Participante:

Montes Morales, Oscar Alí.

C.I: 20599670.

Sección: S1.

Instrumentos

medidores de nivel:

Nivel:

Ejemplos:

Altura a la que llega la superficie de un líquido o la parte de arriba

de un conjunto de cosas amontonadas, o altura a la que está

situada una cosa.

Grado de calidad al que puede llegar una persona o cosa

después de un proceso: es un atleta de muy alto nivel.

Instrumento que sirve para medir la diferencia de altura entre

dos puntos y para comprobar si una línea o un plano están

completamente horizontales o verticales: los albañiles y los

carpinteros utilizan un nivel en su trabajo.

En la vida: Grado de bienestar o de riqueza, principalmente

material, alcanzado por una persona, por un grupo social o por

el conjunto de los habitantes de un país o región

Medidores de nivel:

El nivel es una de las variables de proceso más utilizada para el gobierno

de las plantas industriales, pero muy especialmente en el control de

almacenamiento tanto de materias primas como de productos acabados.

En general, en las medidas de nivel para el control de procesos no se

requiere una gran precisión, salvo en los casos de dosificación por llenado

de depósitos, mientras que en el caso de medida de almacenamiento la

precisión es fundamental.

Medidores de Nivel:

Tipos y características.

Medición directa:

1.- Método de la mirilla de nivel: Se puede obtener una indicación visual del nivel en líquidos

razonablemente limpios si parte del líquido si parte del tanque o contenedor esta fabricado con algún

material transparente. Si la mirilla de nivel se monta en una tubería de derivación con llaves de paso en

cada extremo se logra aislarla del estanque principal, lo cual permite su retiro para mantención.

- Sencillo y

relativamente

barato.

-Poco apropiado

para procesos

industriales.

- No permite

retransmisión

de la

información.

Ventajas y Desventajas

2.- Método de barra calibrada: Este es un método manual muy simple igualmente aplicable a líquidos

y a sólidos granulados. En silos muy altos se emplean flejes de acero con un contrapeso en su

extremo. La aplicación mas familiar de una barra calibrada es la varilla empleada para comprobar el

nivel del aceite de un motor de automóvil.

- Sencillo y de bajo costo.

Ventajas

- No dispone salida electrónica.

- Requiere empleo de escaleras.

- Poco apropiado para procesos industriales.

- No es apropiado para recipientes de alta presión.

Desventajas

3.- Switch de flotador: Es el switch de nivel más conocido y simple. Consiste en un cuerpo flotante

(flotador) montado sobre un brazo móvil y acoplado magnéticamente a un micro interruptor (externo al

proceso). También hay versiones que consisten en un flotador redondo con un pequeño imán que sube a

lo largo del tubo. En el tubo hay uno o varios relés de láminas. Los relés de láminas harán conmutar el

relé a medida que el flotador (imán) pase.

- Relativamente

sencillo.

- Adecuado para

muchos productos y

de bajo costo.

Ventajas

- Requiere un cierto

montaje.

- Punto de conmutación

no reproducible.

- Mal funcionamiento en

caso de adherencias y

no es a prueba de

fallos.

Desventajas

4.- Método de flotador/cuerda: Al igual que el caso anterior consiste en un flotador pero que en este

caso se utiliza para la medición continua de nivel. La forma más simple de un sistema de este tipo

consiste en un flotador, un cable fino, dos agarres y un peso suspendido en la parte exterior del tanque

abierto. En la parte exterior se coloca una escala graduada y la posición del peso a lo largo de la escala

indica el nivel del contenido del tanque.

- Relativamente sencillo.

- Adecuados para diversos productos.

- Muy precisos.

- Requiere cierta cantidad de equipo mecánico.

- No suele ser adecuado para aplicaciones en proceso. Los sistemas industriales

emplean el sistema de (servo) flotador aplicados con dispositivos de ingeniería

mecánica y electrónica.

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Medición a base de presión hidrostática:

1.- Medidores manométricos y de presión diferencial: Este método se basa en la medición de la

presión hidrostática correspondiente a una columna de líquido de una altura determinada. La presión

se calcula mediante la expresión:

P=h·ρ·g

Donde:

P= presión.

h= altura de la columna de líquido.

g= aceleración de gravedad.

ρ= densidad relativa.

A partir de la formula se observa que si la densidad efectiva del medio es constante, la única variable

es h. Así, la presión es directamente proporcional a la altura h, es decir, al nivel del líquido en el tanque.

La presión hidrostática de la columna de líquido se mide directamente con un transmisor de presión o

de presión diferencial.

Ventajas:

- Montaje sencillo.

- Fácil de ajustar.

- Precisión razonable.

- Amplio uso en

aplicaciones de la industria

alimentaria, donde se

manejan productos

con viscosidades

cambiantes.

Desventajas:

- Dependiente de la

densidad relativa.

- Relativamente

costoso para

mediciones de

presión diferencial.

La medición de nivel con transmisor de presión se utiliza preferentemente en tanques abiertos

expuestos a la atmósfera. En estos casos, la presión medida es igual a la presión de la columna de

líquido + la presión atmosférica (presión en la superficie). La presión en la superficie suele ser

despreciable porque la mayoría de los sensores de presión disponen de dispositivos que compensan la

presión atmosférica. Para estos casos, los transmisores se montan en la parte más baja del tanque. Si el

sensor no se puede montar directamente en el lateral del tanque al nivel adecuado, se puede montar en

el extremo de una barra o cable y bajarlo desde la parte superior del tanque hasta la profundidad

oportuna.

Cuando la presión de la superficie del líquido es mayor que la presión atmosférica (tanques cerrados-

presurizados), se puede emplear un sensor de presión diferencial, el cual mide por un lado la presión

total ejercida al fondo del estanque, y por otro lado la presión en la superficie. La presión de la superficie

se resta de la presión total, quedando la presión correspondiente a la columna de líquido. La medición de

presión diferencial requiere de dos sensores, pero también se puede llevar a cabo directamente con una

célula de medición de presión diferencial.

2.- Método por burbujeo: En este método se mide la presión hidrostática en un tanque insertando un

tubo delgado en el líquido y aplicando aire comprimido en el tubo de modo que se empuja hacia abajo la

columna de líquido del tubo hasta que salgan burbujas de aire al líquido.

Estas burbujas dan su nombre al método. La presión del aire en el tubo es entonces igual a la presión

de la columna de líquido y se puede medir con un transmisor de presión, que convierte la presión en una

señal eléctrica. El aire comprimido se puede obtener a partir del conducto principal de aire mediante una

válvula manoreductora o con un minicompresor.

Desventajas:

- Requiere líneas de aire y consumo de aire.

- Peligro de acumulación del medio del tubo.

- No es adecuado para uso en recipientes presurizados.

Ventajas:

- Montaje sencillo.

- Adecuado para sustancias corrosivas.

Método por desplazamiento:

El método por desplazamiento de un cuerpo se basa en la diferencia entre el peso del

cuerpo y la fuerza de flotación hacia arriba que el medio ejerce sobre el cuerpo de

desplazamiento (Ley de Arquímedes). La fuerza de flotación hacia arriba depende del

volumen del cuerpo de desplazamiento, la densidad relativa y el nivel del medio. Debe

cumplirse la condición de que para que el cuerpo se desplace, debe ser más pesado que el

medio (densidad especifica mayor que el medio). La fuerza diferencial se transmite

frecuentemente a un transductor de medición por un sistema de barra de torsión de manera

que el equipo se mantenga sellado. El transductor empleado en el método por

desplazamiento de un cuerpo es un transductor de desplazamiento eléctrico o transductor

de fuerza.

Ejemplo de este tipo de instrumentos son los servodispositivos de nivel. Este

instrumento mide el peso aparente del “desplazador”. Si el peso aparente del desplazador

es muy alto, el desplazador está muy arriba en el producto, y cuando el nivel baja, la fuerza

ascendente que ejerce el producto sobre el desplazador es menos intensa. Si el

desplazador pesa poco, se hunde mucho en el producto, y cuando el nivel sube, el producto

ejerce sobre el desplazador una fuerza ascendente más intensa. El servomotor se basa en

las diferencias de nivel y en la fuerza de flotación y se controla de modo que siempre haya

una situación de equilibrio. La figura muestra un servodispositivo de nivel; el hilo de

medición se desenrolla o se enrolla en un tambor hecho con una gran precisión y va

acoplado a un codificador mediante el cual se puede medir la posición del tambor (y por

tanto, el nivel del

producto).

Ventajas:

Desventajas:

- Precisión.

- Adecuado para

aplicaciones en GPL,

tanques subterráneos,

almacenamiento

criogénico.

- Depende de la densidad

relativa del medio.

- Requiere una cantidad

importante de

equipamiento mecánico.

Las propiedades eléctricas del líquido:

1.- Medidor de Nivel Conductivo: El medidor de nivel conductivo consiste en uno o varios electrodos y

un relé eléctrico o electrónico, dispositivo que abre y cierra un circuito, que es excitado cuando el líquido

moja a dichos electrodos. El líquido debe ser lo suficientemente conductor para excitar el circuito

electrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su vapor, y tal

como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de vapor.

La impedancia o resistencia mínima aparente del circuito es del orden de los 20 M/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 líquido moja los electrodos se 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 líquido o ante cualquier perturbación

momentánea o bien, en su lugar se disponen dos electrodos levemente 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 (figura 2.11.a), y relés electrónicos para líquidos con baja

conductividad (figura 2.11.b). Montados en grupos de 24 o más electrodos, puede complementar los

típicos niveles de vidrio de las calderas, y se presta a la transmisión de nivel a la sala de control y a la

adición de alarmas correspondientes.

Una variante del aparato se utiliza en el control del nivel de vidrio en fusión (figura 2.11.c).

En este, un sistema electromecánico baja el electrodo hasta que éste entra en contacto con la superficie

del vidrio fundido que a las temperaturas de fusión es conductor. El circuito está proyectado de tal forma

que en el momento del contacto, el electrodo queda detenido y su posición marcada en un registrador.

Instantes después invierte su 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 la deterioración del

producto. Por otro lado, conviene que la sensibilidad del aparato sea ajustable para detectar la

presencia de espuma en caso que sea necesario.

2.- Medidor de Capacidad: El medidor de capacidad mide la capacidad del condensador formado por el

electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque (figura 2.12). La capacidad del conjunto

depende linealmente del nivel del líquido.

En los fluidos no conductores (figura 2.12.a) 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 (figura 2.12.b) con una conductividad mínima de 100 microhmnios/c.c, 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.

El circuito electrónico (puente de capacidades, figura 2.12.c) 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.

El sistema es sencillo y apto para muchas clases 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 aire o de vapor existentes, aumentan y disminuyen respectivamente 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 (0.1 % de aumento de la

constante dieléctrica / C) y de que los posibles contaminantes contenidos en el líquido pueden

adherirse al electrodo variando su capacidad y falseando la lectura, en particular en el caso de los

líquidos conductores. El funcionamiento del sistema a una frecuencia elevada, o bien la incorporación de

un circuito detector de fase, compensan en parte este inconveniente.

3.- Sistema Ultrasónico de Medición de Nivel: El 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

receptor. El 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 del medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del

sólido o del líquido. En la figura 2.13 puede verse 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. En el segundo caso de indicación continua de

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.

En la figura 2.14 puede verse el diagrama de bloques de un sistema de medida de

ultrasonidos. 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, a un indicador. En otras palabras, el nivel se mide en función del

tiempo necesario para que la señal se desplace del transmisor a la superficie del líquido y retorne al

receptor.

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 ultrasonidos.

La utilización del ordenador permite, a través de un programa, almacenar el perfil ultrasónico

del nivel, y así tener en cuenta las características particulares de la superficie del líquido, tal como la

espuma, con lo cual se mejora la precisión de la medida. Por otro lado, el ordenador facilita la conversión

del nivel a volumen del tanque para usos de inventario, y además proporciona características de

autocomprobación del instrumento.

4.- Sistema de Medición por Rayos Gamma o Medidor Radiactivo: El sistema de medición por

rayos gamma (figura 2.15) 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 más

corta. La fuente radiactiva pierde igualmente su radioactividad 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. En el cobalto 60 es de 5.5 años, en el cesio 137 es de 33 años y en el

americio 241 es de 458 años.

Las paredes del tanque absorben parte de la radiación y al detector llega sólo un pequeño

porcentaje. Los detectores son, en general, tubos Geiger o detectores de cámara iónica y utilizan

amplificadores de corriente continua o de corriente alterna. El instrumento dispone de compensación de

temperatura, de linealización de la señal de salida, y de reajuste de la pérdida de actividad de la fuente

de radiación, siendo este último de extrema importancia para conservar la misma precisión de la puesta

en marcha. Una de las desventajas en su aplicación figuran el blindaje de la fuente y el cumplimiento

de las leyes sobre protección de radiación.

La precisión en la medida es de 0.5 a 2 %, y el instrumento puede emplearse para todo

tipo de líquidos ya que no está en contacto con el proceso. Su lectura se encuentra 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. Sin embargo, el sistema es caro y 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.

5.- Medidor Láser: En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de

nivel convencionales fallan, encuentra su aplicación el medidor de nivel láser (figura2.16), y el descrito

en el punto anterior. Es el caso de la medición del 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 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.

El tiempo transcurrido 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, proporcionando, de este modo, la lectura del nivel.

Para finalizar, la tabla 2.1 nos muestra una comparación entre los diferentes tipos de

instrumentos de medición de nivel de líquidos, con sus ventajas y desventajas.