Caso PT Tirta Bumi: Medición de Nivel de Tanques de Agua y Aguas Residuales con Radar de 80 GHz

Tres cubas en una planta municipal de tratamiento de agua fallaron de tres maneras diferentes, y las tres fallas tuvieron la misma causa raíz. Este artículo investiga el problema de medición de nivel en un tanque de agua cruda, un pozo de agua clara y un pozo húmedo de una estación de bombeo de aguas residuales, donde los medios son agua y aguas residuales tamizadas: líquidos de alta constante dieléctrica que deberían ser fáciles de medir. Los transmisores ultrasónicos existentes fallaron porque la condensación goteaba sobre la cara del transductor, la espuma en la superficie de las aguas residuales absorbía el pulso acústico y los cambios de temperatura del aire desplazaban la corrección de la velocidad del sonido. Cada falla se remonta a su causa física, que es exactamente por qué el reemplazo, un medidor de nivel de radar FMCW de 80 GHz, funciona donde el ultrasónico no lo hizo. El artículo cubre el diagnóstico, la selección, la instalación y lo que cambió para el control de bombas después de la temporada de lluvias.

Perfil del cliente: PT Tirta Bumi Water Treatment (Indonesia)

PT Tirta Bumi Water Treatment es una empresa municipal de servicios de agua en Indonesia que opera instalaciones de captación de agua cruda, pozos de agua clara y estaciones de bombeo de aguas residuales. La secuenciación de bombas y la prevención de desbordamientos en estas cubas dependen de señales de nivel que se mantengan fiables a través de atmósferas húmedas, condensación y espuma, las condiciones exactas que derrotaron a los instrumentos ultrasónicos anteriores.

2. El sitio: Tres cubas, una queja recurrente

El registro de instrumentos de la planta contaba una historia coherente en tres ubicaciones: un tanque de agua cruda que amortiguaba la captación del río, un pozo de agua clara que almacenaba agua tratada y un pozo húmedo de una estación de bombeo de aguas residuales que alimentaba la planta. Las tres utilizaban transmisores de nivel ultrasónicos, y las tres aparecían en el registro de mantenimiento por las mismas razones: lecturas erráticas, comandos de bomba falsos y visitas de limpieza. El pozo húmedo era el peor caso: su señal de nivel inicia y detiene las bombas de aguas residuales, por lo que cada lectura falsa se convertía en un evento de bomba. La investigación comenzó con una pregunta simple: ¿son estas tres fallas separadas, o una falla repetida tres veces porque la tecnología es incorrecta para el entorno?

3. Modo de falla 1: Condensación en el transductor

En el tanque de agua cruda y el pozo de agua clara, la atmósfera sobre el agua es húmeda, y la cara del transductor, más fría que el vapor, acumulaba condensación. Una capa de gotas de agua en un transductor ultrasónico no es un problema cosmético: amortigua el pulso acústico y corrompe el eco. La lectura se desvió o se interrumpió, y el bucle de control reaccionó a una señal que ya no representaba la superficie del agua. La respuesta de mantenimiento fue la limpieza, programada. Pero el programa trataba el síntoma; la causa era que se le pedía a un sensor acústico que trabajara a través de una película de agua en su propia cara. Esto es física, no un defecto del producto, y se repite en cada tanque húmedo.

4. Modo de falla 2: Espuma en la superficie de las aguas residuales

En el pozo húmedo, los tensioactivos en las aguas residuales y la turbulencia del flujo produjeron una capa de espuma. Los pulsos ultrasónicos son ondas de presión acústica; la espuma los absorbe y los dispersa. El transmisor entonces se fijaba en cualquier eco que regresara primero, a veces la cima de la espuma, a veces el líquido, a veces nada estable. El resultado fue el ciclo de la bomba con niveles altos falsos y funcionamiento en seco con niveles bajos falsos, y en clima húmedo el riesgo de desbordamiento. La espuma no era una condición temporal; es una característica permanente de las aguas residuales. La medición tenía que ver a través de ella, y la medición acústica no puede.

5. Modo de falla 3: La velocidad del sonido no es constante

La medición de nivel ultrasónica convierte el tiempo de vuelo en distancia utilizando la velocidad del sonido en el aire, y esa velocidad cambia con la temperatura, la humedad y la composición del gas. Los transmisores ultrasónicos llevan un sensor de temperatura y aplican una corrección, pero la corrección asume que el aire a lo largo de toda la ruta está a la temperatura medida. En un tanque calentado por el sol o un pozo ventilado, el aire no es uniforme, por lo que la corrección en sí misma se convirtió en una fuente de error. Las lecturas parecían plausibles y estaban equivocadas. Este tercer modo de falla es el más sutil, porque no se anuncia con interrupciones; simplemente degrada silenciosamente la medición.

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7. Tabla de diagnóstico: Por qué el radar elimina los tres

Los tres modos de falla se corresponden uno a uno con la física del radar:

Esta tabla es la lógica de selección. Se eligió un radar FMCW de 80 GHz porque la alta frecuencia permite una antena pequeña y liviana que se monta fácilmente sobre cubas abiertas, y el procesamiento FMCW proporciona un eco estable y filtrado. El material de la antena es PVDF o PTFE, hidrofóbico por diseño. La misma espuma que ciega al ultrasónico apenas afecta al radar (la onda pasa y se refleja en el agua debajo), mientras que un sensor de presión diferencial vería a través de la espuma pero se desviaría con la densidad y se obstruiría en el diafragma. La elección de la tecnología es, por lo tanto, una decisión sobre qué modo de falla el sitio puede tolerar.

8. Configuración para control de bombas

El radar se configuró como fuente de nivel para el PLC, no como controlador autónomo. Nivel en metros, referenciado al fondo de la cuba; 4-20 mA escalado en el rango de trabajo; HART habilitado para cambios remotos. Los umbrales de arranque, parada y alarma alta de la bomba permanecieron en el PLC, por lo que el instrumento siguió siendo una fuente de nivel simple y fiable. El amortiguamiento se estableció en unos pocos segundos, suficiente para suavizar la turbulencia de entrada, lo suficientemente corto como para no enmascarar un nivel alto genuino. La dirección a prueba de fallos fue la decisión interesante: en el pozo húmedo, se configuró una pérdida de eco para llevar la salida a alto, de modo que las bombas funcionen en lugar de desbordarse. Esa elección debe coincidir con la filosofía de control del sitio; es una decisión, no un valor predeterminado.

9. Soporte, cable y el pozo húmedo

La instalación fue deliberadamente simple. Sobre las cubas abiertas, el radar se colocó en un soporte rígido alejado del chorro de entrada, para que el agua salpicada no atravesara el haz; un soporte flexible movería la antena y desplazaría la referencia cero, por lo que la rigidez se verificó en el sitio. En el pozo húmedo, se eligió una carcasa IP68 porque el pozo puede inundarse. El cable era un par trenzado blindado, tendido por separado de los cables de alimentación de la bomba, conectado a tierra en un solo extremo; una conexión a tierra de un solo punto evita el bucle de tierra que de lo contrario inyectaría ruido en el bucle de 4-20 mA. En la atmósfera de aguas residuales, la entrada del cable y la clasificación de la carcasa se confirmaron con respecto a las consideraciones de H2S del sitio; el instrumento no anula los requisitos de seguridad de la ubicación.

10. Puesta en marcha: Configuración correcta de la protección contra fallos

La puesta en marcha siguió el diagnóstico. Se introdujeron el desplazamiento de montaje y la profundidad de la cuba para que la salida mostrara el nivel real. Se grabó un espectro vacío capturando ecos fijos de soportes, paredes, escaleras y tuberías; se aplicó supresión de ecos falsos. Los niveles de arranque y parada de la bomba se verificaron con una cinta métrica. Luego se probó el pozo húmedo bajo espuma: se estableció el umbral de eco para seguir la superficie del líquido en lugar de la cima de la espuma, y se observó el comportamiento durante un período de espuma conocida. Se probó la dirección a prueba de fallos desconectando el bucle y observando la respuesta del PLC según lo diseñado. Cada configuración y verificación se incluyó en el archivo de la planta.

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Xi'an Qinwei Instrument Factory (marca QINWEIYB) es un fabricante establecido en 2010 que se especializa en instrumentos de automatización industrial, con 500-800 empleados y el 50%-60% de la producción exportada a nivel mundial. Para el servicio de agua y aguas residuales, Qinwei suministra radares FMCW IP67/IP68 con antenas hidrofóbicas de PVDF/PTFE, interfaces de 4-20 mA, HART y Modbus, y opciones de montaje en soporte simples para cubas abiertas. Todos los instrumentos están calibrados de fábrica con certificados trazables; el MOQ comienza desde 1 juego, la entrega es de 5-8 días hábiles, y se admite la personalización OEM/ODM.

12. La prueba de la temporada de lluvias

La temporada de lluvias proporcionó el veredicto. Los flujos aumentaron rápida y frecuentemente; los niveles del pozo húmedo oscilaron en todo el rango; la espuma era densa. El radar siguió la superficie del líquido a través de todo esto, las bombas ciclaron a niveles reales y el riesgo de desbordamiento que el ultrasónico no podía ver desapareció. El tanque de agua cruda y el pozo de agua clara se mantuvieron estables durante los meses húmedos sin interrupciones por condensación. La limpieza recurrente del transductor ya no era necesaria. No se proporcionan estadísticas de antes y después; lo que ganó la planta es una señal de nivel que refleja la superficie del líquido en lugar de la espuma, y bucles de control que se comportan en consecuencia.

13. Valor de ingeniería y dónde se repite este diagnóstico

El valor del cambio se expresa mejor como eventos evitados: sin desbordamiento por lecturas ciegas a la espuma, sin desgaste de bombas por ciclos falsos, sin exposición de mantenimiento en el pozo húmedo. El método de diagnóstico (rastrear cada falla hasta su causa física y verificar el reemplazo contra esa causa) es la parte transferible. Se aplica a tomas de agua cruda, pozos de agua clara, tanques de retrolavado de filtros, tanques de lodos, cuencas de aguas pluviales y pozos húmedos de estaciones de bombeo en todas partes. Para pozos muy profundos o tuberías estrechas, se debe evaluar el radar de onda guiada en paralelo; para pozos de aguas residuales con H2S, confirme los materiales de la carcasa y siga los requisitos de detección de gas del sitio. Al solicitar una cotización para el servicio de nivel de agua o aguas residuales, proporcione la profundidad de la cuba y el tipo de montaje (boquilla o soporte), si se espera espuma o inundación, el voltaje de suministro disponible y la interfaz del sistema de control (4-20 mA, HART o Modbus).