Technical Documents - Documentos Técnicos: Instrumentación industrial. Sensores de nivel de tipo ultrasónico, fotoeléctrico, radiactivo y por microondas.
Los métodos electrónicos industriales para medir el nivel en recipientes se basan en varios principios fundamentales, como la capacitancia, la conductividad y la resistencia. Estos principios son aplicables tanto para medir el nivel de líquidos como de sólidos en diferentes contextos industriales.
El principio de medición basado en la capacitancia se utiliza cuando se desea medir el nivel de líquidos. Consiste en colocar una sonda o electrodo en el recipiente que actúa como una de las placas de un condensador. El nivel del líquido afecta la capacitancia del sistema, lo que se traduce en una señal eléctrica proporcional al nivel. Esta señal puede ser procesada y convertida en una indicación numérica o utilizada para controlar otros dispositivos.
Por otro lado, el principio de medición basado en la conductividad se emplea en casos donde el medio es un líquido conductivo. Se utilizan dos electrodos, uno de los cuales es un electrodo de nivel y el otro es un electrodo de referencia. La conductividad entre los electrodos varía con el nivel del líquido, lo que permite determinar el nivel de forma precisa.
En el caso de medir el nivel de sólidos, se utiliza el principio de medición basado en la resistencia. Se emplean sondas o varillas que se sumergen en el sólido y la resistencia eléctrica entre estas sondas varía en función del nivel de sólido presente. Esta variación de resistencia se puede medir y utilizar para obtener una indicación del nivel.
La elección del principio de medición adecuado depende del tipo de medio a medir, las condiciones de operación, la geometría del recipiente y los requisitos de funcionamiento, ya sea para controlar, generar alarmas o simplemente indicar el nivel. Cada principio tiene sus ventajas y consideraciones específicas, por lo que es importante seleccionar el método más adecuado para cada aplicación industrial.
a. Sensores de nivel de tipo capacitivo
La base de este método de medición radica en las características físicas de un condensador. La
capacitancia de un condensador depende de la separación entre los electrodos o placas "d"; de su
superficie "A" y de la constante dieléctrica del material entre las placas "E".
Un sensor de nivel tipo capacitivo es ampliamente utilizado para medir el nivel de líquidos y sólidos en diversos tanques y recipientes. Este tipo de sensor se basa en el principio de la capacitancia, donde se mide el cambio en la capacitancia causado por la variación del nivel del medio dentro del recipiente.
El sensor de nivel capacitivo consta de una sonda o probeta de capacitancia que se introduce en el tanque o recipiente. Esta sonda actúa como un electrodo primario y está diseñada para tener una alta sensibilidad a los cambios en la capacitancia. La capacitancia se forma entre la probeta de capacitancia y la pared del tanque, que actúa como la segunda placa del capacitor.
Cuando el nivel del líquido o sólido en el tanque varía, la capacitancia entre la probeta y la pared del tanque también cambia. Esto se debe a que la constante dieléctrica del medio entre las placas del capacitor varía con el nivel. Al medir la capacitancia, es posible determinar el nivel del líquido o sólido de manera precisa.
El circuito electrónico conectado a la probeta de capacitancia puede tomar diferentes formas dependiendo de la aplicación. Puede ser un interruptor de nivel que proporciona una señal ON-OFF para controlar el llenado o vaciado del tanque en un umbral específico. También puede ser un transmisor de nivel que proporciona una señal de salida continua proporcional al nivel del medio en el recipiente. Esta señal se puede utilizar para monitorear y controlar el nivel de manera precisa.
Es importante destacar que el sensor de nivel tipo capacitivo es adecuado para medir la mayoría de los líquidos y sólidos, siempre y cuando sean lo suficientemente conductivos o tengan una constante dieléctrica detectable. Sin embargo, en el caso de líquidos no conductores, es necesario utilizar una configuración especial donde se utilice un material dieléctrico adicional para formar el capacitor y medir la capacitancia correctamente.
En resumen, los sensores de nivel capacitivos son una opción versátil y precisa para medir el nivel de líquidos y sólidos en diferentes aplicaciones industriales. Permiten una detección confiable y ofrecen opciones de control y medición continua para adaptarse a las necesidades específicas de cada proceso.
El líquido cuyo nivel se quiere medir actúa como el dieléctrico. El dieléctrico es el material aislante que se encuentra entre las placas del capacitor y afecta la capacitancia del sistema.
Cuando la sonda o probeta de capacitancia se sumerge en el líquido, este actúa como el dieléctrico del capacitor. El dieléctrico, en este caso, es el medio líquido que se encuentra entre la probeta y la pared del tanque, que actúa como la segunda placa del capacitor. El líquido, al tener una constante dieléctrica específica, influye en la capacitancia del sistema.
A medida que el nivel del líquido cambia, el dieléctrico (el líquido) también varía en su cantidad o espesor entre las placas del capacitor. Esta variación afecta la capacitancia, ya que la constante dieléctrica del líquido es diferente de la constante dieléctrica del aire o del material aislante utilizado en la probeta.
Al medir la capacitancia entre la probeta y la pared del tanque, se puede determinar el nivel del líquido en función de la variación de la capacitancia. Esta medición se realiza mediante un circuito electrónico que interpreta los cambios en la capacitancia y proporciona una señal de salida correspondiente al nivel del líquido.
En resumen, en un sensor de nivel capacitivo, el líquido que se desea medir actúa como el dieléctrico en el sistema de capacitancia. Su presencia y características dieléctricas influyen directamente en la capacitancia y permiten la detección y medición precisa del nivel del líquido.
A medida que el líquido sube entre el
espacio de las dos placas, se produce una variación en la capacitancia la cual se monitorea y se
utiliza para dar una señal proporcional al nivel. En esta aplicación de líquidos no conductores la
probeta de capacitancia debe estar aislada eléctricamente del tanque.
Si el líquido es conductor, la probeta de capacitancia o electrodo primario se aísla eléctricamente
del tanque y del líquido, generalmente se utiliza una cubierta de teflón sobre el electrodo. En este
caso, el líquido actúa como la segunda placa del capacitor y el aislante sobre el electrodo primario
actúa como el dieléctrico.
Los problemas más comunes que se presentan con este tipo de medidores son: instalación
incorrecta, encostramiento de la probeta, pérdida del aislante y falsa señal causada por espuma.
La figura siguiente muestra los componentes y algunas aplicaciones de los sensores de nivel capacitivo.
Figura - Componentes de un sensor capacitivo
Ventajas y desventajas: las ventajas y desventajas más importantes en la aplicación de sensores
de nivel Capacitivos son:
Ventajas:
Requieren mínimo mantenimiento.
Pueden ser utilizados para medición continua o puntual.
Valor deseado o Set Point ajustable.
Compatible con gran cantidad de líquidos, polvos, sólidos, lodos; materiales conductivos y
no conductivos.
Resistente a la corrosión con la probeta adecuada.
Se ajustan a cualquier tipo de recipiente.
Desventajas:
Cambios en la constante dieléctrica del material, causan errores en la señal.
Normalmente requieren calibración en campo.
Depósito de materiales altamente conductores sobre la probeta, pueden afectar la exactitud y la repetibilidad.
b. Sensores de nivel de tipo conductivo
Los sensores de nivel de tipo conductivo son ampliamente utilizados en aplicaciones industriales para detectar y señalar niveles de líquidos altamente conductores, como materiales a base de agua. Estos sensores funcionan mediante la detección de la conductividad eléctrica del líquido.
El principio de funcionamiento de los sensores de nivel conductivos se basa en la presencia de dos o más electrodos conductores sumergidos en el líquido. Cuando el nivel del líquido alcanza uno de los electrodos, se establece un circuito eléctrico a través del líquido conductivo. Esto provoca una variación en la conductancia eléctrica, lo que se utiliza para determinar la presencia o ausencia de líquido en un determinado nivel.
El sensor de nivel conductivo puede tener configuraciones diferentes, como un electrodo de punto único o múltiples electrodos. En el caso de un electrodo de punto único, se utiliza un solo electrodo de detección para indicar un nivel específico de líquido. Por otro lado, los sensores de nivel con múltiples electrodos permiten la detección de múltiples niveles de líquido.
Cuando el líquido hace contacto con los electrodos, se establece una conexión eléctrica y se genera una señal de salida. Esta señal puede ser utilizada para activar una alarma, controlar un proceso o enviar una señal a un sistema de monitoreo.
Es importante destacar que los sensores de nivel conductivos tienen una aplicación limitada a líquidos altamente conductores, como el agua y otros materiales con alta conductividad eléctrica. Para líquidos con baja conductividad, como aceites o solventes, se requieren otras tecnologías de sensores de nivel, como los sensores capacitivos o ultrasónicos.
La figura siguiente ilustra la aplicación de un
de tipo conductivo.
Figura -
de tipo conductivo
El sistema consiste en
instalar electrodos en el tanque en los puntos de detección de nivel, pero aislados eléctricamente
del tanque y alimentados con una fuente de bajo voltaje. Cuando el líquido en el recipiente se pone
en contacto con el electrodo, fluye una corriente de bajo voltaje entre éste y la pared del tanque.
La resistencia eléctrica se mide utilizando un puente de Wheatstone. La resistencia es alta (> 1 M
ohm) cuando el tanque está vacío, pero tan pronto como el líquido conductor toca la probeta, la
resistencia disminuye. Este cambio en la resistencia se amplifica y se utiliza para operar un relé.
Los sensores de nivel de tipo conductivo también pueden aplicarse para medir el nivel de interfase
entre dos líquidos, uno de los cuales debe ser conductor. Ejemplo: Interfase aceite - agua.
c. Sensores de nivel de tipo ultrasónico
La figura siguiente muestra el principio de operación de un sensor de nivel de tipo ultrasónico no
intrusivo para aplicaciones de nivel continuo. En estos sensores, se mide el tiempo empleado por el
sonido en su trayecto desde un emisor hasta un receptor. El instrumento tiene un emisor que
proporciona breves impulsos sónicos. Estos impulsos son reflejados por la superficie del material en
el recipiente y llegan de nuevo al emisor, que actúa ahora como receptor. El tiempo transcurrido es
una medida de la distancia entre el material y el emisor-receptor. Un convertidor electrónico
proporciona la medida del nivel.
Los sensores de nivel de tipo ultrasónico son ampliamente utilizados en aplicaciones industriales para medir el nivel de líquidos o sólidos de manera continua. Estos sensores utilizan ondas ultrasónicas para determinar la distancia entre el sensor y la superficie del material en el recipiente.
El principio de funcionamiento de un sensor de nivel ultrasónico no intrusivo se basa en la emisión de pulsos de sonido ultrasónico por parte de un emisor. Estos pulsos se propagan en forma de ondas hacia la superficie del material y son reflejados de vuelta hacia el sensor. El sensor actúa como receptor y detecta el tiempo transcurrido desde la emisión hasta la recepción del eco ultrasónico.
El tiempo transcurrido es proporcional a la distancia entre el sensor y la superficie del material en el recipiente. Un convertidor electrónico en el sensor procesa la medida del tiempo y la convierte en una lectura de nivel. Esta lectura puede ser proporcionada a través de una pantalla local en el sensor o transmitida a un sistema de control o monitoreo externo.
Los sensores de nivel ultrasónicos ofrecen varias ventajas en comparación con otros tipos de sensores. Son no intrusivos, lo que significa que no es necesario que el sensor esté en contacto directo con el material, lo que evita la contaminación o interferencia con el proceso. Además, estos sensores pueden utilizarse en una amplia gama de aplicaciones y son adecuados tanto para líquidos como para sólidos.
Es importante tener en cuenta que los sensores de nivel ultrasónicos pueden verse afectados por factores ambientales como la temperatura, la presión y la presencia de vapor o espuma. Además, pueden tener limitaciones en la medición de niveles en recipientes con superficies rugosas, materiales absorbentes o formas irregulares.
En resumen, los sensores de nivel ultrasónicos son utilizados para medir el nivel de líquidos o sólidos de manera continua en aplicaciones industriales. Utilizan ondas ultrasónicas para determinar la distancia entre el sensor y la superficie del material en el recipiente. Estos sensores ofrecen ventajas como la no intrusividad y la versatilidad en diferentes aplicaciones, pero pueden verse afectados por factores ambientales y tener limitaciones en ciertos entornos específicos.
El instrumento puede incluir un sensor de temperatura para
compensar los cambios en la temperatura del aire.
Figura - Principio de operación de un sensor de nivel ultrasónico
Para aplicaciones de nivel puntual (control ON-OFF, alarma), se utilizan interruptores de tipo
intrusivo, el principio de operación de estos interruptores es transmitir una onda ultrasónica desde
un cristal piezoeléctrico a través de un espacio (gap), de aproximadamente ½” hasta un cristal
receptor. Cuando este espacio del sensor se llena con el líquido, la señal se transmite. Cuando el
espacio está lleno de aire o de un vapor, la serial no se transmite. Cuando la señal transmitida se
recibe, el circuito se completa y el amplificador entra en oscilación.
Para aplicaciones de alto nivel se utiliza un sensor especial que oscila mientras está seco. Este
sensor utiliza la misma técnica de dos cristales, pero la diferencia consiste en que cuando el líquido
comienza a cubrir el sensor, la energía ultrasónica es absorbida por el líquido y la oscilación del
sensor cesa.
Ventajas y desventajas: algunas de las ventajas y desventajas en la aplicación de sensores
ultrasónicos son los siguientes:
Ventajas:
Disponibilidad de sensores no intrusivos para evitar problemas de corrosión y
contaminación.
Medición continua y puntual.
No posee partes móviles. Menor mantenimiento.
Se utiliza para líquidos y sólidos, conductivos y no conductivos.
Desventajas:
La medición puede ser afectada por el movimiento del material en el tanque.
La espuma del líquido puede absorber la señal transmitida.
La presencia de partículas o vapor en el aire puede interferir la señal de los sensores de
tipo no intrusivo.
Fig. Sensor de nivel ultrasónico Endress & Hauser
Fig. - Sensor transmisor de nivel ultrasónico .
Fig. - Sensor de nivel de líquido ultrasónico.
d. Sensores de nivel de tipo fotoeléctrico
La detección del nivel está basada en el cambio de refracción que ocurre cuando el extremo cónico
de un conductor lumínico de cuarzo es sumergido en el líquido. La luz infrarroja desde un diodo
emisor de luz (L) pasa a través de un conductor de luz (Q) y es reflectado por su extremo cónico si está rodeado de aire, gas, o vapor. La luz reflectada es detectada por un fototransistor (P).
Cuando el conductor de luz es sumergido en el líquido, la refracción en el extremo cambia y la luz
es dispersada en el líquido. De esta forma, el fotorreceptor P, no recibe luz produciéndose un
cambio en la resistencia del circuito, la cual es utilizada para dar una señal del nivel.
Estos sensores son capaces de operar en casi todos los líquidos. La medición no es afectada por
cambios en la viscosidad, densidad, conductividad o color. Se utilizan en tanques de
almacenamiento a baja presión, tanques de buques con petróleo, químicos, gases licuados, tanques
de combustible, etc.
e. Sensores de nivel de tipo radioactivo
En este tipo de sensores, una fuente radioactiva emite un haz de rayos (gamma, alfa, etc.) que
viaja a través del tanque y de su contenido, hasta un detector ubicado en el lado opuesto. En el detector existe un contador Geiger que produce un impulso eléctrico en respuesta a cada fotón que
llega al detector. Estos pulsos son integrados y transformados en una señal de corriente directa
proporcional a la radiación recibida en el contador. Si el nivel del material en el envase está por
debajo del haz de rayos, la radiación recibida en el contador es mayor que cuando el material está en la trayectoria del rayo.
Los sensores de nivel de tipo radioactivo pueden ser utilizados para medir niveles límites o nivel
continuo. Pueden ser utilizados para detectar el nivel de casi cualquier líquido, sólido o material
viscoso almacenado en un recipiente. Todos los elementos del sensor son externos al recipiente; de
modo que la presión, el vacío, la temperatura, o materiales altamente viscosos, corrosivos,
abrasivos o muy pesados; no afectan al sistema de medición.
El material radioactivo del sensor está contenido en una doble cápsula de acero inoxidable soldada,
de modo que en ningún caso hay peligro de que pueda escapar dicho material. Debido a que el
material radioactivo irradia en todas las direcciones, se le coloca en el interior de un cabezal
protector que permite la salida de radiación por un solo lado, precisamente sólo en la dirección
donde esta situado el detector.
f. Sensores de nivel de tipo microondas (radar)
Un sensor de nivel de tipo microondas es un sensor no intrusivo. El sistema de medición está formado principalmente por un módulo electrónico de microondas, una antena, sensores
adicionales (principalmente sensores de temperatura), y una unidad local o remota de indicación. El principio de operación está basado en el cambio de frecuencia de la señal de radar emitida hacia la
superficie del líquido. La señal reflectada por la superficie del líquido en el recipiente tiene una
frecuencia diferente a la de la señal transmitida. Esta diferencia de frecuencia es proporcional a la
distancia que existe entre el transmisor y la superficie del líquido.
La señal de microondas es emitida por una antena la cual direcciona la señal perpendicularmente
hacia la superficie del líquido. Existen dos tipos principales de antena: la antena parabólica y la
antena tipo corneta.
Algunas aplicaciones incluyen: medición de nivel de productos de hidrocarburos / petróleo, asfalto,
químicos, gas natural licuado (GNL), también se puede medir el nivel de sólidos. Una aplicación
muy común es la medición de nivel en tanques de techo fijo y tanques de techo flotante, en la industria petrolera y petroquímica.
Indicador magnético de nivel.
Estos medidores (ver figura ) son el reemplazo recomendado de las mirillas de vidrio. Son similares a los dispositivos flotantes, pero éstos comunican la localización de la superficie líquida magnéticamente. El flotante, que lleva un conjunto de fuertes imanes permanentes, se monta en una columna auxiliar (cámara del flotante) unida al recipiente por medio de dos conexiones de proceso. Esta columna limita el movimiento del flotante lateralmente de manera que éste siempre está cerca de la pared lateral de la cámara. A medida que el flotante sube y baja con el nivel del líquido, un sistema magnetostrictivo o indicador gráfico de barra se mueve con él, mostrando la posición del flotante y por lo tanto proporcionando la indicación de nivel. El sistema sólo puede funcionar si las paredes de la columna y la cámara auxiliar están hechas de material no magnético.
Figura : Los indicadores de nivel magnético utilizan una corredera acoplada magnéticamente para indicar una posición de flotación dentro de la cámara.
Muchos fabricantes proporcionan diseños de flotante optimizados para la gravedad específica del fluido que se mida, tanto si es butano, propano, aceite, ácido, agua, o las interfaces entre los dos fluidos, así como una gran selección de materiales de flotante. Esto significa que los indicadores pueden manejar altas temperaturas, altas presiones y fluidos corrosivos. Cámaras de flotante de gran tamaño y flotantes de alta flotabilidad están disponibles para aplicaciones en las que se prevé una acumulación de producto.
Un sistema magnetostrictivo consiste en un alambre magnetostrictivo en una sonda y un flotante en forma toroidal que contiene un imán permanente. El flotante es la única parte móvil que se desplaza hacia arriba y abajo de la sonda.
Cuando un impulso de corriente es inducida desde el extremo del cable magnetostrictivo, un campo magnético con forma toroidal emana del cable. A medida que este campo magnético interactúa con el campo magnético del imán permanente en el flotante, un impulso de retorno se envía por el cable. La electrónica mide el tiempo entre el impulso de corriente inicial y el impulso de retorno y calcula la ubicación del flotante y por lo tanto el nivel ( véase la figura ).
Figura : Medición de nivel magnetostrictivo
Las sondas están típicamente disponible como varillas rígidas para tanques de hasta 8 metros y cable flexible para tanques de hasta 23 metros de altura. Los sistemas de medición magnetostrictivos alcanzan una precisión de 0,05 centímetros y repetibilidad de 0,0001. Una variedad de materiales flotantes y tamaños se utilizan para diferentes aplicaciones. Las ventajas son la alta precisión y la independencia de las características del material, tales como la conductividad y la constante dieléctrica. Desventajas limitado a líquidos relativamente limpios y nada que pueda causar que el flotante se cuelgue en la sonda.
Figura : Sensores magnetostrictivos
Las cámaras, bridas y conexiones de proceso se pueden hacer de plásticos modificados para la ingeniería tales como Kynar o aleaciones exóticas tales como Hastelloy C - 276 . Configuraciones especiales de cámara pueden manejar condiciones extremas, tales como revestimiento de vapor para asfalto líquido, cámaras de gran tamaño para aplicaciones intermitentes y diseños a temperatura criogénica de nitrógeno líquido y refrigerante. Numerosos metales y aleaciones, como el titanio, Incoloy, y Monel están disponibles para diferentes combinaciones de alta temperatura, de alta presión, de baja gravedad específica, y aplicaciones de fluido corrosivo. Los indicadores de nivel magnético de hoy también pueden ser equipados con transmisores magnetostrictivos y de onda guiada de radar para permitir que la indicación local del medidor sea convertida en salidas de 4-20 mA que se pueden enviar a un sistema de tratamiento o control.
