UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL CIRCUITOS ELÉCTRICOS e INSTALACIONES INSTALACIONES ELÉCTRICAS INDUSTRIALE I NDUSTRIALES S
SENSORES DE NIVEL Trabajo presentado por el grupo 1. López Vilela, Harry 2. Ortiz Guzmán, Rommel
LIMA-PERÚ 2015
ÍNDICE RESUMEN……………………………………………………………………….1 INTRODUCCIÓN……………………………………………………………… ..2 OBJETIVOS……………………………………………………………………..3 OBJETIVO GENERAL…………………………………………………………3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS…………………………………………………..3 METODOLOGÍA………………………………………………………………...3 ANTECEDENTES………………………………………………………………5 EVOLUCIÓN…………………………………………………………………….5 HISTORIA………………………………………………………………………..7 CAPÍTULO 1…………………………………………………………………….9 CAPÍTULO 2…………………………………………………………………...16 CAPÍTULO 3…………………………………………………………………...17 CAPÍTULO 4…………………………………………………………………...33 CAPÍTULO 5…………………………………………………………………...40 CAPÍTULO 6…………………………………………………………………...47 CAPÍTULO 7…………………………………………………………………...49 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………..51 APÉNDICES……………………………………………………………………52
RESUMEN Este trabajo se realizó con el objeto de conocer los tipos de sensores de nivel que se utilizan en el mercado, debido a la gran importancia que tienen estos en los procesos industriales, como lo es ayudar en tener sistemas de control más eficientes y exactos, para así disminuir los errores. También se clasificaron de acuerdo a su funcionamiento y se determinaron las principales ventajas que tienen los tipos de sensores de nivel en los diferentes campos de aplicación en la automatización industrial. Un punto de suma importancia que fue desarrollado, es el de los tipos de protección de la envolvente de los diferentes sensores de nivel, ya que determina en que medio y bajo qué condiciones trabaja el sensor. Existen dos estándares internacionales que clasifican los grados de protección de las envolventes, para efectos de esta investigación se hizo énfasis en el que fue creado por la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional). Los dispositivos de sensado de campo ideales para la industria son los de tipo 4 - 20 mA por la inmunidad al ruido y por la gran distancia que pueden viajar estas señales sin necesidad de repetidores Una consideración importante es la colocación y protección de los componentes contra los efectos de la intemperie, los daños o manipulaciones indebidas.
INTRODUCCIÓN En los últimos años se ha dado un creciente proceso de globalización que ha mejorado los procesos industriales. Al ser la industria un factor de suma importancia para la economía de cualquier país, los ingenieros se ven obligados a perfeccionar los sistemas de producción para garantizar su permanencia en el mercado y así tener la competitividad requerida. La razón del proyecto se debe principalmente a que buena parte de la industria en nuestro país y a nivel mundial es potencialmente viable de automatizar, en este caso la inversión monetaria inicial se recupera rápidamente. La importancia de realizar una automatización en los procesos industriales es con el fin de reducir costos de operación, hacer el proceso más seguro y confiable, eliminar con ayuda de los autómatas el error humano y hacer sistemas de producción mucho más eficientes, que cuenten con la flexibilidad para realizar modificaciones en el proceso en caso de ser necesario. Lo anterior es de vital importancia debido a que los niveles de calidad de los productos se han incrementado debido a la apertura en los mercados internacionales tanto en Estados Unidos como en el continente Europeo, los cuales son muy exigentes. Controles de calidad rigurosos tanto en las materias primas como en los procesos son indispensables si se quiere ser más competitivos en el mercado mundial. Para lograr esto es importante que los dispositivos que actúan como elementos integradores del sistema de control, ofrezcan un nivel de seguridad que
permita garantizar el desarrollo completo del proceso en
ejecución, En este sentido, resulta favorable la inclusión de algunos sensores. Un sensor es un dispositivo capaz de detectar diferentes tipos
de materiales, con el objetivo de generar una señal y permitir que continué un proceso correctamente. Los sensores no operan por sí mismos, generalmente son parte de un sistema mayor que consiste de varios acondicionadores de señal y circuitos de procesamiento análogo o digital. El sistema puede ser un sistema de medición, de adquisición de datos o de control de procesos. Los sensores y sus circuitos asociados son utilizados para medir varias propiedades físicas tales como la temperatura, fuerza, flujo, intensidad de luz, etc. Estas propiedades físicas actúan como el estímulo para el sensor y la salida del sensor es acondicionada y procesada para proporcionar la correspondiente medición de la propiedad física. En nuestro país se han implementado satisfactoriamente dispositivos de este tipo en proyectos como plantas hidroeléctricas, industrias de bebidas y alimentos, etc.
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
Recopilar los diversos tipos de sensores de nivel utilizados en la automatización industrial.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Clasificar los sensores de nivel según su principio de funcionamiento.
Describir su funcionamiento.
Describir sus características eléctricas y mecánicas.
Determinar ventajas de cada tipo en relación a su campo de aplicación.
METODOLOGÍA El trabajo se basa en una recopilación de información de distintas fuentes bibliográficas, ya sean libros de texto, revistas o artículos publicados, recursos de Internet, así como toda aquella información adquirida por medio
de entrevistas a personas que se relacionan con el tema de sensores de nivel utilizados en la automatización industrial. Con los datos obtenidos a lo largo del período de recolección de información, se redacta un documento en el cual se exponen tanto puntos teóricos como prácticos de la composición y funcionamiento de los sensores de nivel. Puntualizando los pasos a seguir, se tiene que se aplicará el siguiente procedimiento: 1. Recopilación de información de distintas fuentes bibliográficas, como:
Libros de texto.
Publicaciones.
Revistas.
Páginas Web.
Entrevistas.
2. Elaboración de un documento teórico que caracterice el funcionamiento de los diferentes tipos de sensores de nivel y analizando las distintas aplicaciones de los mismos en la industria. 3. Elaboración de las recomendaciones y conclusiones a partir de la información recopilada. 4. Durante cada paso, se realizará un análisis propio, a manera de aporte personal a la recopilación de información. 5. Se creará tablas y figuras conforme se desarrolle el texto, con el fin de proporcionar información gráfica y concisa al lector. 6. Se dará un formato uniforme y acorde a todo el documento. 7. Redacción de avances de los capítulos según cronograma. 8. Redacción de borrador final y de versión final del trabajo.
9. Elaboración de la presentación para la defensa pública del trabajo.
ANTECEDENTES Debido a que la medición del nivel de líquidos es un parámetro importante para el control de procesos, en la industria, se han implementado diferentes instrumentos para la medición de esta variable. Utilizando principios mecánicos, eléctricos o la combinación de estos se han desarrollado sensores que monitorean el nivel de ciertos líquidos contenidos en un recipiente. Las condiciones en las que se encuentren estos líquidos y las características físicas y/o químicas del mismo, determinaran que elemento sensor es apropiado para la medición de esta variable. Este proyecto se basará específicamente en el estudio de los sensores de nivel utilizados en la industria, clasificándolos en diferentes tipos y explicando su funcionamiento. Además se menciona distintas aplicaciones donde se pueden utilizar eficientemente.
EVOLUCIÓN El dispositivo de medición de nivel industrial más simple y más antiguo es por supuesto, la mirilla de vidrio. Siendo una aproximación manual para la medición, las mirillas siempre han tenido una serie de limitaciones. El material utilizado para su transparencia puede sufrir daños catastróficos, con el siguiente riesgo ambiental, condiciones peligrosas para el personal, y/o incendio y explosión. Los sellos son propensos a tener fugas, y la acumulación de materia, si está presente, oscurece el nivel visible. Se puede afirmar sin reservas que las mirillas o visores convencionales son el eslabón más débil de cualquier instalación. Por lo tanto, están siendo rápidamente reemplazados por tecnologías más avanzadas.
Otros dispositivos de detección de nivel incluyen aquellos basados en el peso específico, la propiedad física más utilizada para detectar la superficie de nivel. Un flotador sencillo que tenga una gravedad específica entre la del fluido de proceso y el valor del espacio superior flotará en la superficie, siguiendo con precisión sus elevaciones y descensos. Las mediciones de altura hidrostática también han sido ampliamente utilizadas para detectar nivel. Cuando principios físicos más complejos están involucrados, las tecnologías emergentes a menudo usan las computadoras para realizar los cálculos. Esto requiere el envió de datos en un formato legible por la maquina desde el sensor hasta la el sistema de control o de vigilancia. Formatos útiles de señal de salida del transductor hacia la automatización informática son los lazos de corriente, tensiones analógicas y señales digitales. Los voltajes analógicos son fáciles de configurar y manejar, pero pueden tener problemas de ruido e interferencias graves. Los lazos de corriente de 4-20 mA (donde la corriente del lazo varia con la medición de nivel) son el mecanismo de salida más común hoy en día. Los lazos actuales pueden transportar señales a distancias más largas con menos degradación. Las señales digitales codificadas en cualquiera de una serie de protocolos (por ejemplo, Foundation fieldbus, Hart,
Honeywell DE, Profibus y RS-232) son las más robustas, pero las tecnologías más antiguas, como RS-232 pueden manejar solo distancias limitadas. Se pueden encontrar nuevas capacidades inalámbricas en las señales de los últimos transmisores, permitiéndoles que se envíen a través de enormes distancias, prácticamente sin degradación. En cuanto a las tecnologías más avanzadas de medición (por ejemplo, ultrasonidos, radar y laser), los formatos de codificación digitales más sofisticados requieren inteligencia de computadora digital para dar formato a los códigos. La combinación de este requisito con la necesidad de capacidades avanzadas de comunicación y los sistemas de calibración digitales explica la tendencia hacia la incorporación de las computadoras basadas en microprocesadores en prácticamente todos los productos de medición de nivel.
HISTORIA La historia de los sensores inteligentes (o Smart Sensors) han sido un tema apasionante desde el primer y muy sencillo sensor desarrollado por Honeywell en el año 1969, hasta los dispositivos más complejos actuales de alta tecnología. Estos últimos integran muchas funciones automáticas: Identificación, calibración, comprobación, etc., que permiten obtener sensores que no sólo entregan una señal digital (o casi digital), sino además, linealizadas, calibrada, robusta y compatible con otros dispositivos. El desarrollo de estos revolucionarios componentes ha permitido aumentar la eficiencia, calidad y velocidad de los procesos industriales, la investigación y el desarrollo científico. Un sensor es cualquier dispositivo que detecta una determinada acción externa. Los sensores existen desde siempre, y nunca mejor dicho, porque el hombre los tiene incluidos en su cuerpo y de diferentes tipos. El hombre experimenta sensaciones como calor o frío, duro o blando, fuerte o flojo, agradable o desagradable, pesado o no. Y poco a poco le ha ido añadiendo adjetivos a estas sensaciones para cuantificarlas como frígido, fresco, tibio, templado, caliente, tórrido. Es decir, que día a día ha ido necesitando el empleo de magnitudes medibles más exactas.
CAPITULO I: Explicación física de cómo se convierte la magnitud física en magnitudes eléctricas La función esencial de un sensor es detectar una variación de energía para procesarla y transformarla a un valor correspondiente en otra forma de energía, empleando en este proceso un transductor. Estrictamente hablando un sensor es un dispositivo que recibe una señal o estímulo y responde a este con una señal eléctrica de salida, mientras que un transductor es un convertidor de un tipo de energía en otro. Un sensor es un dispositivo eléctrico y/o mecánico que convierte magnitudes físicas (luz, magnetismo, presión, temperatura, nivel, fuerza, velocidad, etc.) en valores medibles de dicha magnitud. Esto se realiza en tres fases:
Un fenómeno físico a ser medido es captado por un sensor, y muestra en su salida una señal eléctrica dependiente del valor de la variable física. La señal eléctrica es modificada por un sistema de acondicionamiento de señal, cuya salida es un voltaje. El sensor dispone de una circuitería que transforma y/o amplifica la tensión de salida, la cual pasa a un conversor A/D, conectado a un PC. El convertidor A/D transforma la señal de tensión continúa en una señal discreta.
T r a n s d u c t o r : Dispositivo que transforma el efecto de una causa física, como
la presión, la temperatura, la dilatación, la humedad, etc., en otro tipo de señal, normalmente eléctrica.
Estructura de un transductor
En la transducción es siempre importante garantizar que la cantidad de energía que se extrae del sistema es despreciable para no perturbar la medida. Los transductores y los sensores pueden clasificarse en dos tipos básicos, dependiendo de la forma de la señal convertida:
Transductores analógicos Transductores digitales
Los transductores analógicos proporcionan una señal analógica continua, por ejemplo voltaje o corriente eléctrica. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide. Los transductores digitales producen una señal de salida digital, en la forma de un conjunto de bits de estado en paralelo o formando una serie de pulsaciones que pueden ser contadas. En una u otra forma, las señales digitales representan el valor de la variable medida. Los transductores digitales suelen ofrecer la ventaja de ser más compatibles con las computadoras digitales que los sensores analógicos en la automatización y en el control de procesos. El termino transductor quiere decir o significa que un elemento o conjunto de elementos convierten señales o energía en este caso mecánico ya que se emplea un movimiento circular que es lo mismo que mecánico a otra forma en este caso mecánico ya que se emplea un movimiento circular que es lo mismo que mecánico a otra forma en este caso una señal proporcional de 0 v a 5 v. La medida es una cantidad física y la salida es una señal electrónica en este caso producida por un transductor. Dentro de los transductores de desplazamiento hay dos grandes ramas las cuales son:
Desplazamiento lineal Desplazamiento angular
Específicamente me voy a enfocar en un transductor de desplazamiento angular el cual se basa en un potenciómetro resistivo el cual al variar la resistencia puede llegar a medir una posición angular mediante un montaje mecánico.
Captadores d e nivel por b oya
Se basan en las variaciones de resistencia de un sensor resistivo producidas por una boya al flotar, y transmitidas a través de un eje al sensor resistivo. Si el captador resistivo se alimenta mediante un voltaje constante entre sus extremos, aparecerá entre su contacto variable y uno de sus extremos, una señal de voltaje proporcional al giro del eje sensor, y por tanto a la variación del líquido.
Esta imagen nos muestra un transductor industrial por boya, desarrollado originalmente para controlar el llenado de grandes tanques de agua en industrias y barrios, su bajo costo, larga vida, la facilidad con que se pueden alterar niveles (alargando o acortando los cables), y el hecho de que no se traba con sólidos en suspensión le ha dado difusión en el mercado. Captadores de nivel po r presión
Medir la presión que se genera en el fondo del depósito debido a la presión hidrostática y relacionar dicha medida con la altura del líquido que crea dicha presión. (Se emplea un sensor de presión diferencial) Comprimir un tubo flexible que contiene un contacto eléctrico junto a un elemento resistivo variable, de modo que la resistencia medida varía con el aumento/disminución de nivel (tubo de Bourdon).
Tubo de bourdon (1) Articulación (2) Aguja indicadora(3) Transmisión(4) Conecciónal circuito(5)
Además mostramos un transductor industrial por presión el cual mediante prolongación tubular sensa la presión ejercida por el líquido sobre el aire que se encuentra dentro del tubo, el cual actúa sobre una membrana y un microswitch o sea que el instrumento sensa el peso del líquido. Apto para líquidos con vapores (situación donde el ultrasonido no es recomendable), viscosos o con sólidos en suspensión. Para medir niveles se utiliza un detector de presión. Un bucle de medición permite generar una tensión continua que evoluciona en función del nivel del agua de una columna. De este modo, resultará que a cada nivel de la columna le corresponde un solo valor de tensión de salida. Se dice entonces que hay una analogía entre el nivel y la magnitud que lo representa, que en este caso es la tensión de salida. Se puede afirmar, así, que una magnitud o una información es de tipo analógico cuando varíe de modo continuo, o cuando no presente ninguna discontinuidad. En condiciones estáticas el nivel de un líquido resulta vinculado a la presión según una ley de proporcionalidad. Definiendo con “L” el nivel, es decir la
altura, del líquido en un tanque, la presión que se ejerce en el fondo del mismo estará dada por: P = L·g·Ms En donde: P= presión (en Pa= Pascal = Nm -2 =10-5 bar) L = nivel (en m) g = aceleración de la gravedad (g=9,8 m/s 2) Ms = masa específica del líquido (Kg/m 3) De todo lo anterior se deduce que para medir un nivel basta con medir una presión.
Entre los transductores de presión los más importantes son los de “strain gauge” o transductores extensométricos . El funcionamiento de dichos
transductores se basa en la piezorresistividad, que es la propiedad de algunos materiales de cambiar la propia resistencia en función de la deformación a la que están sometidos. Captadores d e nivel capacitivos
Basado en la variación de capacidad de un condensador, bien por la modificación de su geometría (superficie o separación de sus placas) o por la variación de su dieléctrico. Para medida de nivel en líquidos se utilizan como condensador pares de electrodos sumergidos en el seno del líquido. Las variaciones del dieléctrico debidas a la subida/bajada de nivel, hace que se modifique la capacidad.
Mostramos un transductor industrial capacitivo, el cual 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. apto para líquidos, pastas, polvos y gránulos.
Detectores de nivel ultrasónico Constan de un Transductor y un Indicador/Monitor/Transmisor. El Transductor emite pulsos de ultrasonido, y recibe el eco. El Indicador/Monitor/Transmisor computa la distancia recorrida. Si bien su durabilidad se ve incrementada por su distanciamiento físico del trajín operativo al estar, tanto los Transductores como los Indicadores/Monitores/Transmisores montados en lugares alejados de la actividad que controlan, estos modelos son además sumamente robustos y operan durante años con cero mantenimiento y mínima limpieza en ambientes químicamente hostiles y en industrias muy agresivas como la minería. Detectan 1 o 2 niveles y son muy sencillos de reprogramar. Se usan para controlar el llenado y vaciado de Silos conteniendo sólidos de todo tipo
como Leche en Polvo, Pellets de PVC, Carbón, Piedra Partida, y Tanques con Líquidos tan dispares como Ácidos, Leche, Pintura, Chocolate, Helado. No son aptos para la medición de líquidos volátiles o inflamables. Dado que operan como una "varilla invisible" se les ha encontrado aplicaciones verdaderamente inusuales, una de los cuales, en una fábrica de tambores de 200 lts., por ejemplo, consiste en detectar la posición de la boca de llenado para frenar su rotación frente a la impresora tampográfica. La ausencia de contacto se aprovecha también para detectar alturas en procesos donde la marca que dejaría un palpador no sería aceptable (como en pasta cerámica cruda, o en productos de panificación a la salida del horno). Son especialmente útiles donde el medio es sumamente agresivo y corroería o atascaría cualquier tipo de flotador, como en el control de nivel de ácidos en tachos de lixiviación, o de aguas que arrastran ramas u otros sólidos, en acequias y canaletas que deben atravesar rejas.
Detec to res d e niv el m agn é tic os
Un flotante anular recorre un tubo guía y activa magnéticamente hasta 7 contactores reed ubicados interiormente. Puede utilizarlo para comandar una, o más, Bombas o Alarmas, o para encender hasta 7 luces piloto indicadoras de nivel, a razón de una por cada nivel. Es apto para calderas de alta presión, muchos Productos Químicos, Solventes e Hidrocarburos, y ciertos Ácidos y Aceites Livianos.
CAPÍTULO 2: Sensores de Nivel Los sensores de nivel pueden dividirse – según su campo de aplicación en sensores de nivel de líquidos y de sólidos, que son dos mediciones claramente distintas y que se mencionaran por separado por sus distintas características y aplicaciones que tienen. Hay dos aplicaciones básicas para sensores de nivel, que es en lo que se centrará el presente trabajo. La primera es la necesidad de conocer el valor análogo o nivel preciso
todo el tiempo (señal analógica), y la segunda es
simplemente de conocer cuando el nivel
del líquido que se tiene está en
determinado punto. (señal digital). Pero vale la pena mencionar que para realizar lo anterior puede parecer sencillo, pero puede convertirse en un problema cuando el material con que se construyó el recipiente en donde se encuentra el líquido o el material sólido es corrosivo o abrasivo, cuando se mantiene a altas presiones o cuando es radiactivo. Las dificultades se presentan cuando se requiere una gran precisión en mediciones dentro de recipientes muy pequeños o muy grandes, entre otras características. Los niveles se pueden medir y mantener mediante dispositivos mecánicos, de caída de presión, eléctricos y electrónicos. El tipo de dispositivo depende de la clase del recipiente, del material que contenga y de la precisión requerida en la medición o en el control. En los procesos continuos, la industria ha ido exigiendo el desarrollo de instrumentos capaces de medir el nivel de sólidos y líquidos en puntos fijos o de forma continua, en particular en los tanques o silos destinados a contener materias primas o productos finales.
CAPÍTULO 3: Sensores de Nivel Analógicos Los sensores de nivel continuo proporcionan una medida continua del nivel desde el punto más bajo al más alto. Se clasificaran en sensores de nivel para líquidos y en sensores de nivel para sólidos. Entre los sistemas de medición de nivel para líquidos más empleados están los de flotador, presión hidrostática, capacitivo, radar o microondas y los ultrasónicos. Mientras los más empleados para sólidos se encuentran el de peso móvil, el de báscula, el capacitivo, el de presión diferencial, el de ultrasónicos y el de radiación.
3.1
Sensores de Nivel para Líquidos
3.1.1 Sensor de Flotador El sensor de nivel para líquidos más sencillo es el de flotador. El flotador es en realidad un transductor de nivel de líquidos a movimiento mecánico, por lo tanto se va a necesitar un segundo transductor para obtener una salida eléctrica que va a ser proporcional al nivel. Consiste en un flotador situado en un líquido y conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser directa, magnética o hidráulica. Cabe mencionar que en depósitos cerrados, al vacío o bajo presión que se deben tener sellados, se acostumbra usar flotadores con brazos de torsión, , flotadores magnéticamente acoplados y dispositivos hidráulicos operados con flotador. Es importante mencionar que el flotador puede tener cualquier forma ya sea redonda, cilíndrica o una combinación de ambas. Sus tamaños también pueden variar según las dimensiones del depósito en el que se van a utilizar. El material con que se construya también debe escogerse de manera que resista la corrosión.
3.1.1.1
Flotador Conectado Directamente
Es un mecanismo típico de flotador y cinta o cadena que se desliza en un juego de poleas que sirve de conexión entre el flotador y el mecanismo indicador o de registro. Si se requiere controlar el material en forma remota lo que se utiliza es un transductor para convertir el movimiento angular del eje giratorio (polea) en una señal eléctrica para su transmisión. Tiene el inconveniente de que las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse y de que el tanque no puede estar sometido a presión. Además, el flotador debe mantenerse limpio. Los mecanismos de flotador y cable pueden restringirse con topes en algunas aplicaciones, porque es difícil mantener una operación limpia y eficiente.
Flotador conectado directamente La medición de nivel con este tipo de sensores es menos común actualmente en la industria en general, pero se emplea muy frecuentemente en el campo del tratamiento de agua potable y de desecho. Sin embargo es el modelo más antiguo y el más utilizado en tanques de gran capacidad, tales como en la industria de los combustibles.
La principal diferencia entre los ensambles de los distintos fabricantes son los medios mecánicos para el acoplamiento de transmisores, contactos y dispositivos semejantes.
3.1.1.2
Flotador Acoplado Magnéticamente.
Se utiliza un tubo sumergible no magnético que pueda soportar la temperatura y la presión, entre otras condiciones de operación. Se deben colocar verticalmente en el interior del tanque. Este sistema consta también de dos magnetos, que tienen polos magnéticos opuestos, que se atraen entre ellos. Además consta de interruptores y transmisor incorporados. Una variable importante en la conexión magnética es que el tubo contiene un flotador, dotado de un imán que orienta una serie de cintas magnéticas dispuestas en el exterior y a lo largo del tubo. Conforme el imán exterior asciende o desciende por fuera del tubo de inmersión, el imán interno se desplaza en la misma dirección debido a la atracción del imán externo.
Flotador Acoplado Magnéticamente La precisión de la medición depende de la fuerza de acoplamiento del flujo inductivo y de la fricción del sistema, por ejemplo cuando se tiene poca fricción y un fuerte acoplamiento magnético se puede obtener una precisión de unos 3 mm.
El flotador se mueve libremente en los sistemas magnéticos de medición de niveles, y cualquier cosa que restrinja esta acción o haga que el flotador cambie de peso origina un error en la medición.
3.1.1.3
Flotador de tipo desplazamiento
El medidor de nivel por desplazamiento está 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.
Flotador tipo desplazamiento El sensor 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.
3.1.2 Sensor de Presión Hidrostática 3.1.2.1
Sensor Manométrico
Consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque. El manómetro mide la presión debida a la altura de líquido que existe 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 podría distorsionarse por las variaciones de densidad del líquido.
3.1.2.2
Sensor de Membrana
Utiliza una membrana conectada con un tubo estanco al instrumento receptor. 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 sensor es delicado ya que cualquier pequeña fuga del aire contenido en el diafragma destruiría la calibración del sensor.
Sensor de membrana
3.1.2.3
Sensor de 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.
Sensor de burbujeo Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con líquidos corrosivos con materiales en suspensión (el fluido no penetra en el medidor, ni en la tubería de conexión).
3.1.2.4
Sensor 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 del tanque.
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.
Sensor de presión diferencial
La precisión de los sensores de presión diferencial es bastante buena. Es importante mencionar que el material del diafragma debe ser compatible con el fluido que se encuentra en el tanque.
3.1.3 Sensor de Capacitancia Los sensores se fabrican para la detección discreta o para la indicación continua de nivel. En el próximo capítulo se analizará el sensor de capacitancia digital, en éste se centrará el análisis solo en el analógico. En estos sensores se utiliza un electrodo metálico aislado que se inserta a lo largo de la pared del recipiente como una de las placas del capacitor. La pared del recipiente es la otra placa del capacitor. Las variaciones de las características dieléctricas del material entre
el electrodo y la pared,
conforme asciende o desciende la interfaz entre el aire y el material, se miden con un puente de capacitancia, que es un circuito electrónico que alimenta el electrodo a una frecuencia elevada, lo cual disminuye la reactancia capacitiva del conjunto
y esto permite aliviar en parte el
inconveniente del recubrimiento del electrodo por el producto. Se caracteriza por no tener partes móviles, son ligeros, presentar una buena resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza.
Sensor de Capacitancia Cuando el tanque se encuentra vacío, el medio dieléctrico entre las placas es aire. Al empezar a subir el nivel del material, éste empieza a cubrir las placas conductoras, y por ende el dieléctrico empieza a cambiar. Este cambio produce un aumento de la capacitancia entre los conductores, que se comporta en forma lineal respecto a la altura del material en el tanque. La capacitancia se mide, y provee un valor directo del nivel del material en el tanque. La figura ilustra este método de detección de nivel. Si el material al que se desea medir el nivel es conductor, entonces se recubre el electrodo con un material aislante, tal como Teflón.
El
electrodo sigue comportándose como una placa conductora, mientras que la otra placa es el material, que al estar en contacto con el tanque se conecta eléctricamente a la referencia del sistema. Al subir el nivel del material también se va a dar un cambio en la capacitancia, y al ser medida brinda un valor proporcional al nivel del material, como se puede observar en la figura 3.7.
3.1.4 Sensor de Radar o Microondas Este sistema utiliza ondas electromagnéticas en la banda de microondas (típicamente en la banda de microondas X, 10 GHz) como base para sus mediciones. Es
una tecnología muy reciente, y realiza mediciones
continuas del nivel del material. Básicamente el sistema funciona transmitiendo las ondas desde la parte más alta del tanque hacia abajo, y un sensor ubicado en el transmisor captura la cantidad de energía reflejada por el material. El tiempo que tarda las ondas reflejadas en volver al transmisor se utiliza como base para determinar la altura del material dentro del tanque. Para mediciones de nivel continuas, existen dos tipos de sistemas: inalámbricos y guiados. Los sistemas inalámbricos se subdividen en dos tipos. El primer tipo utiliza una tecnología llamada onda continua modulada en frecuencia (FMCW, FM continuous wave). Un sensor en lo alto del tanque transmite una onda generando un barrido de frecuencia lineal, con un ancho de banda y un tiempo de barrido establecido. La onda reflejada del
radar se atrasa
proporcionalmente a la distancia a la que se encuentra la superficie del material. La frecuencia de esta onda reflejada es diferente a la frecuencia de la onda del generador, y las dos se suman a una nueva frecuencia que es proporcional al nivel del material en el tanque. Esta frecuencia se convierte después a una señal que representa la altura alcanzada por el material en ese momento. El segundo tipo de sistemas inalámbricos se llama radar pulsante. En éste, una onda pulsante se envía hacia la superficie del material. Luego se mide el tiempo que tarda el pulso reflejado en regresar a su origen. Este tipo de sistemas utilizan una potencia de transmisión mucho menor que el primer tipo, por lo que se puede ver afectado por obstáculos entre el transmisor y el material, o por materiales con constante dieléctrica muy baja (constantes dieléctricas menores a dos).
Sensor de radar o microondas Como se observa en la figura anterior, los sistemas inalámbricos de radar utilizan dos tipos de antenas para irradiar la señal: cónicas y parabólicas. Las antenas parabólicas tienden a irradiar un área mayor, mientras que las cónicas tienden a confinar la señal irradiada a un área menor. La escogencia de la antena se debe fundamentar en los posibles obstáculos que deba enfrentar la señal en su viaje a la superficie del material y las características físicas del material cuyo nivel se va a medir. El sistema de radar con ondas guiadas (GWR, guided wave radar) utiliza un medio físico tal como un cable o un tubo conductor para transmitir las ondas generadas a través del material hasta la parte baja del tanque. El método de medición de este sistema se basa
en la reflectometría en el
dominio del tiempo (TDR, time domain reflectometry). Un generador TDR envía hasta 200 000 pulsos por segundo de energía electromagnética por la línea de transmisión hacia la superficie del material, y se reflejan hacia el generador por la misma línea. La diferencia de medios dieléctricos entre la línea sin material (dieléctrico aire) y la línea con material como dieléctrico, hace que el pulso se refleje hacia su origen.
El tiempo de viaje del pulso
hacia la superficie del material y su regreso se utiliza para determinar el
nivel alcanzado. La línea de transmisión provee de un camino muy eficiente para que la señal viaje, por lo que la degradación de la señal es muy baja. Esto permite que materiales con constantes dieléctricas muy bajas (menores a 1.7) puedan ser monitoreados de una forma muy efectiva. Además, debido al tipo de construcción de estos sistemas, no se ven afectados por obstrucciones, y se pueden compensar posibles costras de material en la línea de transmisión.
3.1.5
Sensor de Ultrasónicos
Estos sistemas utilizan como base ondas sonoras para realizar sus mediciones. Estas ondas abarcan frecuencias comprendidas entre 20 KHz y 200 KHz. Un transductor ubicado en lo alto del tanque transmite las ondas sonoras hacia la superficie del material, en forma
de ráfagas. Ecos
de éstas ráfagas se reflejan al transductor, que mide el tiempo entre la generación de las ráfagas y sus ecos. La figura muestra cómo opera éste sistema dentro de un tanque.
Sensor ultrasónico Generalmente, las ráfagas de ondas son producidas por un cristal
piezoeléctrico que convierte los impulsos eléctricos en energía sonora que viaja en forma de onda a la frecuencia establecida y a una velocidad constante en un medio específico, que puede ser aire u otro gas. Las ondas sonoras son emitidas en ráfagas y sus ecos son recibidos de nuevo por el transductor, que calcula la distancia de acuerdo al tiempo transcurrido entre generación y recepción de ecos. Sin embargo, el método tiene varios inconvenientes: primero, la velocidad del sonido en el medio depende de la temperatura del mismo, por lo que se deben compensar
los cambios de temperatura. Segundo, la superficie
del material puede actuar como absorbente del sonido, por lo que no se reflejaría ninguna onda. Tercero, irregularidades en
la forma de la
superficie del material pueden causar mediciones fluctuantes.
3.2 Sensores de Nivel para Sólidos 3.2.1
Sensor de Sondeo Electromecánico
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. Este baja suavemente en el interior de la tolva hasta que choca contra los sólidos. En ese instante, el cable se afloja, y el sensor 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.
Sensor de sondeo electromécanico Un indicador exterior señala el punto donde el peso ha invertido su movimiento, indicando así el nivel en aquel momento. El sensor 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 del silo lo que podría dar lugar a la posible rotura de los mecanismos de vaciado.
3.2.2
Sensor de Báscula
Este sensor 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, por ejemplo una galga extensométrica y microprocesador. De estos elementos, uno de los más empleados es de galga extensométrica, que son sensores de deformaciones basados en la variación de la resistencia eléctrica con la deformación, en un hilo conductor calibrado, o en resistencias construidas a base de pistas
de
semiconductor. Se emplean también, combinadas con muelles o piezas deformables para detectar de forma indirecta esfuerzos. En definitiva suelen usarse más que como sensores
de deformación como sensores
de medida indirecta de esfuerzos. El sistema es relativamente caro 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%
aproximadamente.
3.2.3
Sensor 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. La medida está limitada a materiales en forma granular o de polvo que sean buenos aislantes, la presión y temperatura máximas de servicio pueden ser de 50 bar y 150°C, y el aparato debe calibrarse para cada tipo de material. Su precisión es de 15 mm aproximadamente.
3.2.4
Sensor de Ultrasónicos
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 desexcita actuando sobre una alarma o sobre la maquinaria de descarga del depósito. Disponiendo el haz de ultrasonidos en dirección vertical, el instrumento puede actuar como indicación continua del nivel midiendo el tiempo de tránsito de 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 los ultrasonidos, ya sea en mayor o menor grado, el sistema es adecuado para la mayor parte de los sólidos con mucho polvo, alta humedad, humos o vibraciones, y puede emplearse tanto
en materiales opacos como
transparentes. Sin embargo, si la superficie del material no es nítida, el sistema es susceptible de dar señales erróneas.
Sensor ultrasónico El uso de la computadora permite resolver este inconveniente al almacenar el perfil ultrasónico del lecho del sólido e interpretarlo para obtener el nivel correcto del sólido, además de proporcionar características de
autocomprobación del instrumento de medida. El sensor de nivel de ultrasonidos tiene una precisión que varía de 0.15% a
1%,
puede construirse a prueba de explosión y trabajar a
temperaturas de hasta 150°C.
3.2.5
Sensor de Radar
El medidor de nivel de radiación es parecido al instrumento utilizado 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 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 continuo todo-nada. El instrumento puede trabajar a altas temperaturas hasta unos 1300°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. Su precisión es de
1
% y su campo de medida
de 0.5 por cada fuente, pudiendo emplearse varias para aumentar el intervalo de medida del nivel. Uno de sus inconvenientes es que es un sistema de costo 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.
CAPÍTULO 4: Sensores de Nivel Digitales Los sensores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en uno o varios puntos fijos determinados. Al igual que se desarrolló en el capítulo anterior, se clasificaran en sensores de nivel para líquidos y en sensores de nivel para sólidos. Los sistemas más empleados para la medición de los líquidos son el conductivo y el capacitivo mientras para los sólidos son el diafragma, el cono suspendido, la varilla flexible, el medidor conductivo, las paletas rotativas y los ultrasónicos.
4.1 Sensor de Nivel para Líquidos 4.1.1 Sensor Conductivo o Resistivo En líquidos conductores se pueden instalar electrodos en los puntos de alto y bajo nivel. Cuando el nivel del líquido se eleva hasta el electrodo superior, un relé eléctrico o electrónico es excitado. Con esto se cierra un circuito eléctrico o electrónico según sea el caso y por el mismo circula una corriente de aproximadamente 2 mA. Cabe mencionar que las unidades del tipo electrónico se pueden utilizar para servicios en los que se puedan encontrar vapores explosivos sobre el líquido, mientras que
las del tipo eléctrico no son aptas para estos
ambientes. Este sensor se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza relés eléctricos para líquidos de buena conductividad y relés electrónicos para líquidos de baja conductividad. Además el relé electrónico dispone de un temporizador que filtra una ola del nivel del líquido o cualquier perturbación momentánea. Este sensor de nivel de líquido activado por conductancia es versátil, sin partes móviles, su campo de medida es grande con la limitación física de
la longitud de los electrodos. Además son fáciles de instalar, son relativamente económicos y requieren un mantenimiento mínimo. Es importante resaltar que no se requieren ajustes, ya que los niveles se pueden controlar con márgenes reducidos y -dentro de ciertos límites- no les afecta la presión, temperatura o líquidos corrosivos. Las ventajas de estos sistemas son que la señal se puede transmitir a cualquier lugar y es factible usarlos en depósitos a presión sin utilizar sellos de empaque o ejes.
Sensor conductivo o resistivo En la figura se muestra la forma usual en que se emplea este sistema. Se utilizan
dos sondas duales, constituidas por dos tubos cilíndricos
concéntricos. El líquido al llegar a tocar los tubos cierra el circuito eléctrico y las señales necesarias se generan. En la figura 4.1 se presenta un sistema que detecta el nivel máximo y el nivel mínimo del tanque. Como se observa el sistema es adecuado para mediciones puntuales de nivel, y para materiales de relativa alta conductividad.
4.1.2 Sensor de Capacitancia Estos sensores de capacitancia utilizan unidades cubiertas con vidrio o plástico y se pueden emplear para detectar valores altos o bajos del nivel o la interfaz, tanto en líquidos conductores como no conductores. En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total está compuesta por la del líquido, la del gas superior y las de las conexiones superiores. En fluidos conductores con una conductividad mínima de 100µ Ω/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 el gas.
Sensor de capacitancia El sensor de nivel funciona mediante las variaciones de capacitancia detectadas por un oscilador y los circuitos electrónicos. El cambio de capacitancia origina un cambio de frecuencia para producir una señal a través de los circuitos electrónicos que indica la condición de nivel alto o bajo y activa o desactiva el dispositivo de control.
4.2 Sensores de Nivel para Sólidos 4.2.1
Sensor de Diafragma
Consiste en una 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 interruptor. Cuando el nivel del sólido alcanza el diafragma lo fuerza venciendo el contrapeso y actuando sobre el interruptor; éste que puede ser mecánico o de mercurio, puede accionar una alarma o actuar automáticamente sobre un transportador o maquinaria asociadas al depósito. El material del diafragma puede ser de tela, goma, neopreno o fibra de vidrio. El sensor de diafragma tiene la ventaja de su bajo costo, puede emplearse en tanques cerrados sometidos a baja presión o vació gracias a una línea neumática que iguala presiones
a
ambos lados de la
membrana y trabaja bien con materiales de diversa densidad. Tiene la desventaja de no permitir materiales granulares de tamaños superiores a
unos 80 mm de diámetro. Vale la pena mencionar que su
precisión es de unos +/-50 mm.
4.2.2
Sensor de Cono Suspendido
Consiste en un interruptor montado dentro de una caja estanca al polvo, con una cazoleta de goma de la que está suspendida una varilla que termina en un cono. Cuando el nivel de solidos alcanza el cono, el interruptor es excitado. La cazoleta de goma permite una flexibilidad en la posición del cono gracias a la cual el aparato puede actuar como alarma de alto o 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 podrían dañarlo.
El sensor es económico, necesita estar protegido en los niveles bajos o en niveles intermedios y se utiliza solo en tanques abiertos. Su precisión es de unos 50 mm. Sus aplicaciones típicas son la alarma y el control de nivel en carbón, granos y caliza.
4.2.3
Sensor de Varilla Flexible
Consiste en una varilla de acero conectada a un diafragma de latón donde está contenido un interruptor. Cuando los sólidos presionan, aunque sólo sea ligeramente en la varilla, el interruptor se cierra y actúa sobre una alarma. El conjunto de la unidad está sellado herméticamente pudiendo construirse a prueba de explosión. El aparato se emplea como alarma de alto nivel estando dispuesto en la parte superior del tanque. Para impedir que la simple caída del producto pueda causar una alarma infundada, tiene incorporado un temporizador de retardo. El sensor se emplea en tanques abiertos como alarma de nivel alto, tiene una precisión de +/- 25 mm, se utiliza para materiales tales como carbón y puede trabajar hasta temperaturas máximas de 300°C.
4.2.4
Sensor de Conductividad
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 sensor puede utilizarse en tanques abiertos y a presión, trabaja hasta temperaturas máximas de 300 oC, está limitado a materiales que tengan muy baja resistencia (1 a 1.4x10 -7 Ω) y solo puede emplearse como
alarma de nivel alto o de niveles intermedios. Entre los materiales que se pueden emplear figuran el carbón y el carbón activo.
4.2.5
Sensor de Paletas Rotativas
Consisten en un eje vertical, dotado de paletas, que gira continuamente a baja velocidad accionado por un motor sincrono. 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 éste 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 interruptores. De este modo, el motor se excita con lo que las palas vuelven a girar, y la alarma queda desconectada.
Sensor de paletas rotativas El eje de las palas puede ser flexible o rígido para adaptarse así a las diversas condiciones de trabajo dentro del silo (caída de producto, deslizamientos del producto). Estos aparatos son adecuados en tanques
abiertos o a baja presión, tienen una precisión de unos 25 mm y se emplean como sensores de nivel de materiales granulares y de carbón. Pueden trabajar con materiales de muy diversa densidad y existen modelos a prueba de explosión.
4.2.6
Sensor de Radar de Microondas
Consta de una fuente de microondas, situada a un lado del recipiente, y un detector
en 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.
CAPÍTULO 5. Grados de Protección IP Es un sistema de codificación para indicar los grados de protección proporcionados por la envolvente contra el acceso a las partes peligrosas, contra la penetración de cuerpos sólidos extraños, contra la penetración de agua y para suministrar una información adicional unida a una referencia de protección. Este código IP está formado por dos números de una cifra cada uno, situados inmediatamente después de las letras “IP” y que son independientes uno del otro.
El número que va en primer lugar, normalmente denominado como “primera cifra característica”, indica la protección de las personas contra el
acceso a partes peligrosas (normalmente partes bajo tensión o piezas en movimiento que sean ejes rotativos y análogos), limitando o impidiendo la penetración de una parte del cuerpo humano o de un objeto sujeto por una persona, garantizando simultáneamente el impedimento de la penetración de cuerpos sólidos extraños. La primera cifra característica esta graduada desde 0 (cero) hasta 6 (seis) y a medida que va aumentando el valor de dicha cifra, éste indica, que el cuerpo sólido que la envolvente deja penetrar es menor
Tabla 1. Grados de protección indicados por la primera cifra característica [2] Cifra 0 1 2 3
Descripción abreviada No protegida Protegida contra los cuerpos sólidos de más de 50 mm Protegida contra los cuerpos sólidos de más de 12 mm Protegida contra los
Indicación breve sobre los objetos que no deben penetrar en la envolvente Sin protección particular Cuerpos sólidos con un diámetro superior a 50 mm Cuerpos sólidos con un diámetro superior a 12 mm Cuerpos sólidos con un diámetro superior a 2,5
4 5 6
cuerpos sólidos de más de 2,5 mm Cuerpos sólidos con un diámetro superior a 1 Protegida contra los mm cuerpos sólidos de más de 1 mm Protegida contra la No se impide totalmente la entrada de polvo, penetración de pero sin que el polvo entre en cantidad suficiente polvo que llegue a perjudicar el funcionamiento Ninguna entrada de polvo Totalmente protegida al polvo
El número que va en segundo lugar, normalmente denominado como “segunda cifra característica”, indica la protección del equipo en el interior
de la envolvente contra los efectos perjudiciales debidos a la penetración de agua. La segunda cifra característica está graduada en forma similar a la primera, desde 0 (cero) hasta 8 (ocho). A medida que va aumentando su valor, la cantidad de agua que intenta penetrar en el interior de la envolvente es mayor y también se proyecta en más direcciones (cifra 1 caída de gotas en vertical y cifra 4 proyección de agua en todas direcciones).
Tabla 2. Grados de protección indicados por la segunda cifra característica [2] Cifra 0 1
Descripción abreviada No protegida Protegida contra
Sin protección particular
de gotas de agua Protegida contra
Colocado el objeto en su lugar de funcionamiento, no debe entrar el agua dejada caer encima durante 10 minutos (a razón de 3-5 mm3 por minuto). Colocado el objeto en su lugar de funcionamiento,
la caída de gotas
no debe entrar el agua dejada caer encima durante
de agua con una
10 minutos (a razón de 3-5 mm3 por minuto),
la caída vertical
2
Tipo de protección proporcionada por la envolvente
inclinación
cuatro veces a razón de una por cada giro de 15º
máxima de 15o
tanto en sentido vertical como horizontal, partiendo cada vez de la posición normal de operación.
3
Protegido frente a
Colocado el objeto en su lugar de funcionamiento, no
nebulización de
debe entrar el agua nebulizada en un ángulo de
agua.
hasta 60º a derecha e izquierda de la vertical a razón de 10 litros por minuto y a una presión de 80-
4
Protegida contra el
100kN/m2 durante no menos de 5 minutos. Colocado el objeto en su lugar de funcionamiento, no
agua arrojada
debe entrar el agua arrojada desde cualquier ángulo a razón de 10 litros por minuto y a una presión de 80-100kN/m2
5
Protegida contra
Colocado el objeto en su lugar de funcionamiento, no
los chorros de
debe entrar el agua arrojada a chorro (desde
agua
cualquier ángulo) por medio de una boquilla de 6,3 mm de diámetro, a razón de 12,5 litros por minuto y a una presión de 30kN/m2 durante no menos de 3
6
Protegida contra
minutos y a una distancia no menor de 3 metros. Colocado el objeto en su lugar de funcionamiento, no
chorros muy
debe entrar el agua arrojada a chorro (desde
potentes de agua
cualquier ángulo) por medio de una boquilla de 12,5 mm de diámetro, a razón de 100 litros por minuto y a una presión de 100kN/m2 durante no menos de 3
7
Protegida contra
minutos y a una distancia no menor de 3 metros. Cuando se sumerge la envolvente en agua en unas
los efectos de la
condiciones de presión y con una duración
inmersión
determinada, no deberá ser posible la penetración de agua en el interior de la envolvente en
8
Protegida contra la
El equipo es adecuado para la inmersión
inmersión
prolongada en agua bajo las condiciones
Adicionalmente, de forma opcional, y con objeto de proporcionar información suplementaria sobre el grado de protección de las personas contra el acceso a partes peligrosas, puede complementarse al código IP con una letra colocada inmediatamente después de las dos cifras características. Estas letras adicionales, (A, B, C o D), a diferencia que la primera cifra característica que proporciona información de cómo la envolvente previene la penetración cuerpos sólidos,
proporcionan
información
sobre
la
accesibilidad
de
determinados objetos o partes del cuerpo a las partes peligrosas en el
interior de la envolvente. En ocasiones, algunas envolventes no tienen especificada una cifra característica, bien porque no es necesaria para una aplicación concreta, o bien porque no ha sido ensayada en ese aspecto. En este caso, la cifra característica correspondiente se sustituye
por una “X”,
como por ejemplo, IP2X, que indica que la envolvente proporciona una determinada protección contra la penetración de cuerpos sólidos, pero no ha sido ensayada
en lo referente a la protección contra la
penetración del agua. Puede darse el caso que una determinada envolvente proporcione dos grados de protección diferentes en función de la posición de montaje de la misma. Si este fuera el
caso, siempre deberá indicarse este
aspecto en las instrucciones que suministre el fabricante. A continuación se mostraran los grados de protección para los sensores de nivel tanto analógicos como digitales analizados en los capítulos anteriores. En la siguiente tabla se mostrará únicamente la primera cifra característica, que como se mencionó es la que indica el cuerpo sólido que la envolvente deja penetrar.
Tabla 3. Protección sensores de nivel de acuerdo a la primera cifra característica Tipo de Sensor Flotador Flotador Acoplado Magnéticamente Flotador Tipo Desplazamiento
Primera Letra IP2X IP5X
IP6X X
X
Manométrico Burbujeo Presión Diferencial Capacitivo Conductivo o Resistivo Radar o Microondas Ultrasónicos Sondeo electromagnético Bascula Diafragma Cono Varilla Flexible Paletas Rotativas
X X X X X
X
X
X
X X X X X X X X
Por último en la siguiente tabla se mostrará únicamente la segunda cifra característica, que indica la cantidad de agua que la envolvente deja penetrar.
Tabla 4. Protección sensores de nivel de acuerdo a la segunda cifra característica. Tipo de Sensor Flotador Flotador Acoplado Ma néticamente Flotador Tipo Desplazamiento Manométrico Burbujeo Presión Diferencial Capacitivo
IPX5
Segunda Letra IPX6 IPX7
X X X X X X
X
IPX8 X
Conductivo o Resistivo Radar o Microondas Ultrasónicos Sondeo electromagnético Bascula Diafragma Cono Suspendido Varilla Flexible Paletas Rotativas
X
X
X X
X X X X X X
X X
X
CAPITULO 6. Aplicación en la Industria Química En el campo de la industria, la principal utilidad de este proceso sería la automatización en la realización de mezclas y la clasificación inmediata de líquidos. Pudiendo por ejemplo, dejar de añadir soluto cuando el sensor indique que ya es suficiente o seleccionando bebidas según su graduación alcohólica. A continuación se indican las principales industria de bebidas que se verían beneficiadas por incluir procesos como este:
Industria del Vino : El vino es una bebida que se produce mediante la fermentación del mosto o zumo al transformar azúcares en alcohol. Por lo tanto un preciso conocimiento de la cantidad de azúcar el mosto previo a la fermentación facilitaría la fabricación de un vino mejor y más controlado. Así como la selección por grado de alcohol, ya que lo que se transforma en alcohol es el azúcar, al conocer la concentración de azúcar sería posible determinar el grado de alcohol del vino. Industria de la Cerveza: La cerveza es una bebida alcohólica que se obtiene de la cebada, levaduras u otros cereales que contienen azúcares y se fermentan. Por lo tanto la posibilidad de controlar la concentración de azúcar permitiría determinar el grado de alcohol de una cerveza y su tipo (rubia, negra, etc). Así como controlar el estado de la mezcla en sus distintos procesos como la maceración, fermentación, etc y ser capaces de corregir un posible error de fabricación sin tener que esperar al final de la producción. Industria de los refrescos: En los aditivos edulcorantes de una bebida refrescante se incluyen una gran cantidad de azúcares (sobre un 45% del total de la mezcla) y automatizando el proceso añadido sabiendo en cada momento la cantidad real de azúcar que existe facilitaría y produciría una mezcla más exacta y mejor.
Industria de los zumos : Al igual que en los vinos (donde este proviene del zumo de uva), este proceso ayudaría a mejorar la calidad de los productos y a hacerlos más exactos teniendo un sabor más uniforme para diferentes tandas de fabricación. En definitiva, sería útil para la industria de fabricación de bebidas alcohólicas que provienen de la fermentación de azúcares, como la
sidra, ron, etc o para cualquier industria cuya finalidad es la fabricación de productos provenientes de realizar mezclas de distintos líquidos o necesitan un control continuo de una determinada disolución.
CAPITULO 7. Conclusiones y recomendaciones CONCLUSIONES Los dispositivos de sensado de campo ideales para la industria son los de tipo 4 - 20 mA por la inmunidad al ruido y por la gran distancia que pueden viajar estas señales sin necesidad de repetidores.
La técnica del sensor con flotador y cable se usa principalmente cuando el nivel se relaciona al flujo, más que para la medición exclusiva del nivel.
Sensores por capacitancia se utilizan para la detección discreta o para indicación continua del nivel.
Para sensores por capacitancia las burbujas de aire o vapor existentes, aumentan y disminuyen respectivamente la constante dieléctrica del fluido dando lugar a un error por cada tanto por ciento de desplazamiento volumétrico.
Los sensores por capacitancia soportan la vibración y se pueden utilizar en montajes de motor.
Su campo de medida es prácticamente ilimitado y pueden emplearse en la medida de nivel de interfases.
El principal factor para la eleccion de un sensor es la colocación y protección de los componentes contra los efectos de la intemperie, los daños o manipulaciones indebidas.
RECOMENDACIONES
Los controles de nivel activados por conductancia se deben escoger con la sensibilidad adecuada para llenar los requisitos de los líquidos específicos que se van a medir para detectar la presencia de espuma en caso necesario. Los sensores de conductancia no son seguros en atmósferas explosivas.
Se requiere un gran número de electrodos para las indicaciones continuas y que los afectan los líquidos corrosivos ya que la carga eléctrica promueve la corrosión. Pueden presentar dificultades cuando existe un vapor saturado por encima de la fase liquida y la medición o el control de nivel se pueden trastornar por unas cuantas gotitas de líquido que forman una trayectoria conductora entre los electrodos. Los sensores por capacitancia soportan la vibración y se pueden utilizar en montajes de motor. Su campo de medida es prácticamente ilimitado y pueden emplearse en la medida de nivel de interfases. El principal factor para la elección de un sensor es la colocación y protección de los componentes contra los efectos de la intemperie, los daños o manipulaciones indebidas.
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