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

Medición de nivel

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

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.

Flotadores

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 flotador 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.

Desplazadores

La operación del desplazador está basada en el principio de Arquímedes, el cual establece que un cuerpo sumergido en un líquido será empujado hacia arriba por una fuerza igual al peso del líquido que él desplaza.

Cuando aumenta el nivel del líquido en el recipiente, el desplazador pierde peso (este peso es igual al peso del líquido desplazado). Para relacionar la pérdida de peso del desplazador con el nivel del líquido en el recipiente, normalmente se utilizan dos tipos de mecanismos. Uno de ellos utiliza una barra de torsión sobre la cual está soportado el desplazador. La pérdida de peso del desplazador, por efecto del aumento del nivel en el recipiente, hace que varíe la fuerza ejercida sobre la barra de torsión, produciéndose en esta un movimiento de rotación proporcional al cambio, en el nivel de líquido. La conversión del movimiento de rotación en la barra de torsión, en una señal proporcional a la variación del nivel, puede hacerse neumática o electrónicamente.

El otro mecanismo utiliza un resorte sobre el cual está soportado el desplazador. A medida que el desplazador pierde peso, la fuerza ejercida sobre el resorte disminuye haciendo que este se mueva.

Tal movimiento se utiliza para producir una señal proporcional al nivel o para activar un interruptor. La fórmula utilizada para determinar el alcance (span) de la fuerza de flotación para aplicaciones de nivel de líquido es:

Los desplazadores se diferencian de los flotadores, debido a que en lugar de flotar sobre la superficie del líquido, están soportados por brazos que les permiten muy poco movimiento vertical a medida que el nivel cambia.

Todas las mediciones de nivel que utilizan desplazadores son de interfase, ya que la variable medida es el nivel entre dos medios que tienen diferente gravedad específica. La magnitud del movimiento del desplazador depende del cambio de interfase y de la diferencia de gravedad específica entre el medio superior e inferior.

En aplicaciones de nivel de líquido, la medición se realiza a medida que el líquido varía sobre la longitud total del desplazador. Las longitudes estándares de desplazadores van desde 0,3 hasta 3 metros (11,8 hasta 118 pulgadas). En aplicaciones de nivel de interfase, la medición se realiza a medida que el nivel de interfase entre dos líquidos inmiscibles de diferente gravedad específica, varía a lo largo de la longitud total del desplazador. Los desplazadores también pueden ser utilizados para medir densidad de líquidos; en este caso la medición se realiza con el desplazador completamente sumergido.

Figura - Interruptor de nivel tipo desplazador

Al igual que los flotadores, los desplazadores también se utilizan en aplicaciones de alarmas o control ON-OFF. En vez de un flotador que activa un interruptor en respuesta a un cambio en el nivel de líquido, los desplazadores se conectan a un resorte por medio de un cable de suspensión, tal como se muestra en la figura anterior. El cambio en la fuerza ejercida sobre el resorte, debido a la pérdida de peso del desplazador, activa un interruptor; el cual a la vez activa una alarma o arranca o para una bomba. También existen configuraciones de interruptores dobles o triples con los cuales se pueden controlar más de una bomba o configurar más de un punto de alarma.

Los sensores de nivel de tipo desplazador pueden ser instalados directamente sobre el recipiente, o en forma lateral utilizando una jaula o cámara dentro de la cual se coloca el desplazador. Esta jaula se conecta, por medio de bridas, al tanque en forma similar como el caso de los flotadores.

Ventajas y desventajas: las ventajas y desventajas en la aplicación de desplazadores para medición de nivel son las siguientes:

Ventajas:

  • Instalación sencilla.
  • Principio de operación confiable y probado.
  • Calibración ajustable en campo.
  • Permite medición continua.
  • Capacidad para trabajar a altas presiones y temperaturas (5.000 psig/540°C).
  • No lo afectan la turbulencia ni la espuma.

Desventajas:

  • Es afectado por depósitos de materiales sobre el desplazador.
  • La exactitud normalmente está limitada a ±1/4”.
  • No es apropiado para líquidos viscosos.
  • Partes móviles sujetas a desgastes.
  • La medición es afectada por los cambios en la gravedad especifica del fluido.

Aplicaciones:

  • Medición de nivel de líquidos de gravedad específica constante.
  • Medición de interfase líquido-líquido.
  • Control de bombas.
  • Interruptores para señal de alarma.

La figura siguiente se muestra algunas aplicaciones de los desplazadores.

Figura - Aplicaciones de uso de los desplazadores

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