Instrumentación y control
Medidores de nivel
MEDIDORES DE NIVEL Introducción La medición de nivel consiste en medir la altura a la que se encuentra la superficie libre de líquido a partir de una línea de referencia.
Método directo Consiste en medir directamente la superficie libre de líquido a partir de una línea de referencia. Pueden ser: Observación visual directa de la altura sobre una escala graduada: medidor de vara, tubo de vidrio, etc. Determinación de la posición de un flotador que descansa sobre la superficie libre de líquido: flotador y cinta, flotador y eje, etc. Electrodos que hacen contacto con la superficie libre de líquido.
Método indirecto Consiste en medir otros efectos que cambian con el nivel del líquido entre ellos pueden ser:
Medición de presión hidrostática o presión diferencial. Medición de fuerza de empuje. Como en el tubo de torsión. Medición de la radiación nuclear. Medidor de radioactiva. Reflexión de ondas de radio. Medidor ultra sonido. Medición de capacitancia eléctrica.
Estos métodos tienen un error inherente debido a que el nivel se determina a partir de la medida de otra variable.
Clasificación MEDIDORES DE NIVEL DE LÍQUIDO: Instrumentos de medida directa Sonda Cinta y plomada Nivel de cristal Instrumentos de flotador. Instrumentos basados en la presión hidrostática. Manométrico De membrana De tipo burbujeo
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De presión diferencial de diafragma Instrumentos basados en el desplazamiento. Instrumentos que utilizan características del líquido. Resistivo Conductivo Capacitivo Ultra sonido De radar De radiación Laser MEDIDORES DE NIVEL DE SOLIDOS: Detectores de nivel de punto fijo De diafragma Como suspendido Varilla flexible Conductivo Capacitivo Paletas rotativas Radar de microondas. Detectores de nivel continuo Sondeo electromecánico De bascula Capacitivo De presión diferencial Ultrasonidos Radar de microondas Radiación
Descripción de equipos
MEDIDORES DE NIVEL DE LÍQUIDOS: Medidores de sonda: Consisten en una regla o varilla de acero graduada o aforada, esta se introduce en el depósito del fluido el cual se debe encontrar a presión atmosférica, y se retira, el nivel será lo que el fluido halla mojado, cabe resaltar que la parte inferior de la varilla o regla debe llegar a la superficie del depósito. Otro instrumento que pertenece a esta clasificación es una varilla con un gancho y cinta y plomada, este último tiene un peso denominado plomada que hace que la cinta Página 2 descienda en el fluido y la medición se realiza en la cinta graduada.
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Nivel de cristal: El nivel de cristal o columna indicadora consiste en un cilindro de vidrio el cual se encuentra sujetado por barras de metal, este tiene 3 válvulas, 2 de cierre de seguridad en los extremos y una de purga, el funcionamiento se basa en que el líquido a medir dentro de la columna busca la misma elevación que en el depósito, sección rectangular, la medida de nivel se efectúa con un cristal de reflexión (El vidrio que está en contacto con el líquido está provisto de ranuras longitudinales que actúan como prismas de reflexión indicando la zona de líquido con un color oscuro, y la zona superior en contacto con el vapor de color claro) o por transparencia (Permiten medir directamente el nivel por medio de la graduación del nivel, además permiten ver las características visuales del líquido. A esta clasificación corresponden dos tipos de medidores de cristal, el nivel de cristal normal, el cual se emplea para presiones de hasta 7 bar. Y para presiones más altas de hasta 3103 kPa (31 bar) se emplea el nivel de cristal con una armadura metálica que lo protege.
Instrumentos de flotador: Son usados principalmente en sistemas de líquido – gas, aunque también se puede implementar en interfaces líquido – líquido con un peso apropiado del flotador; consisten en un flotador que se encuentra en la parte superior del líquido y conectado al exterior del tanque o deposito indicando directamente el nivel, del método empleado para acoplar el movimiento del flotador con el sistema indicador se clasifican en: conexión directa, si el flotador está unido al indicador por una cadena o cinta flexible que desliza un juego de poleas señalando el nivel en una escala graduada; conexión magnética, el movimiento del flotador es transmitido por medio de un acoplamiento magnético , este tipo de medidor tiene un tubo en el cual hay una pieza magnética suspendida por medio de una cinta, esta sigue al flotador en su movimiento y mediante la Página 3 cinta o cable y un juego de poleas arrastra el índice del indicador de nivel situado en el exterior del tanque; conexión hidráulica, los cuales funcionan por variaciones de presión de un circuito hidráulico y señala en el indicador el nivel correspondiente.
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INSTRUMENTOS BASADOS EN LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA Medidor manométrico: Este medidor consiste en un manómetro que se encuentra conectado en la parte inferior del tanque donde esta contenido el fluido, el nivel se mide por la presión que ejerce el fluido, en la, se puede observar un sistema que mide el nivel de fluido en un contenedor por medio de un medidor manométrico.
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Medidor de membrana: Este tipo de medidor consiste en un diafragma que tiene en su interior aire y en la parte superior una membrana que tiene contacto con el fluido, entonces la presión ejercida por el fluido hace que el aire se comprime.
Medidor de tipo Burbujeo: Este instrumento mide la presión necesaria para poder formar o sacar burbujas de una tubería que suele ser de 1/2” esta tiene un bisel por donde salen las burbujas, en el interior del tubo hay un gas que generalmente es aire y tiene un rotámetro que regula que el caudal sea el mismo, entonces la presión que ejerce el gas en el líquido para poder hacer salir burbujas se considera como la presión hidrostática de la columna de líquido contenida en el tanque.
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Instrumentos que utilizan características del líquido. Medidor Conductivo: Este tipo de medidor utiliza la conductividad del líquido, consiste en uno o varios electrodos y un relé electrónico que es excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos. El líquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y el vapor.
Medidor Capacitivo: Mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque como se indica en la, la capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del líquido; en los fluidos conductores se emplea un electrodo normal, en fluidos conductores con conductividad mínima de 100 microhmios/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.
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Medidor Ultrasónico: Este medidor 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 tanque, los sensores trabajan a una frecuencia de 20 kHz.
Medidor de radar: Este sistema emplea la propagación de una onda de microondas, y un oscilador que genera una frecuencia de barrido de 10 a 11 GHz y enfoca la señal sobre el líquido mediante una antena; la diferencia de frecuencias entre las señales de transmisión y de retorno es proporcional al tiempo empleado por las mismas.
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Medidor de radiación: Consiste en un emisor de rayos gamma dispuesto 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.
Medidor Láser: Consiste en un rayo láser enviado a través de un tubo de acero y dirigido por reflexión en un espejo sobre la superficie del fluido, la medida realizada es el tiempo que transcurre entre el impulso emitido y el impulso de retorno, un microprocesador convierte el tiempo al valor de la distancia, es decir, la lectura de nivel.
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MEDIDORES DE NIVEL DE SOLIDOS: Detectores de nivel de punto fijo Detector 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 microrruptor. Cuando el nivel del sólido alcanza el diafragma lo fuerza venciendo el contrapeso y actuando sobre el microrruptor, este puede ser mecánico o de mercurio, puede accionar una alarma o actuar automáticamente sobre un transportador o maquinaria asociadas al depósito.
Cono Suspendido: Consiste en un microrruptor 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 sólidos alcanza el cono, el interruptor es exitado. Página 9
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Varilla flexible: Consiste en una varilla de acero conectada a un diafragma de latón donde está contenido un interruptor. Cuando los sólidos presionan ligeramente la carilla, el interruptor se cierra y actúa sobre una alarma. Este instrumento se ubica en la parte superior del tanque y para impedir que la caída del producto cause una alarma infundada se incorpora un relé de retardo.
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Medidor Conductivo: Consiste en un electrodo dispuesto en el interior de unas placas puestas a masa y con el circuito eléctrico abierto. Cuando los sólidos alcanzan el aparato, se cierra el circuito y la pequeña corriente originada es amplificada actuando sobre un relé de alarma. Los sólidos deben poseer una conductividad eléctrica apreciable para poder excitar el circuito.
Detectores de nivel continuo Nivel 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 de peso. Este baja suavemente en el interior de la tolva hasta que choca contra el lecho de sólidos. Este baja suavemente en el interior de la tolva hasta que choca contra el lecho de sólidos. En este instante, el cable se afloja y un detector adecuado invierte el sentido del movimiento del peso con lo que este asciende hasta la parte superior de la tolva, donde se para y se reinicia el ciclo. Un indicador exterior señala el punto donde el peso ha invertido su movimiento indicando así el nivel en aquel momento.
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Medidor de nivel de báscula: Mide el nivel de sólidos indirectamente a través del peso del conjunto tolva más producto; como el peso de la tolva es conocido, es fácil determinar el peso del producto y por lo tanto el nivel.
Medidor de nivel capacitivo: Su funcionamiento es similar a la medición de nivel de los líquidos.
Medidor de presión diferencial: Consiste en dos orificios de purga de aire situados en el depósito por debajo y por encima del lecho, un instrumento transmisor neumático o electrónico mide la presión diferencial posterior de los dos orificios que depende del nivel del lecho fluidizado.
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Medidor de nivel de ultrasonidos: Consiste en un emisor de ultrasonidos que envía un haz horizontal a un receptor colocado al otro lado del tanque, si el nivel de sólidos está más bajo que el haz el sistema entra en oscilación enclavando un relé; cuando los sólidos interceptan el haz, el sistema deja de oscilar y el relé se desexcita actuando sobre una alarma o sobre la maquinaria de descarga del depósito.
vvv
Medidor de radar de microondas: Consta de una fuente de microondas, situada a un lado del recipiente, y un detector en el lado opuesto, en la misma horizontal. Cuando el producto alcanza dicha horizontal, la señal deja de recibirse y se excita una alarma.
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Medidor de nivel de radiación: Consiste en una fuente radiactiva de rayos gamma dispuesta al exterior del tanque 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.
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APLICACIONES
MEDIDORES DE NIVEL DE LÍQUIDOS
El medidor de sonda se utiliza generalmente en tanques de fuel oil o gasolina. El uso de Cinta y plomada es usado para el aforamiento de productos en tanques de almacenamiento de petróleo crudo y sus derivados. Medir la cantidad de aceite de un automóvil, mediante una varilla graduada. Medición de nivel y volumen de líquidos en tanques y cisternas. Una de las aplicaciones del nivel de cristal es el control del nivel de una caldera de pequeña producción de vapor. Para mediciones de líquidos con sólidos en suspensión, emulsiones y líquidos muy corrosivos es utilizado el medidor de burbujeo. En mediciones de nivel de pasta de papel y líquidos con sólidos en suspensión se hace uso del medidor de nivel tipo diafragma fijado con una brida para permitir la medida sin dificultad. El medidor de presión diferencial puede emplearse en la medida de interfases, la amplitud de la medida vendrá dada por la diferencia entre las presiones sobre el diafragma del elemento, primero con el tanque lleno de líquido más denso y luego con el líquido menos denso. Medir nivel con propósitos de inventario y fiscalización de productos se utilizan los medidores de flotadores con conexión de servodesplazador. El medidor de nivel conductivo se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza relés eléctricos para líquidos con buena conductividad y relés electrónicos para líquidos con baja conductividad, además puede complementar al los niveles de cristal de vidrio de las calderas y se presta para la transmisión del nivel a la sala de control y a la adición de alarmas; este equipo es utilizado en el control de nivel de vidrio en fusión. Los medidores de nivel ultrasónicos tienen aplicación especial cuando no puede establecerse contacto físico entre el instrumento de medida y el fluido, por ejemplo cuando este es muy corrosivo, cuando hay posible contaminación o adherencia de partículas del medio al dispositivo. 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 la medición de nivel de metales fundidos se hace necesario el uso de medidores de nivel láser, pues la medida debe realizarse sin que haya contacto con el líquido.
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MEDIDORES DE NIVEL DE SÓLIDOS
Las aplicaciones típicas del cono suspendido son la alarma y el control de nivel en carbón, granos y caliza. El medidor de radar de microondas se aplica en la detección de bajo nivel de sólidos abrasivos. El medidor de nivel ultrasonido es adecuado para la mayor parte de los sólidos con mucho polvo, alta humedad, humos o vibraciones, puede emplearse en materiales opacos y transparentes. Medidor de radar de microondas: Es altamente usado para determinar el nivel en productos o materias primas muy viscosas como el asfalto, también en la medición de sólidos abrasivos y agresivos, para polvo plástico, granulado, sales, fertilizantes, en la industria de los alimentos, para determinar niveles de harina, leche en polvo, azúcar, cereales, arroz; entre otros. El medidor de paletas rotativas es usado en los sólidos granulados; generalmente utilizado en inyectoras y extrusoras de plástico. Para sólidos cuya granulometría sea mediana a pequeña se utiliza el medidor de membrana. Para tolvas y silos por lo general el medidor de nivel de báscula es ampliamente usado
VENTAJAS Y DESVENTAJA
MEDIDORES DE NIVEL DE LIQUIDOS MÉTODO VENTAJAS Sonda Económico, preciso Cristal
Flotador
DESVENTAJAS Manual, en líquidos sin olas, solo tanques abiertos Seguro, preciso, permite Susceptibles a ensuciarse apreciar el color, cuando son líquidos como el características o interfase del caramelo y pegajosos, lectura a líquido. distancias limitadas, sólo es una indicación local. Simple, independiente de la Posible agarrotamiento, las naturaleza líquida, puede partes móviles están expuestas emplearse en tanques al fluido y pueden romperse, el cerrados, abiertos, a presión o tanque no puede estar sometido
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al vacío. Manométrico
Económico
Membrana
Económico, versátil
Burbujeo
Interfase líquido, uso en tanques cerrados y abiertos Fácil limpieza, robusto, permite medir interfases
Presión Diferencial
Desplazamien to
Versátil, puede usarse en la medida de interfase de 2 líquidos inmiscibles.
Conductivo
Resistencia a la corrosión, dispone de un temporizador de retardo que impide el enclavamiento ante una ola de nivelo perturbación momentánea, es versátil, sin partes móviles, campo de medida grande. Todo tipo de tanques y líquidos, sistema sencillo, ligeros, buena resistencia a la corrosión, de fácil limpieza.
Capacitivo
Ultrasónico
Adecuados para todo tipo de tanques y líquidos o fangos, es posible construirlo a prueba de explosión.
a presión, el flotador debe mantenerse limpio. Tanques abiertos, fluidos limpios, el campo de medida es limitado, no líquidos que coagulen, corrosivos o con sólidos en suspensión, el nivel viene influido por las variaciones de densidad de líquido. Tanques abiertos, está limitado a distancias no mayores de unos 15. Mantenimiento, contaminación con líquido. Posible agarrotamiento, en tanques cerrados hay posible condensación de los vapores en el tubo de conexión al instrumento. Expuesto a corrosión, presenta el riesgo de depósito de sólidos o de crecimiento de cristales en el flotador. Líquido conductor
Recubrimiento del electrodo, no apto para líquidos que tienen sólidos en suspensión, vapores o burbujas pues afectan la constante dieléctrica. Sensible a densidad, dan mediciones erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida (hay espuma, etc), Página
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Radar
se puede producir eco. Sensible a la constante dieléctrica
Todo tipo de tanques y líquido con espuma, la medida no es influida por las variaciones de densidad ni por la MEDIDORES DE NIVEL DE SÓLIDOS temperatura. METODO VENTAJAS DESVENTAJAS Radiación Todo tipo de tanques y sin Fuente radiactiva, la fuente Diafragma Bajo costo, sensible a No admite contacto con el líquido, tiene que ser materiales blindada. materiales de variada densidad granulares con Dp > 80 mm. cuando hay presiones muy Tanques a Baja presión. elevadas al interior del Cono Bajo coste Debe estar protegido tanque. suspendido Láser Todo tipo de tanques y sin Láser Varilla Flexible Muy sensible Relé retardo, sólo nivel alto contacto de líquido. Conductivo Tanques a presión Limitado a materiales que tengan una conductividad de 1 a 1,4 * 10 ^-7 mho. Solo puede emplearse como alarma de nivel alto o niveles intermedios. Paletas Materiales diversos a prueba Tanques abiertos o a baja rotativas de explosión presión (máximo 10 kg/cm2) Sondeo Sencillo Resistencia mecánica media Coste elevado electromecánic o Báscula Preciso y seguro, altas presión Materiales aislantes, y temperatura calibración individual, adherencias de producto, costoso. Capacitivo Bajo Costo Coste medio, posible obturación del orificio de purga, limitado a materiales en forma granular o en polvo que sean buenos aislantes. Presión Respuesta rápida Costo medio diferencial Ultrasonidos Materiales opacos y Costo medio, si la superficie transparentes, a prueba de del material no es nítida es explosión susceptible a dar señales erróneas. Radar Productos muy viscosos Costo elevado, necesita supervisacion de seguridad, Radiación Tanque sin aberturas, Costo elevado, necesita productos corrosivos y supervisión periódica, debe peligrosos, altas presiones y calibrarse para cada tanque, Página 18 temperaturas, admite control no puede aplicarse a neumático electrónico. materiales que les afecte la radiactividad.
