Prototipo Industrial de un Medidor Ultrasónico

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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 airelíquido 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.
Fig. 1. Representación de un sistema de medición de nivel por tiempo de
Descriptores—Medición de nivel,
transductores ultrasónicos, ultrasonidos.
tiempo
de
vuelo,
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
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:
t =
2d
v
(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
centígrados) es:
(en grados
c (T ) = V 0 + 0 . 607 T (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.
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:
p (t ) = sin [2 π f (t − t 1 ) + θ ] (3)
u
(t ) =
C
(t
− t1
)n
e − a (t − t 1
)
(4)
El producto de estas dos ecuaciones describe la señal de eco
ultrasónico (5):
v (t ) = C (t − t1 )n e − a (t − t1 ) sin [2 πf (t − t1 ) + θ ] (5)
en donde v(t ) es la tensión generada en el transductor, C es
una constante relacionada con la amplitud, t es el tiempo, a
y n son constantes empíricas que dependen del transductor,
f es la frecuencia de la onda, θ la fase de la onda y t1 el
tiempo de inicio del eco [2], [4], [6].
Si se deriva la ecuación (5) y se iguala a cero se puede
encontrar el punto máximo de la envolvente t max :
t max = t 1 +
n
(6)
a
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
Umbral
dinámico
Tonos mas
umbral
Ondas
interferentes
Digitalización
de fase
Modulación
AM
Correlación
cruzada
Máximo del
eco
Medio
Alto
Baja
Media Baja
Baja
Media
Medio
Baja
Media
Baja
Media
Media
Media
Bajo
Alta
Media
Media
Medio
Alta
Alta
Alta
Fig. 2. Descripción paramétrica de la envolvente de la señal de eco.
Bajo
Alta
Alta
Alta
Medio
Alta
Media
Alta
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:
Alto
Alta
Media
Alta
C=
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
a n en U
nn
(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 ( t max ) 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.
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):
t1 = t m − t x % (8)
En donde t1 es el tiempo de inicio de la señal de eco, t m es
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 t x % 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 t x % 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):
u (t x %
)=
anen
n
n
(t x % )n e − at x %
(9)
En esta ecuación el tiempo de inicio del eco t1 se ha
asumido como cero y el valor de amplitud máxima de la
envolvente U como uno. u (t x % ) 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 u(t x % ) 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 t x % es
aquel que se encuentra después del pico de la envolvente
como se muestra en Fig. 3.
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.
Umbral% =
R2
*100%
R1 + R 2
(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.
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).
Fig. 6. Circuito de detección de tiempo de vuelo y validación de eco
Fig. 7. Señales 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 m 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.
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):
d=
1
1
c a t 1 = c a (t m − t x % ) (11)
2
2
en donde c a 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.
Para dar mayor precisión a la medida, el tiempo t x % es
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 t x % .
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
20
1005
1004
15
ERROR (mm)
DISTANCIA (mm)
1003
10
1002
1001
1000
5
0
999
-5
1500
13:41
13:28
13:14
13:00
12:46
12:32
12:18
12:04
11:50
11:36
11:22
11:08
10:54
10:40
10:26
9:58
10:12
9:44
9:30
9:16
9:02
8:48
8:34
8:20
8:06
7:52
7:38
7:24
7:10
6:56
6:42
998
1900
2300
2700
3100
3500
3900
4300
4700
5100
5500
DISTANCIA (mm)
TIEMPO DE LA MUESTRA
Fig. 11. Error medido vs. Distancia
Fig. 8 Estabilidad en la medida de distancia del equipo a 1000mm
3508
DISTANCIA (mm)
3506
3504
3502
3500
3498
TIEMPO DE LA MUESTRA
Fig. 9. Estabilidad en la medida de distancia del equipo a 3500mm
5508
5506
6:15
6:01
5:46
5:32
5:17
5:03
4:48
4:34
4:19
4:05
3:50
3:36
3:21
3:07
2:52
2:38
2:23
2:09
1:54
1:40
1:25
1:11
0:56
0:42
0:27
0:13
23:58
23:44
23:29
23:15
23:00
22:46
22:31
3496
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 = I (O salida, I entrada) , la
respuesta
real
del
equipo
está
dada
por:
O = 0.997256 * I + 2.6585 [mm]. La alinealidad máxima
porcentual en el rango medido es igual a 0.064841%.
5502
V. CONCLUSIONES
5500
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.
5498
5496
5494
5492
TIMEPO DE LA MUESTRA
Fig. 10. Estabilidad en la medida de distancia del equipo a 5500mm
TABLA II.
RESULTADOS PRUEBAS DE ESTABILIDAD
Distancia real (mm)
Distancia prom. (mm)
Tº prom (ºC)
Tº max (ºC)
Tº min (ºC)
Desviación max (mm)
Desviación media
Desviación estándar
Error max (%)
Exactitud (%)
Precisión(%)
1000
1001.25
25.5
29.1
22.9
4
0.6635
0.8466
0.40
99.6
99.72
3500
3501.24
23.1
23.9
22.4
6
0.8762
1.1300
0.17
99.83
99.86
5500
5498.82
23.4
24
22.9
7
1.7209
2.1359
0.13
99.87
99.85
PROM= PROMEDIO, MAX= MÁXIMO, MIN= MÍNIMO
7:28
7:11
6:55
6:38
6:21
6:05
5:48
5:31
5:15
4:58
4:42
4:25
4:08
3:52
3:35
3:19
3:02
2:45
2:29
2:12
1:56
1:39
1:23
1:06
0:49
0:33
0:16
0:00
5490
23:43
DISTANCIA (mm)
5504
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(2004). . Su área de interés son la instrumentación, automatización industrial y
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(1989). Profesor de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la
misma universidad desde 1994. Su área de interés son las comunicaciones
industriales y los transductores inteligentes.