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Métodos visuales para medición de nivel

Los métodos visuales para medición de nivel son las más antiguas y simples. No tienen partes móviles, por lo tanto no están sujetas a fallas mecánicas. Entre estos tipos de medidores se pueden mencionar: los tubos de vidrio y las cintas graduadas.

a. Tubos de vidrio

La mirilla o visor de vidrio (de extremo abierto / diferencial) es el método más simple para la lectura visual directa. Como se muestra en la Fig. 1, la mirilla normalmente se monta verticalmente junto al contenedor. El nivel de líquido se puede observar directamente en la mirilla. El recipiente de la figura 1(a) está cerrado. En este caso, los extremos del vidrio están conectados a la parte superior e inferior del tanque, como se usaría con un recipiente presurizado (caldera) o un recipiente con líquidos volátiles, inflamables, peligrosos o puros. En los casos en que el tanque contenga líquidos inertes como agua y no se requiera presurización, el tanque y la mirilla pueden abrirse a la atmósfera como se muestra en la figura 1(b). La parte superior de la mirilla debe tener las mismas condiciones de presión que la parte superior del líquido o los niveles de líquido en el tanque y la mirilla serán diferentes. En los casos en que la mirilla sea excesivamente larga, se puede utilizar en la mirilla un segundo líquido inerte con mayor densidad que el líquido del recipiente (ver Fig. 1(c)). Se debe tener en cuenta la diferencia en la densidad de los líquidos. Si el vidrio se tiñe o reacciona con el líquido en contenedor, se puede tomar el valor en forma aproximada o se puede usar un material diferente para el visor. Los flotadores magnéticos también se pueden usar en la mirilla para que el nivel de líquido se pueda monitorear con un sensor magnético como un dispositivo de efecto Hall.

Figura 1 - Varias configuraciones de una mirilla para observar los niveles de líquido (a) recipiente presurizado o cerrado, (b) recipiente abierto, y (c) líquido de mirilla de mayor densidad.

Los medidores o tubos de vidrio pueden ser considerados como manómetros en los cuales el nivel alcanza la misma posición que el nivel dentro del envase. La simplicidad de este instrumento lo hace popular en aquellas aplicaciones donde se requiere una indicación local del nivel. Existen dos tipos de medidores: el tubo transparente y el de reflexión. El transparente se utiliza en servicios donde el material dentro del recipiente tiene color o es viscoso, para detección de interfase o cuando el fluido es corrosivo. En la figura siguiente se muestra un medidor de este tipo:

Figura - Tubo de vidrio transparente para indicación de nivel

El tubo tipo reflexión utiliza el fenómeno óptico de la refracción de la luz, que cambia la reflexión en el ángulo crítico de los rayos incidentes, figura siguiente. Cuando el tubo de reflexión está vacío, la luz incidente es reflejada desde las superficies prismáticas, haciendo que el vidrio tenga una apariencia plateada; a medida que el líquido sube en el vidrio, el ángulo crítico cambia debido a que el índice de refracción del líquido que sube, es diferente a la de los vapores encima de él. La luz visible es refractada en el fluido, haciendo que el vidrio se vea oscuro en la zona cubierta por el líquido. De esta manera, un tubo de reflexión que contiene líquido muestra una clara demarcación entre el área oscura del líquido y el área plateada del vapor encima del líquido.

Figura - . Fenómeno de refracción y reflexión y tubo de vidrio tipo reflexión

La figura anterior muestra un tubo de vidrio tipo reflexión. Estos medidores vienen en longitudes estándares. La máxima longitud está limitada a 1,8 m. (6 pies). Los tubos de vidrio tipo reflexión se utilizan principalmente para líquidos incoloros y no viscosos.

b. Cintas graduadas

Este método para medición de nivel consiste en una cinta graduada con una pesa que tiene una gravedad específica mayor que la del fluido que está siendo medido. La cinta se hace descender en el tanque que contiene el fluido y la superficie mojada de la cinta provee una indicación del nivel del líquido. Su aplicación está limitada a tanques abiertos a la atmósfera.

Flotantes.

Los flotantes o flotadores funcionan basándose en el sencillo principio de colocar un objeto flotador con un peso específico intermedio entre el del fluido de proceso y el del vapor en el espacio de cabeza en el tanque, luego de conectar un dispositivo mecánico para leer su posición. El flotante se hunde en la parte inferior del espacio de cabeza de vapor y flota en la parte superior del fluido de proceso. Si bien el propio flotador es una solución básica para el problema de la localización de la superficie de un líquido, la lectura de la posición de un flotante (es decir, hacer una medición de nivel real) es todavía problemática. Los sistemas de flotación iniciales utilizaron componentes mecánicos como cables, cintas, poleas y engranajes para comunicar nivel. Los flotantes equipados con un imán son muy populares hoy en día.

Los flotadores (de brazo angular o polea) se muestran en la Fig. 4. La figura muestra dos tipos de sensores de flotador simples. El material flotante es menos denso que la densidad del líquido y hace que flote hacia arriba y hacia abajo sobre el material que se mide. En la figura 4(a) se utiliza un flotador con polea. Este método se puede utilizar con líquidos o sólidos que fluyen libremente.  En el caso de los sólidos, a veces se usa agitación para nivelar los mismos. Una ventaja del sensor de flotador es que es casi independiente de la densidad del líquido o sólido que se monitorea. Si la superficie del material que se está monitoreando es turbulenta, lo que hace que la lectura del flotador varíe excesivamente, se pueden usar algunos medios de amortiguación en el sistema. En la figura 4(b), un flotador de bola está unido a un brazo; el ángulo del brazo se mide para indicar el nivel del material (un ejemplo del uso de este tipo de sensor es el monitoreo del nivel de combustible en el tanque de un automóvil). Aunque es muy simple y económico de fabricar, la desventaja de este tipo de flotador es su no linealidad, como se muestra en la escala de la línea de visión en la figura 5(a). La escala se puede reemplazar con un potenciómetro para obtener una señal eléctrica que se pueda linealizar para uso industrial.

La figura 5(b) muestra un método alternativo usando poleas para obtener una escala visual directa que pueda ser reemplazada por un potenciómetro para obtener una salida de señal eléctrica lineal con la medición del nivel.

Figura 4 : Métodos para medir los niveles de un líquido usando (a) un flotador simple con indicador de nivel en el exterior del tanque y (b) un flotador de brazo angular.

Figura 5 : Escalas utilizadas con sensores de nivel de flotador (a) escala no lineal con flotador de brazo angular y (b) escala lineal con un flotador tipo polea.

Los primeros transmisores de nivel a flotante proporcionaban una medición de nivel discreta o analógica  simulada usando una red de resistencias y múltiples interruptores de láminas (reed switch), lo que significaban  cambios en pasos discretos de salida del transmisor. A diferencia de los dispositivos de nivel de medición continua, aquellos no pueden discriminar los valores de nivel entre los pasos.

Los instrumentos de medición de nivel constituidos por flotadores, operan por el movimiento del flotador. El principio básico de flotación establece que “un cuerpo (flotador), sumergido en un líquido es empujado hacia arriba por una fuerza que es igual al peso del líquido desplazado”, la ecuación utilizada para determinar la fuerza de flotación disponible es:

El flotante se mueve hacia arriba y hacia abajo con los cambios en el nivel del líquido. Este movimiento del flotador puede ser transformado por diversos medios en una acción de indicación, registro o control. Generalmente son utilizados para medir interfases líquido-gas y líquido-líquido.

Comercialmente existe una gran variedad de estos instrumentos utilizados en aplicaciones de nivel de líquido. Los más comunes son los flotadores horizontales y los flotadores verticales. El diseño mostrado en la figura siguiente permite que el movimiento del flotador pueda ser usado para operar un interruptor (switch) neumático o eléctrico.

Figura - Instrumento de medición de nivel de tipo flotador

Figura - Interruptor magnético activado por flotador

Fig. - Sensor flotante de nivel de líquido

 

Fig. - Sensor flotante de nivel de líquido

. Sensores de nivel - Level Sensors

Los ejemplos anteriores utilizan un mecanismo de multiplicación de la fuerza (palanca), de esta manera, un flotador pequeño puede ser utilizado en aplicaciones de baja gravedad específica. Cambiando o ajustando la longitud de la palanca, se regula el rango de medición.

La figura anterior muestra un instrumento constituido por un flotador y una cinta que acciona un indicador y un contador. Un motor mantiene una tensión constante sobre la cinta. Este mecanismo puede ser equipado con interruptores por alto y bajo nivel para activar alarmas, reguladores (relés), válvulas, solenoides y otros equipos.

Existen otros sistemas como el mostrado en la figura en el cual se hace uso de fuerzas magnéticas para detectar la posición del flotador.

Como se muestra en la figura anterior un flotador posiciona un pistón magnético conectado al brazo del flotador. Fuera de la cámara donde se mueve el flotador existe un imán permanente conectado a un brazo pivote montado con un interruptor. El movimiento del flotador hace que el pistón magnético pueda abrir y cerrar el interruptor, ya que este se mueve por la acción del pistón magnético sobre el imán. Este tipo de instrumento se utiliza en aplicaciones del nivel límite de líquidos, para producir señales de alarma, o control del tipo ON-OFF.

Estos flotadores de movimiento vertical, prácticamente se mueven la misma distancia que se mueve el nivel del líquido. Debido a esto normalmente se emplean en aplicaciones de alarmas por alto o bajo nivel.

El montaje de este tipo de sensor puede hacerse directamente sobre el recipiente o utilizando una jaula o cámara, en el cual se encuentra el flotador, y que puede ser conectada al recipiente por medio de bridas. La figura siguiente muestra diferentes esquemas de conexión.

Los interruptores de nivel activados por flotadores son los dispositivos electromecánicos más ampliamente utilizados en la detección de nivel de líquido. El mantenimiento de estos equipos es sencillo, son altamente confiables y utilizan una propiedad del líquido que generalmente es constante en la mayoría de las aplicaciones.

Ventajas y desventajas: la aplicación de flotadores para medición y control de nivel del líquido presenta algunas ventajas y desventajas, mencionadas a continuación:

Ventajas:

  • Fácil instalación.
  • Método de medición probado y confiable.
  • No requiere calibración.
  • Adecuado para aplicaciones en altas temperaturas, hasta 530 °C.
  • Adecuado para aplicaciones de altas presiones, hasta 5.000 psig.
  • Turbulencia y espuma en la superficie del líquido no afectan de manera significativa la medición.

Desventajas:

  • El encostramiento o depósitos de materiales sobre el flotador pueden impedir la operación de algunos flotadores.
  • La exactitud normalmente esta limitada a 1¼”.
  • No son adecuados para aplicaciones de líquidos viscosos.
  • Las partes móviles están sujetas a desgastes requiriendo mantenimiento frecuente.

 

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