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

Instrumentos de nivel de tipo hidrostático

En los instrumentos de nivel de tipo , el nivel se mide por medio del peso que ejerce una columna de líquido sobre el sensor de presión. La siguiente relación define la medición de presión debido a una columna de líquido, la cual puede ser convertida a altura del nivel sobre una línea de referencia determinada:

En este caso se supone que la densidad del líquido es constante, sin embargo, las variaciones en la temperatura pueden afectar considerablemente la densidad del líquido afectando la exactitud de la medición.

El método más común para medir nivel con sensores de tipo , es utilizando transmisores de diferencial de presión (D/P cell), o transmisores de presión manométrica (gage). En los de diferencial de presión, la presión ejercida por la columna de líquido actúa sobre una celda de diferencial de presión, cuyo movimiento es utilizado para transmitir una señal neumática o electrónica proporcional a la altura del nivel. En la figura siguiente se muestran unas celdas de diferencial de presión. Éstos transmisores tienen precisiones que van de +0,2% a +0,25% del alcance (span).

Se utilizan diferentes métodos para convertir la señal de presión hidrostática en una señal electrónica proporcional al nivel en el recipiente.

Figura - . Aplicaciones de uso de los transmisores de

En el ejemplo de la figura siguiente, se utiliza una celda de capacitancia que detecta los cambios en la presión hidrostática producidos por cambios en el nivel del recipiente.

Figura - Corte de un módulo sensor (celda de )

Fig. - diferencial completo y su despiece, donde se observa la bornera de conexión del dispositivo.

Fig- Transmisor de presión .

Fig. - Transmisor de presión diferencial

Fig. - Transmisor de presión diferencial

 

Figura -. Arquitectura de un sistema de medición de un tanque

a. Aplicación de transmisores de nivel

Los transmisores de presión manométrica o diferencial, utilizados para medir nivel de líquido, miden la presión hidrostática. Esta presión es igual a la altura del líquido sobre la conexión o toma multiplicada por la gravedad específica del líquido y es independiente del volumen o forma del recipiente.

Aplicación para Tanques Abiertos:

En tanques abiertos, un instalado cerca del fondo del tanque medirá la presión correspondiente a la altura del líquido sobre él. La conexión se hace en el lado de alta presión del transmisor. El lado de baja presión del transmisor se ventea a la atmósfera. Si el transmisor está por debajo del valor inferior del rango del nivel deseado; entonces debe hacerse una supresión de cero.

Aplicación para Tanques Cerrados:

En tanques cerrados, la presión encima del líquido afecta la presión medida en el fondo. La presión en el fondo del tanque es igual a la altura del líquido multiplicada por su gravedad específica, más la presión en el tanque. Para medir el nivel real, la presión del tanque debe restársele a la medición. Esto se hace colocando una toma de presión en el tope del tanque y conectándola al lado de baja presión del transmisor. De este modo, la presión del tanque se aplica igualmente en los lados de alta y baja presión del transmisor. La presión diferencial resultante es proporcional a la altura del líquido multiplicada por la gravedad específica.

Cuando el gas que está sobre el líquido en el recipiente, puede condensar a la temperatura y presión de operación, en la tubería de la toma de baja presión el transmisor se llenará lentamente de líquido, produciendo un error en la medición. Para eliminar este error potencial, la tubería se llena con un fluido de referencia. El fluido de referencia producirá una presión sobre el lado de baja presión del transmisor, haciendo necesario realizar una elevación de cero.

b. Otros métodos hidrostáticos

El Método de Burbujeo utiliza la variación de presión hidrostática causada por la columna de líquido.

Dentro del recipiente cuyo nivel se quiere medir, se instala una tubería vertical. El extremo abierto de la tubería se hace coincidir con el punto de “nivel cero”, tal como se muestra en la figura siguiente. El otro extremo de la tubería se conecta a una fuente de aire regulada y a un medidor de presión. Cuando se va a realizar una medición de nivel, el aire de alimentación se ajusta de modo que la presión sea ligeramente superior que la presión ejercida por la columna de líquido. Esto se consigue regulando la presión del aire hasta que se observan burbujas saliendo del extremo de la tubería colocado dentro del recipiente. La presión indicada por el medidor está relacionada con el nivel a través de la ecuación :

Figura - Método de burbujeo para medición de nivel

El método de burbujeo es útil en aquellas aplicaciones donde los líquidos son corrosivos o tienen sólidos suspendidos. Provee indicación local, es fácil de instalar y económico. Debe ser utilizado en aplicaciones de líquidos de gravedad específica constante y donde no se requiera una gran exactitud.

Métodos electrónicos para medir nivel

Las técnicas electrónicas para medición de nivel están basadas en los principios de capacitancia, conductividad y resistencia.

Estos principios pueden ser aplicados para medir nivel de líquidos o sólidos. La selección del principio de medición depende del medio a ser medido, de las condiciones de operación, de la configuración del recipiente y del tipo de funcionamiento requerido (control, alarma, indicación).

a. Sensores de nivel de tipo capacitivo

La base de este método de medición radica en las características físicas de un condensador. La capacitancia de un condensador depende de la separación entre los electrodos o placas "d"; de su superficie "A" y de la constante dieléctrica del material entre las placas "E".

Un sensor de nivel tipo capacitivo sirve para medir el nivel de la mayoría de los líquidos y sólidos. El sensor está constituido por un electrodo o probeta de capacitancia que se introduce en el tanque. El cambio en la capacitancia, producido por un aumento o disminución del nivel en el recipiente, se mide utilizando la probeta de capacitancia, la cual está conectada a un circuito electrónico, que puede ser un interruptor de nivel para control ON-OFF, o un transmisor de nivel para medición de nivel continuo. Si el líquido es no conductor, el capacitor está formado por la probeta de capacitancia (electrodo primario) y la pared del tanque, los cuales conforman las placas del capacitor.

El líquido cuyo nivel se quiere medir actúa como el dieléctrico. A medida que el líquido sube entre el espacio de las dos placas, se produce una variación en la capacitancia la cual se monitorea y se utiliza para dar una señal proporcional al nivel. En esta aplicación de líquidos no conductores la probeta de capacitancia debe estar aislada eléctricamente del tanque.

Si el líquido es conductor, la probeta de capacitancia o electrodo primario se aísla eléctricamente del tanque y del líquido, generalmente se utiliza una cubierta de teflón sobre el electrodo. En este caso, el líquido actúa como la segunda placa del capacitor y el aislante sobre el electrodo primario actúa como el dieléctrico.

Los problemas más comunes que se presentan con este tipo de medidores son: instalación incorrecta, encostramiento de la probeta, pérdida del aislante y falsa señal causada por espuma.

La figura siguiente muestra los componentes y algunas aplicaciones de los sensores de nivel capacitivo.

Figura - Componentes de un sensor capacitivo

Ventajas y desventajas: las ventajas y desventajas más importantes en la aplicación de sensores de nivel Capacitivos son:

Ventajas:

  • Requieren mínimo mantenimiento.
  • Pueden ser utilizados para medición continua o puntual.
  • Valor deseado o Set Point ajustable.
  • Compatible con gran cantidad de líquidos, polvos, sólidos, lodos; materiales conductivos y no conductivos.
  • Resistente a la corrosión con la probeta adecuada.
  • Se ajustan a cualquier tipo de recipiente.

Desventajas:

  • Cambios en la constante dieléctrica del material, causan errores en la señal.
  • Normalmente requieren calibración en campo.
  • Depósito de materiales altamente conductores sobre la probeta, pueden afectar la exactitud y la repetibilidad.

b. Sensores de nivel de tipo conductivo

Los sensores de nivel de tipo conductivo pueden ser utilizados para dar señales de alarma por alto y bajo nivel. Su aplicación está limitada a líquidos altamente conductores tales como materiales a base de agua.

La figura siguiente ilustra la aplicación de un de tipo conductivo.

Figura - de tipo conductivo

El sistema consiste en instalar electrodos en el tanque en los puntos de detección de nivel, pero aislados eléctricamente del tanque y alimentados con una fuente de bajo voltaje. Cuando el líquido en el recipiente se pone en contacto con el electrodo, fluye una corriente de bajo voltaje entre éste y la pared del tanque.

La resistencia eléctrica se mide utilizando un puente de Wheatstone. La resistencia es alta (> 1 M ohm) cuando el tanque está vacío, pero tan pronto como el líquido conductor toca la probeta, la resistencia disminuye. Este cambio en la resistencia se amplifica y se utiliza para operar un relé.

Los sensores de nivel de tipo conductivo también pueden aplicarse para medir el nivel de interfase entre dos líquidos, uno de los cuales debe ser conductor. Ejemplo: Interfase aceite - agua.

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