Sensor nivel
- 1. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL SENSOR de nivel ESTUDIANTE: CURSO:Séptimo - Electrónica “A” FECHA ENTREGA:27 de octubre, 2018 Principio Físico “Todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido, experimenta una fuerza de Empuje hacia arriba, que es igual al peso del líquido desplazado” ARQUIMIDES 257-212AC 𝑬 = 𝛒𝑽𝒈 E : empuje V:volumen liquido g:gravedad ρ: densidad del liquido EL NIVEL es la medida de un producto fluido en un envase o tanque basado en su altura. El nivel no depende de las dimensiones ni tamaño del tanque. Para medir un nivel es necesario conocer el nivel máximo de este. Figura 1 Medición de nivel En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funciona- miento correcto del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas o de productos finales. La utilización de instrumentos electrónicos con microprocesador en la medida de otras variables, tales como la presión y la temperatura, permite añadir "inteligencia" en la medida del nivel, y obtener exactitudes en la lectura altas, del orden del ± 0,2%, en el inventario de materias primas o finales o en transformación en los tanques del proceso. El transmisor de nivel "inteligente" hace posible la interpretación del nivel real (puede eliminar o compensar la influencia de la espuma en flotación del tanque, en la lectura), la eliminación de las falsas alarmas (tanques con olas en la superficie debido al agitador de paletas en movimiento), y la fácil calibración del aparato en cualquier punto de la línea de transmisión.
- 2. Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos, que son dos mediciones claramente diferenciadas. 1. Medidores de nivel de 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, bien aprovechando características eléctricas del líquido o bien utilizando otros fenómenos. Los primeros instrumentos de medida directa se dividen en: sonda, cinta y plomada, nivel de cristal, nivel de flotador. Los aparatos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática son: • Medidor manométrico • Medidor de por burbujeo • Medidor de presión diferencial de diafragma El empuje producido por el propio líquido lo aprovecha el medidor de desplazamiento. Los instrumentos que utilizan las características eléctricas del líquido son: • Medidor resistivo/conductivo • Medidor capacitivo • Medidor ultrasónico • Medidor de radar o microondas • Medidor de radiación • Medidor de láser 1.1 Instrumentos de medida directa El medidor de sonda consiste en una varilla o regla graduada de la longitud conveniente para introducirla dentro del depósito. La determinación del nivel se efectúa por lectura directa de la longitud mojada por el líquido. En el momento de la lectura el tanque debe estar abierto a presión atmosférica. Se utiliza, generalmente, en tanques de fuel oil o gasolina.
- 3. Figura 1.1 Medidor de sonda El nivel de cristal consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloques metálicos y cerrados por prensaestopas que están unidos al tanque, generalmente, mediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo para impedir el escape del líquido, en caso de rotura del cristal, y una de purga (figura 1.2). El nivel de cristal normal (figura 1.2a) se emplea para presiones de hasta 7 bar. A presiones más elevadas el cristal es grueso, de sección rectangular y está protegido por una armadura metálica (figura 1.2b). En otro tipo de medidor de nivel la lectura del nivel se efectúa con un cristal a reflexión o bien por transparencia. En el primer caso, que puede verse en la gura 5.2c, el vidrio en contacto con el líquido está provisto de ranuras longitudinales que actúan como prismas de reflexión indicando la zona de líquido con un color oscuro casi negro y la zona superior en contacto con el vapor de color claro. En la lectura por transparencia (figura 1.2d) empleada para apreciar el color, características o interface del líquido, éste está contenido entre dos placas de vidrio planas y paralelas que permiten ver directamente el nivel, mejorándose la apreciación visual al acoplar una lámpara de iluminación al sistema. 1.2 Nivel cristal Para mayor seguridad, las válvulas de cierre incorporan una pequeña bola que actúa como
- 4. válvula de retención en caso de rotura del vidrio. Los niveles de vidrio son susceptibles de ensuciarse por las características del líquido que miden, impidiendo que el nivel pueda apreciarse claramente. Entre los líquidos que presentan este inconveniente figuran el caramelo y los líquidos pegajosos. El nivel de vidrio sólo permite una indicación local, si bien pueden emplearse espejos para lectura a distancias limitadas o bien utilizar cámaras de televisión para mayores distancias de transmisión. 1.2 Instrumentos basados en la presión hidrostática El medidor manométrico consiste en un sensor de presión piezoresistivo suspendido de la parte superior del tanque e inmerso en el líquido. El sensor con ene un puente de Wheastone y, bajo la presión del líquido, el sensor se éxito y la tensión que crea es captada por las galgas extensiométricos, dando lugar a un desequilibrio del puente y a una señal de salida proporcional a la presión aplicada, es decir, al nivel. El sensor está contenido en una caja protectora con un diafragma flexible y relleno de aceite de silicona lo que le da una gran robustez. Puede estar acoplado a un transmisor electrónico o digital de 4-20 mA c.c. El sensor mide la presión debida a la altura de líquido h que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. Así, pues, el campo de medida del instrumento corresponderá: 0 - h × y × g pascal con: h = altura de el líquido en m y= densidad de líquido en kg/m3 g = 9,8 m/s2 o bien, expresando en g/cm3 se obtendría 0 - 0,098 × h × bar.
- 5. Figura 1.3 Medidor manométrico. Fuente ABB El medidor de tipo burbujeo emplea un tubo sumergido en el líquido a cuyo través se hace burbujear aire mediante un rotámetro con un regulador de caudal incorporado (figura 1.3). La presión del aire en la tubería equivale a la presión hidrostática ejercida por la columna de líquido, es decir, al nivel. El regulador de caudal permite mantener un caudal de aire constante (unos 150 l/h) a través del líquido, independientemente del nivel. La tubería empleada suele ser de 1/2" con el extremo biselado para una fácil formación de las burbujas de aire. Una tubería de menor diámetro tipo capilar reduciría el tiempo de respuesta pero, en el caso de tanques pequeños y cambios de nivel rápidos, produciría un error en la medida provocado por la pérdida de carga del tubo. La presión de aire en la tubería, es decir, el nivel, se mide mediante un manómetro de fuelles o un transductor de presión cuyo campo de medida corresponde a la presión máxima ejercido por el líquido (0,098 × h × bar, con h en m y en g/cm3). El manómetro receptor puede colocarse hasta distancias de 200 m. El sistema también puede emplearse en tanques cerrados con dos juegos rotámetro- regulador y con las señales de aire conectadas a un transmisor de presión diferencial análogo al estudiado en el capítulo de instrumentos de caudal. Señalemos que no sólo puede utilizarse aire, sino también otros pos de gases e incluso líquido como fluido de purga y que el tubo debe tener una longitud adecuada para evitar que las variaciones Figura 1.4 Tipos de diafragmas. Fuente: Honeywell y Yokogawa Hay que señalar que el nivel cero del líquido se selecciona en un eje a la altura del diafragma. Si el instrumento se calibra en el tanque, el 0% del aparato debe comprobarse con el nivel más bajo en el borde inferior del diafragma (entre el borde inferior y el superior del diafragma la señal de salida no está en proporción directa al nivel). 1.3 Instrumento basado en el desplazamiento El medidor de nivel de tipo desplazamiento (figura 1.4) consiste en un flotador
- 6. parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión unido rígidamente al tanque o bien a un resorte de equilibrio del que pende el flotador. En el modelo de tubo de torsión el flotador está suspendido de un pivote a lado, para reducir el rozamiento, situado en el extremo de un brazo y el otro extremo está soldado al tubo de torsión. Dentro del tubo, y unido a su extremo libre, se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro axial a un transmisor exterior al tanque. Al variar el nivel del líquido o la interfase en el caso de dos líquidos inmiscibles, cambia el peso del flotador con lo que la varilla libre del tubo de torsión gira en un movimiento proporcional al movimiento del flotador y, por lo tanto, al nivel. El movimiento angular del extremo libre del tubo de torsión es muy pequeño, del orden de los 9°. El tubo proporciona, además, un cierre estanco entre el flotador y el exterior del tanque (donde se dispone el instrumento receptor del par transmitido). Según el principio de Arquímedes. Figura 1.5 Medidor de nivel de desplazamiento 1.4 Instrumentos basados en características eléctricas del líquido El medidor de nivel conductivoo resistivo (figura 1.6) consiste en uno o varios electrodos y un circuito electrónico que excita un relé eléctrico o electrónico al ser los electrodos mojados por el líquido. Este debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su vapor, tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de vapor. La impedancia mínima es del orden de los 25 MW/cm, y la tensión de alimentación entre los electrodos y el tanque es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas, por causa del fenómeno de la electrólisis.
- 7. Figura 1.6 Medidor de nivel resistivo/conductivo El relé electrónico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del líquido o ante cualquier perturbación momentánea, o bien en su lugar se disponen dos electrodos poco separados enclavados eléctricamente en el circuito. El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, y con la sensibilidad ajustable permite detectar la presencia de espuma en el líquido. El medidor de capacidad (Figura 1.7), conocido también por sensor de nivel de radiofrecuencia (RF) o de admitancia, mide la capacidad del condensador formado por un electrodo sumergido en el líquido y las paredes del tanque. Trabaja en la gama baja de radiofrecuencia de pocos MHz, midiendo la admitancia de un circuito de corriente alterna, la que varía según el nivel de líquido en el tanque. Para clarificar la descripción del instrumento de capacitancia, los términos admitancia e impedancia de un circuito de c.a. son comparables a los de conductancia y resistencia de un circuito de c.c., es decir, la admitancia es la medida de la conductividad de un circuito de c.a. y es la inversa de la impedancia. La fórmula de la capacitancia del conjunto electrodo-tanque es: 𝐶 = 𝐾 𝑥 𝐴 𝐷 en la que: C = capacitancia en picoFaradios (pF) K = constante dieléctrica del material A = área efectiva de los conductores D = distancia entre los conductores
- 8. Como el sistema u liza una señal de radiofrecuencia, debe considerarse adicionalmente la impedancia (Z), que es la oposición al flujo de corriente, según la ecuación: 𝑍 = 𝑅 + 1 √1𝑥2𝜋𝑥𝑓𝑥𝑐 = 1 𝑘 𝑥𝑓𝑥𝑐 en la que: R = resistencia en ohms C = capacitancia en pF f = frecuencia de medida (radio frecuencia) En el condensador, la distancia entre el electrodo y las paredes del tanque y el área de los conductores permanecen constantes, de modo que la única variable es el área bañada por el líquido, es decir, el nivel. Figura 1.7 Medidor de capacidad. Fuente: OMEGA La medida de la capacitancia se realiza mediante una señal de radiofrecuencia (RF) aplicada entre el electrodo y la pared del tanque. En aplicaciones de detección de nivel con electrodos horizontales, la señal de radiofrecuencia produce una pequeña corriente que circula a través del líquido hacia la pared del tanque. Si el nivel baja y el electrodo deja de ser mojado por el líquido y es expuesto a los gases o vapores que se encuentran sobre el líquido, baja la constante dieléctrica, con lo que disminuye la capacitancia y se reduce la corriente. El cambio es detectado por un interruptor del circuito interno de nivel que excita un relé, dando la señal de bajo nivel. La detección del nivel suele disponer de temporizadores que filtran las falsas lecturas debidas a olas o rociaduras del líquido. En el caso de medición continua del nivel, el electrodo es ver cal y la señal de salida es
- 9. analógica. Los cambios de capacitancia, que se producen al variar el nivel, vienen dados por la fórmula: 𝐶𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 ( 𝑝𝐹 ) = (𝑘2 − 𝑘1)𝑥 𝐴 𝐷 siendo: K2 = constante dieléctrica del gas o vapor existente sobre el líquido K1 = constante dieléctrica del líquido A = área efectiva de los conductores D = distancia entre los conductores Cuanta más alta sea la diferencia entre K2 y K1 más fácil será la lectura. Si la diferencia es pequeña (0,5 pF) será necesario usar un circuito electrónico de alta sensibilidad. La constante dieléctrica depende de las condiciones de temperatura, humedad, densidad y tamaño de las partículas existentes en el líquido, de modo que si el cambio de capacitancia es alto, será necesario bajar la sensibilidad para evitar falsas lecturas por haber superado el umbral de capacitancia del sensor. La sensibilidad puede aumentarse alargando la longitud del electrodo, lo que es más práctico, o acercándolo más a las paredes del tanque. En la tabla 5.1 pueden verse las constantes dieléctricas de diversos pos de sólidos y líquidos. El electrodo suele ser de acero inoxidable de 1⁄4” o 1⁄2” de diámetro, adecuado para los líquidos no con- ductores y no corrosivos. Si el fluido es conductor, con una conductividad mínima de 100 microhmios/ c.c., el electrodo se recubre con Teflón o Kynar. Si no se recubriera, a medida que el nivel del líquido fuera bajando, el electrodo quedaría mojado dando lugar a una falsa capacitancia y a un error en la lectura. Cuando el tanque no es conductor y no puede captar la corriente de retorno de la señal de radiofrecuencia (RF) se dispone de un segundo electrodo paralelo al electrodo activo. Los líquidos sucios o pegajosos tienen tendencia a recubrir el electrodo con lo que la lectura del nivel sería errónea. 1.5 Medidor de nivel de ultrasonidos El sistema ultrasónico de medición de nivel fig. 1.8 se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del mismo en un receptor. El retardo en la captación del eco depende del nivel del tanque.
- 10. Figura 1.8 Transductor ultrasónico de nivel Si el sensor se coloca en el fondo del tanque, envía un impulso eléctrico que es convertido mediante un transductor (cristal piezoeléctrico) a un impulso ultrasónico de corta duración, que es transmitido a través de la pared del tanque hacia el líquido. El impulso se refleja en la superficie del líquido y retorna hasta el transductor ultrasónico. El nivel del tanque viene expresado por: ℎ = 𝑣 × 𝑡 2 siendo: h = nivel del líquido v = velocidad del sonido en el líquido t = tiempo de tránsito del sonido Pero la aplicación típica es situar el emisor en la parte superior del tanque y dirigir el impulso ultrasónico a la superficie del líquido para ser reflejado y retornar al receptor. El transductor del receptor realiza los cálculos para convertir esta distancia en el nivel del líquido en el tanque. El método ultrasónico también es útil para determinar si en un tanque o una tubería hay o no líquido, ya que el tipo de eco es distinto. En otra aplicación, el transductor está montado en la pared del tanque y dirige el impulso hacia arriba en un ángulo determinado y el receptor se encuentre en la misma pared, pero más arriba, con lo que el sistema
- 11. permite captar la existencia de líquido a una cierta altura del tanque, siendo la aplicación más útil en la detección en el nivel superior y en el fondo del tanque. Los sensores trabajan a una frecuencia de 20 kHz a 200 kHz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión, el medio ambiente de gases o vapores, aumentando o disminuyendo la velocidad del sonido y se reflejan en la superficie del sólido o del líquido. A frecuencias mayores (unos 50 kHz) las ondas sónicas penetran las capas de aire o vapores del tanque con menor amortiguamiento. La exactitud de estos instrumentos es de unos ± 5 mm o bien del ± 0,25% al ± 1%. Los instrumentos son adecuados para todos los tipos de tanques y de líquidos o fangos, pudiendo construirse a prueba de explosión. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas si hay obstrucciones en el interior del tanque o bien cuando la superficie del del líquido no es nítida, como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos. 1.6 Medidor de nivel de radar o microondas El sistema de radar de microondas se basa en la emisión continua de una onda electromagnética, típicamente dentro del intervalo de los rayos X (10 GHz). El sensor está situado en la parte superior del tanque y envía las microondas hacia la superficie del líquido. Una parte de la energía enviada es reflejada en la superficie del líquido y la capta el sensor. El tiempo empleado por las microondas es función del nivel en el tanque. La diferencia de frecuencias es proporcional al tiempo empleado por estas señales de transmisión y retorno, es decir, al nivel. Y así: 𝑑 = 𝑣 × 𝑑𝑡 2 con: 𝑐 = 𝑐 √ 𝑒 siendo: d = distancia del emisor al líquido v = señal de velocidad dt = tiempo de recorrido c = velocidad de la luz e = constante dieléctrica
- 12. La fórmula anterior indica que la velocidad de la microonda a través del aire (u otro gas o vapor) es igual a la velocidad de la luz dividida por la raíz cuadrada de la constante dieléctrica del gas o vapor. Como la constante dieléctrica de los vapores sobre el líquido es casi la unidad, la variación de la velocidad es despreciable, por lo que puede afirmarse que la espuma es transparente a la señal de radar y, por lo tanto, deja de ser un problema, tal como ocurría en el medidor de nivel de ultrasonidos. Otra ventaja de esta técnica es que las señales de medida del nivel son en FM en lugar de AM, lo que suprime los ruidos parásitos del tanque que se encuentran en la banda de AM. Figura 1.9 Medidor de nivel de radar El movimiento del líquido (olas, etc.) puede hacer aparecer una frecuencia Doppler, lo que puede falsear la medida de la diferencia entre las frecuencias detectadas. Para evitar este tipo de problemas, prácticamente todos los radares de onda continua emiten una onda electromagnética cuya variación de frecuencia va aumentando en un tramo, mientras que en el otro disminuye, consiguiendo así, eliminar el efecto de la frecuencia Doppler, ya que en un tramo estaría sumando y en el otro restando. El filtrado de la señal correcta se consigue mediante microprocesadores, realizando una transformada rápida de Fourier de las señales mezcladas, lo que ralentiza el sistema, de modo que se realizan de 1 a 4 mediciones por segundo. Esta velocidad es suficientemente rápida para una medición precisa en el tanque, pero insuficiente en el caso de superficies con turbulencias, factor habitual en muchas aplicaciones de proceso. Como desventajas figuran la dificultad de operar con materiales de baja constante dieléctrica, menor de 2,5, debido a la incapacidad para obtener una señal de retorno al receptor, y el trabajar con haces de gran divergencia. Otro método utilizado es el de radar de onda guiada (GWR – Guide Wave Radar) que dispone de una varilla o un cable para guiar las microondas desde el sensor hasta la
- 13. superficie del líquido y hasta el fondo del tanque y que soluciona los inconvenientes del sistema anterior FMCW. Las características típicas de los medidores de radar son: • Repetibilidad + 1 mm. • Exactitud para tanques en general + 5 mm. • Exactitud para tanques de entrega de productos a facturar + 1 mm. 1.7 Medidor de nivel de radar o microondas En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de nivel convencionales fallan, encuentra su aplicación el medidor láser (y también el de radiación). 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 mide el nivel de forma parecida al medidor de nivel de ultrasonidos con la diferencia de que emplea la luz en lugar del sonido. Consiste en un rayo láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) enviado a través de un tubo de acero y dirigido por reflexión en un espejo sobre la superficie del metal fundido. La señal puede ser por impulsos o por onda continua modulada en alta frecuencia. En el primer caso, cada impulso de láser llega hasta el nivel de líquido y regresa al receptor. En forma parecida a la del nivel por radar, la distancia desde el sensor hasta el nivel se calcula por la fórmula: 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑢𝑧 × 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑐𝑢𝑟𝑟𝑖𝑑𝑜 2 La señal pulsante tiene buena penetración y un gran intervalo de medida, por lo que es la típica usada en aplicaciones industriales. La señal láser de onda continua está modulada en alta frecuencia y cambia de fase al chocar contra el nivel de líquido. Cuando alcanza el receptor, el circuito electrónico calcula la distancia midiendo el desfase entre la onda emitida y la recibida, la frecuencia y la longitud de onda. El sistema de rayo láser no es influido por los cambios de temperatura y presión, ni por las turbulencias y las capas de gases, ni por los materiales absorbentes del sonido y, asimismo, tampoco por los de baja constante dieléctrica (como ocurre en el medidor de nivel de radar). Es inmune a reflexiones y ecos provocados por polvo y al movimiento de palas del agitador.
- 14. Figura 1.10 Medidor de nivel láser 1.8 Otros fenómenos El detector de nivel óptico opera mediante la transmisión, reflexión o refracción de luz visible, infrarroja o láser, basándose en el principio de diferencia de índices de refracción entre el líquido y el gas o vapor presente en su superficie. El detector de nivel vibratorio consiste en una horquilla que vibra a su frecuencia de resonancia. Cuando la horquilla es mojada por el líquido reduce su frecuencia, con lo que un circuito electrónico cierra o abre un contacto o excita un microprocesador compatible con salida TTL o un transistor de alta potencia. El detectorde nivel térmico o de dispersión térmica consiste en dos sondas de resistencia, una de las cuales se calienta y la otra está a la temperatura del proceso, con lo que proporcionan dos resistencias diferentes. Cuando no hay líquido, la diferencia es mayor y cuando aumenta el nivel y moja las dos sondas, la sonda caliente se refrigera y se reduce la diferencia de temperaturas. Un circuito electrónico convierte la diferencia de resistencias en una señal en voltios de c.c. que excitan un contacto SPDT (conmutador unipolar) o DPDT (conmutador bipolar). El instrumento también puede utilizarse para detectar interfases de líquidos. Figura 1.11 Detectores de nivel óptico, vibratorio y térmico.
- 15. 1.9 Medidores de nivel de solidos Detectores de nivel de punto fijo El detector de diafragma consiste en una membrana flexible que puede entrar en contacto con el producto dentro del tanque y que actúa sobre un microrruptor. El material del diafragma puede ser de tela, goma, neopreno o fibra de vidrio. El medidor de diafragma tiene la ventaja de su bajo coste y trabaja bien con materiales de muy diversa densidad. La exactitud es de ± 50 mm. Los interruptores de nivel alto están montados en la parte superior o lateral del tanque y consisten en una sonda de tubo, o paleta o varilla flexible, que excita un microrruptor cuando el sólido los alcanza. Son aparatos de bajo coste, necesitan estar protegidos y se utilizan sólo en tanques abiertos. La exactitud es de ± 25 mm. Figura 1.12 Sistemas de medición de nivel de sólidos fijos y continuos El medidor capacitivo es un detector de proximidad capacitivo, dotado de un circuito oscilante RC que está ajustado en un punto crítico y que entra en oscilación cuando se encuentra próximo al lecho del sólido. El aparato se monta en el tanque, en posición vertical o inclinada, y su sensibilidad se coloca al mínimo para evitar el riesgo de excitación del aparato en el caso de que una mínima cantidad del sólido pueda depositarse en el detector. La exactitud es de ± 25 mm.
- 16. Figura 1.13 Medidor de nivel capacitivo Las paletas rotativas consisten en un eje vertical, dotado de paletas, que gira continuamente a baja velocidad accionado 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 engranajes empiezan a girar en sentido contrario actuando, consecutivamente, sobre dos interruptores, el primero excita el equipo de protección (por ejemplo, una alarma) y el segundo desconecta la alimentación eléctrica del motor. Cuando el producto baja de nivel y deja las palas al descubierto, un resorte vuelve el motor a su posición inicial liberando los dos microrruptores. De este modo, el motor se excita con lo que las palas vuelven a girar y la alarma queda desconectada. El eje de las palas puede ser flexible o rígido para adaptarse así a las diversas condiciones de trabajo dentro del silo (caída de producto, deslizamientos del producto, etc.). Estos aparatos son adecuados en tanques abiertos a baja presión, tienen una exactitud de unos ± 25 mm y se emplean preferentemente como detectores de nivel de materiales granulares y carbón. Pueden trabajar con materiales de muy diversa densidad y existen modelos a prueba de explosión.
- 17. Figura 1.14 Medidor de paletas rotativas y control de nivel de sólidos El detector de vibración consiste en una sonda de vibración en forma de horquilla que forma parte de un sistema resonante mecánico excitado piezoeléctricamente. Cuando el material entra en contacto con la sonda amortigua su vibración, lo que detecta el circuito electrónico actuando sobre un relé y una alarma al cabo de un tiempo de retardo ajustable. Algunos instrumentos disponen de un sistema autolimpiante que impide el bloqueo de la sonda por el producto. Es adecuado para una gran variedad de polvos, carbón, azúcar, grano, cemento y arena. La exactitud es del ± 1%. Figura 1.15 Detector de vibración. Detectores de nivel continuos El medidor de nivel de sondeo electromecánico, consiste en un pequeño peso móvil sostenido por un cable, desde la parte superior del silo, mediante poleas. Un motor y un programador situados en el exterior establecen un ciclo de trabajo del peso. Éste baja suavemente en el interior de la tolva hasta que choca contra el lecho de sólidos. En este instante, el cable se afloja y un detector adecuado invierte el sentido del
- 18. movimiento del peso con lo que éste asciende hasta la parte superior de la tolva, donde se para, repitiéndose el ciclo nuevamente. Un indicador exterior señala el punto donde el peso ha invertido su movimiento, indicando así el nivel en aquel momento. El instrumento se caracteriza por su sencillez, puede emplearse en el control de nivel, pero debe ser muy robusto mecánicamente para evitar una posible rotura del conjunto dentro de la tolva, lo que podría dar lugar a la posible rotura de los mecanismos de vaciado. La exactitud es del ± 1%. Figura 1.16 Sondeo electromecánico El medidor de nivel de báscula mide el nivel de sólidos indirectamente a través del peso del conjunto tolva más producto; como el peso de la tolva es conocido, es fácil determinar el peso del producto y, por lo tanto, el nivel. La tolva se apoya en una plataforma de carga actuando sobre la palanca de una báscula o bien carga sobre otros elementos de medida neumáticos, hidráulicos o eléctricos (galga extensiométrica y microprocesador).
- 19. Figura 1.17 Medidor de báscula y células de carga El medidor de nivel de ultrasonidos consiste en un emisor de ultrasonidos que envía un haz horizontal a un receptor colocado al otro lado del tanque. Si el nivel de sólidos está más bajo que el haz, el sistema entra en oscilación enclavando un relé. Cuando los sólidos interceptan el haz, el sistema deja de oscilar y el relé se desexcita actuando sobre una alarma o sobre la maquinaria de descarga del depósito. Disponiendo el haz de ultrasonidos en dirección vertical, el instrumento puede actuar como indicación continua del nivel, midiendo el tiempo de tránsito de un impulso ultrasónico entre la fuente emisora, la superficie del producto donde se refleja y el receptor situado en la propia fuente. Como la superficie de la mayor parte de los productos sólidos reflejan, en mayor o menor grado, los ultrasonidos, el sistema es adecuado para la mayor parte de los sólidos con mucho polvo, alta humedad, humos o vibraciones, y puede emplearse tanto en materiales opacos como transparentes. Sin embargo, si la superficie del material no es nítida, el sistema es susceptible de dar señales erróneas.
- 20. Figura 1.18 Medidor de nivel de ultrasonidos. El medidor de nivel de radiación es parecido al instrumento estudiado en la determinación del nivel de líquidos. Consiste en una fuente radiactiva de rayos gamma, dispuesta al exterior y en la parte inferior del tanque, que emite su radiación a través del lecho de sólidos, siendo captada por un detector exterior. El grado de radiación recibida depende del espesor de sólidos que se encuentra entre la fuente y el receptor. La fuente radiactiva y el receptor pueden disponerse también en un plano horizontal, en cuyo caso el aparato trabaja como detector discontinuo todo-nada. El instrumento puede trabajar a altas temperaturas hasta unos 1.300 °C, presiones máximas de 130 bar, en materiales peligrosos o corrosivos, no requiere ninguna abertura o conexión a través del tanque y admite control neumático o electrónico. Sin embargo, es un sistema de coste elevado que necesita una supervisión periódica desde el punto de vista de seguridad, debe calibrarse para cada tanque y no puede aplicarse a materiales a los que afecte la radiactividad. Su exactitud es del ± 1% y su campo de medida de 0,5 m por cada fuente, pudiendo emplearse varias para aumentar el intervalo de media del nivel.
- 21. Figura 1.19 Medidor de nivel radar. El medidor de nivel láser envía impulsos desde el sensor hasta el nivel de sólido y capta el impulso reflejado, calculando la distancia por la multiplicación entre la velocidad de la luz y la mitad del tiempo que ha tardado el haz entre el emisor y el receptor del pulso, después de reflejarse éste en la superficie del sólido. Tiene la ventaja de que no hay dispersión del haz de luz (solo 0,2°), no existen falsos ecos y el haz puede dirigirse hasta distancias de 75 m y a espacios tan pequeños como 25 cm2. Su exactitud es del ± 1%. Figura 1.20 Medidor de nivel láser.
- 22. Tabla 1 División Medidores de Nivel según el material sensado CONCLUSIONES La utilización de instrumentos electrónicos con microprocesador en la medida de otras variables, tales como la presión y la temperatura, permite añadir "inteligencia" en la medida del nivel. Segun el mterial Sensado Liquido Sensores de medicion directa medidor de sonda Medidor de nive de tubo de vidrio Con flotador Basados en Desplazamiento Constan de un flotador parcialmente sumergido en el lquido conectado mediante un brazo a un tubo de torsion que esta rigidamente al tanque NIvel tipo conductivo En funcion del numero de puntos de medida a un porceso donde exiten diversas tareas de medida Tipo capacitivo Formado por un electrodo sumergido en el liquido y otro repreentado por las pardes del tanque Ultrasonido Emplean la emision de un impulso ultrasonico a una superficie refelctante y el retorno de eco al receptorr. Radar Basada en la emisión continua de una onda electromagnéca Una parte de la energía enviada es refejada en la superficie del líquido y la capta el sensor Solido DE NIVEL FIJO -Paleta Rotativa Cuando el producto sólido llega hasta las paletas, las inmoviliza, -De vibracion Cuando el material entra en contacto con la sonda amortigua su vibración Para mantener el nivel de un solido entre un valor minimo y un maximo DE NIVEL CONTINUO -Medidor de peso Peso nivel Solido Peso de tolva Celulas de carga Galga Extensiometricas Se utilizan para registrar volumenes o masas en paquetes continuos
- 23. La selección adecuada de los medidores de nivel dependerá primeramente del tipo de material que vaya a ser censado. El principio fisico en el cual se basa los sensores mecanicos y los “primeros” medidores en censar el nivel tomaron la idea del empuje para controlar el nivel del material. El medidor de nivel capacitivo es parecido al estudiado en la medición de nivel de los líquidos, en los sólidos tienes la diferencia de que tiene más posibilidades de error por la mayor adherencia que puede presentar el sólido en la varilla capacitiva. Los sensores de nivel laser se usa 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. En los procesos industriales se hace menester contar con medidores de nivel de los sólidos o líquidos de operación, acordes a las características de operación y de la carga, a la disponibilidad económica y a la necesidad de respuestas rápidas de medición. Los medidores de sólidos han evolucionado satisfactoriamente para caracterizar prácticamente todos los tipos de sólidos de operación. Al igual que los líquidos, su diseño y selección debe estar ajustado a la disponibilidad económica y a las características del proceso y de la carga. En muchos casos se trabajan con niveles de presión y temperaturas muy elevados, en ese caso se hace necesario utilizar medidores más resistentes y apropiados como los de radiación o báscula BIBLIOGRAFIA https://prezi.com/ggbmlo3r5aty/medicion-de-nivel-sensores-y-principios/ https://es.omega.com/prodinfo/sondas-de-nivel-medicion.html https://www.youtube.com/watch?v=FNjj3qlxnA4 Instrumentacion Insustrial, 8va Edicion, Antonio Creus Sole