1. 2. 3. 4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. SENSOR DE NIVEL UTILIZANDO FIBRAS PTICAS.

La medicin del nivel de un lquido es una parte integral de los parmetros de un proceso de control, que se usa en una amplia variedad de industrias.

La utilizacin de las fibras pticas ha revolucionado el campo de los sensores y representan un avance para la medicin de distintas variables utilizadas en un proceso, as como en muchas reas de la instrumentacin han marcado un claro adelanto tecnolgico como principio para la medicin del nivel tal como a continuacin se expone.

4.7. CARACTERSTICAS DE LAS FIBRAS PTICAS EN LOS SENSORES. Carcter no-elctrico. Principio de operacin no explosivo. A menudo no requiere contacto directo con la variable a medir. Capacidad de operacin remota. Dimensiones pequeas y de poco peso. Opera en reas de acceso difcil. Instalacin potencialmente sencilla. Inmune a interferencias de radio frecuencias (RFI) y a la interferencia electromagntica (EMI). Alta precisin en las mediciones. Capacidad de acoplamiento con sistemas de comunicacin de datos. Transmisin de datos segura. Potencialmente resistente a la radiacin ionizante. Reduccin de costos de proteccin contra ruido. Menor mantenimiento. Reduccin de los costos de instalacin y reparacin.

4.8. SENSORES DE NIVEL CON FIBRAS PTICAS.

Todos los sensores de fibras pticas pueden detectar la variable fsica por medio de la modulacin de intensidad ptica o por la modulacin de la fase del haz de luz. Los sensores de nivel regularmente operan con intensidad modulada.

Los sensores de intensidad modulada estn asociados generalmente con el desplazamiento o alguna otra perturbacin fsica que interacta con la fibra o un transductor mecnico aunado a la fibra. La perturbacin causa un cambio en la intensidad de la luz recibida, la cual es funcin del fenmeno que se est midiendo.

Los conceptos generales asociados con la modulacin de intensidad incluyen al concepto transmisivo y reflectivo, sin embargo, se usan otros mecanismos independiente de o en conjunto con los dos conceptos anteriores, tales como: la absorcin, los cambios de densidad, fluorescencia, polarizacin y rejillas pticas.

Los sensores de intensidad modulada son analgicos por naturaleza pero tienen un uso importante en aplicaciones digitales para interruptores y contadores.

1. 2. 3. 4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.8.1. CONCEPTO TRANSMISIVO.

El concepto de sensor transmisivo normalmente se asocia con la interrupcin de un rayo de luz. Por ejemplo si se quiere sensar el desplazamiento axial entre dos fibras pticas se observar que el acoplamiento de luz sigue la ley de 1/r2 donde r es la distancia entre las sondas. Otro sensor transmisivo ms sensible es el de desplazamiento radial donde el sensor no transmite si las sondas se desplazan una distancia igual un dimetro de la sonda, aproximadamente el primer20% del desplazamiento da una respuesta lineal en la luz acoplada.

4.8.2. CONCEPTO REFLECTIVO.

El concepto reflectivo es atractivo para muchos sensores debido a su precisin, simplicidad y su bajo costo. El sensor est compuesto de dos fibras pticas (ya sean de ncleos mltiples o de un solo ncleo), por una de ellas se transmite luz a una tarjeta reflejante, mientras la otra atrapar la luz reflejada y la transmitir al detector, la intensidad de la luz detectada depende de la distancia a la que se encuentre la tarjeta reflejante.

Al graficar la intensidad de la luz reflejada contra la distancia a la que se encuentra la superficie reflejante muestra que las pendientes iniciales de la curva permiten tener una precisin potencial de millonsimas de pulgada. La precisin tambin depende del tipo de sonda que se utilice, ya sea hemisfrica, coaxial, de par de ncleos o sencilla.

Para aplicaciones que requieren de un intervalo dinmico ms grande, generalmente se utiliza un sistema de lentes, que expanden el intervalo de medicin, desde 5.08 mm (0.2 pulgadas) hasta 13cm (5pulgadas) o ms.

4.9. SENSORES DE NIVEL TRANSMISIVO.

4.9.1. NIVEL DE LQUIDOS BICOLORLas calderas generalmente usan cristales de dos colores para detectar el nivel del agua. Se coloca un prisma de tal forma que si en el compartimento se encuentra vapor, se observa una luz roja; pero si el compartimiento se encuentra lleno de agua, la luz roja se refracta y solo la luz verde se transmite. La interfase entre las fibras y el compartimiento de color debe de estar aislada de la luz ambiental para evitar interferencias del medio externo. Este tipo de sensor es pasivo, sin sistemas mecnicos en movimiento u otros componentes elctricos (ms que el iluminador ).

Regularmente estos sensores se encuentran a un lado de la caldera, pero si se deseara monitorear el proceso se tendra que equipar con fibras pticas de apertura numrica grande y de ncleos de fibra ptica grandes.

4.9.2. SENSOR DE NIVEL POR OBSTRUCCIN:

Otro sistema transmisivo con fibras pticas es como el que se muestra en la figura 1.3, en ella se puede apreciar que con el lquido del contenedor, la luz se ve interrumpida en su trayectoria hacia la fibra receptora, de tal forma que al obstruirse el haz, se tiene la informacin del nivel en el tanque.

El nmero de fibras pticas utilizadas es igual al nmero de niveles discretos que se requieran en el contenedor; cabe aclarar que este tipo de sensor necesita protecciones para la fibra ptica en la discontinuidad para que no se encuentren en contacto directo con el lquido.

Una desventaja de este tipo de sensores es que no puede, detectar lquidos que sean transparentes a la longitud de onda de luz empleada.

4.10. SENSOR DE NIVEL POR FUERZA DE FLOTACIN.

Este tipo de sensores detectan el nivel de lquidos empleando flotadores, por medio de ellos y aprovechando la fuerza de flotacin es posible seguir el nivel del lquido.

4.10.1. SENSOR DE PISTN DESPLAZABLE.

Este tipo de sensor utiliza un mbolo que es impulsado por un flotador para detectar un nivel alto o bajo en el tanque, tal como lo muestra la figura 1.4. Se puede apreciar que el sensor puede ser de tipo transmisivo o reflectivo dependiendo si el sensor, por medio del pistn, interrumpe el haz de luz o lo refleja.

4.10.2. SENSOR DE NIVEL LECTOR DE TARJETA.

Este sensor de nivel utiliza una tarjeta que contiene un cdigo binario (el cdigo puede estar impreso con superficies reflejantes o perforado en la misma placa), por lo que con el uso de n fibras se pueden determinar valores discretos de nivel de lquido.4.11. SENSORES DE NIVEL POR PRESION (CABEZA HIDROSTTICA)

El nivel de lquidos puede determinarse midiendo la presin ejercida sobre una membrana debido al peso de la columna de lquido que sta ejerce sobre de ella. La medicin se complica cuando por ejemplo se tiene un tanque presurizado, ya que el sistema requiere de dos sensores de presin, uno que mida la presin de la presurizacin y otro ms que mida la presin ejercida por una columna de agua; la diferencia de estaspresiones corresponde al nivel de lquidos.

El inconveniente es que este mtodo al tener pequeos errores en la medicin de presin se tendrn errores grandes en el nivel de lquidos.

4.12. SENSOR DE SUPERFICIE REFLEJANTE.

Las tcnicas de superficie reflejante usan la reflexin de la luz en la superficie de un determinado lquido, en donde existe una fibra transmisora y varias fibras receptoras.

Para un intervalo dinmico muy grande (resolucin del nivel del lquido) puede parecer muy costoso pero es atractivo para sustancias corrosivas o lquidos a alta temperatura donde el contacto no es posible.

4.13. SENSORES DE NIVEL POR CAMBIOS DE NDICE DE REFRACCIN Los sensores de nivel con cambios en el ndice de refraccin funcionan al transmitir un haz de luz en un prisma, tpicamente un cuarzo (ndice de refraccin de 1.46). Cuando el prisma se encuentra en el aire se tiene una reflexin interna total, pero en presencia de un lquido circundante cuyo ndice de refraccin sea mayor que el del prisma, la luz no se refleja totalmente hacia el interior del prisma ya que el cambio de ndice de refraccin a su alrededor, har que parte de la luz se refracte en el lquido. Estos sensores son ideales para monitorear nivel alto o bajo, o para detectar fugas en un sistema.

4.14. SENSOR DE NIVEL:4.14.1. CARACTERSTICAS GENERALES DEL SENSOR

Un nmero alto de discretizacin con un mnimo de fibras pticas. Amplio intervalo de medicin. Versatilidad en la instalacin. Elemento sensor de tamao reducido. Amplia variedad para los materiales de construccin (dependiendo del fluido a tratar). Diversidad en la aplicacin de procesos Construccin simple y duradera. Flexibilidad en la utilizacin de sistemas digitales para el procesamiento de la seal y control de la variable. Amplia variedad para la conexin de salida (interfaz de computadora, exhibidores de leds o de cristal lquido, etc). Correcta operacin en un amplio intervalo de temperatura y presin (solo dependiente de los materiales de construccin y fibra ptica). El principio de operacin por lectura de cdigo permite procesarse de modo enteramente digital. El diseo del sensor es compacto, seguro y con posibilidades de miniaturizarse por medio de elementos mecnicos. La operacin del sensor es intrnsecamente seguro en ambientes inflamables y agresivos. Facilidad de instalacin en lugares poco accesibles Utilizacin de fibras pticas de plstico o de vidrio con diferentes dimetros y ncleos. Utilizacin de fuentes pticas poco estabilizadas con niveles de potencia ajustables a un valor fijo. La fuente ptica no requiere compensacin alguna. El sistema de calibracin es prctico y muy sencillo. El sistema de modulacin del haz de luz es sencillo (ausencia o presencia del haz). Sistema de procesamiento por microcontrolador COP8 con capacidad de control de procesos.

4.14.2. SISTEMA PTICO DEL SENSOR.

Todo sistema ptico est conformado por tres componentes principales: un transmisor, un medio de transmisin ptica (fibras pticas), la cual sirve como va o canal de comunicacin y un receptor.

La fibra ptica, que es un medio dielctrico, permite guiar a la luz misma que puede contener la informacin pertinente a la variable fsica medida (en este caso el nivel de un lquido).

Para cualquier sistema ptico de medicin es necesario la utilizacin de transductores, que pueden ser de conversin de seales elctricas (voltaje o corriente) a energa luminosa (transductores emisores) o transductores que conviertan la energa luminosa a seales elctricas (transductores receptores).1. 2. 3. 4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10. 4.11. 4.12. 4.13. 4.14. 4.14.1. 4.14.2. 4.14.2.1. FIBRA PTICA.

Las fibras pticas son filamentos de vidrio o dixido de silicio largos y flexibles, constan de un ncleo transparente rodeado por un material dielctrico llamado revestimiento (aunque tambin existen varios ncleos dentro de un mismo revestimiento) y un recubrimiento que dota de proteccin al revestimiento.

El ncleo es la seccin central principal por la que viaja la informacin en forma de luz. El revestimiento es la capa que rodea al ncleo, su objeto es actuar como pantalla reflejante que atrapa los rayos de luz en el ncleo, su ndice de refraccin es ligeramente menor al del ncleo.

La transmisin de informacin en las fibras pticas se logra aprovechando el fenmeno de la reflexin interna total dentro del ncleo.

La seleccin de las fibras pticas para el sensor de nivel est limitada por los tipos de fibras pticas existentes en el laboratorio de electrnica. Las fibras pticas disponibles en el laboratorio son:

- Fibra ptica de plstico con un dimetro de ncleo de 1000 m. - Fibra ptica de vidrio con un dimetro de 50/125 m. - Fibra ptica de vidrio con un dimetro de 100/140 m

4.14.2.2. CARACTERIZACIN DE LAS FIBRAS PTICAS DE VIDRIO.

Una caracterstica importante de las fibras pticas es su habilidad de colectar luz emitida por una fuente. Cuando se acopla una fuente ptica a una fibra ptica, se presentan dos mecanismos de prdidas, uno de ellos est relacionado al desacoplamiento de rea y el otro est relacionado con la apertura numrica.

El desacoplamiento de rea se presenta cuando el patrn de radiacin de la fuente (cono de la emisin de luz) es ms grande que el rea transversal del ncleo. En ocasiones aunque el rea iluminada por la fuente sea menor que el rea del ncleo, existe otra prdida asociada con el cono de aceptacin de la fibra. El ngulo de aceptacin () de luz de la fibra ptica est relacionado con el ngulo crtico, dado que se pretende colectar la mayor cantidad de luz al ncleo de una fibra ptica, entonces es importante conocer este parmetro de las fibras pticas conocido como apertura numrica (figura 3.5).

Medicin:

Donde :d= dimetro de la mota de luz en la pantalla blanca (mm).h= distancia entre la fibra ptica y la pantalla blanca (mm). NA= apertura numrica de la fibra ptica (adimensional). = ngulo de apertura (grados).

Con la expresin matemtica anterior se puede determinar el a radio de iluminacin de la luz entregada por la fibra ptica a una distancia d.

4.14.2.3. FUENTE PTICA.

Las fuentes pticas pueden construirse a base de tres tipos de emisores de luz: Diodos Lser (LD), Diodos Emisores de Luz (LED) o Diodos Sper luminiscentes(SLD).

Los diodos lser son fuentes de luz coherente, producto de la emisin estimulada que tiene lugar en una cavidad resonante, compuesta por una superficie reflejante y otra parcialmente reflejante, en donde se da la retroalimentacin ptica. Su ancho espectral es menor a 5nm y tiene un patrn de radiacin muy direccional, con lo que se obtiene un acoplamiento de potencia ptica grande. Los diodos emisores de luz son fuentes de luz incoherente debido a que trabajan bajo el principio de emisin espontnea, su fabricacin es mucho ms sencilla y robusta en comparacin con los LDs, regularmente se modulan en amplitud ya que la potencia luminosa del LED es proporcional a la corriente inyectada en ste; el patrn de radiacin de este dispositivo es omnidireccional por lo que el acoplamiento con fibras pticas es pobre.

Los diodos sper luminiscentes (SLD) son similares a los LDs, su diferencia principal es que en estos dispositivos no se tiene retroalimentacin ptica como en los LDs. La radiacin emitida por un SLD es de emisin espontnea amplificada, aunque la emisin no es coherente, su ancho espectral es ms reducido que el de un LED, pero ms ancha que la de un LD y su patrn de intensidad radiante es ms reducido y potente que el de los LEDs.

4.14.2.4. RECEPTOR PTICO

El proceso de conversin de fotones a electrones libres (portadores) es esencial para el sistema ptico. Esta conversin se realiza por medio de fotodetectores que pueden clasificarse como[2]: a) Elementos fotoemisivos.b) Elementos fotoconductivos. c) Elementos fotovoltaicos.

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:5.1. RECOMENDACIONES

Para mejorar la exactitud de las mediciones, se puede implementar por programacin factores de correccin en la lectura del nivel del lquido dependiendo del tipo de fluido, temperatura y presin dentro del tanque, variaciones de densidad y viscosidad del fluido, etc.

El sistema de calibracin puede realizarse en forma automtica a partir del desarrollo de un programa en el microcontrolador que determine el paso de lquido por cdigo.

5.2. CONCLUSIONES

El enorme potencial de este dispositivo en aplicaciones de sistemas industriales donde se manejan sustancias peligrosas lo hacen atractivo para una amplia gama de procesos.

Las fuentes pticas construidas para el sensor de nivel son econmicas y de fcil construccin, ya que no se requiere mucha estabilidad, ni sistemas de compensacin sofisticados debido al principio de operacin digital del mismo. La aplicacin puede extenderse no solo a fluidos transparentes, sino que la medicin se realiza con casi cualquier fluido que se encuentre en el contenedor, sin importar su viscosidad, grado de explosividad, densidad, corrosin, etc.

Las bondades de las fibras pticas hacen que este sensor sea robusto bajo condiciones inoperantes para los mtodos convencionales (electromecnicos generalmente), hacindolo intrnsecamente seguro en ambientes con alta contaminacin electromagntica.

Se puede tener control del nivel del lquido en forma remota, con un alto grado de fiabilidad.

6. BIBLIOGRAFIA:

https://www.youtube.com/watch?v=Qsy0hb9Qwachttp://www.sepi.esimez.ipn.mx/electronica/archivos/139.pdf