• Author / Uploaded
• apazao

• Categories
• Tanques
• Presión
• Medida de presión
• Medición
• Microprocesador

Citation preview

  



CAPITULO IV MEDICIÓN DE NIVEL 4.1.- INTRODUCCIÓN.- La medición de nivel en los procesos de control y de automatización es una parte integral y fundamental. Se aplican en una amplia variedad de industrias. La medición de nivel se divide en dos categorías: - Medición de nivel puntual. - Medición de nivel continúo. Los sensores de nivel puntual, son utilizados para señalar o controlar una altura discreta simple de líquidos y sólidos o una condición predeterminada de nivel. Generalmente, este tipo de sensor es usado como: alarma de nivel alto, para alertar la existencia de una condición de rebalse, o como un señalizador o alarma de nivel bajo, tal como se aprecia en la siguiente figura: Nivel alto

Nivel bajo

Un sensor de nivel continuo, como su nombre lo indica mide el nivel de fluidos o sólidos en forma continua y están provistos de una salida analógica que es transmitida a un indicador visual, control de lazo cerrado de procesos y registrador. Los sensores más sofisticados en la medición de nivel continuo pueden estar provistos de un sistema completo de monitoreo de nivel en base a microprocesadores tal como se aprecia en el siguiente medidor de nivel ultrasónico: En la industria la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista de funcionamiento correcto del proceso como la consideración del balance adecuado de materias primas o de productos finales. Los instrumentos de nivel en ambas categorías; puntual y continua se de dividen en:   

  



- Medidores de nivel de líquidos. - Medidores de nivel de sólidos. Medidores de líquidos

Medidores de sólidos

4.2.- MEDIDORES DE NIVEL DE LÍQUIDOS.- Entre los Instrumentos de medición de nivel de líquidos, se tienen una gran variedad desde los más simples hasta los más sofisticados, entre los cuales se tienen: Los Instrumentos de nivel de medida directa: - La sonda - Cinta y plomada - Nivel de cristal - Instrumentos de flotador. Los Instrumentos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática: - Medidor manométrico. - Medidor de membrana. - Medidor de tipo burbujeo. - Medidor de presión diferencial de diafragma. - Medidor de desplazamiento a barra de torsión.   

  



Los instrumentos que utilizan características eléctricas del líquido: - Medidor Conductivo. - Medidor capacitivo. - Medidor ultrasónico. - Medidor de radiación. 4.3.- INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DIRECTA DE NIVEL.- El medidor de nivel de sonda consiste en una varilla o regla graduada, de 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 y gasolina. Otro medidor consiste en una varilla graduada, con un gancho que 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, se emplea en tanques de agua a presión atmosférica. Tal como se aprecia en las siguientes figuras:

El medidor de cinta graduada y plomada es similar a los anteriores medidores y se aplica cuando es difícil que la regla graduada tenga acceso al fondo del tanque. Ver la siguiente figura:

El nivel de cristal consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloques metálicos y cerrados por prensaestopas que están unidos al tanque generalmente mediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo para impedir el escape del liquido en caso de rotura del cristal o reparación del mismo y una de purga. El nivel de cristal normal se emplea para presiones hasta 7 bares. En sistemas donde la presión es elevada, se utiliza el cristal grueso, de sección rectangular y esta   

  

 protegido por una armadura metálica, tal como se aprecia en las siguientes figuras:

CRISTAL NORMAL

CRISTAL CON ARMADURA

La lectura del nivel se realiza con un cristal a reflexión o bien por transparencia. En la lectura a reflexión, el vidrio en contacto con el líquido esta provisto de ranuras longitudinales que actúan como prismas de reflexión indicando la zona de líquido con un color oscuro casi negro y la zona superior en contacto con el vapor de color claro. En la lectura por transparencia empleada para apreciar el color, características o interfase del líquido, éste esta contenido entre dos placas de vidrio planas y paralelas que permiten ver directamente el nivel, se mejora la apreciación visual al acoplar una lámpara de iluminación del sistema. Los mismos se pueden apreciar en la siguiente figura:

LECTURA POR REFLEXION

LECTURA POR TRANSPARENCIA

NIVEL DE CRISTAL Los niveles de vidrio son susceptibles de ensuciarse por las características del líquido que miden, impidiendo que el nivel pueda apreciarse claramente. Entre los líquidos que presentan este inconveniente figuran el caramelo y los líquidos pegajosos. EL nivel de vidrio permite solo una indicación local, pero pueden emplearse espejos para lectura a distancias limitadas, liquido indicador de nivel o bien utilizar cámaras de televisión para mayores distancias de transmisión. Su ventaja principal es la gran seguridad que ofrece en la lectura del nivel del líquido pudiendo controlar con ellos la lectura de los otros tipos de aparatos de nivel.   

  

 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. El flotador conectado directamente esta unido por un cable que desliza en un juego de poleas a un índice exterior que señala sobre una escala graduada. Es utilizado en tanques de gran capacidad tales como los de fuel-oil y gas-oil. Tiene el inconveniente de que las parte móviles están expuestas al fluido y pueden romperse. El flotador acoplado magnéticamente desliza exteriormente a lo largo de un tubo guía sellado, situado verticalmente en el interior del tanque. Dentro del tubo, una pieza magnética sigue al flotador en su movimiento y mediante un cable y juego de poleas arrastra el índice de un instrumento situado en la parte superior del tanque, este instrumento puede además ser un transmisor neumático o eléctrico, los mismos se aprecian en la siguiente figura:

En tanques pequeños, el flotador puede adaptarse para actuar magnéticamente sobre un transmisor neumático o eléctrico dispuesto en el exterior del tanque permitiendo así un control del nivel; una aplicación típica la constituye el control de nivel de una caldera de pequeña capacidad de producción de vapor, tal como se aprecia en la figura 4.1: ACOPLAMIENTO HIDRAULICO

FIGURA 4.1

FIGURA 4.2

El flotador acoplado hidráulicamente actúa en su movimiento sobre un fuelle de tal modo, que varia la presión de un circuito hidráulico y señala a distancia en el receptor el nivel correspondiente. Permite distancias de transmisión de hasta 75m y puede emplearse en tanques cerrados. Sin   

  

 embargo, requiere una instalación y calibración complicadas y posee partes móviles en el interior del tanque. Hay que señalar que en estos instrumentos, el flotador puede tener formas muy variadas y estar formado por materiales muy diversos según sea el tipo de fluido, esta se aprecia en la figura 4.2: Los instrumentos de flotador tienen una precisión de "0,5%. Son adecuados en la medida de niveles en tanques abiertos y cerrados a presión o al vacío, y son independientes del peso especifico del liquido. Por otro lado, el flotador puede agarrotarse en el tubo guía por un eventual deposito de los sólidos o cristales que el liquido pueda contener y además los tubos guía muy largos pueden dañarse ante olas bruscas en la superficie del liquido o ante la caída violenta del liquido en el tanque. Las siguientes figuras muestran versiones industriales de los flotadores:

  

  



  

  



4.4.- INSTRUMENTOS BASADOS EN LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA.MEDIDOR MANOMETRICO.- Consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque. Como se observa en la siguiente figura:

  

  

 Se observa que en estos instrumentos de este tipo se aprecian varios accesorios como son: una válvula de cierre para mantenimiento y un pote de decantación con una válvula de purga. El manómetro mide la presión debida a la altura de líquido h que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. Así pues, el campo de medida del instrumento corresponderá a:

0-

h Kg/ cm2 10

h = Altura del liquido en m.  = Peso especifico del liquido en g/cm3 Como las alturas son limitadas, el campo de medida es bastante pequeño, de modo que en el manómetro utilizado tiene un elemento de medida del tipo fuelle. El instrumento solo sirve para fluidos limpios ya que si el liquido es corrosivo, coagula o bien tiene sólidos en suspensión, el fuelle puede destruirse o bien bloquearse perdiendo su elasticidad; por otra parte, como el campo de medida es pequeño no es posible utilizar sellos de diafragma. La medida esta limitada a tanques abiertos y el nivel viene influido por las variaciones de densidad del liquido. MEDIDOR DE MEMBRANA.- Utiliza una membrana conectada con un tubo estanco al instrumento receptor como se aprecia en la figura:

La fuerza ejercida por la columna de líquido sobre el área de la membrana comprime el aire interno a una presión igual a la ejercida por la columna de líquido. El volumen del aire interno es relativamente grande, por lo cual el sistema esta limitado a distancias no mayores de unos 15m debido a la compresibilidad del aire. Al igual que en el anterior caso, la presión máxima que el líquido ejercerá es:

h Kg/ cm2 10 El medidor de membrana tiene una precisión de "1%, puede trabajar a temperaturas hasta 60 o C, es delicado ya que cualquier pequeña fuga del aire contenido en el diafragma destruiría la calibración del instrumento y no puede emplearse para servicio en líquidos corrosivos. En los líquidos que contienen sólidos en suspensión es necesario conectar una tubería de purga en la parte inferior del   

  

 diafragma para permitir la limpieza periódica de la parte inferior del instrumento.

MEDIDOR DEL TIPO BURBUJEO.- Emplea un tubo sumergido en el líquido a través del cual se hace burbujear aire mediante un rotámetro con un regulador de caudal incorporado. La presión del aire en la tubería equivale a la presión hidrostática ejercida por la columna de líquido, es decir al nivel. El regulador de caudal permite mantener un caudal de aire constante a través del liquido independientemente del nivel, si no existiera, habría una gran diferencia en los caudales de aire necesarios desde el nivel mínimo al máximo, con el inconveniente de un gasto de aire indebido. La tubería empleada suele ser de 1/2" 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 medida provocado por la perdida de carga del tubo. La presión del aire en la tubería, es decir, el nivel se mide mediante una manómetro de fuelles cuyo campo de medida corresponde a la presión máxima ejercida por el líquido:

h Kg/ cm2 10 El manómetro receptor puede colocarse hasta distancias de 200m. El sistema puede emplearse también en tanques cerrados con dos juegos rotámetro-regulador y con las señales de aire conectadas a un transmisor de presión diferencial. Como es lógico, la presión del aire de purga debe ser superior a la presión del tanque. Señalemos que no solo puede utilizarse aire sino también otro tipos de gases e incluso liquido como fluido de purga y que el tubo debe tener una longitud adecuada para evitar que las variaciones bruscas del nivel introduzcan en su interior una cierta columna de líquido que retarde el paso del aire y falsee momentáneamente la lectura. Este tipo de instrumento se observa en la siguiente figura:

Tanque abierto

Tanque cerrado

El método de burbujeo es simple y da buen resultado, en particular, en el caso de líquidos muy corrosivos o con solidos en suspensión y en emulsiones. No se recomienda su empleo cuando el fluido de purga perjudica al liquido y para fluidos altamente viscosos donde las burbujas formadas del aire o del gas de purga presentan el riesgo de no separarse rápidamente del tubo. Desde el punto de vista de mantenimiento, es muy útil situar una T con un tapón en la parte superior del tubo para su limpieza periódica. MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL.- Consiste en un diafragma en contacto con el liquido del tanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque. En un tanque abierto esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso especifica. Es decir P = H, en la que: P = Presión. H = altura de liquido sobre el instrumento.  = peso especifico del liquido   

  



Diafragma

manómetro diferencial

Señal de salida

El diafragma forma parte de un transmisor neumático o eléctrico de presión diferencial semejante a los transmisores de caudal de diafragma que ya se estudio. En el tipo mas utilizado, el diafragma esta fijado en una brida que se monta rasante al tanque para permitir sin dificultades la medida de nivel de fluidos, tales como pasta de papel y líquidos con sólidos en suspensión, pudiendo incluso ser de montaje saliente para que el diafragma enrase completamente con las paredes interiores del tanque, tal como ocurre en el caso de líquidos extremadamente viscosos en que no puede admitirse ningún recodo. Ver la siguiente figura:

Normal

Montaje saliente

Hay que señalar que el nivel cero del líquido se selecciona en un eje a la altura del diafragma. Si el instrumento se calibra en el tanque, el 0% del aparato debe comprobarse con el nivel mas bajo en el borde inferior del diafragma (entre le borde inferior y el superior del diafragma la señal de salida no esta en proporción directa al nivel). MEDIDOR DE NIVEL DE DESPLAZAMIENTO Consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque. El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Al aumentar el nivel, el líquido ejerce un empuje sobre el flotador igual al volumen de la parte sumergida multiplicada por la densidad del líquido, tendiendo a neutralizar su peso propio, así que el esfuerzo medido por el tubo de torsión será muy pequeño. Por el contrario, al bajar el nivel, menor parte del flotador queda sumergida, y la fuerza de empuje hacia arriba disminuye, resultando una mayor torsión. La precisión es del orden de ± 0,5 % a ± 1 % y el intervalo de medida puede variar de 0-300 a 0-2000 mm c. de a. El instrumento puede utilizarse en estanques abiertos y cerrados a presión o a vacío, tiene una buena sensibilidad pero presenta el inconveniente del riesgo de depósitos de sólidos o de crecimiento de cristales en el flotador que afectan a la precisión de la medida y es apto sólo para la medida de pequeñas diferencias de nivel (2000 mm máximo estándar).   

  

 Según el principio de Arquímedes, el flotador sufre un empuje hacia arriba que viene dado por la formula: F  Shg

Donde: F = empuje del líquido S= Sección del flotador h= Altura sumergida del flotador g= gravedad 9.8 m/s² r= Densidad del líquido

4.5.- INSTRUMENTOS BASADOS EN CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL LÍQUIDO.MEDIDOR DE NIVEL CONDUCTIVO.- Consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico que es excitado cuando el liquido moja a dichos electrodos. El liquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico. La impedancia mínima es del orden de los 20 MΩ/cm, y la tensión de alimentación es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas por causa del fenómeno de la electrólisis. Cuando el liquido moja los electrodos cierra el circuito electrónico y circula una corriente segura del orden de los 2mA; el relé electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del liquido 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, utiliza relés eléctricos para líquidos con buena conductividad y relés electrónicos para líquidos con baja conductividad. Una variante del aparato se utiliza en el control del nivel de vidrio en fusión, tal como se aprecia en el inciso c de la figura. Un sistema electromecánico baja el electrodo hasta que este entra en contacto con la superficie del vidrio fundido que a las temperaturas de fusión es conductor. El circuito esta proyectado de tal forma que en el momento del contacto, el electrodo queda parado y su posición marcada en un registrador; instantes después invierte el movimiento hasta romper el contacto eléctrico y se repite nuevamente el ciclo. El instrumento es versátil, sin partes móviles, su campo de medida es grande con la limitación física de la longitud de los electrodos. El líquido contenido en el tanque debe tener un mínimo de conductividad y si su naturaleza lo exige, la corriente debe ser baja para evitar el deterioro del producto. Por otro lado conviene que la sensibilidad del aparato sea ajustable para detectar la presencia de espuma en caso necesario.

  

  



MEDIDOR DE NIVEL CONDUCTIVO

LIQUIDO CONDUCTOR LÍQUIDO POCO CONDUCTOR La versión industrial de este tipo de medidor con sus especificaciones técnicas, se aprecia en la Fig.

  

  

 MEDIDOR DE CAPACIDAD.- Mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque. La capacidad del conjunto depende linealmente del líquido. En fluido no conductores se emplea el electrodo normal ( Figura 4.5.1.) y la capacidad total del sistema se compone de la del líquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores. En fluidos conductores (figura 4.5.2.) con una conductividad mínima de 100 /cc, el electrodo esta aislado usualmente con teflón interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del líquido y del gas.

FLUIDO NO CONDUCTOR FIGURA 4.5.1.

FLUIDO CONDUCTOR FIGURA 4.5.2

El siguiente circuito electrónico:

PUENTE DE CAPACITANCIAS MEDIDOR DE NIVEL DE CAPACIDAD Consiste en un puente de capacidades, alimenta el electrodo a una frecuencia elevada, lo cual disminuye la reactancia capacitiva del conjunto y permite aliviar en parte el inconveniente del posible recubrimiento del electrodo por el producto. Este sistema es sencillo y apto para muchos tipos de líquidos. Sin embargo, hay que señalar que en los fluidos conductores, los sólidos o líquidos conductores que se encuentran en suspensión o emulsión y las burbujas de aires o de vapor existentes, aumentan y disminuyen la constante dieléctrica del fluido dando lugar a un error máximo de 3% por cada tanto por ciento de desplazamiento volumétrico. Por otro lado, al bajar el nivel, la porción aislante del electrodo puede quedar recubierta de líquido y la capacidad adicional que ello representa da lugar a un error considerable. La precisión de los transductores de capacidad es de  1%, se caracterizan por no tener partes móviles, son ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza. Su campo de medida es prácticamente ilimitado y pueden emplearse en la medida de nivel de interfases. Tienen el inconveniente de que la temperatura puede afectar las constantes dieléctricas y de que los   

  

 posibles contaminantes contenidos en el líquido pueden adherirse a; electrodo variando su capacidad y falseando la lectura, en particular de líquidos conductores. La s siguiente figuras muestran la versión industrial de estos medidores de nivel capacitivos, en el cual se tiene la salida directa de 4 a 20mA normalizado:

  

  



SISTEMA ULTRASÓNICO DE MEDICIÓN DE NIVEL.- Se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor. El tiempo de retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque. Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 Khz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión el medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del sólido o del líquido. En la siguiente figura se aprecian varias disposiciones de montaje de los detectores que se utilizan en los casos de alarmas o de indicación continua del nivel, En las aplicaciones de alarma de nivel los sensores vibran a una frecuencia de resonancia determinada, que se amortigua cuando el líquido los moja.

Transductor ultrasónico de nivel   

  



En el segundo caso de indicación continua del nivel, la fuente ultrasónica genera impulsos que son detectados por el receptor una vez transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de la onda a la superficie del sólido o del líquido. La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de un sistema de medida ultrasónica.

Diagrama de bloques de un transductor El sensor emisor dispone de un oscilador excitador para enviar un impulso ultrasónico a la superficie del fluido y el sensor receptor recibe esta señal reflejada enviando una señal función del tiempo transcurrido, y por lo tanto del nivel. Como se conoce la frecuencia y velocidad de la onda ultrasónica y el tiempo de ida y de vuelta de la misma, mediante la ecuación: v = d/t

entonces

d = v t [m]

se puede obtener la distancia del nivel del líquido o fluido. La precisión de estos instrumentos es de "1 a 3%. Son adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos o fangos, pudiendo construirse a prueba de explosión. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasónicos. Este sistema de medición de nivel de líquidos es el mas utilizado a nivel industrial. El sistema de medición en base al sensor ultrasónico de no contacto, consiste de los siguientes elementos: sensor, procesador de señal analógica, microprocesador, interruptores de rango y un circuito de salida. El microprocesador genera una serie de impulsos que son transmitidos a través del procesador de ºseñal analógica al sensor. El sensor transmite una onda ultrasónica a la superficie del nivel de fluido y el retorno de la onda de la superficie es detectado también por el sensor y enrutado al microprocesador, el cual procesa la señal y nos proporciona la distancia entre el sensor y el nivel de la superficie. El microprocesador almacena el valor de la distancia y por medio el software de un programa los compara con los valores de otros datos almacenados en memoria. Tal como se aprecia en las siguientes versiones industriales de este tipo de medidores ultrasónicos:

  

  



  

  



MEDICIÓN DE NIVEL MEDIANTE 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. 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 mas 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, varia según la fuente empleada. En el cobalto 60 es de 5,5 años, en el Cesio 137 de 33 años y en el radio 226 es de 1620 años. Las paredes del tanque absorben parte de la radiación y al detector llega solo un pequeño porcentaje. Los detectores son en general, tubos Geiger (otros medidores emplean detectores de cámara iónica) y utilizan amplificadores de c.c. o de c.a. Los amplificadores de cc. precisan un reajuste periódico de la deriva electrónica del cero desde 1 a 4 semanas, aparte de la compensación de la pérdida de radiación progresiva experimentada por la fuente. Los amplificadores de c.a. precisan menos mantenimiento que los de c.c. El sistema se emplea en caso de medida de nivel de 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 radiactiva , siendo necesario señalar debidamente las áreas donde están instalados los instrumentos y realizar inspecciones periódicas de seguridad. La siguiente tabla muestra la comparación entre los tipos de medición de nivel:

  

  



  

  

 MEDICIÓN DE NIVEL MEDIANTE MEDIDOR LASER.- Este medidor se aplica en condiciones muy duras y donde los instrumentos de nivel convencionales fallan. Tal es el caso del metal fundido, donde la medida de nivel debe realizarse sin contacto con el líquido y a la mayor distancia posible por existir unas condiciones de calor extremas. El sistema consiste en un rayo láser enviado a través de un tubo de acero y dirigido por reflexión en un espejo sobre la superficie del metal fundido. El aparato mide el tiempo que transcurre entre el impulso emitido y el impulso de retorno que es registrado en un fotodetector de alta resolución, y este tiempo es directamente proporcional a la distancia del aparato emisor a la superficie del metal fundido. Un microprocesador convierte este tiempo al valor de la distancia a la superficie del metal en fusión, es decir, proporciona la lectura de nivel, como se aprecia en las siguientes figuras: Fotodetector de alta resolución

Pequeña proporción De luz dispersa MEDIDOR DE NIVEL LASER 4.6.- SELECCIÓN DE MEDIDORES DE NIVEL Además de las diferentes variables requeridas para la medición de nivel, tales como masa, volumen, densidad, alarmas, etc...), existen otra serie de parámetros que deben ser tomados en cuenta para la selección del medidor adecuado. Las variaciones en las condiciones de proceso así como las condiciones ambientales, han dado lugar a la aparición de múltiples tecnologías para la medición de nivel. El éxito en la medición de nivel, en la mayoría de los casos reside en la elección de la tecnología más adecuada para la aplicación. Cada tecnología tiene características y prestaciones que deben ser tomadas en cuenta antes de realizar la selección. Los dos parámetros que tienen mayor influencia en la selección de la tecnología para la medición de nivel son la presión y temperatura, pero existen otros factores a tener en cuenta: 

variable requerida (nivel., masa, densidad, ...)



precisión en la medida



características del tanque



condiciones ambientales



características del producto



requerimientos en instrumentación, incluyendo precisión, certificaciones, alimentación, etc...

  

  

 4.7.- MEDIDORES DE NIVEL DE SÓLIDOS.- En los procesos industriales en los que se tienen almacenamientos de productos sólidos o materias primas sólidas, es necesario el desarrollo de instrumentos capaces de medir el nivel de sólidos en puntos fijos o de una forma continua, en particular en los tanques o silos destinados a contener materias primas o de productos finales. En las plantas de fundición de minerales es muy necesario la medición de nivel de los concentrados, fundentes como carbón y arena, otros sólidos, los cuales son contenidos en containers y tolvas Los detectores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en uno o varios puntos fijos determinados. Los sistemas mas empleados son: - El diafragma. - El cono suspendido. - La varilla flexible. - El medidor conductivo. - Paletas rotativas. - Sistemas ultrasónicos. Los medidores de nivel continuo proporcionan una medida continua del nivel desde el punto más bajo al mas alto. Entre los instrumentos empleados se encuentran: - El de peso móvil. - El de báscula. - El capacitivo. - El de presión diferencial. - El ultrasónico. - El de radiación. 4.8.- MEDIDORES DE NIVEL DE PUNTO FIJO.-

MEDIDOR DE DIAFRAGMA.- Consiste en un membrana flexible que puede entrar en contacto con el producto dentro del tanque y que contiene en su interior un conjunto de palancas con contrapeso que se apoyan sobre un microinterruptor. Cuando el nivel del solido alcanza el diafragma lo fuerza venciendo el contrapeso y actúa sobre el microinterruptor, el micro puede ser del tipo mecánico o de mercurio, puede accionar alarmas o actúa automáticamente sobre un transportador o maquinarias asociadas al depósito. 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, puede emplearse en tanques cerrados sometidos a baja presión o vacío gracias a una línea neumática que igual presione a ambos lados de la membrana y trabaja bien con materiales de muy diversa densidad. Tiene la desventaja de no admitir materiales granulares de tamaños superiores a unos 80 mm. de diámetro. Su precisión es de unos 50 mm.

  

  

 MEDIDOR DE CONO SUSPENDIDO.- Consiste en un microinterruptor montado dentro de una caja estanca de polvo, con una cazoleta de goma de la que esta suspendida una varilla que termina en un cono. Cuando el nivel de sólidos alcanza el cono, el interruptor es excitado. La cazoleta de goma permite la flexibilidad en la posición del cono gracias a la cual el aparato puede actuar como alarma de alto o de bajo nivel, conviene tener la precaución de proteger mecánicamente el instrumento cuando se manejan materiales pesados que, en su caída desde la boca de descarga del tanque pueden dañarlo. El aparato es barato, necesita estar protegido como nivel de baja o en niveles intermedios y se utiliza sólo en tanques abiertos. Su precisión es de unos 50mm. Sus aplicaciones más comunes son la alarma y el control de nivel máximo de carbón, granos, caliza y algunos minerales.

MEDIDOR DE VARILLA FLEXIBLE.- Consiste en una varilla de acero conectada a un diafragma de latón donde esta contenido un interruptor. Cuando los solidos presionan, aunque sólo sea ligeramente en la varilla, el interruptor se cierra y actúa sobre una alarma o circuito automático. El conjunto de la unidad esta sellado herméticamente pudiendo construirse a prueba de explosión. El aparato se emplea como alarma de alto nivel esta dispuesto en la parte superior del tanque. Para impedir que la simple caída del producto pueda causar una alarma infundada, incorpora un relé de retardo. El instrumento se emplea en tanques abiertos como alarma de nivel alto, tiene una precisión de 25mm, se utilizan para materiales tales como carbón y puede trabajar hasta temperaturas máximas de 300ºC.

.   

  

 MEDIDOR DE NIVEL CONDUCTIVO.- Consiste en un electrodo dispuesto en el interior de unas placas puestas a masa y con el circuito eléctrico abierto. Cuando los sólidos alcanzan el aparato se cierra el circuito y la pequeña corriente originada es amplificada actuando sobre un relé de alarma. Los sólidos deben poseer una conductividad eléctrica apreciable para poder excitar el circuito. El instrumento puede utilizarse en tanques abiertos y a presión, trabaja hasta temperaturas máximas de 300oC, esta limitado a materiales que tengan una conductividad de 1 a 1,4x10-7 mega ohmios y solo puede emplearse como alarma de nivel alto o de niveles intermedios. Las aplicaciones mas comunes son el control de nivel de carbón, carbón activo.

Las versiones industriales de estos medidorres se aprecian en la siguiente figura:

MEDIDOR DE PALETAS ROTATIVAS.- Consiste 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. En su giro, el soporte del motor actúa consecutivamente sobre dos interruptores , el primero excita el equipo de protección (una alarma) y el segundo desconecta la alimentación eléctrica del motor con lo cual este queda bloqueado. Cuando el producto baja de nivel   

  

 y deja las palas al descubierto, un resorte vuelve el motor a su posición inicial liberando los dos microinterruptores. De este modo el motor se excita con lo que las palas vuelven a girar y la alarma queda desconectada. El eje de las palas puede ser flexible o rígido para adaptarse así a las diversas condiciones de trabajo dentro del silo o container (caída de producto, deslizamientos del producto, etc). Estos aparatos son adecuados en tanques abiertos o de baja presión (máximo 10 bares), tienen una precisión 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. La versión industrial y las especificaciones técnicas de este tipo de medidores de nivel, se observa en el siguiente catálogo:

  

  



En las siguientes figuras se observa una aplicación típica de un control de nivel de sólidos en un tanque, que mantiene el nivel entre los dos puntos donde están situados los detectores. Cuando el material desciende mas abajo del detector inferior, éste pone en marcha automáticamente la maquinaria de alimentación del producto en el container o silo y esta maquinaria se detiene tan pronto como el producto alcanza el detector de nivel superior. El ciclo es repetitivo al ir vaciándose el silo, los sólidos descienden a un nivel por debajo del detector inferior.

  

  

 DETECTOR de NIVEL CAPACITIVO Para líquidos, pastas, polvos y gránulos, Detecta variaciones en la capacitancia dieléctrica del medio. Disponible en versiones aptas para montaje en Atmósferas Explosivas con presencia de Gases o Sólidos en suspensión. Como puede detectar a través de paredes de plástico se puede instalar exteriormente para lograr ausencia de contacto con el producto medido. Disponibles en diversos formatos: cilíndricos lisos y roscados, con formato rectangular tipo Varikont o con formato cuadrado de 80 x 80 mm. Instalación: rosca de 12, 18 y 30 mm, superficial mediante tornillos M5 en las versione rectangulares para montaje lateral, se puede realizar un montaje vertical suspendido con prolongador a medida (que opcionalmente puede ser de cable para facilitar su inserción), o exterior, si el recipiente tiene pared, o ventana, de plástico o vidrio. Construcción: Acero Inoxidable o PBT. Intemperie: IP68. Apto desde -25ºC hasta 120ºC, para uso a presión ambiental. Alimentación: 24 VCC, 220 VCA o 8V tipo NAMUR. En las siguientes gráficas se aprecian este tipo de medidores de nivel

DETECTOR DE NIVEL A HORQUILLA VIBRANTE Para sólidos y líquidos, sin piezas móviles, resiste Altas Presiones y Temperaturas. Se utilizan principalmente para protección contra sobrellenado, muy bajo nivel o detección de niveles máximos o mínimos de virtualmente cualquier líquido. No son afectados por la formación de depósitos, turbulencias, espuma o burbujas. Disponibles en versiones de longitud standard, en versiones de longitud extendida a pedido y con diversos tipos de conexión a proceso. La serie M puede ser pedida con módulos electrónicos intercambiables para disponer de distintos tipos de salida, como ser PNP, relé, las versiones industriales se aprecian en la siguiente figura:

   

  

 Características Técnicas: Instalación: rosca Ø1" o brida Ø2", lateral, o superior, con prolongador opcional hasta 3 m. Construcción: carcaza de plástico, aluminio o aceros inoxidable. Horquilla de AISI 316. Alimentación: 24 VCC, 20-253 VCA. Salidas: 1-Transistor 2 y 3 hilos. 2-Relé AC/DC. Apto hasta 25 bar y 150ºC. Apto Zona "0". Apto Intemperie IP68 Versiones: 1-Sanitaria (horquillas pulidas); 2-Anticorrosiva (horquillas teflonadas); 3-NAMUR (Intrínsecamente Segura); 4- Antiexplosiva 4.8.- DETECTORES DE NIVEL DE SÓLIDOS DEL TIPO CONTINUO.-

Este tipo de mesidores generan 4 a 20 mA., 0 a 10V en función del nivel del sólido, como se aprecia en la siguiente figura:

MEDIDOR DE NIVEL DE PESO MÓVIL.- Consisten en un pequeño peso móvil sostenido por un cable desde la parte superior del container o silo mediante poleas como se aprecia en la siguiente figura:

  

  

 Un motor y un programador situados en el exterior establecen un ciclo de trabajo del peso. Este baja suavemente en el interior de la tolva hasta que choca contra el lecho de sólidos. En ese instante, el cable se afloja y un detector adecuado invierte el sentido de movimiento del peso son lo que este 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 instantáneo. 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. MEDIDOR DE NIVEL DE BÁSCULA.- Mide el nivel de sólidos indirectamente a través del peso del conjunto tolva mas 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 (galgas estensiométricas). De estos elementos, uno de los mas utilizados es el de galga estensiométrica. El sistema es relativamente costoso, en particular en el caso de grandes tolvas, pudiendo trabajar a altas presiones y temperaturas. Su precisión depende del sensor utilizado pudiendo variar de 0,5 a  1%.

MEDIDOR DE NIVEL CAPACITIVO.- Es parecido al estudiado en la medición de nivel de los líquidos, con la diferencia de que tiene mas posibilidades de error por la mayor adherencia que presentan los sólidos en la varilla capacitiva. La lectura viene influida además por las variaciones de densidad del sólido. La varilla del medidor esta 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. La medida esta limitada a materiales en forma granular o en polvo que sean buenos aislante, la presión y temperatura máximas de servicio pueden ser de 50 bares y 150 o C y el aparato debe calibrarse para cada tipo de material. Su precisión es de uno  15mm aproximadamente. Su versión industrial es la siguiente:





  

  











  

  



MEDIDOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL.- Se emplea en la medida y el control continuo del nivel de lechos fluidizados. Consiste de dos orificios de purga de aire situados en el depósito por debajo y por encima del lecho. Un instrumento transmisor neumático o electrónico mide la presión diferencial posterior de los dos orificios mencionado que depende del nivel del lecho fluidizado. El instrumento puede trabajar a temperaturas superiores a 300 o C y posee una respuesta rápida. Utiliza la siguiente ecuación para la determinación del nivel:

p1 - p 2 = h entonces h =

p1 - p 2 

MEDIDOR DE NIVEL ULTRASÓNICOS.- Consiste en un emisor de ultrasónicos que envía un haz horizontal a un receptor colocado al otro lado del tanque. Si el nivel de sólidos esta 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. Disponiendo el haz de ultrasónicos en dirección vertical, el instrumento puede actuar como indicación continua del nivel midiendo el tiempo de tránsito de un impulso ultrasónico, entre la fuente emisora, la superficie del producto donde se refleja y el receptor situado en la propia fuente. Como la superficie de la mayor parte de los productos sólidos reflejan en mayor o menor grado los ultrasónicos, el sistema es adecuado para materias con mucho polvo, alta humedad, humos o vibraciones y puede emplearse tanto en materiales opacos como transparentes. Sin embargo, si la superficie del nivel no es nítida, el sistema es susceptible de dar señales erróneas. Su precisión es de  1 a  3%, puede construirse a prueba de explosión, pudiendo trabajar a temperaturas hasta 150 o C.

El siguiente catálogo muestra el medidor de nivel industrial de la línea Omega (americana) con todos   

  

 los datos y especificaciones necesarios para su elección y aplicación industrial:

MEDIDOR DE NIVEL DE RADIACIÓN.- Consiste en una fuente de radiactiva de rayo 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 grado de radiación recibida depende del espesor de sólidos que se encuentra entre la fuente y el receptor. La fuente radiactiva y el receptor pueden disponerse también en un plano horizontal, en cuyo caso el aparato trabaja como detector discontinuo todo-nada (ON-OFF). El instrumento puede trabajar a altas temperaturas hasta unos 1300 o C, presiones máximas de 130 bares, 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 costoso que requiere una supervisión periódica desde el punto de vista de seguridad, debe calibrarse para cada tanque y no puede aplicarse a materiales a quienes afecte la radiactividad. Su precisión es de  1% y su campo de medida de 0,5 m por cada fuente, pudiendo emplearse varias para aumentar el intervalo de medida del nivel. La siguiente tabla muestra las características principales de los medidores de nivel de sólidos: TIPO Diafragma Cono suspendido Varilla flexible Conductivo

Nivel alto bajo continuo si si no

Precisión 50 mm

Temperatura máx 60

si

si

no

50 mm

60

si

no

no

25 mm

300

si

si

no

25 mm

300

Paletas rotativas Peso móvil

si

si

no

25 mm

60

no

no

si

±1%

60

Báscula

no

no

si

± 0,5-1%

900

Capacitivo

no

no

si

15 mm

150

Presión diferencial

no

no

si

-

300

Ultrasónico

si

si

si

± 1-3 %

150

Radiación

si

si

si

±15

1300

Desventajas

Ventajas

Granos < 80 mm. Baja presión. Tanque abierto. Protegido. Tanque abierto.

Barato. Independiente densidad Barato.

Materiales conductores. Tanques abiertos o a baja presión. Tanques abiertos. Media resist. mec

Tanques a presión

Alto costo. Materiales aislantes. Calibración individual. Costo medio. Obturación purga

Muy sensible.

Materiales diversos. Sencillo. Preciso, seguro. Alta presión y temperatura. Tanques a presión. Barato. Tanques a presión.

Tanques a presión. Costo medio. Cualq. material. Costo elevado, Alta presión y superv. seguridad., temp. Sin contacto calibración ind. con producto.

4.9.- CONFIGURACIONES DE MEDICIÓN.- La medición de nivel es una parte integral de los procesos de control y se aplican en una gran variedad de industrias. Mediante la medición de nivel puntual se realiza el control ON-OFF de los procesos industriales y su configuración de control y medición será:   

  



   

   

Indicación mediante pilotos Luminosos o acústicos Controladores lógico Programables. Sistemas de mando

Mediante la medición de nivel continuo, se realiza el control retroalimentado de los procesos industriales mediante los sistemas de control y sus configuraciones a) Configuración Sensor-Convertidor-Aparato de medida SENSOR + pilotos

CONVERTIDOR

   

+

APARATO DE MEDIDA

   

Indicadores analógicos y digitales Controladores lógico Programables. Controladores universales Registradores Reguladores (TELEPERM) SCADA, HMI

b) Configuración Sensor-Aparato de medida SENSOR + APARATO DE MEDIDA     

Indicadores analógicos y digitales 4 - 20mA

Programadores lógico Programables. Controladores universales Registradores Reguladores (TELEPERM) SCADA, HMI

c) Control de procesos de medición de nivel, mediante PLCs:

  

   

  

PROCESO INDUSTRIAL

Los siguientes catálogos muestran los instrumentos utilizados en las configuraciones anteriormente mencionadas   

  



  