UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATOFACULTAD DE INGENIERIA EN SISTEMAS ELECTRNICA E INDUSTRIAL

CARRERA DE INGENIERA EN ELECTRNICA Y COMUNICACIONESInstrumentacinTema: Transductores de NivelNivel: Sexto ElectrnicaFecha de entrega: 21-01-2015Integrantes:Aguagia DanielFernndez PatricioIza MesasRamrez LuisVivanco JssicaDocente: Ing. Santiago CollantesTRANSDUCTORES DE NIVEL

Objetivos Identificar y describir correctamente los diferentes transductores de nivel para determinar su uso, ventajas y desventajas que estos nos ofrecen Entender el funcionamiento, calibracin y configuracin de los instrumentos de medicin de Nivel Industrial para su ptimo funcionamiento en la industria. Comprender los beneficios bsicos que proporciona la instalacin de un sistema de medicin de nivel preciso y fiable como es la mejora en la calidad del producto, reduccin en los costos de operacin y mantenimiento

1. INTRODUCCIN.MEDICION DE NIVELLa medida de nivel es junto con la presin, volumen, velocidad y caudal de gran importancia en hidrografa, hidrulica y en los procesos industriales. Aplicaciones frecuentesson 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 presin, para el accionamiento de vlvulas y vertederos en la regulacin de las centrales hidroelctricas, para la determinacin de la altura de la lmina en los vertederos de medidas, etc. En la industria qumica la medida de nivel se requiere para determinar la cantidad exacta de lquidos que hay que administrar en un proceso de mezcla, etc. Finalmente la medicin del nivel de fluido en los procesos de destilacin, calderas, etc.La medida del nivel puede ser necesaria con mucha o poca precisin, con indicacin del nivel instantneo o con registro continuo de la medida, con medicin local o transmisin a distancia de unos centenares o miles de metros. Forzosamente nos limitamos a dar una breve idea de los instrumentos ms importantes, relegando su estudio ms detallado a los manuales de instrumentacin.[1]

2.RESUMENMEDIDORES DE NIVEL DE LQUIDOS.La medida del nivel de los lquidos es una de las mediciones fundamentales que se encuentran con ms frecuencia en las industrias qumicas.El conocimiento del nivel de un lquido dentro de un recipiente puede necesitarse simplemente para comprobar la cantidad de material en existencia, para determinar la cantidad de lquido que se suministra a un proceso, o bien puede ser la medicin primaria en un sistema de regulacin 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 lquido. El grado de exactitud depende de la forma del recipiente, ya que en un recipiente alto y de pequeo dimetro puede medirse ms exactamente que otro aplanado y de dimetro grande.El nivel de los lquidos puede determinarse empleando diversos instrumentos de medicin, que a continuacin se detallan. [2]2.1. INSTRUMENTOS DE MEDIDA DIRECTA.Los instrumentos de medida directa son aquellos que trabajan midiendo directamente la altura de un lquido sobre una lnea de referencia. Los principales instrumentos de medida directa son el medidor de sonda, nivel de cristal e instrumentos de flotador.En un recipiente a presin este mtodo no sera 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 esquemticamente en lafigura2.1.1. El aparato, que se relaciona con el esquema en la figura2.1.4,consta de un manmetro diferencial de flotador. Sobre la columna y por el otro el agua de otro depsito que puede ser el depsito de condensado mismo de la caldera. Al aumentar el nivel del agua en la caldera (o de cualquier otro liquido en un recipiente a presin) disminuye la diferencia de presiones, mientras que al disminuir dicho nivel aumenta sta.La medida directa con flotador y transmisin por cadena a un disco graduado es muy utilizada en vertederos, exclusas, prensas, etc. El esquema puede verse en lafigura 2.1.3y una fotografa de este instrumento puede verse en lafigura2.1.2.Amplitud de medida, hasta 20m. [3]

Figura 2.1.1 Medicin de nivel con manmetro de flotador Figura 2.1.2 Flotador para lamedida de nivelesFigura 2.1.3Esquema

2.1.1. 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 depsito(figura 2.1.a). La determinacin del nivel dentro del recipiente, se mide por lectura directa de la longitud de la varilla mojada por el lquido y es esencial que en el momento de la medicin el tanque se encuentre abierto a presin atmosfrica.Este mtodo es efectivo y ampliamente utilizado para medir el nivel en los tanques de una gasolinera, pero no es muy prctico sobre todo si el contenido a medir es txico 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 lquido contenido en el tanque. Luego, ste se levanta hasta que rompa la superficie del lquido, 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 presin atmosfrica(figura 2.1.b)Un sistema parecido a los descritos anteriormente es el medidor de cinta graduada y plomada que se emplea cuando es difcil que la varilla o regla tenga acceso al fondo del tanque (figura2.1.c). [1]

Figura 2.1. Medidor de Sonda2.1.2. Nivel de Cristal.El nivel de cristal consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloques metlicos y cerrados por prensaestopas, que estn unidos al tanque, generalmente, mediante tres vlvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo, para impedir el escape del lquido 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 ms elevadas que 7 bar, el cristal de este medidor es grueso, de seccin rectangular y protegido por una armadura metlica(figura 2.2.b).La determinacin del nivel del lquido para este tipo de medidor se puede realizar por intermedio de un cristal a reflexin o bien por transparencia. En el primer caso, tal como lo muestra lafigura 2.2.c, el vidrio en contacto con el lquido est provisto de ranuras longitudinales que actan como prismas de reflexin, indicando la zona de lquido con un color oscuro casi negro, y la zona superior en contacto con el vapor, de color claro.Para mayor seguridad, las vlvulas de cierre incorporan una pequea bola que acta como vlvula de retencin 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 lquido, pudiendo controlar con ellos, la lectura de los otros tipos de aparatos de nivel. [2]

Figura 2.2. Nivel de Cristal.2.1.3.Instrumentos de Flotador.La medicin de nivel con instrumentos de flotador es menos comn en la industria en general, pero se emplea muy frecuentemente en el campo del tratamiento de aguas potables y de desechos.Hay que sealar que en estos instrumentos, el flotador puede tener formas muy variadas y estar formado por diversos materiales segn sea el tipo de fluido.Bsicamente, consisten en un flotador situado en el seno del lquido y conectado al exterior de un tanque indicando directamente el nivel, donde dicha conexin puede ser directa, magntica o hidrulica.[4]

Figura: Flotador2.1.3.1. Flotador de Conexin Directa.El flotador de conexin directa est unido por una cadena o cinta flexible que desliza en un juego de poleas a un indicador de nivel exterior que seala sobre una escala graduada. Este indicador est provisto de un contrapeso de tal manera que la cinta o cadena se mantenga tensa(figura2.3.a). [2]2.1.3.2. Flotador acoplado magnticamente.Este instrumento de medicin de nivel consta de un flotador desliza exteriormente a lo largo de un tubo de gua sellado, situado verticalmente en el interior del tanque (figura 2.3.b). Dentro del tubo, una pieza magntica o imn, 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 ndice de un instrumento situado en la parte superior del tanque. Adems, este instrumento puede tener interruptores de alarma y transmisor incorporados.En tanques pequeos, el flotador puede adaptarse para actuar magnticamente sobre un transmisor neumtico o elctrico(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 as un control de nivel. Una aplicacin tpica la constituye el control de nivel de una caldera de pequea capacidad de produccin de vapor. [2] 2.1.3.3. Flotador Acoplado Hidrulicamente.El flotador acoplado hidrulicamente(figura 2.3.d)acta en su movimiento sobre un fuelle de tal modo, que vara la presin de un circuito hidrulico y seala a distancia, en el receptor, el nivel correspondiente. Permite distancias de transmisin de hasta 75 metros y puede emplearse en tanques cerrados. Sin embargo, requiere una instalacin y calibracincomplicadas, y posee partes mviles en el interior del tanque. [2]

Figura 2.3. Instrumentos de Flotador.2.2. INSTRUMENTO BASADOS EN LA PRESION HIDROSTATICAEstos instrumentos miden el nivel de un lquido aprovechando la presin hidrosttica. Entre ellos, podemos mencionar el medidor manomtrico, el medidor de tipo burbujeo y el medidor de presin diferencial.2.2.1. Medidor Manomtrico.El medidor manomtrico(figura 2.4)consiste en un manmetro conectado directamente a la parte inferior del tanque, donde adems pueden observarse varios accesorios como son una vlvula de cierre para el mantenimiento del lquido, y un pote de decantacin con una vlvula de purga. [1]El manmetro mide la presin debida a la alturahque existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. De este modo, el campo de medida del instrumento corresponder a0 - hgpascal,dondehes la altura del lquido,su densidad en kg/cm3ygla aceleracin de la gravedad (9.8 m/s2).

Figura 2.4. Medidor Manomtrico.2.2.2. Medidor de Tipo Burbujeo.Los sistemas de burbujeo (o de purga continua) realizan la medicin de nivel determinando la presin requerida para que un flujo constante de aire venza la presin hidrosttica de un lquido. Al salir el aire, lo hace a manera de burbujeo, de ah el nombre del sistema.El medidor de tipo burbujeo es el ms flexible y generalmente utilizado. Este instrumento coloca un tubo sumergido en el lquido, a travs del cual se hace burbujear aire mediante un rotmetro con regulador de caudal incorporado(figura 2.5), que permite mantener un caudal de aire constante a travs del lquido, independientemente del nivel. Si no existiera, habra una gran diferencia en los caudales de aire necesarios desde el nivel mnimo al mximo, producindose un gasto de aire indebido. La tubera empleada suele ser de pulgada con el extremo biselado para una fcil formacin de las burbujas de aire. [2]

Figura 2.5. Medidor de Tipo Burbujeo.2.2.3 Medidor de Presin Diferencial.El medidor de presin diferencial consiste en un diafragma en contacto con el lquido del tanque, que mide la presin hidrosttica en un punto del fondo del tanque. En un tanque abierto, esta presin es proporcional a la altura del lquido en ese punto y a su peso especfico(figura 2.6). Es decir,P = Hg, en la quePes la presin,Hla altura del lquido sobre el instrumento,su densidad ygla aceleracin de la gravedad.El diafragma forma parte de un transmisor neumtico, electrnico o digital de presin diferencial semejante a los transmisores de caudal de diafragma.En el tipo ms utilizado, el diafragma est 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 lquidos con slidos en suspensin, pudiendo ser incluso de montaje saliente para que el diafragmaenrase (nivele)completamente con las paredes interiores del tanque(figura 2.7.b)tal como ocurre en el caso de lquidos extremadamente viscosos en que no puede admitirse ningn recodo (ngulo). [3]

Figura 2.6. Medidor de Diafragma.

Figura 2.7. Tipos de Diafragma.2.3.INSTRUMENTOS BASADOS EN EL DESPLAZAMIENTOEstos instrumentos son aquellos que miden el nivel aprovechando el empuje producido por el propio lquido. Dentro de esta categora estudiaremos los medidores de nivel de tipo desplazamiento. [1]2.3.1 Medidor de nivel de Tipo Desplazamiento.Este tipo de medidor de nivel (figura 2.8) consiste en un flotador parcialmente sumergido en el lquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsin unido rgidamente 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 torsin se caracteriza fundamentalmente porque el ngulo de rotacin 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 torsin es muy pequeo, del orden de los 9. El tubo proporciona adems un cierre hermtico entre el flotador y el exterior del tanque donde se dispone el instrumento receptor del par transmitido.Segn el principio de Arqumides, el flotador sufre un empuje hacia arriba que viene dado por la frmulaF = S Hg,en la queFes el empuje del lquido,Sla seccin del flotador,Hla altura sumergida del flotador,la densidad del lquido yg, la aceleracin de la gravedad. [2]

Figura 2.8. Medidor de Nivel de Desplazamiento.2.4.INSTRUMENTOS BASADOS EN CARACTERISTICAS ELECTRICAS DEL LQUIDO.Se conocen varios mtodos elctricos para medir niveles de lquidos, pero estos se emplean principalmente para regular el nivel en un punto o entre dos puntos sin ninguna medicin intermedia. Algunos de estos son el medidor de nivel conductivo, medidor de capacidad, medidor de nivel ultrasnico, el sistema de medicin de rayos gamma y el medidor de lser.[2]2.4.1. Medidor de Nivel Conductivo.El medidor de nivel conductivo consiste en uno o varios electrodos y un rel elctrico o electrnico, dispositivo que abre y cierra un circuito, que es excitado cuando el lquido moja a dichos electrodos. El lquido debe ser lo suficientemente conductor para excitar el circuito electrnico, y de este modo el aparato puede discriminar la separacin entre el lquido y su vapor, y tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de vapor.La impedancia o resistencia mnima aparente del circuito es del orden de los 20 M/cm, y la tensin de alimentacin es alterna para evitar fenmenos de oxidacin en las sondas por causa del fenmeno de la electrlisis. Cuando el lquido moja los electrodos se cierra el circuito electrnico y circula una corriente segura del orden de los 2mA. El rel electrnico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del lquido o ante cualquier perturbacin momentnea o bien, en su lugar se disponen dos electrodos levemente separados enclavados elctricamente en el circuito. [3]

Figura 2.9 Medidor de Nivel Conductivo2.4.2. Medidor de Capacidad.El medidor de capacidad mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el lquido y las paredes del tanque(figura 2.10). La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del lquido.En los fluidos no conductores(figura 2.10.a)se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la del lquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores.En fluidos conductores(figura 2.10.b)con una conductividad mnima de 100 microhmnios/c.c, el electrodo est aislado usualmente con tefln interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del lquido y del gas.El circuito electrnico (puente de capacidades,figura 2.10.c) alimenta el electrodo a una frecuencia elevada, lo cual disminuye la reactancia capacitivadel conjunto y permite aliviar en parte el inconveniente del posible recubrimiento del electrodo por el producto. [4]

Figura 2.10. Medidor de Capacidad2.4.3. Sistema Ultrasnico de Medicin de Nivel.El sistema ultrasnico de medicin de nivel se basa en la emisin de un impulso ultrasnico a una superficie reflectante y la recepcin del eco del mismo receptor. El retardo en la captacin del eco depende del nivel del tanque.Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 khz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexin del medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del slido o del lquido. En lafigura 2.11puede verse varias disposiciones de montaje de los detectores que se utilizan en los casos de alarmas o de indicacin continua del nivel.En las aplicaciones de alarma de nivel, los sensores vibran a una frecuencia de resonancia determinada, que se amortigua cuando el lquido los moja. En el segundo caso de indicacin continua de nivel, la fuente ultrasnica 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 slido o del lquido. [2]En la figura2.12puede verse el diagrama de bloques de un sistema de medida de ultrasonidos. El sensor emisor dispone de un oscilador excitador para enviar un impulso ultrasnico a la superficie del fluido y el sensor receptor recibe esta seal reflejada enviando una seal funcin del tiempo transcurrido, y por lo tanto del nivel, a un indicador. En otras palabras, el nivel se mide en funcin del tiempo necesario para que la seal se desplace del transmisor a la superficie del lquido y retorne al receptor. [3]

Figura 2.11. Sistema Ultrasnico de Medicin de Nivel.

Figura 2.12. Diagrama de Bloques de un Sistema de Medida de Ultrasonidos.2.4.4. Sistema de Medicin por Rayos Gamma o Medidor Radiactivo.El sistema de medicin por rayos gamma(figura 2.13)consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geiger que transforma la radiacin gamma recibida en una seal elctrica de corriente continua. Como la transmisin de los rayos es inversamente proporcionala la masa del lquido en el tanque, la radiacin captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del lquido ya que el material absorbe parte de la energa emitida.Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos x, pero de longitud de onda ms corta. La fuente radiactiva pierde igualmente su radioactividad en funcin exponencial del tiempo. La vida media, es decir, el tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de su actividad, vara segn la fuente empleada. En el cobalto 60 es de 5.5 aos, en el cesio 137 es de 33 aos y en el americio 241 es de 458 aos. [2]

Figura 2.13. Sistema de Medicin por Rayos Gammao Medidor Radiactivo.2.4.5. Medidor Lser.En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de nivel convencionales fallan, encuentra su aplicacin el medidor de nivel lser(figura2.14), y el descrito en el punto anterior. Es el caso de la medicin del metal fundido, donde la medida del nivel debe realizarse sin contacto con el lquido y a la mayor distancia posible por existir unas condiciones de calor extremas.El sistema consiste en un rayo lser enviado a travs de un tubo de acero y dirigido por reflexin 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 resolucin. 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 fusin, proporcionando, de este modo, la lectura del nivel. [3]Para finalizar, latabla 2.1nos muestra una comparacin entre los diferentes tipos de instrumentos de medicin de nivel de lquidos, con sus ventajas y desventajas. [4]

Figura 2.14. Medidor de Nivel Lser.InstrumentoCampoPrecisinPresin mxTemp mxDesventajasVentajas

de medida%escalabarfluido C

SondaLimitado0.5 mmAtm60Manual, sin olas,Barato

Tanques abiertosPreciso

CristalLimitado0.5 mm150200Sin transmisinSeguro, Preciso

Flotador0 - 10 m 1-2 %400250PosibleSimple, indep de

agarrotamientonaturaleza lquido

ManomtricoAlturatanque 1%Atm60Tanques abiertos,Barato

Fluidos limpios

Membrana0 - 25 m 1%Atm60Tanques abiertosBarato

BurbujeoAlturatanque 1%400200Mantenimiento,Barato, Verstil

Contam.del lquido

Presin Diferencial0.3 m 0.15 a 0.5%150200PosibleInterfase lquido

agarrotamiento

Desplazamiento0 - 25 m 0.5 %100170Expuesto aFcil limpieza,

corrosinrobusto, interfases

ConductivoIlimitado-80200Lquido conductorVerstil

Capacitivo0.6 m 1%80 - 250200 - 400RecubrimientoResistencia,

del electrodocorrosin

Ultrasnico0.30 m 1%400200Sensible a laTodo tipo de

densidadtanques y lquidos

Radiacin0 - 2.5 m 0.5 a 2%-150Fuente radiactivaTodo tipo tanque y

s/contacto lquido

Lser0 - 2 m 0.5 a 2%-150LserTodo tipo tanque y s/contacto lquido

Tabla 2.1. Medidores de nivel de lquidos.

Anlisis:Los transductores de nivel son muy aplicados en la industria debido a que permiten tener un control de fluidos y slidos, regulando as el flujo o a su vez las aplicaciones que sean requeridas ya sea en sistemas de alarmas, fugas, mantenimiento y dems procesos de automatizacin. Ningn transductor es el mejor en todas las situaciones de medida, puesto que cada uno de ellos presenta caractersticas referentes a los campos de aplicacin y medios de utilizacin; por lo que para optimizar y calibrar este tipo de instrumentos hay que considerar los parmetros que el usuario requiera y el medio en el que se est trabajando, partiendo del nivel de referencia mximo y mnimo de la zona al momento de instalarlos.

Conclusiones: Los sensores de nivel pueden ser de tipo continuo o discreto. El transductor de nivel proporciona una salida tipo elctrica en respuesta a la variacin de nivel de productos slidos, en polvo o lquidos de un depsito de almacenamiento. A partir de la medida de nivel de un lquido en un tanque conociendo su geometra, dimensiones y densidad, puede determinarse el volumen y la masa. Los transductores utilizados para el control de nivel son los de variacin de resistencia, capacitancia, reluctancia y voltaje.Recomendaciones: Realizar mediciones repetitivas de comprobacin de los datos tcnicos del fabricante del dispositivo, verificando el sistema de medicin empleado. Es necesario disponer de dispositivos y medios de medicin verificados y confiables. Es conveniente digitalizar las seales para tener mayor precisin y control. Emplear el transductor adecuado en concordancia con las condiciones de medicin y el medio en el cual actuar.

Bibliografa: [1] BECERRA Hugo, Simbologa Industrial, Universidad Tecnolgica Ciudad Jurez, pgina 4. [2] Antonio Creus Sol, Instrumentacin Industrial 6 Edicin Marcombo Boixareu Editores, Barcelona 1997. [3] John H. Perry, Ph. D.,Manual del Ingeniero Qumico 2 Edicin Versin espaol, Tomo 2, Libros McGraw - Hill, Mxico 1982. [4] Russel H. Babcock, Instrumentacin y Control en el Tratamiento de Aguas Potables, Industriales y de desecho (versin espaol-reimpresin), Editorial Limusa, Mxico 1985.