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Codelco División AndinaSantiago, 25 de septiembre de 2013

Equipos de Medición de Nivel Ultrasónicos y Radares

Aplicación: Medición de Nivel en cubas de salida de Molinos.

El siguiente texto tiene como objetivo principal dar a conocer la mejora en la medición de Nivel enCodelco División Andina, referida como: “Medición de Nivel en Cubas de salida de Molinos” utilizandotecnología medición ultrasónica, como segundo apartado de este escrito se sentarán las razones técnicasdel por qué el uso de esta tecnología fue exitoso y las diferencias con la tecnología de radar, que si bien esuna alternativa válida de medición no presentaría los mismos resultados como el caso ya enunciado.

Paso a detallar la experiencia indicada anteriormente:

Descripción de la Aplicación:

Características de proceso:

- Cubas de almacenamiento, según las siguientes dimensiones:o Alto: 4 metros. Ancho: 5 metros. Largo: 4 a 5 metros.

- Material sólido chancado fino, con contenido de agua.- Fuerte presencia de vapores, producto del intercambio de calor de la pulpa saliente del molino y el

riego con agua fría.- Estado de material almacenado altamente turbulento.- Alta presencia de salpicaduras, producto barroso, por consiguiente riesgo de adherencia (build up).- Alto grado de vibración en la estructura en el cual se monta el sensor ultrasónico.

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A continuación algunas fotografías de la aplicación:

El resultado obtenido utilizando sensores ultrasónicos modelo FDU91, no consiguió medir demanera estable y con una frecuencia de mantención diaria no logró ser una medición confiable.

Desafíos de la Aplicación:

- Atmósfera al interior de la Tolva altamente contaminada. Presencia de vapores, turbulencia,vibración, adherencia de producto al sensor.

- Conseguir una medición confiable- Reducir las visitas de mantención a las unidades sensoras.

Instrumento utilizado:

- Transmisor Ultrasónico FMU90 con sensor FDU93

Diferencias técnicas Sensor FDU91 y FDU93.

Características Técnicas Sensor Ultrasónico FDU91 Sensor Ultrasónico FDU93Distancia de Bloqueo 0,3 m 0,6 mFrecuencia de Operación 43 Khz 27 KhzÁngulo de Propagación 9° 4°Rango de Medición 10 m 25 mPeso Aprox. 1,1 Kg Aprox. 2,9 Kg

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Rango de Medición y Atenuación en sensores FDU91 y FDU93

El rango de medición efectivo para cualquier modelo de sensor ultrasónico depende de lascondiciones de operación y el rango que permite medir un sensor en condiciones ideales, vale decir, sedeben determinar los factores que atenúan el sonido hacia y desde la superficie emitida por la antena,sumarlas y ubicar en un gráfico rango vs atenuación el modelo adecuado para la medición.

El siguiente ejemplo, muestra un caso de medición de nivel en silo tomando como referencia los valores deatenuación, según más abajo:

Tabla de Atenuación:

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Se requiere medir un rango de 8 metros, mientras que la sumatoria de factores atenuantes esaproximadamente 50dB. Haciendo coincidir ambos valores en el gráfico, resulta que la antena adecuada esel modelo FDU91.

Resultado del cambio implementado:

Reemplazar las unidades sensoras FDU91 por FDU93 logró mejorar notablemente la medición de nivelcontinuo de pulpa, dado que el nuevo sensor FDU93 tiene características más robustas que el modeloFDU91, estas son:

- FDU93 provee mayor rango de medición, hasta 25 metros- FDU93 trabaja con frecuencia de operación de 27 Khz. La calidad del eco es menos susceptible de

atenuación producto de vapores, turbulencias o polvos presentes en la atmósfera de la superficiedebido a que ocupa una frecuencia de operación más baja,

- FDU93 provee un ángulo de 4° de propagación a la superficie del producto medido. Consiguiendoconcentrar mayor energía en un mismo punto.

Las características mencionadas anteriormente resultaron en beneficios tanto para el proceso como alpersonal de mantención de Minera Codelco División Andina, estos puntos son:

- Mejoró considerablemente la estabilidad en la medición de nivel.- Considerable reducción de las visitas de mantención a estos medidores, con el modelo FDU91 las

mantenciones se realizaban diariamente, mientras que con el nuevo modelo FDU93 las visitas demantención se realizan una vez por semana.

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Equipos de Medición de Nivel Ultrasónicos versus Radares en “Medición deNivel en cubas de salida de Molinos”

Ya hemos evidenciado que el cambio implementado con sensor Ultrasónico FDU93 trabajaexitosamente, para ello debemos indagar un poco más en el principio de medición para el ultrasónico comoradar y de aquí determinar los factores que hacen que una tecnología sea óptima tanto a nivel Técnicocomo Económico en la decisión de un cambio tecnológico, a fin de conseguir un equipo no excedido enprecio ni técnicamente para una determinada aplicación.

Los equipos de medición de nivel ya sea radar o ultrasónico de Endress Hauser, funcionan bajo elprincipio de Tiempo de Vuelo (TOF, Time of Flight), lo que indica que la determinación del nivel seconsigue emitiendo un pulso de sonido o un pulso electromagnético (microondas) a la superficie del medioa medir. El tiempo de vuelo desde que se emite este pulso hasta que retorna a la antena es directamenteproporcional a la distancia recorrida, luego habiendo ingresado los parámetros geométricos del estanque osilo, principalmente la altura, se puede determinar el nivel de producto almacenado.

Ya se han mencionado dos términos importantes, pulso de sonido y electromagnético que desdeahora llamaremos de microondas. Los aspectos relevantes para estos dos tipos de señal se basan en elmedio que utilizarán para desplazarse hacia la superficie de producto a medir. La señal de ultrasonidoutilizará como medio el aire presente en la atmósfera, mientras que para el radar le es indiferente el mediode tránsito, puesto que las microondas pueden desplazarse hasta en el vacío.

Ahora bien, la calidad del pulso enviado a medir también se ve afecto a las condiciones de proceso,temperatura, presión, características del medio (polvo en suspensión, turbulencia, agitación, espuma de unmedio líquido, etc…), rango de medición requerido, precisión.

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Pero cuál es la característica que hace que cualquiera de ambas tecnologías funcioneadecuadamente, estas son:

Tecnología ultrasónica:

o Las ondas ultrasónicas son ondas mecánicas, por tanto, la reflexión de las ondasultrasónicas dependen del cambio de impedancia de la onda, luego se puede decir que unequipo de medición ultrasónica mide en función de los - cambios de densidad del medio –

Tecnología de radar:

o Las señales de microondas son ondas electromagnéticas, por lo tanto, la reflexión dependenecesariamente de los cambios de - constante dieléctrica (DC, εr) -

Si bien la aplicación que estamos analizando tiene elevados niveles de turbulencia, vapores,posibilidad de adherencia del producto medido, los rangos de presión y temperatura, vapores están dentrodel orden soportando por equipos de nivel ultrasónico, además de proveer otras características que losradares no pueden proporcionar de manera nativa como por ejemplo, la autolimpieza de antena productode la misma vibración de funcionamiento, evitando así la concentración de condensado y expulsando laposible adherencia de build up en la antena.

A continuación se detallará una tabla con los parámetros límites de funcionamiento y beneficios de ambastecnologías, posterior se detallarán argumentos para cada ítem relevante entre tecnología de ultrasonido yradar.

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Características de cada principio de Operación:

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Ventajas y aplicaciones límites:

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Observaciones de cada tecnología:

1. Un radar puede trabajar en condiciones muy elevadas de temperatura, hasta 400°C, por lo cual, nose justifica esta característica en la aplicación analizada. Un ultrasónico trabaja sin problemas enlos rangos de -40 a 150°C, por lo cual, el sensor de compensación de temperatura ayuda a laprecisión de la unidad.

2. Tanto radar como ultrasonido pueden llegar a medir hasta 70 metros de rango utilizando la antenaadecuada. Para el caso del ultrasónico quedó en evidencia en la experiencia anteriormente revisada,en donde el sensor FDU93, amplió el rango de medida acompañado con una frecuencia deoperación más baja lo cual, fortaleció la señal de sonido y haciéndola más inmune a las condicionesde operación.

3. Las condiciones de operación, pueden ir en desmedro en la estabilidad de la medición para ambastecnologías, entonces podemos indicar que una de las características que hacen a una antenaultrasónica pueda trabajar más tiempo y libre de mantención bajo ciertas condiciones, es que lamisma vibración de operación de la antena ultrasónica provee auto limpieza evitando adherencia ycondensación.

4. Respecto a las antenas, dado que los radares principalmente tienen su construcción de antena enacero inoxidable, no siempre podrían ser aptas en condiciones en que se puedan generar vaporescon algún grado de corrosión, se deben seleccionar antenas especiales con un costo mayor,mientras que las antenas de los equipos ultrasónicos por default son construidas en algún polímerocomo UP o PVDF que los hacen más resistentes a agresiones químicas sin pagar un costo adicional.

5. Si bien un radar puede trabajar a altas presiones (hasta 16 bar), un ultrasónico puede trabajar sólohasta 3 bar, de todos modos, este rango de presión de operación es adecuado para la aplicaciónestudiada.

6. Respecto al medio de transmisión ya sea para el ultrasonido o radar. Si bien los cambios dedensidad del aire, producto de las variaciones de temperatura sobre el nivel de producto podríanafectar al ultrasonido, esta tecnología ocupa compensación de temperatura en su antena lo cual,tiene como superar este impase, por otro lado, como vimos anteriormente el sonido se reflejarácuando vea un cambio de densidad en su camino, por lo cual, si el sonido es emitido en un ambientecon presencia de vapor, el ultrasónico entenderá como medio de transmisión natural esta condicióny mientras se encuentre viajando a la superficie de nivel, rebotará porque ahí encontrará un fuertecambio de densidad en el ambiente con vapor y el producto a medir, por tanto, tiene más chance dever el nivel bajo esta condiciones. Ahora, para la tecnología de radar, vimos que basa su reflexión demicroondas en función de la constante dieléctrica del medio a medir, entonces como la constantedieléctrica del agua es muy similar a la del vapor, ocurrirá que al momento de emitir la señal de

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microondas este tendrá un cantidad de rebote o de atenuación producto del ambiente de vapor endonde mide, si bien esta tecnología puede trabajar bajo esta condición, se deben elegir los tamañosde antena adecuado y frecuencias de propagación para su buen funcionamiento.

7. Un sensor de ultrasonido, tiene un precio más accesible que una unidad de radar.

8. Un sensor de ultrasonido es más versátil respecto a cantidad de sensores que pueden estar insertosdentro el mismo silo o estanque sin interferirse, para ello basta sincronizarlos. Se puede llegar asincronizar hasta 10 sensores de la serie FDU9x.

9. Un sensor ultrasónico tiene más posibilidad de salida que un radar. Vale decir, un sensorultrasónico permite varias salidas de corriente, relés. Mientras que un radar a lo más permite dosseñales análogas, pagando un costo mayor.

Con los puntos anteriormente mencionados, podemos indicar que la tecnología de ultrasonido esapta para la aplicación en la cual se desarrolló la experiencia, por lo cual, la tecnología es equilibradatanto en precio como características técnicas consiguiendo un equipo óptimo y no sobredimensionadopara la aplicación de “Medición de Nivel en cubas de salida de Molinos”.

Con lo anterior no se pretende ir en desmedro de la tecnología de radar, sino que nuestra intenciónes indicar que esta tecnología la recomendamos fuertemente cuando el primer filtro de selecciónultrasónica no pasa técnicamente, debemos utilizar tecnología de radar también con muy buenosresultados, pero también a un costo mayor.

Por favor, si Usted tiene alguna consulta o sugerencia, por favor, no dude en comunicarme.

Julio NahuelProduct Manager Level & PressureEndress+Hauser