MEDICIÓN DE NIVEL EN LÍQUIDOS INMISCIBLES CON UN SENSOR
ULTRASÓNICO INTELIGENTE
Andrés Restrepo Girón, Julio Millán Barco, Asfur Barandica López, Eduardo Caicedo Bravo Grupo Percepción y Sistemas Inteligentes
Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Universidad del Valle
A.A. 25360
adareg2@latinmail.com, jcemilla@hotmail.com, asfur@eiee.univalle.edu.co, ecaicedo@eiee.univalle.edu.co
Resumen. Este artículo propone la implementación de un dispositivo para la medición del nivel de dos líquidos no miscibles utilizando ultrasonidos. Se desarrolla un análisis teórico de la propagación de este tipo de ondas y del concepto de impedancias acústicas, puntos claves para abordar el diseño del instrumento. Posteriormente se explica en términos generales el mecanismo de medición, el circuito analógico que genera, captura y acondiciona la señal ultrasónica y el microcontrolador que la digitaliza y procesa, obteniendo el nivel de los dos líquidos. Por último, se muestran los resultados alcanzados con un prototipo implementado en un modelo de tanque y las conclusiones de la investigación.
Palabras Claves: Ingeniería Electrónica, Percepción y sistemas inteligentes, Instrumentación Electrónica, Sensores inteligentes, Ultrasonidos.
I. INTRODUCCIÓN
El objetivo de este trabajo es presentar la investigación realizada por los autores en el campo de la medición de nivel en líquidos no miscibles con ultrasonidos. La importancia del tema radica en las diferentes aplicaciones que puede tener el dispositivo aquí presentado, en la industria, principalmente por la novedad de detectar con precisión interfaces entre líquidos con ultrasonidos. Por ejemplo, en tanques de almacenamiento de derivados del petróleo donde en la parte inferior se acumulan aguas residuales y por tanto se requiere medir el nivel del agua y el nivel del derivado del petróleo al interior del tanque, como se aprecia en Figura 1.
Figura 1. Modelo del tanque de experimentación. II. MARCO TEÓRICO [1][2][3]
La idea central alrededor de la cual se desenvolvió el trabajo es el principio físico según el cual toda vibración al sufrir un cambio de medio de propagación, experimenta un reflejo de parte de su energía, mientras que el resto penetra hacia el siguiente medio en su trayectoria. Es ideal en este caso que el eje del lóbulo de radiación sonora llegue perpendicularmente a la superficie de separación de los dos líquidos para que de acuerdo a la ley de Snell, el punto de máxima potencia del eco llegue bastante cerca al sensor piezoeléctrico; además es de notar que en los líquidos no se generan ondas de cizalladura (o transversales), ni ondas superficiales (o de Rayleigh), lo que simplifica el problema. La porción de energía reflejada está dada por la relación:
2 2 2 1 1 2 2 1 1
+ − = c c c c i E r E ρ ρ ρ ρ (1)donde Er = energía reflejada;
Ei = energía incidente,
ρ1,ρ2 = densidades de los medios 1 y 2,
c1, c2 = velocidades de propagación del sonido en los
medios 1 y 2.
La anterior relación traducida a amplitud de la vibración (a la que será proporcional el voltaje de salida del sensor al actuar como receptor) queda:
+ − = 2 2 1 1 2 2 1 1 c c c c i U r U ρ ρ ρ ρ (2)El término ρ.c se denomina impedancia acústica del medio, y puede verse en (2) que conforme los dos medios se parezcan más en este parámetro, la fracción de vibración reflejada será mucho menor. Así por ejemplo, en una superficie de separación entre petróleo (ρ1=0.7 g/cm3 , c= 133000 cm/s) y agua (ρ= 1 g/cm3, c = 143000 cm/s) se tendría una onda reflejada con el 21% de la amplitud del haz incidente, y otro eco proveniente del fondo del tanque con el 62% de la amplitud inicial emitida (en su camino de vuelta desde el fondo, el haz cruza de nuevo la interface de líquidos), todo ello sin tener en cuenta las pérdidas que la radiación ultrasónica sufre en su camino.
Ahora bien, cualquier vibración ultrasónica sufre pérdidas por dispersión y por absorción. La dispersión que es mayor entre menos directivo sea el haz producido por el cristal, se rige por la relación inversa:
x U x
U( ) = 0 (3)
donde U(x) es la amplitud de la onda en función de la distancia x, y U0 es la magnitud inicial de emisión. mientras tanto, la absorción está dada por una exponencial inversa:
x
x
U
e
U
( )=
0 −α (4)donde α es la mitad del llamado coeficiente de absorción, definido por Stokes y Kirchoff como:
(
)
− + = p c k K c f 1 3 4 3 2 2 4 2 0 η ρ π α (5)donde η = coeficiente de viscosidad; f = frecuencia de la onda; ρ0 = densidad media; c = velocidad del sonido; K
= relación entre calores específicos a volumen y presión constantes; cp= calor específico a volumen constante; k =
conductividad térmica.
En los líquidos el factor más relevante dentro de los que se encuentran entre paréntesis es la viscosidad, y en muchos casos, en líquidos de estructura molecular más compleja, entre ellos los hidrocarburos, la ecuación (5) predice menos absorción de lo que en realidad se aprecia experimentalmente. Los dos efectos combinados quedan expresados entonces como:
x x e U x U α − = 0 ) (
(6)
Como se notará, el requerimiento de ganancia en el circuito es elevado, sobre todo debido al primer eco que llega con muy poca potencia; para ello además de usar varias etapas amplificadoras que brindan una ganancia inicial, usamos una etapa de ganancia programable manejada por un microcontrolador, la cual aumenta la amplificación desde un valor de 1 en una cantidad definida en segmentos de tiempo iguales (equivalentes a segmentos de distancia). Si el ajuste pudiera ser continuo y no discreto, lo que tendríamos sería una recta: Kx+1 (K es el incremento de ganancia constante), que al multiplicarse con (6) compensaría en parte el efecto de la dispersión :
( )
− + − = x x e x e KU x U α α 0 (7)ya que el término e-αx decrece más lentamente que
x
e
x/
α
−
. Aunque se lleva a cabo en forma discreta, dicho ajuste responde bien al resultado deseado, además porque resulta mejor desde el punto de vista del ruido, ir dosificando la amplificación aumentándola sólo cuando sea necesario, es decir, cuando el eco tarde más en aparecer (que es lo mismo a captarlo más débil). La relación entre la distancia x recorrida por una onda y el tiempo
t
f, denominado tiempo de vuelo, que emplea en hacerlo lo marca la velocidad de grupo de la onda o velocidad del sonido en el medio: c.A causa de la estructura cristalina y la mecánica del sensor, la señal captada está compuesta por una oscilación a la frecuencia de resonancia del cristal:
sen(2πf
0t + φ)
(8)multiplicada por una envolvente de la forma:
) 0 ( 2 ) 0 ( 4 2 2 at t e t t c U e a − − −
(9)donde: t0 = es el tiempo inicial de la señal,
Uc = es el valor pico de la envolvente captada,
Finalmente a es un parámetro que caracteriza al sensor utilizado y que determina que tan angosta o ancha es la forma de la señal. La manera más práctica de detectar una señal de este tipo es comparar lo que se recibe en el circuito con una tensión umbral fija, para que al superarla se genere un disparo de salida; pero se observa que a medida que el eco llegue más débil (Uc menor) la señal demorará más en superar el umbral, de modo que si se toma como base el tiempo desde que se emite hasta que se detecta el eco para deducir el nivel, tendremos un error adicional en la medida que se incrementará con niveles mayores.
Hay dos opciones: se puede trabajar con un umbral dinámico, pero en un sistema con tanta ganancia, el ruido amplificado limita el descenso del valor umbral de detección; la segunda consiste en estimar el tiempo de vuelo con el análisis de la envolvente capturada. Derivando (9), igualando a cero y despejando t, resulta:
tmáx= t0+
a
2
(10)
es decir que no importa qué tan pequeña sea la envolvente (para un a fijo) el tiempo correspondiente a su valor máximo tmáx está siempre a un mismo valor del tiempo inicial t0, de modo que para averiguar éste basta aproximar tmáx mediante procesamiento digital siempre que el eco no llegue saturado; si se satura es más preciso aproximar el tiempo de vuelo con base en el tiempo de detección
t
d.El intervalo entre el instante (t=0) y t0 es efectivamente el tiempo de vuelo tf (viaje de la onda ida y vuelta); de aquí el nivel es simplemente: nivel = c . 2 / y f t (11)
Lo anterior es aplicable a los dos ecos que se deben captar ya que el propósito es identificar dos niveles; llamando tf1
y tf2 a los tiempos de vuelo del primero y del segundo eco
respectivamente, y c1, c2 a las velocidades del sonido en
los líquidos 1 y 2 , los niveles correspondientes serán:
2 1 1 1 f t c nivel = (Np de la Figura 1) 2 ) 1 2 ( 2 2 f t f t c nivel − = (Nag de la Figura 1) (12) III. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE
MEDICIÓN DE NIVEL [4] A. Hardware
1. El sensor: para la aplicación se empleó el sensor UT200BA8A de Murata, especial para medición de distancias y comunicaciones submarinas, con una frecuencia de resonancia de 200 Khz, sensibilidad de transmisión de 58 dB (1 dB/1µbar a 1m/1V) y sensibilidad de recepción de -90 dB (1 dB/1V/1µbar). El método de excitación más común en la medición de distancias es la transmisión de uno o varios pulsos hacia el medio de propagación. Dado que el prototipo se probó con niveles relativamente pequeños se optó por la emisión de un sólo pulso, obteniéndose buenos resultados en definición y en amplitud del eco. Dicho pulso no puede exceder los 80 V sin ensancharse demasiado, de modo que la potencia final es apenas una fracción pequeña de los 140 W pulsados que como máximo aguanta el cristal.
2. Circuito de adecuación de señal (Fig. 3): en la cadena de recepción e inmediatamente después del sensor se encuentra un par de diodos en contrafase para evitar transitorios grandes en el inicio del proceso de medida. Con ello se logra reducir la zona muerta por debajo de los 20 cm de líquido. Posteriormente, viene un simple seguidor de voltaje para acoplar impedancias y luego el filtro de banda de paso, centrado en los 200 khz, con un ancho de 30 khz. Le sigue al filtro la etapa de ganancia programable digitalmente (PGA) compuesta por un operacional con ganancia fija, y otro al cual va ligado un arreglo de 4 resistencias en paralelo que ofrece por tanto, 16 valores posibles de amplificación programados por el microcontrolador.
A partir de aquí el paso a ejecutar es rectificar los ecos, lo que se consiguió con un rectificador ideal de media onda basado en un amplificador operacional. Prosiguiendo en forma similar a la demodulación de una señal de AM, después de la rectificación viene un filtro pasabajos que elimina el espectro localizado alrededor de los 200 khz,
obteniéndose a su salida la envolvente esperada (ver Fig. 2). Se utilizó un filtro activo de segundo orden por cuanto se obtiene una excelente atenuación de la oscilación de 200 khz frente a una distorsión aceptable desde el punto de vista de la aplicabilidad de la aproximación matemática expresada en (9).
Figura 2. Ecos a la salida del filtro pasa bajos.
Después del filtro se tiene una etapa de ajuste de offset necesaria para impedir que la elevada amplificación que es capaz de alcanzar el circuito (unos 75 dB antes de esta etapa) haga que el nivel de offset supere el umbral de detección y dispare entonces el comparador, último elemento de la circuitería de recepción, haciéndole creer al microcontrolador que detectó un eco. Por otro lado, se corrige la influencia de la temperatura sobre la velocidad del sonido razón por la cual se cuenta con un circuito sencillo de medición de temperatura basado en un LM35DZ, con el fin de realizar una compensación en la determinación de la medida final. El otro circuito diferente al de recepción ultrasónica es el sistema digital que acompaña al microcontrolador MC68HC11A1 de Motorola, encargado de ejecutar las rutinas de procesamiento y control.
B. Software de control y procesamiento: cada ciclo de medida comienza con la desactivación de la entrada de recepción, la lectura de la temperatura para extraer con ella las velocidades del sonido en los dos líquidos habilitar nuevamente la línea de recepción y esperar un tiempo equivalente a la zona muerta. Una vez transcurrida esta espera, el microcontrolador entra en la rutina de manejo del arreglo de resistencias del PGA, en donde cada paso de ganancia se traduce en un incremento de 1 en la amplificación del mismo. El programa en realidad puede trabajar con una duración de paso de ganancia cuando se espera el primer eco proveniente de la superficie de separación de los líquidos, distinta a la duración del paso de ganancia cuando se espera el primer eco proveniente de la
superficie de separación de los líquidos, distinta a la duración del paso de ganancia cuando se espera el segundo eco proveniente del fondo del tanque, y adicionalmente es capaz de cambiar automáticamente dichos tiempos si determina que uno o ambos ecos se saturan o están cerca de volverse indetectables al final del circuito de recepción.
Mientras la anterior rutina se ejecuta el microcontrolador está listo a capturar los dos ecos; a pesar de que existe una sola línea que le indica la detección de los mismos, de ésta se distribuye la señal de disparo hacia dos líneas de entrada de captura del MC68HC11A1 para que los ecos generen interrupciones separadas. Una línea de entrada de captura se caracteriza por tener asociada un registro que guarda el valor del temporizador principal cuando haya un flanco (positivo o negativo según la configuración) en dicha línea, con la posibilidad de generar una interrupción externa. En el mejor de los casos y de mayor ocurrencia, los dos ecos llegan lo suficientemente separados entre sí en el tiempo como para producir dos pulsos de disparo perfectamente diferenciables. En la interrupción generada por el primer eco, mientras el conversor A/D interno comienza a registrar las primeras muestras de la envolvente, se deshabilita la propia línea que recibió el disparo y se habilita la línea con su respectiva interrupción encargada de detectar el segundo eco; así si los ecos llegan tan juntos que el segundo disparo se origine al tiempo que apenas se está terminando la rutina de atención de la primera interrupción , dicho disparo será detectado por la segunda línea ya habilitada, guardando el tiempo de detección del segundo eco automáticamente y a la vez que se siguen ejecutando instrucciones. Se asegura entonces la detección del segundo disparo no importa cuándo se dé.
Si los ecos se detectan de forma que se solapan, el microcontrolador seguirá muestreando la señal acondicionada a partir del primer disparo registrado y hasta que el valor convertido no caiga por debajo de un valor mínimo de conversión (inferior al valor de umbral) o se llegue al número máximo de muestras. En esta situación para identificar los dos ecos se hace un barrido por el conjunto de muestras buscando el primer valor máximo (pico del primer eco), un valor mínimo (lo que augura la existencia de otro eco) y un segundo máximo (pico del segundo eco).
El resto del software se dedica a calcular los tiempos de vuelo haciendo algunos ajustes, si se necesitan, para conciliar la frecuencia de muestreo con las características de las envolventes, y por último en arrojar los resultados de nivel en centímetros de los dos líquidos.
IV. RESULTADOS
Las características del sistema dependen en buena medida de la resolución del temporizador principal del
MC68HC11A1, además, claro está, de la distorsión y los retardos del hardware. Ensayando con diferentes niveles se comprobó la veracidad del comportamiento, sobre todo, del primer eco, y se obtuvo una exactitud aproximada de ±3 mm para el aceite usado de automóvil y ±3,5 mm para el agua, con una repetibilidad igual a la resolución; esta resolución de 2,5 mm fue el mejor valor para conciliar la exactitud con la resolución de 4 µs del temporizador del microcontrolador. Con sus 16 pasos de ganancia de 128 µs cada uno (elegidos arbitrariamente y equivalentes a unos 10 cms) el sistema tiene un rango de medida en teoría de 160 cm, pero en la práctica y ajustando la duración de los pasos de ganancia, el alcance puede aumentar considerablemente. Por otro lado, el tiempo de respuesta desde la emisión a la disponibilidad de los niveles es de aproximadamente 265 ms, mientras que la rata de variación máxima de los niveles calculada es de 57 m/s, lo que supera con creces las variaciones en situaciones reales similares.
Existen dos factores que independientemente al sistema electrónico influyen en la calidad de la recepción: en primer lugar, entre mejor definida esté la separación entre los líquidos más estable y de mayor magnitud será el primer eco, siendo la amplia disminución de su magnitud lo más notable cuando se cuenta con una interfaz muy irregular. En segundo lugar, para un sensor flotando sobre el aceite como en el prototipo es importante evitar que el oleaje de la superficie del líquido haga oscilar el eje de radiación del sensor, razón por la cual es necesario un montaje mecánico que atenúe los desplazamientos horizontales del sensor.
V. CONCLUSIONES
En el presente artículo se trató la teoría y la implementación de un sensor ultrasónico de nivel cuya característica esencial es la de permitir establecer los niveles de dos líquidos inmiscibles almacenados en un mismo tanque, tal como el agua y cualquier sustancia oleaginosa.
El poder detectar el eco proveniente de la interfaz de los dos líquidos fue el problema central a resolver, requiriéndose una buena dosis de amplificación acompañada de los filtros necesarios para eliminar en el mayor grado posible el ruido y las oscilaciones parásitas. Con ésto y una cuidadosa detección de los ecos, así como el ajuste por software de la información extraída de sus envolventes se logró reducir el error a menos de 4 mm en la medida y una resolución de 2,5 mm. En un futuro podrá mejorarse la exactitud y aumentar la resolución con el uso de un microcontrolador más veloz; igualmente podría utilizarse una nueva técnica de excitación para el sensor e incorporarse dispositivos de conmutación rápida en la etapa de emisión con el propósito de incrementar el alcance aumentado la potencia transmitida.
VI. REFERENCIAS
[1] CARLIN, Benson. Ultrasónica. Editorial Urmo. España, 1979.
[2] FREIRE, Eduardo. Desenvolvimento de um sistema de sensoriamento ultra-sonico para un robo móvel com controle baseado em agentes. Trabajo de Maestría en Ingeniería Eléctrica. Universidad Federal del Espiritu Santo. Marzo de 1997
[3] PARRILLA M., ANAYA J.J., FRITSCH C. “Digital Signal Procesing Techniques for High Accuracy Ultrasonic Range Measurements”. IEEE transactions on Instrumentation and Measurements, Vol. 40, No. 4, August 1991, p. 759-753
[4] RESTREPO, A., MILLAN, J. Medición de nivel en líquidos inmiscibles con un sensor ultrasónico inteligente. Tesis de pregrado. Escuela de Ingeniería Electrónica. Universidad del Valle. 1999.
Multiplicador de tensión Conformador del pulso Conmutación en línea Filtro Pasabanda a PGA rectificador Filtro Pasabajos Ajuste de offset Comparador y disparador UNIDAD CENTRAL MICRO CONTROLADOR A/D Medición de temperatura
