INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE NIVEL

JUAN ROLDÁN

• Objetivos:

Al finalizar la sesión el participante estará en condiciones de identificar y comprender el funcionamiento, calibración y configuración de los instrumentos de medición de Nivel Industriales

La evolución tecnológica en el sector electrónico y las comunicaciones, ha propiciado la aparición de nuevos sistemas de medición de nivel para el control y gestión de inventarios en el sector industrial.

Los beneficios básicos que proporciona la instalación de un sistema de medición de nivel preciso y fiable son los siguientes: Mejora en la Calidad del ProductoReducción en los costos de operación y mantenimientoCumplimiento de Normativas medioambientales y de calidad

Introducción

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 (masa, densidad,…) • Precisión en la medida • Características del tanque • Condiciones ambientales • Características del producto • Requerimientos en instrumentación, incluyendo precisión,

certificaciones, alimentación, etc...

Selección de Medidores de Nivel

Clasificación de Medidores de Nivel

Los medidores de Nivel Pueden clasificarse como:

1. Medidores de Nivel de Líquidos

2. Medidores de Nivel de Sólidos

Adicionalmente también se puede clasificar por el tipo de medición

3. Medición de Nivel Continua

4. Medición de Nivel por Detección Límite o de Punto Fijo

Usualmente se combinan ambas clasificaciones.

MEDICIÓN DE NIVEL DE LÍQUIDOS

1.- Medición DirectaMedidor de SondaMedidor de Cinta y PlomadaMedidor de Nivel de CristalMedidor de Flotador2.- Medición de Presión Hidrostática o FuerzaMedidor ManométricoMedidor de MembranaMedidor de Tipo burbujeoMedidor de Presión diferencial de diafragmaMedidor por Desplazamiento3.- Medición de Características eléctricas del líquido Medidor ConductivoMedidor CapacitivoMedidor UltrasónicoMedidor por Radiación

Varilla o sonda:Varilla o regla graduada, de longitud conveniente para introducirla dentro del depósito.El nivel se determina por la lectura directa de la longitud mojada por el líquido.En el momento de la lectura el tanque debe estar abierto a presión atmosférica.Cinta y plomada:Consta de una cinta graduada y un plomo en la punta.Se emplea cuando es difícil que la varilla tenga acceso al fondo del tanque.También se usa midiendo la distancia desde la superficie del líquido hasta la parte superior del tanque.

MEDICIÓN DIRECTA

Visor de Vidrio:

Tubo de vidrio con su extremo inferior conectado al tanque generalmente mediante tres válvulas (dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo, para impedir el escape del líquido en caso de rotura del cristal y una de purga).

Funciona por el principio de vasos comunicantes.

El nivel de vidrio va acompañado de una regla graduada.

Se emplea para presiones hasta 7 bar. A presiones más elevadas el vidrio es grueso, de sección rectangular y está protegido por una armadura metálica.

Flotador:

Consiste en un flotador ubicado en el seno del líquido y conectado al exterior del tanque, indicando directamente el nivel sobre una escala graduada. Es usado en tanques de capacidad grande. El flotador debe mantenerse limpio. El flotador, sigue el movimiento del nivel de líquido.

Escala

Contrapeso

Tienen una precisión de 0,5 %. Son adecuados en la medida de niveles en tanques abiertos y cerrados a presión o a vacío.

El flotador puede trabarse en el tubo guía por los sólidos o cristales que el líquido pueda contener

Los tubos guía muy largos pueden dañarse ante olas bruscas en la superficie del líquido o ante la caída violenta del líquido en el tanque.

MEDICIÓN POR PRESIÓN HIDROSTÁTICA

Manométrico: Es un manómetro conectado en la parte inferior del tanque y que mide la presión debida a la altura de líquido entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. Sólo sirve para fluidos limpios, ya que los líquidos sucios pueden hacer perder la elasticidad del fuelle. La medición está limitada a tanques abiertos y el nivel viene influido por las variaciones de densidad del líquido.Membrana: Usa una membrana conectada al instrumento receptor por un tubo estanco.El peso de 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.

Burbujeo:

Mediante un regulador de caudal se hace pasar por un tubo (sumergido en el depósito hasta el nivel mínimo), un pequeño caudal de aire o gas inerte hasta producir una corriente continua de burbujas.

La presión requerida para producir el flujo continuo de burbujas es una medida de la columna de líquido. Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con líquidos corrosivos o con materiales en suspensión, ya que el fluido no penetra en el medidor ni en la línea de conexión.

MEDICIÓN POR PRESIÓN DIFERENCIAL

El Medidor de Presión Diferencial Consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque, que permite medir la presión hidrostática en un punto del fondo.En un tanque abierto, esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico. El diafragma forma parte de un transmisor neumático o electrónico de presión diferencial.La precisión de los instrumentos de presión diferencial es bastante buena.El material del diafragma debe ser compatible con el fluido que se encuentra en el tanque.

MEDICIÓN POR DESPLAZAMIENTOEstá basado en el Principio de Arquímedes. Consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión, unido al tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre hay una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque. El ángulo de rotación del extremo libre del tubo de torsión es función directa de la fuerza aplicada. Al subir 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.

Puede usarse en tanques abiertos y cerrados, a presión o a vacío, con 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).

MEDICIÓN POR CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL LIQUIDO

El Medidor de Nivel Conductivo Consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico que es excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos.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.Se usa como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza relés eléctricos o electrónicos, en función de la conductividad del líquido.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.

Medidor CapacitivoMide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque.

La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del líquido.

En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal 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 el electrodo está aislado usualmente con teflón interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del líquido y del gas.También se usan como interruptores de nivel

Medidores Capacitivos

Sensor RF de Nivel por Capacitancia action-probe (ap-c)

Detector capacitivo para líquidos, pastas, polvos y gránulos

Control de nivel capacitívo.

Con ajuste de sensibilidad y con/sin temporización.

Medidor Ultrasónico

Se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del estanque.El tiempo entre emisión y recepción es inversamente proporcional al nivelEl tiempo depende de la Tº ==> compensar medidasEvitar obstáculos en el recorrido de las ondasSensibles al estado de la superficie del líquido (espumas)

Medidores Ultrasónicos

Transmisor hidra-wave

Sensor por ultrasonidos

Ultrasónico P+F

Ultrasónico Probe

Medidores de Nivel por Radiación

• Consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del estanque y con un contador 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 estanque, la radiación captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del líquido ya que el material absorbe parte de la energía emitida.

MEDIDOR DE NIVEL DEL TIPO RADAR• Los sensores de radar miden distancias de forma

continua y sin contacto.• Requieren de poco mantenimiento. Asimismo son

prácticamente insensibles a la atmósfera del proceso controlado (vapor, presión, polvo o temperaturas extremas).

• Los instrumentos de radar miden el tiempo de recorrido de un impulso de radar desde su emisión hasta su recepción. Este tiempo de recorrido es proporcional a la distancia y por tanto al nivel del producto.

• Al contrario de la medida por ultrasonidos, las señales de radar no están ligadas por un medio que las transmita, y se propagan a la velocidad de la luz (300 000 000 m/s). Los sensores de radar emiten generalmente señales de 6 a 26 GHz.

• El transmisor emite señales de radar en forma de impulsos de microondas reflectados por dos materiales con constantes dieléctricas diferentes (el entorno del sensor y el producto). Los impulsos se emiten con una frecuencia de repetición fija. Un receptor interno recoge los impulsos de radar reflectados (eco) y utiliza el tiempo de recorrido del impulso (emisión / recepción) para calcular la distancia y por tanto el nivel. Los impulsos de radar reflejados se convierten en un cuadro del eco. Con el análisis del cuadro el instrumento determina la distancia entre el producto y el punto de referencia en el instrumento.

Sistemas de Radar

RADAR de PROCESO Medición continua de Nivel en líquidos y sólidos.

IQ Radar 160

Condiciones atmosféricas extremas

Medidores de Nivel Por Servoposicionador Gran precisión: 1 mm con alta repetibilidad

y sensibilidad Mide la tensión de un hilo del que pende un

contrapeso (disco) Sistema en equilibrio: ligero contacto

contrapeso - líquido Cambio nivel --> Cambio tensión -->

Servoposicionador Restituir equilibrio de tensiones

desplazando contrapeso

Servoposicionador

Esquema del sistema HIMS con Servo

Servoposicionador

Medición de interfaz mediante un Servo

MEDIDORES DE NIVEL EN SÓLIDOS

Problema: Definir el nivel No existe una única superficie horizontal Medidores de líquidos -- específicos para sólidos Tipos

Palpador Paletas rotativas Vibratorio Membrana sensitiva Peso Ultrasonidos Radar

Medidor por Palpador

Análogo al “sondeo” Bajo demanda de operador o de temporizador Un motor mueve un cable con un peso en su

extremo Al chocar el peso con la superficie se conmuta el

motor y el peso asciende Longitud cable desenrollado --> nivel depósito Suficiente sección peso --> evitar hundimientos Materiales sólidos, granulometría < 3 mm

Paletas Rotativas

Un motor hace girar unas paletas (9 rpm) a través de un resorteAl entrar en contacto el material con las paletas, éstas se paran, pero el motor continua girando hasta que el muelle asociado al motor se expande al máximo y toca un final de carrera que da un contacto eléctricoCuando el nivel disminuye, el resorte recupera su posición, el nivel arranca y el contacto cambia de posiciónIntensidad del motor proporcional a la longitud de paleta en contacto con el sólidoAplicación: sólidos granulados

Medidores de Paletas Rotativas

Sensor de Pala Rotativa actino-probe

Un sensor de medición por punto robusto, confiable y económico.

Óptimo para materiales sólidos.

Paleta rotativa para polvos granulados alarma de nivel alto, y medioInyectoras y extrusoras de plástico TEMPERATURAS DE HASTA 120ºC.SENSIBILIDAD AJUSTABLE

Medidores de Nivel por Vibración

Sonda en forma de diapasón que vibra a 80 Hz Cuando el material cubre el diapasón las

vibraciones se amortiguan Una señal activa un relé Posiciones

Instalación lateral y roscada a la altura del nivel

Sondas verticales

Medidor de Nivel por Vibración

Horquilla vibrante Altas Presiones y Temperaturas.Líquidos muy viscosos.Polvos con tendencia a aglutinarseGránulos grandes

Varilla vibrante sólidos en polvo y granulados gruesosCal, Arena, Pintura en Polvo, Cereales, Café, Altas presiones y temperaturas 

Medidor de Membrana Sensitiva

Consta de una membrana acoplada a la pared del recipiente en el punto en el que se quiere detectar el nivel

Cuando el material llega a la altura del interruptor, presiona la membrana y actúa un conmutador

Granulometría media y pequeña

Medidor de Peso

Peso Nivel sólido Peso de tolva + contenido Células de carga Galgas extensiométricas

Medidor de Peso

Transductor por presión

S2 LOAD STAND LOAD DISC II

Célula de Carga de doble cizalladura

Medidor de Ultrasonidos

MEDICIÓN DE NIVEL

Sondeo de Peso

MEDICIÓN DE NIVEL

Transmisores de Nivel

SensorLimits of

Application Advantages Disadvantages

Float Up to 1 m Can be used for switchesCannot be used with sticky fluids which coat the float

Displacement 0.3-3 m Good accuracyLimited rangeCost of external mounting for high pressures

Differential Pressure

Essentially no upper

limit

Good accuracyLarge range Applicable to slurries with use of sealed lines

-Assumes constant densitySealed lines sensitive to temperature

Capacitance Up to 30 mApplicable for slurriesLevel switch for many difficult fluids

Affected by density variations