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Technical Documents - Documentos Técnicos: Instrumentación industrial. Sensores de nivel.

Medición de nivel

Las demandas de sofisticados sistemas automatizados de procesamiento, la necesidad de control de procesos cada vez más especializada, y un entorno regulatorio cada vez más estricto lleva a los ingenieros de proceso a buscar sistemas de medición de nivel más precisos y fiables. La mejora en la precisión de la medición de nivel hace que sea posible reducir la variabilidad química-proceso, resultando en una mayor calidad del producto, coste reducido, y menos residuos. Las reglamentaciones, especialmente las que regulan los registros electrónicos, establecer requisitos estrictos para la precisión, fiabilidad y la notificación electrónica. Las tecnologías de medición más reciente de nivel ayudan a cumplir estos requisitos.

La medición del nivel puede definirse 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. Tal interfase puede existir entre un líquido y un gas, entre dos líquidos, entre un sólido granulado o sólido fluidizado y un gas, o entre un líquido y su vapor. Existen muchas situaciones en la industria petrolera donde estas interfases deben ser establecidas dentro de límites específicos, por razones de control del proceso o de la calidad del producto. Hay una gran variedad de técnicas por medio de las cuales se puede medir el nivel de líquidos o sólidos en equipos de procesos. La selección de la instrumentación adecuada depende de la naturaleza del proceso; del grado de exactitud y control requeridos y del aspecto económico. Es muy importante que el usuario conozca los diferentes medidores disponibles, para que así pueda hacer una selección apropiada. A continuación se describen los principales métodos e instrumentos utilizados en la medición de nivel.

Tipos de instrumentos para medir nivel

El dispositivo de medición de nivel industrial más simple y más antiguo es, por supuesto, la mirilla de vidrio. Siendo una aproximación manual para la medición, las mirillas siempre han tenido una serie de limitaciones. El material utilizado para su transparencia puede sufrir daños catastróficos, con el consiguiente riesgo ambiental, condiciones peligrosas para el personal, y / o incendio y explosión. Los sellos son propensos a tener fugas, y la acumulación de materia, si está presente, oscurece el nivel visible. Se puede afirmar sin reservas que las mirillas o visores convencionales son el eslabón más débil de cualquier instalación. Por tanto, están siendo rápidamente reemplazadas por tecnologías más avanzadas.

Otros dispositivos de detección de nivel incluyen aquellos basados ​​en el peso específico, la propiedad física más utilizada para detectar la superficie de nivel. Un flotador sencillo que tenga una gravedad específica entre la del fluido de proceso y el vapor del espacio superior flotará en la superficie, siguiendo con precisión sus elevaciones y descensos. Las mediciones de altura hidrostática también han sido ampliamente utilizadas para detectar el nivel.

Cuando principios físicos más complejos están involucrados, las tecnologías emergentes a menudo usan las computadoras para realizar los cálculos. Esto requiere el envío de datos en un formato legible por la máquina desde el sensor hasta el sistema de control o de vigilancia. Formatos útiles de señal de salida del transductor hacia la automatización informática son los lazos de corriente, tensiones analógicas y señales digitales. Los voltajes analógicos son fáciles de configurar y manejar, pero pueden tener problemas de ruido e interferencias graves. Los lazos de corriente de 4-20 mA (donde la corriente del lazo varía con la medición de nivel) son el mecanismo de salida más común hoy en día. Los lazos actuales pueden transportar señales a distancias más largas con menos degradación. Las señales digitales codificadas en cualquiera de una serie de protocolos (por ejemplo, Foundation Fieldbus , Hart , Honeywell DE, Profibus y RS- 232 ) son las más robustas, pero las tecnologías más antiguas, como RS- 232 pueden manejar sólo distancias limitadas . Se pueden encontrar nuevas capacidades inalámbricas en las señales de los últimos transmisores, permitiéndoles que se envíen a través de enormes distancias, prácticamente sin degradación.

En cuanto a las tecnologías más avanzadas de medición (por ejemplo, ultrasonidos, radar y láser), los formatos de codificación digitales más sofisticados requieren inteligencia de computadora digital para dar formato a los códigos. La combinación de este requisito con la necesidad de capacidades avanzadas de comunicación y los sistemas de calibración digitales explica la tendencia hacia la incorporación de las computadoras basadas en microprocesadores en prácticamente todos los productos de medición de nivel .

Tecnologías de detección de nivel

A lo largo de este artículo vamos a suponer que la densidad del vapor en el espacio de cabeza (típicamente aire) será insignificante en comparación con la del fluido de proceso. Vamos a suponer también que sólo hay un fluido de proceso uniforme en el tanque. Algunas de estas tecnologías pueden ser utilizadas para aplicaciones de multinivel donde dos o más líquidos inmiscibles comparten un recipiente.

Al igual que otras variables de proceso, el nivel puede ser medido por métodos directos o métodos indirectos. Los métodos e instrumentos utilizados para medición de nivel pueden clasificarse de la siguiente manera:

  • Métodos visuales.
  • Instrumentos actuados por flotadores.
  • Desplazadores.
  • Instrumentos de nivel de tipo hidrostáticos.
  • Métodos electrónicos.
  • Métodos térmicos.
  • Métodos sónicos.
  • Instrumentos fotoeléctricos.
  • Instrumentos radioactivos.

La referencia plantea que los instrumentos de medición directa se dividen en:

  • Sonda
  • Cinta y plomada
  • Nivel de cristal
  • Instrumentos de flotador

Mientras que los instrumentos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática se dividen en:

Medidor manométrico Medidor de tipo burbujeo
Medidor de membrana Medidor de presión diferencial de diafragma

La citada referencia clasifica también a los instrumentos de medición de nivel según las características eléctricas del fluido en:

Medidor resistivo Medidor capacitivo Medidor de radiación
Medidor conductivo Medidor ultrasónico Medidor de láser

En las tablas 1 y 2 se presentan cuadros comparativos que sirven como una guía para la selección de medidores de nivel.

Tabla 1 Medidores de nivel de líquidos

Tabla 2 Características de los medidores de nivel de sólidos

Métodos visuales para medición de nivel

Los métodos visuales para medición de nivel son las más antiguas y simples. No tienen partes móviles, por lo tanto no están sujetas a fallas mecánicas. Entre estos tipos de medidores se pueden mencionar: los tubos de vidrio y las cintas graduadas.

a. Tubos de vidrio

Los medidores o tubos de vidrio pueden ser considerados como manómetros en los cuales el nivel alcanza la misma posición que el nivel dentro del envase. La simplicidad de este instrumento lo hace popular en aquellas aplicaciones donde se requiere una indicación local del nivel. Existen dos tipos de medidores: el tubo transparente y el de reflexión. El transparente se utiliza en servicios donde el material dentro del recipiente tiene color o es viscoso, para detección de interfase o cuando el fluido es corrosivo. En la figura siguiente se muestra un medidor de este tipo:

Figura - Tubo de vidrio transparente para indicación de nivel

El tubo tipo reflexión utiliza el fenómeno óptico de la refracción de la luz, que cambia la reflexión en el ángulo crítico de los rayos incidentes, figura siguiente. Cuando el tubo de reflexión está vacío, la luz incidente es reflejada desde las superficies prismáticas, haciendo que el vidrio tenga una apariencia plateada; a medida que el líquido sube en el vidrio, el ángulo crítico cambia debido a que el índice de refracción del líquido que sube, es diferente a la de los vapores encima de él. La luz visible es refractada en el fluido, haciendo que el vidrio se vea oscuro en la zona cubierta por el líquido. De esta manera, un tubo de reflexión que contiene líquido muestra una clara demarcación entre el área oscura del líquido y el área plateada del vapor encima del líquido.

Figura - . Fenómeno de refracción y reflexión y tubo de vidrio tipo reflexión

La figura anterior muestra un tubo de vidrio tipo reflexión. Estos medidores vienen en longitudes estándares. La máxima longitud está limitada a 1,8 m. (6 pies). Los tubos de vidrio tipo reflexión se utilizan principalmente para líquidos incoloros y no viscosos.

b. Cintas graduadas

Este método para medición de nivel consiste en una cinta graduada con una pesa que tiene una gravedad específica mayor que la del fluido que está siendo medido. La cinta se hace descender en el tanque que contiene el fluido y la superficie mojada de la cinta provee una indicación del nivel del líquido. Su aplicación está limitada a tanques abiertos a la atmósfera.

Flotantes.

Los flotantes funcionan basándose en el sencillo principio de colocar un objeto flotador con un peso específico intermedio entre el del fluido de proceso y el del vapor en el espacio de cabeza en el tanque, luego de conectar un dispositivo mecánico para leer su posición. El flotante se hunde en la parte inferior del espacio de cabeza de vapor y flota en la parte superior del fluido de proceso. Si bien el propio flotador es una solución básica para el problema de la localización de la superficie de un líquido, la lectura de la posición de un flotante (es decir, hacer una medición de nivel real) es todavía problemática. Los sistemas de flotación iniciales utilizaron componentes mecánicos como cables, cintas, poleas y engranajes para comunicar nivel. Los flotantes equipados con un imán son muy populares hoy en día.

Los primeros transmisores de nivel a flotante proporcionaban una medición de nivel discreta o analógica  simulada usando una red de resistencias y múltiples interruptores de láminas (reed switch), lo que significaban  cambios en pasos discretos de salida del transmisor. A diferencia de los dispositivos de nivel de medición continua, aquellos no pueden discriminar los valores de nivel entre los pasos.

 

Los instrumentos de medición de nivel constituidos por flotadores, operan por el movimiento del flotador. El principio básico de flotación establece que “un cuerpo (flotador), sumergido en un líquido es empujado hacia arriba por una fuerza que es igual al peso del líquido desplazado”, la ecuación utilizada para determinar la fuerza de flotación disponible es:

El flotante se mueve hacia arriba y hacia abajo con los cambios en el nivel del líquido. Este movimiento del flotador puede ser transformado por diversos medios en una acción de indicación, registro o control. Generalmente son utilizados para medir interfases líquido-gas y líquido-líquido.

Comercialmente existe una gran variedad de estos instrumentos utilizados en aplicaciones de nivel de líquido. Los más comunes son los flotadores horizontales y los flotadores verticales. El diseño mostrado en la figura siguiente permite que el movimiento del flotador pueda ser usado para operar un interruptor (switch) neumático o eléctrico.

Figura - Instrumento de medición de nivel de tipo flotador

Figura - Interruptor magnético activado por flotador

Fig. - Sensor flotante de nivel de líquido

 

Fig. - Sensor flotante de nivel de líquido

. Sensores de nivel - Level Sensors

Los ejemplos anteriores utilizan un mecanismo de multiplicación de la fuerza (palanca), de esta manera, un flotador pequeño puede ser utilizado en aplicaciones de baja gravedad específica. Cambiando o ajustando la longitud de la palanca, se regula el rango de medición.

La figura anterior muestra un instrumento constituido por un flotador y una cinta que acciona un indicador y un contador. Un motor mantiene una tensión constante sobre la cinta. Este mecanismo puede ser equipado con interruptores por alto y bajo nivel para activar alarmas, reguladores (relés), válvulas, solenoides y otros equipos.

Existen otros sistemas como el mostrado en la figura en el cual se hace uso de fuerzas magnéticas para detectar la posición del flotador.

Como se muestra en la figura anterior un flotador posiciona un pistón magnético conectado al brazo del flotador. Fuera de la cámara donde se mueve el flotador existe un imán permanente conectado a un brazo pivote montado con un interruptor. El movimiento del flotador hace que el pistón magnético pueda abrir y cerrar el interruptor, ya que este se mueve por la acción del pistón magnético sobre el imán. Este tipo de instrumento se utiliza en aplicaciones del nivel límite de líquidos, para producir señales de alarma, o control del tipo ON-OFF.

Estos flotadores de movimiento vertical, prácticamente se mueven la misma distancia que se mueve el nivel del líquido. Debido a esto normalmente se emplean en aplicaciones de alarmas por alto o bajo nivel.

El montaje de este tipo de sensor puede hacerse directamente sobre el recipiente o utilizando una jaula o cámara, en el cual se encuentra el flotador, y que puede ser conectada al recipiente por medio de bridas. La figura siguiente muestra diferentes esquemas de conexión.

Los interruptores de nivel activados por flotadores son los dispositivos electromecánicos más ampliamente utilizados en la detección de nivel de líquido. El mantenimiento de estos equipos es sencillo, son altamente confiables y utilizan una propiedad del líquido que generalmente es constante en la mayoría de las aplicaciones.

Ventajas y desventajas: la aplicación de flotadores para medición y control de nivel del líquido presenta algunas ventajas y desventajas, mencionadas a continuación:

Ventajas:

  • Fácil instalación.
  • Método de medición probado y confiable.
  • No requiere calibración.
  • Adecuado para aplicaciones en altas temperaturas, hasta 530 °C.
  • Adecuado para aplicaciones de altas presiones, hasta 5.000 psig.
  • Turbulencia y espuma en la superficie del líquido no afectan de manera significativa la medición.

Desventajas:

  • El encostramiento o depósitos de materiales sobre el flotador pueden impedir la operación de algunos flotadores.
  • La exactitud normalmente esta limitada a 1¼”.
  • No son adecuados para aplicaciones de líquidos viscosos.
  • Las partes móviles están sujetas a desgastes requiriendo mantenimiento frecuente.

 

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