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Prototipo Industrial de un Medidor Ultrasónico de Nivel

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Academic year: 2021

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Prototipo Industrial de un Medidor Ultrasónico

de Nivel

Bayron Andrés Calvache y Asfur Barandica

Resumen—Este artículo presenta el diseño e implementación de

un prototipo de sistema de medición de nivel para fases aire-líquido o aire-sólido, configurable por el usuario y con especificaciones comparables a las de los equipos industriales disponibles comercialmente. El sistema se basa en la utilización de un transductor de ultrasonido, por medio del cual se envía un corto pulso de onda ultrasónica hacia un objetivo, el cual refleja la onda sonora hacia el sensor. El sistema entonces determina el tiempo de retorno del eco (tiempo de vuelo) y calcula la distancia del objetivo utilizando como referencia la velocidad del sonido en el medio. Se propone un método analógico de medición de tiempo de vuelo que permite obtener resoluciones menores a una longitud de onda de la señal transmitida, además de mejorar la respuesta del sistema ante cambios ambientales. El conjunto sensor-acondicionador-interfaz, constituyen un instrumento inteligente con capacidades de medición, validación, configuración, calibración y comunicaciones digitales.

Descriptores—Medición de nivel, tiempo de vuelo, transductores ultrasónicos, ultrasonidos.

I. INTRODUCCIÓN

A nivel industrial existe una gran variedad de dispositivos y métodos para la medición de nivel en tanques de proceso o almacenamiento así como en depósitos naturales como mares, embalses, lagos y océanos, diferentes unos de otros ya sea en su costo, principio de operación, configuración de montaje, ambiente de trabajo o características electrónicas. En los años recientes, las tecnologías han capitalizado el uso del microprocesador con lo que se han mejorado y ampliado considerablemente sus características de desempeño. Los sistemas de medición actuales pueden incluir rutinas de diagnóstico, procesamiento de datos y comunicación con redes industriales para supervisión y control remoto.

Uno de los métodos más utilizados para la medición indirecta del nivel se basa en la evaluación del tiempo de vuelo o TOF (Time Of Flight) de la propagación de una onda a través de la atmósfera hasta el líquido o sólido. Esta es una medición primaria de distancia; el nivel puede entonces calcularse a partir de esta distancia. El método constituye un sistema de medición continuo y no intrusivo.

Existen diferentes tipos de ondas (acústicas o

Fig. 1. Representación de un sistema de medición de nivel por tiempo de vuelo (TOF)

electromagnéticas) aplicadas a la medición de nivel por TOF pero su principio de operación es básicamente el mismo: una señal modulada es emitida como una onda hacia el producto; esta onda es reflejada y recibida por un sensor que muchas veces es el mismo transmisor. El sistema de medición entonces evalúa el tiempo de vuelo t de la señal:

v d

t = 2 (1)

en donde

v

es la velocidad de propagación de las ondas [1]. En la Fig. 1(a) se ilustra el principio de operación . Se puede generar un pulso no modulado o una ráfaga de pulsos modulado como se muestra en la Fig. 1(b).

Para el caso de los ultrasonidos, la velocidad depende del medio en el cual la onda se esté propagando. La velocidad del ultrasonido en el aire es independiente de la presión atmosférica y es función de la raíz cuadrada de la temperatura. La velocidad será mayor en un medio húmedo que en otro seco, debido a que los pesos moleculares de los gases que constituyen la atmósfera son mayores que los de vapor de agua. Además, la velocidad de propagación no depende de la frecuencia de oscilación del transductor para bajas frecuencias.

Las variación de velocidad puede ser alta respecto a la temperatura Una ecuación que aproxima linealmente la

(2)

velocidad (en m/s) con la temperatura T (en grados centígrados) es:

( )

T V 0.607 T

c = 0 + (2)

en donde V0 es la velocidad de propagación de la onda sonora a cero grados centígrados (331.5 m/s). La humedad juega un rol menor en la velocidad del sonido ya que genera una variación menor al 0.6% en la velocidad en todo el rango de temperaturas de operación [1], [2], [3].

Para el desarrollo de este trabajo se analizaron diversas técnicas de determinación de distancia con ondas ultrasónicas como: umbral fijo, umbral dinámico [4], detección por tonos [5], ondas interferentes [6] entre otras. La tabla I muestra una comparación cualitativa entre algunos de estos métodos. Se analiza cada método según su rango de medición, la exactitud, la complejidad en hardware y la capacidad de procesamiento necesaria para la medición. Finalmente se desarrollo e implemento una técnica novedosa de bajo costo basada en la determinación de TOF por umbral porcentual, compensado en temperatura y adaptativo a las condiciones ambientales, lo que permite alcanzar características de desempeño y estabilidad muy similares a las de los equipos comerciales.

El artículo describe el diseño de un sistema de medición de nivel por ultrasonidos empezando por un estudio teórico de la señal de eco ultrasónico a partir de la cual se propone la técnica implementada, siguiendo con la presentación del desarrollo del sistema tanto en su componente hardware como en el procesamiento de datos; finalmente se presentan las pruebas de desempeño realizadas y los resultados obtenidos.

TABLA I.

CUADRO COMPARATIVO DE LOS DIFERENTES MÉTODOS DE MEDICIÓN DE TIEMPO DE VUELO Método Rango de medición Exactitud Complejidad hardware Capacidad de procesamiento

Umbral Medio Baja Baja Baja

Umbral dinámico

Alto Media Baja

Media Baja Media Tonos mas

umbral Medio Media Media Media

Ondas

interferentes Bajo Alta Media Media Digitalización

de fase

Medio Alta Alta Alta Modulación

AM

Bajo Alta Alta Alta Correlación

cruzada

Medio Alta Media Alta Máximo del

eco

Alto Alta Media Alta

II. PRINCIPIO DE OPERACIÓN

A. Señal de eco ultrasónico

En aplicaciones en el aire orientadas a la medición de distancia, un impulso ultrasónico es transmitido al medio (a través de un transductor) y al reflejarse en una superficie u

objeto y regresar al transductor produce en él una señal de eco que se puede sensar y de la cual se puede obtener información importante.

La señal de eco ultrasónico puede ser considerada como el producto de dos señales, una portadora (3) y una envolvente (4) que pueden ser descritas por las siguientes ecuaciones:

( )

t =sin

[

2πf

(

t−t1

)

]

p (3)

( )

(

)

n a (t t1 1 e t t C t u = − − − ) (4)

El producto de estas dos ecuaciones describe la señal de eco ultrasónico (5):

( )

t =C

(

tt1

)

ne−a

(

t−t1

)

sin

[

2πf

(

tt1

)

]

v (5)

en donde es la tensión generada en el transductor, es una constante relacionada con la amplitud, es el tiempo, a y son constantes empíricas que dependen del transductor, es la frecuencia de la onda, θ la fase de la onda y el tiempo de inicio del eco [2], [4], [6].

( )t v C 1 t t n f

Si se deriva la ecuación (5) y se iguala a cero se puede encontrar el punto máximo de la envolvente tmax:

a n t

tmax = 1+ (6)

Fig. 2. Descripción paramétrica de la envolvente de la señal de eco.

Substituyendo la ecuación (6) en la ecuación (5) es posible obtener el valor de la constante C en función del valor pico de la señal de eco U según la siguiente ecuación:

n n n n U e a C= (7)

En la Fig. 2 se presenta una señal de eco típica, portadora y envolvente obtenida a partir de la ecuación (5) y una definición de los parámetros que serán utilizados en el análisis de la forma de eco. Amax es la amplitud máxima del la señal

(3)

de eco, t1 es el tiempo de inicio de la señal de eco y tmax el

tiempo en el cual se presenta el máximo de amplitud.

La onda acústica, por tratarse de una vibración mecánica en el aire, se ve afectada principalmente por cambios en la temperatura y en menor medida por la densidad y humedad del medio, generando variaciones o inestabilidades físicas que dan origen a cambios en las forma de eco y por ende en los parámetros extraídos de su envolvente.

La amplitud máxima Amax se puede ver afectada

sensiblemente ante cambios de temperatura y cambios de humedad dependiendo de la frecuencia de oscilación de la onda de ultrasonido. Los parámetros de tiempo de inicio del eco y tiempo de máxima amplitud del eco, t1 y tmax, reflejan

el tiempo de vuelo de la señal. Estos parámetros tienen un comportamiento similar con la temperatura debido a su dependencia de la velocidad del sonido y se mantienen razonablemente constantes (previa compensación de la velocidad) ante cambios de temperatura. Esto los convierte en buenos parámetros en procesos de identificación bajo condiciones ambientales reales, especialmente si se pretende la medición de distancia o proximidad con base en el método de tiempo de vuelo [3], [7].

B. Método análogo para la medición de tiempo de vuelo

El tiempo de inicio del eco t1 se puede establecer a partir de la diferencia entre el tiempo en el que la envolvente del eco alcanza su valor máximo ( ) y el valor del termino n/a (ecuación (6)). El tiempo del máximo se puede determinar si se realiza un muestreo de la señal o usando técnicas análogas complejas. En la zona en la que se produce el máximo de la envolvente la variación relativa de la amplitud de la onda es bastante baja, por lo que un pequeño pico de ruido puede producir máximos falsos. Una de las grandes ventajas que presenta este método es que el tiempo en que se da el máximo del eco es bastante estable y varía muy poco ante cambios ambientales. Mas sin embargo la digitalización implica el uso de conversores análogo a digital con buena resolución y un tiempo de muestreo acorde a los tiempos de las señales que se están manejando.

max

t

El método que se propone no requiere la determinación del tiempo del máximo de amplitud de la envolvente, sino del tiempo para el cual la amplitud de la señal llega a ser un determinado porcentaje de esa amplitud máxima. Este punto se ubica en promedio siempre con el mismo retardo en referencia al momento de inicio de eco, por lo que si se conoce se puede entonces calcular el tiempo de inicio o tiempo de vuelo de la señal a partir de la ecuación (8):

% x m 1 t t

t = − (8)

En donde es el tiempo de inicio de la señal de eco, s el valor del tiempo medido desde la emisión de la señal ultrasónica hasta el momento en el que la envolvente del eco cae al porcentaje establecido y es el tiempo que existe entre el momento de inicio de eco y el momento en que la envolvente de la señal de eco cae al porcentaje establecido. El

valor se asume como constante y se puede calcular por métodos numéricos a partir las ecuaciones (4) y (7) normalizadas como se indica en la ecuación (9):

1

t

t em % x t % x t u

(

)

(

x%

)

n atx% n n n % x t e n e a t = − (9)

En esta ecuación el tiempo de inicio del eco se ha asumido como cero y el valor de amplitud máxima de la envolvente U como uno. representa el valor de la amplitud porcentual respecto a la amplitud máxima que sería uno. Por ejemplo, si el valor de amplitud máxima porcentual se determina en 80%, el valor de sería de 0.8. Se debe tener en cuenta que para cada valor porcentual de amplitud, se tendrán dos soluciones de la ecuación (9). Dadas las características del método, el tiempo que representa es aquel que se encuentra después del pico de la envolvente como se muestra en Fig. 3.

1 t t

(

tx% u u

)

t

(

x%

)

% x

Fig. 3. Tiempo de vuelo porcentual para una envolvente de eco

El porcentaje escogido para la medición debe estar dentro de la zona en la cual la variación de amplitud de la envolvente con el tiempo es grande con lo que se minimizan los errores por los posibles picos de ruido sobre la señal. Además, dado que la pendiente descendente de la señal de eco (caída de la envolvente después de haber alcanzado el máximo de amplitud) es menos estable ante cambios ambientales, principalmente de temperatura, que el tiempo de la máxima amplitud debido a las variaciones que se presentan en la longitud de la señal de eco, se debe seleccionar un valor de porcentaje de la amplitud máxima para la medición lo más cercano posible al 100% (este 100% correspondería al tiempo del máximo de amplitud) dentro de la zona en donde la variación de nivel de la señal en el tiempo es alta. Se puede entonces hablar de un umbral porcentual en el rango de 70 a 90%. Entre más alto sea el porcentaje, la medida se acercará más a la estabilidad dada por el tiempo del máximo ante cambios ambientales.

(4)

Este modelo de medición es similar a la detección por umbral, la diferencia es que no utiliza un nivel umbral fijo, ni un nivel de umbral dinámico que varía con el tiempo; es un umbral porcentual que se adapta a la forma de la onda que se esté recibiendo y siempre es constante. Como se sabe, dos señales de eco consecutivas por lo general no serán iguales. La principal diferencia se observa en el cambio continuo en la amplitud entre una señal y otra.

III. IMPLEMENTACIÓN

En la Fig. 4 se muestra un diagrama de bloques general del sistema implementado. El sistema cuenta con dos visualizadores: un display alfanumérico en donde se presenta toda la información relacionada con el menú de programación, el estado del equipo y los mensajes de alarma. El otro es un display numérico de cuatro dígitos en el que se despliega el valor de distancia medido. Se dispone de comunicación serial (interfaz estándar RS-232), salidas de alarmas (2 relés), una salida aislada 4-20mA controlada por la unidad de procesamiento y un sensor digital de temperatura DS1820, con comunicación 1-Wire, que permite realizar la compensación de velocidad por cambios en temperatura usando la ecuación (2).

Fig. 4. Diagrama de bloques del sistema implementado

El desempeño del método de umbral porcentual para medición de distancia depende en gran medida de un buen diseño de los circuitos de acondicionamiento de señal. Lo mas importante es sin duda no alterar la forma de la envolvente de eco que se recibe ya que el método utiliza en parte esta forma para determinar el tiempo de vuelo. Un buen diseño del circuito impreso es muy importante si se quiere mejorar el desempeño y la inmunidad al ruido del sistema electrónico.

A. Transductor de ultrasonido

La selección del tipo de transductor depende principalmente de el medio en el que se va a propagar la señal

y del rango de distancia de la aplicación [3], [7]. Para aplicaciones en baja potencia y en el aire, básicamente se trabaja con los transductores capacitivos y piezoeléctricos siendo estos últimos los más utilizados. Los transductores piezoeléctricos presentan mayor amplitud en la señal de eco con respecto a los capacitivos en igualdad de condiciones y se polarizan con tensiones del orden de 15 a 75V. Presentan una mejor relación señal-ruido ya que se comportan prácticamente como filtros pasabanda alrededor de la frecuencia de resonancia. Poseen robustez, inmunidad a ruido tanto eléctrico como acústico y resistencia a factores ambientales por lo que son recomendables para uso en ambientes industriales .

El valor de las pérdidas de amplitud de la onda por absorción o atenuación determina el máximo rango del sensor. La atenuación del sonido se incrementa con la frecuencia y en cualquier frecuencia la atenuación cambia como función de la humedad. El valor de humedad que produce la máxima atenuación no es el mismo para todas las frecuencias. Si se utilizan transductores de frecuencias altas el rango de medida se reducirá debido a una mayor atenuación de la señal. La menor atenuación se presenta en las frecuencias de alrededor de los 40Khz [3].

El transductor transmite energía en patrones de radiación. La mayor parte de la energía se concentra en el lóbulo principal el cual define el ancho del haz de radiación [2], [4], [7]. Patrones de radiación anchos reducen el rango de sensibilidad del transductor ya que la señal se dispersa en un volumen más grande por lo que la energía reflejada por las superficies es más débil. Los patrones de radiación angostos por su parte son más sensibles a alteraciones en la señal de eco, especialmente cuando se trabaja sobre superficies irregulares.

Por sus características, el transductor seleccionado para la aplicación de nivel fue el tranceiver (transmisor-receptor) ultrasónico HE240TR de la empresa HEXAMITE. Este transductor piezoeléctrico de baja potencia está diseñado para aplicaciones en aire y su frecuencia de operación (39kHz) le permite operar sobre rangos de distancias medias. El ángulo del lóbulo de radiación (+/-12º) genera una buena respuesta cuando trabaja sobre superficies irregulares. Para el transductor usado los valores obtenidos de los parámetros a y n fueron: 15302 s-1 y 6.4 respectivamente.

El transductor se alimenta con un tren de 10 pulsos rectangulares. La máxima transferencia de energía cuando se emiten este tipo de señales se obtiene para ondas con periodo igual al inverso de la frecuencia de resonancia del transductor y anchos de pulso iguales a la mitad de ese periodo [8].

B. Unidad de procesamiento

La unidad de procesamiento es la encargada de controlar todo el hardware del sistema que incluye los circuitos de emisión y detección de la onda ultrasónica así como la lectura de teclado (entradas), además de realizar los cálculos de distancia y temperatura, visualizar la información en los displays, generar las alarmas y activar los reles (salidas). Todas estas funciones están relacionadas o dependen de la configuración que el usuario haya realizado sobre el equipo con anterioridad, ya sea de forma local o remota. Estas tareas son realizadas por un microcontrolador ATmega162 de la

(5)

familia AVR de la firma Atmel. El ATmega162 es un microcontrolador de 8 bits CMOS, de baja potencia, basado en la arquitectura RISC AVR, lo que le permite realizar operaciones en un solo ciclo de reloj logrando ejecutar hasta 1 millón de instrucciones por segundo por cada megahertz en la señal de reloj. Esto se refleja en una optimización en el consumo de potencia en relación a la velocidad de procesamiento.

C. Acondicionamiento de señal

La etapa de acondicionamiento de señal es la encargada de adecuar los niveles de los pulsos que se envían hacia el transductor de ultrasonido. También se encarga de la recuperación, filtrado y adecuación de la señal de eco. En esta etapa se implementa el método análogo de medición y se genera la información necesaria para que la unidad de procesos determine el tiempo de vuelo de la onda ultrasónica.

Un diagrama de bloques que ilustra el acondicionamiento de señal y su interacción con la unidad de procesos se muestra en la Fig. 5.

Fig. 5. Diagrama de bloques del sistema de medición por umbral porcentual

La unidad de procesos genera un tren de pulsos TTL finito a la frecuencia de resonancia del transductor. Estos pulsos son tratados y llevados a una amplitud de 30V antes de ser alimentados al transductor. Cuando la señal de eco aparece en el transductor se filtra y se amplifica por medio de un amplificador de ganancia programable (AGP) de acuerdo al nivel de atenuación con que se reciba. La señal es rectificada y se extrae su envolvente. La envolvente es procesada por un detector de picos que detecta y retiene el nivel de máxima amplitud en la envolvente. Una vez se tiene la señal de la envolvente del eco y se ha capturado el valor de su máxima amplitud se puede entonces determinar el tiempo de vuelo de la señal. La circuitería necesaria para efectuar esta tarea y las señales generadas se muestra en la Figs. 6 y 7. S1 es la señal de envolvente del eco y S2 es la señal de la amplitud máxima de la envolvente. El comparador A recibe en su entrada no inversora la señal S1 y por la entrada inversora la señal S3, que representa un porcentaje de la amplitud máxima del eco detectada. Esta señal se convierte entonces en el umbral porcentual para la detección del tiempo de vuelo. Las resistencias R1 y R2 en una configuración de divisor de tensión determinan cuál es el porcentaje de la amplitud máxima que se utilizará como umbral de acuerdo a la ecuación (10). % 100 * 2 R 1 R 2 R % Umbral + = (10)

en donde Umbral es el umbral porcentual. Aunque la amplitud máxima puede variar entre diferentes ecos, el porcentaje para el umbral siempre será el mismo, así la medida siempre se realizará en el mismo punto.

%

Fig. 6. Circuito de detección de tiempo de vuelo y validación de eco

(6)

La señal de la envolvente S1 se compara continuamente con el umbral porcentual; cuando el nivel de la envolvente se hace menor que el nivel de la señal de umbral S3 el comparador cambia su estado de un nivel lógico alto a un nivel lógico bajo (señal S4). La unidad de procesos medirá el tiempo desde el inicio de la transmisión del tren de pulsos hacia el transductor hasta el momento en el que se produce el cambio de nivel en el comparador. Este es el tiempo t de la ecuación (8) que le permitirá al sistema determinar el tiempo de inicio del eco. Antes de la llegada del eco se pueden generar, por el ruido en la línea que se presenta después de reestablecer el condensador del detector de picos, cambios de nivel en la señal S4 que no corresponden a señales de eco válidas. Por ello esta señal antes de ser transferida a la unidad de procesamiento es validada con la señal S10 por medio de la compuerta NAND A. La señal S10 tendrá un estado lógico alto si sobre la línea de recepción de eco se presenta una señal con un nivel superior al umbral mínimo para asegurar que lo que se recibe es una señal de eco y no ruido, de lo contrario S10 tendrá un estado lógico bajo que no permitirá a la unidad de procesos sensar el cambio de nivel en la señal S4.

m

Para la unidad de procesos existirá un cambio de nivel en S4 si en la señal TOF_ECO se presenta un flanco ascendente durante el tiempo en que el eco es tomado como válido.

Para garantizar el buen desempeño del sistema la amplitud de la señal de envolvente del eco se debe encontrar dentro cierto rango de amplitud determinado por los niveles en las señales S5 y S6. Esta función es realizada por los comparadores B y C y la compuerta NAND B alimentada por S8 y S9. Si el nivel de la envolvente está por fuera de este rango, el tiempo de vuelo medido no es validado y se procede a realizar un ajuste en la ganancia del AGP buscando señales de eco adecuadas. Si un eco está dentro del rango permitido, durante el tiempo en el que el eco se considera válido se presenta un único flanco descendente de la señal de VAL_ECO. Cuando el eco está por fuera del rango o no se registran cambios de nivel o se presentan múltiples flancos.

D. Procesamiento de datos

Para determinar la distancia entre el objetivo y el transductor de ultrasonido la unidad de procesamientos utiliza la ecuación (11):

(

m x%

)

a 1 at 21c t t c 2 1 d= = − (11)

en donde es la velocidad del sonido en el aire compensada en temperatura. El sistema toma 10 muestras por segundo del tiempo de vuelo de la señal ultrasónica. Las muestras se promedian y se calcula su desviación media. Cada muestra es evaluada nuevamente en relación a esta desviación. Si la muestra está por fuera del rango, dado por el promedio más o menos la desviación, se elimina. El promedio final, que es el que se toma como tiempo de vuelo válido, se calcula con las muestras no descartadas. Una vez se tiene el tiempo de vuelo ya filtrado este se promedia junto con los cuatro tiempos de

vuelo (filtrados) anteriores. Este es un proceso de filtrado que busca eliminar las muestras que pueden estar degeneradas por condiciones externas al instrumento.

a c

Para dar mayor precisión a la medida, el tiempo s encontrado por medio de una calibración inicial del equipo. A una distancia fija y conocida (dentro del rango de operación), el dispositivo envía repetidos trenes de pulso ultrasónico hacia la superficie reflectora y calcula su tiempo de vuelo. En base a la distancia y a la temperatura en el momento de la muestra se determina el tiempo de inicio esperado. La diferencia entre estos dos tiempos es igual al tiempo

% x t e % x t .

IV. PRUEBAS Y RESULTADOS

El equipo fue sometido a varias pruebas con el fin de comprobar la validez del método de medición, la robustez del sistema, la confiabilidad, linealidad, exactitud y repetibilidad de las mediciones. Para tal fin se montó un banco de pruebas cuyas dimensiones permitieron obtener mediciones de distancia de hasta 6 metros. El ambiente (temperatura, humedad y corrientes de aire) del medio de propagación no fue controlado. Las pruebas se realizaron sobre superficies sólidas y líquidos en reposo. El comportamiento fue similar en las dos superficies.

A. Validación del método

Las pruebas realizadas en esta sección buscan demostrar que independientemente de la amplitud de la señal el método siempre entrega el mismo tiempo de vuelo (representado en una distancia) si el sensor se ubica a una distancia fija de la superficie reflectora. La prueba se realizó ubicando el sensor a dos distancias diferentes. Para cada distancia se tomaron los valores medidos por el equipo durante dos minutos, equivalentes a 100 muestras, variando la ganancia del AGP. La primera prueba se hizo a una distancia de 1714 milímetros con tres ganancias de amplificación diferentes en el AGP de 2, 3 y 4 veces la señal. La variación máxima de la medición respecto de la distancia real que se presentó fue de ±1mm. La segunda prueba se realizó a una distancia de 2470 milímetros. La ganancia del AGP del equipo se varió entre 4, 5, 9 y 10 veces la señal. La variación máxima encontrada fue de ±2mm.

B. Pruebas de estabilidad

Las pruebas de comportamiento estático permiten reconocer el error máximo, la exactitud y la precisión de las medidas entregadas por el equipo alrededor de una distancia dada. Estas pruebas se realizaron sobre tres distancias dentro del rango máximo de medición: 1 metro, 3.5 metros y 5.5 metros. El sensor se ubicó a una distancia fija de la superficie reflectora y se dejó operando de manera continua durante aproximadamente 8 horas. Se tomaron muestras de distancia y temperatura del medio cada minuto. En las Figs. 8, 9, y 10 se ilustra la respuesta del sensor. La tabla II resume los resultados de esta prueba.

(7)

998 999 1000 1001 1002 1003 1004 1005 6:42 6:56 7:10 7:24 7:38 7:52 8:06 8:20 8:34 8:48 9:02 9:16 9:30 9:44 9:58 10:12 10:26 10:40 10:54 11:08 11:22 11:36 11:50 12:04 12:18 12:32 12:46 13:00 13:14 13:28 13:41 TIEMPO DE LA MUESTRA DISTANCIA (mm )

Fig. 8 Estabilidad en la medida de distancia del equipo a 1000mm

3496 3498 3500 3502 3504 3506 3508 22:31 22:46 23:00 23:15 23:29 23:44 23:58 0:13 0:27 0:42 0:56 1:11 1:25 1:40 1:54 2:09 2:23 2:38 2:52 3:07 3:21 3:36 3:50 4:05 4:19 4:34 4:48 5:03 5:17 5:32 5:46 6:01 6:15 TIEMPO DE LA MUESTRA DISTANCIA (mm )

Fig. 9. Estabilidad en la medida de distancia del equipo a 3500mm

5490 5492 5494 5496 5498 5500 5502 5504 5506 5508 23:43 0:00 0:16 0:33 0:49 1:06 1:23 1:39 1:56 2:12 2:29 2:45 3:02 3:19 3:35 3:52 4:08 4:25 4:42 4:58 5:15 5:31 5:48 6:05 6:21 6:38 6:55 7:11 7:28 TIMEPO DE LA MUESTRA DISTANCIA (mm)

Fig. 10. Estabilidad en la medida de distancia del equipo a 5500mm

TABLA II.

RESULTADOS PRUEBAS DE ESTABILIDAD

Distancia real (mm) 1000 3500 5500 Distancia prom. (mm) 1001.25 3501.24 5498.82 Tº prom (ºC) 25.5 23.1 23.4 Tº max (ºC) 29.1 23.9 24 Tº min (ºC) 22.9 22.4 22.9 Desviación max (mm) 4 6 7 Desviación media 0.6635 0.8762 1.7209 Desviación estándar 0.8466 1.1300 2.1359 Error max (%) 0.40 0.17 0.13 Exactitud (%) 99.6 99.83 99.87 Precisión(%) 99.72 99.86 99.85 PROM= PROMEDIO, MAX= MÁXIMO, MIN= MÍNIMO

-5 0 5 10 15 20 1500 1900 2300 2700 3100 3500 3900 4300 4700 5100 5500 DISTANCIA (mm) ERROR (mm)

Fig. 11. Error medido vs. Distancia

C. Pruebas sobre el rango de medición

Las pruebas sobre el rango de medición permiten observar la respuesta del equipo y la alinealidad de dicha respuesta. La prueba se efectuó variando la distancia entre el sensor y la superficie reflectora de 1.5 metros a 5.6 metros en pasos constantes de dos centímetros. La Fig. 11 muestra el error obtenido entre el valor de distancia real y el valor medido por el equipo.

El coeficiente de correlación entre la respuesta del equipo y la distancia real es de 0.999998681. La desviación máxima que se presentó en la prueba es de 17 milímetros. La respuesta ideal que se esperaría es: (O salida, I entrada) , la respuesta real del equipo está dada por:

[mm]. La alinealidad máxima porcentual en el rango medido es igual a 0.064841%.

I

O

=

6585

.

2

*

997256

.

0

+

=

I

O

V. CONCLUSIONES

El método de medición por umbral porcentual, desarrollado en este trabajo, es bastante sencillo, estable, robusto ante cambios ambientales, no necesita una capacidad de procesamiento alta, ni digitalización de la señal, tiene una buena precisión y un rango de medida de distancia suficientes para una aplicación industrial. Esto lo hace muy competitivo, ya que se obtiene una buena exactitud en la medida a un costo moderado. Este método no se ve afectado por cambios en la amplitud de la señal de eco que se recibe gracias a que la forma de onda del señal siempre se conserva. Se puede utilizar sobre diferentes medios de reflexión, en especial líquidos y sólidos.

El equipo respondió satisfactoriamente a las expectativas esperadas presentando un error máximo de 0.13%FS, una exactitud de 99.87%FS y una precisión en la medición de 99.85%FS sobre el rango máximo medido (6 metros). La alinealidad máxima que se obtuvo fue de 0.065%. Estos valores son similares a los entregados por los equipos comerciales utilizados en la medición de nivel por ultrasonidos.

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