MEDICION DE NIVEL

TECNOLOGÍAS DE MEDICIÓN DE NIVEL

LÍQUIDOS

LÍQUIDOS (Características Eléctricas) 

Conductividad

Presenta uno o varios electrodos y un relé electrónico o eléctrico que se excita cuando el líquido moja los electrodos. Cuando esto ocurre, se cierra el circuito y circulará entonces una corriente de muy bajo amperaje. Se emplea para alarma o control en niveles superiores.

CAPACITANCIA R.F.

Mide la capacidad de un condensador que está formado por un electrodo y las paredes del tanque. La capacidad resultante es directamente proporcional al nivel del líquido. Los transmisores de capacidad tienen una precisión de ±1%.

Ventajas:

- Los sistemas son apropiados para muchas clases de líquidos.

- No presenta partes en movimiento.

- Es liviano de fácil instalación.

- Es de fácil limpieza.

- Presenta buena resistencia a la corrosión.

- Su costo es razonable.

Limitantes de la Tecnología:

- La temperatura puede afectar las constantes dieléctricas de los materiales.

- Los contaminantes pueden adherirse al electrodo (varía su capacidad).

- Requieren calibración.

- Cambio de nivel requerido para calibrar.

MEDICIÓN DE NIVEL POR CAPACITANCIA R.F.

Es la inferencia de nivel de un producto usando señales de Radio Frecuencia para generar una propiedad eléctrica conocida como “Capacitancia”.

Área de las placas conductivas (A)

Distancia entre las placas (d)

Constante Dieléctrica del producto entre las placas (K)

Un dieléctrico es la propiedad aislativa de un producto entre las placas de un capacitor.

La conductividad describe la habilidad de un material a conducir una corriente eléctrica.

Medición de nivel en líquidos no conductivos:

Constante de conductividad menos de 10 μsiemens/cm

Ejemplos:

• Aceites
• Mayoría de Solventes
• Hidrocarburos

Medición de nivel en líquidos conductivos:

Conductividad mayor de10 μsiemens/cm

Ejemplos:

• Agua
• Acidos
• Cáusticos
• Lodos en base de agua

Sondas desnudas

•  Aplicaciones de solo un punto de alarma
• Siempre son de punta sensible

Sondas con aislamiento

• Compatible en todas las aplicaciones conductivas
• Selección mas segura

NOTA: En caso de duda, use sonda con aislamiento

ULTRASONIDO:

En él se emite un impulso ultrasónico a una superficie de reflexión y posteriormente se recibe el eco en un receptor. El desfase de tiempo entre la emisión y la captación del eco,es función del nivel del tanque. Estos elementos son adecuados para toda clase de recipientes. Son sensibles a cambios de densidad en fluidos y la precisión está entre 0.25% y 1%.

Tecnologías de Contacto:

Lo básico en transmisión de sonido: El transductor Ultrasónico tipo “Gap”.

El cristal piezoeléctrico transmisor convierte una señal o energía eléctrica a una acústica.

El cristal que recibe la señal acústica convierte la energía acústica a una eléctrica.

El método “Continuo”

EL MÉTODO POR PULSOS

Ultrasónico de contacto: 

Adecuado para la mayoría de aplicaciones.

De no contacto: 

Adecuado para líquidos conteniendo aireación y sólidos suspendidos.

DE CONTACTO

Ventajas:

• La exactitud es aceptable.
• No requiere calibración.
• Su instalación es fácil.
• No presenta partes en movimiento.
•  Trabaja con aireación y sólidos suspendidos
• La detección de interfase es posible cuando no hay estracto de emulsión.
• El circuito requiere poco mantenimiento.
• Desplaza los métodos tradicionales cuando éstos presentan problemas.

Limitantes:

•  La información es muy limitada.
• Su costo es relativamente alto.
• Son ondas de sonido de alta frecuencia.
•  La espuma absorbe la señal de alta frecuencia.
• Solidificación de producto en la ranura, causando disparos falsos.
•  Los puntos de disparo son fijos, no ajustables.
• Limites en rango de temperatura.

NO CONTACTO

Ventajas:

• La medición de no contacto es ofrecida para evitar corrosión y contaminación del Líquido. Funciona para líquidos y algunos sólidos.
• Alta precisión. Algunos transmisores de no-contacto son precisos hasta un 0.25% del rango de nivel.
• La medición continua.
• No hay partes móviles que se desgasten. Un mínimo de mantenimiento.
• No es afectado por cambios en propiedades del líquido (ej. gravedad especifica, dieléctrico/ conductividad, etc.).
• Intrinsicamente Seguro o A Prueba de Explosiones.

 Limitantes:

• Espuma sobre la superficie puede absorber la señal ocasionando una perdida de eco.
• Gotas dinámicas, vapores pesados, vapor de agua, o partículas suspendidas en el medio del aire (polvo), pueden interferir con la señal transmitida y/o el eco.
• Rango de temperatura/presión es limitado.
• Requiere una distancia mínima debajo del transductor para la zona muerta que no es útil.

Radiación (nuclear)

Lo conforma un emisor de rayos gamma y contador Geiger que transforma dicha radiación en una señal eléctrica de corriente continua. Se emplea para mediciones de nivel en tanques que contienen material peligroso o que son difícil acceso.

Ventajas: 

Se utiliza cuando los otros métodos son completamente insatisfactorios.

Se pueden montar externamente al proceso.

Desventajas: El costo tanto para su compra como para su instalación, es elevado. Es peligroso para manejarlo (es necesario tomar precauciones).

Laser:

Se utiliza en aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de nivel convencionales fallan; tal es el caso de la medición de 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, y este tiempo es directamente proporcional a la distancia del aparato emisor a la distancia a la superficie del metal en fusión,  es decir,da la lectura del nivel

DISPERSIÓN TÉRMICA:

En nivel se utiliza para detección de nivel ó interfaces entre dos líquidos.

Son utilizados en:

•  Viscosidades altas.
•  Interfase.
•  Aplicaciones Sanitarias.
•  Más altas temperaturas.
•  No es afectado por dieléctrico.
•  Tolerante a recubrimiento.
•  Espuma.
•  Fluidos con aireación.
•  Más altas presiones.
•  Pulpa de papel.

El principio es: dos sensores, uno es el de referencia (no calentado) y el otro sensor calentado con corriente de energía constante. Este mide el resultado diferencial de temperaturas.

 

Ventajas:

•  No hay partes en movimiento.
•  Fácil de instalar.
•  Excelente detección de caudal.
•  Util a través de un amplio rango (0.003 – 1.5 m/s de agua).
•  Reacción Rápida.
•  Un interruptor para todas las aplicaciones.
•  No es afectado por cambios en viscosidad, conductividad, o presión.
•  Tolerante a capas / adherimiento del producto.

SWITCH POR MICROONDAS:

 

La energía por microondas, es una forma de energía electromagnética (ej. Radio, luz,rayos – X) que existe entre las ondas de radio y luz infrarrojo en un espectro de frecuencias.

Energía electromagnética reflexión:

• La fuerza de reflejo de la energía de microondas es afectada por la propiedad dieléctrica del líquido en el proceso.
• Cuanto más alto es el dieléctrico, mas es la energía o señal reflejada.

Características:

•  Detecta medios difíciles tales como emulsión de Hidrocarburos / agua
•  Intrínsecamente seguro
•  La unidad de campo puede abrirse en áreas clasificadas sin peligro
•  Diagnósticos manual y automático
•  Alimentación remota hasta 240 mts.
•  Sensor en 316 SS con sello en teflón (400 PSI máx)
•  Rosca al proceso 1” NPT, otras opciones disponibles
•  Posición de falla segura seleccionable por el usuario
•  Diseño compacto
•  Sensibilidad ajustable por el usuario
•  Salida DPDT 10A y SPDT para diagnósticos
•  Puede montarse a ras para detección de sólidos a granel

MAGNETOSTRICTIVO: 

Salida 4-20 mA + HART ó Bus de Campo

 Teoría de operación:

• Un pulso de “corriente” es transmitido a través del cable magnetostrictivo (similar a cable de piano). Al generar el pulso (i) se inicia un contador.
• El pulso de corriente al atravesar el campo magnético del imán dentro del flotador causa una torsión (giro axial) del cable mismo.
• Una onda acústica es generada y viaja la longitud del cable en ambas direcciones para arriba y abajo.
• Cuando la bobina detectora en la electrónica recibe este pulso acústico, el contador se detiene.
• La distancia es directamente proporcional al ciclo de tiempo entre el pulso de corriente (i) y el pulso mecánico.

Componentes y/o Ensamblajes Primarios

•  Tubo que contiene el alambre que conduce el pulso - Pozo aislante
•  Flotador con imán
•  Electrónicas.
•  Amplificador y bobina que detecta pulso mecánico.
•  Generador de pulso electrónico y reloj.

Ventajas:

•  Linearidad sobresaliente.
•  Fácil de instalar y dar servicio.
•  No hay componentes internos móviles – únicamente el flotador.
•  No es afectado por espuma, vapor, variación de dieléctrico.
•  Calibración en campo no es necesaria.

Limitaciones:

•  Solamente líquidos limpios.
•  Rango de medición es limitado.
•  Rango de temperatura es limitado.

Un ejemplo de esta tecnología es: El microtel

Características del microtel:

•  Transmisor de dos hilos, alimentado por el lazo.
•  Intrínsecamente segura.
•  Auto Prueba Continuo con indicación de falla por señal de 22 mA.
•  Linearidad: ±0,031” o ±0.035% Span total.
•  Alambre magnetostrictivo puede ser sacado sin interrumpir el proceso.
•  Las placas electrónicas y el sensor son intercambiables; pueden ser reemplazados   en campo.
•  Amortiguación de 1-5 segundos (default de fabrica 1 seg.).
•  Salida salta a 22 mA en condición de falla.
•  Chequea por lo siguiente:
•  Alambre roto o desconectado.
•  Imán roto.
•  Falta de flotador.

 Calibración:

• Todas las unidades llegan de fabrica calibradas con el span a la longitud de inserción.
• Si otro span de medición es deseado.
• Mueva el flotador al nivel correspondiente a 20 mA y ajusta el R14 hasta que la salida sea 20 mA ±0.01 mA.
• Mueva el flotador al nivel correspondiente a 4 mA y ajusta el R8 hasta que la salida sea 4 mA ±0.01mA.

RADAR

Radar Por Onda Guiada

Pulsos de energía a alta frecuencia son emitidos a través de una sonda (guía de ondas),y, un circuito que detecta el rebote de la señal de la superficie del líquido mide el tiempo de ida y de vuelta de la señal (principio TDR “Time Domain Reflectometry”).  Mas alto que sea el dieléctrico del líquido, mas fuerte es el rebote de la señal.

 Ventajas:

• Utiliza una sonda – pero no es capacitancia/ Admitancia RF.
• Opera hasta los 400 °F (200 °C) y 750 psi (50 bar).
• No requiere movimiento de nivel para calibrar puede ser configurado en un banco.
• Adherencia tiene un efecto mínimo.
• No es afectado por cambios en propiedades del líquido, ej. dieléctrico, gravedad especifica, etc.

Donde aplicar:

• Aplicaciones difíciles (vapor saturado, tanques 100% llenos,temperaturas y presiones extremas; dielectricos tan bajos como 1.4; gravedad específica y dieléctricos cambiantes
• La alta variedad de sondas permiten acomodarse una gran variedad de aplicaciones, desde solventes hasta medios viscosos como el crudo de castilla y medios adherentes tales como pinturas a base de latex
• Areas clasificadas en generación de energía, plataformas marinas,Refinación, Químicos y Petroquímicos
• Tanques hasta 6,1mt con sonda rígida o hasta 15mt con sonda flexible
•  Medida de Interface hasta 3,7mt
• Aplicaciones en donde los instrumentos tradicionales no han llenado las expectativas del usuario bien sea por aplicación o por desempeño.

(ej. Transmisores DP ó RF transmitters, Transmisores por Tubo de Torque, Magnetostrictivos)

Donde Tener Cuidado:

• Tanques o medios cercanos a las capacidades máximas del instrumento.
• Medios caústicos ó acidos que puedan atacar la sonda.
• Puenteo de la sonda por medios sucios o altamente viscosos
• Vórtices excesivos o agitación que pueda dañar la sonda

 Donde NO Aplicar:

• Cuando la aplicación excede las capacidades del instrumento por rango, presión o temperatura.
• Medios con dielectrico < 1.4
• Tanques superiores a 15,2mt de alto.
• El espacio disponible por encima del tanque no permite la instalación de una sonda rígida.
• Aplicaciones de Interface en donde el medio superior o inferior estan por fuera del rango del instrumento.
• El medio superior tiene un dieléctrico mayor que el del medio inferior.

RADAR DE ANTENA:

Porqué Radar No-Contacto?

• Muchas de las mismas ventajas del GWR*    * GWR = Guided Wave Radar (Radar de Onda Guiada)
• Características de medición excelentes
• No importan los cambios en las condiciones de proceso (dieléctricos,densidad, Temp., presión)
• No afectado por vapores; algo por espuma y acumulación de producto en la antena
• Alimentado por el lazo de control
• Seguro: mucha menor energía de microondas que la emitida por antenas de teléfonos celulares
• Rango hasta 20 metros (65 pies)

TIPOS DE ANTENA

Consideraciones Operacionales

Distancia Máxima- pies (metros)

 

Distancia Max. calculada como…

Altura del Tanque + “SENSOR OFFSET” medido desde el punto de referencia del sensor.

Donde Usar Radar de Antena:

• La viscosidad del medio excede las capacidades de la sonda
• El espacio disponible por encima del tanque solo permite un radar de antena
• Una sonda larga sería dificil o inseguro instalar
• El usuario prefiere un instrumento sin contacto
• Por efectos de corrosion ó viscosidad es preferible utilizar un instrumento sin contacto

MEDICIÓN DE NIVEL 

Existe una gran variedad de dispositivos que miden nivel en los procesos Industriales. Esta variable es fundamental, por ejemplo, en el balance de materias primas y producto terminado. Se debe controlar nivel por economía, por la calidad del producto, por la seguridad del equipo y del personal y para reducir los desperdicios en la operación.

Para realizar una correcta determinación de esta variable es necesario tener en cuenta algunas consideraciones:

• Intervalo o gama del nivel.
• Características del material: Temperatura, presión, gravedad especifica, grado de limpieza contenido de vapor o de sólidos, viscosidad.
• Efectos de corrosión.

 En general, no se presenta mucha dificultad para detectar el nivel de fluidos limpios y no viscosos. En cambio los sólidos en suspensión, los materiales viscosos y los sólidos generan muchos problemas de medición.

Como en la mayoría de las variables de proceso, el nivel de líquidos puede ser medido directamente o inferencialmente. Esta sería la forma de clasificación de muchos métodos de medida disponibles:

Métodos directos: estos envuelven una medida directa de la distancia del nivel del líquido desde una línea de referencia. Esto puede ser logrado por:

1. Observación a una distancia visual directa en una escala calibrada convencionalmente, tal como con un indicador visual de vidrio o una varilla con flotador.
2. Determinación de la posición de un miembro detector el cual flota en la superficie del líquido, tal como una bola u otro tipo de flotador.
3. Contactos de electrodos con la superficie del líquido.
4. Interrupción de un haz luminoso o una celda fotoeléctrica.
5. Reflexión de ondas de radio y radar o sonido desde la superficie del líquido.

Métodos Inferenciales:

Efectos diferentes a cambio de la posición de una superficie de líquido se pueden usar ventajosamente para determinar el nivel de líquidos en recipientes cerrados. Algunos de estos efectos son:

1. Medición del fluido o cabeza hidrostática desarrollada por el líquido.
2. Medida de la fuerza boyante creada cuando un miembro detector se sumerge parcial o totalmente en el líquido.
3. Determinación termal entre las fases líquido y vapor en un recipiente.
4. Varios sistemas eléctricos por los cuales el nivel de líquido puede ser inferido, basado en propiedades físicas o eléctricas del líquido.

En medición de nivel hay diferentes tipos de tecnologías aplicables con lo anterior y a su vez con el tipo de sustancia. Son las siguientes:

EN LÍQUIDOS

• Medidor de sonda
• Medidor de cinta con plomada
• Varilla con gancho
• Medidor flotador ó Flotadores
• Desplazadores
• Capacitancia R.F.
• Ultrasónico
• Dispersión Térmica
• Switch Microonda
• Indicador visual
• Magnetostrictivo
• Presión diferencial
• Hidrostático
• Radar
• Nuclear
• Conductividad

EN SÓLIDOS

• Medidor de Diafragma
• Medidor de varilla flexible ó Vibración
• Medidor de paletas rotativas
• Medidor de cono suspendido
• Medidor Conductivo
• Medidor de peso Móvil
• Medidor de presión diferencial
• Medidor de báscula
• Medidor ultrasónico
• Medidor capacitivo
• Medidor de radiación

MEDICIÓN DE NIVEL EN SÓLIDOS

Medidores de Nivel para Sólidos.

Para seleccionar el sistema más apropiado es necesario tener en cuenta las siguientes consideraciones:

• Temperatura máxima y mínima.
• Presión (aire ó gas) máxima y mínima.
• Vibraciones.
• Contenido de humedad del material.
• Compatibilidad de los componentes del sistema con el material.
• Propiedades del sólido: Densidad, forma de la partícula y características dieléctricas y acústicas.

Para este caso particular, la medición básicamente se realiza en un punto del tanque o en Forma continua a través de él. Es aplicable para recipientes o silos que contienen materias primas o productos terminados.

Los principales elementos de punto fijo son: Diafragma, varilla flexible, paletas rotativas,cono suspendido, medidor conductivo y medidor ultrasónico.

Los elementos continuos determinan el nivel desde el extremo interior hasta el superior del tanque, en forma continua. Pertenecen a este grupo: Medidor de peso móvil, medidor de presión diferencial, medidor de báscula, medidor ultrasónico, medidor capacitivo y el medidor por radiación.

MEDIDORES DE PUNTO FIJO

Medidor de Diafragma:

Tiene una membrana flexible, en contacto con el producto, dotada de un conjunto de palancas en contrapeso que se apoyan en un interruptor. Cuando el nivel del sólido llega a la membrana, se mueve el contrapeso y acciona el interruptor. Esta acción genera una alarma o una verdadera función de control. El aparato es barato, Trabaja con materiales de diferentes densidades y puede emplearse en tanques cerrados sometidos a baja presión o vacío.

Medidor de Varilla Flexible y de Vástago Vibratorio.

Es una varilla de acero conectada a un diafragma con un interruptor. Cuando los sólidos llegan hasta la varilla, el interruptor se cierra y entonces actúa una alarma.

Se emplea en tanques abiertos y como alarma del nivel alto. Puede trabajar en temperaturas cercanas a los 300°C.

Otro tipo dentro de este es el solitel. El principio de operación es el siguiente:

Detecta el cambio de la vibración cuando entra en contacto con algún sólido.

Ventajas del Solitel

• Diseño de vástago simple.
• No hay partes en movimiento.
• Construcción robusta.
• Ciclo continuo de auto limpieza.
• Fácil de instalar y calibrar.
• Sensibilidad ajustable.
• Detección de densidad hasta 0.05 grams/cm³

La operación es la siguiente:

MEDIDOR DE PALETAS ROTATIVAS

Consta de un eje con paletas que giran continuamente a baja velocidad. Cuando el material sólido llega hasta las paletas, las inmoviliza y los engranajes giran ya en sentido contrario. De esta manera se excitan dos interruptores; el primero para la alarma y el segundo para desconectar la alimentación al tanque. Cuando el nivel disminuye, las paletas quedan al descubierto y el motor vuelve a su posición normal al igual que los dos

interruptores. Es decir, las paletas vuelven a girar y la alarma se mantendrá desconectada.

Este elemento sirve para tanques abiertos o de baja presión.

MEDIDOR DE CONO SUSPENDIDO:

Presenta un interruptor que es accionado por un cono. Cuando el nivel de sólidos alcanza el cono el interruptor se excita. Es barato y se utiliza en tanques abiertos. Sirve como alarma de alto y bajo nivel cuando el material es carbón, caliza o granos.

  

MEDIDOR CONDUCTIVO

Un electrodo se coloca en el interior de unas placas con el circuito eléctrico abierto. Al alcanzar los sólidos el aparato, el circuito se cierra y se crea una corriente que actúa sobre una alarma. Se utiliza en tanques abiertos y a presión con temperaturas de hasta 300°C.

MEDIDORES CONTINUOS

MEDIDOR DE PESO MÓVIL

Unas poleas sostienen un peso móvil desde la parte superior del silo. El peso desciende en el interior de él hasta chocar contra la superficie de los sólidos. En este momento se lee la medida de nivel e inmediatamente el peso inicia su ascenso. El aparato es sencillo y se utiliza fundamentalmente para control de nivel.

MEDIDOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL

Sirve par medida y control de lechos fluidizados. Básicamente presenta dos orificios de purga de aire localizados encima y debajo del lecho. Mediante un transmisor se mide la presión diferencial en los dos orificios, la cual depende del nivel del lecho fluidizado. La respuesta del sistema es rápida y sirve para altas temperaturas (300°C).

MEDIDOR DE BÁSCULA

Se pesa en conjunto el recipiente más el producto y de ahí se calcula el nivel de una manera indirecta. Por supuesto, el peso del recipiente es conocido. Puede trabajar a elevadas presiones y e un método caro. La precisión se sitúa entre ±0.5 y ±1.0%.

MEDIDOR ULTRASÓNICO

Un emisor de ultrasonidos envía un haz a un receptor que está situado al otro lado del tanque. Si el nivel de sólidos es inferior al haz, se activa un relé. Cuando los sólidos interceptan el haz el relé se desactiva y actúa bien una alarma o un sistema de control.

El sistema se utiliza para materiales con mucho polvo y alta humedad. Trabaja hasta 150°C. La precisión está entre ±1.0% y ±3.%.

MEDIDOR CAPACITIVO

Su funcionamiento es similar al utilizado para medir nivel de líquidos. Sirve para materiales granulados o en polvo. Debe calibrarse par cada tipo de materia y éste puede adherirse a la varilla causando lecturas imprecisas. La máxima temperatura de operación es 150°C.

MEDICIÓN DE NIVEL EN LÍQUIDOS

Los medidores de nivel de líquidos trabajan midiendo, bien directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia, bien la presión hidrostática, bien el desplazamiento producido en un flotador por el propio líquido contenido en el tanque del proceso, o bien  aprovechando características eléctricas del líquido.

MEDIDOR DE SONDA:

Contiene una regla graduada que se introduce en el depósito. La longitud mojada del líquido determina el valor del nivel. Se utiliza generalmente en tanques que contienen gasolina, fuel oil y monómeros.

MEDIDOR DE CINTA CON PLOMADA:

Es útil cuando el medidor de sonda experimenta difícil acceso al fondo del tanque.

VARILLA CON GANCHO:

Una varilla graduada provista de un gancho se sumerge en el líquido y luego se levanta para que el gancho rompa la superficie del líquido al subir. Por diferencia de longitudes, se determina el nivel en el recipiente.

MEDIDOR POR FLOTADOR O FLOTADORES:

Está formado por un flotador que se coloca entre el líquido. Una conexión al exterior del tanque permite la lectura directa de la variable. Estos aparatos tienen una precisión de ±0.5% y son aptos para mediciones en tanques abiertos o cerrados a presión ó al vacío; el método es independiente del peso específico del fluido.

Estos están basados en el “Principio de Arquímedes”.

“La flotabilidad de un objeto es igual a la fuerza de gravedad sobre el líquido desplazado por ese objeto” o dicho de otra forma...

“Un objeto flota si su peso es igual o menor al peso del volumen del líquido que desplaza”

• Fuerza de flotación = FF=r*g*VD donde... r*g = peso especifico del fluido desplazado.

Ventajas:

• No requiere alimentación eléctrica.
• No requiere calibración en campo.
• Set point estable y repetible.
• Tecnología comprobada.
• Confiabilidad a largo plazo.
• Mantenimiento mínimo.
• Posibilidad de detección de interfase.

 Limitaciones de la Tecnología:

• Solamente fluidos limpios
• Exactitud de ±0.25 pulg.
• Requiere movilizar el nivel para probarlo.
• Fluidos corrosivos requieren de materiales especiales.
• Partes móviles dentro del proceso.
• Requiere cambios en la instalación para mover el set point.

 INTERRUPTORES DE NIVEL TIPO FLOTADOR

Indicador Visual:

Los dispositivos más utilizados son los tubos transparentes de vidrio que se conectan directamente al equipo y el fluido visible dentro del tubo revela el valor del nivel. El método directo es simple y económico pero difícil de adaptar a transmisores para indicación remota y control.

Este es un tubo de vidrio o plástico transparente que se instala al tanque como se ve en dibujo. Cuando el tanque es cerrado, el extremo superior del tubo debe conectarse también al interior del tanque. Si el indicador es de diámetro muy pequeño, puede mostrar una altura externa del nivel, debido al efecto de capilaridad. Para evitar esto el yugo debe ser de más de ¼” diámetro.

El nivel dentro del tanque estará a la altura que el líquido tiene en el indicador visual mirándolo por el centro del menisco.

Otra clase es el Magnetel:

El Cual el principio de operación es a través de un imán que esta en el flotador y en la parte exterior se encuentra unas banderas de indicación las cuales se mueven al paso del imán del flotador ver figura.

Para la selección del modelo de un indicador visual se debe tener encuenta la siguiente información requerida.

• Gravedad especifica del medio
• Temperatura del proceso
• Presión del proceso – operando y prueba
• Conexiones al proceso
• Rango / span de medición
• Material de construcción requerida

Aplicaciones:

• Líquidos limpios – flotador debe deslizarse bien

• Compatibilidad química – material de la cámara y el flotador deben aguantar materiales corrosivos.
• “Flashing” – expansión rápida de gases en él liquido.
• Condiciones ambientales – polvos suspendidos y neblinas saladas.
• Condiciones del proceso – corrosión /P / T / S.G.
• Tipo de conexión al proceso – emparejar las conexiones.
• Pata inferior – longitud suficientemente larga para permitir movimientos del flotador en nivel mínimo.
• Requerimientos de venteo y drenaje.
• Alarma para nivel alto y bajo.
• Control de bomba utilizando relevador tipo “latching”.
• Alarmas alto y alto /alto mas de 3 cm aparte.
• Multitud de interruptores.
• Habilidad de ajustar el punto de disparo sin parar el proceso.
• Habilidad de agregar interruptores al deseo.
• Aislamiento total del interruptor mismo del proceso.
• Habilidad de cambiar el estado del interruptor a través de un imán de mano.
• Indicación analógica.
• Exactitud ± 1cm
• Resolución ± 1cm
• Aislamiento completa del transmisor del proceso.
• Recalibración sin parar el proceso.
• Montaje del transmisor al deseo sin parar el proceso.
• Probar el transmisor utilizando un imán de mano.

HIDROSTÁTICO

Medidor Manométrico:

Es un manómetro directamente conectado a la parte inferior del tanque. Con este instrumento se determina la presión que produce la columna del líquido que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. Es aconsejable para fluidos limpios porque si éste es corrosivo, coagula o tiene sólidos en suspensión, puede destruirse el fuelle del manómetro. Se utiliza en tanques abiertos y desafortunadamente las variaciones de densidad en el líquido afectan la medición de la variable.

Medidor por Burbujeo:

Utiliza un tubo que se sumerge en el líquido y a través del cual se burbujea aire. La presión del aire en la tubería será entonces equivalente a la presión hidrostática que ejerce la columna del líquido (nivel). El método es simple y genera buenos resultados aún en líquidos muy corrosivos, en sólidos en suspensión y en emulsiones. El dispositivo sirve para tanques abiertos o cerrados.

 

Presión Diferencial:

Consiste en un sensor de  diafragma en contacto con el líquido del estanque, que mide la diferencia entre la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque y la presión en un punto de la parte superior del tanque o a la atmosfera. Para un tanque abierto, esta presión es proporcional a la altura del líquido y a su peso específico, es decir:  P = hγg   en la que:

P = presión

h = altura del líquido sobre el instrumento

γ = densidad del líquido

g = 9,8 m/s2

El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónico o digital de presión diferencial.

 

Medidor de Presión Diferencial: En la medición de nivel con este principio, se debe tener en cuenta dos conceptos importantes para calibración y ajusten de los transmisores. Los dos conceptos son:

1. Supresión de Cero
2. Elevación de Cero

Supresión de Cero: Se necesita un cero suprimido cuando un transmisor de presión absoluta o un medidor está montado por debajo de la toma de alta presión (conexión inferior del proceso). Cuando el transmisor está montado por debajo de la toma de alta presión, el fluido de llenado en el capilar ejerce presión en el sensor del transmisor, haciendo que emita una lectura positiva de presión, incluso cuando el depósito esté vacío.

 

Elevación de Cero: Se necesita un cero elevado para un transmisor de presión absoluta o un medidor montado por encima de la toma de alta presión (conexión inferior del proceso) o para una aplicación de presión diferencial de dos juntas. En estos casos, el transmisor lee una presión negativa cuando el depósito está vacío, debido al efecto de presión principal del fluido de llenado del capilar.

 

Usos: Se emplea en tanques abiertos y cerrados a presión y vacío; no presenta partes en movimiento dentro del tanque, son confiables, admite temperaturas del fluido hasta 120°C, es de fácil limpieza y no experimenta la influencia de los cambios de presión. El material del diafragma puede ser de acero inoxidable, acero inoxidable recubierto de teflón, monel, tantalio, hastelloy B. La precisión está en  ± 0.5%  en los neumáticos, ± 0,2 %  a  ±  0,3 %  en los electrónicos, y de  ± 0,15 %   en  los  “inteligentes”  con señales  de  salida de 4-20 mA c.c.

Medidor de Membrana:

Posee una membrana conectada a un instrumento receptor. La fuerza que ejerce la columna líquida comprime al aire de la membrana hasta cuando se logra el equilibrio entre el aire interior de la membrana y la fuerza de la columna líquida.

No sirve par líquidos corrosivos. Cuando se trabaja con sólidos en suspensión, se debe instalar una tubería de purga en la parte interior del instrumento. Tiene una precisión de ±1%.

 

 Ahora bien, los modelos de medidores por presión hidrostática pueden venir no sellados o sellados.

Sistemas no sellados: 

Se utilizan en contacto directo con el fluido y como es natural presentan tanto ventajas como desventajas.

Ventajas: generan buena exactitud, son adaptables para amplias gamas de nivel, están disponibles en muchos materiales de construcción, sus costos son moderados.

Desventajas: Las variaciones de densidad producen errores.

Sistemas sellados: 

En este caso, los elementos de medida se aíslan del fluido del proceso. Con la mejora, los sistemas son ya aptos para sólidos en suspensión y materiales corrosivos o altamente viscosos.

Ventajas: 

• Presenta alto intervalo de medición.
• Tienen aceptable exactitud.
• Sirven para recipientes abiertos o cerrados.
• Sirven para temperaturas relativamente elevadas.
• Son aceptables a materiales corrosivos, altamente viscosos y sólidos en suspensión.

Desventajas: 

• Cuando se desmontan las unidades, es necesario parar el equipo de proceso.
• Las variaciones de densidad del fluido causan errores.

DESPLAZADOR

El principio es el siguiente:

Características de control.

• Empleados para alarmas, control de bomba y nivel continuo.
• También utilizado para detección de interfase.
• Tolerante a fluidos turbulentos.
• Transmisores neumáticos y electrónicos.
• Temperaturas de procesos hasta 700°F.
• Presiones de procesos hasta 5000 Psig.
• Montura en tope o en camara externa.
• Principio de fuerza de flotación.

TECNOLOGÍAS DE MEDICIÓN DE FLUJO

Existen varios métodos para medir el flujo según sea el tipo de flujo volumétrico o másico deseado. Entre los transductores más importantes figuran los siguientes:

1. Medidores volumétricos

De presión diferencial

• Placa orificio
• Tobera
• Tubo Venturi
• Tubo Pitot
• Tubo Annubar

De área variable

• Rotámetro

De velocidad

• Vertedero con flotador en canales abiertos
• Caudalimetro deTurbina
• Caudalimetro ultrasónicas

De Fuerza

• Placa de impacto

De tensión inducida

• Caudalimetro magnético

De desplazamiento positivo

• Caudalimetro de disco oscilante
• Caudalimetro de pistón oscilante
• Caudalimetro de pistón alternativo
• Caudalimetro rotativo
• Caudalimetro de paredes deformables

De torbellino

• Medidor de frecuencia de termistancia, o condensador o ultrasonidos

Oscilante

• Válvula oscilante

2. Medidores másicos

Térmico

• Diferencia de temperaturas en dos sondas de resistencia"

Fuerza de Coriolis

• Tubo en vibración"

TIPOS DE MEDIDORES DE FLUJO

Medidores de cabeza variable:

• Tubo venturi
• Placa de orificio

Medidores de área variable

• Rotámetro
• Turbina
• Vortex
• Electromagnético
• Ultrasónico
• Pitot
• Hilo caliente

Medidor de Flujo Másico

• Térmico
• Fuerza de Coriolis

MEDIDORES DE PRESIÓN DIFERENCIAL

Se sabe que cualquier restricción de fluido produce una caída de presión después de esta, lo cual crea una diferencia de presión antes y después de la restricción.

Esta diferencia de presión tienen relación con la velocidad del fluido y se puede determinar aplicando el Teorema de Bernoulli, y si se sabe la velocidad del fluido y el área por donde esta pasando se puede determinar el caudal.

Ventajas de los medidores diferenciales

• Su sencillez de construcción.
• Su funcionamiento se comprende con facilidad.
• No son caros, particularmente si se instalan en grandes tuberías y se comparan con otros medidores.
• Pueden utilizarse para la mayoría de los fluidos, y hay abundantes publicaciones sobre sus diferentes usos.

Desventajas

• La amplitud del campo de medida es menor que para la mayoría de los otros tipos de medidores.
• Pueden producir pérdidas de carga significativas.
• La señal de salida no es lineal con el caudal.
• Deben respetarse unos tramos rectos de tubería aguas arriba y aguas abajo del medidor que, según el trazado de la tubería y los accesorios existentes, pueden ser grandes.
• Pueden producirse efectos de envejecimiento, es decir, acumulación de depósitos o la erosión de las aristas vivas.
• La precisión suele ser menor que la de medidores más modernos.
• Especialmente si, como es habitual, el medidor se entrega sin calibrar.

Placas de Orificio

Cuando una placa se coloca en forma concéntrica dentro de una tubería, esta provoca que el flujo se contraiga de repente conforme se aproxima al orificio y después se expande de repente al diámetro total de la tubería.

La corriente que fluye a través del orificio forma una vena contracta y la rápida velocidad del flujo resulta en una disminución de presión hacia abajo desde el orificio.

1. Concéntrica: sirve para líquidos

2. Excéntrica: para gases

3. Segmentada: para fluidos que contienen un alto porcentaje de gases disueltos

La placa de orificio se usa comúnmente en líquidos limpios, gases y vapor, y es especialmente adecuada cuando no se tienen grandes limitaciones de caída de presión, especialmente en tamaños de tubería grandes (6” o mayor). Aunque este dispositivo ha sido ampliamente aceptado para este tipo de aplicaciones, las ecuaciones que se usan para dimensionar difieren de un fabricante a otro.

La placa de orificio puede ser de cualquier material, aunque el acero inoxidable es el mas usado. El espesor de la placa, normalmente 1/8” a ½”, depende del tamaño de la línea, la temperatura del proceso, presión estática y presión diferencial (rango de flujo).

La relación beta va normalmente de 0.25 a 0.75. La máxima velocidad (y por consiguiente mínima presión estática) se da entre 0.35 y 0.85 diámetros aguas abajo (vena contracta).

Las placas de orificio concéntrico se recomiendan para medición de líquidos limpios, gases y vapor cuando los números Reynolds van de 20000 hasta 107, en tuberías hasta 6”.

El número Reynolds mínimo recomendado depende del beta de la placa y el tamaño de la tubería. En tuberías grandes, el número Reynolds mínimo es mayor.

Debido a esta consideración del número Reynolds mínimo, las placas de borde cuadrado son raramente usadas para líquidos viscosos. En estos casos, cuando el número Reynolds es mayor a 10000, se prefieren las placas con bordes inclinados o cónicos.

TUBO VENTURI

El Tubo de Venturi es un dispositivo que origina una pérdida de presión al pasar por él un fluido. En esencia, éste es una tubería corta recta, o garganta, entre dos tramos cónicos. La presión varía en la proximidad de la sección estrecha; así, al colocar un manómetro o instrumento registrador en la garganta se puede medir la caída de presión y calcular el caudal instantáneo.

TUBO  PITOT

Esta constituido por dos tubos que detectan la presión en dos puntos distintos de la tubería. Uno de los tubos mide la presión de impacto en un punto. El otro mide únicamente la presión estática del proceso, generalmente mediante orificios practicados en la pared de la conducción.

Medidores de Área Variable 

Cuando no hay flujo el flotador permanece en la parte inferior o base del tubo cónico y su diámetro es seleccionado de tal manera que tapa casi completamente la entrada de fluido. Cuando el flujo comienza a incrementarse y alcanza el flotador, el efecto boyante del fluido hace más liviano el flotador.

Sin embargo si el flotador tiene una densidad mayor que la del fluido, el efecto boyante no es suficiente para levantar el flotador. Por lo tanto, el camino de flujo ofrece resistencia al caudal y la caída de presión comienza a incrementarse. Cuando la presión diferencial del fluido hacia arriba mas el efecto Boyante excede la presión hacia abajo debido al peso del flotador, este inicia su ascenso y flota dentro de la corriente de flujo.

Los flotadores pueden ser guiados en el tubo de medición de tres formas, esto es importante ya que el flotador debe estar siempre en el centro exacto del tubo.

Puede ser guiado a través de ranuras en la cabeza del flotador.

Pude ser guiado por tres pestañas localizadas a lo largo del tubo y paralelas al tubo de medición.

Una vara localizada en el centro del tubo sirve de guía para el flotador. Este es muy usado en los tubos metálicos de medición.

También existe una amplia variedad de formas de flotador:

Flotador cilíndrico

Flotador inmune a la viscosidad

Flotador no inmune a la viscosidad

Flotador con baja perdida de presión.

Medidor Tipo Turbina

Este medidor tiene como bien lo dice una turbina que gira a una velocidad que depende de la velocidad del flujo. Conforme cada una de las aspas del rotor pasan a través de una bobina magnética, se genera un pulso de voltaje que puede alimentarse de un medidor de frecuencia, un contador electrónico, u otro dispositivo similar.

En general los medidores de turbina son totalizadores volumétricos indirectos en los cuales la corriente de flujo causa giros en un rotor de paletas. El numero de vueltas del rotor es proporcional al flujo total y la frecuencia de revoluciones proporcional al flujo. Hay varios diseños de turbina, los cuales difieren en la dirección del flujo de entrada y el método utilizado para medir la señal.

Medidor de Flujo Ultrasónico:

Los transductores de ultrasonidos miden el flujo por diferencia de velocidades del sonido al propagarse éste en el sentido del flujo del fluido y en el sentido contrario. Los sensores están situados en una tubería de la que se conocen el área y el perfil de velocidades. Los principios de funcionamiento de estos instrumentos son variados.

En una técnica de medición, se mide la diferencia de fases o la diferencia de frecuencias entre las ondas del sonido que recorren el fluido en ambos sentidos.

Existen otros métodos que se basan en los siguientes principios:

• Desviación de haz de sonido emitido por un transmisor perpendicularmente a la tubería, que es utilizado en fluidos limpios.
• Método Doppler. Se proyectan ondas sónicas a lo largo del flujo del fluido y se mide el corrimiento de frecuencia que experimenta la señal de retorno al reflejarse el sonido en partículas contenidas en el fluido.

En todos estos sistemas, se utilizan transductores piezoeléctricos tanto para la emisión como para la recepción de las ondas ultrasónicas.

Los transductores sónicos son adecuados en la medida de la mayor parte de líquidos, en partícular de los líquidos con sólidos en suspensión con la salvedad de que las partículas o las burbujas de aire que pueda contener el líquido no deben compararse en tamaño con la longitud de la onda acústica. Son sensibles a los cambios de densidad del líquido que varían la velocidad del sonido (por ejemplo, la velocidad en el seno del agua varía

0,2% por cada grado centígrado.

Medidor Tipo Torbellino

El flujo de gases, vapores y líquidos puede ser medido sobre un amplio rango independiente de las propiedades del fluido con el medidor de flujo tipo SWIRL o torbellino. Este medidor es libre de mantenimiento y no contiene partes móviles.

Un cuerpo guía estacionario es colocado a la entrada del medidor, su forma es similar al rotor utilizado en los medidores de turbina. Este cuerpo hace que el fluido se mueva circularmente ( torbellinos). La corriente de flujo se mueve circularmente en forma de espiral a través de la sección del SWIRLMETER.

Medidor Tipo Vortex

El principio de operación del Vortex es basado en el camino de Vortex Karman. Si un fluido pasa a través de una obstrucción se causan vórtices, cuando la obstrucción es colocada en el centro de la tubería se forman vórtices a ambos lados. El flujo causa que estos vórtices se dividan creando un camino de vortex. La distancia geométrica entre dos vórtices L y el tiempo T intervalo entre dos vórtices consecutivos, determinan la frecuencia del vortex como:

F~ 1/t

El medidor vortex es el ideal para la medición de vapores, gases y líquidos de bajas viscosidades (max 10cps). Un piezo sensor dentro del medidor es el encargado de convertir la fuerza de presión resultante en señales de pulso eléctricos las cuales pueden ser amplificadas. Normalmente este piezo sensor es colocado detrás del cuerpo divisor de vórtices, sin embargo hay veces que se coloca dentro del mismo cuerpo divisor de vortex de tal manera que este pueda vibrar libremente. El sensor es influenciado por las variaciones de presión las cuales están sincronizadas a la frecuencia de división de vórtices.

Los medidores de flujo tipo vortex miden líquidos, gases y vapores linealmente y esencialmente independiente de las propiedades del fluido temperatura, presión, densidad, viscosidad y conductividad eléctrica.

Luego que la señal del piezo sensor es amplificada, un convertidor controlado por microprocesador convierte ellas a una cantidad de flujo proporcional y además de indicación se puede tener señales de 4-20 mA.

Medidores Flujo Magnético

Basado en la Ley de Faraday. Formado por un tubo, revestido interiormente con material aislante. Sobre dos puntos diametralmente opuestos de la superficie interna se colocan dos electrodos metálicos, entre los cuales se genera la señal eléctrica de medida.

En la parte externa se colocan los dispositivos para generar el campo magnético, y todo se recubre de una protección externa, con diversos grados de seguridad.

  

Medidores de Flujo Másico

La necesidad de basar la mayoría de mediciones de flujo en la industria en flujo másico en vez de flujo volumétrico, se da por el simple hecho de que en casi todos los casos, los datos de flujo son finalmente interpretados en términos de masa. En el caso de los gases, los datos de flujo son comúnmente llevados a condiciones estándar de presión y temperatura, lo que es en realidad una cantidad másica.

Existen 3 métodos básicos para medir flujo másico:

• Dispersión térmica
• Coriolis
• Cálculo a partir de flujo volumétrico (computador de flujo)

Los medidores Coriolis se usan principalmente para líquidos y los de dispersión térmica para gases.

Medidor de Flujo Másico por Dispersión Térmica

Todos los dispositivos de medición de flujo por dispersión térmica están basados en un concepto simple: El flujo es medido por efecto del cambio de temperatura en un sensor calentado, cuando es expuesto a un medio que fluye.

Un cilindro metálico, llamado termopozo, es calentado por medio de un heater interno que contiene un sistema preciso de regulación de potencia, para mantener una temperatura o potencia constante. Este cilindro esta térmicamente aislado del sensor de temperatura de proceso. Dos RTDs se usan para medir las temperaturas del cilindro y del proceso.

El flujo que pasa entre los sensores, produce una variación en la diferencia de temperatura, de tal manera que esta diferencia es inversamente proporcional a la rata de flujo existente. Es decir, al aumentar el flujo, la diferencia de temperatura se hace menor.

Se tienen entonces dos alternativas:

• Mantener la diferencia de temperatura constante: En este caso, el flujo se computa partiendo del cambio de potencia en el heater, requerida para mantener la diferencia de temperatura entre los sensores.
• Mantener la potencia del heater constante: Se tiene que la diferencia de temperatura misma será la base para el cálculo del flujo.

La idea básica de esta técnica es la medición de las propiedades de absorción de calor del fluido. Es usado exclusivamente para medir flujo de gas. El criterio para la absorción de calor es el calor especifico Cp del gas, el cual en rangos normalmente encontrados en la industria es independiente de la presión y la temperatura. La cual es proporcional a la densidad y por lo tanto a la masa.

LIMITACIONES DE LA TECNOLOGÍA

1- Humedad de condensados, como las humedades hagan contacto con el sensor calentado causara un enfriamiento adicional del sensor. Aplicaciones donde hay gas saturado deben ser evitadas.

2- Variaciones en la composición del gas. El instrumento es calibrado para la transferencia de calor creada por una composición de gas particular. Sí la composición del gas varia la precisión del instrumento se vera afectada. Pequeños cambios en la composición como por Ej. Las variaciones en la humedad del aire no tendrán un efecto notable.

3- Material que se puede adherir a los sensores reducirán el flujo de transferencia de calor, esto crea menos enfriamiento y por lo tanto un flujo menor que el real. Para aplicaciones donde materiales se puedan adherir a los sensores, se aconseja que después de arrancar el instrumento, la condición del sensor debe ser periódicamente chequeada y una frecuencia de limpieza debe ser implementada.

4- Lentitud de la medición debida al principio de medición

Medidores de Flujo Másico Tipo Coriolis

Los medidores de flujo Coriolis funcionan aplicando fuerzas vibratorias a fluidos confinados en tuberías de medición, las cuales generan curvaturas o torsiones (dependiendo de la geometría y la excitación) cuyas magnitudes son proporcionales al flujo másico. Estas deformaciones se producen debido a la fuerza Coriolis que resulta de la combinación de la velocidad másica del fluido y la velocidad angular del tubo vibrante.

Mientras más denso (D) sea el líquido, o mayor sea el flujo (Qv), mayor será la oposición a la fuerza Coriolis, por lo que se requerirá mayor potencia para mantener el tubo oscilando con la misma amplitud.

  

Recordemos que el producto de flujo volumétrico por velocidad (QxV) es el flujo equivale al flujo másico. Entonces ya que la fuerza de oposición depende proporcionalmente de la densidad y el flujo volumétrico, es proporcional también al mismo flujo másico. De otro lado, si se mantiene constante la potencia que produce la oscilación, la frecuencia y amplitud de la oscilación se verán afectadas por causa del flujo. Entonces la densidad se puede medir mediante la variación de frecuencia de vibración del sistema.

Estos medidores vienen en muchas geometrías diferentes. Las dos diferencias principales tienen que ver con la forma y el número de tubos usados. Se tienen medidores que usan tubos rectos y tubos curvados, tubo único y múltiples tubos. Los tubos curvados más comunes son en forma de U, S, W, loops y hélices. Últimamente los medidores de tubo recto se han popularizado debido su menor caída de presión, facilidad de limpieza y drenaje, sobre todo para aplicaciones sanitarias.

Inicialmente, estos medidores fueron diseñados para líquidos, pero se han hecho diseños que permiten medir gases, como es el caso del sensor de tubo recto único con sensor de modo radial.

RESUMEN MEDIDORES DE FLUJO