Technical Documents - Documentos Técnicos: Instrumentación industrial. Sensores de nivel de tipo ultrasónico, fotoeléctrico, radiactivo y por microondas.

Métodos electrónicos para medir nivel

Las técnicas electrónicas para medición de nivel están basadas en los principios de capacitancia, conductividad y resistencia.

Estos principios pueden ser aplicados para medir nivel de líquidos o sólidos. La selección del principio de medición depende del medio a ser medido, de las condiciones de operación, de la configuración del recipiente y del tipo de funcionamiento requerido (control, alarma, indicación).

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 sirve para medir el nivel de la mayoría de los líquidos y sólidos. El sensor está constituido por un electrodo o probeta de capacitancia que se introduce en el tanque. El cambio en la capacitancia, producido por un aumento o disminución del nivel en el recipiente, se mide utilizando la probeta de capacitancia, la cual está conectada a un circuito electrónico, que puede ser un interruptor de nivel para control ON-OFF, o un transmisor de nivel para medición de nivel continuo. Si el líquido es no conductor, el capacitor está formado por la probeta de capacitancia (electrodo primario) y la pared del tanque, los cuales conforman las placas del capacitor.

El líquido cuyo nivel se quiere medir actúa como el dieléctrico. 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 pueden ser utilizados para dar señales de alarma por alto y bajo nivel. Su aplicación está limitada a líquidos altamente conductores tales como materiales a base de agua.

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. 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.

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.

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