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Technical Documents - Documentos Técnicos: Instrumentación industrial. Sensores de nivel.

Medición de nivel

Estas páginas discuten la medición del nivel de líquidos y sólidos que fluyen libremente en contenedores. El detector normalmente detecta la interfaz entre un líquido y un gas, un sólido y un gas, un sólido y un líquido, o posiblemente la interfaz entre dos líquidos. Los niveles de líquido de detección se dividen en dos categorías; en primer lugar, detección de un solo punto y, en segundo lugar, monitoreo de nivel continuo. En el caso de la detección de un solo punto, el nivel real del material se detecta cuando alcanza un nivel predeterminado, de modo que se pueda tomar la acción apropiada para evitar el desbordamiento o para rellenar el recipiente.

La monitorización continua del nivel mide el nivel del líquido de forma ininterrumpida. En este caso, el nivel del material se controlará constantemente y, por lo tanto, el volumen se puede calcular si se conoce el área de la sección transversal del recipiente.

Las medidas de nivel pueden ser directas o indirectas; ejemplos de estos son el uso de una técnica de flotación o la medición de la presión y el cálculo del nivel de líquido. Los sólidos que fluyen libremente son polvos secos, cristales, arroz, cereales, etc.

Fórmulas de nivel

La presión se usa a menudo como un método indirecto para medir los niveles de líquido. La presión aumenta a medida que aumenta la profundidad en un fluido. La presión viene dada por

∆p = γ  ∆h

dónde

  • ∆p = cambio de presión
  • γ = peso específico
  • ∆h = profundidad

Tenga en cuenta que las unidades deben ser consistentes, es decir, libras y pies, o newton y metros. La flotabilidad es un método indirecto que se utiliza para medir los niveles de líquido. El nivel se determina utilizando la flotabilidad de un objeto parcialmente sumergido en un líquido. La flotabilidad B o fuerza hacia arriba sobre un cuerpo en un líquido se puede calcular a partir de la ecuación

B = γ  × área × d

donde área es el área de la sección transversal del objeto y d es la profundidad sumergida del objeto.

Luego, el nivel de líquido se calcula a partir del peso de un cuerpo en un líquido WL, que es igual a su peso en el aire (WA - B), del cual obtenemos

El peso de un contenedor se puede utilizar para calcular el nivel del material en el contenedor. En la figura 1a, el volumen V del material en el recipiente viene dado por

V = area × depth = π r2 × d

donde r es el radio del contenedor y d es la profundidad del material. El peso del material W en un recipiente viene dado por

W = γ V

Figura 1: Muestra la relación entre (a) el volumen de líquido y el área de la sección transversal y la profundidad del líquido y (b) el nivel del líquido, la capacitancia de la placa y una constante dieléctrica conocida en un líquido no conductor.

Las sondas capacitivas se pueden utilizar en líquidos no conductores y sólidos de flujo libre para la medición de nivel. Muchos materiales, cuando se colocan entre las placas de un capacitor, aumentan la capacitancia en un factor μ llamado constante dieléctrica del material. Por ejemplo, el aire tiene una constante dieléctrica de 1 y el agua 80. La Figura 1b muestra dos placas de condensadores parcialmente sumergidas en un líquido no conductor. La capacitancia (CD) viene dada por

(1)

dónde

  • Ca = capacitancia sin líquido
  • μ = constante dieléctrica del líquido entre las placas
  • r = altura de las placas
  • d = profundidad o nivel del líquido entre las placas

Las constantes dieléctricas de algunos líquidos comunes se dan en la Tabla 1;

Líquido Constante dieléctrica
Agua

80 @ 20°C

88 @ 0°C

Glicerol

42.5 @ 25°C

47.2 @ 0°C

Acetona

20.7 @ 25°C

Alcohol etílico (etilo)

24.7 @ 25°C
Gasolina 2.0 @ 20°C
Queroseno 1.8 @ 20°C

Tabla 1. Constante dieléctrica de algunos líquidos comunes

existen grandes variaciones en la constante dieléctrica con la temperatura, por lo que puede ser necesaria una corrección de temperatura. En la ecuación (1) el nivel de líquido está dado por

Tipos de instrumentos para medir nivel

Las demandas de sofisticados sistemas automatizados de procesamiento, la necesidad de control de procesos cada vez más especializada, y un entorno regulatorio cada vez más estricto lleva a los ingenieros de proceso a buscar sistemas de medición de nivel más precisos y fiables. La mejora en la precisión de la medición de nivel hace que sea posible reducir la variabilidad química-proceso, resultando en una mayor calidad del producto, coste reducido, y menos residuos. Las reglamentaciones, especialmente las que regulan los registros electrónicos, establecer requisitos estrictos para la precisión, fiabilidad y la notificación electrónica. Las tecnologías de medición más reciente de nivel ayudan a cumplir estos requisitos.

La medición del nivel puede definirse como la determinación de la posición de una interfase que existe entre dos medios separados por la gravedad, con respecto a una línea de referencia. Tal interfase puede existir entre un líquido y un gas, entre dos líquidos, entre un sólido granulado o sólido fluidizado y un gas, o entre un líquido y su vapor. Existen muchas situaciones en la industria petrolera donde estas interfases deben ser establecidas dentro de límites específicos, por razones de control del proceso o de la calidad del producto. Hay una gran variedad de técnicas por medio de las cuales se puede medir el nivel de líquidos o sólidos en equipos de procesos. La selección de la instrumentación adecuada depende de la naturaleza del proceso; del grado de exactitud y control requeridos y del aspecto económico. Es muy importante que el usuario conozca los diferentes medidores disponibles, para que así pueda hacer una selección apropiada. A continuación se describen los principales métodos e instrumentos utilizados en la medición de nivel.

El dispositivo de medición de nivel industrial más simple y más antiguo es, por supuesto, la mirilla de vidrio. Siendo una aproximación manual para la medición, las mirillas siempre han tenido una serie de limitaciones. El material utilizado para su transparencia puede sufrir daños catastróficos, con el consiguiente riesgo ambiental, condiciones peligrosas para el personal, y / o incendio y explosión. Los sellos son propensos a tener fugas, y la acumulación de materia, si está presente, oscurece el nivel visible. Se puede afirmar sin reservas que las mirillas o visores convencionales son el eslabón más débil de cualquier instalación. Por tanto, están siendo rápidamente reemplazadas por tecnologías más avanzadas.

Otros dispositivos de detección de nivel incluyen aquellos basados ​​en el peso específico, la propiedad física más utilizada para detectar la superficie de nivel. Un flotador sencillo que tenga una gravedad específica entre la del fluido de proceso y el vapor del espacio superior flotará en la superficie, siguiendo con precisión sus elevaciones y descensos. Las mediciones de altura hidrostática también han sido ampliamente utilizadas para detectar el nivel.

Cuando principios físicos más complejos están involucrados, las tecnologías emergentes a menudo usan las computadoras para realizar los cálculos. Esto requiere el envío de datos en un formato legible por la máquina desde el sensor hasta el sistema de control o de vigilancia. Formatos útiles de señal de salida del transductor hacia la automatización informática son los lazos de corriente, tensiones analógicas y señales digitales. Los voltajes analógicos son fáciles de configurar y manejar, pero pueden tener problemas de ruido e interferencias graves. Los lazos de corriente de 4-20 mA (donde la corriente del lazo varía con la medición de nivel) son el mecanismo de salida más común hoy en día. Los lazos actuales pueden transportar señales a distancias más largas con menos degradación. Las señales digitales codificadas en cualquiera de una serie de protocolos (por ejemplo, Foundation Fieldbus , Hart , Honeywell DE, Profibus y RS- 232 ) son las más robustas, pero las tecnologías más antiguas, como RS- 232 pueden manejar sólo distancias limitadas . Se pueden encontrar nuevas capacidades inalámbricas en las señales de los últimos transmisores, permitiéndoles que se envíen a través de enormes distancias, prácticamente sin degradación.

En cuanto a las tecnologías más avanzadas de medición (por ejemplo, ultrasonidos, radar y láser), los formatos de codificación digitales más sofisticados requieren inteligencia de computadora digital para dar formato a los códigos. La combinación de este requisito con la necesidad de capacidades avanzadas de comunicación y los sistemas de calibración digitales explica la tendencia hacia la incorporación de las computadoras basadas en microprocesadores en prácticamente todos los productos de medición de nivel .

Tecnologías de detección de nivel

A lo largo de este artículo vamos a suponer que la densidad del vapor en el espacio de cabeza (típicamente aire) será insignificante en comparación con la del fluido de proceso. Vamos a suponer también que sólo hay un fluido de proceso uniforme en el tanque. Algunas de estas tecnologías pueden ser utilizadas para aplicaciones de multinivel donde dos o más líquidos inmiscibles comparten un recipiente.

Al igual que otras variables de proceso, el nivel puede ser medido por métodos directos o métodos indirectos. Los métodos e instrumentos utilizados para medición de nivel pueden clasificarse de la siguiente manera:

  • Métodos visuales.
  • Instrumentos actuados por flotadores.
  • Desplazadores.
  • Instrumentos de nivel de tipo hidrostáticos.
  • Métodos electrónicos.
  • Métodos térmicos.
  • Métodos sónicos.
  • Instrumentos fotoeléctricos.
  • Instrumentos radioactivos.

La referencia plantea que los instrumentos de medición directa se dividen en:

  • Sonda
  • Cinta y plomada
  • Nivel de cristal
  • Instrumentos de flotador

Mientras que los instrumentos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática se dividen en:

Medidor manométrico Medidor de tipo burbujeo
Medidor de membrana Medidor de presión diferencial de diafragma

La citada referencia clasifica también a los instrumentos de medición de nivel según las características eléctricas del fluido en:

Medidor resistivo Medidor capacitivo Medidor de radiación
Medidor conductivo Medidor ultrasónico Medidor de láser

En las tablas 1 y 2 se presentan cuadros comparativos que sirven como una guía para la selección de medidores de nivel.

Tabla 1 Medidores de nivel de líquidos

Tabla 2 Características de los medidores de nivel de sólidos

 

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