Sensores de Nivel
Sensores de Nivel
NIVEL
MEDIDOR DE NIVEL DE ULTRASONIDOS
Definición y descripción:
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. 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.
Funciona para tanques tanto abiertos como cerrados, cualquier líquido, inflamable y no inflamable, y sin espuma.
Formas y materiales de fabricación:
En conjunto, el sensor está compuesto por PVDF, aluminio cubierto con poliuretano, goma de silicona, acero inoxibable 316 y EPDM.
Fundamentos teóricos de operación:
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.
El sensor emisor dispone de un oscilador excitador para enviar un impulso ultrasónico a la superficie del fluido y el sensor receptor recibe esta señal reflejada, enviando una señal función del tiempo transcurrido y, por lo tanto, del nivel a un transmisor electrónico analógico dotado de protocolo HART para la obtención de una señal digital.
El nivel del tanque viene expresado por:
Características: ventajas y desventajas.
La exactitud de estos instrumentos es de unos ± 5 mm o bien del ± 0,25% al ± 1%.
La medida del nivel puede ser afectada por varios factores:
• La velocidad del sonido en el líquido que varía con la temperatura, de modo que un ambiente que pase de 0 °C a 70 °C da lugar a un error del 12% en la medida del nivel. Este efecto puede compensarse mediante un sensor de temperatura.
• La presencia de espuma en la superficie del líquido que absorbe el sonido.
• La turbulencia extrema en el seno del líquido y el movimiento de la superficie del líquido (olas, etc.), que puede compensarse con un circuito amortiguador o temporizador en el instrumento.
• El material y el estado de las paredes del tanque (paredes gruesas, corrosión, etc.), la curvatura
del tanque y las obstrucciones.
• Las burbujas de gas o vapor existentes y los sedimentos en el fondo.
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 nivel del líquido no es nítida, como es el caso de un líquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos.
Función de transferencia: Entrada vs Salida.
Ejemplos de aplicación:
Es útil para determinar si en un tanque o una tubería hay o no líquido, ya que el tipo de eco es distinto.
El sistema 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.
MEDIDOR DE NIVEL DE RADAR O MICROONDAS
Definición y descripción:
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.
Funciona es tanques cerrados, con espuma y en cualquier líquido, inflamable o no imflamable.
Una técnica empleada es utilizar una onda continúa modulada en alta frecuencia (por encima de los 10 GHz), de modo que se detecta la diferencia de frecuencia entre la señal emitida y el eco recibido. La técnica recibe el nombre de FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave – Onda continúa modulada en frecuencia). La diferencia de frecuencias es proporcional al tiempo empleado por estas señales de transmisión y retorno, es decir, al nivel. Y así:
Formas y materiales de fabricación:
Los diversos materiales de los que está compuesto los elementos, pero son principalmente de acero inoxidable; astelloy, monel, titanio y tantalio son para la antena.
Fundamentos teóricos de operación:
El nivel del líquido (o sólido) se mide mediante señales de radar transmitidas desde la antena en la parte superior del tanque. Una vez que la señal de radar se refleja en la superficie líquida, el eco es captado por la antena. Dado que la señal varía en frecuencia, el eco tiene una frecuencia ligeramente diferente a la de la señal transmitida en ese momento. La diferencia de frecuencia es proporcional a la distancia al líquido, y se puede calcular con precisión.
Características: ventajas y desventajas:
Se evitan los efectos de la espuma, las turbulencias y las obstrucciones del tanque y se consigue un rendimiento 20 veces mayor. Repetibilidad + 1 mm, Exactitud para tanques en general + 5 mm, exactitud para tanques de entrega de productos a facturar + 1 mm.
El sistema no es influido por la composición del gas o vapor que se encuentra sobre el líquido, ni por la temperatura, ni por la presión, puede trabajar en vacío sin ninguna recalibración y no es afectado por la mayor parte de capas de espuma.
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.
Función de transferencia: Entrada vs salida.
Ejemplos de aplicación:
Mide el nivel de líquidos, pastas y un gran número de sólidos. El medidor funciona con una amplia gama de temperaturas, presiones, mezclas de vapor y gases y diferentes condiciones de proceso.
Entre sus aplicaciones se encuentran:
• Tanques de almacenamiento en refinerías y terminales de tanques.
• Almacenamiento de GLP.
• Plantas de energía.
• Industrias química y petroquímica.
• Industria farmacéutica.
• Alimentos y bebidas.
• Tratamiento de aguas limpias y residuales.
• Generación de energía hidroeléctrica y embalses.
• Cemento, polvo, virutas de madera y otras aplicaciones de materiales sólidos.
EL MEDIDOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL
Definición y descripción:
En la medida de densidad por presión diferencial se fijan dos puntos, en el tanque o en una tubería vertical, del proceso y se les conecta un instrumento de presión diferencial, bien directamente o bien a través de una cámara de medida. Como la diferencia de alturas es fija en el líquido, la única variable que altera la presión diferencial es la densidad, siempre que no varíe la temperatura.
Funciona para tanques abiertos como cerrados, así como sustancias inflamables y no inflamables, y sin espuma.
Formas y materiales de fabricación:
El sensor este compuesto de acero inoxidable, alloy C-276, alloy 400, tántalo, y acero inoxidable y alloy 400, ambos con chapado de oro.
Fundamentos teóricos de operación:
La presión diferencial medida por el instrumento es:
Si el campo de medida de densidad del líquido es de 0,8 a 0,9 y el instrumento a emplear tiene un margen de 0 a 100 mm c. de a., la distancia entre las tomas será:
Como la lectura de densidad debe empezar en 0,8, el instrumento debe tener una elevación de:
100 × 0,8 = 80 mm c.d.a. = 0,00784 bar
Ya que la presión diferencial mínima es:
1 m × 0,8 = 800 mm c.d.a. = 0,0784 bar
Y la presión diferencial máxima es de:
1 m × 0,9 = 900 mm c.d.a. = 0,0882 bar
Características: ventajas y desventajas
En el caso de fluidos no demasiado limpios, muy viscosos o corrosivos, existe el riesgo de que las conexiones al instrumento se obturen o se destruyan. En este caso puede emplearse el sistema de purga de aire o de gas, e incluso de líquido, a través de dos tuberías colocadas en el seno del líquido y cuyos extremos están separados una distancia fija.
Estos instrumentos de presión diferencial tienen una exactitud del ± 0,5% al ± 1% y pueden trabajar con presiones y temperaturas de 300 bar y 170 °C, respectivamente.
Función de transferencia: Entrada vs Salida
Ejemplos de aplicación:
Vapor: saturado o sobrecalentado
Gases: secos o húmedos
Líquidos volátiles
Líquidos no conductivos
Hidrocarburos
Agua desionizada
MEDIDOR DE NIVEL DE RADIACIÓN
Definición y descripción:
Consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geiger que transforma la radiación gamma recibida en una señal eléctrica de corriente continua.
Otro tipo de detector consiste en un haz de fibras ópticas que transmiten los fotones luminosos, creados en la estructura cristalina (dotada de materiales dopantes) cuando reciben la radiación gamma, a un tubo fotomultiplicador.
Como la transmisión de los rayos es inversamente proporcional a la masa del líquido en el tanque, la radiación captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del líquido, ya que el material absorbe parte de la energía emitida.
Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos X, pero de longitud de onda más corta.
Funciona en tanques cerrados, funciona con cualquier sustancia, ya sea inflamable o no inflamable, y puede medir con espuma.
Formas y materiales de fabricación:
Debe de estar constituido por materiales que no permita la expulsión de radiación o la minimice ya que son letales a los seres vivos.
Fundamentos teóricos de operación:
Los detectores son, en general, tubos Geiger o detectores de cámara iónica y utilizan amplificadores de c.c. o de c.a. El instrumento dispone de compensación de temperatura, de linealización de la señal de salida y de reajuste de la pérdida de actividad de la fuente de radiación, extremo este último a tener en cuenta para conservar la misma exactitud de la puesta en marcha.
Características: ventajas y desventajas
Como desventajas en su aplicación figuran el blindaje de la fuente y el cumplimiento de las leyes sobre protección de radiación.
Los microprocesadores han aportado una mayor sensibilidad a este tipo de medida de nivel, permitiendo una mayor duración de aprovechamiento de la fuente y una mayor seguridad para el personal, ya que puede utilizarse la fuente con menores niveles de radiación.
El diseño, instalación y mantenimiento de estos medidores debe ajustarse a la normativa, debiendo tener:
• Certificado de aprobación de diseño de prototipo.
• Certificado de control de calidad.
• Certificado de actividad y hermeticidad.
• Señalización exterior en los equipos (norma UNE 23077) y grabado de forma indeleble de la firma comercializadora, la naturaleza y actividad de las fuentes, el fabricante, el modelo, el número de serie, la fecha de fabricación y el contenido radiactivo. Y en el exterior de las fuentes radiactivas, el número de identificación, el símbolo químico y el número másico del radionúclido, como mínimo.
Previamente a su instalación, debe ser tramitada la documentación adecuada para obtener la autorización del Consejo de Seguridad Nuclear.
Hay que señalar que el sistema es caro y que la instalación no debe ofrecer peligro alguno de contaminación radiactiva, siendo necesario señalar debidamente las áreas donde están instalados los instrumentos y realizar inspecciones periódicas de seguridad.
Función de transferencia: Entrada vs Salida
Ejemplos de aplicación:
Redes agrícolas.
MEDIDOR DE NIVEL LÁSER
Definición y descripción:
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.
Funciona con tanques cerrados, con cualquier sustancia, ya sea inflamable o no inflamable, y con espuma.
Formas y materiales de fabricación:
Está constituido por un conjunto de lentes, espejos y una fuente de luz láser.
Fundamentos teóricos de operación:
La señal puede ser por impulsos o por onda continúa 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:
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.
Características: ventajas y desventajas
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.
La energía del rayo láser está limitada para que no sea necesario llevar gafas de seguridad. Es un instrumento relativamente caro, pero es más económico que el de radiación.
Ejemplos de aplicación:
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.
DETECTOR DE NIVEL VIBRATORIO
Definición y descripción:
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.
Funciona con sustancias inflamables y no inflamables, y con o sin espuma, tanque abierto o cerrado.
Formas y materiales de fabricación:
La carcasa está hecha de aluminio mientras que la horquilla está hecha de acero inoxidable o aleación C (UNS N10002), aleación C-276 (UNS N10276), sólido.
Fundamentos teóricos de operación:
Un cristal piezoeléctrico hace oscilar las horquillas a su frecuencia natural. Los cambios en esta frecuencia se supervisan continuamente. La frecuencia del sensor de diapasón cambia en función del medio en que se encuentra sumergido. Cuanto más denso sea el líquido, menor será la frecuencia.
Características: ventajas y desventajas
• Prácticamente no se ve afectado por turbulencias, espuma, vibración, contenido de sólidos, revestimientos o propiedades del líquido.
• La temperatura de rango medio del 2160 está diseñada para funcionar en temperaturas de -40 a 150 ºC (-40 a 302 ºF).
• La temperatura extrema del 2160 está diseñada para funcionar en temperaturas de -70 a 260 ºC (-94 a 500 ºF). Cuenta con un tubo térmico de acero inoxidable para alejar la electrónica del proceso.
• El cambio con retardo ajustable por software evita los falsos cambios en aplicaciones turbulentas o con salpicaduras.
• El diseño tipo ’goteo rápido’ de la horquilla proporciona una respuesta más rápida, especialmente, en líquidos viscosos.
• Poco tiempo de húmedo a seco para conmutación de alta respuesta.
• La forma de la horquilla está optimizada para realizar el pulido a mano para cumplir con los requisitos higiénicos.
• No tiene piezas móviles ni grietas ya que no necesita mantenimiento.
Función de transferencia: Entrada vs Salida
Ejemplos de aplicación:
• Protección contra sobrellenado
• Alarmas de alto y bajo nivel
• Control de bomba o detección de límites
• Protección contra funcionamiento en seco de la bomba
• Aplicaciones higiénicas
• Aplicaciones de alta temperatura
BIBLIOGRAFIA:
Creus, Antonio. Instrumentación industrial. Octava Edición. Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México.
Pérez, M. & Álvarez, J. & Campo, J. & Ferrero, F. & Grillo, G. Instrumentación Electrónica. Editorial Thomson.