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Portada UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL CIRCUITOS ELECTRICOS E INSTALACIONES ELECTRICAS INDUSTRIALES

“SENSORES BASADOS EN ULTRASONIDO” Trabajo presentado por el grupo 6A

INTEGRANTES:

Mayta Paucara, Sergio Samuel Ricaldi Márquez, Renato Sánchez Barzola, José Andrés Tello Crisostomo, Jack Alexis LIMA – PERÚ 2017

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ÍNDICE GENERAL

INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 4 1.CAPITULO I: EXPLICACIÓN FÍSICA DE COMO CONVIERTE LA MAGNITUD FÍSICA EN MAGNITUDES ELÉCTRICAS. ....................... 10 1.1:TECNICAS DE MEDICION DE DISTACNIAS……………………..11 1.2: CARACTERISTICAS GENERALES………………………………..13 2.CAPITULO II: CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES BASADOS EN ULTRASONIDO. ...................................................................................... 13 2.1:SENSOR ULTRASÓNICO DE REFLEXIÓN EN OBJETOS INMÓVILES O TIPO ECO. ………………………………………………14 2.2:SENSOR

ULTRASÓNICO DE REFLEXIÓN EN OBJETOS MÓVILES (EFECTO DOPPLER) ………………………………………..16 3.CAPITULO III: APLICACIONES DEL SENSOR DE ULTRASONIDO EN LA INDUSTRIA QUIMICA ........................................................................ 17 3.1:SENSORES ULTRASÓNICOS ROBUSTOS PARA LA MEDICIÓN DE NIVEL Y DETECCIÓN DE PRESENCIA EN BAÑOS DE INMERSIÓN DE ÁCIDO…………………………………………………..17 3.2: MEDICIÓN DE DENSIDADES POR SENSORES ULTRASÓNICOS……………………………………………………….…19 3.3: ANALISIS DE MÚLTIPLES COMPONENTES……………………20 3.4: DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL PARA LA PREPARACIÓN DE LÍQUIDOS DIALIZANTES BASADO EN SEÑALES ULTRASÓNICA……………………………………………….21 4.REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS ..................................................... 25

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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura N° 1 Incertidumbre angular en la medida de un ultrasonido .......... 5 Figura N° 2 Distancia mínima d ................................................................. 5 Figura N° 3 esquema general de un sensor ............................................ 10 Figura N° 4 Tiempo de vuelo de un tren de impulsos ............................. 11 Figura N° 5 Velocidad de las ondas en función al tiempo ....................... 12 Figura N° 6 Cambios de fase................................................................... 12 Figura N° 7 Cono de radiación y lóbulos secundarios ............................. 13 Figura N° 8 Mediciones del tiempo t ........................................................ 14 Figura N° 9 Diagrama de bloques de un sensor de ultrasonidos basado en objetos inmóviles. .................................................................................... 14 Figura N° 10 Medición de la velocidad c de propagación a condiciones del experimento (d’: distancia conocida). ...................................................... 15 Figura N° 11 Representación del problema de la temperatura en la reflexión del pulso emitido. ...................................................................... 15 Figura N° 12 Boceto del funcionamiento teórico de un sensor aplicado en un caudalímetro. ...................................................................................... 16 Figura N° 13 Diagrama de bloques de un sensor de ultrasonidos basado en el efecto Doppler. ................................................................................ 16 Figura N° 14 Baños de inmersión de ácidos. .......................................... 17 Figura N° 15 Sensor ultrasónico UMB800 ............................................... 18 Figura N° 16 El uso de este sensor garantiza seguridad en los procesos ................................................................................................................. 19 Figura N° 17 Emisor y receptor del sensor .............................................. 20 Figura N° 18 Neutralización de aguas acidas servidas de procesos ...... 21 Figura N° 19 Sensor ultrasónico SFR05 ................................................. 22 Figura N° 20 Diagrama de conexiones .................................................... 23 Figura N° 21 Circuito eléctrico del sistema………………………………..23 Figura N° 22 Diagrama de bloques del sistema con control PID ............ 24

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INTRODUCCIÓN ¿Qué se entiende por Ultrasonido? El ultrasonido son ondas acústicas, es decir, perturbaciones de tipo elástico (o mecánico), que se propagan por todos los medios materiales mediante el movimiento armónico de sus moléculas. Se llama así, porque su frecuencia de oscilación está por encima de la frecuencia de las ondas audibles, esto es, frecuencias superiores a 20kHz. El límite superior no puede determinarse pues depende de la tecnología. En este contexto, actualmente se está trabajando a frecuencias superiores a los 100 MHz, (microscopía ultrasónica). Existen numerosas aplicaciones que utilizan las vibraciones ultrasónicas en medios sólidos, líquidos o gaseosos. Ciertas aplicaciones utilizan la potencia de las ondas ultrasónicas para transformar el medio al que se aplican. Tal como ocurre en medicina donde son usados con fines terapéuticos como lo son la hipertermia, litotricia, etc., o en la industria, donde su uso más frecuente es para activar procesos de naturaleza física como filtros, aglomerantes, destrucción de burbujas en líneas industriales de embotellamiento de bebidas gaseosas. En la industria química para el control de la aceleración de reacciones. Así como también limpieza y soldadura de piezas, entre otros. También son muy conocidas las aplicaciones marinas de los ultrasonidos (SONAR), donde son usadas para trazar mapas del fondo marino, detectar bancos de peces, u otros objetos. ANTECEDENTES: Problemas con los Ultrasonidos A pesar de que su funcionamiento parece muy sencillo, existen factores inherentes tanto a los ultrasonidos como al mundo real, que influyen de una forma determinante en las medidas realizadas. Por tanto, es necesario un conocimiento de las diversas fuentes de incertidumbre que afectan a las medidas para poder tratarlas de forma adecuada, minimizando su efecto en el conocimiento del entorno que se desea adquirir. Entre los diversos factores que alteran las lecturas que se realizan con los sensores de ultrasonido cabe destacar:

 El campo de actuación del pulso que se emite desde un transductor de ultrasonido tiene forma cónica. El eco que se recibe como respuesta a la reflexión del sonido indica la presencia del objeto más cercano que se

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encuentra dentro del cono acústico y no especifica en ningún momento la localización angular del mismo. Aunque la máxima probabilidad es que el objeto detectado esté sobre el eje central del cono acústico, la probabilidad de que el eco se haya producido por un objeto presente en la periferia del eje central no es en absoluto despreciable y ha de ser tenida en cuenta y tratada convenientemente.

Figura N° 1 Incertidumbre angular en la medida de un ultrasonido

 La cantidad de energía acústica reflejada por el obstáculo depende en gran medida de la estructura de su superficie. Para obtener una reflexión altamente difusa del obstáculo, el tamaño de las irregularidades sobre la superficie reflectora debe ser comparable a la longitud de onda de la onda de ultrasonido incidente.  En los sensores de ultrasonido de bajo coste se utiliza el mismo transductor como emisor y receptor. Tras la emisión del ultrasonido se espera un determinado tiempo a que las vibraciones en el sensor desaparezcan y esté preparado para recibir el eco producido por el obstáculo. Esto implica que existe una distancia mínima d (proporcional al tiempo de relajación del transductor) a partir de la cual el sensor mide con precisión. Por lo general, todos los objetos que se encuentren por debajo de esta distancia, d, serán interpretados por el sistema como que están a una distancia igual a la distancia mínima.

Figura N° 2 Distancia mínima d

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 Los factores ambientales tienen una gran repercusión sobre las medidas: Las ondas de ultrasonido se mueven por un medio material que es el aire. La densidad del aire depende de la temperatura, influyendo este factor sobre la velocidad de propagación de la onda según la expresión: 𝑉𝑠 = 𝑉𝑠𝑜 √1 +

𝑇 273

Siendo Vso la velocidad de propagación de la onda sonora a 0 ºC, y T la temperatura absoluta (grados Kelvin).

HISTORIA: Uno de los primeros investigadores que incursionaron en este campo, fue F. Galton. A él se le debió entre otras, el desarrollo del primer emisor de ultrasonidos (1823) y las primeras pruebas con seres humanos y con animales para determinar los umbrales de audición, a frecuencias por debajo y por arriba de los 20 kHz. En 1900 - Edelmann desarrolla el primer silbato de ultrasonido por aire comprimido y en 1920 G. S. Y. Sotokov propone aplicaciones de ultrasonido a la medicina. Sin embargo, éstos no podrán llevarse a cabo hasta el comienzo de la década del 60' por falta de tecnología adecuada. L. F. Richardson sugiere el empleo del ultrasonido para la detección de icebergs después del hundimiento del transatlántico inglés Titanic en abril de 1912. Durante el desarrollo de la primera guerra mundial (1914-1918) - P. Langevin desarrolla el primer transductor (hidrófono) de cuarzo, para estudios de detección de submarinos. Fundando el método de Pulso-Eco y por consiguiente el Sonar. En 1929, Sokolov emplea el ultrasonido para detectar presencia de heterogeneidades en materiales, dando el primer paso al método de transparencia y a los ensayos no destructivos con ultrasonidos (END US). En 1932 Debye y Sears, por un lado y Lucas y Biquard por otro, emplean la onda estacionaria en un líquido como red óptica de difracción. Durante 1934 G. S. Y. Sotokov desarrolla un sistema combinado de luz y ultrasonido para la detección de fallas en materiales.

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Durante 1947 C. H. Allen y L. Rudrich desarrollan la sirena ultrasónica. El año de 1947 se sientan las bases de la ecografía médica, En efecto, D. H. Howy construye partes de lo que sería el primer ecógrafo bidimensional para uso médico. En 1948 D. Gabor descubre la holografía ultrasónica y Firestone aplica el principio del sonar para la detección de defectos en materiales, iniciando la técnica pulso-eco en ensayos no destructivos. Favorecida por la urgente demanda de nuevos métodos de ensayos no destructivos, a partir de 1954, el ensayo no destructivo por ultrasonido tuvo aceptación general en toda la industria, publicándose las primeras normas de la aplicación. En el transcurso de 1955, la tecnología de los sensores piezoeléctricos da un paso gigantesco, ya que B. Jafle entre otros, descubren las propiedades piezoeléctricas del PZT. En 1957 Weinreich y White descubren el efecto acústico-eléctrico. El ingeniero Tom Brown y el Dr. Donald, construyeron un escáner de contacto bidimensional, evitando así la técnica de inmersión. Tomaron fotos con película Polaroid y publicaron el estudio en 1958. El Dr. Donald inició los estudios obstétricos a partir de los ecos provenientes del cráneo fetal. En ese entonces se desarrollaron los cálipers (cursores electrónicos). En 1959 S. Satomura sienta las bases de prácticas de la velocimetría doppler publicando la primera aplicación del efecto Doppler en ecografía. Durante 1960 - I. Donal y T. G. Brown desarrollan el primer ecógrafo bidimensional de contacto directo, es decir, el denominado: B estático. En 1963, un grupo de urólogos japoneses reportó exámenes ultrasónicos de la próstata, en el A-MODE. En forma simultánea, el Profesor V. Poliakov, de la Facultad de Medicina de Moscú realiza estudios de soldadura ósea con ultrasonidos usando perros. En 1966, Kichuchi introdujo la "Ultra-sono-cardio-tomografía sincronizada", usada para obtener estudios en 9 diferentes fases del ciclo cardiaco, usando un transductor rotatorio y una almohada de agua. En 1967, se inicia el desarrollo de transductores de A-MODE para detectar el corazón embrionario, factible en ese entonces a los 32 días de la fertilización.

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En 1968, Sommer reportó el desarrollo de un escáner electrónico con 21 cristales de 1,2 MHz, que producía 30 imágenes por segundo y que fue realmente el primer aparato en reproducir imágenes de tiempo real, con resolución aceptable. En 1970 Kratochwill comenzó la utilización del ultrasonido transrectal para valorar la próstata. En 1971 N. Bom y otros desarrollan un array lineal. Aparece la introducción de la escala de grises que marcó el comienzo de la creciente aceptación mundial del ultrasonido en diagnóstico clínico. En 1974 - W. M. Beaver presenta el primer array bidimensional y J. Ophir y otros presentan el primer convertidor digital de barrido. También, durante ese año, se comercializan los primeros ecógrafos mecánicos de modo B en tiempo real. Durante 1976 C. H. Johnes y G. A. Gilmour presentan la primera cámara sónica. En 1977 Kratochwil combinó el ultrasonido y la paroscopía, introduciendo un transductor de 4.0 MHz a través del laparoscopio con el objeto de medir los folículos, mediante el A-MODE. La técnica se extendió hasta examinar vesícula, hígado y páncreas. En 1983, Lutz usó la combinación de un gastroscopio y un ecógrafo, para detectar CA gástrico y para el examen de hígado y páncreas y Aloka introdujo al mercado el primer Equipo de Doppler a Color, que permitió visualizar en tiempo real y en color el flujo sanguíneo. Durante 1984 W. A. Smith establece una nueva estructura de material piezoeléctrico: los compuestos (composites). Durante este año también se comercializan los primeros ecógrafos Doppler bidimensionales con presentación en color y en tiempo real y se inician los desarrollos de sistemas de transductores para ecografía tridimensional en tiempo real. A principios de 1992 el grupo de investigadores del Instituto de Automática Industrial (IAI) de Madrid. España, que trabajaba en el área de las Tecnologías Rápidas para Ensayos No Destructivos con Ultrasonidos, pone a punto el sistema SENDAS (Sistema de Ensayos no Destructivos de Arquitectura Segmentada) [1] que podía trabajar con un palpador o con arrays. Este sistema totalmente modular, permitió optimizar inspecciones manuales o automatizadas y fue la base para el proyecto MAGIAS [2].

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En 1997, Balint y Sturrocky publicaron un editorial, en donde consideran al ultrasonido como una nueva herramienta diagnóstica para el reumatólogo, con utilidad principal en la evaluación de la patología articular y periarticular, además de tejidos blandos con adecuada reproductibilidad, y alta sensibilidad y especificidad. Otras utilidades son la medición del cartílago para determinar erosiones en artritis reumatoidea, demostrando superioridad a la placa simple de rayos X. El proyecto MAGIAS (Métodos Avanzados de Generación de Imágenes Acústicas) se generó a mediados del año 2002 dentro de la Red Iberoamericana de Tecnologías Ultrasónicas (RITUL), en el programa CYTED de España. Inicialmente participaron en el proyecto laboratorios y centros de investigación de universidades dedicados al ultrasonido de España, Argentina, Portugal, Brasil, México, Cuba, Uruguay y Chile. La idea fue la de generar una arquitectura electrónica que fuera independiente de la plataforma usada (PC), del sistema operativo y del bus de la interfaz. Esta iniciativa se basó en la obsolescencia de los estándares, del dilema que para altas prestaciones era necesario alta complejidad, de la diversidad de las aplicaciones y de la atención a temporizaciones y sincronismos estrictos. La base de la nueva arquitectura se basó en el sistema denominado AMPLIA, Arquitectura Modular para el Procesamiento y Despliegue de la Imagen Acústica, cuyos objetivos básicos consistieron de un desarrollo descentralizado con un procesamiento distribuido y paralelo. En la actualidad, la empresa española DASEL Sistemas [3], desarrolla y comercializa sistemas de ultrasonidos basados en esta arquitectura. En los últimos años el avance de la informática, microelectrónica, tecnología de construcción de arrays y focalización electrónica, son los pilares actuales de la aplicación del ultrasonido, tanto en el área de los ensayos no Destructivos, ecografía médica, instrumentación como las aplicaciones de potencia.

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CAPITULO I: EXPLICACIÓN FÍSICA DE COMO CONVIERTE LA MAGNITUD FÍSICA EN MAGNITUDES ELÉCTRICAS. Un sensor es un objeto capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Estrictamente si hablamos de un sensor de ultrasonido es un dispositivo que recibe un sonido de una frecuencia mayor a la audible y responde a este con una señal eléctrica de salida.

Figura N° 3 esquema general de un sensor

La conversión de los estímulos en pulsos eléctricos se realiza en tres fases:  Un fenómeno físico a ser medido es captado por un sensor, y muestra en su salida una señal eléctrica dependiente del valor de la variable física.  La señal eléctrica es modificada por un sistema de acondicionamiento de señal, cuya salida es un voltaje.  El sensor dispone de una circuitería que transforma y/o amplifica la tensión de salida, la cual pasa a un conversor A/D, conectado a un PC. El convertidor A/D transforma la señal de tensión continúa en una señal discreta. Denominamos transductor a aquel dispositivo que transforma el efecto de una causa física, como la presión, la temperatura, la dilatación, la humedad, etc., en otro tipo de señal, normalmente eléctrica. Los sensores ultrasónicos son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicos y que detectan objetos a distancias que van desde pocos centímetros hasta varios metros. El sensor emite un sonido y mide el tiempo que la señal tarda en regresar. Estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan en el aire,

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y pueden detectar objetos con diferentes formas, diferentes colores, superficies y de diferentes materiales. Los materiales pueden ser sólidos, líquidos o polvorientos, sin embargo han de ser reflectores de sonido. Los sensores trabajan según el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco. Estos sensores se basan en las propiedades magnetoestrictivas (Se denomina magnetostricción a la propiedad de los materiales magnéticos que hace que estos cambien de forma al encontrarse en presencia de un campo magnético de determinados materiales) Una lámina de material magnetoestrictivo o membrana tiene la propiedad de deformarse mecánicamente y generar ultrasonidos al ser excitada por una corriente eléctrica. El efecto contrario también se produce, es decir, que una vibración mecánica produce una corriente eléctrica. Por tanto, estos sensores emiten una radiación ultrasónica que rebota en los obstáculos del entorno y captan los ecos recibidos. Los sensores de ultrasonidos se utilizan para medir distancias, que a partir de la excitación de la membrana magnetoestrictiva con una serie de impulsos eléctricos, se genera un tren de ondas ultrasónicas. Por otro lado, la membrana magnetoestrictiva, recibe los ecos de las emisiones recibidas y las transforma en impulsos eléctricos. 1.1) Técnicas de medición de distancias: 

Tiempo de vuelo: La técnica consiste en emitir un tren de impulsos y poner un temporizador en marcha. Cuando se recibe el eco de los impulsos emitidos, el tiempo transcurrido es proporcional al doble de la distancia al obstáculo (tiempo de impacto + tiempo de eco). Si en un determinado margen de tiempo no se ha recibido eco, se considera que no hay obstáculo.

Figura N° 4 Tiempo de vuelo de un tren de impulsos

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Figura N° 5 Velocidad de las ondas en función al tiempo 

Cambio de fase: Se envía una onda periódica y se reciben los ecos de forma continua. Según el desfase entre las ondas se calcula la distancia. Una característica interesante a remarcar es que el entorno se puede modelar como la convolución entre la señal emitida y la señal de recepción.

Figura N° 6 Cambios de fase

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1.2) Características generales de los sensores de ultrasonido: La onda ultrasónica tiene un ángulo detección en el cual es teóricamente sensible y por tanto toda onda que venga en un ángulo dentro del lóbulo principal. También existen otros lóbulos secundarios en los cuales el sensor es también sensible, aunque en menor medida. La hoja característica del sensor nos indica la sensibilidad del mismo y la atenuación de la onda (en dBs) según el ángulo de incidencia. En general se necesitan haces estrechos a fin de evitar reflexiones indeseadas, para lo cual la superficie de emisión debe ser grande con respecto a la longitud de onda del ultrasonido emitido. En este caso, además del cono de radiación fundamental se generan un conjunto de lóbulos secundarios en forma de anillos.

Figura N° 7 Cono de radiación y lóbulos secundarios

Los sensores tienen una distancia máxima de detección, que depende en gran medida de la frecuencia de la onda ultrasónica, la "sensibilidad" de la electrónica y la membrana y por supuesto el medio de transmisión, que si se trata del aire, la onda se degrada rápidamente en comparación de medios acuáticos. Para el caso de los ultrasonidos en el aire podemos encontrar sensores con distancias máximas de 3 o 4 metros, pero también es frecuente encontrar sensores de distancias mayores, aunque por lo general menores de 10m.

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2) CAPITULO II: CLASIFICACIÓN DE LOS SENSORES BASADOS EN ULTRASONIDO. 2.1) Sensor ultrasónico de reflexión en objetos inmóviles o tipo eco. Esta clase de sensor mide el tiempo que tarda en recibirse el eco de un impulso emitido, debido a la reflexión sobre un objeto presente en el camino de propagación de la radiación. El objeto puede ser un líquido, un sólido, granular o polvo, con la única restricción de que debe tener una impedancia acústica muy diferente de la del medio en el que se propagan los ultrasonidos, para que la mayor parte de la radiación se refleje.

Figura N° 8 Mediciones del tiempo t

Sensor Rx

Amplificador

Comparador

Microcontrolador

Visualizador

Amplificador

Sensor Tx

Figura N° 9 Diagrama de bloques de un sensor de ultrasonidos basado en objetos inmóviles.

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Consideraciones importantes de este tipo de sensor.  Para lograr un gran alcance y reducir las interferencias acústicas es importante que el haz emitido sea estrecho.  Si el tamaño del objeto es menor que la longitud de onda, la radiación reflejada es débil, por lo que para objetos pequeños se debe trabajar a alta frecuencia.  El efecto de las interferencias acústicas es menor a altas frecuencias pero la atenuación de la onda es mayor.  Si la temperatura ambiente no es constante hay que compensar la variación de la velocidad c de propagación (a menor temperatura mayor tiempo de recepción). La velocidad también depende de la presión, la densidad o la presencia de sustancias disueltas. Por ello, se suele calcular primero el valor de c mediante la reflexión en un objeto a una distancia conocida.

Figura N° 10 Medición de la velocidad c de propagación a condiciones del experimento (d’: distancia conocida).

Figura N° 11 Representación del problema de la temperatura en la reflexión del pulso emitido.

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2.2) Sensor ultrasónico de reflexión en objetos móviles (efecto Doppler). Se basan en la diferencia entre el valor del tiempo que tardan dos ondas en recorrer el mismo camino en sentidos opuestos en el seno de un fluido en movimiento. Debido al efecto Doppler la velocidad del sonido se suma a la del fluido, lo que da como resultado valores diferentes para los recorridos arbitrarios A-B y B-A. Un ejemplo de este tipo de sensor es el caudalímetro, en el cual el emisor y el receptor se sitúan en las paredes opuestas de la tubería y forman un ángulo con el eje.

Figura N° 12 Boceto del funcionamiento teórico de un sensor aplicado en un caudalímetro.

Figura N° 13 Diagrama de bloques de un sensor de ultrasonidos basado en el efecto Doppler.

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3) CAPITULO III: APLICACIONES DEL SENSOR DE ULTRASONIDO EN LA INDUSTRIA QUIMICA Existen ciertas aplicaciones utilizan la potencia de las ondas ultrasónicas para transformar el medio al que se aplican. En la industria química para el control de la aceleración de reacciones. Así como también limpieza y soldadura de piezas, sistemas de control ente otros. Aquí algunas de la las aplicaciones en el sector de industrias químicas:

3.1) SENSORES ULTRASÓNICOS ROBUSTOS PARA LA MEDICIÓN DE NIVEL Y DETECCIÓN DE PRESENCIA EN BAÑOS DE INMERSIÓN DE ÁCIDO En la industria química se dan las condiciones más extremas. Vapores agresivos, emisiones de gases corrosivos y lugares con alta humedad representan retos de la máxima exigencia en componentes de automatización. Antes de que las piezas metálicas se puedan pintar o recubrir, se deben retirar los aceites o grasas de protección; un proceso que se realiza mediante un baño de inmersión en ácido. Para garantizar la seguridad del proceso, el nivel de llenado debe supervisarse continuamente. El transporte de las piezas limpias en la cinta transportadora también debe controlarse de forma que no quede ningún componente atrás.

Figura N° 14 Baños de inmersión de ácidos.

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Para cumplir los requisitos específicos de dureza y facilidad de limpieza, y para garantizar un proceso de desengrasado sin interrupciones, se debe realizar una monitorización fiable de nivel de llenado en el depósito de inmersión, y se debe garantizar una detección de presencia segura de las piezas metálicas. Los sensores utilizados en estas aplicaciones deben ser altamente resistentes al contacto directo con agentes químicos agresivos y deben estar diseñados para soportar condiciones ambientales exigentes. El sensor ultrasónico UMB800 tiene un diseño estanco y es completamente resistente al contacto directo con agentes químicos agresivos. Gracias a la salida analógica, el sensor controla continuamente el nivel en un baño de inmersión. Basándose en sus precisas mediciones, el sistema comienza el rellenado cuando llega al nivel mínimo de llenado, hasta que alcanza el máximo deseado. El transporte de las piezas metálicas se monitoriza mediante los sensores ultrasónicos de la serie UMB800. La detección es independiente del color, el material o las propiedades reflexivas de la pieza. Gracias a que la distancia de funcionamiento se puede ajustar de un modo muy preciso, incluso con piezas de trabajo de bajo perfil, se garantiza una excelente detección de presencia. Si una pieza se queda atrás, el proceso se puede detener inmediatamente.

Figura N° 15 Sensor ultrasónico UMB800

Su encapsulado integral y el cilindro de acero inoxidable de alta calidad hacen del sensor ultrasónico UBM800 la opción ideal para solucionar las aplicaciones más exigentes. Gracias a su amplio rango de medición, su montaje sin herramientas y su diseño compacto, el sensor fotoeléctrico de detección directa crea nuevas oportunidades para la automatización en zonas corrosivas.

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Además, el sensor se puede integrar fácilmente como parte de una modificación o mejora de una máquina existente. Con independencia de su uso en medición de nivel o detección de piezas, el UMB800 garantiza la máxima seguridad en los procesos.

Figura N° 16 El uso de este sensor garantiza seguridad en los procesos

MEDICIÓN DE DENSIDADES POR SENSORES ULTRASÓNICOS La velocidad del sonido de un material depende de la densidad y de la compresibilidad. Si se conoce la distancia entre un emisor de ultrasonido y el receptor, se puede medir con mucha precisión la velocidad del sonido, a través de una medición del tiempo transcurrido. El fundamento para el método de medición es por lo tanto, una medición de tiempo que se puede realizar muy precisamente y es estable a largo plazo. De la velocidad del sonido se puede calcular la densidad o la concentración de un líquido. También se pueden calcular otros parámetros como el contenido Brix, el contenido de materiales duros, la turbiedad o la conductibilidad. Los aparatos de medición de ultrasonido no tienen partes mecánicas que pudieran desgastarse o envejecer. Presentan ventajas sobresalientes en comparación con métodos de medición de la competencia. El método de medición necesita simplemente una medición exacta del tiempo. Del tiempo transcurrido del sonido y la distancia conocida entre el emisor y el receptor se calcula la velocidad del sonido. La construcción típica del sensor contiene el emisor y el receptor en una caja compacta. El método de medición es un procedimiento sin contacto que funciona independientemente del color y la transparencia del medio y evidencia una alta confiabilidad. Todos los sistemas de LiquiSonic tienen una medida integrada de la temperatura del proceso. La precisión absoluta típica de los aparatos es de 0,1 porcentajes en peso.

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Figura N° 17 Emisor y receptor del sensor

3.3) ANALISIS DE MÚLTIPLES COMPONENTES La dirección óptima de los procesos de técnica de procesos requiere de la información continua sobre la concentración de los componentes del líquido para mantener los parámetros de calidad, eficiencia y los que establecen la seguridad. Esto es válido tanto para procesos continuos como para procesos en lotes. Aquí se emplean a menudo analizadores de procesos que realizan diferentes métodos de análisis de laboratorio en instalaciones de aparatos técnicamente complejas Éstas permiten la determinación de concentraciones de varios componentes en una mezcla. Estos aparatos tienen diversas desventajas:  Mucha dedicación al mantenimiento.  Consumo constante de productos químicos.  Forma de trabajo descontinuado. Aquí se elaboran los valores físicos de varios parámetros de medición para la determinación de la concentración en una mezcla de varios componentes. Estos métodos de medición funcionan sin la toma de muestras y no requieren de mantenimiento ni se desgastan. Las señales de los diferentes principios de medición se calculan en un modelo que muestra las concentraciones de los componentes individuales.

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Es prácticamente ventajoso acoplar los siguientes métodos de medición:  Velocidad del ultrasonido y la masa específica.  Velocidad del ultrasonido y la conductibilidad.  Velocidad del ultrasonido y el índice de refracción. El uso de los métodos combinados conduce a la reducción considerable de costos, ya que se suprimen completamente los medios utilizados y los costos de mantenimiento.

Figura N° 18 Neutralización de aguas acidas servidas de procesos

Los procesos de neutralización son controlados generalmente por medio de sensores de pH. Sin embargo, si se neutraliza con un exceso de lejía o se trata de altas temperaturas y presiones de procesos, no es posible utilizar electrodos de pH. 3.4) DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL PARA LA PREPARACIÓN DE LÍQUIDOS DIALIZANTES BASADO EN SEÑALES ULTRASÓNICAS El tratamiento para purificar el agua es un proceso en el cual se deben de minimizar los errores ya que cualquier anomalía podría provocar un problema de salud pública. En la actualidad existen diferentes procesos de purificación de agua ya sea para consumo humano el cual lo hacen los acueductos municipales, y también en el sector salud se necesita este tipo de proceso

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en especial en las unidades de hemodiálisis las cuales necesitan un tipo de agua especial para poder hacer sus tratamientos de diálisis. En este tipo de plantas de tratamiento el monitoreo debe ser constante ya que si cambia una variable por ejemplo de conductividad, de dureza o cloro podría ser muy perjudicial para los pacientes, de igual modo en estas platas se preparan los líquidos deslizantes los que una máquina especial que es conectada al paciente las mezcla con el agua tratada o agua permeada. Para este caso se utiliza el sensor de ultrasonido SFR05 este está diseñado para aumentar la flexibilidad, el rango de medida y reducir costes, el rango de medida se aumenta de 3m a 4m.

Figura N° 19 Sensor ultrasónico SFR05

El sensor SRF05 funciona emitiendo impulsos de ultrasonidos inaudibles para el oído humano. Los impulsos emitidos viajan a la velocidad del sonido hasta alcanzar un objeto, entonces el sonido es reflejado y captado de nuevo por el receptor de ultrasonidos. Lo que hace el controlador incorporado es emitir una ráfaga de impulsos y a continuación empieza a contar el tiempo que tarda en llegar el eco. Este tiempo se traduce en un pulso de eco de anchura proporcional a la distancia a la que se encuentra el objeto. Registrando la duración del pulso es posible calcular la distancia en pulgadas, centímetros o en cualquier otra unidad de medida. Si no se detecta nada, entonces el SRF05 baja el nivel lógico de su línea de eco después de 30mS. Desde un punto de vista práctico, lo que hay que hacer es mandar una señal de arranque en el pin 3 del SRF05 y después leer el ancho del impulso que proporciona en el pin 2. Externamente se aplica, por parte del usuario, un pulso de disparo o trigger de 10 μS de duración mínima. Se inicia la

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secuencia. El módulo transmite un tren de pulsos o “burst” de 8 ciclos a 40KHz. En ese momento la señal de salida ECO pasa a nivel “1”. Cuando la cápsula receptora recibe la señal transmitida como consecuencia de haber rebotado en un objeto (eco), esta salida pasa de nuevo a nivel “0”. El usuario debe medir la duración del pulso de esta señal, es decir, el tiempo en que la señal eco se mantiene a “1”. Con objeto de que el módulo se estabilice, se debe dejar un lapsus de tiempo de unos 20ms mínimo entre el momento en que la señal de eco pasa a “0” y un nuevo pulso de disparo que inicie el siguiente ciclo o medida.

Figura N° 20 Diagrama de conexiones

El sensor controlara los niveles de los iones agregadas al agua destilada para la formación de los líquidos de diálisis, y esta resulte lo más pura posible.

Figura N° 21 Circuito eléctrico del sistema

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El sensor de ultrasonido se ubicara en el sistema de control PID (en la imagen) que controlara los niveles de iones para la formación del agua de diálisis en el tanque, donde este se formará

Figura N° 22 Diagrama de bloques del sistema con control PID

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BIBLIOGRAFÍA INFORMACION EXTRAIDA DE LIBROS:

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