MEDICIÓN DE NIVEL EN LÍQUIDOS INMISCIBLES CON UN SENSOR ULTRASÓNICO INTELIGENTE

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1 MEDICIÓN DE NIVEL EN LÍQIDOS INMISCIBLES CON N SENSOR LTRASÓNICO INTELIGENTE Andrés Restrepo Girón, Julio Millán Baro, Asfur Barandia López, Eduardo Caiedo Bravo Grupo Perepión y Sistemas Inteligentes Esuela de Ingeniería Elétria y Eletrónia niversidad del Valle A.A. 536 adareg@latinmail.om, jemilla@hotmail.om, asfur@eiee.univalle.edu.o, eaiedo@eiee.univalle.edu.o Resumen. Este artíulo propone la implementaión de un dispositivo para la mediión del nivel de dos líquidos no misibles utilizando ultrasonidos. Se desarrolla un análisis teório de la propagaión de este tipo de ondas y del onepto de impedanias aústias, puntos laves para abordar el diseño del instrumento. Posteriormente se explia en términos generales el meanismo de mediión, el iruito analógio que genera, aptura y aondiiona la señal ultrasónia y el miroontrolador que la digitaliza y proesa, obteniendo el nivel de los dos líquidos. Por último, se muestran los resultados alanzados on un prototipo implementado en un modelo de tanque y las onlusiones de la investigaión. Palabras Claves: Ingeniería Eletrónia, Perepión y sistemas inteligentes, Instrumentaión Eletrónia, Sensores inteligentes, ltrasonidos. I. INTRODCCIÓN El objetivo de este trabajo es presentar la investigaión realizada por los autores en el ampo de la mediión de nivel en líquidos no misibles on ultrasonidos. La importania del tema radia en las diferentes apliaiones que puede tener el dispositivo aquí presentado, en la industria, prinipalmente por la novedad de detetar on preisión interfaes entre líquidos on ultrasonidos. Por ejemplo, en tanques de almaenamiento de derivados del petróleo donde en la parte inferior se aumulan aguas residuales y por tanto se requiere medir el nivel del agua y el nivel del derivado del petróleo al interior del tanque, omo se apreia en Figura. Figura. Modelo del tanque de experimentaión. II. MARCO TEÓRICO [][][3] La idea entral alrededor de la ual se desenvolvió el trabajo es el prinipio físio según el ual toda vibraión al sufrir un ambio de medio de propagaión, experimenta un reflejo de parte de su energía, mientras que el resto penetra haia el siguiente medio en su trayetoria. Es ideal en este aso que el eje del lóbulo de radiaión sonora llegue perpendiularmente a la superfiie de separaión de los dos líquidos para que de auerdo a la ley de Snell, el punto de máxima potenia del eo llegue bastante era al sensor piezoelétrio; además es de notar que en los líquidos no se generan ondas de izalladura (o transversales), ni ondas superfiiales (o de Rayleigh), lo que simplifia el problema. La porión de energía reflejada está dada por la relaión:

2 E r E i + () ( K ) 4π f 4η k α + (5) 3 3 p donde E r energía reflejada; E i energía inidente,, densidades de los medios y,, veloidades de propagaión del sonido en los medios y. La anterior relaión traduida a amplitud de la vibraión (a la que será proporional el voltaje de salida del sensor al atuar omo reeptor) queda: r i + El término. se denomina impedania aústia del medio, y puede verse en () que onforme los dos medios se parezan más en este parámetro, la fraión de vibraión reflejada será muho menor. Así por ejemplo, en una superfiie de separaión entre petróleo (.7 g/m 3, 33 m/s) y agua ( g/m 3, 43 m/s) se tendría una onda reflejada on el % de la amplitud del haz inidente, y otro eo proveniente del fondo del tanque on el 6% de la amplitud iniial emitida (en su amino de vuelta desde el fondo, el haz ruza de nuevo la interfae de líquidos), todo ello sin tener en uenta las pérdidas que la radiaión ultrasónia sufre en su amino. Ahora bien, ualquier vibraión ultrasónia sufre pérdidas por dispersión y por absorión. La dispersión que es mayor entre menos diretivo sea el haz produido por el ristal, se rige por la relaión inversa: ( x) (3) x donde (x) es la amplitud de la onda en funión de la distania x, y es la magnitud iniial de emisión. mientras tanto, la absorión está dada por una exponenial inversa: ( x ) e (4) donde α es la mitad del llamado oefiiente de absorión, definido por Stokes y Kirhoff omo: () donde η oefiiente de visosidad; f freuenia de la onda; densidad media; veloidad del sonido; K relaión entre alores espeífios a volumen y presión onstantes; p alor espeífio a volumen onstante; k ondutividad térmia. En los líquidos el fator más relevante dentro de los que se enuentran entre paréntesis es la visosidad, y en muhos asos, en líquidos de estrutura moleular más ompleja, entre ellos los hidroarburos, la euaión (5) predie menos absorión de lo que en realidad se apreia experimentalmente. Los dos efetos ombinados quedan expresados entones omo: ( x) e x (6) Como se notará, el requerimiento de ganania en el iruito es elevado, sobre todo debido al primer eo que llega on muy poa potenia; para ello además de usar varias etapas amplifiadoras que brindan una ganania iniial, usamos una etapa de ganania programable manejada por un miroontrolador, la ual aumenta la amplifiaión desde un valor de en una antidad definida en segmentos de tiempo iguales (equivalentes a segmentos de distania). Si el ajuste pudiera ser ontinuo y no disreto, lo que tendríamos sería una reta: Kx+ (K es el inremento de ganania onstante), que al multipliarse on (6) ompensaría en parte el efeto de la dispersión : e ( x) K e + x ya que el término e -αx deree más lentamente que e α x / x. Aunque se lleva a abo en forma disreta, diho ajuste responde bien al resultado deseado, además porque resulta mejor desde el punto de vista del ruido, ir dosifiando la amplifiaión aumentándola sólo uando sea neesario, es deir, uando el eo tarde más en apareer (que es lo mismo a aptarlo más débil). La relaión entre la distania x reorrida por una onda y el tiempo t, denominado tiempo de vuelo, que emplea en haerlo lo mara la veloidad de grupo de la onda o veloidad del sonido en el medio:. (7) f

3 A ausa de la estrutura ristalina y la meánia del sensor, la señal aptada está ompuesta por una osilaión a la freuenia de resonania del ristal: sen(πf t + φ) (8) multipliada por una envolvente de la forma: Lo anterior es apliable a los dos eos que se deben aptar ya que el propósito es identifiar dos niveles; llamando t f y t f a los tiempos de vuelo del primero y del segundo eo respetivamente, y, a las veloidades del sonido en los líquidos y, los niveles orrespondientes serán: a( t t) a e ( t t ) e 4 (9) t f nivel (Np de la Figura ) ( t f t f ) nivel (Nag de la Figura ) () donde: t es el tiempo iniial de la señal, es el valor pio de la envolvente aptada, Finalmente a es un parámetro que arateriza al sensor utilizado y que determina que tan angosta o anha es la forma de la señal. La manera más prátia de detetar una señal de este tipo es omparar lo que se reibe en el iruito on una tensión umbral fija, para que al superarla se genere un disparo de salida; pero se observa que a medida que el eo llegue más débil ( menor) la señal demorará más en superar el umbral, de modo que si se toma omo base el tiempo desde que se emite hasta que se deteta el eo para deduir el nivel, tendremos un error adiional en la medida que se inrementará on niveles mayores. Hay dos opiones: se puede trabajar on un umbral dinámio, pero en un sistema on tanta ganania, el ruido amplifiado limita el desenso del valor umbral de deteión; la segunda onsiste en estimar el tiempo de vuelo on el análisis de la envolvente apturada. Derivando (9), igualando a ero y despejando t, resulta: t máx t + a () es deir que no importa qué tan pequeña sea la envolvente (para un a fijo) el tiempo orrespondiente a su valor máximo t máx está siempre a un mismo valor del tiempo iniial t, de modo que para averiguar éste basta aproximar t máx mediante proesamiento digital siempre que el eo no llegue saturado; si se satura es más preiso aproximar el tiempo de vuelo on base en el tiempo de deteión t d. El intervalo entre el instante (t) y t es efetivamente el tiempo de vuelo t f (viaje de la onda ida y vuelta); de aquí el nivel es simplemente: nivel. t f / y () III. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICIÓN DE NIVEL [4] A. Hardware. El sensor: para la apliaión se empleó el sensor TBA8A de Murata, espeial para mediión de distanias y omuniaiones submarinas, on una freuenia de resonania de Khz, sensibilidad de transmisión de 58 db ( db/µbar a m/v) y sensibilidad de reepión de -9 db ( db/v/µbar). El método de exitaión más omún en la mediión de distanias es la transmisión de uno o varios pulsos haia el medio de propagaión. Dado que el prototipo se probó on niveles relativamente pequeños se optó por la emisión de un sólo pulso, obteniéndose buenos resultados en definiión y en amplitud del eo. Diho pulso no puede exeder los 8 V sin ensanharse demasiado, de modo que la potenia final es apenas una fraión pequeña de los 4 W pulsados que omo máximo aguanta el ristal.. Ciruito de adeuaión de señal (Fig. 3): en la adena de reepión e inmediatamente después del sensor se enuentra un par de diodos en ontrafase para evitar transitorios grandes en el iniio del proeso de medida. Con ello se logra reduir la zona muerta por debajo de los m de líquido. Posteriormente, viene un simple seguidor de voltaje para aoplar impedanias y luego el filtro de banda de paso, entrado en los khz, on un anho de 3 khz. Le sigue al filtro la etapa de ganania programable digitalmente (PGA) ompuesta por un operaional on ganania fija, y otro al ual va ligado un arreglo de 4 resistenias en paralelo que ofree por tanto, 6 valores posibles de amplifiaión programados por el miroontrolador. A partir de aquí el paso a ejeutar es retifiar los eos, lo que se onsiguió on un retifiador ideal de media onda basado en un amplifiador operaional. Prosiguiendo en forma similar a la demodulaión de una señal de AM, después de la retifiaión viene un filtro pasabajos que elimina el espetro loalizado alrededor de los khz,

4 obteniéndose a su salida la envolvente esperada (ver Fig. ). Se utilizó un filtro ativo de segundo orden por uanto se obtiene una exelente atenuaión de la osilaión de khz frente a una distorsión aeptable desde el punto de vista de la apliabilidad de la aproximaión matemátia expresada en (9). Figura. Eos a la salida del filtro pasa bajos. Después del filtro se tiene una etapa de ajuste de offset neesaria para impedir que la elevada amplifiaión que es apaz de alanzar el iruito (unos 75 db antes de esta etapa) haga que el nivel de offset supere el umbral de deteión y dispare entones el omparador, último elemento de la iruitería de reepión, haiéndole reer al miroontrolador que detetó un eo. Por otro lado, se orrige la influenia de la temperatura sobre la veloidad del sonido razón por la ual se uenta on un iruito senillo de mediión de temperatura basado en un LM35DZ, on el fin de realizar una ompensaión en la determinaión de la medida final. El otro iruito diferente al de reepión ultrasónia es el sistema digital que aompaña al miroontrolador MC68HCA de Motorola, enargado de ejeutar las rutinas de proesamiento y ontrol. B. Software de ontrol y proesamiento: ada ilo de medida omienza on la desativaión de la entrada de reepión, la letura de la temperatura para extraer on ella las veloidades del sonido en los dos líquidos habilitar nuevamente la línea de reepión y esperar un tiempo equivalente a la zona muerta. na vez transurrida esta espera, el miroontrolador entra en la rutina de manejo del arreglo de resistenias del PGA, en donde ada paso de ganania se tradue en un inremento de en la amplifiaión del mismo. El programa en realidad puede trabajar on una duraión de paso de ganania uando se espera el primer eo proveniente de la superfiie de separaión de los líquidos, distinta a la duraión del paso de ganania uando se espera el primer eo proveniente de la superfiie de separaión de los líquidos, distinta a la duraión del paso de ganania uando se espera el segundo eo proveniente del fondo del tanque, y adiionalmente es apaz de ambiar automátiamente dihos tiempos si determina que uno o ambos eos se saturan o están era de volverse indetetables al final del iruito de reepión. Mientras la anterior rutina se ejeuta el miroontrolador está listo a apturar los dos eos; a pesar de que existe una sola línea que le india la deteión de los mismos, de ésta se distribuye la señal de disparo haia dos líneas de entrada de aptura del MC68HCA para que los eos generen interrupiones separadas. na línea de entrada de aptura se arateriza por tener asoiada un registro que guarda el valor del temporizador prinipal uando haya un flano (positivo o negativo según la onfiguraión) en diha línea, on la posibilidad de generar una interrupión externa. En el mejor de los asos y de mayor ourrenia, los dos eos llegan lo sufiientemente separados entre sí en el tiempo omo para produir dos pulsos de disparo perfetamente difereniables. En la interrupión generada por el primer eo, mientras el onversor A/D interno omienza a registrar las primeras muestras de la envolvente, se deshabilita la propia línea que reibió el disparo y se habilita la línea on su respetiva interrupión enargada de detetar el segundo eo; así si los eos llegan tan juntos que el segundo disparo se origine al tiempo que apenas se está terminando la rutina de atenión de la primera interrupión, diho disparo será detetado por la segunda línea ya habilitada, guardando el tiempo de deteión del segundo eo automátiamente y a la vez que se siguen ejeutando instruiones. Se asegura entones la deteión del segundo disparo no importa uándo se dé. Si los eos se detetan de forma que se solapan, el miroontrolador seguirá muestreando la señal aondiionada a partir del primer disparo registrado y hasta que el valor onvertido no aiga por debajo de un valor mínimo de onversión (inferior al valor de umbral) o se llegue al número máximo de muestras. En esta situaión para identifiar los dos eos se hae un barrido por el onjunto de muestras busando el primer valor máximo (pio del primer eo), un valor mínimo (lo que augura la existenia de otro eo) y un segundo máximo (pio del segundo eo). El resto del software se dedia a alular los tiempos de vuelo haiendo algunos ajustes, si se neesitan, para oniliar la freuenia de muestreo on las araterístias de las envolventes, y por último en arrojar los resultados de nivel en entímetros de los dos líquidos. IV. RESLTADOS Las araterístias del sistema dependen en buena medida de la resoluión del temporizador prinipal del

5 MC68HCA, además, laro está, de la distorsión y los retardos del hardware. Ensayando on diferentes niveles se omprobó la veraidad del omportamiento, sobre todo, del primer eo, y se obtuvo una exatitud aproximada de ±3 mm para el aeite usado de automóvil y ±3,5 mm para el agua, on una repetibilidad igual a la resoluión; esta resoluión de,5 mm fue el mejor valor para oniliar la exatitud on la resoluión de 4 µs del temporizador del miroontrolador. Con sus 6 pasos de ganania de 8 µs ada uno (elegidos arbitrariamente y equivalentes a unos ms) el sistema tiene un rango de medida en teoría de 6 m, pero en la prátia y ajustando la duraión de los pasos de ganania, el alane puede aumentar onsiderablemente. Por otro lado, el tiempo de respuesta desde la emisión a la disponibilidad de los niveles es de aproximadamente 65 ms, mientras que la rata de variaión máxima de los niveles alulada es de 57 m/s, lo que supera on rees las variaiones en situaiones reales similares. Existen dos fatores que independientemente al sistema eletrónio influyen en la alidad de la reepión: en primer lugar, entre mejor definida esté la separaión entre los líquidos más estable y de mayor magnitud será el primer eo, siendo la amplia disminuión de su magnitud lo más notable uando se uenta on una interfaz muy irregular. En segundo lugar, para un sensor flotando sobre el aeite omo en el prototipo es importante evitar que el oleaje de la superfiie del líquido haga osilar el eje de radiaión del sensor, razón por la ual es neesario un montaje meánio que atenúe los desplazamientos horizontales del sensor. V. CONCLSIONES En el presente artíulo se trató la teoría y la implementaión de un sensor ultrasónio de nivel uya araterístia esenial es la de permitir estableer los niveles de dos líquidos inmisibles almaenados en un mismo tanque, tal omo el agua y ualquier sustania oleaginosa. El poder detetar el eo proveniente de la interfaz de los dos líquidos fue el problema entral a resolver, requiriéndose una buena dosis de amplifiaión aompañada de los filtros neesarios para eliminar en el mayor grado posible el ruido y las osilaiones parásitas. Con ésto y una uidadosa deteión de los eos, así omo el ajuste por software de la informaión extraída de sus envolventes se logró reduir el error a menos de 4 mm en la medida y una resoluión de,5 mm. En un futuro podrá mejorarse la exatitud y aumentar la resoluión on el uso de un miroontrolador más veloz; igualmente podría utilizarse una nueva ténia de exitaión para el sensor e inorporarse dispositivos de onmutaión rápida en la etapa de emisión on el propósito de inrementar el alane aumentado la potenia transmitida. VI. REFERENCIAS [] CARLIN, Benson. ltrasónia. Editorial rmo. España, 979. [] FREIRE, Eduardo. Desenvolvimento de um sistema de sensoriamento ultra-sonio para un robo móvel om ontrole baseado em agentes. Trabajo de Maestría en Ingeniería Elétria. niversidad Federal del Espiritu Santo. Marzo de 997 [3] PARRILLA M., ANAYA J.J., FRITSCH C. Digital Signal Proesing Tehniques for High Auray ltrasoni Range Measurements. IEEE transations on Instrumentation and Measurements, Vol. 4, No. 4, August 99, p [4] RESTREPO, A., MILLAN, J. Mediión de nivel en líquidos inmisibles on un sensor ultrasónio inteligente. Tesis de pregrado. Esuela de Ingeniería Eletrónia. niversidad del Valle Multipliador de tensión Conformador del pulso Conmutaión en línea Filtro Pasabanda a PGA retifiador NIDAD CENTRAL MICRO CONTROLADOR Comparador y disparador Ajuste de offset Filtro Pasabajos A/D Mediión de temperatura