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Conocimientos sobre los sensores ultrasónicos (parte 4): Influencia en la precisión de la medición

Ultrasonic sensor in cold environment
Las precisiones absolutas del 1 al 3 % son realistas en las aplicaciones industriales de los sensores ultrasónicos en un rango operativo de -25 °C a +70 °C.

En lo que respecta a los sensores ultrasónicos, la precisión de las mediciones se refiere a la precisión absoluta del valor medido en la salida analógica. En función del tiempo de tránsito del eco, la precisión de la medición de un sensor ultrasónico depende de diversos parámetros físicos. Estos parámetros están relacionados con el aire y con las tolerancias internas.

Influencias medioambientales

Temperatura del aire

La temperatura del aire es lo que más afecta a la precisión de las mediciones de un sensor ultrasónico. Después de que se haya medido el tiempo de tránsito del pulso ultrasónico reflejado, el sensor calcula la distancia hasta el objeto a partir de la velocidad del sonido. Sin embargo, a medida que la temperatura del aire cambia, la velocidad del sonido varía un 0,17 % por grado Kelvin. Prácticamente todos los sensores ultrasónicos Pepperl+Fuchs tienen una sonda de temperatura para compensar este efecto. Dicha sonda mide la temperatura ambiente y el sensor corrige la distorsión relacionada con la temperatura de los valores medidos (consulte la información sobre la compensación de la temperatura).

Humedad

La humedad tiene un efecto inapreciable en la velocidad del sonido a temperatura ambiente y a bajas temperaturas. Sin embargo, a altas temperaturas, la velocidad del sonido aumenta a medida que lo hace la humedad.

Presión del aire

La velocidad del sonido disminuye menos del 1 % entre el nivel del mar y una altitud de 3000 m. Las fluctuaciones atmosféricas de una determinada ubicación son insignificantes y sus efectos en la velocidad del sonido apenas se pueden medir.

Corrientes de aire

Si el objeto tiene las propiedades reflectantes de un reflector estándar, las corrientes de aire normales (viento) no afectan a las mediciones ultrasónicas hasta unas velocidades de fuerza 7 en la escala de Beaufort (50-61,5 km/h). Las tormentas y los huracanes pueden causar mediciones inestables (con pérdida de señal). En cuanto a los cambios en la velocidad del sonido, no se pueden sacar conclusiones generales, ya que la dirección de las corrientes de aire así como su velocidad varían constantemente. Por ejemplo, los objetos especialmente calientes, como el metal candente, pueden provocar turbulencias significativas en el aire. Los ultrasonidos se pueden dispersar o desviar de forma que no se devuelva un eco que se pueda evaluar.

Niebla de pintura

La niebla de pintura no tiene un efecto perceptible en el funcionamiento de los sensores ultrasónicos. No obstante, no se debe permitir que la niebla se asiente en la superficie del transductor activo para evitar que se ponga en riesgo su sensibilidad.

Ruido externo

El ruido externo se distingue de los ecos objetivo y, normalmente, no causa anomalías. Si la fuente de las perturbaciones tiene la misma frecuencia que el sensor ultrasónico, el nivel del ruido externo no debe superar el nivel de los ecos objetivo. Esto puede ocurrir al llenar un silo con piedra, por ejemplo.

Tipos de gas

Los sensores ultrasónicos de Pepperl+Fuchs se han diseñado para su funcionamiento en el aire atmosférico. Si se utilizan en entornos con otros gases (por ejemplo, dióxido de carbono), se pueden producir errores de medición graves o incluso es posible que no funcionen debido a las desviaciones en la velocidad del sonido y la atenuación.


Compensación de la temperatura

Los sensores ultrasónicos funcionan mediante el método de tiempo de tránsito de eco, que hace referencia al tiempo que transcurre entre el pulso ultrasónico emitido y el momento en que se evalúa el eco recibido. El sensor ultrasónico calcula la distancia del objeto a partir de la velocidad del sonido. Cuando el sonido se propaga por el aire, la velocidad del sonido es de unos 344 m/s a temperatura ambiente. Sin embargo, la velocidad del sonido depende de la temperatura y varía aproximadamente un 0,17 % por cada grado Celsius. Estos cambios afectan al tiempo de tránsito y pueden distorsionar el cálculo de la distancia. La mayoría de los sensores ultrasónicos de Pepperl+Fuchs cuentan con un rango de actuación de -25 °C a +70 °C.

Si no se compensa la temperatura y se aplica una distancia de medición de 100 cm, un cambio de temperatura de 20 °C provocaría un error de medición de -8,5 cm a 70 °C y de +7,65 cm a -25 °C.

Por lo tanto, la mayor parte de estos sensores ultrasónicos están equipados con sondas de temperatura cuyas mediciones se utilizan para corregir las distancias medidas. Esta compensación se lleva a cabo en el rango de actuación completo de los sensores ultrasónicos, desde los -25 °C hasta los +70 °C, y permite una precisión en las mediciones de aproximadamente un ±1,5 %.


Precisión

La precisión y la precisión absoluta hacen referencia a la diferencia entre el valor de salida que mide el sensor ultrasónico y la distancia objetivo real. Desde un punto de vista práctico, las precisiones absolutas entre el 1 y el 3 % son realistas en las aplicaciones industriales de los sensores ultrasónicos dentro de un rango operativo de -25 °C a +70 °C. Se pueden alcanzar precisiones superiores en condiciones ambientales muy estables. En este caso, se recomienda desactivar la compensación de la temperatura (mediante la herramienta de programación).

Otra posibilidad es utilizar un sensor ultrasónico de referencia. Con este método, es necesario montar un segundo sensor del mismo tipo en paralelo al sensor de medición y alinearlo con un objeto fijo. Si las condiciones ambientales del rango de medición varían, la distancia del objeto también variará debido a la alteración en la velocidad del sonido. El valor de medición se debe corregir entonces según el valor de este error.


Ya disponible: Guía tecnológica de sensores ultrasónicos