La modulación de frecuencia puede mejorar la medición de nivel por radar

Lo aprendido de la radiodifusión FM y AM se puede aplicar a la medición de nivel en tanques para conseguir una mejor prestación en aplicaciones exigentes.

 

La modulación de frecuencia puede mejorar la medición de nivel por radar
Figura 1. Los nuevos instrumentos de nivel FMCW son compactos y pueden operar en un lazo de dos hilos 4-20 mA estándar. También hay modelos con certificación de seguridad.

 

En 1933, el norteamericano Edwin Armstrong demostraba una nueva tecnología que habría de transformar la radiodifusión: transmisiones con modulación de frecuencia (FM) capaces de brindar un sonido de mayor fidelidad y menos interferencia que la modulación de amplitud (AM). Con el tiempo, la radiodifusión FM se convirtió en un estándar para radio y televisión  con un formato que se usa en las comunicaciones wireless digitales de hoy en día. AM sigue estando pero FM es una clara preferencia en la mayoría de las aplicaciones.

Hay distintas manera de incorporar FM en una gran variedad de aplicaciones, lo que incluye radar para medición de nivel en tanques. El radar básico aprovecha la capacidad de una onda electromagnética de rebotar en distintas superficies, incluyendo líquidos. La medición del tiempo que insume una señal para viajar a la superficie de un líquido, reflejarse y regresar al dispositivo instalado en la parte superior del tanque, permite calcular la distancia recorrida y, por lo tanto, el nivel del líquido en el tanque.

Este es el principio de funcionamiento tanto de la medición de nivel por radar sin contacto (NCR) como por radar de onda guiada (GWR). Los instrumentos de nivel por radar ofrecen una medición de arriba hacia abajo, directa, exacta y confiable de la distancia a la superficie de líquidos, suspensiones, lodos e incluso algunos sólidos.

GWR transmite un pulso hacia abajo a través de una sonda de guía de onda (figura 2), que puede extenderse hasta el fondo del tanque. Esto guía el pulso y permite concentrar la reflexión, de modo que no se vea afectada por los objetos que podrían estar dentro del tanque y causar una reflexión no deseada. El inconveniente es la posibilidad de que la sonda interfiera con objetos en movimiento, por ejemplo un agitador.

La tecnología NCR (figura 3) envía una señal a través del espacio abierto de un tanque hacia la superficie del producto almacenado. Al no tocar el contenido, la medición no se ve afectada por condiciones de proceso, tales como densidad, viscosidad, conductividad, recubrimiento y vapor.

También es una alternativa ideal para tanques con objetos en movimiento, productos corrosivos, amplio rango de temperaturas y condiciones difíciles de presión, ya que la exactitud de la medición no se ve afectada en absoluto. Con capacidades de diagnóstico incorporadas, su comisionamiento directo y sin la presencia de partes en movimiento, los instrumentos NCR ofrecen facilidad de uso y requieren poco mantenimiento.

 

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Figura 2. GWR envía un pulso hacia abajo a través de una guía de onda para minimizar la disipación de la señal.

 

Llegó la era de FMCW

Dado que la distancia desde un instrumento de radar a la superficie del contenido de un tanque podría ser un poco más de 0,3 – 0,6 metros, el tiempo que requiere el pulso para viajar es virtualmente instantáneo. Obtener una medición exacta de algo tan rápido implica cierta ingeniería inteligente.

NCR utiliza uno de dos métodos: pulsos u onda continua modulada en frecuencia (FMCW). GWR usa pulsos, pero la señal más enfocada que se consigue con la guía de onda se traduce en características operativas diferentes a NCR.

Los sistemas de pulsos utilizan expansión en tiempo para convertir estos intervalos extremadamente cortos a una escala de tiempo más lenta. El eco de una superficie contiene decenas de miles de cortos pulsos de radar transmitidos desde el instrumento en la parte superior del tanque y dirigidos directamente al material de proceso que está abajo. El instrumento mide el retardo de tiempo entre la señal de eco transmitida y recibida, y un microprocesador incorporado calcula luego la distancia a la superficie del material y, en consecuencia, mide el nivel.

FMCW utiliza el mismo concepto de señal reflejada pero lo aplica de manera diferente. En lugar de medir el tiempo de vuelo de un pulso específico, un instrumento FMCW transmite una señal continua desde la antena en la parte superior del tanque, pero con una frecuencia que cambia constantemente (figura 4). Una vez reflejada la señal por la superficie del contenido, el eco es captado por la antena. Puesto que la señal transmitida varía constantemente en frecuencia, el eco tiene una frecuencia levemente diferente a la de la señal que se transmite en ese momento. La diferencia entre estas frecuencias es directamente proporcional al retardo del eco, lo que permite medir exactamente la distancia.

La comparación entre estos dos conceptos es similar a la radiodifusión AM versus FM. Los sistemas de pulsos se parecen más a AM, ya que la señal es más susceptible a interferencia proveniente de distintas fuentes, tales como estructuras internas de un tanque, espuma, altas concentraciones de vapor y turbulencia. Por ejemplo, si la turbulencia es importante, un pulso puede llegar a dispersarse y perderse por completo debido a una pobre reflexión. El instrumento podría asumir incorrectamente que la reflexión del siguiente pulso es el pulso perdido, pero con un tiempo de retorno muy posterior, lo que equivale a leer una distancia mayor que la real. La exactitud de la medición también se ve afectada por cualquier deriva de la frecuencia del pulso e incluso por la temperatura dentro del tanque.

FMCW captura la información de la variable de proceso en el dominio de frecuencia, lo que soporta una conversión de señal más exacta. Su procesamiento de señal puede ignorar las fuentes de interferencia comunes. Además, FMCW ofrece una mayor sensibilidad de recepción y utiliza señales de mayor intensidad que los sistemas de pulsos, lo que le permite desempeñarse mejor en situaciones difíciles con turbulencia y espuma.

 

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Figura 3. NCR minimiza su extensión en el tanque y no toca el producto.

 

Todavía se usan ambas tecnologías: pulsos y FMCW

De la misma forma que la radio FM no ha eliminado la AM, todavía hay muchos instrumentos de radar con tecnología de pulsos. ¿Por qué no han sido reemplazados por FMCW?

La tecnología FMCW no es nueva; de hecho, existe desde hace décadas y sus ventajas tecnológicas han sido reconocidas desde el principio. La razón por la que quedan tantos instrumentos de pulsos tiene que ver en gran medida con el consumo de energía. Los instrumentos de pulsos son eficientes y permiten que los instrumentos GWR que usan WirelessHART puedan operar durante años con baterías.

En cuanto a FMCW, por definición, se suponía que eran dispositivos grandes y voluminosos de cuatro cables que consumían, al menos según los estándares de instrumentación, mucha energía. Si una fuente de alimentación no era conveniente, muchos usuarios se quedaban con instrumentos de pulsos a menos que alguna condición del proceso exigiera algo más sofisticado.

Pero esta situación ha cambiado. Al igual que muchos dispositivos electrónicos, los instrumentos FMCW ya son mucho más pequeños y más eficientes con una mejor utilización de la energía. Es por eso que los instrumentos de dos hilos FMCW NCR (figura 1) tienen cada vez más aceptación.

 

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Figura 4. La capacidad de FMCW de usar el cambio de frecuencia para determinar la distancia evita los problemas que pueden afectar las mediciones con pulsos.

 

Aplicaciones donde brilla FMCW

 

Espuma

Los líquidos con espuma pueden alterar la reflexión del eco, y es difícil predecir cómo interfiere con una medición exacta, ya que depende en gran medida de las propiedades de la espuma. Hay espumas que pueden amortiguar por completo la señal, mientras otras pueden ser transparentes.

El espesor, la densidad y la constante dieléctrica son factores clave que es necesario analizar. La espuma seca tiende a ser transparente, por lo que el instrumento lee la superficie real del líquido. Si la espuma es húmeda o especialmente densa, las microondas suelen reflejarse desde la superficie de la espuma, en cuyo caso lo que se ve como nivel es la parte superior de la espuma.

Los más recientes instrumentos FMCW incorporan una función de superficie dual, que le permite al usuario seleccionar la superficie de la capa de espuma o la superficie del producto subyacente como salida. Con esta función se puede medir la superficie del producto y no la capa de espuma.

FMCW tiene una mayor sensibilidad de recepción y utiliza señales de mayor intensidad que los sistemas de pulsos, por lo que funciona mejor en situaciones difíciles donde puede haber turbulencia y espuma.

 

Condensación

La tecnología FMCW, por lo general, no se ve afectada por condensación y vapor de baja presión, pero sí por una condensación intensa en la antena. En este caso, conviene purgar el aire para prevenir la obstrucción de la antena.

En aplicaciones de alta temperatura, se recomienda montar el transmisor en un tanque aislado. El aislamiento evita que la boquilla se convierta en un punto frío, provocando condensación y acumulación de líquido en la antena.

 

Tanques de almacenamiento, compensación y mezcla

La tecnología FMCW ofrece mediciones de nivel altamente confiables y exactas cuando se la aplica en recipientes tanto metálicos como no metálicos con cualquier líquido, incluyendo petróleo, gas condensado, agua o productos químicos. Estos transmisores no tienen partes en movimiento y no entran en contacto con el producto, lo que reduce el mantenimiento y mejora la seguridad. Si hay agitadores, se dispone de instrumentos FMCW que usan software para ver ecos falsos pasados para que la exactitud de la medición no se vea afectada.

 

Reactores

Las reacciones químicas pueden generar una variedad de condiciones dentro de los tanques, dando origen muchas veces a vapores, espuma y turbulencia, mientras la densidad puede variar como parte de la reacción y la presión ir desde vacío a presión positiva. Los instrumentos FMCW pueden soportar estos factores y ofrecer una medición exacta y confiable.

 

Vainas

Cuando el contenido de un tanque es turbulento, a causa de agitación, mezcla de productos o salpicaduras, puede quedar interrumpida la señal de retorno. Agregar una vaina reduce este efecto al aislar la superficie y bajar la turbulencia. En estos casos, por lo general, se utiliza GWR, pero los instrumentos FMCW también pueden ofrecer lecturas exactas dentro del espacio confinado de la vaina.

 

Conclusión

Las dos técnicas principales de modulación en instrumentos NCR (pulsos y FMCW) son eficaces pero, por su mayor sensibilidad y exactitud, FMCW resulta adecuada para aplicaciones exigentes. Los instrumentos FMCW de hoy en día son más compactos y ofrecen una alta eficiencia energética, lo que les permite operar con la baja alimentación suministrada por un lazo de dos hilos, lo que elimina la necesidad de una infraestructura de alimentación adicional.

 

Preparado en base a una presentación de Ingemar Serneby, de Rosemount Tank Radar, Emerson Automation Solutions.

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