p_1. nivel capacitivo
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Sábado, 6 de octubre del 2012 Laboratorio de instrumentación industrial. 1
Práctica de laboratorio 1 ________________________________
Medidor de nivel capacitivo
Sábado, 6 de octubre del 2012 Laboratorio de instrumentación industrial. 2
Laboratorio de Instrumentación Industrial
Universidad Politécnica Salesiana sede Cuenca
1. Presentación de la práctica.
En esta sección se presenta el principio de funcionamiento, la configuración y uso de un
instrumento de medición de nivel que basa su funcionamiento en la variación de la capacitancia, para lo
que se procederá a configurar y comprobar el funcionamiento del instrumento, mediante el panel de
forma manual y el software de configuración propio de la marca del instrumento (FieldCare).
2. Requisitos y conocimientos previos.
Lecturas recomendadas:
- Principio de medición de nivel capacitivo [1] pág. 43-67, [2] pág. 78.
Precauciones y verificación de las protecciones:
- Verificación de que la fuente de la alimentación se encuentre dentro del rango de alimentación del
instrumento (9-30VDC), y que el instrumento se encuentre correctamente polarizado.
Evaluaciones: (esto solo se indicará al inicio del manual de prácticas)
- Se debe realizar una evaluación de los conocimientos previos y de los adquiridos con la realización
de esta práctica (formato digital).
3. Objetivos
- Estudiar y comprobar el principio de funcionamiento de un medidor de nivel capacitivo.
- Configurar en el propio instrumento los parámetros necesarios para el correcto funcionamiento del
medidor de nivel capacitivo.
- Configurar mediante el software FieldCare los parámetros necesarios para el correcto funcionamiento
del medidor de nivel capacitivo.
- Comprobar la configuración mediante mediciones.
4. Equipos, instrumentos y software
Descripción Marca Identificación/Serie
Medidor de nivel capacitivo. Endress & Hauser Liquidcap M
Software de configuración. Endress & Hauser FieldCare v1.0
Fuente de alimentación de 24VDC. Siemens SITOP
Interface instrumento PC. Endress & Hauser FXA195
Computadora Personal Windows XP
32bits
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5. Exposición
El principio de medición de nivel capacitivo se basa en el cambio de capacitancia, siendo el capacitor
un componente eléctrico capaz de cargar y descargar energía eléctrica. El capacitor básico está
compuesto de 2 capas conductivas separadas por un aislante conocido como dieléctrico [1].
La capacitancia de un capacitor con placas paralelas es dependiente de la distancia de separación de
las placas, del área de las placas y de la permitividad relativa del dieléctrico, en donde esta última
tomará diferentes valores dependiendo del dieléctrico[1].
En el caso de tener la distancia entre las placas y el área de las placas constante, la capacitancia
depende directamente de la permitividad relativa del dieléctrico; En la práctica para el medidor de nivel
capacitivo, el capacitor es formado por la pared del tanque y una sonda aislada montada en el tanque, la
capacidad de este condensador depende del material que hay entre la sonda y la pared del tanque, si solo
hay aire, es decir, si el tanque está vacío, la capacidad del conductor es baja. Cuando parte de la sonda
está cubierta por el producto, la capacidad incrementara. El cambio de capacidad se convierte mediante
un amplificador en una acción de relé o en una señal de salida analógica[1], [2].
Para realizar la medición de nivel por variación de capacidad, el condensador se conecta a un circuito
de corriente alterna de alta frecuencia, de modo que el cambio de la capacidad ΔC representa el cambio
de nivel, la cual se puede convertir en señal eléctrica[1], [3].
Un oscilador colocado en el cabezal de la sonda convierte los cambios de capacidad en variaciones
de voltaje o frecuencia. Esta variación se convierte mediante un relé en un switch de capacidad; En los
fluidos no conductores, se emplea una sonda normal, mientras que en fluidos conductores con una
conductividad mínima de 100 µΩ/cm3 la sonda está aislada con teflón[3].
El sensor de nivel capacitivo es aplicable para líquidos y sólidos[4].
Para un tanque cilíndrico como el de la Figura 1 la capacitancia en función de la variación del nivel
del producto está dada por la ecuación (1) [1].
En donde D es el diámetro del tanque y d es el diámetro de la sonda del instrumento, y L es la altura del
producto con permitividad relativa .
Figura 1 Capacitancia para un tanque cilíndrico [2]
(1)
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6. Proceso y Procedimiento:
1) Proceso
2.1. Configuración del intrumento
2.1.2.Configuración mediante el software FieldCare.
Montaje del respectivo hardware.
Identificación del software FielCare.
Modificación de los parámetros del
instrumento Licuicap M.
Contrastar datos medidos con calculados.
2.1.1. Configuración mediante el panel del medidor.
Alimentación del instrumento Liquicap M
Modificación de los parámetros del
instrumento Licuicap M.
Guardar parámetros y realizar pruebas
de funcionamiento.
Toma de datos medidos.
Calculo de datos teóricos.
Contrastar datos medidos con calculados.
Toma de datos medidos.
Calculo de datos teóricos.
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2) Procedimiento.
2.1) CONFIGURACIÓN DEL INSTRUMENTO:
2.1.1) Configuración mediante el panel del medidor de nivel.
- Revisión de los planos de la planta de instrumentación industrial ver anexo 1, para
verificación de conexiones.
- Medición de tensión de alimentación del instrumento de 9-30VDC.
- Configuración de los parámetros del sensor de nivel capacitivo ENDRESS HAUSER
Liquidcap M FMI51, de forma manual:
o Cerciorarse de que el tanque se encuentre vacío.
o Se retira la cubierta plástica transparente
o La pantalla puede ser usada para configurar el dispositivo directamente vía 3 teclas
ver Figura 2.
Figura 2 Pantalla principal
o En la pantalla principal se presiona para acceder a la pantalla de la Figura 3
Figura 3 Pantalla menú principal
o Se escoge la opción de “Ajustes básicos”, para mostrar la pantalla de la Figura 4,
asegúrese de que en esta pantalla este seleccionado “Producto sin adherencia” y
“tipo de calibración moje”
Figura 4 Pantalla ajustes básicos
o Con las teclas y nos desplazamos de en las pantallas para la configuración
de tanque vacío (Figura 5a) y la correspondiente medida de capacitancia, y tanque
lleno (Figura 5b) con la correspondiente medida de capacitancia.
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(a) (b)
Figura 5 a y b Tanque Lleno
- Para volver a una pantalla anterior se hacer uso de la función escape presionando las teclas
y al mismo tiempo.
- Debido a que la forma de variación de la capacitancia depende de la forma del tanque,
cilíndrico, esférico, etc. Figura 6 se debe configurar la forma de variación de la capacitancia
en función del porcentaje de nivel de líquido.
(a) (b)
Figura 6 Tipos de formas de tanques, a) con linealidad y b) sin linealidad
- Para la configuración de la linealidad se debe acceder en el menú principal a la función
linearización Figura 7a y en la siguiente pantalla que se despliega se debe seleccionar la
opción lineal Figura 7b que es el caso de un cilindro vertical.
(a) (b)
Figura 7 a y b Configuración de la linealidad
Notas: *Los equipos de la planta de instrumentación se encuentra alimentada con 24VDC
2.1.2) Configuración mediante el software FieldCare.
- Para la configuración con el FieldCare se necesita de la interfaz instrumento-pc Combux
USB FAX195-P1.
- También se bebe montar el siguiente lazo de corriente (Figura 8) en el cual debemos activar
la resistencia de 270Ω del Combux USB FAX195-P1:
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Figura 8 Esquema de conexión del instrumento al computador.
- Para el procedimiento de configuración con el FieldCare ver el video 001 del CD adjunto o
seguir el siguiente procedimiento.
- Se abre el software FieldCare.
- En el software se debe hacer la siguiente configuración.
Se tiene que dar click en continuar.
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Posteriormente se debe elegir “Crear Proyecto”.
Una vez elegido el proyecto, se tiene que adicionar el equipo con el que se va a
trabajar.
En este caso como se está realizando una configuración a un equipo HART, lo que
se tiene que elegir es “HART Communication”.
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Para poder observar los equipos en la red HART se debe hacer la configuración del
equipo.
En la siguiente pantalla, se tiene que elegir el COM en el que está conectada la
Commubox.
También se tiene que elegir la dirección de inicio y final de los instrumentos
colgados en la red.
Luego de dar aceptar se procede a buscar los instrumentos en la red.
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Se debe esperar que el software encuentre los instrumentos de la red.
Luego de esperar, se puede observar los instrumentos colgados en la red.
Para la configuración de los instrumentos de nivel capacitivo, se abre la ventana
ajustes básicos, la cual debe quedar de la siguiente manera:
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Luego de la configuración anterior, se debe confirmar los valores máximos y
mínimos del tanque relacionados con la capacitancia, como se muestra en la siguiente
ventana.
Finalmente elegimos la ventana de linearización, la cual para el caso de la planta de
instrumentación se la debe configurar de la siguiente manera:
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3) Comprobación de la configuración:
- Llene el tanque con las válvulas manuales VMA1 y VMA2 hasta el 25% de la capacidad
del tanque y obtenga las medidas de capacitancia, porcentaje de nivel, y corriente de salida,
calcule la capacitancia para estas condiciones y compare los resultados.
Porcentaje Capacitancia medida Capacitancia calculada Diferencia
25%
50%
100%
- Repita el paso anterior para el 50% y el 100% de la capacidad del tanque.
- Genere perturbaciones ingresando aire a presión mediante la válvulas VMA10 a la entrada
de agua, y observar si la medida de nivel se ve afectada.
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7. Conclusiones, observaciones y recomendaciones
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8. Referencias
[1] W. van de Kamp, The Theory and Practice of Level Measurement, 16th ed. Naarden: Endress
& Hauser, 2001.
[2] N. A. Anderson, Instrumentation for process measurement and control. Boca Raton, Fla: CRC
Press, 1998.
[3] A. Creus Solé, Instrumentación industrial, 7a. ed. México: Alfaomega, 2006.
[4] A. S. Morris, Measurement and instrumentation principles. Oxford: Butterworth-Heinemann,
2001.
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Bodestedt, Olle. Dictionary, industrial automation and control. Lund, Sweden; Bromley, Kent,
U.K.: Studentlitteratur ; Honeywell : Chartwell-Bratt, 1993.
Glosario
Permitividad relativa: The relative permittivity of a material under given conditions reflects the
extent to which it concentrates electrostatic lines of flux.
Configuracion: configuration – Device (e.g., PIU, Basic Controller,etc.) – The selection,
arrangement, and implementation of parameters associated with a particular box or its points so as
to accomplish a control and/or monitoring task. – Hardware – The selection and arrangement of
devices needed to implement a particular control system. Refers to Honeywell TDC 3000 control
systems.
Capacitancia: capacitance (C) 1. Unit for measurement of capacitance is farad, symbol F (SI unit).
IF = IC/V. 2. The property of a system of conductors and dilectrics that permits the storage of
electrically separated charges when potential differences exist between the conductors.
Nivel: level indicator 1. An indicating instrument for determining the position of a liquid surface
within a vessel.
Nomenclatura
∆C: variación de capacitancia
µΩ: microhmios
cm3: centímetros cúbicos