5 MEDICIN DE NIVEL

Instrumentacin: Medicin de Nivel

MEDICIN DE NIVEL El nivel es una de las variables de proceso ms utilizadas en los procesos industriales, pero muy especialmente para el control de almacenamiento tanto de materias primas como de productos terminados, normalmente en la seleccin del tipo de instrumento de medicin de nivel se basa en la evaluacin de las especificaciones del equipo de medicin y de su capacidad de realizar las mediciones bajo las condiciones de operacin (medicin de nivel de slidos y/o fluidos) que permitan tener mayor control sobre el proceso y que requieran de la menor cantidad de modificaciones en el recipiente para su instalacin sin afectar su correcto funcionamiento. Antes de la aparicin en el mercado de los instrumentos de medicin de nivel basados en semiconductores, la mayora de los mtodos de medicin se basaban en principios mecnicos y neumticos. TIPOS DE SENSORES UTILIZADOS PARA LA MEDICIN DE NIVEL 1. FLOTADORES El dispositivo de medicin de nivel denominado flotador consiste en un cuerpo flotante montado sobre un brazo mvil y acoplado a un interruptor el cual puede ser accionado por un mecanismo mecnico o por seales elctricas, as como tambin puede ser conectado a un indicador de nivel colocado en la parte externa del tanque que permite realizar la medicin directa del nivel del fluido dentro de este. Comercialmente existe una gran variedad de estos instrumentos

utilizados en aplicaciones de nivel de lquido. Los ms comunes son los flotadores horizontales y los flotadores verticales. El diseo mostrado en la figura siguiente permite que el movimiento del flotador puede ser usado para operar un interruptor (switch) neumtico elctrico.

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Fig. 1. Medidores de medida directa de nivel (flotador).

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DESPLAZADORES La operacin del desplazador est basada en el principio de

Arqumedes, el cual establece que un cuerpo sumergido en un liquido ser empujado hacia arriba por una fuerza igual al peso del liquido que el desplaza, aunque existen desplazadores con diversas formas geomtricas, tales como cilndricos, esfricos, entre otros. El medidor, que aparece en la figura siguiente, se basa en el principio de Arqumedes y tiene el funcionamiento que se describe a continuacin.

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Fig. 2. Medidores de medida directa de nivel (desplazadores).

El desplazador est suspendido de un brazo conectado al sistema de torsin y su peso es superior al mximo empuje ascendente que puede recibir del lquido en el que se encuentra sumergido. El brazo de torsin est diseado para rotar una cantidad especfica por cada cambio en el empuje, siendo insensible a los cambios de presin en el recipiente. El grado de rotacin es una funcin lineal del grado de flotabilidad. El otro extremo del brazo de torsin se encuentra unido al sistema de transmisin de seal o control, el cual puede ser neumtico o electrnico. En algunos tipos de instrumentos el sistema neumtico puede realizar control directamente o bien ser utilizado como transmisor, para lo cual slo hay que colocar la banda proporcional en valor 100%. Teniendo en cuenta que el nivel se mide en valor porcentual, al colocar la banda proporcional (BP) en 100%, o lo que es igual, ganancia 1, la salida es igual a la entrada. Salida = Entrada * 100/ BP Por ltimo queda decir que este tipo de medidor se construye con diferentes acoplamientos al proceso, para facilitar el montaje sobre los recipientes, la figura siguiente muestra cuatro tipos diferentes de acoplamiento, conocidos como:

A: Parte superior Fondo. B: Parte superior - Lateral inferior. C: Lateral superior - Lateral inferior. D: Lateral superior Fondo.

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Fig. 3 Tipos de Acoplamientos para Desplazadores.

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CINTA Y PLOMADA.

Este sistema es parecido al de la sonda, solo que este se emplea cuando es difcil que la regla graduada tenga acceso al fondo del tanque.

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NIVEL DE CRISTAL. Consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloques

metlicos y cerrados por prensaestopas que estn unidos al tanque generalmente mediante tres vlvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo para impedir el escape del lquido en caso de rotura del cristal y una de purga. El nivel de cristal normal se emplea para presiones de hasta 7 bar. A presiones mas elevadas el cristal es grueso, de seccin rectangular y esta protegido por una armadura metlica. La lectura del nivel se efecta con un cristal a reflexin o por transparencia.

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MEDIDORES DE TIPO CAPACITIVO Medidor de nivel capacitivo; mide la capacidad del condensador

formado por el electrodo sumergido en el lquido y las paredes del estanque. La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del lquido, en fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la del lquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores. En fluidos conductores el electrodo est aislado usualmente con tefln interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del lquido y del gas. En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la del lquido, la del gas superior y de las conexiones superiores. En fluidos conductores con una conductividad mnima de 100_microhmios/c.c. el electrodo esta aislado usualmente con tefln interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del lquido y del gas.

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La precisin de los transductores de capacidad es de 1 %. Se caracterizan por no tener partes mviles, son ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosin y son de fcil limpieza. Su campo de medida es prcticamente ilimitado. Tiene el inconveniente de que la temperatura puede afectar las constantes dielctricas (0,1 % de aumento de la constante dielctrica / C) y de que los posibles contaminantes contenidos en el lquido puedan adherirse al electrodo variando su capacidad y falseando la lectura, en particular en el caso de lquidos conductores.

Fig. 5. Estructura Interna de un Medidor de Nivel de Tipo Capacitivo.

El circuito electrnico (puente de capacidades) alimenta el electrodo a una frecuencia elevada, lo cual disminuye la reactancia capacitiva del conjunto y permite aliviar en parte el inconveniente del posible recubrimiento del electrodo por el producto. Hay que sealar que en los fluidos conductores, los slidos o lquidos conductores que se encuentran en suspensin o emulsin, y las burbujas de aire o de vapor existentes, aumentan y disminuyen respectivamente la constante dielctrica del fluido

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dando lugar a un error mximo del 3% por cada tanto por ciento del desplazamiento volumtrico. La exactitud de los transductores de capacidad es de 1%. Se caracterizan por no tener partes mviles, son ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosin y son de fcil limpieza. Su campo de medida es prcticamente ilimitado y puede emplearse en la medida de nivel de interface.

Fig. 6. Diagrama simple de Funcionamiento de un Medidor de Nivel de Tipo Capacitivo.

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MEDIDORES DE TIPO ULTRASONICO Se basan en la emisin de un impulso ultrasnico a una superficie

reflectante y la recepcin del eco del mismo en un receptor. El retardo en la captacin del eco depende del nivel del tanque.

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Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20_kHz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexin el medio ambiente de gases o vapores que se reflejan en la superficie del slido o del lquido. Existen varias disposiciones de montaje de los detectores que se utilizan en los casos de alarmas o de indicacin continua de nivel. En las aplicaciones de alarma de nivel los sensores vibran a una frecuencia de resonancia determinada, que se amortigua cuando el lquido los moja. En las aplicaciones de indicacin continua de nivel, la fuente ultrasnica genera impulsos que son detectados por el receptor una vez ha transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de la onda a la superficie del slido o del lquido. Los medidores del tipo ultrasnico se usan tanto para medicin continua, como discreta de nivel, aunque generalmente su uso est dado en acciones de alarma. En todos los diseos, se genera una seal en frecuencia y la interrupcin o deteccin de la seal generada es la base para una accin de control (detectores discretos). En medicin continua, se mide el tiempo transcurrido entre la emisin de la seal y la recepcin de la reflejada. Principales ventajas de los medidores ultrasnicos: Son fciles de transportar. Su instalacin es rpida y sencilla. Se instalan en cualquier tipo de tubera. Son equipos de alta precisin, independientemente del perfil de velocidad, magnitud del flujo y temperatura del fluido. Son bidireccionales, capaces de medir el flujo en ambas direcciones. Son no-intrusivos, por lo que los transductores no deben estar en contacto con el flujo. La calibracin de campo generalmente no es necesaria. Su costo es casi independiente del tamao del conducto donde se instale.

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Adecuados para diversos lquidos y materiales granulados. La exactitud de estos instrumentos es de 1 a 3%. Son adecuados para todos tipos de tanques o de lquidos o fangos pudiendo construirse a prueba de explosin, presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar seales errneas cuando la superficie del nivel del lquido no es ntida como es el caso de un lquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos.

Fig. 7. Diagrama de Funcionamiento de un Medidor de Nivel de Tipo Ultrasnico.

Cuando se monta el sensor, se ajusta a una longitud de onda para q entre en resonancia respecto a la pared cuando el recipiente este vaco. El mismo procedimiento se lleva a cabo cuando el recipiente se llena y cubre de liquido el punto bajo de donde el instrumento est instalado. 7. MEDIDORES DE TIPO FOTOELCTRICO

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Los medidores fotoelctricos aparecieron en el mercado a partir de 1930, basados en una clula fotoelctrica que tiene la propiedad de generar una tensin elctrica cuando se halla bajo los efectos de la luz. Es famosa la clula de selenio. En estos aparatos, que no necesitan pila, la intensidad luminosa aparece en un voltmetro muy sensible. A partir de 1960 se emplearon medidores basados en resistencias fotoelctricas, que tienen la propiedad de variar su resistencia elctrica en funcin de la intensidad de la luz. Las pequeas variaciones se pueden ampliar mediante un circuito basado en transistores. 8. MEDIDORES DE RADIACIN Consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geiger que transforma la radiacin GAMMA recibida en una seal elctrica de corriente continua. Como la transmisin de los rayos es inversamente proporcional a la masa del lquido en el tanque, la radiacin captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del lquido ya que el material absorbe parte de la energa emitida. Los rayos emitidos por la fuente son parecidos a los rayos X, pero de longitud de onda ms corta. La fuente radiactiva pierde igualmente su radiactividad en funcin exponencial del tiempo. La vida media (es decir, el tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de su actividad) vara segn la fuente empleada. En el cobalto 60 es de 55 aos y en el cesio 137 es de 33 aos y en el americio 241 es de 458 aos. Los dispositivos radiactivos tambin pueden ser utilizados tanto para medicin discreta como continua de nivel. Se utilizan fundamentalmente cuando el material a ser medido es muy corrosivo, cuando las temperaturas en el punto de medicin durante el proceso son muy altas, o en general, cuando la situacin no permite la instalacin de elementos primarios dentro del recipiente de almacenamiento.

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En la aplicacin de medicin discreta o mejor dicho para detectar un determinado punto, la fuente radiactiva y su receptor, se montan a ambos lados del tanque al nivel deseado para la deteccin. Cuando el material se interpone entre el emisor y el receptor, se corta el suministro del material hacia el recipiente. En la aplicacin que requiere una medicin continua del nivel por este mismo mtodo, se utilizan varias fuentes radiactivas y uno o ms detectores.

Fig. 8. Medidores de Radiacin.

La exactitud en la medida es de 0.5 a 2%, y el instrumento puede emplearse para todo tipo de lquidos ya que no est en contacto con el proceso. El sistema se emplea en caso de medida de nivel en tanques de acceso difcil o peligroso, es ventajoso cuando existen presiones elevadas en el interior del tanque que impiden el empleo de otros sistemas de medicin. 9. PROBETAS DE CONDUCTIVIDAD

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Los controles por conductancia utilizan probetas y la conductividad del mismo liquido para detectar el nivel. Se utilizan controles de una sola probeta para accionar alarmas o desconexiones por bajo o alto nivel Controles multiprobeta para arrancar y parar equipos auxiliares a varios niveles los controles de modulacin neumtica, cuando se utilizan con vlvulas neumticas atendern el nivel del liquido en tanques o depsitos presurizados. Funcionan modulando la presin de aire que llega a la vlvula de control, mejoran la eficiencia del sistema ya que permiten ajustar el flujo de entrada o salida de acuerdo a la demanda por lo que mantienen control ms exacto, son particularmente apropiados para trabajar en lugares peligrosos puesto que no necesitan electricidad.

10. MEDIDOR LASER En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de nivel convencionales fallan, encuentra su aplicacin el medidor de lser (y tambin el de radiacin). Tal es el caso de la medicin de metal fundido, donde la medida de nivel debe realizarse sin contacto con el lquido y a la mayor distancia posible por existir unas condiciones de calor extremas El sistema consiste en un rayo lser enviado a travs de un tubo de acero y dirigido por reflexin en un espejo sobre la superficie del metal fundido. El aparato mide el tiempo que transcurre entre el impulso emitido y el impulso de retorno que es registrado en un fotodetector de alta resolucin, y este tiempo es directamente proporcional a la distancia del aparato emisor a la superficie del metal fundido. Un microprocesador convierte este tiempo

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al valor de la distancia a la superficie del metal en funcin, es decir, da la lectura del nivel. 11. INSTRUMENTO DE MEDICIN TIPO MICRO-ONDA (Radar) Es un sensor no intrusivo. El sistema esta formado por un modulo electrnico de micro onda, una antena, sensores adicionales (temperatura) y una unidad local o remota de indicacin. El principio de operacin est basado en el cambio de frecuencia de la seal de radar emitida hacia la superficie del lquido.

La seal reflectada por la superficie del lquido en el recipiente tiene una frecuencia diferente a la de la seal trasmitida la cual es proporcional a la distancia que existe entre el transmisor y la superficie del lquido. Es utilizado para mediciones de nivel del producto de hidrocarburo, asfalto, qumicos, gas natural licuado. Tambin se puede medir el nivel de slido. Una aplicacin muy comn en la medicin del nivel en tanque de techo fijo y flotante. La luz infrarroja emitida desde un diodo emisor de luz para a travs de un conducto de luz y es reflectado por sus extremos cnico si esta radiado de aire, vapor o gas. La luz reflectada es detectada por un foto transistor cuando el conducto de luz es sumergido en el lquido, la refraccin en el extremo cambia y la luz es dispersada en el lquido. De esta forma el fotorreceptor P no recibe luz producindose un cambio en la resistencia del circuito, lo cual es usada para dar una seal del nivel. Son capaces de operar en casi todos los lquidos. La medicin no es afectada por cambios en la viscosidad, densidad, conductividad o color, se utiliza en tanques de almacenamiento a baja presin, tanque de buques con petrleo, qumicos, gases licuados, tanques de combustibles, entre otros.

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Fig. 9 Medidores Tipo Micro Onda (Radar).

Fig. 10 Sensores de nivel tipo micro-ondas en tanques de techo fijo y techo flotante

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12. MEDIDOR CONDUCTIVO O RESISTIVO Consiste en uno o varios electrodos y un rel elctrico o electrnico que es excitado cuando el lquido moja a dichos electrodos. El lquido debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrnico, y de este modo el aparto puede discriminar la separacin entre el lquido y su vapor. La impedancia mnima es del orden de los 20_MW/cm, y la tensin de alimentacin es alterna para evitar fenmenos de oxidacin en las sondas por causa del fenmeno de la electrolisis.

Cuando el lquido moja los electrodos se cierra el circuito electrnico y circula una corriente segura en el orden de los 2_mA; el rel electrnico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola de nivel de lquido o ante cualquier perturbacin momentnea o bien en su lugar se disponen dos electrodos pocos separados enclavados elctricamente en el circuito. El instrumento es verstil, sin partes mviles, su campo es grande con la limitacin fsica de la longitud de los electrodos. La corriente debe ser baja para evitar la deterioracin del producto. Por otro lado, conviene que la sensibilidad del aparato sea ajustable para detectar la presencia de espuma en caso necesario.

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