MEDICIÓN DE NIVELEn la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el

punto de vista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas o de productos finales. La utilización de instrumentos electrónicos con microprocesador en la medida de otras variables, tales como la presión y la temperatura, permite añadir "inteligencia" en la medida del nivel, y obtener exactitudes en la lectura altas, del orden del ± 0,2%, en el inventario de materias primas o finales o en transformación en los tanques del proceso.

Las distintas técnicas de medición de nivel constituyen entre otras, una herramienta muy importante en la rama de la Instrumentación y el Control, ya que la importancia de ciertos factores como la seguridad de las instalaciones, el control de la calidad del producto, la optimización de los procesos, y la protección del ambiente, dependen de la calidad de la medición que se esté haciendo y por ende la responsabilidad que esto conlleva al momento de tomar una decisión.

Por lo tanto, para realizar una acertada selección se debe tener un sólido conocimiento del proceso así como de los principios de funcionamiento, aplicaciones, ventajas, y desventajas de los instrumentos a utilizar

La medición de nivel se define como la determinación de la posición de la interface entre dos medios. Estos son usualmente fluidos, pero pueden existir sólidos o combinación de ellos. La interface puede existir entre un líquido y un gas, un líquido y su vapor, dos líquidos, un sólido o sólido diluido y un gas.

Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos, que son dos mediciones claramente diferenciadas.

Medidores de nivel de líquidos: Los medidores de nivel de líquidos se dividen en:1.- Los instrumentos de medida directa:

Sonda Cinta y plomada

Nivel de cristal Nivel de flotador

Magnético Palpador servooperado

Magnetoestrictivo

2.- Los aparatos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática:• Medidor manométrico

• Medidor de tipo burbujeo

• Medidor de presión diferencial de diafragma

3.- El empuje producido por el propio líquido lo aprovecha el medidor de desplazamiento.

4.- Los instrumentos que utilizan las características eléctricas del líquido:• Medidor resistivo/conductivo

• Medidor capacitivo • Medidor ultrasónico

• Medidor de radar o microondas

• Medidor de radiación

• Medidor de láser

5.- Y los que se basan en otros fenómenos:• Medidor óptico

• Vibratorio • Detector de nivel térmico o de dispersión térmica

INSTRUMENTOS DE MEDIDA DIRECTALa Sonda consiste en una varilla o regla graduada de la longitud

conveniente para introducirla dentro del depósito. La determinación del nivel se efectúa por lectura directa de la longitud mojada por el líquido. En el momento de la lectura el tanque debe estar abierto a presión atmosférica. Se utiliza, generalmente, en tanques de fuel-oil o gasolina.

La varilla con gancho se sumerge en el seno del líquido y se levanta después, hasta que el gancho rompe la superficie del líquido. La distancia desde esta superficie hasta la parte superior del tanque representa indirectamente el nivel.

La cinta métrica metálica graduada con plomada se emplea cuando la regla graduada no tiene acceso al fondo del tanque. El instrumento está compuesto por tres partes principales: el carrete, la cinta graduada y un peso o plomada. La plomada sirve para que se mantenga la cinta tensa al penetrar en el líquido. Para medir el nivel, se deja que la cinta baje lentamente hasta que la plomada toque el fondo del recipiente. Una vez que la plomada toca el fondo se empieza a recoger la cinta con el carrete, hasta que aparezca la parte donde el líquido ha dejado la marca que indica su nivel. Se usan cuando la regla graduada no tenga acceso al fondo del tanque.

Características generales del

medidor de sonda Campo de medida

limitado Buena exactitud:

Aplicación del medidor de

sonda Tanques

abiertos. Medición

Ventajas

Baratos.

Desventajas del medidor de

sonda Son manuales. Se usan sin

olas.

0,5 mm fe Presión máxima:

atmosférica Temperatura

máxima de fluido: 60 ºC

de aceite. Medición

de gasolina. Procesos

granulosos

Sólo para tanques abiertos.

No para procesos continuos

Indicador de cristal El funcionamiento del indicador de cristal se basa en el

principio de los vasos comunicantes: con igual presión, el líquido del tanque sube en el tubo de vidrio hasta que ambos niveles sean iguales. Cuando el nivel varía en el tanque, varía también en el tubo de vidrio obteniéndose así una indicación real de nivel del proceso. En la Fig. se representa este método de medición y se puede observar que sirve tanto para tanques abiertos como cerrados.

Características del indicador de cristal

Exactitud: 0,5 mm fe Temperatura máxima

de fluido: 200 °C Presión: hasta 7 bar

(700 000 Pa) para baja presión

Longitud: Hasta 1,78 m para baja presión

Hasta 2,5 m para alta presión

Aplicaciones del indicador de cristal

Medición de líquidos.

Lecturas periódicas de nivel.

Tanques abiertos. Tanques cerrados: Hervidores. Evaporadores. Condensadores. Columnas de

destilación

Ventajas del indicador de

cristal Económico. Seguridad en

la lectura del nivel del líquido.

Preciso.

Desventajas del indicador de cristal

Manipular con cuidado para evitar roturas.

No para control directo.

Campo de medida limitado.

Indicación local. Susceptibles de

ensuciarse por las características del líquido.

Los instrumentos de Flotador consisten en un flotador situado en el seno del líquido y conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser directa, magnética o hidráulica.

a) El flotador conectado directamente está unido por un cable que desliza en un juego de poleas a un índice exterior que señala sobre una escala graduada. Es el modelo más antiguo y el más utilizado en tanques de gran capacidad, tales como los de fuel-oil y gas-oil

b) El indicador de nivel magnético se basa en el seguimiento magnético de un flotador que desliza por un tubo guía y que contiene un potente electroimán. Hay dos modelos básicos:

1. Flotador tubo guía situados verticalmente en el interior del tanque. Dentro del tubo, una pieza magnética sigue al flotador en su movimiento y mediante un cable y un juego de poleas arrastra el índice de un instrumento situado en la parte superior del tanque. El instrumento puede, además, incorporar un transmisor neumático, electrónico o digital. 2. Flotador que desliza a lo largo de un tubo guía sellado acoplado externamente al tanque. El flotador contiene un potente imán y, en la parte externa, hay un tubo de vidrio no poroso herméticamente sellado, dotado de un indicador fluorescente o de pequeñas cintas magnéticas que siguen el campo magnético del flotador.

c) Flotador acoplado hidráulicamente, El movimiento del flotador actúa sobre un fuelle de tal modo que, varía la presión de un circuito hidráulico y señala a distancia en el receptor el nivel correspondiente. Se usa en aplicaciones bajo presión y tiene la facilidad del control directo del proceso de ser necesario.

Características El flotador puede tener formas muy variadas y

estar formado por materiales muy diversos según sea el tipo de fluido

Campo de medida de (0 a 10) m Exactitud: ± 0,25 in Precisión: ± 0,5 % Presión máxima: 5 000 psi(g) Temperatura máxima de fluido: 530 °C

Aplicaciones de los instrumentos de flotador

Tanques abiertos. Tanques cerrados a presión o al vacío.

Ventajas Instalación sencilla. Método de medición probado y

confiable. Permite medición continua. Turbulencias y espuma en la

superficie del líquido no afectan de manera significativa la medición.

Desventajas de los instrumentos de flotador La medición puede ser afectada por depósitos de

materiales sobre el flotador. Los tubos guías muy largos pueden dañarse ante olas

bruscas en la superficie del líquido o ante la caída violenta del líquido en el tanque.

No son adecuados para líquidos viscosos. Las partes móviles están sujetas a desgaste requiriendo

mantenimiento frecuente. La medición es afectada por los cambios en la gravedad

específica del fluido.Los medidores por palpador servooperado disponen de un

elemento de medida que consiste en un disco de desplazamiento suspendido por una cinta perforada (o un cable) de acero inoxidable que está acoplada a un tambor ranurado, el cual almacena o dispensa la cinta. El tambor está conducido por un servomotor controlado y montado en unos cojinetes de precisión. Cuando el nivel del

producto sube o baja, el desplazador es subido o bajado automáticamente manteniendo el contacto con la superficie del producto. El tambor de medida está montado en el techo del tanque y dispone de un codificador óptico y del transmisor de los datos de nivel. Generalmente, la transmisión de la información es digital serie y codificada, sujeta a estándar. Para proteger el disco palpador del oleaje que pueda producirse en el tanque se instala un tubo tranquilizador dotado de orificios. El instrumento tiene una exactitud de ± 3 mm, y un campo de medida de 1 mm a 30 m.

El medidor de nivel magnoestrictivo utiliza un flotador cuya posición, que indica el nivel, se determina por el fenómeno de la magnetoestricción. Para detectar la posición del flotador, el transmisor envía un impulso alto de corriente de corta duración (impulso de interrogación) hacia abajo al tubo de guía de ondas, con lo que crea un campo magnético tubular que interacciona inmediatamente con el campo magnético generado por los imanes del flotador. Esta interacción da lugar a una fuerza de torsión en el tubo, como si fuera una onda o vibración ultrasónica, que se traslada, a una velocidad tipica, por el tubo guía hacia el circuito sensor que capta el impulso ultrasónico torsional y lo convierte en un impulso eléctrico. El circuito mide el intervalo de tiempo entre el impulso inicial de corriente y el impulso de retorno y lo convierte a una señal dentro del intervalo de 4-20 mA, y esta señal indica la posición del flotador, es decir, el nivel. El reloj utilizado en este sistema es capaz de medir el tiempo con una exactitud de 1/100 millonésimas de segundo.

El instrumento puede utilizarse en la medida de interfases líquido-líquido. La exactitud es del ± 0,01%. El alcance (span) es de 0,1 m a 5 m. La señal de salida puede ser de 4-20 mA c.c. con protocolos de comunicación HART, FOUNDATION Fieldbus, etc.

INSTRUMENTOS BASADOS EN LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA

Medidor manométrico: En este tipo de medidor se conecta un manómetro en la línea de descarga de un tanque de almacenamiento, en la cual se pueden observar varios accesorios como son una válvula de cierre para mantenimiento, y un pote de decantación con una válvula de purga. La lectura del manómetro se puede calibrar para medir directamente nivel, teniendo en cuenta la densidad del líquido almacenado utilizando la ecuación de presión hidrostática,

P = h·( l)·s = h·s

Donde: P= Presión; h= Altura del nivel del líquido; s= Gravedad específica; l = Presión causada por un 1 cm cda

Se asume que la gravedad específica del líquido es constante, sin embargo, las variaciones en la temperatura pueden afectar considerablemente la densidad del líquido introduciendo error en la medición.

Características Exactitud: ± 1 % Presión máxima: Atmosférica Temperatura máxima del fluido:

60 °C

Aplicaciones

Tanques abiertos y cerrados a presión atmosférica

Ventajas

Económico

Desventajas Su campo de medida está limitado por la altura del tanque. Sólo sirve para fluidos limpios. En caso de mediciones de nivel con líquidos corrosivos o

viscosos, es necesario colocarle al manómetro un equipo de sello para aislar al instrumento del fluido

Medidor tipo burbujeoEl sistema de burbujeo de aire, está formado por un

suministro continuo de aire, un regulador, un indicador visual de flujo y un indicador de nivel. Consiste en introducir un tubo dentro del tanque y luego aire a presión la cual se regula a un valor ligeramente superior a la presión hidrostática ejercida por la columna de líquido en el tanque al nivel máximo.

Cuando se va a realizar una medición de nivel, el aire de alimentación se ajusta de modo que la presión sea ligeramente superior que la presión ejercida por la columna de líquido. Esto se consigue regulando la presión del aire hasta que se observan burbujas saliendo del extremo de la tubería colocada dentro del recipiente. Debido a que puede ser que no sea conveniente la inspección visual para detectar la presencia de burbujas, se instala en la línea de acceso de aire, un indicador visual de flujo, el cual es normalmente un rotámetro.

La importancia de mantener un flujo a través del tubo es debido al hecho de que el líquido en el tubo debe ser desplazado por el aire creando una contrapresión que va a depender del nivel existente en el recipiente, siendo detectada por el indicador de nivel como el nivel existente en el recipiente.

La tubería empleada suele ser de 0,5 in con el extremo biselado para una fácil formación de las burbujas de aire. Una tubería de menor diámetro tipo

capilar reduciría el tiempo de respuesta pero produciría un error en la medición provocado por la pérdida de carga del tubo.

Características Exactitud: ± 1 % fe Presión máxima: 400 kg/cm²

(0,058 Pa) Temperatura máxima de

fluido: 200 °C

Aplicaciones Tanques abiertos. Líquidos muy corrosivos o con sólidos

en suspensión

Ventajas Barato y versátil

Desventajas Durante el mantenimiento se puede

contaminar el líquido. Su campo de medida está limitado por

la altura del tanque

Instrumentos de presión diferencial En los sistemas de presión diferencial se puede conectar un

tubo entre la toma de presión baja (L) y la parte superior del tanque, para medir así la diferencia de presión ΔP entre las tomas inferior y superior del tanque, pudiéndose calibrar esta ΔP en función de la altura del nivel en estudio. Los transmisores de presión diferencial de diafragmas se utilizan en la medición de nivel en tanques cerrados bajo presión, aunque también se pueden usar para medir nivel en tanques abiertos dejando la toma de presión baja (L) igual a la presión atmosférica.

Los casos que se presentan con más frecuencia son: tanques abiertos, tanques cerrados con atmósfera condensable sobre el líquido y tanque cerrado con atmósfera no condensable sobre el líquido. Las variaciones de presión dentro del tanque afectan la medición de nivel, por lo que se hace necesario hacer compensación en las mediciones. El medidor de presión diferencial consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque. En el tipo más utilizado, el diafragma está fijado en una brida que se monta rasante al tanque para permitir, sin dificultades, la medida de nivel de fluidos. Debido a que el instrumento mide presión diferencial, la presión estática sobre la superficie del líquido no tiene efecto en la medición, por lo que, variaciones en la presión estática no causan errores en la medición

Supresión de la señal del nivelCuando el transmisor de nivel está montado por debajo de la tubería que

lo conecta al tanque, la toma de alta presión tiene una presión positiva cuando el nivel está al mínimo, de modo que señalaría nivel (1 m en la figura) en estas condiciones. Para que la señal del transmisor sea 4 mA c.c.

(0,2 bar o 3 psi), es necesario suprimir la altura de líquido indicada. Para ello, en los transmisores neumáticos y electrónicos convencionales se utiliza el tornillo de supresión, que lo que hace es trasladar a la derecha (10 KPa o 0,1 bar suponiendo que el fluido sea agua) el cero del instrumento.

Elevación de la señal del nivelEn tanques cerrados y a presión con fluidos que pueden vaporizar a

temperatura ambiente y a la presión de operación, existe el riesgo de condensación del líquido en la línea de compensación o tubería húmeda (wet leg) que comunica con la toma de baja presión del instrumento. Una solución es instalar un pote de condensado en la parte inferior de esta tubería con una válvula de asilamiento y purgar periódicamente el condensado, si bien, tiene el gran inconveniente del mantenimiento excesivo Al ser condensables los gases o vapores que están sobre el líquido, la tubería húmeda (wet leg) se llena gradualmente con el condensado hasta llenar todo el tubo, en cuyo caso tendrá mayor presión que la tubería de alta presión (HP) y, por lo tanto, el transmisor leerá el nivel a la inversa (indicará bajo cuando el nivel sea alto y viceversa). Por lo tanto, cuando el nivel es mínimo, el transmisor enviará una señal inferior a 4 mA c.c. (0,2 bar o 3 psi). Por lo tanto, para que la señal sea positiva hay que elevarla (5,5 m en la figura equivalente a 55 KPa o 0,55 bar suponiendo que el fluido es agua). Para ello, en los transmisores neumáticos y electrónicos convencionales se utiliza el tornillo de elevación, que lo que hace es trasladar a la izquierda (55 KPa o 0,55 bar) el cero del instrumento.

Características Exactitud: ± 0,5 % Presión máxima: 150

kg/cm² Temperatura máxima de

fluido: 200 °C

Aplicaciones Es adecuado para la medición de nivel

de interface. Aplicaciones de indicación, registro y

control de nivel.

Ventajas No tienen partes móviles

dentro del tanque. Son de fácil limpieza. Precisos y confiables. No son influidos por las

fluctuaciones de presión.

Desventajas El rango de medición está limitado por

los intervalos del manómetro diferencial de que se disponga.

En tanques cerrados presentan el inconveniente de la posible condensación de los vapores del tanque en el tubo de conexión al instrumento.

Algunos fluidos presentan el riesgo de depósitos de cristales o de sólidos en la superficie del diafragma.

Medición de la interfase de líquidos: La interfase puede medirse en tanques abiertos y cerrados bajo presión. En los tanques abiertos destinados a la separación de dos líquidos de diferente densidad, el líquido más denso descarga por una salida del tanque que corresponde al valor inferior del intervalo de medida del transmisor, mientras que por la salida superior circula el líquido más ligero que corresponde al valor superior del intervalo de medida. De este modo se verifica:Señal de salida del transmisor con el tanque lleno del líquido más ligero = 4 mA c.c. (0% alcance):

pa(0 % )=(h+ha)× l2× gSeñal de salida del transmisor con el tanque lleno del líquido más denso

= 20 mA c.c. (100% alcance):pa(100 %)=(h+ha)×l 1× g

Alcance (span)=pa(100%)−pa(0 %)El punto de interfase se encuentra con la fórmula:

Interfase= Presiondiferencial leida−Pa(0 %)Alcance

x(h+ha)

Instrumento basado en el desplazamientoEl funcionamiento del medidor tipo desplazamiento, está basado en el

Principio de Arquímedes, el cual establece que un cuerpo (flotador) sumergido en un líquido es empujado hacia arriba por una fuerza que es igual al peso del líquido desplazado. La ecuación utilizada para determinar la fuerza de flotación disponible es:

F = V·sDonde: F = Fuerza de flotación V = Volumen del flotador s = Gravedad específica del líquido

La fuerza que actúa sobre el área (presión) del cuerpo sumergido crea la fuerza llamada flotabilidad, la cual permite a un cuerpo cuya densidad media sea inferior a la de un líquido, flotar parcialmente sumergido en la superficie libre del líquido. Un cuerpo al flotar pierde un peso equivalente al peso del volumen de líquido desplazado. Para relacionar la pérdida de peso de un cuerpo con el nivel de líquido en un recipiente, normalmente se utilizan dos mecanismos: Mecanismo de resorte. Mecanismo con barra de torsión.

En el modelo de resorte, el peso aparente del flotador (peso real - empuje del líquido) es transmitido directamente mediante un resorte en espiral especial de Nimonic (aleación de níquel), que lo convierte en un cambio de longitud, dado por la relación:

Peso flotador−empuje liquidoContraccion del resorte

Una varilla conectada al resorte sube o baja según el valor del nivel dentro de un tubo de presión estanco. Fuera del tubo se encuentra un transformador diferencial lineal (LVDT) que capta el movimiento de la varilla y proporciona una señal proporcional al nivel de líquido.El instrumento es más compacto, más ligero, mucho más fácil de instalar y no tiene partes críticas soldadas, por lo que los períodos de mantenimiento son mucho más amplios que el instrumento de torsión.

Los instrumentos de este tipo se utilizan, básicamente, en servicios con fluidos sucios y temperaturas elevadas. Estos instrumentos pueden utilizarse también en la medida de interfase entre dos líquidos inmiscibles de distinta densidad (por ejemplo, agua y aceite). En este caso, el flotador es de pequeño diámetro y de gran longitud y está totalmente sumergido. El peso del volumen desplazado por el flotador, es decir, el empuje, se compone entonces de dos partes, del líquido más denso en la parte inferior y del menos denso en la superior, con una línea de separación (interfase) de la que depende el par de torsión proporcionado al transmisor exterior. En efecto, si x es la zona del flotador inmersa en el liquido de mayor densidad, l es la longitud total del flotador y γ1 y γ2 son lasdensidades de los líquidos, resulta:

Empuje hacia arriba=F=Sx x γ 1x g+S ( l−x ) x γ 2 xgSe ve, claramente, que este empuje depende del nivel reltivo de

separación de los dos líquidos y que el alcance (span) está determinada por la diferencia entre las densidades de los líquidos, es decir:

Fmax−Fmin=S x l x γ 1x g−S x l x γ 2 x g=S x l ( γ 1−γ 2 ) x gLas dimensiones relativas del flotador (longitud y diámetro) dependerán, pues, de la amplitud de medida seleccionada.

Pueden utilizarse también para medir la densidad del líquido. En este caso, el flotador está totalmente sumergido. El campo de medida de densidades es bastante amplio, de 0,4 a 1,6.El cuerpo del medidor puede estar montado directamente en el tanque (montaje interno) o en un tubo vertical al lado del tanque (montaje exterior).En el modelo de tubo de torsión el flotador está suspendido de un pivote a_ lado, para reducir el rozamiento, situado en el extremo de un brazo y el otro extremo está soldado al tubo de torsión. Dentro del tubo, y unido a su extremo libre, se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro axial a un transmisor exterior al tanque. Al variar el nivel del líquido o la interfase en el caso de dos líquidos inmiscibles, cambia el peso del flotador con lo que la varilla libre del tubo de torsión gira en un movimiento proporcional al movimiento del flotador y, por lo tanto, al nivel. El movimiento angular del extremo libre del tubo de torsión es muy pequeño, del orden de los 9°. El tubo proporciona, además, un cierre estanco entre el flotador y el exterior del tanque (donde se dispone el instrumento receptor del par transmitido). Según el principio de Arquímedes, el flotador sufre un empuje hacia arriba que viene dado por la fórmula:

F = S × H × γ× gen la que:F = empuje del líquidoS = sección del flotadorH = altura sumergida del flotadorγ = 9,8 m/s2y el momento sobre la barra de torsión es:M = (S × H × γ × g - P) × lsiendo l el brazo del tubo de torsión y P el peso del flotador.

Características del medidor de desplazamiento

Campo de medición: (0 a 984,25) in (0 a 24,99) m

Exactitud: ± 0,25 in (6,35x10-3 m) Presión máxima: 5 000 psi(g)

(3,448x107 Pa) Temperatura máxima: 540 ºC Longitud estándar del flotador:

(11,8 a 118) in (0,3 a 3) m Intervalo de medida puede variar

de (0 a 300) mm cda a (0 a 2 000) mm cda

Aplicaciones del medidor de desplazamiento

Tanques abiertos y cerrados o al vacío.

Para producir una señal neumática para control.

Para producir una señal eléctrica para ser usada en la operación de una válvula de control, un indicador o graficador localizado remoto al punto de medición.

Medición de nivel de líquidos de gravedad específica constante.

Campo de medición de densidades es bastante amplio: (0,4 a 1,6)

Medición de interface líquido - líquido.

Control de bombas. Interruptores para señal de alarma.

Ventajas del medidor de desplazamiento

Instalación sencilla. De fácil limpieza. Principio de operación confiable

y probado. Medición continua. No lo afecta la turbulencia ni la

espuma. Robustos. Miden interfaces. Buena sensibilidad.

Desventajas del medidor de desplazamiento

Calibración ajustable en campo. Partes móviles sujetas a desgaste. El depósito de sólidos o el

crecimiento de cristales en el flotador afectan la exactitud de la medición.

Es apto para la medición de pequeñas diferencias de nivel (2 000 mm máx. estándar).

La medición de nivel de interface requiere flotadores largos.

No para líquidos viscosos. La medición es afectada por los

cambios en la gravedad específica del fluido.

Instrumentos basados en características eléctricas del líquidoEl medidor de nivel conductivo o resistivo consiste en

uno o varios electrodos y un circuito electrónico que excita un relé eléctrico o electrónico al ser los electrodos mojados por el líquido. Este debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su vapor, tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de vapor. La impedancia mínima es del orden de los 25 MW/cm, y la tensión de alimentación entre los electrodos y el tanque es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas, por causa del fenómeno de la electrólisis. El relé electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del líquido o ante cualquier perturbación momentánea, o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados enclavados eléctricamente en el circuito. El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, y con la sensibilidad ajustable permite detectar la presencia de espuma en el líquido

Medidor de capacidad: El principio básico de funcionamiento del medidor de nivel capacitivo, Fig. 3.16, se basa en las propiedades que tiene un capacitor de almacenar cargas eléctricas y así, oponerse a cambios en el voltaje de un circuito. En el medidor capacitivo, una de las placas del condensador está formada por un electrodo sumergido en el fluido y la otra, está comprendida por las paredes del tanque. El dieléctrico es el del fluido dentro del tanque. La ecuación que define la capacitancia del medidor capacitivo es:

C=(KxA)D

Donde:

C = Capacitancia; K = Constante dieléctrica; A = Área común entre las placas; D = Distancia entre las placas

En la Fig se puede observar que el área común entre las placas y la distancia entre ellas son valores fijos, sin embargo, el dieléctrico varía con el nivel del fluido y esta variación es usada para producir una señal proporcional al nivel. La forma y el tamaño del electrodo varía de acuerdo a la aplicación, para superficies líquidas se usan varillas pequeñas circulares, mientras que para algunos sólidos se requieren placas de gran área. Existen dos tipos de materiales con los cuales se pueden hacer mediciones:

Conductivos. No conductivos.

Para mediciones con materiales no conductivos se utiliza una barra metálica de prueba, como se muestra en la Fig. El sistema total de capacitancia CE es determinado por la Ec. (3.7):

CE = C1 + C2 + C3Y

C2 = (0,614·Ka(L−l)) ∕ Log(D∕d)C3 = (0,614·Kp·l) ∕ Log(D∕d)

donde: C1 = Capacitancia del aislamiento entre la barra metálica y el tanque C2 = Capacitancia de la fase vapor que despide el líquido ó el aire contenido en el recipiente. C3 = Capacitancia de la fase liquida Ka = Constante dieléctrica de la fase vapor

Kp = Constante dieléctrica de la fase liquida L = Altura total del recipiente l = Altura del nivel del vapor y el liquido D = Diámetro del recipiente d = Diámetro de la placa de prueba

Se puede observar que cuando las constantes dieléctricas son constantes, la capacitancia del sistema es función de la altura del nivel del líquido. Para mediciones de nivel de líquidos con materiales conductivos se utiliza el sistema mostrado en la Fig.. En estos casos el electrodo debe estar cubierto por un material aislante.

El sistema de capacitancias está determinado por la Ec. (3.8): CE = C1 + (C2·C4) ∕ (C2+C4) + (C3·C5) ∕ (C3+C5) (3.8)

donde: C4 = Capacitancia entre el aislante y la barra de prueba en la parte de la fase vapor C5 = Capacitancia entre el aislante y la barra de prueba en la parte de la fase liquida

Métodos utilizados para la medición de capacitanciasVarios métodos de medición y detección de capacitancias son usados por

el medidor de capacitancia, uno de ellos es el del circuito puente mostrado en la Fig. La impedancia variable es conectada a uno de los lados del circuito puente, la variación de nivel da como resultado un desbalance en el puente proporcional al valor del nivel. Cuando el puente se encuentra balanceado se debe cumplir que:

Z1·Z4 = Z2·Z3 (3.9)Esta ecuación, define la condición de balance del puente sin considerar si

las impedancias son resistencias, capacitancias, inductancias o combinaciones de ellas, además las relaciones de impedancias no son afectadas por la magnitud de la fuente de voltaje en corriente alterna, sin embargo, la condición de balance se obtiene únicamente cuando el ángulo de fase y la magnitud de los cuatro lados del puente satisfacen la Ec. (3.9). Los componentes reales e imaginarios de las impedancias deben equilibrarse simultáneamente, es por esto que en la Fig. 3.19 existen dos resistencias variables. Cuando el puente no está balanceado se deben utilizar los métodos convencionales para la solución del circuito.

Sustituyendo en la Ec. (3.9) los valores de la Fig. 3.19 se obtiene: R1·(Rx−jXCx) = (R2−jXC2)·R3 (3.10)

luego: R1Rx − jR1XCx = R2R3 − jXC2R3 (3.11)

donde:

R1Rx = R2R3 (3.12)jR1(1∕(ωCx)) = jR3(1∕(ωC2)) (3.13)

simplificando: R1C2 = R3Cx (3.14)

Resolviendo las Ecs. (3.12) y (3.14) tenemos que: Rx = R2R3 ∕ R1 (3.15)

Cx= R1C2 ∕ R3 (3.16)En la práctica, la componente Cx del puente es la capacitancia de prueba

definida por la relación capacitancia-nivel y el término Rx es generalmente la resistencia propia de la capacitancia Cx. Cuando el puente está balanceado se utiliza la Ec. (3.16) para conocer el valor de Cx y así obtener la medición del nivel.

Características Exactitud: ± 1 % fe Presión máxima: (80 a 250)

kg/cm² Temperatura máxima de

fluido: (200 a 400) °C

Aplicaciones Puede emplearse en la medición de

interface. En la industria de procesamiento de

alimentos. En aplicaciones on/off para alarmas o

sistemas de control.

Ventajas No contiene partes móviles. Fáciles de limpiar. Presentan buena resistencia a

la corrosión. Se pueden hacer mediciones

en materiales conductivos y no conductivos.

Su campo de medición es bastante amplio.

Puede soportar temperaturas y presiones extremas.

Desventajas Las mediciones están sujetas a errores

ocasionados por variaciones de temperatura, ya que la temperatura afecta la constante dieléctrica del material a ser medido.

El material aislante utilizado puede causar errores en la medición.

En la medición de sólidos, variaciones en el tamaño de las partículas afectan a la constante dieléctrica.

Tabla. Constantes dieléctricas de varios tipos de líquidos. Fuente: Omega

Medidor de ultrasonidoEl ultrasonido es utilizado en mediciones donde no se permite el

contacto del instrumento de medición con el líquido. En el medidor de nivel por ultrasonido, cuando las ondas sonoras viajan en un medio que absorbe el sonido y golpean a otro medio tal como una pared, una partícula en el líquido, o la superficie del líquido, solamente una pequeña porción de la energía de la onda sonora penetra la barrera y el resto de la energía se refleja. La onda sonora reflejada es un eco. El medidor de ultrasonido utiliza el principio del eco para su funcionamiento.

La cantidad de energía reflejada depende del coeficiente de absorción de los materiales el cual se define como: (Energía absorbida)/(Energía reflejada por el material) d

Este valor depende de la frecuencia y propiedades del líquido tales como: porosidad, grosor del material y rigidez. El diagrama de bloques que ilustra el principio de funcionamiento del medidor de ultrasonido se muestra en la Fig.

Características Campo de medida: (0,5 a 100) ft (0,152 a

30,48) m Exactitud: ± (1 a 3) % fe Presión máxima: 400 kg/cm²

Aplicaciones Se utilizan para hacer mediciones de

nivel continuas y para alarmas

Temperatura máxima de fluido: 200 °C Frecuencia de ultrasonido: (1 a 20) kHz Potencia de consumo < 10 W Repetibilidad: 6,4 mm

Ventajas Adecuados para todos los

tipos de tanques y de líquidos. Muy exactos. Más sofisticados que los

medidores convencionales. No poseen partes móviles. No requieren mantenimiento. No es intrusivo.

Desventajas Costosos. La medición es afectada por las propiedades del medio

como porosidad de la superficie, espesor del material y rigidez.

Sensibles a la densidad. Dan señales erróneas cuando la superficie del nivel del

líquido no es nítida como en el caso de un líquido que forme espuma.

La velocidad del sonido cambia con la temperatura: al aumentar la temperatura, la velocidad del sonido en el aire aumenta mientras que en el agua disminuye.

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Medidor de nivel de radar o microondasEl sistema de radar de microondas se basa en la emisión continua de una

onda electromagnética, típicamente dentro del intervalo de los rayos X (10 GHz). El sensor está situado en la parte superior del tanque y envía las microondas hacia la superficie del líquido. Una parte de la energía enviada es reflejada en la superficie del líquido y la capta el sensor. El tiempo empleado por las microondas es función del nivel en el tanque.Una técnica empleada es utilizar una onda continua modulada en alta frecuencia (por encima de los 10 GHz), de modo que se detecta la diferencia de frecuencia entre la señal emitida y el eco recibido. La técnica recibe el nombre de FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave – Onda continua modulada en frecuencia). La diferencia de frecuencias es proporcional al tiempo empleado por estas señales de transmisión y retorno, es decir, al nivel. Y así:

d= v x dt2

con:v= c

√esiendo:

d = distancia del emisor al líquidov = señal de velocidaddt = _ empo de recorridoc = velocidad de la luz

e = constante dieléctricaLa fórmula anterior indica que la velocidad de la microonda a través del

aire (u otro gas o vapor) es igual a la velocidad de la luz dividida por la raíz cuadrada de la constante dieléctrica del gas o vapor. Como la constante dieléctrica de los vapores sobre el líquido es casi la unidad, la variación de la velocidad es despreciable, por lo que puede afirmarse que la espuma es transparente a la señal de radar y, por lo tanto, deja de ser un problema, tal como ocurría en el medidor de nivel de ultrasonidos.

Otra ventaja de esta técnica es que las señales de medida del nivel son en FM en lugar de AM,lo que suprime los ruidos parásitos del tanque que se encuentran en la banda de AM.Si la constante dieléctrica del líquido es baja, pueden presentarse problemas en la medida ya que, en este caso, la energía reflejada es muy pequeña. El agua (εr = 80) produce una reflexión excelente en la superficie del líquido.

Medidor de nivel de radiaciónEl sistema de radiación (medición por rayos gamma) consiste en un

emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geiger que transforma la radiación gamma recibida en una señal eléctrica de corriente continua. Otro tipo de detector consiste en un haz de fibras ópticas que transmiten los fotones luminosos, creados en la estructura cristalina (dotada de materiales dopantes) cuando reciben la radiación gamma, a un tubo fotomultiplicador. Como la transmisión de los rayos es inversamente proporcional a la masa del líquido en el tanque, la radiación captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del líquido, ya que el material absorbe parte de la energía emitida. Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos X, pero de longitud de onda más corta.

La fuente radiactiva pierde igualmente su radiactividad en función exponencial del tiempo. La vida media (es decir, el tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de su actividad) varía según la fuente empleada.La intensidad de la radiación recibida por el detector depende del isótopo del emisor, de la densidad y demás características físicas del fluido, del espesor de las paredes del recipiente, del espesor de los aislamientos y de la distancia emisor/receptor, pre_ riéndose el método en el que la fuente de radiación sea de menor actividad. Los microprocesadores han aportado una mayor sensibilidad a este tipo de medida de nivel, permitiendo una mayor duración de aprovechamiento de la fuente y una mayor seguridad para el personal ,ya que puede utilizarse la fuente con menores niveles de radiación.La exactitud de la medida es del ± 0,5% al ± 2%.

El instrumento puede emplearse para todo tipo de líquidos, ya que no está en contacto con el proceso. Su lectura viene influida por el aire o por los gases disueltos en el líquido. El sistema se emplea en caso de medida de nivel en tanques de acceso difícil o peligroso. Es ventajoso cuando existen presiones elevadas en el interior del tanque que impiden el empleo de otros sistemas de medición. Hay que señalar que el sistema es caro y que la instalación no debe ofrecer peligro alguno de contaminación radiación va, siendo necesario señalar debidamente las áreas donde están instalados los instrumentos y realizar inspecciones periódicas de seguridad.

Medidor de nivel láser En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de nivel convencionales fallan, encuentra su aplicación el medidor láser (y también el de radiación). Tal es el caso de la medición de metal fundido, donde la medida del nivel debe realizarse sin contacto con el líquido y a la mayor distancia posible por existir unas condiciones de calor extremas.

El sistema mide el nivel de forma parecida al medidor de nivel de ultrasonidos con la diferencia de que emplea la luz en lugar del sonido. Consiste en un rayo láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radia_ on) enviado a través de un tubo de acero y dirigido por reflexión en un espejo sobre la superficie del metal fundido. La señal puede ser por impulsos o por onda continua modulada en alta frecuencia. En el primer caso, cada impulso de láser llega hasta el nivel de líquido y regresa al receptor. En forma parecida a la del nivel por radar, la distancia desde el sensor hasta el nivel se calcula por la fórmula:

Distancia=( velcidad de laluz )(tiempo transcurrido)

2La señal pulsante tiene buena penetración y un gran intervalo de medida,

por lo que es la típica usada en aplicaciones industriales. La señal láser de onda continua está modulada en alta frecuencia y

cambia de fase al chocar contra el nivel de líquido. Cuando alcanza el receptor, el circuito electrónico calcula la distancia midiendo el desfase entre la onda emitida y la recibida, la frecuencia y la longitud de onda.

El sistema de rayo láser no es influido por los cambios de temperatura y presión, ni por las turbulencias y las capas de gases, ni por los materiales absorbentes del sonido y, asimismo, tampoco por los de baja constante dieléctrica (como ocurre en el medidor de nivel de radar). Es inmune a reflexiones y ecos provocados por polvo y al movimiento de palas del agitador.

Otros fenómenosEl detector de nivel óptico opera mediante la transmisión, reflexión o

refracción de luz visible, infrarroja o láser, basándose en el principio de diferencia de índices de refracción entre el líquido y el gas o vapor presente en su superficie.

El detector de nivel vibratorio consiste en una horquilla que vibra a su frecuencia de resonancia. Cuando la horquilla es mojada por el líquido reduce su frecuencia, con lo que un circuito electrónico cierra o abre un contacto o excita un microprocesador compatible con salida TTL o un transistor de alta potencia.

El detector de nivel térmico o de dispersión térmica consiste en dos sondas de resistencia, una de las cuales se calienta y la otra está a la temperatura del proceso, con lo que proporcionan dos resistencias diferentes. Cuando no hay líquido, la diferencia es mayor y cuando aumenta el nivel y moja las dos sondas, la sonda caliente se refrigera y se reduce la diferencia de temperaturas. Un circuito electrónico convierte la diferencia de resistencias en una señal en voltios de c.c. que excitan un contacto SPDT (conmutador unipolar) o DPDT (conmutador bipolar). El instrumento también puede utilizarse para detectar interfases de líquidos.

MEDIDORES DE NIVEL DE SÓLIDOSEn los procesos continuos, la industria ha ido exigiendo el desarrollo de

instrumentos capaces de medir el nivel de sólidos en puntos fijos o de forma continua, en particular en los tanques o silos destinados a contener materias primas o productos finales. Los detectores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en uno o varios puntos fijos determinados.

Los sistemas más empleados son: el diafragma, los interruptores de nivel alto con sonda, el capacitivo, las paletas rotativas, el de vibración y el medidor de radar de microondas.

Los medidores de nivel continuo proporcionan una medida continua del nivel desde el punto más bajo al más alto. Entre los instrumentos

empleados se encuentran el de sondeo electromecánico, el de báscula, el capacitivo, el de ultrasonidos, el de radar de microondas, el de radiación y el láser. En la figura pueden verse los sistemas de medición de nivel de sólidos fijos y continuos.

El detector de diafragma consiste en una membrana flexible que puede entrar en contacto con el producto dentro del tanque y que actúa sobre un microrruptor. El material del diafragma puede ser de tela, goma, neopreno o fibra de vidrio. El medidor de diafragma tiene la ventaja de su bajo coste y trabaja bien con materiales de muy diversa densidad. La exactitud es de ± 50 mm.

Los interruptores de nivel alto están montados en la parte superior o lateral del tanque y consisten en una sonda de tubo, o paleta o varilla flexible, que excita un microrruptor cuando el sólido los alcanza. Son aparatos de bajo coste, necesitan estar protegidos y se utilizan sólo en tanques abiertos. La exactitud es de ± 25 mm.

El medidor capacitivo es un detector de proximidad capacitivo, dotado de un circuito oscilante RC que está ajustado en un punto crítico y que entra en oscilación cuando se encuentra próximo al lecho del sólido. El aparato se monta en el tanque, en posición ver_ cal o inclinada, y su sensibilidad se coloca al mínimo para evitar el riesgo de excitación del aparato en el caso de que una mínima can_ dad del sólido pueda depositarse en el detector. La exactitud es de ± 25 mm.

Las paletas rotativas consisten en un eje vertical, dotado de paletas, que gira continuamente a baja velocidad accionado por un motor síncrono. Cuando el producto sólido llega hasta las paletas, las inmoviliza, con lo que el soporte del motor y la caja de engranajes empiezan a girar en sentido contrario actuando, consecutivamente, sobre dos interruptores, el primero excita el equipo de protección (por ejemplo, una alarma) y el segundo desconecta la alimentación eléctrica del motor. Cuando el producto baja de nivel y deja las palas al descubierto, un resorte vuelve el motor a su posición inicial liberando los dos microrruptores. De este modo, el motor se excita con lo que las palas vuelven a girar y la alarma queda desconectada.

Estos aparatos son adecuados en tanques abiertos a baja presión, tienen una exactitud de unos ± 25 mm y se emplean preferentemente como detectores de nivel de materiales granulares y carbón. Pueden trabajar con materiales de muy diversa densidad y existen modelos a prueba de explosión

El detector de vibración consiste en una sonda de vibración en forma de horquilla que forma parte de un sistema resonante mecánico excitado piezoeléctricamente. Cuando el material entra en contacto con la sonda amortigua su vibración, lo que detecta el circuito electrónico actuando sobre un relé y una alarma al cabo de un tiempo de retardo ajustable. Algunos instrumentos disponen de un sistema autolimpiante que impide el bloqueo de la sonda por el producto. Es adecuado para una gran variedad de polvos, carbón, azúcar, grano, cemento y arena. La exactitud es del ± 1%.

El medidor de radar de microondas, similar al de medida de nivel de líquidos, consta de una fuente de microondas, situada a un lado del recipiente, y un detector en el lado opuesto, en la misma horizontal. Cuando el producto alcanza dicha horizontal, la señal deja de recibirse y se excita una alarma. Se aplica en la detección de bajo nivel de sólidos abrasivos.

Detectores de nivel continuosEl medidor de nivel de sondeo electromecánico, representado en la,

consiste en un pequeño peso móvil sostenido por un cable, desde la parte superior del silo, mediante poleas. Un motor y un programador situados en el exterior establecen un ciclo de trabajo del peso. Éste baja suavemente en el interior de la tolva hasta que choca contra el lecho de sólidos. En este instante, el cable se afloja y un detector adecuado invierte el sentido del movimiento del peso con lo que éste asciende hasta la parte superior de la tolva, donde se para, repitiéndose el ciclo nuevamente.

Un indicador exterior señala el punto donde el peso ha invertido su movimiento, indicando así el nivel en aquel momento. El instrumento se caracteriza por su sencillez, puede emplearse en el control de nivel, pero debe ser muy robusto mecánicamente para evitar una posible rotura del conjunto dentro de la tolva, lo que podría dar lugar a la posible rotura de los mecanismos de vaciado. La exactitud es del ± 1%.

El medidor de nivel de báscula mide el nivel de sólidos indirectamente a través del peso del conjunto tolva más producto; como el peso de la tolva es conocido, es fácil determinar el peso del producto y, por lo tanto, el nivel. La tolva se apoya en una plataforma de carga actuando sobre la palanca de una báscula o bien carga sobre otros elementos de medida neumáticos, hidráulicos o eléctricos (galga extensiométrica y microprocesador).

El medidor de nivel capacitivo es parecido al estudiado en la medición de nivel de los líquidos, con la diferencia de que tiene más posibilidades de

error por la mayor adherencia que puede presentar el sólido en la varilla capacitiva. La lectura viene influida, además, por las variaciones de densidad del sólido. La varilla del medidor está aislada y situada verticalmente en el tanque y bien asegurada mecánicamente para resistir la caída del producto y las fuerzas generadas en los deslizamientos internos del sólido.

El medidor de nivel de ultrasonidos consiste en un emisor de ultrasonidos que envía un haz horizontal a un receptor colocado al otro lado del tanque. Si el nivel de sólidos está más bajo que el haz, el sistema entra en oscilación enclavando un relé. Cuando los sólidos interceptan el haz, el sistema deja de oscilar y el relé se desexcita actuando sobre una alarma o sobre la maquinaria de descarga del depósito. Su exactitud es de, ± 0,15 a, ± 1%, puede construirse a prueba de explosión, pudiendo trabajar a temperaturas de hasta 150 °C.

El medidor de radar de microondas similar al de nivel de líquidos, consta de una fuente de microondas situada en la parte superior del tanque que emite un haz de microondas que se refleja sobre el sólido y es captado por un detector. El sistema es ideal en productos muy viscosos como el asfalto. Su exactitud es de ± 2 mm y su campo de medida puede llegar a 40 metros.

El medidor de nivel de radiación es parecido al instrumento estudiado en la determinación del nivel de líquidos. Consiste en una fuente radiactiva de rayos gamma, dispuesta al exterior y en la parte inferior del tanque, que emite su radiación a través del lecho de sólidos, siendo captada por un detector exterior.

El instrumento puede trabajar a altas temperaturas hasta unos 1.300 °C, presiones máximas de 130 bar, en materiales peligrosos o corrosivos, no requiere ninguna abertura o conexión a través del tanque y admite control neumático o electrónico. Sin embargo, es un sistema de coste elevado que necesita una supervisión periódica desde el punto de vista de seguridad, debe calibrarse para cada tanque y no puede aplicarse a materiales a los que afecte la radiactividad. Su exactitud es del ± 1% y su campo de medida de 0,5 m por cada fuente, pudiendo emplearse varias para aumentar el intervalo de media del nivel.

El medidor de nivel láser envía impulsos desde el sensor hasta el nivel de sólido y capta el impulso reflejado, calculando la distancia por la multiplicación entre la velocidad de la luz y la mitad del tiempo que ha tardado el haz entre el emisor y el receptor del pulso, después de reflejarse

éste en la superficie del sólido. Tiene la ventaja de que no hay dispersión del haz de luz (solo 0,2°), no existen falsos ecos y el haz puede dirigirse hasta distancias de 75 m y a espacios tan pequeños como 25 cm2. Su exactitud es del ± 1%