Endress+Hauser – Diferencias entre Métodos para la Medición de Nivel con Radares: Pulsos vs FMCW

Por: Alfredo Sánchez
Level+Pressure Product Manager en Endress+Hauser México

Figura 1. Medición en Tanque.

En la medición de nivel en líquidos como en sólidos, existen muchos y diferentes retos. Por un lado en líquidos, podemos encontrar procesos muy fáciles de medir pero, también procesos mucho más complicados, como es el caso de excesivo vapor a altas presiones y Temperaturas, superficies muy agitadas, espuma excesiva, obstáculos mecánicos, entre otras cosas.

Por otro lado, los sólidos presentan otras características retadoras, como puede ser diferentes granulometrías, piedras muy grandes o polvos muy finos, perfil de la superficie formando un cono positivo al llenado y un cono negativo al vaciado, polvos excesivos, mayormente productos con baja constante dieléctrica (dK), entre otras cosas. Si escogemos el radar inadecuado, o no va a funcionar, o está sobrado y provocando mayores gastos. Hay diferentes métodos de procesamiento de señales y cada uno puede manejar diferentes frecuencias. Conocer ventajas y desventajas nos ayudará a una mejor selección y no casarnos con una sola frecuencia.

Existe un término conocido como ToF (Time of Flight, tiempo de vuelo), este es un principio de funcionamiento de algunos radares, radares guiados y ultrasónicos. A lo que se refiere es a que toma el tiempo en que las ondas salen de la antena, viajan por el medio, chocan con el producto a medir, rebotan y vuelven a llegar a la antena. Dado que se conoce la velocidad de las ondas electromagnéticas (velocidad de la luz) y de las ultrasónicas (velocidad del sonido), se mide el tiempo que tardaron las ondas en ir y regresar, de esta manera se puede calcular la distancia de la antena a la superficie del producto. Luego, con base al ingreso de los datos del tanque, el equipo calcula el nivel del tanque, ver figura 1.

Figura 2. Método de Pulsos.

Hay dos métodos para hacer todo este proceso dentro del radar. Por un lado se puede hacer mediante un tren de Pulsos (ver figura 2), mientras que por otros lados se puede hacer mediante Frecuencia Modulada de Onda Continua, FMCW (Frecuency Modulated Continous Wave) ver figura 3.

En el primer método, simplemente denominado “de Pulsos”, se emite un tren de pulsos, por lo tanto se reciben la misma cantidad de pulsos. Idealmente, todos los pulsos de ondas que recibe serían a la misma distancia (tomaría el mismo tiempo). Sin embargo, este no es el caso, casi todos los pulsos difieren, incluso algunos están muy alejados del promedio. Para determinar cuál es la distancia “real”, se toma un tren de cierta cantidad de pulsos, y se estudia su dispersión mediante una campana de Gauss.

Todos los que estén fuera del doble de la desviación estándar (2σ) se discriminan, mientras que los que están dentro, se promedian. Por ejemplo, si consideramos 10 pulsos, y 8 de ellos miden cerca de 3m, pero los otros 2 miden 1m y 4m, entonces estos últimos se discriminan y los otros 8 se promedian para dar un valor, por ejemplo, de 8.02m. Esto ya nos da un valor que probablemente todo el proceso le toma 10ms y luego comienza con otro proceso que tomará otros 10ms y dará otro valor muy similar; y así sucesivamente. Este método ha probado ser muy eficiente y puede ser usado en el 90% de las aplicaciones, entre las principales ventajas que puede tener es la velocidad de respuesta y que sus componentes pueden soportar temperaturas altas, por lo que hay radares TOF que pueden estar en tanques con procesos de hasta 450°C.

El segundo método, FMCW, fue estudiado y se trató de implementar desde la década de los 70´s, sin embargo, dado a la estabilidad de los componentes de ese entonces, no se tenía buena estabilidad, sobre todo por temas de temperatura. Pero con los componentes modernos, se ha logrado tener la estabilidad requerida para una operación confiable.

Figura 3. Método FMCW.

Mientras en el método de pulsos, se envía un tren de pulsos, se reciben y se procesan para luego enviar otro tren de pulsos, en el FMCW, todo el tiempo se está enviando ondas electromagnéticas, no se modula por pulsos. Por tanto, requiere otra forma para determinar la distancia que habrá de la antena a la superficie del producto. Para este método, la frecuencia va variando en forma de un tren de rampas, por ejemplo, de 78GHz a 82GHz. La antena esta enviando y recibiendo todo el tiempo y compara la frecuencia de las ondas recibidas contra las enviadas. Por ejemplo, si el radar se da cuenta que está recibiendo ondas de 79GHz justo en el momento que esta enviando ondas de 78.5GHz, sabe que en ese justo momento, la diferencia entre las enviadas y las recibidas es de 0.5GHz, Dado que el equipo sabe cuanto tiempo tarda en

cambiar las ondas emitidas 0.5GHz, entonces puede saber cuanto tiempo tardó la onda en ir y regresar. Esto es, de modo más indirecto, pero el FMCW también mide el tiempo en que la onda va y vuelve, determinando así, la distancia de la antena a la superficie del producto.

Resumiendo FMCW, ver figura 4, primero determina la diferencia en frecuencias entre las ondas enviadas y recibidas en un instante determinado, esa diferencia en frecuencia la convierte en tiempo que tardó la onda en ir y regresar, ese tiempo lo convierte en distancia de la antena al producto, mediante la parametrización, se puede saber el nivel del tanque ya sabiendo la distancia de la antena al producto.

Sin embargo, es justo señalar que, para obtener la diferencia en frecuencia, la electrónica hace muchas más operaciones que el radar de

pulsos. Ya que deja de trabajar en el dominio del tiempo para comenzar a trabajar en el dominio de la frecuencia (Fourier). Entre las ventajas de este método es que se pueden usar frecuencias más altas que en el método de pulsos.  Entre las desventajas es que, al hacer más cálculos, su tiempo de respuesta es más largo que el de pulsos.

Figura 5. Clasificación de Bandas de Frecuencia Electromagnética

Además, aunque ya es mucho más estable, aún sigue siendo más vulnerable a altas temperaturas, comparado con los de pulsos.

Figura 4. Principio de Medición.

La frecuencia electromagnética está clasificada en Bandas, ver figura 5, típicamente los radares comerciales caen dentro de una de las tres bandas, C, K o W. En la banda K caen los equipos que operan a 26GHz son equipos que funcionan por pulsos, en la W son equipos que operan de 78 a 82GHz y funcionan por FMCW; mientras que los equipos de la Banda C, operan a 6GHz y pudieran funcionar por Pulsos o por FMCW, dependiendo del modelo. Existen otros equipos que pueden operar a 24GHz u otras frecuencias, pero siempre dentro de estas tres Bandas.

¿Cuál es la mejor frecuencia?

Tres frecuencias comerciales han demostrado cubrir cualquier aplicación en los procesos industriales. Cada una de las frecuencias o métodos de procesamiento de señales tiene características que los hace más idóneos o menos, dependiendo de las características del proceso. Por ejemplo, para superficies turbulentas o condensación, los 6GHz han demostrado tener mejor funcionamiento sobre la de 26GHz u 80GHz. Pero si se trata de un recipiente con muchos obstáculos, la de 80GHz es una mejor selección dado que el haz está mucho mejor enfocado, esto es, el ángulo de apertura del haz es más pequeño.

Figura 6. Frecuencias de Operación.

En Procesos con cambios rápidos, los 26GHz son mejores que los 80GHz ya que el método de pulsos es más rápido que el de FMCW. Si la conexión a proceso es muy pequeña, entonces, el de 80GHz tiene clara ventaja, pero si se trata de un tubo tranquilizador, nada es mejor que los 6GHz. Altas temperaturas, entonces 26GHz tiene ventaja sobre 80GHz. Pero si hablamos de una pierna de nivel, el radar guiado tiene mejor comportamiento, solo si dicha pierna tiene válvula que se requiere cerrar para mantenimientos, entonces 26 GHZ es la mejor opción. Todas las frecuencias son mejores para alguna aplicación.

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