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Variable de instrumentacion nivel...

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1. ¿Qué es la variable instrumentación nivel? El nivel es una variable importante para algunas industrias y en otras es indispensable, tales como la del papel y la del petróleo, por mencionar algunas. Los instrumentos para la medición de nivel varían en complejidad de acuerdo con la aplicación y su dificultad. Esta variable se puede definir como la determinación de la posición de una interfase que existe entre dos medios separados por la gravedad, con respecto a una línea de referencia. En la industria, medir el nivel generalmente se relaciona con determinar el nivel de un líquido o de un sólido en un recipiente. El nivel alcanzado en un tanque, se emplea a menudo para calcular el volumen de líquido o del solido contenido, o, la masa contenida. 2. Unidad de medición La unidad de medición de esta variable puede ser distinta en función de lo que estemos midiendo. Se puede medir dependiendo de la conveniencia a la hora de hacer la lectura de medida, esta puede ser en centímetros, pulgadas, pies o metros. Si se necesita medir en unidades de volumen se utilizaría, galones, pies cúbicos, metros cúbicos. 3. Técnicas de medición La medida de nivel es junto con la presión, volumen, velocidad y caudal de gran importancia en hidrografía, hidráulica y en los procesos industriales. Aplicaciones frecuentes son las medidas de los niveles de los estanques y recipientes de todo tipo, en canales, pozos, exclusas, vertederos, etc. Esta medida sirve para determinar el contenido de los tanques para accionar dispositivos de alarma y seguridad en los recipientes a presión, para el accionamiento de válvulas y vertederos en la regulación de las centrales hidroeléctricas, para la determinación de la altura de la lámina en los vertederos de medidas, etc. En la industria química la medida de nivel se requiere para determinar la cantidad exacta de líquidos que hay que administrar en un proceso de mezcla, etc. Finalmente la medición del nivel de fluido en los procesos de destilación, calderas, etc. Para realizar la medición existe una serie de instrumentos dependiendo de las condiciones que se presenten a la hora de hacer la medición Estos se pueden clasificar dependiendo del tipo de material, el cual puede ser sólido o líquido. La medición de nivel de líquidos puede ser directa o indirecta, y los más usados se clasifican en:     

Sensores de medición directa Sensores basados en presión hidrostática Sensores de desplazamiento Sensores basados en propiedades eléctricas Sensores basados en ultrasonido y radioactividad

3.1. de directa

Sensores medición

Medidor

de sonda

Es una regla longitud para ser en el

varilla o graduada de conveniente introducida tanque. La

determinación del nivel se efectúa por lectura directa de la longitud mojada por el líquido. Otro sistema parecido es el medidor de cinta graduada y plomada siendo usada cuando la regla graduada tenga un difícil acceso al fondo del tanque. Este método es efectivo y ampliamente utilizado para medir el nivel en los tanques de una gasolinera, pero no es muy práctico sobre todo si el contenido a medir es tóxico o corrosivo, ya que el individuo que introduce la varilla debe estar de pie sobre la abertura del tanque para manejarla. Medidor de nivel de tubo de vidrio Es un tubo de vidrio graduado con sus extremos conectados al tanque, siguiendo el principio de los vasos comunicantes. La determinación del nivel del líquido para este tipo de medidor se puede realizar por intermedio de un cristal a reflexión o bien por transparencia. En el primer caso, tal como lo muestra la, el vidrio en contacto con el líquido está provisto de ranuras longitudinales que actúan como prismas de reflexión, indicando la zona de líquido con un color oscuro casi negro, y la zona superior en contacto con el vapor, de color claro. La ventaja principal de los medidores de nivel de cristal es la gran seguridad que ofrece en la lectura del nivel del líquido, pudiendo controlar con ellos, la lectura de los otros tipos de aparatos de nivel. Una debilidad de los niveles de vidrio es que son muy susceptibles de ensuciarse por las características del líquido que miden, impidiendo, de este modo, que el nivel pueda apreciarse claramente. Entre los líquidos que presentan este inconveniente figuran el caramelo y los líquidos pegajosos. Instrumentos de flotador

La medición de nivel con instrumentos de flotador es menos común en la industria en general, pero se emplea muy frecuentemente en el campo del tratamiento de aguas potables y de desechos. Hay que señalar que en estos instrumentos, el flotador puede tener formas muy variadas y estar formado por diversos materiales según sea el tipo de fluido. Básicamente, consisten en un flotador situado en el seno del líquido y conectado al exterior de un tanque indicando directamente el nivel, donde dicha conexión puede ser directa, magnética o hidráulica. 

Flotador de conexión directa: Este modelo de flotador es, generalmente, una pieza metálica hueca de forma circular, con alambres de guía que van de la parte superior a la inferior del tanque, para limitar su movimiento. Constituye el modelo más antiguo y el más utilizado en tanques de almacenamiento de gran capacidad como los de fuel-oil y gas-oil. El flotador de conexión directa está unido por una cadena o cinta flexible que desliza en un juego de poleas a un indicador de nivel exterior que señala sobre una escala graduada. Este indicador está provisto de un contrapeso de tal manera que la cinta o cadena se mantenga tensa Por otro lado, este tipo de instrumento tiene el inconveniente de que las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse. Además, el tanque no puede estar sometido a presión y es esencial que el flotador se mantenga limpio.



Flotador acoplado magnéticamente: Este instrumento de medición de nivel consta de un flotador desliza exteriormente a lo largo de un tubo de guía sellado, situado verticalmente en el interior del tanque Dentro del tubo, una pieza magnética o imán, suspendida por medio de una cinta o cable, sigue al flotador en su movimiento y mediante el cable y un juego de poleas arrastra el índice de un instrumento situado en la parte superior del tanque. Además, este instrumento puede tener interruptores de alarma y transmisor incorporados. Este instrumento consisten en su forma más sencilla, en una barra rígida apoyada en un punto sobre la cual actúan dos fuerzas en equilibrio, la fuerza ejercida por el elemento de medición y la fuerza electromagnética de una unidad magnética.

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Flotador acoplado hidráulicamente: El flotador acoplado hidráulicamente actúa en su movimiento sobre un fuelle de tal modo, que varía la presión de un circuito hidráulico y señala a distancia, en el receptor, el nivel correspondiente. Permite distancias de transmisión de hasta 75 metros y puede emplearse en tanques cerrados. Sin embargo, requiere una instalación y calibración complicadas, y posee partes móviles en el interior del tanque. En general, los instrumentos de flotador tienen una precisión de ± 0.5 %.

Además son adecuados en la medida de niveles en tanques abiertos y cerrados a presión o al vacío, y son independientes del peso específico del líquido. Uno de los inconvenientes más frecuentes es que el flotador puede agarrotarse en el tubo guía por un eventual depósito de los sólidos o cristales que el líquido pueda contener y además, si el tubo guía es muy largo puede dañarse ante olas bruscas en la superficie del líquido o ante la caída violenta del líquido en el tanque. 3.2. Sensores de medición basados en presión hidrostática Medidor manométrico Este determina el nivel del líquido con un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque. El manómetro registra la presión debida a la altura del líquido que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. Solo sirve para fluidos limpios, ya que los líquidos sucios pueden hacer perder la elasticidad del fuelle. La medición está limitada a tanques abiertos y el nivel viene influido por las variaciones de densidad del líquido. Medidor de membrana Usa una membrana conectada al instrumento receptor por un tubo estanco. El peso de la columna de líquido sobre el área de la membrana comprime el aire interno a una presión igual a la ejercida por la columna de líquido. El instrumento es delicado ya que una fuga del aire contenido en el diafragma destruiría la calibración del instrumento. Medidor de burbujeo Este consiste en que por medio de un regulador de caudal se hace pasar por un tubo (sumergido en el depósito hasta el nivel mínimo) un pequeño caudal de aire o gas inerte hasta producir una corriente continua de burbujas. La presión requerida para producir el flujo continuo de burbujas es una medida de la columna de líquido. Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con líquidos corrosivos o con materiales en suspensión, ya que el fluido no penetra en el medidor ni en la línea de conexión. 3.3. Sensores basados en desplazamiento Estos sensores constan de un flotador parcialmente sumergido en el líquido, conectado mediante un brazo a un tubo de torsión que está unido rígidamente al tanque. El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de sus extremos libre, es directamente proporcional a la fuerza aplicada. Esta fuerza está definida por el empuje que ejerce el flotador hacia arriba según el principio de Arquímedes: E=g.h.s En donde, E, es el empuje. G, es el peso específico del líquido.

H, es la altura sumergida del flotador. S, es la sección del flotador.

3.4. Sensores basados en propiedades eléctricas Sensores de nivel tipo conductivo Estos contienen uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico, que opera cuando el líquido toca los electrodos. Este tipo de sensores tienen una impedancia minima del orden 20 MW/mc, se alimentan de CA para evitar la oxidación debido a la electrólisis y, poseen un sistema de retardo que impide su disparo debido a la ondulación en el nivel del líquido o ante una perturbación momentánea.

Sensores de nivel tipo capacitivo

Estos miden la capacitancia del condensador formado por un electrodo sumergido en el líquido, y, otro representado por las paredes del tanque. La capacitancia del conjunto depende linealmente del nivel. En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacitancia total del sistema se compone del fluido y de las conexiones superiores. En líquidos conductores, el electrodo está aislado usualmente con teflón, interviniendo capacitancias adicionales entre el material aislante y el electrodo. 3.5. Sensores basados en ultrasonido Estos emplean la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y el retorno del eco a un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque. Estos sensores trabajan a una frecuencia típica de 20 KHz, ya que estas ondas atraviesan, con cierto amortiguamiento o reflexión, un medio de gases o vapores y se reflejan en la superficie del líquido. En las aplicaciones de alarma, los sensores vibran a una frecuencia determinada que se amortigua cuando son alcanzados por el líquido. En el caso de los sensores de indicación continua, la fuente ultrasónica genera impulsos y determina el tiempo que le toma a la onda ir y regresar una vez haya rebotado contra la superficie del líquido.

3.6. Sensores de nivel basados en emisión de rayos gamma. Estos incluyen un emisor de rayos gamma que se monta verticalmente a un lado del tanque, y, un contador Geiger que transforma la radiación gamma recibida, en una señal eléctrica de corriente continua. Este sistema se emplea en tanques de difícil o peligroso acceso.

4. Sensores de nivel de sólidos Los sensores de nivel solido pueden ser de niveles fijos o de medición continua. Los sensores de nivel fijo se utilizan para mantener el nivel de un sólido entre un valor mínimo y uno máximo. Por otro lado, los sensores de nivel continuo se utilizan para registrar volúmenes o masas en “paquetes” continuos. 4.1. Sensores de nivel fijo Existen diferentes sensores de nivel fijo. En los más comunes, cuando el material desciende más debajo de un detector inferior, este pone en marcha automáticamente la alimentación del producto y el nivel se recupera. Al alcanzar el detector ubicado en el nivel alto, se detiene el llenado del tanque. El ciclo se repite continuamente. Otros tipos de sensores de nivel fijo son los de diafragma, los de cono suspendido, de paletas rotativas, etc.

Detector de diafragma Para medir el nivel de materiales sólidos almacenados, por ejemplo en silos, se han ideado diversos métodos, entre ellos el detector de diafragma.

Este instrumento de medición consiste en un diafragma con una membrana flexible que se dispone al costado de la pared del tanque y contiene en su interior un conjunto de palancas con contrapeso que se apoyan sobre un pequeño interruptor. Cuando el nivel del sólido alcanza el diafragma, el material lo fuerza venciendo el contrapeso y cerrando el interruptor Este puede ser mecánico o de mercurio, puede accionar una alarma o puede actuar automáticamente sobre un transportador o maquinaria asociadas al depósito. Por otra parte, el material del diafragma puede ser de tela, goma, neopreno o fibra de vidrio y tiene una precisión de unos ± 50 mm y presenta ventajas de bajo costo, puede emplearse en tanques cerrados sometidos a baja presión o vacío gracias a una línea neumática que iguala presiones a ambos lados de la membrana y trabaja bien con materiales de muy diversa densidad. Tiene la desventaja de no admitir materiales granulares de tamaños superiores a unos 80 mm de diámetro. Cono suspendido El cono suspendido consiste en un pequeño interruptor montado dentro de una caja impenetrable al polvo, con una cazoleta o pieza pequeña de goma de la que está suspendida una varilla que termina en un cono. Cuando el nivel de sólidos alcanza el cono, el interruptor es excitado. La cazoleta de goma permite una flexibilidad en la posición del cono gracias a la cual el aparato puede actuar como alarma de alto o bajo nivel. Conviene tener la precaución de proteger mecánicamente el instrumento cuando se manejan materiales pesados que, en su caída desde la boca de descarga del tanque podrían dañarlo. El aparato es barato, necesita estar protegido como nivel de baja o en niveles intermedios y se utiliza sólo en tanques abiertos además, su precisión es de unos 50 mm. Sus aplicaciones típicas son la alarma y el control de nivel en carbón, granos y caliza.

Paletas rotativas Las paletas rotativas consisten en un eje vertical, dotado de paletas, que gira continuamente a baja velocidad accionado por un motor síncrono. Cuando el producto sólido llega hasta las paletas, las inmoviliza, con lo que el soporte del motor y la caja de engranajes empiezan a girar en sentido contrario. En su giro, el soporte del motor actúa consecutivamente sobre dos interruptores, el primero excita el equipo de protección, por ejemplo una alarma, y el segundo desconecta la alimentación eléctrica del motor con lo cual éste queda bloqueado. Cuando el producto baja de nivel y deja las palas al descubierto, un resorte vuelve el motor a su posición inicial liberando los dos microrruptores. De este modo, el motor se excita con lo que las palas vuelven a girar, y la alarma queda desconectada. El eje de las palas puede ser flexible o rígido para adaptarse así a las diversas condiciones de trabajo dentro del silo, tales como caída de producto, deslizamientos del producto, etc. Estos aparatos son adecuados en tanques abiertos o a baja presión (máximo 10 kg/cm2),

tienen una precisión de unos 25 mm y se emplean preferentemente como detectores de nivel de materiales granulares y carbón. Pueden trabajar con materiales de muy diversa densidad y existen modelos a prueba de explosión. Se puede ver una aplicación típica de un control de nivel de sólidos en un tanque, que mantiene el nivel entre los dos puntos donde están situado los detectores. Cuando el material desciende más abajo del detector inferior, éste pone en marcha automáticamente la maquinaria de alimentación del producto en el silo y esta maquinaria se detiene tan pronto como el producto alcanza el detector de nivel superior. El ciclo vuelve a repetirse cuando, al ir vaciándose el silo, los sólidos descienden a un nivel por debajo del detector inferior. 4.2. Sensores de nivel continuo Existen diferentes sensores de nivel continuo: de peso móvil, basado en peso, basado en ultrasonido, basado en radiación gamma, etc.

Medidor de nivel de ultrasonidos El medidor de nivel de ultrasonidos consiste en un emisor de ultrasonidos que envía un haz horizontal a un receptor colocado al otro lado del tanque. Si el nivel de sólidos está más bajo que el haz, el sistema entra en oscilación enclavando un relé. Cuando los sólidos interceptan el haz, el sistema deja de oscilar y el relé desexcita actuando sobre una alarma o sobre la maquinaria de descarga del depósito. Disponiendo el haz de ultrasonidos en dirección vertical, el instrumento puede actuar como indicación continua del nivel midiendo el tiempo de tránsito de impulso ultrasónico, entre la fuente emisora, la superficie del producto donde se refleja y el receptor situado en la propia fuente. Como la superficie de la mayor parte de los productos sólidos reflejan los ultrasonidos, ya sea en mayor o menor grado, el sistema es adecuado para la mayor parte de los sólidos con mucho polvo, alta humedad, humos o vibraciones, y puede emplearse tanto en materiales

opacos como transparentes. Sin embargo, si la superficie del material no es nítida, el sistema es susceptible de dar señales erróneas. El uso del ordenador permite resolver este inconveniente al almacenar el perfil ultrasónico del lecho del sólido e interpretarlo para obtener el nivel correcto del sólido, además de proporcionar características de autocomprobación del instrumento de medida. El medidor de nivel de ultrasonidos tiene una precisión que varía de ± 0.15% a ±1%, puede construirse a prueba de explosión y trabajar a temperaturas de hasta 150 °C. Medidor de nivel de radiación o radios gamma El medidor de nivel de radiación es parecido al instrumento utilizado en la determinación del nivel de líquidos. Consiste en una fuente radiactiva de rayos gamma, dispuesta al exterior y en la parte inferior del tanque, que emite su radiación a través del lecho de sólidos siendo captada por un detector exterior. El grado de radiación recibida depende del espesor de sólidos que se encuentra entre la fuente y el receptor. La fuente radiactiva y el receptor pueden disponerse también en un plano horizontal, en cuyo caso el aparato trabaja como detector continuo todo-nada. El instrumento puede trabajar a altas temperaturas hasta unos 1300 °C, presiones máximas de 130 bar, en materiales peligrosos o corrosivos, no requiere ninguna abertura o conexión a través del tanque y admite control neumático o electrónico. Su precisión es de ± 1 % y su campo de medida de 0.5 por cada fuente, pudiendo emplearse varias para aumentar el intervalo de medida del nivel. Uno de sus inconvenientes es que es un sistema de coste elevado que necesita una supervisión periódica desde el punto de vista de seguridad, debe calibrarse para cada tanque y no puede aplicarse a materiales a los que afecte la radiactividad.

Medidor de nivel de báscula Una báscula es un instrumento para medir y equilibrar fuerzas (pesos), y comprende una serie de elementos esenciales tales como un medio por el cual se puede tomar y soportar la carga, que por lo general es un tanque, una plataforma, un gancho u otro método conveniente para contener la carga; un procedimiento para transmitir el peso de la carga a la fuerza equilibradora y un procedimiento para producir una fuerza suficiente para equilibrar la carga e indicar ese equilibrio. El medidor de nivel de báscula, representado en la mide el nivel de sólidos indirectamente a través del peso del conjunto tolva más producto. Como el peso de la tolva es conocido, es fácil determinar el peso del producto y por lo tanto, el nivel. La tolva se apoya en una plataforma...