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Medición de dos niveles de fases de líquidos en un reservorio utilizando sensores de ultrasonido basadas en la Transformada Wavelet

Artículo elaborado por: Néstor Saúl Castro Ingaroca Ingeniero de Instrumentación y Control en Anddes Perú nestor.castro@anddes.com




La medición de niveles de líquidos es una variable ampliamente considerada en diversas aplicaciones industriales y científicas, tales como procesos industriales en minería y petróleo. La medición de nivel en la mayoría de los casos tiene un alto impacto en la seguridad personal, el medio ambiente, el proceso, así como de influir en la calidad final del producto. La medición de nivel de líquido es determinada utilizando desde un simple flotador (boya) hasta un sofisticado sistema de medición haciendo uso de sensores ultrasónicos. En este último caso, es posible obtener la medición de varios niveles a través del procesamiento de las señales ultrasónicas transmitidas y el eco recibido de retorno. El objetivo del procesamiento de la señal recibida consiste en obtener el tiempo de tránsito (ToF– Time-of-Flight), que es la diferencia de tiempo entre el instante en que la señal ultrasónica se emite hasta el instante en que esta señal es detectada. De esta manera, es posible determinar el tiempo de tránsito (ToF) de un reservorio de altura conocida que contiene dos fases de nivel. Sin embargo, la estimación de tiempo de tránsito (ToF) requiere la consideración de las influencias ambientales, tales como la atenuación, el ruido aditivo, el ruido multiplicativo, produciendo una alta incertidumbre. Por lo tanto, se requiere un método de estimación del ToF con suficiente precisión y confiabilidad a fin de realizar la estimación de la medición de los niveles de fase con alta exactitud.


Figura 1. Configuración de los transductores para la medición de dos niveles.

En la Figura 1 se ilustra la configuración de los transductores ultrasónicos para la medición de dos niveles de líquidos, un emisor y un receptor. Así también, un reservorio (de altura conocida, L0) con dos fases, por ejemplo, agua y lodo (de parámetros conocidos). A partir de esta configuración, los niveles de fases L1 y L2 son estimados a través de la medición indirecta del tiempo de tránsito de la onda ultrasónica (t1, t2 y t3).

El método de medición utilizando transductores ultrasónicos se basa en la estimación del tiempo de tránsito (ToF), para lo cual se emite una ráfaga de ondas de ultrasonido y se determina el tiempo transcurrido entre la transmisor y receptor. Para este propósito, se pueden usar procedimientos adecuados para la estimación del ToF a partir de señales recibidas, tales como: filtro adaptativo, filtro de Kalman, detección del umbral, diferencia de fase y técnicas de correlación. Asimismo, es posible emplear la Transformada Wavelet que a través de sus propiedades de filtrado y detección del eco es una técnica alternativa a la estimación ToF con suficiente precisión.

La Transformada Wavelet es una herramienta matemática capaz de concentrarse en los transitorios de alta frecuencia, presentando un mejor desempeño que la Transformada Corta de Fourier (STFT). En este último caso, una vez que el tamaño de la ventana de frecuencia se selecciona, todas las frecuencias se analizan con la misma resolución en tiempo y frecuencia, siendo esto diferente a lo que sucede con la Transformada Wavelet, que tiene un tamaño de ventana adaptado a las frecuencias.

En la Figura 2 se ilustra el resultado de la simulación en la que se observa la señal de ecos recibida y la señal de detección de los tiempos de tránsito, ambos normalizados. Se debe observar que el tiempo de tránsito t1 es el instante de tiempo medido desde que la señal es transmitida hasta la detección del primer eco, el tiempo de transito t2 es el instante medido desde que la señal es transmitida hasta la detección del segundo eco y el tiempo de transito t3 es el instante medido desde que la señal es transmitida hasta la detección del tercer eco.

Figura 2. Señal original y señal de ecos detectados normalizados.

En el sector minero, la medición de dos niveles de líquidos o medición de interfases se aplica en espesadores de relaves para determinar el nivel de la cama de lodos y así poder controlar el torque de las rastras o ingreso de floculantes. En Anddes se han desarrollado proyectos con aplicaciones de medición de nivel en equipos de plantas procesadoras de mineral, como cajones bajo molinos, cajones distribuidores de pulpa, los cuales se ubican al inicio de la línea de flotación, así como en espesadores de relaves similares a lo mostrado de forma referencial en la figura 3.

      Figura 3. Espesador de relaves

En la Figura 4 se muestra la medición de nivel con sensor ultrasónico en un espesador de relaves.

Figura 4. Medición de nivel en espesador de relaves

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