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Elementos de un sensor inductivo básico.1. Sensor de campo2. Oscilador 3. Demodulador 4. Flip-flop5. Salida

Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto paraaplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia o ausencia de objetosmetálicos en un determinado contexto: detección de paso, de atasco, de codificación yde conteo.

Contenido[ocultar ]

• 1 Conceptos teóricos

• 2 Constitución fisica

• 3 Estados de un sensor inductivo

• 4 Sensores blindados y no blindados

• 5 Histéresis

• 6 Distancia de sensado

• 7 Consideraciones generales

• 8 Terminologia

• 9 Normativa

• 10 Sensores inmunizados

• 11 Véase también

[editar] Conceptos teóricosUna corriente (i) que circula a través de un hilo conductor , genera un campo magnético que está asociado a ella.

Los sensores de proximidad inductivos contienen un devanado interno. Cuando unacorriente circula por el mismo, un campo magnético es generado, que tiene la dirección

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de las flechas anaranjadas. Cuando un metal es acercado al campo magnético generado por el sensor de proximidad, éste es detectado.

La bobina, o devanado, del sensor inductivo induce corrientes de Foucault en el material por detectar. Estas, a su vez, generan un campo magnético que se opone al de la bobinadel sensor, causando una reducción en la inductancia de la misma. Esta reducción en lainductancia de la bobina interna del sensor, trae aparejado una disminución en laimpedancia de esta.

La inductancia, es un valor intrínseco de las bobinas, o inductores, que depende deldiámetro de las espiras y el número de ellas. En sistemas de corriente alterna, lareactancia inductiva se opone al cambio del sentido de la corriente y se calcula de la

siguiente manera:

Donde:

XL = Reactancia inductiva medida en ohms (Ω)π = Número π

f = Frecuencia del sistema medida en Hertz (Hz) L = Inductancia medida en Henrios (H)

El oscilador podrá generar nuevamente el campo magnético con su amplitud normal. Esen este momento en que el circuito detector nuevamente detecta este cambio de

impedancia y envía una señal al amplificador de salida para que sea éste quién,nuevamente, restituya el estado de la salida del sensor.

Si el sensor tiene una configuración “ Normal Abierta”, este activará la salida cuando elmetal a detectar ingrese en la zona de detección. Lo opuesto ocurre cuando el sensor tiene una configuración " Normal Cerrada". Estos cambios de estado son evaluados por unidades externas tales como: PLCss, relés, PCs, etc.

[editar] Constitución fisicaEstos son los bloques que habitualmente constituyen un sensor inductivo, aunque enalgunos modelos el amplificador de salida puede estar implementado en otro dispositivocon carcasa independiente, para reducir el tamaño del sensor.

[editar] Estados de un sensor inductivo

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En función de la distancia entre el sensor y el objeto, el primero mantendrá una señal desalida (ver figura inferior):

1.- Objeto a detectar ausente:

• amplitud de oscilación al máximo, sobre el nivel de operación;

• la salida se mantiene inactiva (OFF ).

2.- Objeto a detectar acercándose a la zona de detección:

• se producen corrientes de Foucault, por tanto hay una “transferencia de energía”;

• el circuito de detección detecta una disminución de la amplitud, la cual cae por debajo del nivel de operación;

• la salida es activada (ON ).

3.- Objeto a detectar se retira de la zona de detección:

• eliminación de corrientes de Foucault;• el circuito de detección detecta el incremento de la amplitud de oscilación;

• como la salida alcanza el nivel de operación, la misma se desactiva (OFF ).

• asi es

[editar] Sensores blindados y no blindadosSENSOR BLINDADO SENSOR NO BLINDADO

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Los blindados tienen un agregado alnúcleo y un blindaje metálico que limitael campo magnético al frente del sensor.

Los no blindados no tienen blindaje extra,resultando en un área de sensado mayor.

Características:

• Enrasables.

• Especiales para posicionamiento.

• Distancias más cortas dedetección.

• Sensado limitado al frente delsensor.

Características:

• No enrasables.

• Detección de presencia.• Distancias más grandes de detección.

Los sensores blindados, al tener todo el cuerpo roscado son más resistentes a los golpesque los no blindados y además permiten el enrasado si bien su zona de muestreo selimita al frontal del sensor.

[editar] HistéresisSe denomina histéresis a la diferencia entre la distancia de activación y desactivación.Cuando un objeto metálico se acerca al sensor inductivo, éste lo detecta a la "distanciade detección" o "distancia de sensado". Cuando el mismo objeto es alejado, el sensor nolo deja de detectar inmediatamente, sino cuando alcanza la "distancia de reset " o"distancia de restablecimiento", que es igual a la "distancia de detección" más lahistéresis propia del sensor.

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[editar] Distancia de sensadoLa distancia de sensado (Sn) especificada en la hoja de datos de un sensor inductivo está

basada en un objeto de estándar con medidas de 1" x 1" de hierro dulce. Este valor variará sensiblemente si se quiere detectar otros tipos de metales, incluso con materialesferrosos como el acero inoxidable (SS). Para otros no ferroros, como el aluminio,

pueden ser detectados, pero a menores distancias.En el siguiente gráfico se puede ver como varía la distancia de detección en función delmaterial a detectar y el tamaño del mismo.

[editar] Consideraciones generales• La superficie del objeto a detectar no debe ser menor que el diámetro del sensor

de proximidad (preferentemente 2 veces más grande que el tamaño o diámetrodel sensor). Si fuera menor que el 50% del diámetro del sensor, la distancia dedetección disminuye sustancialmente.

• Debido a las limitaciones de los campos magnéticos, los sensores inductivostienen una distancia de detección pequeña comparados con otros tipos desensores. Esta distancia puede variar, en función del tipo de sensor inductivo,desde fracciones de milímetros hasta 40 mm en promedio.

• Para compensar el limitado rango de detección, existe una extensa variedad deformatos de sensores inductivos: cilíndricos, chatos, rectangulares, etc.

• Los sensores inductivos cilíndricos son los más usuales en las aplicaciones presentes en la industria.

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• Posibilidad de montar los sensores tanto enrasados como no enrasados.

• Gracias a no poseer partes móviles los sensores de proximidad no sufren enexceso el desgaste.

• Gracias a las especiales consideraciones en el diseño, y al grado de protecciónIP67, muchos sensores inductivos pueden trabajar en ambientes adversos, confluidos corrosivos, aceites, etc., sin perder operatividad.

[editar] TerminologiaAlcance nominal (Sn): Alcance convencional que sirve para designar el aparato. Notiene en cuenta las dispersiones (fabricación, temperatura, tensión). Alcance real (Sr): Elalcance real se mide con la tensión de alimentación asignada (Un) y a la temperaturaambiente asignada (Tn). Debe estar comprendida entre el 90% y el 110% del alcancereal (Sn): 0,9Sn < Sr < 1,1Sn Alcance útil (Su): El alcance útil se mide dentro de loslímites admisibles de la temperatura ambiente (Ta) y de la tensión de la alimentación(Ub). Debe estar comprendida entre el 90% y el 110% del alcance real: 0,9Sr < Su <

1,1Sr Alcance de trabajo (Sa): Es el campo de funcionamiento del aparato. Estácomprendido entre el 0 y el 81% del alcance nominal (Sn): 0 < Sa < 0,9Sn

[editar] Normativa4.2.6. Normativa

Las normas referentes a los tipos o grados de protección son:

NEMA

TIPO 1: Propósito general. Envolvente destinada a prevenir de contactos accidentalescon los aparatos.

TIPO 2: Hermético a gotas. Previene contra contactos accidentales que pueden

producirse por condensación de gotas o salpicaduras.

TIPO 3: Resistencia a la intemperie. Para instalación en el exterior.

TIPO 3R : Hermético a la lluvia.

TIPO 4: Hermético al agua. Protege contra chorro de agua.

TIPO 5: Hermético al polvo.

TIPO 6: Sumergible en condiciones especificadas de presión y tiempo.

TIPO 7: Para emplazamientos peligrosos Clase I. El circuito de ruptura de corrienteactúa al aire.

TIPO 8: Para emplazamientos peligrosos Clase I. Los aparatos están sumergidos enaceite.

TIPO 9: Para emplazamientos peligroso Clase II y funcionamiento intermitente.

TIPO 10: A prueba de explosión.

TIPO 11: Resistente a ácidos o gases.

TIPO 12: Protección contra polvo, hilos, fibras, hojas, rebose de aceite sobrante orefrigerante.

TIPO 13: Protección contra polvo. Protege de contactos accidentales y de que suoperación normal no se interfiera por la entrada de polvo

DIN

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La norma DIN 40 050 establece la grado de protección IP; éste se compone de dosdígitos:

El primero indica la protección contra sólidos.

El segundo indica la protección contra el agua.

Cuerpos solidos Agua0 No está protegido contra el ingreso decuerpos extraños.

0 Sin protección.

1 Protegido contra ingreso de cuerposextraños de hasta 50 mm de diametro.

1 Protección contra el goteo de aguacondensada.

2 Protegido contra ingreso de cuerposextraños de hasta 12 mm de diametro.

2 Protección contra el goteo hata 15° de lavertical.

3 Protegido contra ingreso de cuerposextraños de hasta 2.5 mm de diametro.

3 Protección contra lluvia con ánguloinferior a 60°.

4 Protegido contra ingreso de cuerpos

extraños de hasta 1 mm de diametro.

4 Protección contra salpicaduras en

cualquier dirección.

5 Protección contra depósito de polvo.5 Protección contra el chorreo de agua encualquier dirección.

6 Protección contra ingreso de polvo.6 Protección contra ambientes propios delas cubiertas de los baarcos.

7 Protección contra la inmersión temporal.

8 Protección contra la inmersiónindefinida.

[editar] Sensores inmunizadosDebido al principio por el cual el sensor detecta a los elementos metálicos, los camposmagnéticos, la presencia de campos magnéticos externos pueden provocar falsasdetecciones o no detecciones, para evitarlo existen sensores inductivos con inmunidad acampos magnéticos variables, como los generados por máquinas de soldar que utilizangrandes flujos de corriente eléctrica.

Estos sensores están principalmente fabricados sin núcleo de material ferromagnético, es decir el núcleo es de aire, a su vez, normalmente, están compuesto por dos bobinas entándem o perpendiculares para trabajar con un diferencial eléctrico y no con el factor de

calidad Q propio del sensor.

[editar] Véase también• Corrientes de Foucault

• Sensor resistivo

• Instrumentación electrónica

• Condensador variable

Corriente de FoucaultDe Wikipedia, la enciclopedia libre

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A medida que la placa metálica circular se mueve a través de una pequeña

región de campo magnético constante entrante a la imagen, las corrientes

de Foucault son inducidas en ésta. La dirección de esas corrientes está

determinada por la Ley de Lenz

La corriente de Foucault (corriente parásita también conocidas como Corrientes deEddy o "Corrientes torbellino" en ingles) es un fenómeno eléctrico descubierto por el

físico francés Léon Foucault en 1851. Se produce cuando un conductor atraviesa uncampo magnético variable, o viceversa. El movimiento relativo causa una circulación deelectrones, o corriente inducida dentro del conductor. Estas corrientes circulares deFoucault crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto delcampo magnético aplicado (ver Ley de Lenz). Cuanto más fuerte sea el campomagnético aplicado, o mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidadrelativa de movimiento, mayores serán las corrientes de Foucault y los camposopositores generados.

En los núcleos de bobinas y transformadores se generan tensiones inducidas debido alas variaciones de flujo magnético a que se someten aquellos núcleos. Estas tensionesinducidas son causa de que se produzcan corrientes parásitas en el núcleo (llamadas

corrientes de Foucault), que no son óptimas para la buena eficiencia eléctrica de éste.Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule. Másconcretamente, dichas corrientes transforman formas útiles de energía, como la cinética,en calor no deseado, por lo que generalmente es un efecto inútil, cuando no perjudicial.A su vez disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticosvariables, como los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas

pérdidas son minimizadas utilizando núcleos con materiales magnéticos que tengan bajaconductividad eléctrica (como por ejemplo ferrita) o utilizando delgadas hojas de aceroeléctrico, apiladas pero separadas entre sí mediante un barniz aislante. Los electrones no

pueden atravesar la capa aisladora entre los laminados y, por lo tanto, no puedencircular en arcos abiertos. Se acumulan cargas en los extremos del laminado, en un

proceso análogo al efecto Hall, produciendo campos eléctricos que se oponen a unamayor acumulación de cargas y a su vez eliminando las corrientes de Foucault. Mientras

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más corta sea la distancia entre laminados adyacentes (por ejemplo, mientras mayor seael número de laminados por unidad de área, perpendicular al campo aplicado), mayor será la eliminación de las corrientes de Foucault y, por lo tanto, menor el calentamientodel núcleo.

Contenido[ocultar]

• 1 Orígenes de las corrientes de Foucault

• 2 Aplicaciones

2.1 Eléctricas

2.2 Mecánicas

2.2.1 Efecto de frenado

• 3 Efectos colaterales 3.1 Pérdidas de energía

• 4 Reducción de las corrientes

• 5 Véase también

• 6 Enlaces externos

[editar] Orígenes de las corrientes de FoucaultSi hacemos oscilar un péndulo constituido por una placa de cobre, entre los polos de unelectroimán se observará que se va frenando hasta pararse por completo, produciéndose

este efecto más rápidamente cuanto mayor sea la intensidad del campo. Al tratarse deuna placa de cobre, material no magnético, el frenado del péndulo no es debido a laatracción de los polos del imán.

Lo que sucede es que en la placa, al cortar el flujo entre las piezas polares, se induce unafuerza electromotriz, según predice la ley de Lenz. Como el cobre es un buen conductor y la placa ofrece una gran sección al paso de la corriente, su resistencia óhmica es

pequeña y las corrientes inducidas intensas. Estas corrientes, se oponen a la acción delorigen que las produce, esto es, la propia oscilación del péndulo, por tanto, actúan defreno.

La energía cinética del péndulo en movimiento, por el principio conservación, setransforma en calor por el efecto Joule.

Otros ejemplos claros donde aparecen este tipo de corrientes inductoras lo podemosobservar en la mayoría de maquinaria eléctrica, dinamos, motores de corriente continua, alternadores, transformadores y en cualquier máquina donde exista un flujo deinducción.

En general, las corrientes de Foucault son indeseadas, ya que representan una inútildisipación de energía en forma de calor.

[editar] Aplicaciones

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[editar] Eléctricas

Contador por corriente de Foucault

Las corrientes de Foucault son usadas para aumentar el efecto en convertidores demovimiento a electricidad como en los generadores eléctricos y los micrófonosdinámicos. También pueden ser usados para inducir un campo magnético en latas dealuminio, lo que permiten que éstas sean fácilmente separables de otros elementosreciclables. Los superconductores permiten una conducción perfecta, sin pérdidas, quecrean corrientes de Foucault iguales y opuestas al campo magnético externo,

permitiendo de esta manera la levitación magnética. Por la misma razón, los camposmagnéticos dentro de un medio superconductor serán exactamente cero,independientemente del campo externo aplicado.

Una de las aplicaciones prácticas de las corrientes de Foucault, es la utilizada en losmedidores de consumo eléctrico, donde el disco corta líneas de fuerza, al girar,accionado por el campo de un imán. Las corrientes que se producen en el disco, generanuna fuerza opuesta a la que acciona. Por medio de este frenado de corrientes de

Foucault , permite calibrar los contadores modificando la posición del imán. Este mismodispositivo sirve para el ajuste de fin de velocidad de los gira discos y elamortiguamiento de los instrumentos de medida, incluso algunos camiones estánequipados con frenos accionados esto.

Algunos tacómetros tienen un imán que gira a la velocidad que se trate de medir frente aun disco metálico móvil. Las acciones electromagnéticas debidas a las corrientes deFoucault, lo accionan en sentido de rotación del imán. Gracias a un muelle de retorno,se consigue inmovilizar el disco en una posición de equilibrio, que es función de lavelocidad del imán.

Las corrientes de Foucault se emplean aún en ensayos no destructivos para detectar discontinuidades superficiales y medir conductividad electrica en metales nomagneticos.

[editar] Mecánicas

Las corrientes de Foucault son usadas para frenar al final de algunas montañas rusas. Este mecanismo no tiene ningún desgaste mecánico y produce una precisa fuerza de

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frenado. Típicamente, pesadas placas de cobre extendiéndose desde el carro sonmovidas entre pares de imanes permanentes muy potentes. La resistencia eléctrica entrelas placas genera un efecto de arrastre análogo a la fricción, que disipa la energíacinética del carro.

[ editar ] Efecto de frenado

Freno de corrientes de Foucault

Aunque la pérdida de energía útil resulta casi siempre indeseable, a veces tiene algunasaplicaciones prácticas. Una de ellas es en algunos trenes y vehículos pesados, comoautocares y camiones, cuyos frenos se actúan a base de inducir corrientes de Foucault(eddy current brake). Durante el frenado, las llantas de metal en las ruedas estánexpuestas al campo magnético de un electroimán, que genera corrientes de Foucault enlos núcleos y llantas de las ruedas. Las corrientes de Foucault encuentran resistenciamientras circulan a través del metal, y disipan energía en forma de calor, haciendo quelas ruedas disminuyan su velocidad. Mientras más rápido giren las ruedas, más fuerteserá el efecto, resultando que a medida que el tren disminuye su velocidad, también lohará la fuerza de frenado, consiguiéndose un frenado suave proporcional a la velocidadde las ruedas.

Si colocamos un disco de aluminio que gira de forma libre, frente a un imán, el campomagnético producido por el imán reduce sensiblemente la velocidad de rotación deldisco, es decir, produce un par de frenado proporcional a la velocidad del disco. Esteefecto de frenado es también debido a las corrientes de Foucault, y se aplica en

numerosos aparatos de medida, como por ejemplo, en los vatihorímetros o contadoresde energía eléctrica. Hay que puntualizar que esta acción de frenado sólo se manifiestaen planos perpendiculares a las líneas de inducción, ya que los circuitos abrazan lamayor parte del flujo, experimentando el máximo efecto de las variaciones cuando estáde forma perpendicular.

[editar] Efectos colateralesLas corrientes de Foucault son la causa principal del efecto pelicular en conductores quetransportan corriente alterna.

[editar] Pérdidas de energía

Las corrientes de Foucault, como ya se ha comentado, tienen por efecto transformar parte de la energía en calor. Dicho calor producido en la masa metálica sólo se utiliza en

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los hornos eléctricos de alta frecuencia, por lo que, en general, supone una pérdida deenergía. Para el estudio de estas pérdidas, consideraremos a una chapa de longitud b,anchura x y grosor a, sometida un campo variable de valor:

donde ω es la pulsación y Bm la inducción máxima.

En esta circunstancia el flujo a través de la superficie de dicha espira es:

Donde S es la superficie que atraviesa el flujo, cuyo valor es

Por lo tanto, la ecuación anterior podemos escribirla en la forma:

Por otra parte, sabemos que la fem inducida en la espira es:

Derivando se tiene:

Si tomamos en la chapa una espira diferencial, su resistencia será

y despreciando 2x frente a 2b, escribiremos:

La potencia en la espira será,

siendo Eef la tensión eficaz, cuyo valor en función del máximo, Em, es

Por lo tanto la potencia perdida será:

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Y la potencia total perdida a consecuencia de las corrientes de Foucault:

Si reemplazamos ahora ω por 2Π f , se obtiene

o, lo que es lo mismo

en donde b a e, es el volumen de la carga.

De todo lo expuesto se deduce que las pérdidas en vatios por m³ debidas a las corrientesde Foucault serán:

Dado el carácter perjudicial de las corrientes de Foucault, por los motivos ya apuntados,es necesario tomar las siguientes precauciones:

a) Todas las masas metálicas sometidas a variaciones de inducción

deben ser laminadas y colocadas en paquetes paralelos. De esta

forma se evita el recorrido de las corrientes de Foucault engendradas

en planos perpendiculares a los flujos.

b) Los remaches y tornillos que unen las chapas no deben cerrar

circuitos conductores que abracen flujo variable.c) Los soportes metálicos de las bobinas han de ser cortados por

medio de una incisión paralela a las lineas de inducción, o bien

utilizar sustancias no conductoras.

[editar] Reducción de las corrientesSi el ejemplo del péndulo lo repetimos, modificando la estructura de las placas de cobre,es decir, hendimos la pieza de forma vertical con numerosos cortes, podremoscomprobar que el frenado del péndulo ha disminuido significativamente. Esto no quieredecir que las corrientes hayan desaparecido, sino que debido a la limitación de la banda

donde actúa, limitado por los cortes realizados, éstas se ven muy mermadas.

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Para disminuir el desarrollo de las corrientes de Foucault se emplea el sistema deconstruir los núcleos de hierro en lugar de macizos, mediante chapas o láminassuperpuestas con un espesor de 0.2 a 0.6 mm, aisladas unas de las otras con barniz o

papel. Las chapas se hacen con un acero al silicio de alta resistividad, de modo que laintensidad de la corriente inducida disminuye y las pérdidas alcanzan así un valor

admisible. Esta construcción no produce la disminución del flujo magnético, pues sedispone siempre según el plano que recorren las líneas de fuerza.

La calidad de estas láminas en cuanto a las pérdidas por histéresis y corrientes deFoucault se caracteriza por la potencia en vatios(W), disipada por kilo de planchasometido a una inducción alternativa de una tesla, a razón de 50 ciclos de imantación

por segundo.

La siguiente tabla da los valores de las pérdidas especificas en W/kg, para diversascalidades de planchas magnéticas que existen en el mercado.

Pérdida específica

(W/kg)

Espesor

(mm)

Pérdida específica

(W/kg)

Espesor

(mm)

3.0 0.5 1.3 0.35

2.6 0.5 1.1 0.35

2.3 0.5 1.0 0.35

2.0 0.5 0.9 0.35

1.7 0.5 0.5 0.35

1.5 0.5

En los núcleos de hierro utilizados en las bobinas de alta frecuencia, la disposiciónclásica en láminas que hemos visto antes, ya no es suficiente, por lo que, estos núcleosestán construidos con hierro especial, de polvo comprimido y aglomerado con barnizaislante, de tal manera que cada grano de hierro se encuentra aislado de sus más

próximos, siendo ésta la única forma de reducir las pérdidas en el hierro, hastaconseguir un valor aceptable.

[editar] Véase también• Sensor inductivo

• Transformador

• Bobina de Tesla

• Ferrita

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MEDICION DE NIVELES

ALUMNOS:

JEANETTE ALVAREZ

GERMAN LABARCA

INDICE

CAPITULO 1. INTRODUCION

MEDICION DE NIVELES.

CAPITULO 2. MEDICION DE LIQUIDOS

2.1 INSTRUMENTOS DE MEDIDA DIRECTA

2.1.1. Medidor de Sonda 2.1.2. Nivel de Cristal 2.1.3. Instrumentos de Flotador

2.1.3.1. Flotador de Conexión Directa 2.1.3.2. Flotador Acoplado Magnéticamente 2.1.3.3. Flotador Acoplado Hidráulicamente

2.2 INSTRUMENTOS BASADOS EN LA PRESION HIDROSTATICA

2.2.1. Medidor Manométrico 2.2.2. Medidor de tipo burbujeo 2.2.3. Medidor de Presión Diferencial

2.3 INSTRUMENTO BASADO EN EL DESPLAZAMIENTO

2.3.1. Medidor de nivel de Tipo Desplazamiento

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2.4 INSTRUMENTOS BASADOS EN CARACTERISTICAS ELECTRICAS DELLIQUIDO

2.4.1. Medidor de Nivel Conductivo 2.4.2. Medidor de Capacidad 2.4.3. Sistema Ultrasónico de Medición de Nivel

2.4.4. Sistema de Medición por Rayos Gamma o Radiactivo 2.4.5. Medidor Láser

2.5 MEDICIÓN HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA

2.6 MEDICIÓN HIDRÁULICA Y NEUMÁTICA

2.7 MEDICIÓN POR ULTRASONIDO

2.8 MEDICIÓN POR RADIACIONES GAMMA

2.10 PLOBLEMA DE NIVEL

CAPITULO 3. MEDIDORES DE NIVEL DE SOLIDOS

3.1 DETECTORES DE NIVEL DE PUNTO FIJO3.1.1. Detector de Diafragma 3.1.2. Cono Suspendido 3.1.3. Varilla Flexible 3.1.4. Medidor Conductivo 3.1.5. Paletas Rotativas

3.2 DETECTORES DE NIVEL CONTINUOS

3.2.1. Medidores de Nivel de Sondeo Electromecánico 3.2.2. Medidor de Nivel de Báscula 3.2.3. Medidor de Nivel Capacitivo

3.2.4. Medidor de Nivel de Presión Diferencial 3.2.5. Medidor de Nivel de Ultrasonidos 3.2.6. Medidor de Nivel de Radiación

CAPÍTULO 1.INTRODUCCIÓN.

MEDICION DE NIVEL

La medida de nivel es junto con la presión, volumen, velocidad y caudalde gran importancia en hidrografía, hidráulica y en los procesosindustriales. Aplicaciones frecuentes son las medidas de los niveles delos estanques y recipientes de todo tipo, en canales, pozos, exclusas,vertederos, etc. Esta medida sirve para determinar el contenido de lostanques para accionar dispositivos de alarma y seguridad en losrecipientes a presión, para el accionamiento de válvulas y vertederos enla regulación de las centrales hidroeléctricas, para la determinación de laaltura de la lamina en los vertederos de medidas, etc. En la industriaquímica la medida de nivel se requiere para determinar la cantidadexacta de líquidos que hay que administrar en un proceso de mezcla,etc. Finalmente la medición del nivel de fluido en los procesos dedestilación, 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,

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con medición local o transmisión a distancia de unos centenares o milesde metros. Forzosamente nos limitamos a dar una breve idea de losinstrumentos más importantes, relegando su estudio más detallado a losmanuales de instrumentación.

CAPÍTULO 2.

2. MEDIDORES DE NIVEL DE LÍQUIDOS.

La medida del nivel de los líquidos es una de las medicionesfundamentales que se encuentran con más frecuencia en las industriasquímicas.

El conocimiento del nivel de un líquido dentro de un recipiente

puede necesitarse simplemente para comprobar la cantidad de materialen existencia, para determinar la cantidad de líquido que se suministra aun proceso, o bien puede ser la medición primaria en un sistema deregulación destinado a mantener el nivel en un recipiente que formaparte de un proceso continuo.

Un factor importante es la forma del recipiente en el cual se debemedir el nivel del líquido. El grado de exactitud depende de la forma delrecipiente, ya que en un recipiente alto y de pequeño diámetro puedemedirse 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 transversalhorizontal, ya que esto proporcionará capacidad de regulación alsistema. Evidentemente, la forma del recipiente no sólo influirá sobre lasensibilidad del instrumento medidor del nivel del líquido en lascuantificaciones de volúmenes, sino también habrá de tenerse en cuentaen la elección del tipo de instrumento más conveniente para el caso.

El nivel de los líquidos puede determinarse empleando diversosinstrumentos de medición, que a continuación se detallan.

2.1. 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. Losprincipales 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 (vasoscomunicados)

En un recipiente a presión este método no sería aplicable. En este casopuede medirse el nivel mediante un flotador que acciona una agujaindicadora por el procedimiento desarrollado por la firma Siemens undHaslske AG Alemania, que se representa esquemáticamente en lafigura 2.1.1. El aparato, que se relaciona con el esquema en la figura

2.1.4, consta de un manómetro diferencial de flotador. Sobre la columnay por el otro el agua de otro depósito que puede ser el depósito de

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condensado mismo de la caldera. Al aumentar el nivel del agua en lacaldera (o de cualquier otro liquido en un recipiente a presión) disminuyela diferencia de presiones, mientras que al disminuir dicho nivel aumentaésta.

La medida directa con flotador y transmisión por cadena a un disco

graduado es muy utilizada en vertederos, exclusas, prensas, etc. Elesquema puede verse en la figura 2.1.3 y una fotografía de esteinstrumento puede verse en la figura 2.1.2. Amplitud de medida, hasta20m.

Figura 2.1.1 Mediciòn de nivel con Figura 2.1.2 Flotador parala Figura 2.1.3

manómetro de flotador medida de niveles

2.1.1. Medidor de Sonda.

El medidor de sonda es un instrumento bastante simple paramedir niveles, que consiste en una varilla o regla graduada de unalongitud conveniente para ser introducida dentro de un depósito (figura2.1.a). La determinación del nivel dentro del recipiente, se mide por lectura directa de la longitud de la varilla mojada por el líquido y esesencial que en el momento de la medición el tanque se encuentreabierto a presión atmosférica.

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Este método es efectivo y ampliamente utilizado para medir elnivel en los tanques de una gasolinera, pero no es muy práctico sobretodo si el contenido a medir es tóxico o corrosivo, ya que el individuo queintroduce la varilla debe estar de pie sobre la abertura del tanque paramanejarla.

Otro tipo de medidor, consiste en una varilla graduada que en suextremo inferior posee un gancho que se sumerge en el seno del líquidocontenido en el tanque. Luego, éste se levanta hasta que rompa lasuperficie del líquido, de modo que la distancia desde esta superficiehasta la parte superior del tanque represente, indirectamente, el nivel.Este instrumento se emplea, generalmente, en tanques de agua que seencuentran 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 lavarilla o regla tenga acceso al fondo del tanque (figura2.1.c).

Figura 2.1. Medidor de Sonda

2.1.2. Nivel de Cristal.

El nivel de cristal consiste en un tubo de vidrio con sus extremosconectados a bloques metálicos y cerrados por prensaestopas, queestán unidos al tanque, generalmente, mediante tres válvulas, dos decierre de seguridad en los extremos del tubo, para impedir el escape dellíquido en caso de rotura del cristal, y una de purga (figura 2.2)

Dentro de los medidores de nivel de cristal podemos encontrar elmedidor de nivel de cristal normal y el medidor de nivel de cristal conarmadura. El primero, se emplea para presiones de hasta 7 bar (figura2.2.a). Cuando las presiones son más elevadas que 7 bar, el cristal deeste medidor es grueso, de sección rectangular y protegido por unaarmadura metálica (figura 2.2.b).

La determinación del nivel del líquido para este tipo de medidor sepuede realizar por intermedio de un cristal a reflexión o bien por

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transparencia. En el primer caso, tal como lo muestra la figura 2.2.c, elvidrio en contacto con el líquido está provisto de ranuras longitudinalesque actúan como prismas de reflexión, indicando la zona de líquido conun 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 contenidoentre dos placas de vidrio planas y paralelas que permiten ver directamente el nivel mejorando, de esta forma, la apreciación visual delcolor, características o interfase del líquido, al acoplar una lámpara deiluminación al sistema.

Para mayor seguridad, las válvulas de cierre incorporan unapequeña bola que actúa como válvula de retención en caso de rotura delvidrio.

La ventaja principal de los medidores de nivel de cristal es la granseguridad 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 muysusceptibles 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 carameloy 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.

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Figura 2.2. Nivel de Cristal.

2.1.3. Instrumentos de Flotador.

La medición de nivel con instrumentos de flotador es menoscomún en la industria en general, pero se emplea muy frecuentementeen 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 seael tipo de fluido.

Básicamente, consisten en un flotador situado en el seno del líquidoy conectado al exterior de un tanque indicando directamente el nivel,donde dicha conexión puede ser directa, magnética o hidráulica.

2.1.3.1. Flotador de Conexión Directa.

Este modelo de flotador es, generalmente, una pieza metálicahueca de forma circular, con alambres de guía que van de la partesuperior a la inferior del tanque, para limitar su movimiento. Constituye elmodelo más antiguo y el más utilizado en tanques de almacenamientode gran capacidad como los de fuel-oil y gas-oil.

El flotador de conexión directa está unido por una cadena o cintaflexible que desliza en un juego de poleas a un indicador de nivelexterior que señala sobre una escala graduada. Este indicador estáprovisto 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 quelas partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse.Además, el tanque no puede estar sometido a presión y es esencial queel flotador se mantenga limpio.

2.1.3.2. Flotador acoplado magnéticamente.

Se ha desarrollado una gran variedad de medidores de nivelactivados con flotador, que transmiten el movimiento de éste por mediode un acoplamiento magnético.

Este instrumento de medición de nivel consta de un flotador desliza exteriormente a lo largo de un tubo de guía sellado, situadoverticalmente en el interior del tanque (figura 2.3.b). Dentro del tubo,

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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 depoleas arrastra el índice de un instrumento situado en la parte superior del tanque. Además, este instrumento puede tener interruptores dealarma y transmisor incorporados.

El flotador y el tubo de guía, que están en contacto con el fluido quese está midiendo, se producen en una gran variedad de materiales,tomando en cuenta condiciones de resistencia a la corrosión y parasoportar altas presiones o vacío.

En tanques pequeños, el flotador puede adaptarse para actuar magnéticamente sobre un transmisor neumático o eléctrico (figura2.3.c) dispuesto en el exterior del tanque que capta la variable deproceso, nivel, y la transmite a distancia hacia el instrumento indicador,permitiendo así un control de nivel. Una aplicación típica la constituye elcontrol de nivel de una caldera de pequeña capacidad de producción devapor.

En el caso específico del transmisor neumático, convierten elmovimiento del elemento de medición en una señal neumática que setransmite, 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 dosfuerzas en equilibrio, la fuerza ejercida por el elemento de medición y lafuerza electromagnética de una unidad magnética.

2.1.3.3. Flotador Acoplado Hidráulicamente.

El flotador acoplado hidráulicamente (figura 2.3.d) actúa en sumovimiento sobre un fuelle de tal modo, que varía la presión de uncircuito hidráulico y señala a distancia, en el receptor, el nivelcorrespondiente. Permite distancias de transmisión de hasta 75 metros ypuede emplearse en tanques cerrados. Sin embargo, requiere unainstalación y calibración complicadas, y posee partes móviles en elinterior del tanque.

En general, los instrumentos de flotador tienen una precisión de ±0.5 %. Además son adecuados en la medida de niveles en tanquesabiertos y cerrados a presión o al vacío, y son independientes del pesoespecífico del líquido.

Uno de los inconvenientes más frecuentes es que el flotador puede agarrotarse en el tubo guía por un eventual depósito de lossólidos o cristales que el líquido pueda contener y además, si el tuboguía es muy largo puede dañarse ante olas bruscas en la superficie dellíquido o ante la caída violenta del líquido en el tanque.

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Figura 2.3. Instrumentos de Flotador.

2.2. INSTRUMENTO BASADOS EN LA PRESIONHIDROSTATICA

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.

2.2.1. Medidor Manométrico.

El medidor manométrico (figura 2.4) consiste en un manómetroconectado directamente a la parte inferior del tanque, donde ademáspueden observarse varios accesorios como son una válvula de cierre

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para el mantenimiento del líquido, y un pote de decantación con unaválvula de purga.

El manómetro mide la presión debida a la altura h que existe entreel nivel del tanque y el eje del instrumento. De este modo, el campo demedida del instrumento corresponderá a 0 - h · γ · g pascal , dondeh es la altura del líquido, γ su densidad en kg/cm3 y g la aceleración dela gravedad (9.8 m/s2).

Como las alturas son limitadas, el campo de medida es bastantepequeño, de modo que el manómetro utilizado tiene un elemento demedida del tipo fuelle, el cual es utilizado frecuentemente para lamedición de presiones bajas.

Este instrumento sólo sirve para fluidos limpios ya que si el líquidoes corrosivo, coagula o bien tiene sólidos en suspensión, el fuelle puededestruirse o bien bloquearse perdiendo su elasticidad. Por otro parte, lamedida 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 laparte superior del tanque e inmerso en el líquido, transmitiendo la señala través de un cable que acompaña al de suspensión.

Figura 2.4. Medidor Manométrico.

2.2.2. Medidor de Tipo Burbujeo.

Los sistemas de burbujeo (o de purga continua) realizan lamedición de nivel determinando la presión requerida para que un flujoconstante de aire venza la presión hidrostática de un líquido. Al salir elaire, lo hace a manera de burbujeo, de ahí el nombre del sistema.

El medidor de tipo burbujeo es el más flexible y generalmenteutilizado. Este instrumento coloca un tubo sumergido en el líquido, a

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través del cual se hace burbujear aire mediante un rotámetro conregulador de caudal incorporado (figura 2.5), que permite mantener uncaudal de aire constante a través del líquido, independientemente delnivel. Si no existiera, habría una gran diferencia en los caudales de airenecesarios desde el nivel mínimo al máximo, produciéndose un gasto de

aire indebido. La tubería empleada suele ser de ½ pulgada con elextremo biselado para una fácil formación de las burbujas de aire.

Un rotámetro es un medidor de caudal de área variable, en loscuales 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 elinterior de la tubería, medido mediante un manómetro de fuelles,corresponde a la presión máxima ejercida por el líquido. Por lo tanto, sise mide la presión dentro del tubo, se obtiene la medición de nivel. Dehecho, la ubicación o elevación del extremo del tubo de burbujas seconvierte en el nivel de medición cero. Por ejemplo, si se sumerge untubo de 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 estaráfuncionando debidamente. Una velocidad común de purga es de 0.5 piescúbicos 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 untransmisor de presión diferencial. Como es lógico, la presión del aire depurga debe ser superior a la presión interna del tanque.

Cabe destacar que no sólo se puede utilizar aire como fluido depurga, sino también otro tipo de gases e incluso líquido. De hecho,algunos sistemas de purga utilizan nitrógeno que es uno de los que másse usan a presión. Un cilindro estándar de 110 pies cúbicos de nitrógenopara bombas de aceite comerciales puede proporcionar suficiente gas apresión para asegurar el funcionamiento del tubo de burbujas durantemás de tres semanas.

Además, el tubo debe tener una longitud adecuada para evitar quelas variaciones bruscas del nivel introduzcan en su interior una ciertacolumna 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 ensuspensión y en emulsiones. No es recomendable su empleo cuando elfluido de purga perjudica al líquido, tampoco para fluidos altamenteviscosos donde las burbujas formadas del aire o del gas de purgapresentan el riesgo de no separarse rápidamente del tubo. Desde elpunto de vista de su mantenimiento, es muy útil situar una T con untapón en la parte superior del tubo para su limpieza periódica.

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Figura 2.5. Medidor de Tipo Burbujeo.

2.2.3.Medidor de Presión Diferencial.

El medidor de presión diferencial consiste en un diafragma encontacto con el líquido del tanque, que mide la presión hidrostática en unpunto 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 · γ · g , en la que P es la presión, H laaltura del líquido sobre el instrumento, γ su densidad y g la aceleraciónde la gravedad.

El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónicoo digital de presión diferencial semejante a los transmisores de caudalde diafragma.

En el tipo más utilizado, el diafragma está fijado en una brida quese monta rasante al tanque para permitir sin dificultades la medida denivel de fluidos, tales como pasta de papel y líquidos con sólidos en

suspensión, pudiendo ser incluso de montaje saliente para que eldiafragma enrase (nivele) completamente con las paredes interiores deltanque (figura 2.7.b) tal como ocurre en el caso de líquidosextremadamente viscosos en que no puede admitirse ningún recodo(ángulo).

Hay que señalar que el nivel cero del líquido se selecciona en uneje a la altura del diafragma. Si el instrumento se calibra en el tanque, el0 % del aparato debe comprobarse con el nivel más bajo en el bordeinferior del diafragma, ya que entre el borde inferior y superior deldiafragma 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.

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En el caso de que el tanque esté cerrado y bajo presión, el nivelno es un simple reflejo de la presión hidrostática. La determinación de lapresión en un punto del líquido comprende tanto el peso o presión dellíquido como la presión del gas o vapor que queda sobre el líquido deltanque cerrado. Es importante considerar que se debe corregir la

indicación del aparato para la presión ejercida sobre el líquido, debiendoseñalar que la lectura será muy poco precisa, si la presión es grande. Amenudo, suele conectarse un tubo en la parte superior del tanque ymedir la diferencia de presiones entre la toma inferior y la superior,utilizando transmisores de presión diferencial de diafragma tal como losrepresentados en la figura 2.8

Cuando los gases o vapores encima del líquido soncondensables, la línea desde la toma superior se llena gradualmente conel condensado hasta llenar todo el tubo, en cuyo caso la tubería dibujadaa la derecha del transmisor de las figura 2.8.a y figura 2.8.b tendrámayor presión que la tubería izquierda y, por lo tanto, habrá que cambiar

las conexiones del instrumento ya que este indicará bajo cuando el nivelsea alto y viceversa. En efecto, según se puede ver en la figura 2.8.b,tenemos que P = (H - h)· γ ,para h = 0 y p = H.

De este modo el instrumento tendrá que estar graduado a lainversa, 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 llamadosupresión que está aplicado a la barra de equilibrio de fuerzas deltransmisor y que produce una fuerza igual a la diferencia entre el nivel

máximo y el mínimo. Como es natural, puede ajustarse la tensión delmuelle para cada caso particular (figura 2.9.a y figura 2.9.b).

Algunos fluidos presentan el riesgo de depósito de cristales o desólidos en la superficie del diafragma. En tal caso cabe la solución deemplear un diafragma recubierto de teflón para reducir el depósitogradual del producto. No obstante, como el movimiento del diafragma esmuy pequeño y se considera el sólido algo flexible, continúa aplicándosela presión del líquido a todo el diafragma. Sin embargo, si parte deldiafragma queda rígido, el instrumento, marcará de forma errática opermanentemente menos nivel del real. Este inconveniente se resuelveempleando un transmisor de nivel de presión diferencial con membranas

de sello que responde a la presión transmitida en lugar de la fuerzacreada 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 decompensación, en particular si el fluido no es limpio. Para evitarlo puedepurgarse la línea con líquido o con gas, método que no se recomiendapor los problemas de mantenimiento y la posible pérdida de precisiónque presenta, o bien emplear un transmisor de presión diferencial unidocon dos capilares a dos diafragmas conectados en la parte inferior ysuperior del tanque. En la figura 2.8.f puede verse un esquema de lainstalación. Es importante que los dos diafragmas estén a la mismatemperatura para evitar los errores en la medida que se presentarían por causa de las distintas dilataciones del fluido contenido en el tubo capilar.

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Si el tanque es elevado y el medidor se sitúa a un nivel muyinferior, la columna de líquido que va desde el nivel mínimo al medidor es mucho mayor que la propia variación del nivel, por lo cual, laapreciación del mismo se hace sobre una parte muy pequeña de laescala. Para corregir este inconveniente se utiliza un muelle llamado de

elevación que, en forma similar al de supresión, está aplicado a la barrade equilibrio de fuerzas del transmisor y produce una fuerza que seajusta igual a la de la columna de líquido citada. En la figura 2.9 sepuede ver la disposición de los muelles de supresión y de elevación.

El medidor de presión diferencial puede emplearse también en lamedida de interfases. La amplitud de la medida vendrá dada por ladiferencia de presiones sobre el diafragma del elemento, primero con eltanque lleno de líquido más denso y después con el líquido menosdenso.

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 continuay de ± 0.1 % en los que se emplean en los tanques abiertos y cerrados apresión y a vacío. Una de sus principales ventajas es que no tienenpartes móviles dentro del tanque, son de fácil limpieza, precisos yconfiables, admiten temperaturas del fluido hasta 120º C y no soninfluidos por las fluctuaciones de presión.

Sin embargo, en tanques cerrados presentan el inconveniente dela posible condensación de los vapores del tanque en el tubo deconexión al instrumento. Este inconveniente se elimina fácilmente con elresorte de supresión nombrado anteriormente. Hay que señalar que el

material del diafragma debe ser el adecuado para resistir la corrosión delfluido.

Figura 2.6. Medidor de Diafragma.

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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.

2.3. INSTRUMENTOS BASADOS EN EL DESPLAZAMIENTO

Estos instrumentos son aquellos que miden el nivel aprovechandoel empujeproducido por el propio líquido. Dentro de esta categoríaestudiaremos losmedidores de nivel de tipo desplazamiento.

2.3.1 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 asu extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento degiro a un transmisor exterior al tanque.

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El tubo de torsión se caracteriza fundamentalmente porque elángulo de rotación de su extremo libre es directamente proporcional a lafuerza aplicada, es decir, al momento ejercido por el flotador. Elmovimiento angular del extremo libre del tubo de torsión es muypequeño, del orden de los 9º. El tubo proporciona además un cierre

hermético entre el flotador y el exterior del tanque donde se dispone elinstrumento receptor del par transmitido.

Según el principio de Arquímides, el flotador sufre un empujehacia arriba que viene dado por la fórmula F = S H g , en la que F esel empuje del líquido, S la sección del flotador, H la altura sumergida delflotador, γ la densidad del líquido y g , la aceleración de la gravedad.

El momento sobre la barra de torsión está dado por M = (S H γ 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 elnivel, el líquido ejerce un empuje sobre el flotador igual al volumen de la

parte sumergida multiplicada por la densidad del líquido, tendiendo aneutralizar su peso propio, así que el esfuerzo medido por el tubo detorsión será muy pequeño. Por el contrario, al bajar el nivel, una menor parte del flotador queda sumergida, de modo que la fuerza de empujehacia arriba disminuye, resultando una mayor torsión.

El instrumento se puede utilizar también en la medida de interfaseentre dos líquidos inmiscibles de distinta densidad, como por ejemploagua y aceite. En este caso el flotador es de pequeño diámetro y degran longitud, y está totalmente sumergido. El peso del volumendesplazado por el flotador, es decir, el empuje, se compone entonces dedos partes: el líquido más denso en la parte inferior y el menos denso en

la parte superior, con una línea de separación (interfase) de la quedepende el par de torsión proporcionado al transmisor exterior. Enefecto, si x es la zona del flotador inmersa en el líquido de mayor densidad, l es la longitud total del flotador, y γ 1, γ 2 son lasdensidades de los líquidos, entonces el empuje hacia arriba estará dadopor F = Sx * γ 1 *g +S(l - x) * γ 2 *g.

Claramente, este empuje depende del nivel relativo de separaciónde los dos líquidos y que la amplitud de medida está determinada por ladiferencia entre las dos densidades de los líquidos: F max - F min = S l γ 1 g - S l 1 g= Sl ( γ 1 - γ 2) 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 medidade densidades es bastante amplio, de 0.4 a 0.6.

Por otro lado, el cuerpo del medidor puede estar montadodirectamente en el tanque (montaje interno) o en un tubo vertical al ladodel tanque (montaje exterior).

El movimiento del brazo de torsión puede transmitirse por medio deun eslabón a un transmisor neumático o electrónico de equilibrio de

fuerzas, o digital, permitiendo en la conexión una compensación

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mecánica o digital para el peso específico del líquido. En la figura 2.10se representa un esquema de funcionamiento.

La precisión es del orden de ± 0.5 % a ± 1 % y puede utilizarse entanques abiertos y cerrados a presión o a vacío, pero presenta elinconveniente del riesgo de depósito de sólidos o de crecimiento de

cristales en el flotador que afectan a la precisión de la medida y es aptosólo para la medida de pequeñas diferencias de nivel, aproximadamente2000 mm máximo. La medida del nivel de interfases requiere flotadoresde gran volumen.

Figura 2.10. Medidor de Nivel de Desplazamiento.

2.4. INSTRUMENTOS BASADOS EN CARACTERISTICAS

ELECTRICAS DEL LIQUIDO.

Se conocen varios métodos eléctricos para medir niveles delíquidos, pero estos se emplean principalmente para regular el nivel en

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un punto o entre dos puntos sin ninguna medición intermedia. Algunosde estos son el medidor de nivel conductivo, medidor de capacidad,medidor de nivel ultrasónico, el sistema de medición de rayos gamma yel medidor de láser.

2.4.1. Medidor de Nivel Conductivo.

El medidor de nivel conductivo consiste en uno o varioselectrodos y un relé eléctrico o electrónico, dispositivo que abre y cierraun circuito, que es excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos.El líquido debe ser lo suficientemente conductor para excitar el circuitoelectrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separaciónentre el líquido y su vapor, y tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel deagua de una caldera de vapor.

La impedancia o resistencia mínima aparente del circuito es delorden de los 20 MΩ /cm, y la tensión de alimentación es alterna paraevitar fenómenos de oxidación en las sondas por causa del fenómeno dela electrólisis. Cuando el líquido moja los electrodos se cierra el circuitoelectrónico y circula una corriente segura del orden de los 2mA. El reléelectrónico dispone de un temporizador de retardo que impide suenclavamiento ante una ola del nivel del líquido o ante cualquier perturbación momentánea o bien, en su lugar se disponen doselectrodos levemente separados enclavados eléctricamente en elcircuito.

El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto ybajo, 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, puedecomplementar los típicos niveles de vidrio de las calderas, y se presta ala transmisión de nivel a la sala de control y a la adición de alarmascorrespondientes.

Una variante del aparato se utiliza en el control del nivel de vidrioen fusión (figura 2.11.c). En este, un sistema electromecánico baja elelectrodo hasta que éste entra en contacto con la superficie del vidriofundido que a las temperaturas de fusión es conductor. El circuito estáproyectado de tal forma que en el momento del contacto, el electrodoqueda detenido y su posición marcada en un registrador. Instantesdespués 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 conductividady si su naturaleza lo exige, la corriente debe ser baja para evitar ladeterioración del producto. Por otro lado, conviene que la sensibilidaddel aparato sea ajustable para detectar la presencia de espuma en casoque sea necesario.

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Figura 2.11 Medidor de Nivel Conductivo

2.4.2. Medidor de Capacidad.

El medidor de capacidad mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el líquido y las paredes deltanque (figura 2.12). La capacidad del conjunto depende linealmente delnivel 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 dellíquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores.

En fluidos conductores (figura 2.12.b) con una conductividadmínima de 100 microhmnios/c.c, el electrodo está aislado usualmentecon teflón interviniendo las capacidades adicionales entre el materialaislante 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 lareactancia capacitiva del conjunto y permite aliviar en parte elinconveniente del posible recubrimiento del electrodo por el producto.

El sistema es sencillo y apto para muchas clases de líquidos. Sinembargo, hay que señalar que en los fluidos conductores, los sólidos o

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líquidos conductores que se encuentran en suspensión o emulsión, y lasburbujas de aire o de vapor existentes, aumentan y disminuyenrespectivamente 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 representada lugar a un error considerable.

La precisión de los transductores de capacidad es de ± 1 %. Secaracterizan por no tener partes móviles, son ligeros, presentan unabuena resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza. Su campo demedida es prácticamente ilimitado y pueden emplearse en la medida denivel de interfases. Tienen el inconveniente de que la temperatura puedeafectar las constantes dieléctricas (0.1 % de aumento de la constantedieléctrica / C) y de que los posibles contaminantes contenidos en ellíquido pueden adherirse al electrodo variando su capacidad y falseandola lectura, en particular en el caso de los líquidos conductores. El

funcionamiento del sistema a una frecuencia elevada, o bien laincorporación de un circuito detector de fase, compensan en parte esteinconveniente.

Figura 2.12. Medidor de Capacidad

2.4.3. Sistema Ultrasónico de Medición de Nivel.

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El sistema ultrasónico de medición de nivel se basa en la emisiónde un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción deleco del mismo receptor. El retardo en la captación del eco depende delnivel del tanque.

Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 khz. Estas

ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión del medioambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del sólido odel líquido. En la figura 2.13 puede verse varias disposiciones demontaje de los detectores que se utilizan en los casos de alarmas o deindicación continua del nivel.

En las aplicaciones de alarma de nivel, los sensores vibran a unafrecuencia de resonancia determinada, que se amortigua cuando ellíquido los moja. En el segundo caso de indicación continua de nivel, lafuente ultrasónica genera impulsos que son detectados por el receptor una vez transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de laonda a la superficie del sólido o del líquido.

En la figura 2.14 puede verse el diagrama de bloques de unsistema de medida de ultrasonidos. El sensor emisor dispone de unoscilador excitador para enviar un impulso ultrasónico a la superficie delfluido y el sensor receptor recibe esta señal reflejada enviando una señalfunción del tiempo transcurrido, y por lo tanto del nivel, a un indicador.En otras palabras, el nivel se mide en función del tiempo necesario paraque la señal se desplace del transmisor a la superficie del líquido yretorne al receptor.

La precisión de estos instrumentos es de ± 1 a 3 %. Sonadecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos o fangos,

pudiendo construirse a prueba de explosión. Presentan el inconvenientede ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneascuando la superficie del nivel del líquido no es nítida como es el caso deun líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de losultrasonidos.

La utilización del ordenador permite, a través de un programa,almacenar el perfil ultrasónico del nivel, y así tener en cuenta lascaracterísticas particulares de la superficie del líquido, tal como laespuma, con lo cual se mejora la precisión de la medida. Por otro lado,el ordenador facilita la conversión del nivel a volumen del tanque parausos de inventario, y además proporciona características deautocomprobación del instrumento.

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Figura 2.13. Sistema Ultrasónico de Medición de Nivel.

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

2.4.4. Sistema de Medición por Rayos Gamma o Medidor

Radiactivo.

El sistema de medición por rayos gamma (figura 2.15) consisteen un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado deltanque y con un contador Geiger que transforma la radiación gamma

recibida en una señal eléctrica de corriente continua. Como latransmisión de los rayos es inversamente proporcional a la masa del

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líquido en el tanque, la radiación captada por el receptor esinversamente proporcional al nivel del líquido ya que el material absorbeparte de la energía emitida.

Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos x, perode longitud de onda más corta. La fuente radiactiva pierde igualmente su

radioactividad en función exponencial del tiempo. La vida media, esdecir, el tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de suactividad, varía según la fuente empleada. En el cobalto 60 es de 5.5años, en el cesio 137 es de 33 años y en el americio 241 es de 458años.

Las paredes del tanque absorben parte de la radiación y aldetector llega sólo un pequeño porcentaje. Los detectores son, engeneral, tubos Geiger o detectores de cámara iónica y utilizanamplificadores de corriente continua o de corriente alterna. Elinstrumento dispone de compensación de temperatura, de linealizaciónde la señal de salida, y de reajuste de la pérdida de actividad de lafuente de radiación, siendo este último de extrema importancia paraconservar la misma precisión de la puesta en marcha. Una de lasdesventajas en su aplicación figuran el blindaje de la fuente y elcumplimiento de las leyes sobre protección de radiación.

La precisión en la medida es de ± 0.5 a ± 2 %, y el instrumentopuede emplearse para todo tipo de líquidos ya que no está en contactocon el proceso. Su lectura se encuentra influida por el aire o por losgases disueltos en el líquido.

El sistema se emplea en caso de medida de nivel en tanques deacceso difícil o peligroso. Es ventajoso cuando existen presiones

elevadas en el interior del tanque que impiden el empleo de otrossistemas de medición. Sin embargo, el sistema es caro y la instalaciónno debe ofrecer peligro alguno de contaminación radiactiva siendonecesario señalar debidamente las áreas donde están instalados losinstrumentos y realizar inspecciones periódicas de seguridad.

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

2.4.5. Medidor Láser.

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En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y dondelos instrumentos de nivel convencionales fallan, encuentra su aplicaciónel 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 niveldebe 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 tubode acero y dirigido por reflexión en un espejo sobre la superficie delmetal fundido. El aparato mide el tiempo que transcurre entre el impulsoemitido y el impulso de retorno, que es registrado en un fotodetector dealta resolución. El tiempo transcurrido es directamente proporcional a ladistancia del aparato emisor a la superficie del metal fundido. Unmicroprocesador convierte este tiempo al valor de la distancia a lasuperficie del metal en fusión, proporcionando, de este modo, la lecturadel nivel.

Para finalizar, la tabla 2.1 nos muestra una comparación entre losdiferentes tipos de instrumentos de medición de nivel de líquidos, consus ventajas y desventajas.

Figura 2.16. Medidor de Nivel Láser.

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 líquido

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Manométrico Altura tanque ± 1% Atm 60 Tanques abiertos, Barato

Fluidos limpios

Membrana 0 - 25 m ± 1% Atm 60 Tanques abiertos Barato

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

Contam.del líquido

PresiónDiferencial

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 corrosión

Ultrasónico 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 ys/contacto líquido

Tabla 2.1. Medidores de nivel de líquidos.

2.5 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 másfrecuentes empleados.

Figura 2.5.1: medida hidrostática de nivel: al aumentar el nivel del aguaaumenta 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 labarilla buzo: la resultante de ambas fuerzas da una medida del nivel dellíquido. Amplitud de medida, hasta 50 m.

Figura 2.5.3: Medida neumática de nivel: al burbujear el aire provenientede un pequeño compresor o botella a presión, la presión del aire a la

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salida del tubo sumergido aumenta al aumentar el nivel del líquido. Lamedida de dicha presión en un manómetro es una medida del nivel deldepósito o embalse. Amplitud de medida, hasta 50 m.

Figura 2.5.4: la medida de la lamina de agua h de un vertederonecesaria 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 concualquiera de los cuatro métodos descritos puede utilizarse la balanzade presión, que sirve por lo tanto para medir presiones, caudales yniveles. La balanza mide la presión transmitida por la tubería dedetección figura 2.5.3, el empuje vertical de la varilla de inmersiónfigura 2.5.2, etc., e indica la cota de nivel. Las componentes principalesde la balanza son el transformador de presión, la balanza con el pesocorredizo y un servomotor, que mantiene la balanza constantemente enequilibrio. Esta mismo balanza puede accionar cuantos dispositivos demando, regulación, teletransmisión y registro se desee. La precisión dela 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 deinversiòn

Figura 2.5.3 Medida Figura 2.5.4 Medidaneumàtica a nivel de caudal con

vertedero

Limnímetros de precisión dotados de la balanza automática, según losesquemas 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.

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2.6 MEDICIÓN ELECTRICA Los instrumentos eléctricos para la medición de niveles se clasifican endos categorías según el principio en que se basan:

Principio de la variación de resistenciaUtiliza electrodos inmersos en el líquido, que miden la variación de laresistencia. Se emplea para controlar el vacío, llenado, medición oindicación de nivel en toda clase de líquidos. Se emplea corriente alternapara 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 unaaplicación con 4 electrodos que controla dos bombas en el vaciado deun 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 nivelalcanza E4 la bomba principal se para y arranca la bomba de reserva. Cuando elnivel 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 ocontrolar, forma con este último un condensador, cuya capacidad varíalinealmente con el nivel del líquido en el depósito. Se mide la corrientedel condensador proporcional ala capacidad que constituye por tanto

una medida del nivel del líquido. La figura 2.6.2 constituye un esquemade instalación de la bomba de llenado del mismo.

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Figura 2.6.2 Esquema de control de arranque y parada de unabomba

para llenado de un depòsito con Control de Nivel Capacitado.

2.7 MEDICIÓN POR ULTRASONIDOEl principio de este instrumento es el mismo de sonar empleado por lossubmarinos para medir la profundidad de inmersión. Se mide el tiempoque tarda la onda ultrasónica y su eco en recorrer el espacio entre elemisor, colocado convenientemente también en el fondo del depósito

figura 2.7.1 Este instrumento es especialmente apropiado a la mediciónde niveles en líquidos con peligro de fuego y explosión, donde los

instrumentos eléctricos no podrían utilizarse.

Figura 2.7.1 Mediciòn de nivel por ultrasonido

2.8 MEDICIÓN POR RADIACIONES GAMMA

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

2.9 PROBLEMA

1.- El caudal que transporta un canal oscila entre 1.2*10 E6 Y 1.9*10 E6l/h. En una pared transversal al canal se instalan dos vertederos, unotriangular de 90° y otro rectangular de aristas vivas y ventilado. Sequiere que el vertedero no desagüe menos de 9,2*10 E5 l/h ni más de1,1*10 E6 l/h.

El resto del caudal será desaguando por el vertedero rectangular (tómese para el vertedero rectangular el valor de Cq = 0,715.)

Calcular el ancho del vertedero rectangular y la lámina de agua máximaen los vertederos.

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CAPÍTULO 3.

3. MEDIDORES DE NIVEL DE SÓLIDOS.

En los procesos continuos, la industria ha exigido el desarrollo de

instrumentos capaces de medir el nivel de sólidos en puntos fijos o de

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forma continua, en particular en los tanques o silos destinados acontener materias primas o productos finales.

3.1. DETECTORES DE NIVEL DE PUNTO FIJO.

Los medidores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en

uno o varios puntos fijos determinados. Los sistemas más empleadosson el diafragma, el cono suspendido, la varilla flexible, el medidor conductivo y las paletas rotativas.

3.1.1. Detector de Diafragma.

Para medir el nivel de materiales sólidos almacenados, por ejemplo en silos, se han ideado diversos métodos, entre ellos el detector de diafragma. Este instrumento de medición consiste en un diafragmacon una membrana flexible que se dispone al costado de la pared deltanque y contiene en su interior un conjunto de palancas con contrapesoque se apoyan sobre un pequeño interruptor. Cuando el nivel del sólido

alcanza el diafragma, el material lo fuerza venciendo el contrapeso ycerrando el interruptor (figura3.1). Este puede ser mecánico o demercurio, puede accionar una alarma o puede actuar automáticamentesobre un transportador o maquinaria asociadas al depósito. Por otraparte, el material del diafragma puede ser de tela, goma, neopreno ofibra de vidrio y tiene una precisión de unos ± 50 mm y presentaventajas de bajo costo, puede emplearse en tanques cerradossometidos a baja presión o vacío gracias a una línea neumática queiguala presiones a ambos lados de la membrana y trabaja bien conmateriales de muy diversa densidad. Tiene la desventaja de no admitir materiales granulares de tamaños superiores a unos 80 mm de

diámetro.

Figura 3.1. Detector de Diafragma.

3.1.2. Cono Suspendido.

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El cono suspendido (figura 3.2) consiste en un pequeñointerruptor montado dentro de una caja impenetrable al polvo, con unacazoleta o pieza pequeña de goma de la que está suspendida una varillaque termina en un cono. Cuando el nivel de sólidos alcanza el cono, elinterruptor es excitado. La cazoleta de goma permite una flexibilidad en

la posición del cono gracias a la cual el aparato puede actuar comoalarma de alto o bajo nivel. Conviene tener la precaución de proteger mecánicamente el instrumento cuando se manejan materiales pesadosque, en su caída desde la boca de descarga del tanque podrían dañarlo.

El aparato es barato, necesita estar protegido como nivel de bajao en niveles intermedios y se utiliza sólo en tanques abiertos además, suprecisión es de unos 50 mm. Sus aplicaciones típicas son la alarma y elcontrol de nivel en carbón, granos y caliza.

Figura 3.2. Cono Suspendido.

3.1.3. Varilla Flexible.

La varilla flexible (figura3.3) consiste en una varilla de aceroconectada a un diafragma de latón donde está contenido un interruptor.Cuando los sólidos presionan, aunque sólo sea ligeramente en la varilla,el interruptor se cierra y actúa sobre una alarma.

El conjunto de la unidad está sellado herméticamente pudiendoconstruirse a prueba de explosión. El aparato se emplea como alarmade alto nivel estando dispuesto en la parte superior del tanque. Paraimpedir que la simple caída del producto pueda causar una alarmainfundada, éste incorpora un relé de retardo.

El instrumento se emplea en tanques abiertos como alarma denivel alto, tiene una precisión de 25 mm, se utiliza para materiales

tales como el carbón y puede trabajar hasta temperaturas máximas de300C.

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Figura 3.3. Varilla Flexible.

3.1.4. Medidor conductivo.

El medidor conductivo consiste en un electrodo dispuesto en elinterior de unas placas puestas en conjunto y con el circuito eléctricoabierto. Cuando los sólidos alcanzan el aparato, se cierra el circuito y la

pequeña corriente originada es amplificada actuando sobre un relé dealarma. Los sólidos deben poseer una conductividad eléctrica apreciablepara poder excitar el circuito.

Este instrumento puede utilizarse en tanques abiertos y a presión,trabaja hasta temperaturas máximas de 300 °C, está limitado amateriales que tengan una conductividad de 1 a 1.4 x 10-7 mho y sólopuede emplearse como alarma de nivel alto o niveles intermedios. Entrelos materiales en los que se pueden emplear, figuran el carbón y elcarbón activo.

Figura 3.4. Unidad de Contacto Eléctrico.

3.1.5. Paletas Rotativas.

Las paletas rotativas (figura3.5) consisten en un eje vertical,dotado de paletas, que gira continuamente a baja velocidad accionado

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por un motor síncrono. Cuando el producto sólido llega hasta las paletas,las inmoviliza, con lo que el soporte del motor y la caja de engranajesempiezan a girar en sentido contrario. En su giro, el soporte del motor actúa consecutivamente sobre dos interruptores, el primero excita elequipo de protección, por ejemplo una alarma, y el segundo desconecta

la alimentación eléctrica del motor con lo cual éste queda bloqueado.Cuando el producto baja de nivel y deja las palas al descubierto, unresorte vuelve el motor a su posición inicial liberando los dosmicrorruptores. De este modo, el motor se excita con lo que las palasvuelven a girar, y la alarma queda desconectada.

El eje de las palas puede ser flexible o rígido para adaptarse así alas diversas condiciones de trabajo dentro del silo, tales como caída deproducto, deslizamientos del producto, etc. Estos aparatos sonadecuados en tanques abiertos o a baja presión (máximo 10 kg/cm 2),tienen una precisión de unos 25 mm y se emplean preferentementecomo detectores de nivel de materiales granulares y carbón. Pueden

trabajar con materiales de muy diversa densidad y existen modelos aprueba de explosión.

En la figura3.6 se puede ver una aplicación típica de un control denivel de sólidos en un tanque, que mantiene el nivel entre los dos puntosdonde están situado los detectores.

Cuando el material desciende más abajo del detector inferior, éstepone en marcha automáticamente la maquinaria de alimentación delproducto en el silo y esta maquinaria se detiene tan pronto como elproducto alcanza el detector de nivel superior. El ciclo vuelve a repetirsecuando, al ir vaciándose el silo, los sólidos descienden a un nivel por

debajo del detector inferior.Figura 3.5. Medidor de Paletas

Rotativas.Figura 3.6. Control de Nivel de

Sólidos.

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3.2. Detectores de nivel continuos

Los medidores de nivel continuo proporcionan una medida continuadel nivel de los sólidos desde el punto más bajo al más alto. Entre los

instrumentos empleados frecuentemente se encuentran el medidor denivel de sondeo electromecánico o de peso móvil, el medidor de nivel debáscula, el medidor de nivel capacitivo, el medidor de presión diferencial,el medidor de nivel de ultrasonidos, el medidor de radar de microondas yel medidor de nivel de radiación.

3.2.1. Medidor de nivel de sondeo electromecánico o de peso móvil.

Este tipo de medidor, representado en la figura3.7, consiste en unpequeño peso móvil sostenido por un cable desde la parte superior delsilo mediante poleas. Un motor y un programador situados en el exterior establecen un ciclo de trabajo del peso. Éste baja suavemente en elinterior de la tolva hasta que choca contra el acopio de sólidos. En esteinstante, el cable se afloja, y un detector adecuado invierte el sentido delmovimiento del peso con lo que éste asciende hasta la parte superior dela tolva, donde se para, repitiéndose el ciclo nuevamente. Un indicador exterior señala el punto donde el peso ha invertido su movimientoindicando así el nivel en aquel momento.

El instrumento se caracteriza por su sencillez, puede emplearse enel control de nivel, pero debe ser muy robusto mecánicamente paraevitar una posible rotura del conjunto dentro de la tolva, lo que podríadar lugar a la posible rotura de los mecanismos de vaciado.

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Figura 3.7. Medidor de Nivel de Sondeo Electromecánico.

3.2.2. Medidor de Nivel de Báscula.

Una báscula es un instrumento para medir y equilibrar fuerzas(pesos), y comprende una serie de elementos esenciales tales como unmedio por el cual se puede tomar y soportar la carga, que por lo generales un tanque, una plataforma, un gancho u otro método convenientepara contener la carga; un procedimiento para transmitir el peso de lacarga a la fuerza equilibradora y un procedimiento para producir unafuerza suficiente para equilibrar la carga e indicar ese equilibrio. El medidor de nivel de báscula, representado en la figura 3.8,mide el nivel de sólidos indirectamente a través del peso del conjuntotolva más producto. Como el peso de la tolva es conocido, es fácildeterminar el peso del producto y por lo tanto, el nivel. La tolva se apoyaen una plataforma de carga actuando sobre la palanca de la báscula obien carga sobre otros elementos de medida neumáticos, hidráulicos oeléctricos.

El sistema es relativamente caro, en particular en el caso degrandes tolvas, pudiendo trabajar a altas presiones y temperaturas. Su

precisión depende del sensor utilizado, pudiendo variar de 0.5 a ± 1%.

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Figura 3.8. Medidor de Nivel de Báscula.

3.2.3. Medidor de Nivel Capacitivo.

El medidor de nivel capacitivo (figura 3.9) es parecido al estudiadoen la medición de nivel de los líquidos con la diferencia de que tiene másposibilidades de error por la mayor adherencia que puede presentar elsólido en la varilla capacitiva. La lectura viene influida además por lasvariaciones de densidad del sólido. La varilla del medidor está aislada ysituada verticalmente en el tanque y bien asegurada mecánicamentepara resistir la caída del producto y las fuerzas generadas en los

deslizamientos internos. La medida está limitada a materiales en forma granular o e polvoque sean buenos aislantes, la presión y temperatura máximas deservicio pueden ser de 50 bar y 150 C, y el aparato debe calibrarsepara cada tipo de material. Su precisión es de ± 15 mmaproximadamente.

Figura 3.9. Medidor de Nivel Capacitivo.

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3.2.4. Medidor de Presión Diferencial.

El medidor de presión diferencial se emplea en la medida y elcontrol continuo de nivel de lechos fluidizados. Según puede verse en lafigura 3.10, consiste en dos orificios de purga de aire situados en el

depósito por debajo y por encima del lecho. Un transmisor neumático oelectrónico mide la presión diferencial posterior de los dos orificiosmencionados que depende del nivel del lecho fluidizado. Por otra parte,el instrumento puede trabajar a temperaturas superiores a 300 °C yposee una respuesta rápida.

Figura 3.10. Medidor de Presión Diferencial.

3.2.5. Medidor de Nivel de Ultrasonidos.

De acuerdo a la figura 3.11, el medidor de nivel de ultrasonidosconsiste en un emisor de ultrasonidos que envía un haz horizontal a unreceptor colocado al otro lado del tanque. Si el nivel de sólidos está másbajo que el haz, el sistema entra en oscilación enclavando un relé.Cuando los sólidos interceptan el haz, el sistema deja de oscilar y el relédesexcita actuando sobre una alarma o sobre la maquinaria de descargadel depósito.

Disponiendo el haz de ultrasonidos en dirección vertical, elinstrumento puede actuar como indicación continua del nivel midiendo eltiempo de tránsito de impulso ultrasónico, entre la fuente emisora, lasuperficie del producto donde se refleja y el receptor situado en la propiafuente.

Como la superficie de la mayor parte de los productos sólidosreflejan los ultrasonidos, ya sea en mayor o menor grado, el sistema esadecuado para la mayor parte de los sólidos con mucho polvo, altahumedad, humos o vibraciones, y puede emplearse tanto en materialesopacos como transparentes. Sin embargo, si la superficie del material noes nítida, el sistema es susceptible de dar señales erróneas.

El uso del ordenador permite resolver este inconveniente alalmacenar el perfil ultrasónico del lecho del sólido e interpretarlo para

obtener el nivel correcto del sólido, además de proporcionar características de autocomprobación del instrumento de medida.

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El medidor de nivel de ultrasonidos tiene una precisión que varía de± 0.15% a ± 1%, puede construirse a prueba de explosión y trabajar atemperaturas de hasta 150 °C.

Figura 3.11. Medidor de Nivel de Ultrasonidos.

3.2.6. Medidor de Nivel de radiación o de Rayos Gamma.

El medidor de nivel de radiación es parecido al instrumentoutilizado en la determinación del nivel de líquidos. Consiste en unafuente radiactiva de rayos gamma, dispuesta al exterior y en la parte

inferior del tanque, que emite su radiación a través del lecho de sólidossiendo captada por un detector exterior. El grado de radiación recibidadepende del espesor de sólidos que se encuentra entre la fuente y elreceptor. La fuente radiactiva y el receptor pueden disponerse tambiénen un plano horizontal, en cuyo caso el aparato trabaja como detector continuo todo-nada.

El instrumento puede trabajar a altas temperaturas hasta unos1300 °C, presiones máximas de 130 bar, en materiales peligrosos ocorrosivos, no requiere ninguna abertura o conexión a través del tanquey admite control neumático o electrónico. Su precisión es de 1 % y sucampo de medida de 0.5 por cada fuente, pudiendo emplearse variaspara aumentar el intervalo de medida del nivel. Uno de sus inconvenientes es que es un sistema de coste elevadoque necesita una supervisión periódica desde el punto de vista deseguridad, debe calibrarse para cada tanque y no puede aplicarse amateriales a los que afecte la radiactividad.

Para finalizar, la tabla 3.2, muestra las características principalesde los medidores de nivel de sólidos.

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Figura 3.12. Medidor de Nivel de radiación o de Rayos Gamma.

Instrumento Tipo Precisión % Temp máx Tipo Desventajas Ventajas

detector toda la escala Servicio °C Tanque

Diafragma Fijo alto 50 mm 60 Abierto, No admite materiales Bajo costo, sensible a

y bajo Cerrado granulares > 80mm, materiales de variada

tanques a baja presión densidad

Cono

suspendido

Fijo alto 50 mm 60 Abierto Debe estar protegido Bajo costo

Y bajo

Varilla Flexible Fijo, alto 25 mm 300 Abierto Relé retardo, sólo nivel Muy sensible

alto

Conductivo Fijo alto 25 mm 300 Abierto, Conductividad de los Tanques a presión

y bajo Cerrado materiales

Paletas rotativas Fijo alto 25 mm 60 Abierto Tanques abiertos o a Materiales diversos, a

y bajo Baja presión prueba de explosión

Sondeo Continuo ± 1% 60 Abierto Resistencia mecánica Sencillo

electromecánico media

Báscula Continuo ± 0.5 a ± 1% 900 Abiertos Coste elevado Precio seguro, altas

Cerrados presión y temperatura

Capacitivo Continuo 15 mm 150 Abiertos Materiales aislantes, Bajo costo

Cerrados Calibración individual,

Adherencias producto

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Presión Continuo - 300 Abiertos Costo medio, posible Respuesta rápida

Diferencial Cerrados obturación orificio de

purga

Ultrasonidos Fijo alto ± 0.5 a ± 1% 150 Abierto Costo medio Materiales opacos y

bajo, cont Cerrado Transparentes a prueba

De explosión

Radiación Fijo alto ± 0.5 a ± 1% 1300 Abierto Costo elevado, Tanque sin aberturas,

bajo, cont Cerrado supervisión seguridad, productos corrosivos y

calibración individual peligrosos, alta presion y

varias fuentes temperatura

Tabla 3.2. Medidores de Nivel de Sólidos.

CONCLUSIONES

Como resultado del presente trabajo podemos concluir que tantoen la medición de niveles de líquidos como de sólidos, es imprescindible

que los instrumentos estén continuamente en perfecto estado defuncionamiento a fin de evitar, tal como se dijo anteriormente, parosparciales o totales en la planta y de este modo garantizar la calidad delos productos terminados.

Con respecto a esto, la norma ISO 9000 abarca, entre otros puntosla dirección de la calidad en el proceso de producción de productos y elensayo final e inspección del producto, definiendo, en forma deinstrucciones y procedimientos, la forma específica en que debe operar una empresa. Todo este conjunto de información generada constituye elSistema de Calidad que asegura a los clientes de la empresa que losproductos que ellos compran están totalmente controlados y en perfecto

funcionamiento. De hecho, esta norma establece que el suministrador deun producto debe preocuparse de calibrar y ajustar todo el equipodestinado a la inspección, medida y ensayo que pueda afectar la calidaddel producto, asegurar que las condiciones ambientales son adecuadaspara las operaciones de calibración, inspección, medida y ensayos quese efectúen en los instrumentos de medición.

Aparentemente, la implantación de la norma ISO 9000 parecesencilla, pero no es una tarea fácil. Es necesario que el equipo decalibración de los instrumentos esté certificado por un organismoreconocido y que dicho equipo se calibre periódicamente así comotambién los instrumentos de medición afectados.

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BIBLIOGRAFÍA

1. Antonio Creus Solé, Instrumentación Industrial 6ª Edición

Marcombo Boixareu Editores, Barcelona 1997. 2. John H. Perry, Ph. D.,Manual del Ingeniero Químico 2ª Edición

Versión español, Tomo 2, Libros McGraw - Hill, México 1982.

3. Russel H. Babcock, Instrumentación y Control en el Tratamientode Aguas Potables, Industriales y de desecho (versión español-

reimpresión), Editorial Limusa, México 1985.

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NGS - Interruptores de Nivel Conductivos

Para Líquidos Conductivos

Contacto: 1 Colector Abierto o 1 Relé

Conexión: Brida Cuadrada 2" NPT

Material: 316 Acero Inoxidable

Max. Presión: 360 PSIG

Max. Temperatura: 480°F

Para Líquidos Conductivos (>32 uS/cm)

NRF - Sensor de Nivel Capacitivo

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Conexión: NPT o Tri-Clamp

Precisión: ±1% de la escala

Reproducibilidad: ±0.1% de la escala

Salida: 4-20 mA

Max. Presión: 500 PSIGRango de Temperatura: -100 a +350°F

Max. Longitud

Sensor Rígido: 20 pies

Sensor Flexible: 200 pies

Materiales

Conexión: 316 Acero Inoxidable or Teflón®

Sensor: Totalmente Cubierto con Teflón o 316 Acero

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