diferencia superior a 2 °C hace poco fiable la corrección en un solo punto.

Error residual por estratificación del trayecto acústico

Una sola sonda mide una temperatura mientras el pulso atraviesa una columna que puede estar estratificada. En una mañana despejada, el metro superior sobre un pozo de aguas residuales puede estar 5 °C más caliente que el aire próximo a la superficie; una pluma de vapor añade un gas distinto. Si la temperatura media del trayecto difiere de la lectura de la sonda en dT, el error relativo residual es aproximadamente 0.6*dT / c. Para dT = 5 °C a 20 °C resulta 3.0 / 343.4 = 0.87 %, o 52 mm sobre 6.000 m, más que los ±10 mm que muchas instalaciones esperan de un equipo compensado.

Un tubo tranquilizador puede reducir el gradiente, pero impone sus propias condiciones: interior liso, ventilación superior para igualar la presión interna y externa, y extremo inferior sumergido por debajo del nivel mínimo medido. Un tubo demasiado estrecho o con una costura soldada genera ecos falsos que ningún ajuste de temperatura corrige. La compensación tiene, por tanto, un límite definido: corrige una temperatura uniforme del aire, no un gradiente, un cambio de gas ni el vacío. Si es habitual un gradiente de 5 °C, añada el residual al presupuesto de error.

Radar como alternativa cuando falla la compensación

No dependa de un transmisor ultrasónico cuando el gas sobre el líquido no sea aire ordinario a presión casi atmosférica. El método no debe utilizarse en recipientes cerrados cuya presión o composición del vapor cambien durante el ciclo, en recipientes evacuables ni donde una capa persistente de espuma de más de unos 0.1 m cubra la superficie. En todos estos casos no hay una única velocidad del sonido que compensar y el eco puede absorberse o dispersarse antes de volver. En el vacío no hay propagación.

Utilice en su lugar un transmisor de nivel por radar. Las ondas electromagnéticas no necesitan un gas portador y su tiempo de tránsito no se ve afectado por la temperatura del aire, la humedad ni cambios moderados de presión. El cambio elimina por completo el término de 0.6 m/s por °C del presupuesto de error. Antes de pedir, compruebe la distancia de bloqueo del radar en la página actual del producto: en un intervalo corto, la zona muerta próxima puede sustituir el error térmico por otra limitación. Un artículo técnico sobre sustitución de ultrasonidos por radar explica cómo conservar el montaje, el cable y la entrada de 4-20 mA existentes al cambiar de principio.

Evidencias de la corrección durante la puesta en servicio

Registre la corrección en lugar de suponer que está activada. En la entrega, anote la distancia de referencia medida con cinta o reflector fijo, la distancia indicada, la temperatura del aire en el transductor y en un segundo punto del trayecto, el modo de compensación habilitado y el coeficiente utilizado. Repita en el momento más frío y más cálido del día. Una vez aplicado el término de temperatura, ambas distancias indicadas deben coincidir dentro del error admisible de la instalación. Si no lo hacen, busque un gradiente, un cambio de composición o una sonda defectuosa antes de ajustar el intervalo.

• Confirme que el coeficiente configurado coincida con el cálculo (0.6 o 0.607 m/s por °C; 0.607 procede de la forma más completa c = 331.3 * sqrt(1 + T/273.15)).
• Verifique la zona ciega al máximo nivel de trabajo; suele ser de 0.25 m a 0.50 m según el alcance.
• Compruebe la escala de 4-20 mA y el punto de referencia tras cambiar la compensación.
• Conserve las lecturas antes y después de la intervención con fecha y temperatura del aire.

Estos registros permiten auditar la compensación de temperatura. Sin ellos no puede distinguirse una lectura estable de una corrección que casualmente sea errónea en una dirección.

Preguntas frecuentes

P1. ¿Siempre es necesaria la compensación de temperatura del transmisor ultrasónico?

Sí, en cualquier depósito ventilado cuya temperatura del aire varíe más de unos pocos grados. Sin ella, una variación de 25 °C añade unos 262 mm sobre 6.000 m, mucho más que los ±10 mm que admiten la mayoría de los lazos. Desactívela solo con temperatura de gas constante, como en un depósito interior climatizado.

P2. ¿Puede la compensación corregir una lectura que cambia en sentido contrario?

No. Una salida invertida es un problema de escala o cableado. La compensación solo cambia la c de d = c*t/2; no puede alterar el signo del nivel ni el sentido de 4-20 mA. Compruebe primero distancia en vacío, intervalo y sentido de la salida.

P3. ¿Qué ubicación de la sonda corrige mejor un depósito exterior?

Una sonda externa en el espacio de vapor, protegida del sol y alejada de la pared, es mejor. El sensor interno sigue la carcasa, que puede estar entre 10 °C y 15 °C por encima del trayecto acústico. Compare ambos a tres alturas; con más de 2 °C de diferencia, la corrección en un punto no es fiable.

P4. ¿Qué error queda tras compensar un trayecto de 6.000 m con un gradiente de 5 °C?

Unos 52 mm, el 0.87 % del intervalo, a partir de 0.6 * 5 / 343.4. Una sonda no puede representar una columna estratificada. Un tubo tranquilizador puede reducir el gradiente, pero debe ser liso, estar ventilado arriba y sumergido abajo. Añada el residual al presupuesto de error.

P5. ¿Cuándo debe sustituirse el equipo por un transmisor radar?

Cuando la fase gaseosa no sea aire ordinario: recipientes cerrados o evacuados, composición del vapor variable, capas de disolvente y espuma superior a unos 0.1 m. No hay una única velocidad del sonido que compensar y el eco puede absorberse. El radar elimina el término térmico, aunque debe comprobarse su distancia de bloqueo.

P6. ¿Qué debe contener el registro de aceptación en planta?

Distancias de referencia e indicada, temperatura del aire en el transductor y en un segundo punto, modo de compensación habilitado, coeficiente y lecturas antes y después de la intervención, con fecha. Repita en el momento más frío y más cálido del día y conserve ambas lecturas.

RESUMEN

La compensación de temperatura del transmisor ultrasónico elimina un error de escala previsible: una variación de 25 °C sin corregir desplaza una distancia de 6.000 m unos 262 mm, el 4.4 % del intervalo. Con c = 331.4 + 0.6*T se reduce a pocos milímetros si una sonda representa todo el trayecto. Una estratificación de 5 °C sigue dejando unos 52 mm; los gradientes, la espuma y el vacío quedan fuera de la corrección. El siguiente paso es registrar coeficiente, posición de la sonda y un par de lecturas de referencia en frío y en caliente.