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Espectroscopia de impedancia

Los depósitos y la espuma suelen dificultar la detección fiable del nivel. La tecnología de espectroscopia de impedancia mide la intensidad del campo eléctrico y magnético en una banda de frecuencias entre 50 y 200 MHz. El tipo de fluido, así como las adherencias o la espuma, poseen diversas características eléctricas que se utilizan para la evaluación. Se realizan tres mediciones en cada punto:

  • Atenuación (amortiguación) del campo electromagnético
  • Conductividad del campo eléctrico (capacidad de un material de conducir la corriente eléctrica)
  • Permitividad del campo magnético (capacidad de polarizar las partículas)

Si el fluido está presente, estas mediciones coinciden con el perfil. Si no hay fluido o solo hay residuos, las mediciones no coinciden. Si el perfil medido se encuentra en el rango de conmutación verde, la salida del sensor cambia de estado.

Sin fluido: la imagen superior muestra la situación sin que el fluido cubra la punta del sensor. La atenuación, la conductividad y la permitividad son bajas. El perfil está fuera del rango de conmutación.

Con fluido: la siguiente imagen muestra el perfil con la punta del sensor cubierta por el fluido. La atenuación, la conductividad y la permitividad son altas y el perfil medido está dentro del rango de conmutación. La salida cambia de estado.

Con residuos: si la punta del sensor solo está cubierta por adherencias, la conductividad y la permitividad son altas, ya que hay restos del fluido. Sin embargo, la atenuación es baja porque solo hay una pequeña cantidad de fluido. El perfil está fuera del rango de conmutación y la salida no cambia de estado.

Otros fluidos presentan perfiles diferentes. A través de IO-Link, los valores del fluido en el proceso se pueden evaluar y utilizar para distinguir diferentes materiales, por ejemplo, aceite / agua, leche entera / leche con 2 %, etc.

Particularidades:

  • Omisión de adherencias y espuma
  • El sellado sin espacios muertos de la punta del sensor de PEEK cumple con los requisitos 3A
  • Carcasa de acero inoxidable para mayor robustez

Todas las versiones son programables. Están disponibles ajustes predeterminados de fábrica para fluidos a base de agua, fluidos a base de aceite/en forma de polvo y fluidos con alto contenido de azúcar.

Ondas radar guiadas (GWR, del inglés Guided Wave Radar)

El principio de ondas radar guiadas (Guided Wave Radar) utiliza impulsos electromagnéticos en un rango de nanosegundos. Los impulsos electromagnéticos son emitidos desde el cabezal del sensor y guiados a lo largo de la sonda. Cuando el impulso de onda choca con el fluido, se refleja, es captado por la sonda y guiado de vuelta hasta el cabezal del sensor. El tiempo entre el envío y la recepción del impulso (tiempo de vuelo) representa una medida directa de la distancia recorrida.

Debe utilizarse una placa de transmisión metálica de al menos 150 mm² o 150 mm de diámetro para permitir una transmisión suficiente del impulso de onda radar. Si el depósito tiene una tapa metálica, esta puede servir como placa de transmisión.

La imagen de arriba muestra un depósito con tapa metálica. No se necesita placa de transmisión, ya que la tapa cumple con esta función.

Para los depósitos con tapa de plástico se requiere una placa de transmisión de metal. En la imagen se muestra una brida con un diámetro mínimo de 150 mm.

En el caso de los depósitos abiertos también se requiere una placa de transmisión. Una forma sencilla de poner esto en práctica es fijando la brida a un soporte metálico.

La superficie de los fluidos a base de aceite no refleja la onda radar tan bien como el agua. Para amplificar y capturar la señal, es necesario utilizar un tubo coaxial.

Cuando se utiliza el tubo coaxial, no es necesaria la placa de transmisión descrita anteriormente, lo que facilita el montaje. Sin embargo, los puentes entre la sonda y el tubo coaxial causados por sólidos, emulsiones, etc., pueden dar lugar a una indicación incorrecta del nivel. El tubo coaxial también se puede utilizar en fluidos a base de agua y se puede acortar en función de la longitud de la sonda.

Particularidades:

  • Algunos modelos están certificados según 3A para su uso en aplicaciones de limpieza COP (Clean-Out-of-Place)
  • Algunos modelos ofrecen una resistencia a la presión de hasta 40 bares
  • Diseño de acero inoxidable
  • Resistente a polvo, niebla y vapor

Presión hidrostática

La presión hidrostática es la fuerza que ejerce una columna de líquido sobre una superficie. Solo depende de la altura del depósito, por lo que no depende de la forma ni del volumen del mismo. La presión hidrostática puede calcularse mediante la siguiente ecuación:

Si se conoce la densidad o la aceleración por gravedad del líquido, se puede determinar la altura (o el nivel) del líquido mediante la medición de la presión hidrostática.
Una aplicación común con presión hidrostática es la medición del nivel en un depósito cerrado. Para evitar la oxidación del líquido, se puede utilizar un relleno de gas inerte, como p. ej. CO2 en un depósito de cerveza. En este caso, la presión diferencial se puede calcular utilizando dos sensores de presión. El sensor superior mide la presión del gas y el sensor inferior mide la presión del gas más la presión causada por el líquido. La presión del líquido (y, por tanto, el nivel del mismo) es la diferencia entre las dos mediciones.

Detección capacitiva de nivel límite (referencias Kxxxxx)

Los detectores capacitivos detectan cualquier tipo de material con o sin contacto. Los usuarios pueden ajustar la sensibilidad de los detectores capacitivos de ifm para poder detectar líquidos o sólidos también a través de paredes de depósitos no metálicos.

Diagram of tanks with capacitive point level sensors for high and low level particulate and/or liquid detection

Para poder realizar una correcta detección de nivel utilizando detectores capacitivos, es necesario tener en cuenta lo siguiente:

  • La pared del depósito no es metálica
  • La pared del depósito tiene un grosor de 6 a 12 mm
  • No hay ningún tipo de metal en las inmediaciones del sensor
  • La superficie activa del sensor está situada directamente en la pared del depósito
  • El sensor y la pared del depósito están conectados a tierra al mismo potencial

Medición capacitiva de nivel continuo (referencias Lxxxxx)

Los sensores de nivel continuo de las gamas LK y LT de ifm constan de 16 elementos de detección capacitivos dispuestos uno encima del otro.

Capacitance continuous level sensor diagram showing 16 capacitive cells in the probe

Cada elemento de detección evalúa su entorno para determinar si está cubierto por el fluido. El microprocesador evalúa los 16 elementos de detección para determinar el nivel.

Capacitive sensor diagram showing capacitive cells exposed to air outside of the tank, the mounting, air inside the tank, and water level

Las gamas LK y LT disponen de una protección integrada contra el exceso de llenado. El algoritmo para la protección contra exceso de llenado funciona independientemente de la medición de nivel general. Si las salidas no conmutan según lo deseado y el nivel sigue subiendo, la protección contra exceso de llenado fuerza una conmutación de las salidas.

La gama LT también tiene una salida independiente para la temperatura del fluido.

Sensores ultrasónicos

Los sensores ultrasónicos detectan las ondas de sonido reflejadas en la superficie para medir el nivel. La superficie del fluido refleja dichas ondas de sonido y la distancia se calcula mediante la medición del tiempo de vuelo.

A diferencia de los sensores fotoeléctricos, el color, la transparencia y la reflectividad del fluido no son relevantes para la detección.

Los sensores ultrasónicos presentan una gran inmunidad a la humedad y al polvo. La superficie activa vibra a una frecuencia muy alta, reduciendo la acumulación de humedad y polvo antes de que pueda afectar negativamente al rendimiento. Sin embargo, las temperaturas extremas pueden afectar a la precisión, ya que la velocidad del sonido depende de la temperatura.

Sensores fotoeléctricos

El sensor de distancia láser O1D y el sensor de visión O3D utilizan la tecnología del tiempo de vuelo PMD para medir la distancia a la superficie del fluido. El método "Time of Flight" mide el tiempo de propagación de la luz hasta la superficie y de vuelta al sensor. A continuación, la señal es procesada por un elemento receptor.

Esta tecnología no es adecuada para la medición de nivel de líquidos claros. Solo puede utilizarse para líquidos y sólidos que no son transparentes.

Sensores por radar

Los sensores por radar detectan sin contacto el nivel de un fluido. Los sensores de 80 GHz, que funcionan según el método de onda continua de frecuencia modulada (FMCW), envían a la superficie del fluido impulsos electromagnéticos con una frecuencia que cambia constantemente en un rango de 77 a 81 GHz. Los cambios de frecuencia dan lugar a una diferencia de frecuencia entre la señal transmitida y la reflejada. A partir de la diferencia entre la señal entrante y saliente en un determinado momento, el sensor puede calcular la distancia a la superficie del fluido. La tecnología de medición permite una medición de nivel de rápida reacción, fiable y extremadamente precisa.

¿Cuál es la ventaja de la tecnología de 80 GHz?

El tamaño de la antena y la frecuencia son los dos factores fundamentales que determinan el ángulo de apertura y, por tanto, el alcance y la precisión de un sensor por radar. Básicamente se aplica lo siguiente:

  • Cuanto menor sea el tamaño de la antena, mayor será el ángulo de apertura a la misma frecuencia.
  • Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será el ángulo de apertura con el mismo tamaño de antena.

Como se ilustra en la imagen, esto significa que la tecnología de alta frecuencia de 80 GHz permite un ángulo de apertura relativamente pequeño con una antena igualmente pequeña.

Señal más potente, menos interferencias

En la práctica, la fuerte focalización de la señal generada por el escaso ángulo de apertura permite detectar fluidos con una baja constante dieléctrica, ya que la alta focalización aumenta la reflexión hacia el sensor. Además, la alta focalización evita que se detecten obstáculos, como agitadores o cabezales de limpieza por chorro, y que se produzcan interferencias en la señal.

Detección de nivel precisa y de alta resolución en toda la altura del tanque.  

En aplicaciones de detección industrial de nivel, la precisión del rango de medición (hasta el rango milimétrico) es de suma importancia. La precisión de la medición y la resolución de la distancia (es decir, la exactitud con la que se detectan los cambios de nivel) dependen del ancho de banda de las frecuencias emitidas. Por ejemplo, un sensor por radar de 80 GHz que funciona en la gama de frecuencias de 77 a 81 GHz alcanza una precisión 20 veces superior a la de un sensor por radar de 24 GHz. Además, la alta resolución contribuye a separar el nivel de fluido de los reflejos no deseados en el fondo del tanque. Esto permite al sensor medir con precisión el nivel de fluido a lo largo de toda la altura del tanque y minimizar la zona muerta en el fondo del mismo. Dado que la alta resolución además reduce considerablemente la distancia mínima medible, el sensor también detecta el nivel exacto de un tanque completamente lleno.