Republica Bolivariana de Venezuela Universidad del Zulia Unidad de Postgrado de Ingenier\u00eda Maestr\u00eda Gerencia de Mantenimiento
MEDIDORES DE NIVEL
INTRODUCCI\u00d3N
En las actividades industriales, los insumos y las cargas de trabajo no son infinitas, constantemente se deben estar proveyendo materiales para mantener las operaciones. Ahora, en qu\u00e9 momentos se deben hacer recargas de materiales u otros insumos. Deben existir mecanismos para determinar con precisi\u00f3n los estatus generales de los elementos necesarios para el funcionamiento industrial, m\u00e1s all\u00e1 de la planificaci\u00f3n econ\u00f3mica y cronogramas de actividades que prev\u00e9n los momentos en los que se requerir\u00e1 implementos. Frecuentemente ocurren situaciones inesperadas qued\u00f3 desv\u00eda un poco las planificaciones. Entonces, los procesos industriales deben tener alg\u00fan tipo de dispositivo que controle los niveles de insumos que se disponen y que se van consumiendo. Estos son los medidores de niveles. En la industria, la medici\u00f3n de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento correcto del proceso como de la consideraci\u00f3n del balance adecuado de materias primas o de productos finales. Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de l\u00edquidos y
NIVEL
Es la distancia existente entre una l\u00ednea de referencia y la superficie del fluido generalmente dicha l\u00ednea de referencia se toma como fondo del recipiente. Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de l\u00edquidos y de s\u00f3lidos que son dos mediciones claramente diferenciadas por sus distintas peculiaridades y las aplicaciones particulares de las que son objeto.
MEDIDORES DE NIVEL DE L\u00cdQUIDO
Los medidores de nivel de l\u00edquidos trabajan midiendo, la altura de l\u00edquido sob una l\u00ednea de referencia (medici\u00f3n directa), la presi\u00f3n hidrost\u00e1tica, desplazamiento producido en un flotador por el propio l\u00edquido contenido en el tanque del proceso, o bien aprovechando caracter\u00edsticas el\u00e9ctricas del l\u00e (medici\u00f3n indirecta).
Los instrumentos de medida directa se dividen en: Medidor de sonda
\u2022
MEDIDOR DE SONDA: Consiste en una varilla o regla graduada, de la longitud
conveniente para introducirla dentro del depósito. La determinación del nivel se efectúa por lectura directa de la longitud mojada por el líquido. En el momento de la lectura el tanque debe estar abierto a presión atmosférica. Se utiliza generalmente en tanques de fuel oil o gasolina. Otro medidor consiste en una varilla graduada, con un gancho que se sumerge en el seno del líquido y se levanta después hasta que el gancho rompe la superficie del líquido. La distancia desde esta superficie hasta la parte superior del estanque representa indirectamente el nivel. Se emplea en estanques de agua a presión atmosférica.
MEDIDOR DE NIVEL DE CRISTAL: El nivel de cristal consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloques metálicos y cerrados por prensaestopas que están al tanque generalmente mediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo para impedir el escape del líquido en caso de rotura del cristal y una purga. El nivel de cristal normal se emplea para presiones hasta de 7 kg/cm2. A presiones más elevadas el cristal es grueso, de sección rectangular y esta protegida por una armadura metálica. La lectura del nivel se efectúa con un cristal a reflexión o bien por transparencia. En el primer caso, el vidrio en contacto con el líquido esta provisto de ranuras longitudinales que actúan como prismas de reflexión indicando la zona del
MEDIDOR DE FLOTADOR: La medición de nivel con instrumentos de flotador es menos común en la industria en general, pero se emplea muy frecuentemente en el campo del tratamiento de aguas potables y de desechos. Hay que señalar que en estos instrumentos, el flotador puede tener formas muy variadas y estar formado por diversos materiales según sea el tipo de fluido. Básicamente, consisten en un flotador situado en el seno del líquido y conectado al exterior de un tanque indicando directamente el nivel, donde dicha conexión puede ser: Directa, Magnética o Hidráulica. •
Flotador de conexión de directa: Este modelo de flotador es,
generalmente, una pieza metálica hueca de forma circular, con alambres de
•
Flotador acoplado magnéticamente: Este instrumento de medición de
nivel consta de un flotador desliza exteriormente a lo largo de un tubo de guía sellado, situado verticalmente en el interior del tanque. Dentro del tubo, una pieza magnética o imán, suspendida por medio de una cinta o cable, sigue al
flotador en su movimiento y mediante el cable y un juego de poleas arrastra el índice de un instrumento situado en la parte superior del tanque. Además, este instrumento puede tener interruptores de alarma y transmisor incorporados. El flotador y el tubo de guía, que están en contacto con el fluido que se está midiendo, se producen en una gran variedad de materiales, tomando en cuenta condiciones de resistencia a la corrosión y para soportar altas presiones o vacío. En tanques pequeños, el flotador puede adaptarse para actuar
2.
INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN INDIRECTA
a)
APROBECHANDO LA PRESIÓN HIDROSTATICA
Estos instrumentos miden el nivel de un líquido aprovechando la presión hidrostática. Entre ellos, podemos mencionar el medidor manométrico, el medidor de tipo burbujeo y el medidor de presión diferencial.
1.- MEDIDOR MANOMETRICOS Consiste en un manómetro conectado directamente a la inferior del estanque. El manómetro mide la presión debida a la altura de líquido h que existe entre el nivel del estanque y el eje del instrumento. Así pues, el rango de medida del instrumento corresponderá a: 0 – (h · γ · g) h = altura de líquido en m
Utiliza la variación de presión hidrostática causada por la columna de líquido dentro del recipiente cuyo nivel se quiere medir, se instala una tubería vertical, el extremo abierto de la tubería se hace coincidir con el punto de nivel cero. El otro extremo de la tubería se conecta a una fuente de aire regulado y a un medidor de presión. Cuando se desea realizar la medición de nivel el aire de alimentación se ajusta de modo que la presión sea ligeramente superior a la presión ejercida por la columna del líquido. La presión indicada por el medidor es proporcional al nivel de líquido. El método de burbujeo es simple y da buen resultado, en particular, en el caso de líquidos muy corrosivos o con sólidos en suspensión y en emulsiones. No es recomendable su empleo cuando el fluido de purga perjudica al líquido, tampoco para fluidos altamente viscosos donde las burbujas formadas del aire o del gas de purga presentan el riesgo de no separarse rápidamente del tubo. Desde el punto de vista de su mantenimiento, es muy útil situar una T con un
MEDIDOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL O DE DIAFRAGMA Consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque. En un tanque abierto, esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico. Es decir, P = H · γ · g, P es la presión H la altura del líquido sobre el instrumento γ
la densidad
g la aceleración de la gravedad.
Sin embargo, en tanques cerrados presentan el inconveniente de la posible condensación de los vapores del tanque en el tubo de conexión al instrumento. Este inconveniente se elimina fácilmente con el resorte de supresión nombrado anteriormente. Hay que señalar que el material del diafragma debe ser el adecuado para resistir la corrosión del fluido.
Estos se emplean principalmente para regular el nivel en un punto o entre dos puntos sin ninguna medición intermedia. Entre ellos se encuentran: •
Medidor conductivo
•
Medidor capacitivo
•
Medidor ultrasónico
•
Medidor de radiación
•
Medidor de Láser
•
Medidor de Rayos Gamma.
MEDIDOR CONDUCTIVO
• Temperatura máxima: 1800°F (980°C) • Exactitud: 0.125" (3mm)
El liquido actúa como dieléctrico a medida que el liquido sube entre el espacio de las dos placas, se produce una variación de la capacitancia la cual es usada para dar una señal proporcional al nivel. La probeta debe estar aislada eléctricamente del tanque.
Ventajas: •
Requiere mínimo mantenimiento.
•
Trabaja con cualquier tipo de material (sólidos, líquidos)
•
Pueden ser utilizados para medición continua o de nivel de punto fijo.
•
Setpoint ajustable.
•
Resistente a la corrosión con la probeta adecuada.
•
Se ajusta a cualquier recipiente
Desventajas •
Susceptible al cambio de constante eléctrica del fluido.
•
Requieren calibración en campo.
•
Depósito de materiales conductivos, afecta la medición.
•
Los cambios de temperatura afectan la constante dieléctrica del material (aprox. 0.1% de aumento/°C)
MEDIDOR ULTRASONICO En estos se mide el tiempo empleado por el sonido en su trayectoria desde su emisor hasta su receptor. Tiene un emisor que proporciona breves impulsos sonicos con frecuencia del 20 kHz (no audible). Estos impulsos son reflejados por la superficie del material en el recipiente y llega de nuevo al emisor, que actúa ahora como receptor. Un convertidor electrónico proporciona el nivel.
En la medición con ultrasonido influye: • Temperatura 0.3% por °F • Cambios en los materiales y gases • Atmósferas estratificadas
MEDIDORES DE RADIACIÓN 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. Las paredes del tanque absorben parte de la radiación y al detector llega solo un pequeño porcentaje. El instrumento dispone de compensación de temperatura, delineación de la señal de salida, y de reajuste de la perdida de actividad de la fuente de radiación, siendo este ultimo de extrema
El tiempos transcurrido es directamente proporcional a la distancia del aparato emisor a la superficie del liquido a medir. Un microprocesador convierte este tiempo al valor de la distancia a la superficie del liquido, proporcionando de este modo la lectura del nivel. Características: •
Temperatura máxima de 300 °F (150 °C)
•
Posee una exactitud de 0,25” (6 mm)
•
No esta en contacto con variables
•
No tiene partes móviles
•
Puede medir nivel de metales fundidos
•
Alto costo
•
Es limitado en casos de localizar interfaces o trabajar con espumas y polvos.
•
Excelente para medición continúa de fluidos viscosos, partículas y
MEDIDORES DE NIVEL DE SOLIDÓ Con cierta frecuencia, es necesario medir el nivel de material sólido en cierto tipo de procesos. Entre estos se encuentran por ejemplo: nivel de "Chips" de madera en fábricas de papel, tanques de materia prima sólida para la dosificación, tanques de almacenamiento de jabón, tanques de almacenamiento de cal, silos, etc. Los elementos primarios que se usan para estos casos se pueden considerar como tipo de "punto fijo", o tipo "continuo".
MEDIDORES DE PUNTO FIJO: Los medidores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en uno o varios
MEDIDORES DE CONO SUSPENDIDO Consiste en un interruptor que se encuentra dentro de una caja a prueba de polvo, la misma que tiene una especie de collarín del cual se suspende el cono.
MEDIDORES DE VARILLA FLEXIBLE
MEDIDORES CONDUCTIVOS
MEDIDOR DE PALETA ROTATIVA Consiste en un eje vertical, dotado de paletas que gira continuamente a baja velocidad accionado por un motor sincrono.
Funcionamiento: 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 (por ejemplo, una alarma) y el segundo desconecta la alimentación eléctrica del motor con lo cual este queda bloqueado. Cuando el producto baja de nivel y deja las palas al descubierto, un resorte vuele el motor a su posición inicial liberando los dos
Datos técnicos: Rango de medición: variable depende de donde sea colocado el sensor, largo
MEDIDORES CONTINUOS Los medidores de nivel continuos proporcionan una medida continua de nivel de los sólidos desde el punto más bajo hasta el punto más alto. Entre los instrumentos empleados mas frecuentemente se encuentran el medidor de sondeo electromecánico o de peso móvil, medidor de nivel de bascula, medidor de nivel capacitivo, medidor de nivel de presión diferencial, medidor de nivel ultrasónico, medidor de nivel de radar microondas y medidor de nivel de radiación.
MEDIDOR DE NIVEL DE SONDEO ELECTROMECANICO O DE PESO MOVIL
•
Temperatura del material aproximadamente hasta 230°C
•
Presiones hasta 3bar absoluta
•
Rango de medición generalmente hasta 70 m
•
Precisión ±5 cm. o ±1 pulso
•
Salida del trasmisor 4-20mA
•
Motor eléctrico tres fases (poder de transmisión hasta 500N)
•
Puede emplearse en el control de nivel
•
Puede medir nivel de polvos, granos finos o gruesos, también líquidos e interfases
•
Debe ser muy robusto mecánicamente para evitar una posible rotura del conjunto dentro de la tolva, lo que podría dar lugar a la posible rotura de los mecanismos de vaciado
Mide el nivel de sólidos indirectamente a través del peso del tanque mas el del producto, como el peso del tanque es conocido, es fácil determinar el peso del producto y por tanto el nivel. El tanque se apoya a una plataforma de carga actuando sobre la palanca de la bascula o bien sobre otros elementos de medidas neumáticas, hidráulicas o eléctricas. Características: •
Alto costo
•
Puede trabajar en altas presiones y temperaturas.
•
Su presión depende del sensor utilizado, pudiendo variar de ±0,5 a ±1%
pequeños cambios, los interruptores utilizan un circuito de detección único que opera a un nivel de baja frecuencia (6KHz). Características: •
La medida esta limitada a materiales en forma granulada o polvos que sean buenos aislantes.
•
La presión máxima es de 50 bar.
•
La temperatura máxima es de 50 °C
•
El aparato debe calibrarse para cada tipo de material.
•
Su precisión es de ±15 mm aproximadamente.
•
Respuesta rápida.
•
Se emplean en la medida y el control continuo del nivel del lecho fluidizado.
MEDIDOR DE ULTRASONIDO
Un aparato emisor de ondas es adosado en las paredes del estanque de tal manera que la onda de ultrasonido produce la vibración de éste. Mediante un proceso de calibración se ajusta la frecuencia del aparato a la frecuencia natural del estanque cuando esta vació, con lo que se obtiene una amplitud de oscilación como se muestra en la figura. Una vez que el estanque se llena con líquido, sus características mecánicas han cambiado y por ende su frecuencia natural, en estas condiciones la amplitud de la vibración inducida por el aparato se ve amortiguada, pues ya no existe resonancia. Así el aparato envía una señal de ON/OFF indicando si el tanque esta vació o no.
2.- Eco (tiempo de retorno)
L= E-D La distancia B corresponde a la zona de bloqueo. Esta zona varía de acuerdo a las características del sensor propiamente y se debe a que existe un tiempo mínimo que se requiere desde el momento en que se genera el pulso de ultrasonido y hasta que el transductor está en condiciones de recibir el pulso reflejado. Esta zona está típicamente alrededor de los 0,3 a 0,8 m. Características: •
Es adecuado para la mayor parte de los sólidos con mucho polvo, alta humedad, humo y vibración.
•
Puede emplearse tanto en materiales opacos como transparentes.
•
Si la superficie del material no es nítida, el sistema es susceptible de dar señales erróneas.
MEDIDOR DE RADAR DE MICROONDAS El sistema esta formado por un modulo electrónico de micro – onda, una antena, y una unidad local o remota de indicación.
Funcionamiento: El sensor actúa como receptor y emisor de un pequeño pulso electromagnético, no continuo, que es reflejado por la superficie del contenido Se mide el “tiempo de vuelo” de dicha onda electromagnética, y se transforma
•
Excelente para mediciones continuas de líquidos, suspensión acuosa espesa, y polvos
•
La condensación o cristalización sobre la antena puede generar errores
Ventajas: Alta precisión Desventajas: Se necesita licencia por un representante de FCC, No puede medir nivel en interfases, Alto costo
Características: •
Utiliza un procedimiento de detención sin contacto con el material.
•
No sufre desgaste por los sólidos medidos.
•
Libre de mantenimiento.
•
Sensibilidad ajustable.
Consiste en una fuente radioactiva de rayos Gamma dispuesta al exterior y en la parte interna del tanque que emite una radiación a través del lecho solidó siendo captada por un detector exterior. El grado de radiación recibida depende del espesor del solidó que se encuentra entre la fuente y el receptor. La fuente radioactiva y el receptor pueden disponerse también en un plano horizontal en cuyo caso el aparato traduce como detector continuo todo-nada. Características: •
Puede trabajar a altas temperaturas hasta 130 °C.
•
Soporta presiones hasta de 130 bar.
•
No requiere de ninguna ventana o conexión a través del tanque.
•
Admite control neumático o electrónico.
•
Su presión es de 1%.
Instrumento
Campo de Medida Precisión
Sonda
Limitada
Presión Máx. bar
Temp. Max. (cº) Fluido
0.5mm
Atm.
60
Desventajas Manual, sin olas. Tanques
Cristal
-
-
150
200
abiertos Sin transmisión
Flotador
0 -10 m
+/-1-2 %
400
250
Posible Agarrotamiento
Manometrico
Alt. tanque
+/-1 %
Atm.
60
Burbujeo
Alt. tanque
+/-1 %
400
200
150
200
Posible Agarrotamiento
+/-0.15 a 0,5
0-25 m
+/-0,5 %
100
170
Expuesto a corrosión
Conductivo
Ilimitado
-
80
200
Liquido conductor
Capacitivo
0.6 m
+/-1 %
80-250
200-400
Ultrasónico
0-30m
+/-1 %
400
200
Radar
0-30m
+/-2,5 mm
-
-
Radiación
0-2,5 m
+/-0,5-2 %
-
150
Láser
0 – 2m
+/-0,5-2 %
-
1500
Láser
Tanques
Desventajas
Tipo
Punto Fijo Cont. Precisión
Tp. Máx(Cº)
US$ 179
Seguro Preciso Simple. Naturaleza
US$ 298 US$ 685 US$ 298
Econom.
Contaminación del Líquido
Desplazamiento
%
Econom .,preciso
Econom.
limpios Mantenimiento.
0.3m
Costos
Liquida.
Tanques Abiertos, fluidos
Presión Diferencial
Ventajas
US$ 348
Versátil. Interfase Liquido
US$ 1.400
Fácil limpieza, robusto, US $830 interfases Versátil US$ 1.216
Recubrimiento electrodoResistencia, Corrosión Sensible a densidad Sensible a la constante dieléctrica Fuente Radiactiva
Todo tipo de tanques y líquidos Líquidos con espuma
US$ 830
US$ 1800 US$ 6.200
Sin contacto líquido US$ 4.225 Sin contacto líquido US $6.225
Ventajas
Costos
No admite materiales Bajo Costo, Sensible a Diafragma
Si
Si
No
50 mm
60
Si
Si
Cono colgante
Si
Si
-
50 mm
60
-
No
Varilla Flexible
Si
No
-
25 mm
300
-
No
Conductivo
Si
Si
-
25 mm
300
-
Si
Paletas rotativas
Si
Si
-
25 mm
60
-
No
-
-
Si
+/- 1%
60
-
No
Báscula
-
-
-
+/-0.5- 1%
900
-
Si
Capacitivo
-
-
-
15 mm
150
-
Si
Sondeo Electromecánico
granulares de >80 mm.
variables de baja
Tanques a baja presión
densidad
Debe estar protegido
Bajo costo.
Si
Si
-
+/-0.5- 1%
150
-
Si
Radar
Si
Si
-
+/- 2 mm
150
-
Si
Radiación
-
-
-
+/-0.5- 1%
1300
-
Si
US$320.00
Relé retardo, solo nivel alto. Muy sensibles US$420.00 Conductividad de US$ 1.500. Tanques a presión materiales 0 Tanques abiertos o a baja Materiales diversos, a US$306.00 presión prueba de explosión Resistencia Mecánica Sencillos US$220.00 media Preciso y seguro, alta Costo elevado US $820.00 presión y Temp. Materiales aislantes, calibración individual, adherencias producto
Ultrasonido
US$320.00
Costo Medio
Bajo Costo
US$ 1.500
Materiales opacos y transparentes, a pruebaUS$ 1800
de explosión Productos muy viscosos US$ 1.800 Tanques sin apertura, Costo elevado, supervisión, productos corrosivos y US$ 3.800 seguridad calibración peligrosos, altas individual, varias fuentes. presiones y temperaturas Costo medio
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