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

Instrumentos de nivel de tipo hidrostático

 

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.

Los desplazadores, medidores de nivel tipo burbujeador, y transmisores de presión diferencial son todos dispositivos de medición hidrostática. Cualquier cambio en la temperatura causará, por lo tanto, un cambio en la gravedad específica del líquido, de la misma manera que los cambios en la presión afectan a la gravedad específica del vapor sobre el líquido. Ambos resultan en una menor precisión de la medición.

La medición de nivel determina la posición del nivel relativo a la parte superior o inferior del recipiente de almacenamiento de fluido de proceso. Una variedad de tecnologías se pueden utilizar, determinada por las características del fluido y sus condiciones de proceso.

Los desplazadores trabajan según el principio de Arquímedes (o sea, todo cuerpo sumergido, pierde de su peso el peso del volumen del líquido desalojado). Como se muestra en la figura siguiente, una columna de material sólido (el desplazador) se suspende en el recipiente. La densidad del desplazador es siempre mayor que la del fluido de proceso (se hundirá en el fluido de proceso), y debe extenderse desde el nivel más bajo requerido hasta al menos el nivel más alto a medir. A medida que el nivel del líquido de proceso se eleva, la columna desplaza un volumen de líquido igual al área de sección transversal de la columna multiplicado por el nivel de líquido de proceso en el desplazador. Una fuerza de empuje de flotación igual a este volumen desplazado, multiplicada por la densidad del fluido del proceso actúa hacia arriba sobre el desplazador, reduciendo la fuerza necesaria para sostenerlo contra la fuerza de gravedad. El transductor, que está unido al transmisor, supervisa y relaciona este cambio en la fuerza con el nivel.

Los indicadores de nivel por desplazamiento operan sobre el principio de Arquímedes. La fuerza necesaria para soportar una columna de material (desplazador) disminuye por el peso del fluido de proceso desplazado. Un transductor de fuerza mide la fuerza y la informa como una señal analógica.

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.

Figura - Aplicaciones de uso de los desplazadores

 

Sensores de presión diferencial

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.

La medida esencial es la diferencia entre la presión total en la parte inferior del tanque (presión de carga hidrostática de la presión del fluido más la presión estática en el recipiente) y la presión estática o cabeza en el recipiente. Al igual que con el burbujeador, la diferencia de presión hidrostática es igual a la densidad del fluido del proceso multiplicado por la altura del fluido en el recipiente. La unidad en la figura utiliza la presión atmosférica como referencia. Un respiradero en la parte superior mantiene la presión del espacio de cabeza igual a la presión atmosférica.

En contraste con los burbujeadores, los sensores de DP se pueden utilizar en tanques sin ventilación (presurizados). Todo lo que se necesita es conectar el puerto o tomamuestras de referencia (el lado de baja presión) a un puerto en el tanque por encima del nivel de llenado máximo. Purgas de líquidos o burbujeadores todavía pueden ser necesarios, dependiendo de las condiciones físicas del proceso y / o de ubicación del transmisor con respecto a las conexiones de proceso.

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 (ver también REDES MODBUS)

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.

Un sensor de nivel de tipo burbujeador se muestra en la figura siguiente. Esta tecnología se utiliza en tanques que operan a presión atmosférica. Un tubo de inmersión que tiene su extremo abierto cerca del fondo del recipiente transporta un gas de purga (típicamente aire, aunque un gas inerte tal como nitrógeno seco puede ser utilizado cuando hay peligro de contaminación  o de una reacción oxidativa con el fluido de proceso) en el tanque.

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 :

A medida que el gas fluye hacia abajo a la salida del tubo de inmersión, la presión en el tubo se eleva hasta que se supera la presión hidrostática producida por el nivel de líquido en la salida. Esa presión es igual a la densidad del fluido del proceso multiplicado por su profundidad desde el extremo del tubo de inmersión hasta la superficie y es controlada por un transductor de presión conectado al tubo.

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.

Celdas de carga

Un dispositivo medidor de celda o célula de carga o tensión (strain gage) es esencialmente un elemento de soporte mecánico o abrazadera equipada con uno o más sensores que detectan pequeñas distorsiones en el elemento de soporte. A medida que la fuerza sobre las celdas de carga cambia, el soporte se flexiona ligeramente, causando cambios en la señal de salida. Celdas de carga calibradas se han hecho con capacidades de fuerza que van desde fracciones de gramos hasta toneladas.

Para medir el nivel, la celda de carga debe ser incorporada en la estructura de soporte del tanque. A medida que el fluido de proceso llena el recipiente, la fuerza sobre la celda de carga  aumenta.  Conociendo la geometría del tanque ( específicamente, su área de sección transversal ) y la gravedad específica del fluido, es una cuestión simple convertir la salida conocida de la celda de carga en valor de nivel de fluido .

Mientras que las celdas de carga son ventajosas en muchas aplicaciones debido a su naturaleza sin contacto, éstas son caras y la estructura de soporte del recipiente y tuberías de conexión deben estar diseñadas en torno a los requisitos de la celda de carga de acuerdo a una subestructura flotante. El peso total del tanque, tuberías, y la conexión de la estructura soportada por el tanque serán pesados por el sistema de celda de carga, además del peso neto o peso del producto. Este peso total crea a menudo una muy mala cobertura al peso neto, lo que significa que el peso neto es un porcentaje muy pequeño del peso total. Por último, el crecimiento de la estructura de soporte, causado por el calentamiento desigual (por ejemplo, por el sol de la mañana a la tarde ) se puede reflejar como nivel, al igual que la carga lateral, carga de viento, tubos rígidos, y la unión de hardware de prevención de vuelco ( para celdas de carga de montaje inferior ). En resumen, los requisitos del sistema de pesado mediante  celdas de carga deben ser una consideración primordial en todo diseño inicial de apoyo y de tuberías del tanque, o el rendimiento se degradará rápidamente.

Figura : Diferentes tipos de celdas de carga

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