Telemetria de Nivel

7/23/2019 Telemetria de Nivel

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Universidad de San Carlos de Guatemala

Facultad de Ingeniera

Escuela de Ingeniera Mecnica Elctrica

PROPUESTA PARA TELEMETRA DE NIVEL DE USO

INDUSTRIAL A TRAVS DE LA RED GPRS

Juan Luis Arreaga Coloma

Asesorado por el Ing. Marco Roberto Segura Rodas

Guatemala, mayo de 2013


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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERA

PROPUESTA PARA TELEMETRA DE NIVEL DE USO

INDUSTRIAL A TRAVS DE LA RED GPRS

TRABAJO DE GRADUACIN

PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA

FACULTAD DE INGENIERAPOR

JUAN LUIS ARREAGA COLOMA

ASESORADO POR EL ING. MARCO ROBERTO SEGURA RODAS

AL CONFERRSELE EL TTULO DE

INGENIERO ELECTRNICO

GUATEMALA, MAYO DE 2013


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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERA

NMINA DE JUNTA DIRECTIVA

DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos

VOCAL I Ing. Alfredo Enrique Beber Aceituno

VOCAL II Ing. Pedro Antonio Aguilar Polanco

VOCAL III Inga. Elvia Miriam Ruballos Samayoa

VOCAL IV Br. Walter Rafael Vliz Muoz

VOCAL V Br. Sergio Alejandro Donis Soto

SECRETARIO Ing. Hugo Humberto Rivera Prez

TRIBUNAL QUE PRACTIC EL EXAMEN GENERAL PRIVADO

DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos

EXAMINADOR Ing. Julio Csar Solares Peate

EXAMINADOR Ing. Byron Odilio Arrivillaga Mndez

EXAMINADORA Inga. Mara Magdalena Puente Romero

SECRETARIA Inga. Marcia Ivnne Vliz Vargas


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ACTO QUE DEDICO A:

Mis padres Ren Arreaga y Carolina Coloma, por su

amor, sacrificio y apoyo en todo momento y

orientarme en la vida para ser un profesional

con valores.

Mi esposa B e v e r l y C a m p o s e c o , p o r s u a m o r ,

comprensin y apoyo para ser mejor cada da.

Hermanos Roberto, Claudia y Juan Carlos Arreaga, por

ser los mejores compaeros de vida, por sus

consejos, regaos y palabras de aliento.

Cuados ngela Vil leda, Nathy Guzmn y CarlosTrujillo, por su apoyo y cario.

Mis abuelos Por su cario, consejos y apoyo incondicional.

Mis amigos Marlon Prez, Rubn Aaron Estrada, Jos

Carlos Villatoro, Jos Julio Pineda, Javier

Hernndez, Gio Velsquez, Carlos Morales,

Eva De Len, Andrea Melgar, Hctor Galeros,

Vicky Carrillo, Edgar Chaj, Eduardo Godnez,

Marco Martnez, Andres Grajeda, Erick Chipix

y muchos ms por su apoyo y por compartir

muchas experiencias en mi vida.


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AGRADECIMIENTOS A:

Dios Por ser la fuente de fortaleza y amor

incondicional.

Padres y hermanos Por ser un ejemplo a seguir y por el apoyo en

el transcurso de mi vida.

Mi esposa Por ser la fuente de inspiracin en mi vida.

Ing. Roberto Segura Por compartir sus conocimientos y hacer

posible este trabajo de graduacin.

Universidad de San Por ser la casa de estudios que me permiti

Carlos de Guatemala formarme como profesional.


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I

NDICE GENERAL

NDICE DE ILUSTRACIONES ......................................................................... VII

GLOSARIO ....................................................................................................... XI

RESUMEN .................................................................................................... XVII

OBJETIVOS ................................................................................................... XIX

INTRODUCCIN ............................................................................................ XXI

1. FUNDAMENTOS .................................................................................... 1

1.1. Antecedentes .......................................................................... 1

1.1.1. La medicin en la era primitiva ............................... 1

1.1.2. La medicin en la era cientfica ............................... 2

1.1.3. La medicin en la Revolucin Industrial .................. 2

1.2. Metrologa ............................................................................... 2

1.2.1. Concepto de metrologa .......................................... 31.2.2. Clasificacin de la metrologa ................................. 4

1.2.3. Relacin de la metrologa y la calidad ..................... 4

1.3. Guatemala y la metrologa ....................................................... 5

1.4. Telemetra ............................................................................... 7

1.4.1. Necesidad de la telemetra ..................................... 7

1.4.2. Elementos bsicos de un sistema de telemetra ..... 8

1.4.2.1. Estacin remota ............................... 11

1.4.2.2. Canal ............................................... 12

1.4.2.3. Estacin central de control ............... 12

2. PRINCIPIOS DE MEDICIN DE NIVEL ............................................... 13

2.1. Terminologa ......................................................................... 13

2.1.1. Alarma .................................................................. 14


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II

2.1.2. Indicaciones ......................................................... 14

2.1.3. Control .................................................................. 15

2.1.4. Sistemas de control .............................................. 15

2.2. Principios de medicin .......................................................... 17

2.2.1. Mtodos mecnicos .............................................. 18

2.2.2. Mtodos electromecnicos ................................... 19

2.2.3. Mtodos electrnicos ............................................ 19

2.3. Mtodos de medicin y deteccin de nivel ............................ 20

2.3.1. Deteccin de nivel ................................................ 21

2.3.1.1. Interruptor de flotador ...................... 21

2.3.1.2. Mtodo de paleta rotativa ................ 22

2.3.1.3. Detector tipo diafragma ................... 24

2.3.1.4. Mtodo de horquillas vibrantes ........ 25

2.3.1.5. Mtodo deteccin por

conductividad ................................... 26

2.3.1.6. Detector por quiebre de haz de

microondas ...................................... 28

2.3.1.7. Deteccin radiomtrica .................... 29

2.3.2. Medicin de nivel .................................................. 32

2.3.2.1. Medidores manomtricos y de

presin diferencial ........................... 32

2.3.2.2. Mtodo por burbujeo........................ 35

2.3.2.3. Mtodo por desplazamiento ............. 36

2.3.2.4. Medicin por plomada ..................... 38

2.3.2.5. Mtodo por pesaje ........................... 40

2.3.2.6. Mtodo por capacidad ..................... 41

2.3.2.7. Medicin de nivel por ultrasonidos

(tiempo de retorno de seal) ............ 43

2.3.2.8. Medicin por microondas ................. 45


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III

2.3.2.9. Medicin radiomtrica ...................... 46

3. SISTEMA GPRS................................................................................... 49

3.1. Concepto ............................................................................... 49

3.1.1. Razn para comunicar equipos............................. 49

3.1.2. Necesidades de la comunicacin inalmbrica ....... 50

3.2. Descripcin bsica GSM ....................................................... 51

3.2.1. Arquitectura de la red GSM ................................... 51

3.3. Sistema GPRS ...................................................................... 53

3.3.1. Descripcin general del sistema GPRS ................ 53

3.3.2. Arquitectura de la red GPRS ................................. 55

3.3.2.1. Estacin mvil GPRS ....................... 58

3.3.2.2. BSS en GPRS.................................. 59

3.3.2.3. Nodo de soporte del servicio

GPRS (SGSN, Serving GPRS

Support Node).................................. 60

3.3.2.4. Nodo del soporte del portal

GPRS (GGSN, Gateway GPRS

Support Node).................................. 61

3.3.2.5. Otros elementos de la red GPRS ..... 61

3.3.3. La arquitectura del protocolo GPRS ...................... 62

3.3.3.1. La capa fsica ................................... 63

3.3.3.2. RLC (Radio Link Control Layer) /

MAC (Medium Access Control) ........ 65

3.3.3.3. El LLC (Logical Link Control)............ 66

3.3.3.4. SNDCP (Sub-Network-Dependent

Convergence Protocol) .................... 66

3.3.3.5. BSSGP (Base Station Sub-

System GPRS Protocol) ................... 67

3.3.3.6. GTP (GPRS Tunnelling Protocol) ..... 67


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IV

3.3.4. PDP (Packet Data Protocol) ................................. 68

3.3.5. Codificacin de canales ........................................ 69

3.3.6. Seguridad ............................................................. 69

3.4. Internet sobre el sistema GPRS ............................................ 70

3.4.1. Protocolo TCP ...................................................... 71

3.4.2. Protocolo UDP ...................................................... 72

3.4.3. Protocolo IP .......................................................... 73

4. SISTEMA DE TELEMETRA DE NIVEL ............................................... 75

4.1. Criterios del sistema de telemetra ........................................ 76

4.1.1. Requerimientos del producto ................................ 76

4.1.2. Datos del producto ............................................... 76

4.1.3. Variables del producto .......................................... 77

4.1.4. Datos del proceso................................................. 77

4.1.5. Modo de operacin ............................................... 77

4.2. Elementos del sistema de telemetra de nivel ....................... 78

4.2.1. Estacin remota ................................................... 80

4.2.1.1.

Sensor de nivel y acondicionadorde seal ........................................... 80

4.2.1.2. CPU, ADC, comunicacin serial y

memoria .......................................... 82

4.2.1.3. Modem GPRS ................................. 84

4.2.2. Estacin de control ............................................... 86

4.3. Funcionamiento general del sistema de telemetra de nivel .. 86

5. ANLISIS DE SISTEMAS DE TELEMETRA DE NIVEL A TRAVS

DE GPRS ............................................................................................. 89

5.1. Caso prctico 1: telemetra de nivel para depsitos

presurizados con gases licuados .......................................... 89

5.1.1. Descripcin ........................................................... 89

5.1.2. Propuesta del sistema de telemetra..................... 90


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V

5.1.2.1. Criterios para elegir el mtodo de

medicin de nivel y canal de

comunicacin ................................... 91

5.1.2.2. Equipo empleado ............................. 96

5.1.2.3. Diagrama de flujo de proceso .......... 98

5.1.2.4. Parmetros bsicos del sistema

de telemetra de nivel ..................... 102

5.1.3. Relacin costo/beneficio ..................................... 104

5.1.4. Ventajas y desventajas ....................................... 108

5.2. Caso prctico 2: telemetra de nivel para depsitos deslidos en polvo ................................................................... 109

5.2.1. Descripcin ......................................................... 110

5.2.2. Propuesta del sistema de telemetra ................... 110

5.2.2.1. Criterios para elegir el mtodo de

medicin de nivel y el canal de

comunicacin ................................. 111

5.2.2.2.

Equipo empleado ........................... 115

5.2.2.3. Diagrama de flujo de proceso ........ 117

5.2.2.4. Parmetros bsicos del sistema

de telemetra de nivel ..................... 121

5.2.3. Relacin costo/beneficio ..................................... 123

5.2.4. Ventajas y desventajas ....................................... 127

CONCLUSIONES ........................................................................................... 129

RECOMENDACIONES ................................................................................... 131

BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 133


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VI


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VII

NDICE DE ILUSTRACIONES

FIGURAS

1. Estructura del Centro Nacional de Metrologa ....................................... 6

2. Estructura general de un sistema de telemetra .................................... 9

3. Partes principales de un sistema de telemetra ................................... 11

4. Diagrama de un sistema de control en lazo cerrado............................ 17

5. Interruptor de flotador .......................................................................... 22

6. Interruptores de paleta rotativa............................................................ 23

7. Detector tipo diafragma ....................................................................... 24

8. Horquilla vibrante y la instalacin en un depsito ................................ 25

9. Detector de nivel por conductividad utilizando 2 sondas ..................... 27

10. Deteccin por quiebre de haz de microondas ..................................... 29

11. Deteccin radiomtrica ....................................................................... 3112. Medicin de presin hidrosttica ......................................................... 33

13. Medicin de presin diferencial ........................................................... 34

14. Medicin por burbujeo ......................................................................... 35

15. Servodispositivo de nivel utilizado para el mtodo por

desplazamiento ................................................................................... 37

16. Ejemplo de silopilotscomo mtodo de medicin por plomada ............ 40

17. Mtodo de medicin por pesaje .......................................................... 41

18. Instalacin de sonda o sensor para el mtodo de medicin por

capacidad ........................................................................................... 42

19. Mtodo de medicin de nivel por ultrasonido ...................................... 44

20. Medicin de nivel por microondas en lquidos ..................................... 45

21. Medicin radiomtrica ......................................................................... 47


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VIII

22. Componentes bsicos de una red GSM ............................................. 52

23. Arquitectura bsica de la red GPRS ................................................... 56

24. Transferencia de datos a travs de GPRS .......................................... 58

25. Plano de transmisin .......................................................................... 63

26. Flujo de datos en la transmisin y recepcin ...................................... 68

27. Encabezado TCP ................................................................................ 71

28. Encabezado UDP ............................................................................... 73

29. Encabezado del protocolo de internet (IP) .......................................... 74

30. Diagrama de bloques de una estacin remota .................................... 80

31. Sensor de presin diferencial.............................................................. 8132. Microcontrolador PIC 18F4550 ........................................................... 84

33. Modem GPRS .................................................................................... 85

34. Diagrama de bloques de una estacin de control ............................... 86

35. Diagrama del funcionamiento de un sistema de telemetra ................. 88

36. Instalacin sugerida para sensor Endress+Hauser Delta S

PMDA75 ............................................................................................. 97

37. Sistema de telemetra de nivel para depsitos presurizados congases licuados .................................................................................... 99

38. Diagrama de flujo del proceso de telemetra de nivel, estacin

remota, caso 1 .................................................................................. 100

39. Diagrama de flujo del proceso de telemetra de nivel, estacin de

control, caso 1 .................................................................................. 101

40. Grfico comparativo de costos, caso 1 ............................................. 107

41. Diagrama de instalacin sugerida para sensor Endress+Hauser

Soliphant M FTM51 .......................................................................... 116

42. Sistema de telemetra de nivel para depsitos de slidos en

polvo ................................................................................................. 118

43. Diagrama de flujo del proceso de telemetra de nivel, estacin

remota, caso 2 .................................................................................. 119


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IX

44. Diagrama de flujo del proceso de telemetra de nivel, estacin de

control, caso 2 ................................................................................. 120

45. Grfica comparativa de costos, caso 2............................................ 126

TABLAS

I. Seleccin de mtodo de medicin y seleccin para telemetra de

nivel ................................................................................................. 79

II. Resumen caractersticas microcontrolador PIC................................. 83

III. Resumen caractersticas Modem GPRS ........................................... 85IV. Datos del producto del proceso, caso 1 ............................................ 91

V. Seleccin de opciones de mtodo de medicin, caso 1 .................... 94

VI. Seleccin por modo de operacin, caso 1 ......................................... 95

VII. Costo de operacin anual actual, caso 1......................................... 105

VIII. Costo de inversin inicial, caso prctico 1 ....................................... 105

IX. Costo de operacin anual con sistema de telemetra implementado,

caso 1 ............................................................................................. 106X. Datos del producto del proceso, caso 2 .......................................... 112

XI. Seleccin por variables del producto, caso 2 .................................. 113

XII. Seleccin por modo de operacin, caso 2 ....................................... 114

XIII. Costo de operacin anual actual, caso 2......................................... 124

XIV. Costo de inversin inicial, caso 2 .................................................... 124

XV. Costo de operacin anual con sistema de telemetra implementado,

caso 2 ............................................................................................. 125


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X


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XI

GLOSARIO

Actuadores Dispositivo electromecnico que realiza algn

movimiento debido a una seal elctrica.

ADC Convertidor Anlogo Digital, por sus siglas en ingls.

Es el encargado de convertir seales elctricas en su

representacin binaria (1s y 0s) para que lo pueda

almacenar e interpretar una computadora.

BG Border Gatewayo Portal de Frontera.

BSC Base Station Controller o Controlador de la Estacin

Base.

BSS Base Station Subsystemo Subsistema de la Estacin

Base.

BTS Base Transceiver Station o Estacin Base

Transceptora.

CPU Unidad central de proceso, por sus siglas en ingls. Es

el cerebro en los dispositivos electrnicos, tiene a su

cargo realizar todas las tareas asignadas.

Datos Conjunto de smbolos o seales elctricas, pticas,

sonoras, que asociados contienen informacin.


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XII

Dielctrico Material que no conduce electricidad, y puede ser

utilizado como aislante.

Electromecnico Dispositivo mecnico que se acciona por impulsos

elctricos.

Electrnico Dispositivo que se acciona por impulsos elctricos, no

cuenta con partes mecnicas que puedan causar

friccin.

Frecuencia Es la magnitud que representa el nmero de

repeticiones de algn evento en un segundo. Su

unidad es Hertz (Hz).

GGSN Gateway GPRS Support Nodeo Nodo de Soporte del

Portal GPRS.

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying o Modulacin por

Desplazamiento Mnimo Gausiano.

GPRS General Packet Radio Service o Servicio General de

Paquetes por Radio.

GSM Global System for Mobile o Sistema Global para

Mviles.

IMSI International Mobile Subscriber Identity o Identidad

Internacional del Suscriptor a un Mvil.


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XIII

Inalmbrico Sistema de comunicacin que utiliza el aire para

transmitir informacin. No utiliza cables conductores.

Internet Es una gran red internacional de ordenadores, que

permite compartir recursos e informacin.

Inversin Adquisicin de bienes para obtener beneficios a lo

largo del tiempo.

IP Internet Protocolo Protocolo de Internet.

Itinerancia (roaming) Es la capacidad del suscriptor de utilizar un dispositivo

mvil fuera del servicio local, como por ejemplo otro

pas.

Mecnico Dispositivo que se accionan por mecanismos en el que

existe friccin de las partes que lo compone.

Medicin Es determinar la magnitud de una variable en relacin

con un patrn preestablecido.

Meteorologa Derivada de la raz meteoron = alto en el cielo, y

logos = conocimiento o tratado. Es la ciencia que

estudia el estado del tiempo y todos los fenmenos

atmosfricos.

Microonda Frecuencia del espectro electromagntico entre el

rango de 1 GHz y 300 GHz.


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XIV

MSC Mobile Switching Centre o Centro de Conmutacin

Mvil.

Nivel Es una magnitud que indica la cantidad de material en

relacin a la altura dentro de algn depsito.

NSS Network Switching Subsystem o Subsistema de

Conmutacin de la Red.

PLMN Public Land Mobile Network o Red Pblica MvilTerrestre.

PSTN Public Switched Telephone Network o Red de

Telefona Pblica Conmutada.

Sensor Es un dispositivo capaz de convertir magnitudes

fsicas como temperatura, nivel, presin, entre otras, ytransformarla en una seal elctrica.

SGSN Serving GPRS Support Node o Nodo de Soporte del

Servicio GPRS.

Silo Es un depsito seco en forma de cilindros,

subterrneos o en la superficie, donde se almacenan

materiales.

SMS Short Message Service o Servicio de Mensajes

Cortos.


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XV

Radiacin Propagacin o expulsin de energa en forma de

ondas electromagnticas o partculas subatmicas.

Radiometra Ciencia que estudia la radiacin electromagntica.

Rayo alfa Es un rayo producido por una partcula subatmica de

un elemento radiactivo en desintegracin, incapaz de

penetrar la mayora de la materia.

Rayo beta Es un rayo producido por una partcula subatmica deun elemento radiactivo en desintegracin, capaz de

penetrar pocos centmetros de la materia.

Rayo gamma Es un rayo electromagntico producido por un

elemento radiactivo en desintegracin, capaz de

penetrar y atravesar una gran variedad de materia.

Resonancia Es el momento de mxima amplitud de oscilacin de

un elemento.

RS-232 Protocolo de comunicacin serial para la transmisin

de datos entre 2 equipos.

Suscriptor Persona que paga por tener un servicio, como un

usuario de telefona celular.

TCP Transport Control Protocol o Protocolo de Control de

Transporte.


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XVI

Telemetra Derivada de la raz tele = remoto, y metro = medida,

es un sistema de medida de magnitudes fsicas en

lugares lejanos o de difcil acceso, para luego

transmitirla hacia un observador lejano.

UDP User Datagram Protocolo Protocolo de Datagrama de

Usuario.


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XVII

RESUMEN

En el presente trabajo de investigacin, se realiza una propuesta para la

telemetra de nivel de uso industrial, utilizando como medio de comunicacin la

red celular GPRS.

El captulo I, presenta cmo el ser humano compara con base a patrones

de medicin desde la era primitiva hasta la revolucin industrial, desde la

comparacin de tamaos y formas entre un objeto y otro hasta la creacin de

patrones normalizados para que todo el mundo utilice la misma referencia de

medicin. La metrologa es la ciencia que estudia los sistemas de medidas y

peso as como la creacin de dichos patrones de medicin, juega un papel

importante en las actividades comerciales e industriales. La telemetra no es

ms que la medicin en lugares remotos, donde en algunas ocasiones el

acceso es un problema de alto riego, inhabitable para el ser humano o lejano.

En el captulo II, se presenta los principios de la medicin de nivel,

teniendo una variedad de tcnicas como los mtodos mecnicos,

electromecnicos y electrnicos. Segn los requerimientos de una aplicacin se

puede determinar el nivel utilizando un mtodo de medicin o un mtodo de

deteccin. Si se utiliza un mtodo de medicin se puede conocer en todo

momento el nivel del producto deseado dentro de un depsito, si se utiliza un

mtodo de deteccin solamente, se conoce puntualmente si est vaco, lleno o

a la mitad de producto en el depsito.


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XVIII

En el captulo III, se comprende que la comunicacin en una sociedad es

muy importante, porque se est informado de acontecimientos de inters. Estar

informados en todo momento y en cualquier lugar es ahora una necesidad, por

lo que se crea la red celular GSM, con la cual se transferir audio por medio de

llamadas en cualquier lugar donde se encuentre. La necesidad de transferir

informacin digital inalmbricamente, tambin crece por lo que se crea la red

celular GPRS, que utiliza la infraestructura de la red GSM para transferir datos

as como internet.

El captulo IV, presenta una propuesta de un sistema de telemetra denivel, este sistema utiliza criterios generales que permiten seleccionar el mejor

mtodo de medicin o deteccin de nivel acorde al material a medir, esta

informacin es extrada en una estacin remota. El sistema tambin permite

elegir el mejor medio de comunicacin para trasladar la informacin hacia una

estacin de control. Este captulo tambin presenta los componentes bsicos

que se encuentran en una estacin remota y en una estacin de control.

El captulo V, presenta un anlisis de dos casos de sistemas de telemetra

de nivel, utilizando la red GPRS como medio de comunicacin. Se analiza el

criterio para seleccionar un mtodo de medicin o deteccin de nivel

dependiendo del material y las caractersticas del sistema de telemetra

deseado para cada caso. Se presenta un diagrama de flujo as como la relacin

costo/beneficio, ventajas y desventajas.


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XIX

OBJETIVOS

General

Presentar una propuesta de un sistema de telemetra para la medicin de

nivel en la industria a travs de la red GPRS, segn el producto y

caractersticas del entorno que rodean dicho proceso industrial, como pueden

ser materiales slidos, lquidos o gaseosos de materias primas en depsitos

que se encuentran muy distantes del lugar de produccin o manipulacin.

Especficos

1. Definir los principios bsicos para la medicin de nivel en depsitos

sellados de gases refrigerados y slidos.

2. Establecer los diferentes mtodos deteccin de nivel y medicin de nivel

en depsitos que definen el modo de operacin de un sistema de

telemetra.

3. Determinar la adecuada eleccin entre un mtodo de medicin de nivel y

un mtodo de deteccin de nivel segn los requerimientos del proceso.

4. Establecer la relacin costo/beneficio que se obtiene al momento de

implementar un sistema de telemetra de nivel a travs de GPRS.

5. Definir las ventajas y desventajas que tienen los sistemas de telemetra

utilizando las redes mviles existentes como GPRS.


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XX


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XXI

INTRODUCCIN

La necesidad de medir en todo momento la cantidad de material que es

utilizado en procesos industriales tiene un papel importante para controlar

inventarios, mezcla de materiales, incrementar niveles de produccin, etc., esta

necesidad de medir ha permitido la extensa utilizacin de diferentes sensores

para diferentes materiales como slidos, lquidos o gaseosos.

Existen varios mtodos para medir nivel dentro de los depsitos, que

pueden estar definidos por sus dimensiones as como las caractersticas de los

materiales contenidos, como slidos, lquidos y gaseosos. Para seleccionar un

medidor de nivel tambin lo limitan los requerimientos del proceso industrial,

como presin y temperatura. Cuando el proceso industrial requiere activar

alarmas de vaciado o llenado, se utilizan los mtodos de deteccin de nivel. En

cambio, cuando el proceso industrial requiere conocer en todo momento el niveldel material, se utilizan mtodos de medicin de nivel de forma continua.

Cuando la medicin o deteccin de nivel se realiza a largas distancias, su

acceso es ilimitado o peligroso para el personal operativo, se puede recurrir a la

telemetra. La telemetra se deriva de la raz griega tele = remoto, y metro =

medida, esta es una tecnologa que permite capturar informacin en lugares

remotos y trasladarlos a una central de control para un anlisis en tiempo real.


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XXII

Parte de la telemetra consiste en la eleccin adecuada de un canal de

comunicacin, que debe proveer un medio confiable y continuo para transmitir

informacin. Las redes GPRS proveen un canal para transmitir informacin a

travs de las redes celulares GSM, permitiendo aprovechar toda la

infraestructura de esta extensa red inalmbrica instalada utilizada hoy en da.


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1

1. FUNDAMENTOS

1.1. Antecedentes

El hombre ha tenido la necesidad de conocer la cantidad de las cosas, lo

cual lo ha llevado a realizar mediciones, que su definicin es la determinacin

de las dimensiones de cualquier cosa, la cual se ha desarrollado segn las

necesidades del ser humano, su crecimiento y evolucin.

1.1.1. La medicin en la era primitiva

Desde sus orgenes el hombre manifest un instinto natural hacia realizar

mediciones subjetivas, es decir, le resultaba fcil distinguir entre dos cantidades

como poco y mucho. Este mismo instinto, desarrollado en menor grado es

propio de los animales.

El ser humano mide en cada momento, por ejemplo: al comparar el mismo

sabor de bebidas gaseosas de diferentes marcas, al comparar la calidad de tela

de diferente ropa. Comparar no es otra cosa que realizar una medicin, como lo

menciona Protgoras: El hombre es la medida de todas las cosas 1.

El hombre se estableci en comunidades, sus mediciones pasaron de lo

subjetivo a lo objetivo, ya que le fue indispensable realizar trueques, que a su

vez, lo oblig a crear objetos de referencia e instrumentos de medicin cada vez

ms universales como el calendario, las balanzas y muchos otros ms.

________

1. Digenes Laercio: Vidas, opiniones y sentencias de los filsofos ms ilustres, IX, 50-56p


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2

1.1.2. La medicin en la era cientfica

No fue hasta Galileo que las mediciones dejaron de ser slo subjetivas

para serlo objetivas y cientficas. En Francia, a fin de unificar criterios

metrolgicos se renen Borda, Laplace y Lagrange quienes proponen el metro

como la diezmillonsima parte del meridiano terrestre, esto sirvi de base para

un sistema decimal internacional de unidades. En 1796 se deposita en los

archivos de Pars el primer metro patrn de platino. En 1837, se establece en

Francia el Sistema Mtrico Decimal como obligatorio. Posteriormente se crea el

Bur Internacional de Pesas y Medidas.

1.1.3. La medicin en la Revolucin Industrial

Con la revolucin industrial surge la necesidad de controlar los procesos

de fabricacin, lo que implica efectuar mediciones durante los mismos, ya que

no se puede controlar ni mejorar lo que no se mide.

Por otra parte las investigaciones y el comercio requieren tambin soportar

sus criterios en sistemas de medicin, adems de un vocabulario comn para

facilitar su desempeo. Como respuesta a todas estas necesidades, se

desarrolla una metrologa como hoy se conoce.

1.2. Metrologa

Aunque no es muy conocida, est en contacto diario, desde actividades

comunes y corrientes a las cuales no se les presta atencin como el consumo

de energa elctrica, agua potable y combustible, hasta aquellas de gran

importancia que pueden afectar la vida, la salud y el ambiente, por ejemplo, la

medicin de la presin arterial y la temperatura del cuerpo.


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1.2.1. Concepto de metrologa

La metrologa deriva del griego metro que significa medida y sofos que

significa tratado, por lo que su interpretacin es tratado de medidas. En

trminos generales es definida como la ciencia y tcnica que tiene por objeto el

estudio de los sistemas de pesos y medidas as como la determinacin de las

magnitudes fsicas utilizadas para dicha medicin, juega un papel fundamental

en las actividades comerciales e industriales que el hombre desarrolla. Le

permite tener un mejor conocimiento de su entorno para adecuarlo a sus

necesidades. Se puede afirmar que en la medida que se mejore las mediciones,se mejorar el conocimiento de la realidad.

Histricamente esta disciplina ha pasado por varias etapas; inicialmente el

objeto de su estudio fue el anlisis de los sistemas de pesos y medidas

antiguos, cuyo conocimiento se observa necesario para la correcta comprensin

de los textos antiguos.

A mediados del siglo XVI el inters por la determinacin de la medida del

globo terrestre pusieron de manifiesto la necesidad de un sistema de pesos y

medidas universal, proceso que se vio agudizado durante la revolucin

industrial culminando con la creacin de la Oficina Internacional de Pesos y

Medidas y la construccin de patrones para el metro y el kilogramo en 1872.

Establecidos ya patrones de las unidades de medida fundamentales por la

oficina mencionada, la metrologa se ocupa hoy da, sin olvidar su vertiente

histrica, del proceso de medicin en s, es decir, del estudio de los procesos

de medicin, incluyendo los instrumentos empleados, as como de su

calibracin peridica; todo ello con el propsito de servir a los fines tanto

industriales como de investigacin cientfica.


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1.2.2. Clasificacin de la metrologa

La metrologa segn su campo de aplicacin se divide en: metrologa

cientfica, metrologa industrial y metrologa legal. Cada una de estas ramas

tiene una funcin especial de apoyo a los diferentes sectores de la sociedad.

Metrologa legal, es la rama de la metrologa que se encarga de la

normalizacin de las mediciones y de la coordinacin de los sistemas

metrolgicos y sus lineamientos, a fin de respaldar los intercambios

comerciales que la entidad necesite.

Metrologa cientfica, es la rama responsable del mantenimiento de los

patrones primarios, del diseo y reproduccin de los sistemas primarios,

as como del respaldo en las investigaciones y desarrollos de la ciencia.

Metrologa industrial, es aquella que se relaciona con la industria y el

comercio. Esta persigue promover la competitividad a travs de lapermanente mejora de las mediciones que inciden en la calidad del

producto. Soporta las actividades de produccin de la industria en general.

1.2.3. Relacin de la metrologa y la calidad

En la actualidad los sistemas de calidad en la industria son tema

fundamental para la supervivencia de la misma. La globalizacin y la integracin

de economas por bloques, obliga a las empresas a ser ms competitivas y a

que sus productos cumplan con los estndares internacionales, los cuales son

elaborados bajo un sistema de calidad como el ISO 9000.


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Estas normativas ponen de manifiesto el controlar el equipo de medicin

controlar los equipos de inspeccin medicin y prueba de tal forma que la

incertidumbre de la medicin sea conocida y consistente con la capacidad de

medicin.

1.3. Guatemala y la metrologa

Tanto los consumidores como los empresarios necesitan tener certeza del

contenido exacto del producto adquirido como del comercializado. La

globalizacin de los mercados, hace necesario que las unidades de medidasean uniformes en todos los pases, para que exista un solo lenguaje en lo que

a mediciones se refiere, por ejemplo, si se adquiere un litro de cualquier

producto, este debe contener la misma cantidad en Guatemala, Alemania,

Japn o en cualquier otro pas.

El Centro Nacional de Metrologa fue establecido por el Acuerdo

Gubernativo 57-2003 el 7 de marzo del 2003, que modifica el Artculo 11 delAcuerdo Gubernativo 182-2000 del 12 de mayo de 2000, como una unidad de la

Direccin del Sistema Nacional de Calidad, conformado por el Laboratorio

Nacional de Metrologa y la Unidad de Inspeccin y Verificacin en materia de

metrologa legal. El Centro Nacional de Metrologa es miembro del SIM

(Sistema Interamericano de Metrologa), donde participan los Institutos

Nacionales de Metrologa de los pases miembros de la Organizacin de

Estados Americanos (OEA).

El Centro de Metrologa es el encargado de dirigir y organizar el proceso

de metrologa en el pas. El Laboratorio Nacional de Metrologa acta como

organismo oficial responsable de conservar, controlar y supervisar los patrones

nacionales de las unidades de medida legales.


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La Unidad de Inspeccin y Verificacin en materia de Metrologa Legal,

ser la encargada de regular, en coordinacin con la entidad oficial que

corresponda, lo relacionado con los instrumentos de medicin y mtodos de

medicin que respalden la salud pblica, el ambiente, la seguridad e higiene

industrial.

El Laboratorio Nacional de Metrologa se encuentra ubicado en el interior

de la Direccin General de Energa del Ministerio de Energa y Minas, 24 calle

21-12, zona 12. Inici la prestacin de servicios el 16 de agosto del 2001 en las

magnitudes masa gruesa, masa fina y termometra.

Figura 1. Estructura del centro Nacional de Metrologa

Fuente: www.mineco.gob.gt. Consulta: agosto de 2011.

El Centro Nacional de Metrologa por medio del Laboratorio Nacional de

Metrologa, debe participar constantemente en la intercomparacin de patrones,

por ejemplo el de masa y temperatura, con los centros de metrologa de los

pases de la regin.


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1.4. Telemetra

Es un conjunto de procedimientos para medir magnitudes fsicas y

qumicas desde una posicin distante al lugar donde se producen los

fenmenos, ms aun cuando existen limitaciones de acceso y es necesario

trasladarlas a otro punto para su posterior proceso.

1.4.1. Necesidad de la telemetra

Una de las principales aplicaciones de la telemetra es la meteorologa.Los equipos instalados en sondas y globos meteorolgicos permiten obtener

medidas de las capas altas de la atmsfera y realizar mapas que ayudan a

predecir el clima.

En las ciencias de la salud, y la medicina en particular, la telemetra ha

tomado mayor auge porque la medicin o registro de procesos y eventos

electrocardiogrficos es a distancia. Estos registros se recogen en un ordenadorcentral ubicado en el control de enfermera que refleja continuamente el ECG

(electrocardiograma) de todos los pacientes conectados a l mediante unos

radiotransmisores inalmbricos que funcionan con bateras recargables para

tener una mayor movilidad.

Otras de las aplicaciones estn en las industrias del petrleo y gas con la

supervisin de gaseoductos y oleoductos, monitoreo y control remoto de

transmisin de productos por redes de tuberas y tambin en los sistemas de

distribucin de agua las cuales pueden llegar a tener varios kilmetros de

tubera.


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La telemetra en la minera y manufactura es muy importante porque hay

casos en los que se debe medir parmetros como nivel en slidos y lquidos, la

temperatura y presin en lugares inaccesibles para el operador, y estos son

crticos para el proceso industrial.

Es por esto que la telemetra ha comenzado a tener una auge ante la

necesidad del hombre de conocer en todo momento y en cualquier lugar

informacin de su inters, que a su vez es importante para el proceso de

produccin industrial, as como control automtico ante situaciones crticas para

proteger a su personal y para mantener a los equipos funcionando de maneracontinua.

Es importante recordar que el principal propsito de la telemetra es de

recolectar informacin en lugares remotos o peligrosos para el ser humano y

deben ser transmitidas a un lugar donde pueden ser evaluadas y almacenadas,

pero muy importante es el anlisis del sistema a implementar, dado que las

condiciones y las necesidades cambian para diferentes procesos industriales.

1.4.2. Elementos bsicos de un sistema de telemetra

La figura 2 muestra la estructura general de un sistema de telemetra,

aunque existen algunas variantes al momento de disear un sistema de este

tipo, no difieren ms all del mtodo para capturar seales de los sensores, los

diferentes mtodos para transmitir la informacin, as como la forma de recibir y

analizar la informacin.


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Figura 2. Estructura general de un sistema de telemetra

Fuente: Telemetry System Engineering.


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La figura 2 est compuesta por 3 bloques principales, el bloque (a) es

donde se realiza la captura de la informacin, se empaqueta y transmite. En

este bloque se analizan todas las seales que se necesitan monitorear, as

como la forma en que se va a enviar los paquetes y la preparacin de la

informacin antes de ser transmitida por medio de un canal.

El bloque (b) de la figura 2, representa el canal seleccionado para

transmitir la informacin. A pesar de ser el segundo bloque del sistema, este

bloque define una parte principal de la estructura del sistema de telemetra, las

condiciones y restricciones de todo el sistema, tales como velocidad detransmisin, distancia mxima de transmisin y el tiempo mximo de

transmisin para canales saturados.

Y el bloque (c) de la figura 2 es donde se realiza la recepcin de la

informacin, as como el anlisis del mismo. En este bloque se realizan todos

los pasos en direccin opuesta al bloque (a), debido a que primero se debe

recuperar la informacin, luego desglosar los paquetes recibidos parainterpretar la informacin obtenida.

Los 3 bloques representados en la figura 2, puede ser representado

grficamente en la figura 3.


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Figura 3. Partes principales de un sistema de telemetra

Fuente: elaboracin propia, con programa de MS Office Visio 2003.

1.4.2.1. Estacin remota

La estacin remota es un elemento muy importante en un sistema de

telemetra, porque la precisin de su funcionamiento define en mayor parte la

precisin de todo el sistema. Una buena estructura y control de fallos de

funcionamiento permite el monitoreo continuo y comunicacin constante.

La estacin remota es la parte que contiene todos los elementos fsicos

para realizar mediciones (sensores) de magnitudes fsicas, empaquetado de

informacin (memoria interna), preparacin de las seales (filtros y

acondicionadores de seal) y los elementos de transmisin (Modem o

transmisores de seal). Todo esto es orquestado por un procesador central

(microcontroladores o procesadores).


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1.4.2.2. Canal

El canal es una parte crtica en los sistemas de telemetra, puesto que la

eleccin del canal define en mayor medida los elementos que se necesita para

preparar las seales y los encargados de la transmisin de la informacin que

se encuentran en la estacin remota, as como tambin todos los elementos

necesarios para recibir la seal en la estacin central de control.

El canal que se elige delimita las caractersticas y costos de un sistema de

telemetra. Es necesario analizar el ambiente y las condiciones que el sistemarequiere para una ptima eleccin del canal.

1.4.2.3. Estacin central de control

La estacin central de control es tambin un componente principal en los

sistemas de telemetra, debido a que este es el encargado de recibir

adecuadamente toda la informacin enviada remotamente para realizar surespectivo anlisis.

La estacin central de control est compuesta por componentes fsicos

como los elementos de recepcin de seal (Modem o receptores de seal),

elementos de recuperacin de seal (filtros y acondicionadores de seal) y

todos los componentes necesarios para tener la capacidad de interpretar y

analizar la informacin recibida (microcontroladores o computadoras

personales).


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2. PRINCIPIOS DE MEDICIN DE NIVEL

2.1. Terminologa

Las partes que forman la ingeniera de medicin son ampliamente

extensas, debido a que son muchos componentes, desde un simple sensor de

presin hasta el microprocesador que interpreta estas seales. Definir una

terminologa especfica que abarque toda la ingeniera de la medicin es difcil,

comparado con otras ingenieras como la ingeniera en construccin o

ingeniera qumica que utilizan terminologas universales, ms bien es comn

que para la ingeniera de la medicin se utilice terminologa asociada a una

rama o proceso industrial. Debido que la medicin est altamente implementada

en procesos industriales, esta seccin tiene un nfasis a estos procesos, y se

toman de base para desarrollar el resto del captulo.

La ingeniera de medicin se puede definir como el empleo de

instrumentos para la deteccin, el procesamiento de datos y la correccin de los

datos procesados.

El concepto general medicin de nivel se puede dividir en los siguientes

trminos:

Alarma

Indicaciones

Control

Sistema de control


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2.1.1. Alarma

Una alarma no es ms que una seal que notifica la deteccin de

magnitudes de referencia, que pueden ser tanto magnitudes mximas como

mnimas en un proceso. Haciendo referencia a un proceso industrial las alarmas

indican valores de presin que han sobrepasado su valor mximo, un valor de

rebalse en depsitos o valores que consideran los depsitos vacos.

Para detectar una seal de alarma sencilla puede utilizarse un interruptor

de nivel colocado en el punto mximo del depsito. Cuando la seal delinterruptor sea desconectada o desactivada es que el nivel no ha alcanzado su

valor mximo. Pero cuando la seal sea conectada o activada, le indica al

sistema que el nivel mximo ha sido alcanzado y que por lo tanto debe realizar

una accin.

2.1.2. Indicaciones

Una indicacin es la determinacin exacta del valor de una cantidad

medida en cualquier momento del proceso. Evidentemente, slo se pueden

obtener mediciones dentro del rango del instrumento. Existen dos sistemas de

indicacin los cuales son:

Sistemas de indicacin directa: funcionan por medios mecnicos como

podra ser un interruptor, un resorte, una compuerta de paso, etc.


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Sistemas de indicacin indirecta: funcionamiento controlado por medio un

dispositivo que interpreta entradas analgicas de 0-20 o 4-20

miliamperios. Por lo general el rango de operacin del instrumento genera

una salida de este tipo. Pero de la misma manera, otro instrumento con

otros rangos de operacin genera la misma salida de 0-20 o 4-20

miliamperios, aunque se interprete diferente.

2.1.3. Control

Un dispositivo de control simple puede describirse como una alarma conuna diferencia entre el punto de activacin y desactivacin. Esto significa que a

partir de la medicin de un cierto valor empieza un proceso y termina cuando se

mide un segundo valor. Existen instrumentos que se han diseado

especficamente para que tengan una diferencia de activacin y desactivacin

ajustable y de magnitudes bastante distantes, permitiendo tener mayor

estabilidad del proceso. En caso contrario de algunos instrumentos que tienen

las magnitudes de activacin y desactivacin que estn demasiado prximos,que producen una forma de control sensible.

2.1.4. Sistemas de control

El objetivo de un sistema de control es el de gobernar la respuesta de un

sistema, sin que el operador intervenga directamente. Dicho operador manipula

nicamente las magnitudes de referencia y el sistema de control se encarga de

gobernar dichas salidas a travs de accionamientos. El sistema de control

opera, en general, con magnitudes de baja potencia, gobernando unos

accionamientos que son los que realmente modulan la potencia entregada al

sistema.


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Un ejemplo ilustrativo de un sistema de control se puede explicar con

alguna actividad diaria que toda persona realiza, como tomar una ducha. El

sistema de control es nuestro cuerpo, en nuestra cabeza est el cerebro que

controla nuestros brazos y piernas, adems tiene almacenada la magnitud de

referencia que es la temperatura del agua. Los sensores de temperatura se

tiene en nuestra piel y las salidas de control es a travs de accionamientos de

nuestros brazos.

Si el conjunto del sistema de control y accionamientos se limitara a ser un

convertidor amplificador de potencia que ejecuta las rdenes dadas por eloperador, se denominan sistemas de lazo abierto, por el hecho de que no

recibe ningn tipo de informacin del comportamiento del sistema, sino que

acta sobre rdenes o magnitudes de referencia establecidas.

Utilizando el ejemplo de tomar la ducha para explicar los sistemas de

control de lazo abierto, aplica el caso cuando se abre el grifo del agua antes de

entrar a la ducha, de forma automtica slo se sabe que se gira 1 o 2 vueltas elgrifo pero no se tiene idea si el agua se encuentra a la temperatura que

realmente se desea.

Lo que se espera, es que el sistema de control sea el que se encargue de

la toma de ciertas decisiones, ante determinados comportamientos del sistema,

informacin que recibe constantemente por medio de unos sensores que

detectan su comportamiento, utilizando unas interfaces para adaptar las

seales de los sensores a las entradas del sistema de control. Estos sistemas

se les llama sistemas automticos de control, tambin comnmente

denominados sistemas de lazo cerrado.


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Utilizando el ejemplo de tomar la ducha para explicar los sistemas de

control de lazo cerrado, aplica el caso cuando ya se est dentro de la ducha,

nuestra piel detecta la temperatura y le informa a nuestro cerebro, que la

compara con la temperatura deseada o de referencia, si esta es mayor o menor,

nuestro cerebro le ordena a los brazos realizar los movimientos necesarios para

enfriar o calentar el agua.

Los sistemas de lazo cerrado utilizan el siguiente diagrama, que muestra

claramente una estructura con una cadena directa y un retorno o

retroalimentacin, formando el circuito de control.

Figura 4. Diagrama de un sistema de control en lazo cerrado

Fuente: introduccin al Control Industrial con Autmatas Programables PLC.

2.2. Principios de medicin

Se dispone de una amplia gama de tcnicas de medicin y, por ello, no

siempre resulta fcil para el usuario seleccionar el mtodo de obtencin de

lecturas de nivel que se adapte mejor a sus requerimientos especficos. Las

primeras formas de medir nivel fueron completamente mecnicas y/o

neumticas, debido a que esa era la tcnica en apogeo.


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Mientras la tecnologa se desarrollaba surgieron equipos que eran

hbridos, entre mecnicos y elctricos, que permitieron mejorar las tcnicas de

medicin de nivel. En la actualidad se utilizan tcnicas basadas en

semiconductores, las cuales son totalmente electrnicas, y definitivamente han

mejorado la calidad de medir niveles pero al mismo tiempo los costos son

elevados, por lo que continan existiendo tcnicas hbridas entre mecnicas y

electrnicas para reducir costos.

2.2.1. Mtodos mecnicos

Estas mediciones de nivel utilizan mtodos sencillos que se basan en el

contacto directo y el movimiento de elementos mecnicos. Su nica ventaja es

que el costo es relativamente barato en comparacin con las otras tcnicas

disponibles, tiene ms inconvenientes que situaciones favorables al momento

de operar en un proceso de medicin, especialmente si se requiere de una

autonoma y con baja intervencin de operarios. Son tan simples que resultan

inapropiados para la mayora de las aplicaciones, como recipientes sellados,una alta adherencia de materiales es sus partes mecnicas, y por no tener

ningn elemento elctrico, no permite la captura digital de informacin para ser

procesada por un sistema de control.

Entre los mtodos de medicin mecnicos se puede mencionar: mtodo

de mirilla de nivel, mtodo flotador-cuerda, entre otros.


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2.2.2. Mtodos electromecnicos

Las mediciones de nivel de mtodos electromecnicos son mtodos

hbridos entre mecnica y elctricos, por lo general la medicin es mecnica

con actuadores elctricos. Una de las principales ventajas es su costo

relativamente barato y con una medicin confiable. Por utilizar mtodos

mecnicos, tambin tiene inconvenientes de adherencias, y tambin es

inconveniente para la mayora de procesos de medicin de nivel. Posee

elementos elctricos que permiten accionar elementos, pero no dispone de

salidas elctricas para ser utilizado por un sistema de lazo cerrado.

Entre los mtodos de medicin electromecnicos se puede mencionar:

mtodo de interruptor flotador, detector por diafragma, entre otros.

2.2.3. Mtodos electrnicos

Las mediciones de nivel por mtodos electrnicos son del tipo msconfiable que las anteriores debido a que la mayora de los casos no hay

contacto directo con el producto, por lo que es muy favorable para la mayora

de los procesos de medicin de nivel, incluso en depsitos sellados o

materiales con alta adherencia. Debido a que tienen salidas electrnicas,

permite la transmisin de informacin y puede trabajar en sistemas de control

de lazo cerrado.


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Una salida electrnica no es ms que una representacin elctrica de una

seal fsica externa. Pero debido a la diversidad de mtodos electrnicos que

se pueden utilizar, es ms difcil elegir el mtodo apropiado para la aplicacin.

Todos los mtodos electrnicos utilizan sensores para realizar las mediciones,

estos sensores son dispositivos creados especficamente para la medicin de

nivel en procesos industriales porque son confiables y precisos.

Entre los mtodos de medicin electrnicos se puede mencionar:

medidores de nivel por presin hidrosttica, medicin de nivel por ultrasonidos,

medicin de nivel por microondas, entre otros.

2.3. Mtodos de medicin y deteccin de nivel

Dependiendo de las caractersticas y los requerimientos de las

aplicaciones, se diferencian dos formas para determinar el nivel dentro de los

depsitos, la medicin de nivel y la deteccin de nivel.

Existen aplicaciones que necesitan conocer al menos dos seales de nivel

dentro de un depsito, un nivel alto y un nivel bajo, que indica un depsito lleno

o un depsito vaco respectivamente. Se llama deteccin de nivel cuando el

mtodo indica nicamente niveles puntuales.

Otras aplicaciones requieren conocer de manera continua el nivel sobre

todo el rango del depsito, capaces de determinar su nivel con un valor

porcentual cuando se conoce el nivel mximo del depsito. Se llama medicin

de nivel cuando el mtodo permite conocer de forma continua el nivel.


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2.3.1. Deteccin de nivel

La deteccin de nivel se basa en detectar puntos especficos de los

depsitos, los puntos ms comunes son el nivel superior o lleno, y el nivel

inferior o vaco. Al momento en que el detector de nivel superior enva una

seal este indica que el depsito tiene el nivel mximo o se encuentra lleno y se

debe detener el ingreso de ms producto para evitar que se rebalse, pero al

momento que el detector de nivel inferior enva una seal indica que el depsito

tiene el nivel mnimo o se encuentra vaco.

Se pueden mencionar los siguientes mtodos de deteccin de nivel:

2.3.1.1. Interruptor de flotador

Es el mtodo ms simple y conocido, este consiste en un cuerpo flotante

sobre un brazo mvil acoplado mecnicamente a un interruptor externo al

proceso. Al momento en que el flotador sube debido al movimiento ascendentedel producto, acciona el interruptor indicando que ha detectado el nivel superior

en el depsito. La figura 5 muestra dos interruptores de flotador colocados en la

parte superior y en la parte inferior.

El interruptor de flotador, es utilizado en depsitos que contienen lquidos,

un ejemplo de este mtodo es el depsito de agua de un inodoro, utiliza

componentes mecnicos y un flotador para evitar que este se rebalse.


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Figura 5. Interruptor de flotador

Fuente: www.mobrey.com. Consulta: septiembre de 2011.

Ventajas:

o Relativamente sencillo

o Adecuado para muchos productos y de bajo costo

Desventajas:

o Requiere un cierto montaje en el depsitoo Mal funcionamiento en caso de adherencias

2.3.1.2. Mtodo de paleta rotativa

Este tipo de deteccin de nivel consiste en un pequeo motor que hace

girar una pequea paleta lentamente por medio de engranajes reductores.

Cuando el producto ofrece resistencia al movimiento de la paleta, el sistema de

transmisin se mueve y activa un interruptor que emite una seal de nivel. Este

mtodo es adecuado para slidos granulares de diversos tamaos y con cierta

adherencia. La figura 6 muestra 2 interruptores de paleta rotativa colocados en

2 puntos diferentes del depsito, se aprecia que la deteccin de nivel obtiene en

el nivel bajo y el nivel alto.


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Figura 6. Interruptores de paleta rotativa

Fuente: www.endress.com. Consulta: septiembre de 2011.

El interruptor de paleta rotativa es utilizado en materiales slidos

granulares dentro de industrias cementeras, industrias que manejan materialespara la construccin como piedrn, arena y cal en la mezcla de morteros y

alimentos como cereales, granos de caf, entre otros.

Ventajas:

o Para procesos sencillos y donde se prevean adherencias de producto

o Bajo costo

o No requiere ajustes

Desventajas:

o Sujeto a desgastes

o No es adecuado para productos demasiado ligeros o demasiado

densos


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2.3.1.3. Detector tipo diafragma

Los detectores tipo diafragma se utiliza comnmente en materiales slidos

granulares. La fuerza ejercida por el producto en el diafragma es captada por el

dispositivo como si fuera un interruptor, el cual enva una seal de nivel. Es

comnmente montado externamente sobre una pared delgada, sobre la pared

en el interior del depsito, o suspendido en el interior de este, en el lugar donde

se quiere detectar el nivel. La figura 7 muestra un detector tipo diafragma

instalado en el interior como en el exterior.

Figura 7. Detector tipo diafragma

Fuente: www.binmaster.com. Consulta: septiembre de 2011.

El detector tipo diafragma es utilizado para materiales granulados de

tamao medio y pequeo como polvos, no es apto para material granulado

grande debido a que no ejercen una efectiva presin sobre la membrana,

evitando as la correcta deteccin de nivel.

Ventajas:

o Efectivo ante adherencias


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Desventajas:

o Requiere ajustes segn el peso y densidad del producto

2.3.1.4. Mtodo de horquillas vibrantes

Este mtodo consiste en una horquilla oscilante preparada para que oscile

en el aire a su frecuencia de resonancia. Si la horquilla se recubre de producto,

la frecuencia de resonancia se reduce o se amortigua completamente. Esta

variacin de frecuencia se detecta y se transmite por una seal de salida.

El tipo de horquilla empleada y su frecuencia de resonancia depender del

producto que quiera medir, aplica para lquidos y algunos slidos granulares. La

figura 8 muestra una horquilla oscilante y la forma en la que puede ser instalada

en un depsito.

Figura 8. Horquilla vibrante y la instalacin en un depsito



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Es muy til en lquidos muy viscosos y a diferentes temperaturas, slidos

granulados pequeos como polvos de diferentes densidades, no es utilizado en

slidos granulados grandes porque pueden quedar atrapados entre las

horquillas. Esto aplica para industrias alimentarias, cementeras, farmacuticas,

etc.

Ventajas:

o No requiere ajustes

o Montaje sencillo

o Funcionamiento seguroo Relativamente barato

Desventaja:

o No adecuado para granos o partculas mayores de 10 milmetros,

puesto que puede quedar atrapados entre las horquillas

o Limitacin de presin y temperatura

2.3.1.5. Mtodo deteccin por conductividad

Este mtodo se utiliza nicamente para lquidos conductivos, y su principio

se basa en la presencia del producto causando un cambio en la resistencia

entre dos conductores.

Se obtiene fcilmente una seal de nivel de productos conductores de

electricidad en un tanque metlico o en otro tipo de contenedor mediante una o

varias sondas aisladas del recipiente. Si el lquido no est en contacto con la

sonda, no existe conduccin elctrica entre la sonda y el tanque. Cuando el

lquido entra en contacto con la sonda, existe una conduccin elctrica entre el

tanque y la sonda por medio del lquido y se obtiene una seal de nivel.


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Por lo general la pared de los depsitos es metlica y funciona como

segundo electrodo, pero si no aplica el caso, se debe introducir otro electrodo

en el tanque. En la figura 9 se muestra un instalacin de 2 sondas en un

depsito metlico para detectar el nivel alto y el nivel bajo.

Figura 9. Detector de nivel por conductividad utilizando 2 sondas


Es utilizado nicamente en lquidos con caractersticas elctricas aptas

para conducir electricidad, as al momento de entrar en contacto con el lquido

se detecta una seal de nivel en el punto deseado. Puede ser utilizado en las

industrias de cerveza aunque tambin se debe considerar la espuma que

genera el lquido, porque puede generar falsas seales de nivel.

Ventaja:

o Sencillo y de bajo costo

o Adecuado para detectar dos puntos (vaco y lleno)


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Figura 10. Deteccin por quiebre de haz de microondas


Ventajas:

o Muy confiable

o Puede ser utilizado con diferentes materiales

Desventajas:

o Alto costo de equipo e instalacin en depsitos metlicos

2.3.1.7. Deteccin radiomtrica

La radiometra es la ciencia que estudia la medida de la radiacin

electromagntica, la deteccin radiomtrica utiliza este principio haciendo uso

de la radiacin nuclear de ciertos elementos radioactivos como cobalto-60 y

cesio-137 para generar un haz de rayos gamma que atraviesan un depsito con

producto, este rayo se atena con el paso entre el producto y el detector genera

una seal elctrica que indica la deteccin de nivel.


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Existen varias fuentes de radiacin nuclear: los rayos alpha, beta y

gamma. El haz de rayos alpha puede ser obstaculizado por una hoja de papel o

incluso la piel humana sin penetrar el cuerpo y no es utilizado en la deteccin

radiomtrica.

El haz de rayos beta tiene mayor capacidad de penetracin en

comparacin con los rayos alpha, puede atravesar el cuerpo humano pero es

incapaz de atravesar metales con unos cuantos centmetros de espesor,

tampoco es utilizado en la deteccin radiomtrica debido a esta limitacin.

El haz de rayos gamma tiene mayor capacidad de penetracin en muchos

elementos, como el cuerpo humano, metales y rocas, y es la fuente de

radiacin nuclear apropiada para la deteccin radiomtrica.

Para la deteccin de nivel, el haz de rayos gamma se emite con un ngulo

de salida no mayor a los 5 grados, y constantemente se transmite directo al

receptor de rayos gamma cuando no hay producto que lo atene, pero cuandoel nivel de producto sube y atena el haz, el detector de rayos gamma manda

una seal elctrica de nivel como lo muestra la figura 11.

Utilizar el mtodo de deteccin radiomtrica representa riesgo para la

salud humana si no se respetan las normas de seguridad de proteccin

radiolgica debido a la utilizacin de elementos radioactivos. Para proteger a las

personas de la radiacin nuclear es necesario:

Aislar la fuente de radiacin con algunos centmetros de espesor de

plomo, hormign u otros elementos pesados.

Evitar estar muy cerca de la fuente radiactiva.

Evitar excesiva y constante exposicin con la fuente radiactiva.


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Figura 11. Deteccin radiomtrica


La deteccin radiomtrica es un mtodo totalmente no invasivo que puede

ser utilizado tanto para slidos como lquidos, en la cual no se tiene contacto

directo con el producto dentro del depsito, es muy utilizado cuando el producto

es corrosivo, o se encuentra a altas presiones y altas temperaturas.

Ventajas:

o Adecuado para todos los productos y su montaje no causa ningn

tipo de obstruccin

o Los sistemas de medicin de nivel por rayos gamma ni siquiera

requieren modificaciones en el tanque

o No hay contacto con el producto

o Adecuado para altas presiones y altas temperaturas

Desventajas:

o Se requieren medidas especiales de seguridad

o Alto costo


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2.3.2. Medicin de nivel

La medicin de nivel consiste en obtener una seal proporcional al nivel

del depsito, esta seal es continua desde el punto ms alto hasta el punto ms

bajo del depsito. Al utilizar la medicin de nivel se obtiene informacin desde

que el depsito est vaco hasta que se encuentra lleno, representando el 0 y el

100 por ciento respectivamente. Se puede mencionar los siguientes mtodos:

2.3.2.1. Medidores manomtricos y de presin

diferencial

Este mtodo se basa en la medicin de la presin hidrosttica

correspondiente a una columna de lquido a una altura determinada. La presin

se calcula con la frmula .

Donde: = presin

= altura= densidad relativa

= aceleracin de gravedad

En la frmula se observa que si la densidad relativa del medio es

constante, la nica variable es , y la presin es directamente proporcional a

la altura , y por ende al nivel del lquido en el depsito.

La presin hidrosttica de la columna de lquido se mide por medio de

sensores de presin, medidores manomtricos o sensores de presin

diferencial. Cuando se refiere a medicin de presin hidrosttica se refiere a los

depsitos abiertos, y a la medicin de presin diferencial se refiere a los

tanques cerrados o presurizados.


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Los depsitos abiertos se calculan sumando la presin ejercida por la

columna del lquido ms la presin atmosfrica, como se aprecia en la figura 12,

debido a esto el sensor automticamente anula la presin atmosfrica y el

resultado es la presin del lquido.

Figura 12. Medicin de presin hidrosttica



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Los depsitos cerrados utilizan 2 sensores de presin o 1 sensor de

presin diferencial, la operacin es similar, nicamente que se restan las

presiones de ambos sensores si se utilizan 2 sensores de presin o un sensor

de presin diferencial que automticamente realiza este clculo, como se

aprecia en la figura 13.

Figura 13. Medicin de presin diferencial


Los medidores manomtricos y de presin diferencial son muy utilizados

por una variedad de lquidos, a diferentes temperaturas de operacin y

viscosidades. El oxgeno en los depsitos de almacenamiento para uso

hospitalario se encuentra baja temperatura, a esta temperatura el oxgeno se

encuentra en estado lquido y se puede conocer el nivel de oxgeno midiendo la

presin diferencial dentro del depsito presurizado. Las industrias alimentarias,

que manejan lquidos con viscosidad variable, pueden hacer uso de medidores

manomtricos para conocer el nivel dentro del depsito.


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Ventajas:

o Montaje sencillo

o Fcil de ajustar y con precisin razonable

Desventajas:

o Es dependiente de la densidad relativa

o Relativamente costoso para mediciones de presin diferencial

2.3.2.2. Mtodo por burbujeo

Con el mtodo por burbujeo, se mide de igual manera la presin

hidrosttica de un depsito, en este de inserta un tubo delgado hasta el fondo

del lquido y se aplica aire comprimido empujando la columna de agua hasta

que salen burbujas de aire en el lquido. La presin de aire necesaria para

lograr sacar burbujas es igual a la columna de lquido, por lo que esta presin

se puede medir con un sensor de presin. En la figura 14 se puede apreciar una

instalacin bsica de este mtodo de medicin por burbujeo.

Figura 14. Medicin por burbujeo

Fuente: www.apcs.net.au. Consulta: septiembre de 2011.


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El mtodo de burbujeo es utilizado nicamente en lquidos dentro de

depsitos no presurizados para que el gas utilizado se libere. Debe evitarse la

instalacin en depsitos con producto que pueda obstaculizar la salida de aire

por el tubo.

Ventajas:

o Montaje sencillo

o Adecuado para sustancias corrosivas

Desventajas:

o Requiere instalacin de compresor de aire

o Peligro de acumulacin del medio en el tubo

o No es adecuado para recipientes presurizados

2.3.2.3. Mtodo por desplazamiento

El mtodo por desplazamiento consiste principalmente en la diferencia delpeso de un cuerpo y la fuerza de flotacin hacia arriba de un lquido, segn la

Ley de Arqumedes. La fuerza de flotacin hacia arriba depende del volumen

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

cumplirse la condicin de que para que el cuerpo se desplace, debe ser ms

pesado que el medio (densidad especfica mayor que el medio). La fuerza

diferencial se transmite frecuentemente a un transductor de medicin por un

sistema de barra de torsin de manera que el equipo se mantenga sellado.

El transductor empleado en el mtodo por desplazamiento es un

transductor de desplazamiento elctrico o transductor de fuerza.


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Un ejemplo de este tipo de instrumento son los servodispositivos de nivel.

Este instrumento mide el peso aparente del desplazador que se encuentra

flotando sobre el lquido. Si el peso aparentemente del desplazador es muy alto,

el desplazador est muy arriba en el producto, y cuando el nivel baja, la fuerza

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

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

el producto ejerce sobre el desplazador una fuerza ascendente ms intensa. El

servomotor se basa en las diferencia de nivel y en la fuerza de flotacin y se

controla de modo que siempre haya una situacin de equilibrio.

Figura 15. Servodispositivo de nivel utilizado para el

mtodo por desplazamiento



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En la figura 15 se muestra un servodispositivo de nivel. Se puede apreciar

que el hilo se enrolla en un tambor y va acoplado a un codificador mediante el

cual se puede medir la posicin del tambor, y por lo tanto indica el nivel del

producto.

El mtodo por desplazamiento es utilizado especficamente en lquidos,

pueden ser viscosos, pegajosos y corrosivos, siempre y cuando el desplazador

flote sobre el lquido y el cable se mueva libremente dentro del tanque. Es

necesario utilizar un desplazador diferente para cada tipo de producto. Debido a

que el sistema es mecnico, puede utilizarse con una variedad de productos enciertas industrias alimentarias.

Ventajas:

o Precisin

o Adecuado para tanques subterrneos

Desventajas:o Depende de la densidad relativa del medio

o Requiere una cantidad importante de equipo mecnico

2.3.2.4. Medicin por plomada

Estos sistemas de medicin sondean desde la parte superior de los

depsitos la superficie del producto y se compara con la altura del depsito, la

diferencia es el nivel del producto. Este tipo de indicadores se utilizan

mayormente en silos de gran altura, y son conocidos como silopilots.


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Un silopilotconsiste en un peso sensor que cuelga en el interior del silo de

un cable o eje enrollado a un tambor impulsado por un motor. Cuando el motor

se arranca, ya sea manualmente o automticamente, un contador se pone a

cero, que representa la altura total del silo en centmetro o decmetros. A

medida que el motor hace descender el peso sensor, la rueda enva un impulso

a travs del eje de medicin por cada centmetro o decmetro bajado y este se

resta de la lectura del contador.

Cuando el peso toca la superficie del producto, el eje se tensa, lo cual es

detectado y el motor pasa a girar en sentido contrario, los impulsos dejan deenviarse y el eje vuele a enrolla el cable en el tambor. Luego, el peso se queda

en la parte superior y el contador con la ltima altura medida. La figura 16

muestra el mtodo por medicin de plomada, se puede apreciar como el sensor

de peso baja a lo alto desde la superficie ms alta del depsito o silo.

La medicin por plomada es utilizado para medir nivel en slidos, y al

momento de hacer contacto con el producto este se detiene. Dependiendo deltipo de plomada utilizada se pueden medir el nivel en productos como harina,

carbn en polvo, piedras minerales y rocas.

Ventajas:

o Adecuado para silos muy altos, de ms de 30 metros

o Precisin razonable

o Adecuado para diversos productos, como materiales de grano grueso

(cal, piedra, grava, carbn mineral, etc.)

Desventajas:

o Entrega mediciones discretas

o Requiere mantenimiento


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Figura 16. Ejemplo de si lopi lotscomo mtodo

de medicin por plomada


2.3.2.5. Mtodo por pesaje

Este mtodo mide de forma indirecta el nivel dentro de los depsitos. Es

adecuado para lquidos y slidos, y consiste en montar el tanque o depsito en

unos transductores de peso llamados celdas de carga.

En este caso no se mide nivel, sino el peso, basado en el peso del

material se determinada la altura. Por razones de seguridad se debe colocar un

interruptor de nivel alto de manera independiente. En la figura 17 se puede

apreciar un diagrama esquemtico de este mtodo.


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Figura 17. Mtodo de medicin por pesaje

Fuente: www.mt.com. Consulta: septiembre de 2011.

Ventajas:

o Puede proporcionar una medicin de nivel muy precisa para

productos con densidad relativa constante

Desventajas:

o Requiere una gran cantidad de equipo mecnico

o Es muy caro

2.3.2.6. Mtodo por capacidad

Este mtodo por capacidad consiste en una sonda metlica y la pared

misma del tanque, y que actan como dos placas de un condensador. La

capacidad de este condensador depende del medio que haya entre la sonda y

la pared. Si solo hay aire, es decir, que el tanque se encuentra vaco, la

capacidad del conductor es baja. Cuando parte de la sonda est cubierta por el

producto, la capacidad se incrementar.


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El cambio de capacidad se convierte mediante un amplificador hacia una

salida analgica que permite medir el nivel desde 0 hasta un 100 por ciento,

todo por medio de la capacidad en el tanque. La figura 18 muestra la forma

donde se debe colocar la sonda para medir de forma continua el nivel del

depsito por medio de la capacidad respecto a la sonda y el tanque.

Figura 18. Instalacin de sonda o sensor para el

mtodo de medicin por capacidad


El mtodo por capacidad es utilizado en lquidos y slidos con ciertas

caractersticas elctricas y dielctricas, por ejemplo productos que contienen

agua como soluciones salinas, cidos, bebidas y aguas residuales.


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Ventaja:

o Aplicable para medicin de slidos y lquidos

o No tiene partes mviles

o Adecuado para medios altamente corrosivos

Desventaja:

o Su aplicacin est limitada a productos con propiedades elctricas

variables

2.3.2.7. Medicin de nivel por ultrasonidos (tiempo

de retorno de seal)

El mtodo de medicin de nivel por ultrasonidos consiste en el mtodo de

reflexin del sonido, este se basa en el tiempo de retorno de un pulso de sonido

emitido por un sensor. El pulso ultrasnico emitido se refleja en la superficie del

producto y el mismo sensor vuelve a detectarlo. El tiempo de retorno de la seal

es una medida de la altura de la seccin vaca del tanque. Si a esta distancia sele resta la altura total del tanque, se obtiene el nivel del producto. El tiempo de

retorno se convierte en una seal de salida analgica.

La figura 19 muestra la instalacin de un mtodo de medicin de nivel por

ultrasonido. Se aprecia que el sensor est colocado en la parte superior, y que

este recibir la seal de ultrasonido reflejada por el material en el fondo del

depsito. Este sensor es capaz de medir desde 0 hasta un 100 por ciento de

forma continua.


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Figura 19. Mtodo de medicin de nivel por ultrasonido


El mtodo de medicin por ultrasonidos es muy utilizado en lquidos,pastas y slidos granulados, puede ser utilizado en depsitos con peligro de

explosin. Tambin puede ser utilizado en depsitos abiertos y no tiene

contacto directo con el producto para evitar cualquier tipo de contaminacin.

Ventajas:


o Adecuado para diversos lquidos y materiales granulados

Desventajas:

o El producto no debe producir demasiada espuma en la superficie

o El mtodo no es adecuado a altas presiones ni altas temperaturas

o No es aplicable en condiciones de vaco


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2.3.2.8. Medicin por microondas

La medicin de nivel por microondas tambin se les conoce como

micropilots y funcionan segn el principio del eco, pero utilizando microondas

que comprende desde 6 hasta 26 gigahertz. Este mtodo utiliza una antena de

trompeta o parablica que dirige impulsos cortos de microondas hacia el

producto, como se puede apreciar en la figura 20, estos se reflejan en su

superficie y la misma antena los detecta a su regreso. La medicin de nivel es

proporcional al tiempo de retorno del impulso de microondas.

Figura 20. Medicin de nivel por microondas en lquidos



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El mtodo de medicin de nivel por microondas tiene muchas ventajas a

nivel de instalacin y la amplia capacidad para medir una variedad de

productos, a diferentes temperaturas y presiones, los vapores y el polvo en el

ambiente no afecta la medicin. No tiene contacto con el producto evitando la

contaminacin y es comnmente utilizado en slidos granulares como polvos y

lquidos.

Ventajas:

o Su baja potencia de radiacin permite una instalacin segura en

recipientes metlicos y no metlicos, sin riesgos a los seres humanoso Independiente de la temperatura, de condiciones de altas presiones o

vaco y de la presencia de polvo o vapor

o Se emplean en contenedores que contengan slidos granulares o

materiales brutos cuyo tamao de los granos no sobrepasan los 20

milmetros

o Fcil montaje

Desventajas:

o El producto debe tener una constante dielctrica mnima determinada

para asegurar que las microondas se reflejen

2.3.2.9. Medicin radiomtrica

Al igual que el mtodo de deteccin radiomtrica, este mtodo utiliza una

fuente radiactiva de rayos gamma que atraviesa el material y se atenan, estos

rayos gamma llegan a un receptor capaz de detectar el nivel de atenuacin, y

por ende determinar el nivel de material dentro del depsito.


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En la figura 21 se aprecia como el detector es capaz de colectar los rayos

gamma emitidos con un ngulo de salida entre los 20 y 40 grados, con este

mtodo es capaz de medir el nivel desde 0 hasta el 100 por ciento sin importar

el producto contenido en el depsito.

Figura 21. Medicin radiomtrica


Es importante mencionar que utilizar el mtodo de medicin radiomtrica

representa riesgo para la salud humana, por lo que es necesario respetar las

normas de seguridad de proteccin radiolgica, como aislar la fuente de

radiacin, evitar estar muy prximo a la fuente radiactiva y evitar la excesiva y

constante exposicin.

De igual manera que la deteccin radiomtrica es un mtodo totalmente

no invasivo que puede ser utilizado tanto para slidos como lquidos,

especialmente para producto corrosivo, a altas presiones o altas temperaturas.


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Ventajas:

o Adecuado para todos los productos y su montaje no causa ningn

tipo de obstruccin

o No requiere modificaciones en el depsito


o Adecuado para altas presiones y temperaturas

Desventajas:

o Se requieren medidas especiales de seguridad

o Alto costo


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3. SISTEMA GPRS

3.1. Concepto

Los sistemas de comunicacin evolucionan a travs de la historia segn

las necesidades

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Telemetria de Nivel