INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

Ing. Venegas Estrada Alfredo

MEDIDORES DE NIVEL

Flores Reyes Ricardo Ernesto

6to sem. Grupo 1

26 de febrero del 2mil13

ÍNDICE

INTRODUCION 3MEDICION DE NIVELES 3MEDICION DE LIQUIDOS 3INSTRUMENTOS DE MEDIDA DIRECTA 3Medidor de Sonda 4Nivel de Cristal 5Instrumentos de Flotador 6Flotador de Conexión Directa 6Flotador Acoplado Magnéticamente 6Flotador Acoplado Hidráulicamente 6INSTRUMENTOS BASADOS EN LA PRESION HIDROSTATICA 7Medidor Manométrico 8 Medidor de tipo burbujeo 8 Medidor de Presión Diferencial 9INSTRUMENTO BASADO EN EL DESPLAZAMIENTO 13Medidor de nivel de Tipo Desplazamiento 14INSTRUMENTOS BASADOS EN CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL LÍQUIDO 15Medidor de Nivel Conductivo 15Medidor de Capacidad 16Sistema Ultrasónico de Medición de Nivel 18 Sistema de Medición por Rayos Gamma o Radiactivo 19Medidor Láser 20 MEDICIÓN HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA 22 MEDICIÓN ELECTRICA 23 PRINCIPIO DE LA VARIACIÓN DE CAPACIDAD 23MEDICIÓN POR ULTRASONIDO  24 MEDICIÓN POR RADIACIONES GAMMA  24

CONCLUSIÓN 24

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INTRODUCCIÓN

MEDICION DE NIVEL 

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. La medida del nivel puede ser necesaria con mucha o poca precisión, con indicación del nivel instantáneo o con registro continuo de la medida, con medición local o transmisión a distancia de unos centenares o miles de metros. Forzosamente nos limitamos a dar una breve idea de los instrumentos más importantes, relegando su estudio más detallado a los manuales de instrumentación.    

MEDIDORES DE NIVEL DE LÍQUIDOS

La medida del nivel de los líquidos es una de las mediciones fundamentales que se encuentran con más frecuencia en las industrias químicas. El conocimiento del nivel de un líquido dentro de un recipiente puede necesitarse simplemente para comprobar la cantidad de material en existencia, para determinar la cantidad de líquido que se suministra a un proceso, o bien puede ser la medición primaria en un sistema de regulación destinado a mantener el nivel en un recipiente que forma parte de un proceso continuo. Un factor importante es la forma del recipiente en el cual se debe medir el nivel del líquido. El grado de exactitud depende de la forma del recipiente, ya que en un recipiente alto y de pequeño diámetro puede medirse más exactamente que otro aplanado y de diámetro grande. Recíprocamente, cuando hay que regular el nivel de un líquido, quizá sea conveniente tener un recipiente de gran sección transversal horizontal, ya que esto proporcionará capacidad de regulación al sistema. Evidentemente, la forma del recipiente no sólo influirá sobre la sensibilidad del instrumento medidor del nivel del líquido en las cuantificaciones de volúmenes, sino también habrá de tenerse en cuenta en la elección del tipo de instrumento más conveniente para el caso. El nivel de los líquidos puede determinarse empleando diversos instrumentos de medición, que a continuación se detallan.

INSTRUMENTOS DE MEDIDA DIRECTA

Los instrumentos de medida directa son aquellos que trabajan midiendo directamente la altura de un líquido sobre una línea de referencia. Los principales instrumentos de medida directa son el medidor de sonda, nivel de cristal e instrumentos de flotador. Tubo de vidrio provisto de escala conectado al recipiente (vasos comunicados) En un recipiente a presión este método no sería aplicable. En este caso puede medirse el nivel mediante un flotador que acciona una aguja indicadora por el procedimiento desarrollado por la firma Siemens und Haslske AG Alemania, que se representa esquemáticamente en la figura 2.1.1. El aparato, que se relaciona con el esquema en lafigura 2.1.4, consta de un manómetro diferencial de flotador. Sobre la columna y por el otro el agua de otro depósito que puede ser el depósito de condensado mismo de la caldera. Al aumentar el nivel del agua en la caldera (o de cualquier otro líquido en un recipiente a presión) disminuye la diferencia de presiones, mientras que al disminuir dicho nivel aumenta ésta. La medida directa con flotador y transmisión por cadena a un disco graduado es muy utilizada en vertederos, exclusas, prensas, etc. El esquema puede verse en la figura2.1.3 y una fotografía de este instrumento puede verse en la figura 2.1.2. Amplitud de medida, hasta 20m.

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Figura 2.1.1 Medición de nivel con      Figura 2.1.2 Flotador para la medida        Figura 2.1.3 manómetro de flotador  de niveles

MEDIDOR DE SONDA

El medidor de sonda es un instrumento bastante simple para medir niveles, que consiste en una varilla o regla graduada de una longitud conveniente para ser introducida dentro de un depósito (figura 2.1.a). La determinación del nivel dentro del recipiente, se mide por lectura directa de la longitud de la varilla mojada por el líquido y es esencial que en el momento de la medición el tanque se encuentre abierto a presión atmosférica. 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. Otro tipo de medidor, consiste en una varilla graduada que en su extremo inferior posee un gancho que se sumerge en el seno del líquido contenido en el tanque. Luego, éste se levanta hasta que rompa la superficie del líquido, de modo que la distancia desde esta superficie hasta la parte superior del tanque represente, indirectamente, el nivel. Este instrumento se emplea, generalmente, en tanques de agua que se encuentran a presión atmosférica (figura 2.1.b) Un sistema parecido a los descritos anteriormente es el medidor de cinta graduada y plomada que se emplea cuando es difícil que la varilla o regla tenga acceso al fondo del tanque (figura2.1.c).

Figura 2.1. Medidor de Sonda

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NIVEL DE CRISTAL

El nivel de cristal consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloques metálicos y cerrados por prensaestopas, que están unidos al tanque, generalmente, mediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo, para impedir el escape del líquido en caso de rotura del cristal, y una de purga(figura 2.2) Dentro de los medidores de nivel de cristal podemos encontrar el medidor de nivel de cristal normal y el medidor de nivel de cristal con armadura. El primero, se emplea para presiones de hasta 7 bar (figura 2.2.a). Cuando las presiones son más elevadas que 7 bar, el cristal de este medidor es grueso, de sección rectangular y protegido por una armadura metálica (figura 2.2.b). 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 figura 2.2.c, 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. En la lectura de nivel por transparencia, el líquido está contenido entre dos placas de vidrio planas y paralelas que permiten ver directamente el nivel mejorando, de esta forma, la apreciación visual del color, características o interfase del líquido, al acoplar una lámpara de iluminación al sistema. Para mayor seguridad, las válvulas de cierre incorporan una pequeña bola que actúa como válvula de retención en caso de rotura del vidrio. 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. Por otro lado, el nivel de vidrio permite sólo una indicación local, pero pueden emplear espejos para lectura a distancias limitadas o bien, utilizar cámaras de televisión para mayores distancias de transmisión.

Figura 2.2. Nivel de Cristal.

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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 (figura2.3.a). 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

Se ha desarrollado una gran variedad de medidores de nivel activados con flotador, que transmiten el movimiento de éste por medio de un acoplamiento magnético. 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 (figura 2.3.b). 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. El flotador y el tubo de guía, que están en contacto con el fluido que se está midiendo, se producen en una gran variedad de materiales, tomando en cuenta condiciones de resistencia a la corrosión y para soportar altas presiones o vacío. En tanques pequeños, el flotador puede adaptarse para actuar magnéticamente sobre un transmisor neumático o eléctrico (figura 2.3.c) dispuesto en el exterior del tanque que capta la variable de proceso, nivel, y la transmite a distancia hacia el instrumento indicador, permitiendo así un control de nivel. Una aplicación típica la constituye el control de nivel de una caldera de pequeña capacidad de producción de vapor. En el caso específico del transmisor neumático, convierten el movimiento del elemento de medición en una señal neumática que se transmite, como se dijo anteriormente, hacia el instrumento indicador. Los transmisores electrónicos 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. 

FLOTADOR ACOPLADO HIDRÁULICAMENTE

El flotador acoplado hidráulicamente (figura 2.3.d) 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.

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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.

Figura 2.3. Instrumentos de Flotador.

INSTRUMENTO BASADOS EN LA PRESION HIDROSTATICA

Estos instrumentos miden el nivel de un líquido aprovechando la presión hidrostática. Entre ellos,

podemos mencionar el medidor manométrico, el medidor de tipo burbujeo y el medidor de presión

diferencial.   

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MEDIDOR MANOMÉTRICO

El medidor manométrico (figura 2.4) consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque, donde además pueden observarse varios accesorios como son una válvula de cierre para el mantenimiento del líquido, y un pote de decantación con una válvula de purga. El manómetro mide la presión debida a la altura h que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. De este modo, el campo de medida del instrumento corresponderá a  0 - h · g · g  pascal,  donde h es la altura del líquido, g  su densidad en kg/cm3 y g la aceleración de la gravedad (9.8 m/s2). Como las alturas son limitadas, el campo de medida es bastante pequeño, de modo que el manómetro utilizado tiene un elemento de medida del tipo fuelle, el cual es utilizado frecuentemente para la medición de presiones bajas. Este instrumento sólo sirve para fluidos limpios ya que si el líquido es corrosivo, coagula o bien tiene sólidos en suspensión, el fuelle puede destruirse o bien bloquearse perdiendo su elasticidad. Por otro parte, la medida está limitada a tanques abiertos y el nivel viene influido por las variaciones de densidad del líquido. Una variante emplea un transductor de presión suspendido de la parte superior del tanque e inmerso en el líquido, transmitiendo la señal a través de un cable que acompaña al de suspensión.

Figura 2.4. Medidor Manométrico.

MEDIDOR DE TIPO BURBUJEO

Los sistemas de burbujeo (o de purga continua) realizan la medición de nivel determinando la presión requerida para que un flujo constante de aire venza la presión hidrostática de un líquido. Al salir el aire, lo hace a manera de burbujeo, de ahí el nombre del sistema. El medidor de tipo burbujeo es el más flexible y generalmente utilizado. Este instrumento coloca un tubo sumergido en el líquido, a través del cual se hace burbujear aire mediante un rotámetro con regulador de caudal incorporado (figura 2.5), que permite mantener un caudal de aire constante a través del líquido, independientemente del nivel. Si no existiera, habría una gran diferencia en los caudales de aire necesarios desde el nivel mínimo al máximo, produciéndose un gasto de aire indebido. La tubería empleada suele ser de ½ pulgada con el extremo biselado para una fácil formación de las burbujas de aire.Un rotámetro es un medidor de caudal de área variable, en los cuales un flotador cambia su posición dentro de un tubo, proporcionalmente al flujo del fluido. Cuando las burbujas escapan del tubo, la presión del aire en el interior de la tubería, medido mediante un manómetro de fuelles, corresponde a la presión máxima ejercida por el líquido. Por lo tanto, si se mide la presión dentro del tubo, se obtiene la medición de nivel. De hecho, la ubicación o elevación del extremo del tubo de burbujas se convierte en el nivel de medición cero. Por ejemplo, si se sumerge un tubo de

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burbujas en un tanque a 3.66 metros de la superficie del agua, se indicará una profundidad de 3.66 metros. Las velocidades de purga del tubo de burbujas son muy bajas. Mientras una burbuja escape periódicamente el sistema estará funcionando debidamente. Una velocidad común de purga es de 0.5 pies cúbicos de aire libre por hora.El  sistema también puede emplearse en tanques cerrados con dos juegos rotámetro-regulador y con las señales de aire conectadas a un transmisor de presión diferencial. Como es lógico, la presión del aire de purga debe ser superior a la presión interna del tanque. Cabe destacar que no sólo se puede utilizar aire como fluido de purga, sino también otro tipo de gases e incluso líquido. De hecho, algunos sistemas de purga utilizan nitrógeno que es uno de los que más se usan a presión. Un cilindro estándar de 110 pies cúbicos de nitrógeno para bombas de aceite comerciales puede proporcionar suficiente gas a presión para asegurar el funcionamiento del tubo de burbujas durante más de tres semanas.Además, el tubo debe tener una longitud adecuada para evitar que las variaciones bruscas del nivel introduzcan en su interior una cierta columna de líquido que retarde el paso del aire y falsee momentáneamente la lectura. El método de burbujeo es simple y da buen resultado, en particular, en el caso de líquidos muy corrosivos o con sólidos en suspensión y en emulsiones. No es recomendable su empleo cuando el fluido de purga perjudica al líquido, tampoco para fluidos altamente viscosos donde las burbujas formadas del aire o del gas de purga presentan el riesgo de no separarse rápidamente del tubo. Desde el punto de vista de su mantenimiento, es muy útil situar una T con un tapón en la parte superior del tubo para su limpieza periódica.

Figura 2.5. Medidor de Tipo Burbujeo.

MEDIDOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL

El medidor de presión diferencial consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque. En un tanque abierto, esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico (figura 2.6). Es decir, P = H · g · g, en la que P es la presión, H la altura del líquido sobre el instrumento, g  su densidad y g la aceleración de la gravedad. El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónico o digital de presión diferencial semejante a los transmisores de caudal de diafragma. En el tipo más utilizado, el diafragma está fijado en una brida que se monta rasante al tanque para permitir sin dificultades la medida de nivel de fluidos, tales como pasta de papel y líquidos con sólidos en suspensión, pudiendo ser incluso de montaje saliente para que el diafragma enrase (nivele) completamente con las paredes interiores del tanque (figura 2.7.b) tal como ocurre en el caso de líquidos extremadamente viscosos en que no puede admitirse ningún recodo (ángulo). Hay

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que señalar que el nivel cero del líquido se selecciona en un eje a la altura del diafragma. Si el instrumento se calibra en el tanque, el 0 % del aparato debe comprobarse con el nivel más bajo en el borde inferior del diafragma, ya que entre el borde inferior y superior del diafragma la señal de salida no está en proporción directa al nivel (figura 2.6.c). Otro tipo es el manómetro diferencial de la figura 2.6.b cuyo funcionamiento equivale al transmisor de diafragma. En el caso de que el tanque esté cerrado y bajo presión, el nivel no es un simple reflejo de la presión hidrostática. La determinación de la presión en un punto del líquido comprende tanto el peso o presión del líquido como la presión del gas o vapor que queda sobre el líquido del tanque cerrado. Es importante considerar que se debe corregir la indicación del aparato para la presión ejercida sobre el líquido, debiendo señalar que la lectura será muy poco precisa, si la presión es grande. A menudo, suele conectarse un tubo en la parte superior del tanque y medir la diferencia de presiones entre la toma inferior y la superior, utilizando transmisores de presión diferencial de diafragma tal como los representados en la figura 2.8 Cuando los gases o vapores encima del líquido son condensables, la línea desde la toma superior se llena gradualmente con el condensado hasta llenar todo el tubo, en cuyo caso la tubería dibujada a la derecha del transmisor de las figura 2.8.a y figura 2.8.b tendrá mayor presión que la tubería izquierda y, por lo tanto, habrá que cambiar las conexiones del instrumento ya que este indicará bajo cuando el nivel sea alto y viceversa. En efecto, según se puede ver en la figura 2.8.b, tenemos que P = (H - h)· g ,para h = 0 y p = H. De este modo el instrumento tendrá que estar graduado a la inversa, es decir, indicar 0% a 3 psi y 100% a 15 psi en un transmisor neumático, o bien señalar 0% a 4 mA y 100% a 20 mA en un transductor de señal de salida 4-20 miliamperios en corriente continua. Para corregir este inconveniente se utiliza un muelle llamado supresión que está aplicado a la barra de equilibrio de fuerzas del transmisor y que produce una fuerza igual a la diferencia entre el nivel máximo y el mínimo. Como es natural, puede ajustarse la tensión del muelle para cada caso particular (figura 2.9.a y figura 2.9.b). Algunos fluidos presentan el riesgo de depósito de cristales o de sólidos en la superficie del diafragma. En tal caso cabe la solución de emplear un diafragma recubierto de teflón para reducir el depósito gradual del producto. No obstante, como el movimiento del diafragma es muy pequeño y se considera el sólido algo flexible, continúa aplicándose la presión del líquido a todo el diafragma. Sin embargo, si parte del diafragma queda rígido, el instrumento, marcará de forma errática o permanentemente menos nivel del real. Este inconveniente se resuelve empleando un transmisor de nivel de presión diferencial con membranas de sello que responde a la presión transmitida en lugar de la fuerza creada por el líquido sobre la membrana. En tanques cerrados y a presión con líquido de vapor condensable existe el riesgo de obstrucción de la línea de compensación, en particular si el fluido no es limpio. Para evitarlo puede purgarse la línea con líquido o con gas, método que no se recomienda por los problemas de mantenimiento y la posible pérdida de precisión que presenta, o bien emplear un transmisor de presión diferencial unido con dos capilares a dos diafragmas conectados en la parte inferior y superior del tanque. En la figura 2.8.f puede verse un esquema de la instalación. Es importante que los dos diafragmas estén a la misma temperatura para evitar los errores en la medida que se presentarían por causa de las distintas dilataciones del fluido contenido en el tubo capilar. Si el tanque es elevado y el medidor se sitúa a un nivel muy inferior, la columna de líquido que va desde el nivel mínimo al medidor es mucho mayor que la propia variación del nivel, por lo cual, la apreciación del mismo se hace sobre una parte muy pequeña de la escala. Para corregir este inconveniente se utiliza un muelle llamado de elevación que, en forma similar al de supresión, está aplicado a la barra de equilibrio de fuerzas del transmisor y produce una fuerza que se ajusta igual a la de la columna de líquido citada. En la figura 2.9 se puede ver la disposición de los muelles de supresión y de elevación. El medidor de presión diferencial puede emplearse también en la medida de interfases. La amplitud de la medida vendrá dada por la diferencia de presiones sobre el diafragma del elemento, primero con el tanque lleno de líquido más denso y después con el líquido menos denso. La precisión de los instrumentos de presión diferencial es de ± 0.5 % en los neumáticos, ± 0.2 % a  ± 0.3% en los electrónicos, de ± 0.15 % en los inteligentes con señal de salida de 4-20 mA de corriente continua y de ± 0.1 % en los que se emplean en los tanques abiertos y cerrados a presión y a vacío.

Una de sus principales ventajas es que no tienen partes móviles dentro del tanque, son de fácil limpieza, precisos y confiables, admiten temperaturas del fluido hasta 120º C y no son influidos por las fluctuaciones de presión.

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Sin embargo, en tanques cerrados presentan el inconveniente de la posible condensación de los vapores del tanque en el tubo de conexión al instrumento. Este inconveniente se elimina fácilmente con el resorte de supresión nombrado anteriormente. Hay que señalar que el material del diafragma debe ser el adecuado para resistir la corrosión del fluido.

Figura 2.6. Medidor de Diafragma.

Figura 2.7. Tipos de Diafragma. 

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Figura 2.8.  Medidores de presión Diferencial en tanques Cerrados.

 

 

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Figura 2.9. Muelles de Supresión y de Elevación.

INSTRUMENTOS BASADOS EN EL DESPLAZAMIENTO

Estos instrumentos son aquellos que miden el nivel aprovechando el empuje producido por el propio líquido. Dentro de esta categoría estudiaremos los medidores de nivel de tipo desplazamiento.

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MEDIDOR DE NIVEL DE TIPO DESPLAZAMIENTO

Este tipo de medidor de nivel (figura 2.10) consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque. El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada, es decir, al momento ejercido por el flotador. El movimiento angular del extremo libre del tubo de torsión es muy pequeño, del orden de los 9º. El tubo proporciona además un cierre hermético entre el flotador y el exterior del tanque donde se dispone el instrumento receptor del par transmitido. Según el principio de Arquímedes, el flotador sufre un empuje hacia arriba que viene dado por la fórmula  F = S H g g, en la que F es el empuje del líquido, S la sección del flotador, H  la altura sumergida del flotador, g  la densidad del líquido y g, la aceleración de la gravedad. El momento sobre la barra de torsión está dado por  M = (S H g g - P) l, donde l es el brazo del tubo de torsión y P el peso del flotador. Tal como se puede ver en la expresión anterior, al aumentar el nivel, el líquido ejerce un empuje sobre el flotador igual al volumen de la parte sumergida multiplicada por la densidad del líquido, tendiendo a neutralizar su peso propio, así que el esfuerzo medido por el tubo de torsión será muy pequeño. Por el contrario, al bajar el nivel, una menor parte del flotador queda sumergida, de modo que la fuerza de empuje hacia arriba disminuye, resultando una mayor torsión. El instrumento se puede utilizar también en la medida de interface entre dos líquidos inmiscibles de distinta densidad, como por ejemplo agua y aceite. En este caso el flotador es de pequeño diámetro y de gran longitud, y está totalmente sumergido. El peso del volumen desplazado por el flotador, es decir, el empuje, se compone entonces de dos partes: el líquido más denso en la parte inferior y el menos denso en la parte superior, con una línea de separación (interface) de la que depende el par de torsión proporcionado al transmisor exterior. En efecto, si x es la zona del flotador inmersa en el líquido de mayor densidad, l es la longitud total del flotador, y g1, g2  son las densidades de los líquidos, entonces el empuje hacia arriba estará dado por F = Sx * g1 *g +S(l - x) * g2 *g. Claramente, este empuje depende del nivel relativo de separación de los dos líquidos y que la amplitud de medida está determinada por la diferencia entre las dos densidades de los líquidos:  Fmax - Fmin = S l g1 g - S l g1 g= Sl (g1 - g2) g. Las dimensiones relativas del flotador, es decir, longitud y diámetro, dependerán de la amplitud de medida seleccionada. El instrumento sirve también para medir la densidad del líquido y, en este caso, el flotador está totalmente sumergido.

El campo de medida de densidades es bastante amplio, de 0.4 a 0.6. Por otro lado, el cuerpo del medidor puede estar montado directamente en el tanque (montaje interno) o en un tubo vertical al lado del tanque (montaje exterior). El movimiento del brazo de torsión puede transmitirse por medio de un eslabón a un transmisor neumático o electrónico de equilibrio de fuerzas, o digital, permitiendo en la conexión una compensación mecánica o digital para el peso específico del líquido. En la figura 2.10 se representa un esquema de funcionamiento.

La precisión es del orden de ± 0.5  % a ±  1 % y puede utilizarse en tanques abiertos y cerrados a presión o  a vacío, pero presenta el inconveniente del riesgo de depósito de sólidos o de crecimiento de cristales en el flotador que afectan a la precisión de la medida y es apto sólo para la medida de pequeñas diferencias de nivel, aproximadamente 2000 mm máximo. La medida del nivel de interfases requiere flotadores de gran volumen.

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Figura 2.10. Medidor de Nivel de Desplazamiento.

INSTRUMENTOS BASADOS EN CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL LÍQUIDO.

Se conocen varios métodos eléctricos para medir niveles de líquidos, pero estos se emplean principalmente para regular el nivel en un punto o entre dos puntos sin ninguna medición intermedia. Algunos de estos son el medidor de nivel conductivo, medidor de capacidad, medidor de nivel ultrasónico, el sistema de medición de rayos gamma y el medidor de láser. 

MEDIDOR DE NIVEL CONDUCTIVO

El medidor de nivel conductivo consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico, dispositivo que abre y cierra un circuito, que es excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos. El líquido debe ser lo suficientemente conductor para excitar el circuito electrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su vapor, y tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de vapor. La impedancia o resistencia mínima aparente del circuito es del orden de los 20 MW/cm, y la tensión de alimentación es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas por causa del fenómeno de la electrólisis. Cuando el líquido moja los electrodos se cierra el circuito electrónico y circula una corriente segura del orden

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de los 2mA. El relé electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del líquido o ante cualquier perturbación momentánea o bien, en su lugar se disponen dos electrodos levemente separados enclavados eléctricamente en el circuito. El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza relés eléctricos para líquidos con buena conductividad (figura 2.11.a), y relés electrónicos para líquidos con baja conductividad (figura 2.11.b). Montados en grupos de 24 o más electrodos, puede complementar los típicos niveles de vidrio de las calderas, y se presta a la transmisión de nivel a la sala de control y a la adición de alarmas correspondientes. Una variante del aparato se utiliza en el control del nivel de vidrio en fusión (figura 2.11.c). En este, un sistema electromecánico baja el electrodo hasta que éste entra en contacto con la superficie del  vidrio fundido que a las temperaturas de fusión es conductor. El circuito está proyectado de tal forma que en el momento del contacto, el electrodo queda detenido y su posición marcada en un registrador. Instantes después invierte su movimiento hasta romper el contacto eléctrico y se repite nuevamente el ciclo.  El instrumento es versátil, sin partes móviles, su campo de medida es grande con la limitación física de la longitud de los electrodos. El líquido contenido en el tanque debe tener un mínimo de conductividad y si su naturaleza lo exige, la corriente debe ser baja para evitar la deterioración del producto. Por otro lado, conviene que  la sensibilidad del aparato sea ajustable para detectar la presencia de espuma en caso que sea necesario.

Figura 2.11 Medidor de Nivel Conductivo

MEDIDOR DE CAPACIDAD

El medidor de capacidad mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque (figura 2.12). La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del líquido. En los fluidos no conductores (figura 2.12.a) se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la del líquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores. En fluidos conductores (figura 2.12.b) con una conductividad

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mínima de 100 microhmnios/c.c, el electrodo está aislado usualmente con teflón interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del líquido y del gas. El circuito electrónico (puente de capacidades, figura 2.12.c) alimenta el electrodo a una frecuencia elevada, lo cual disminuye la reactancia capacitiva del conjunto y permite aliviar en parte el inconveniente del posible recubrimiento del electrodo por el producto. El sistema es sencillo y apto para muchas clases de líquidos. Sin embargo, hay que señalar que en los fluidos conductores, los sólidos o líquidos conductores que se encuentran en suspensión o emulsión, y las burbujas de aire o de vapor existentes, aumentan y disminuyen respectivamente la constante dieléctrica del fluido dando lugar a un error máximo de 3% por cada tanto por ciento de desplazamiento volumétrico. Por otro lado, al bajar el nivel, la porción aislante del electrodo puede quedar recubierta de líquido y la capacidad adicional que ello representa da lugar a un error considerable. La precisión de los transductores de capacidad es de ± 1 %. Se caracterizan por no tener partes móviles, son ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza. Su campo de medida es prácticamente ilimitado y pueden emplearse en la medida de nivel de interfases. Tienen el inconveniente de que la temperatura puede afectar las constantes dieléctricas (0.1 % de aumento de la constante dieléctrica / °C) y de que los posibles contaminantes contenidos en el líquido pueden adherirse al electrodo variando su capacidad y falseando la lectura, en particular en el caso de los líquidos conductores. El funcionamiento del sistema a una frecuencia elevada, o bien la incorporación de un circuito detector de fase, compensan en parte este inconveniente.

Figura 2.12. Medidor de Capacidad

SISTEMA ULTRASÓNICO DE MEDICIÓN DE NIVEL

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El sistema ultrasónico de medición de nivel se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque. Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 khz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión del medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del sólido o del líquido. En la figura 2.13 puede verse varias disposiciones de montaje de los detectores que se utilizan en los casos de alarmas o de indicación continua del nivel. En las aplicaciones de alarma de nivel, los sensores vibran a una frecuencia de resonancia determinada, que se amortigua cuando el líquido los moja. En el segundo caso de indicación continua de nivel, la fuente ultrasónica genera impulsos que son detectados por el receptor una vez transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de la onda a la superficie del sólido o del líquido. En la figura 2.14 puede verse el diagrama de bloques de un sistema de medida de ultrasonidos. El sensor emisor dispone de un oscilador excitador para enviar un impulso ultrasónico a la superficie del fluido y el sensor receptor recibe esta señal reflejada enviando una señal función del tiempo transcurrido, y por lo tanto del nivel, a un indicador. En otras palabras, el nivel se mide en función del tiempo necesario para que la señal se desplace del transmisor a la superficie del líquido y retorne al receptor. La precisión de estos instrumentos es de ± 1 a 3 %. Son adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos o fangos, pudiendo construirse a prueba de explosión. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos  y de dar señales erróneas cuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos. La utilización del ordenador permite, a través de un programa, almacenar el perfil ultrasónico del nivel, y así tener en cuenta las características particulares de la superficie del líquido, tal como la espuma, con lo cual se mejora la precisión de la medida. Por otro lado, el ordenador facilita la conversión del nivel a volumen del tanque para usos de inventario, y además proporciona características de autocomprobación del instrumento.

Figura 2.13. Sistema Ultrasónico de Medición de Nivel

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Figura 2.14. Diagrama de Bloques de un Sistema de Medida de Ultrasonidos.

SISTEMA DE MEDICIÓN POR RAYOS GAMMA O MEDIDOR RADIACTIVO

El sistema de medición por rayos gamma (figura 2.15) consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geiger que transforma la radiación gamma recibida en una señal eléctrica de corriente continua. Como la transmisión de los rayos es inversamente proporcional  a la masa del líquido en el tanque, la radiación captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del líquido ya que el material absorbe parte de la energía emitida. Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos x, pero de longitud de onda más corta. La fuente radiactiva pierde igualmente su radioactividad en función exponencial del tiempo. La vida media, es decir, el tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de su actividad, varía según la fuente empleada. En el cobalto 60 es de 5.5 años, en el cesio 137 es de 33 años y en el americio 241 es de 458 años. Las paredes del tanque absorben parte de la radiación y al detector llega sólo un pequeño porcentaje. Los detectores son, en general, tubos Geiger o detectores de cámara iónica y utilizan amplificadores de corriente continua o de corriente alterna. El instrumento dispone de compensación de temperatura, de linealización de la señal de salida, y de reajuste de la pérdida  de actividad de la fuente de radiación, siendo este último de extrema importancia para conservar la misma precisión de la puesta en marcha. Una de las desventajas en su aplicación figura el blindaje de la fuente y el cumplimiento de las leyes sobre protección de radiación. La precisión en la medida es de ± 0.5 a ± 2 %, y el instrumento puede emplearse para todo tipo de líquidos ya que no está en contacto con el proceso. Su lectura se encuentra influida por el aire o por los gases disueltos en el líquido. El sistema se emplea en caso de medida de nivel en tanques de acceso difícil o peligroso. Es ventajoso cuando existen presiones elevadas en el interior del tanque que impiden el empleo de otros sistemas de medición. Sin embargo, el sistema es caro y la instalación no debe ofrecer peligro alguno de contaminación radiactiva siendo necesario señalar debidamente las áreas donde están instalados los instrumentos y realizar inspecciones periódicas de seguridad.

Figura 2.15. Sistema de Medición por Rayos Gamma  o Medidor Radiactivo.

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MEDIDOR LÁSER

En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de nivel convencionales fallan, encuentra su aplicación el medidor de nivel láser(figura2.16), y el descrito en el punto anterior. Es el caso de la medición del metal fundido, donde la medida del nivel debe realizarse sin contacto con el líquido y a la mayor distancia posible por existir unas condiciones de calor extremas. El sistema consiste en un rayo láser enviado a través de un tubo de acero y dirigido por reflexión en un espejo sobre la superficie del metal fundido.

El aparato mide el tiempo que transcurre entre el impulso emitido y el impulso de retorno, que es registrado en un fotodetector de alta resolución. El tiempo transcurrido es directamente proporcional a la distancia del aparato emisor a la superficie del metal fundido.

Un microprocesador convierte este tiempo al valor de la distancia a la superficie del metal en fusión, proporcionando, de este modo, la lectura del nivel. Para finalizar, la tabla 2.1 nos muestra una comparación entre los diferentes tipos de instrumentos de medición de nivel de líquidos, con sus ventajas y desventajas.

 

Figura 2.16. Medidor de Nivel Láser.

 

 

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Instrumento Campo Precisión Presión máx

Temp máx Desventajas Ventajas

  de medida  %  escala bar fluido °C    Sonda Limitado 0.5 mm Atm 60 Manual, sin

olas,Barato

          Tanques abiertos

Preciso

Cristal Limitado 0.5 mm 150 200 Sin transmisión Seguro, Preciso

             Flotador 0 - 10 m ± 1-2 % 400 250 Posible Simple, indep

de          agarrotamiento naturaleza

líquidoManométrico Altura  tanque ± 1% Atm 60 Tanques

abiertos,Barato

          Fluidos limpios  Membrana 0 - 25 m ± 1% Atm 60 Tanques

abiertosBarato

             Burbujeo Altura  tanque ± 1% 400 200 Mantenimiento, Barato,

Versátil          Contam.del

líquido 

Presión Diferencial

0.3 m ± 0.15 a ± 0.5%

150 200 Posible Interfase líquido

          agarrotamiento  Desplazamiento 0 - 25 m ± 0.5 % 100 170 Expuesto a Fácil limpieza,

          corrosión robusto, interfases

Conductivo Ilimitado - 80 200 Líquido conductor

Versátil

             Capacitivo 0.6 m ± 1% 80 - 250 200 - 400 Recubrimiento Resistencia,

          del electrodo corrosiónUltrasónico 0.30 m ± 1% 400 200 Sensible a la Todo tipo de

          densidad tanques y líquidos

Radiación 0 - 2.5 m ± 0.5 a ± 2% - 150 Fuente radiactiva

Todo tipo tanque y

            s/contacto líquido

Láser 0 - 2 m ± 0.5 a ± 2% - 150 Láser Todo tipo tanque y

s/contacto líquido

Tabla 2.1. Medidores de nivel de líquidos.

 

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MEDICIÓN HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA

Los aparatos que vamos a describir se llaman barómetros. La figura 2.5.1, 2.5.2, 2.5.3 representan los tres esquemas más frecuentes empleados. Figura 2.5.1: medida hidrostática de nivel: al aumentar el nivel del agua aumenta la presión que actúa sobre el manómetro. Amplitud de medida, hasta 150 m.  Figura 2.5.2: medida de nivel por el empuje de Arquímedes: al aumentar el nivel aumenta el empuje de Arquímedes que se opone al peso de la barilla buzo: la resultante de ambas fuerzas da una medida del nivel del líquido. Amplitud de medida, hasta 50 m.  Figura 2.5.3: Medida neumática de nivel: al burbujear el aire proveniente de un pequeño compresor o botella a presión, la presión del aire a la salida del tubo sumergido aumenta al aumentar el nivel del líquido. La medida de dicha presión en un manómetro es una medida del nivel del depósito o embalse. Amplitud de medida, hasta 50 m. Figura 2.5.4: la medida de la lamina de agua h de un vertedero necesaria para medir el caudal puede hacerse por uno cualquiera de los cuatro esquemas de las figuras 2.5.1 a la 2.5.3. En conexión con cualquiera de los cuatro métodos descritos puede utilizarse la balanza de presión, que sirve por lo tanto para medir presiones, caudales y niveles. La balanza mide la presión transmitida por la tubería de detección figura 2.5.3, el empuje vertical de la varilla de inmersión figura 2.5.2, etc., e  indica la cota de nivel. Las componentes principales de la balanza son el transformador de presión, la balanza con el peso corredizo y un servomotor, que mantiene la balanza constantemente en equilibrio. Esta mismo balanza puede accionar cuantos dispositivos de mando, regulación, teletransmisión y registro se desee. La precisión de la medida puede llegar hasta el 0.025% del valor máximo de la escala.

                                               Figura 2.5.1 Medida                 Figura 2.5.2  Medida                                                hidrostatica de nivel                de nivel varilla de inversiòn 

                                

         Figura 2.5.3 Medida neumática a nivel                Figura 2.5.4 Medida                                               de caudal con vertedero

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Limnímetros de precisión dotados de la balanza automática, según los esquemas de las figuras 2.5.1, 2.5.2 y 2.5.3, han sido instalados en chimeneas de equilibrio, embalses, canales de admisión y desagüe, etc., de muchas centrales hidroeléctricas españolas.

MEDICIÓN ELECTRICA

Los instrumentos eléctricos para la medición de niveles se clasifican en dos categorías según el principio en que se basan: 

Principio de la variación de resistencia

Utiliza electrodos inmersos en el líquido, que miden la variación de la resistencia. Se emplea para controlar el vacío, llenado, medición o indicación de nivel en toda clase de líquidos. Se emplea corriente alterna para evitar la ionización del líquido. El aparato de control puede estar situado hasta 1 km. De distancia. En la figura 2.6.1 puede verse una aplicación con 4 electrodos que controla dos bombas en el vaciado de un depósito. 

                

Figura 2.6.1 Esquema de control de dos bombas en el vaciado de un depòsito. Cuando el nivel del lìquido alcanza el electrodo E3 arranca en la bomba principal y se para cuando el nivel baja por debajo del electrodo E2. Cuando el nivel alcanza E4 la bomba principal se para y arranca la bomba de reserva. Cuando el nivel baja por debajo de E2 se para la bomba de reserva.

PRINCIPIO DE LA VARIACIÓN DE CAPACIDAD

Un electrodo inmerso en el líquido, cuyo nivel se quiere medir o controlar, forma con este último un condensador, cuya capacidad varía linealmente con el nivel del líquido en el depósito. Se mide la corriente del condensador proporcional ala capacidad que constituye por tanto una medida del nivel del líquido. La figura 2.6.2 constituye un esquema de instalación de la bomba de llenado del mismo.

                        Figura 2.6.2 Esquema de control de arranque y parada de una bomba                        para llenado de un depòsito con Control de Nivel Capacitado.

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MEDICIÓN POR ULTRASONIDO 

El principio de este instrumento es el mismo de sonar empleado por los submarinos para medir la profundidad de inmersión. Se mide el tiempo que tarda la onda ultrasónica y su eco en recorrer el espacio entre el emisor, colocado convenientemente también en el fondo del depósito figura 2.7.1 Este instrumento es especialmente apropiado a la medición de niveles en líquidos con peligro de fuego y explosión, donde los instrumentos eléctricos no podrían utilizarse.

                                           

                                            Figura 2.7.1 Medición de nivel por ultrasonido

MEDICIÓN POR RADIACIONES GAMMA 

Se basa en la medida de la radiación remanente de rayos gamma, que se hace incidir sobre el líquido. A un lado del recipiente se coloca a lo largo de toda la altura ocupada por el líquido un emisor de rayos gamma de intensidad I. En el lado opuesto se mide la intensidad I de la radiación residual con un contador de Geiger. La intensidad I es tanto más pequeña cuando el nivel h del líquido en el depósito, porque al aumentar h aumenta la absorción de rayos gamma por el líquido.

CONCLUSIÓN

En los procesos industriales en que se trabaja con sustancias, ya sean líquidas o gaseosas, que fluyan a través de ductos o que estén estancadas, es de gran importancia saber en qué cantidad se dispone de dicha sustancia. Para lo que se recurre a los medidores de nivel, sin los cuales, muchos de los procesos que se realizan día a día en industrias no serían igual de precisos.

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