INSTRUMENTOS
MEDIDORES DE NIVEL
En las actividades industriales, los insumos y las cargas de trabajo no son infinitas, constantemente se deben estar
proveyendo materiales para mantener las operaciones. Ahora, en qué momentos se deben hacer recargas de
materiales u otros insumos. Deben existir mecanismos para determinar con
precisión los estatus generales de los elementos necesarios para el
funcionamiento industrial, más allá de la planificación económica y los
cronogramas de actividades que prevén los momentos en los que se requerirán Implementos.
Frecuentemente ocurren situaciones inesperadas que lo desvían un poco las
planificaciones. Entonces, los procesos industriales deben tener algún tipo de dispositivo
que controle los niveles de insumos que se disponen y que se van consumiendo.
Estos son los medidores de niveles.
Se estudiarán en detalle, los medidores de nivel más usados en líquido y
sólidos. Se estudiarán desde los que usan principios mecánicos hasta los electromagnéticos. Señalando
su importancia en el momento de establecer el balance entre los productos consumidos y los finales, lo cual da una visión
del rendimiento de los procesos.
CLASIFICACIÓN
1.- Medidores de nivel de líquido
2.- Medidores de nivel de sólido
MEDIDORES DE NIVEL DE LÍQUIDOS
Los medidores de nivel de líquidos trabajan midiendo, bien directamente
la altura de líquido sobre una línea de referencia, bien la presión
hidrostática, bien el desplazamiento producido en un flotador por el propio
líquido contenido en el tanque del proceso, o bien aprovechando características
eléctricas del líquido.
Los instrumentos de medida directa se dividen en:
1.- Medidor de sonda
2.- Medidor de cinta y plomada
3.- Medidor de nivel de cristal
4.- Medidor de flotador.
Los aparatos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática se
dividen en:
1.- Medidor manométrico
2.- Medidor de membrana
3.- Medidor de tipo burbujeo
4.- Medidor de presión diferencial de diafragma
Los instrumentos que utilizan características eléctricas del líquido se
clasifican en:
1.- Medidor conductivo
2.- Medidor capacitivo
3.- Medidor ultrasónico
4.- Medidor de radiación
5.- Medidor láser
INSTRUMENTOS DE MEDIDA
DIRECTA
Medidor de sonda;
Consiste en una varilla o regla graduada, de la
longitud conveniente para introducirla dentro del depósito. La determinación
del nivel se efectúa por la lectura directa de la longitud mojada por el
líquido. En el momento de la lectura el estanque debe estar abierto a presión
atmosférica. Se utiliza generalmente en estanques de gasolina.
Otro
medidor consiste en una varilla graduada, con un gancho que se sumerge en el
seno del líquido y se levanta después hasta que el gancho rompe la superficie
del líquido. La distancia desde esta superficie hasta la parte superior del
estanque representa indirectamente el nivel. Se emplea en estanques de agua a
presión atmosférica
Medidor de cinta y
plomada
Este sistema es parecido a los anteriores, consta de una cinta graduada
y un plomo en la punta. Se emplea cuando es difícil que la regla tenga acceso
al fondo del estanque.
Medidor de cristal
Consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectador a bloques
metálicos y cerrados por prensaestopas que están unidos al estanque
generalmente mediante tres válvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos
del tubo para impedir el escape del líquido en caso de rotura del cristal y una
de purga.
El nivel de cristal normal se emplea para presiones hasta 7 bares. A
presiones más elevadas el cristal es grueso, de sección rectangular y está
protegido por una armadura metálica.
Medidor de flotador
Consiste en un flotante ubicado en el seno del líquido y conectado al
exterior de un tanque indicando directamente el nivel sobre una escala
graduada. Es el modelo más antiguo y el más utilizado en estanques de gran
capacidad tales como los de petróleo y gasolina. Tiene el inconveniente de que
las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse,
además el flotador debe mantenerse limpio
Instrumentos basados en la presión hidrostática.
Medidor manométrico
Consiste en un manómetro conectado directamente a
la inferior del estanque. El manómetro mide la presión debida a la altura de
líquido h que existe entre el nivel del estanque y el eje del instrumento. Así
pues, el rango de medida del instrumento corresponderá a:
0 – ( h ·γ· g)
h = altura de líquido en m
γ = densidad del líquido en Kg/m3
g = 9,8 m/s2
Como las alturas son limitadas, el rango de medida
es bastante pequeño, de modo que el manómetro utilizado tiene un elemento de
medida del tipo fuelle.
El instrumento sólo sirve para fluidos limpios ya
que si el líquido es corrosivo, coagula o bien tiene sólidos en suspensión, el
fuelle puede destruirse o bien bloquearse perdiendo su elasticidad; por otra
parte, como el rango de medida es pequeño no es posible utilizar sellos de
diafragma. La medida está limitada a estanques abiertos y el nivel viene
influido por las variaciones de densidad del líquido.
Medidor de membrana
Utiliza una membrana conectada con un tubo estanco
al instrumento receptor.
La fuerza ejercida por la columna de líquido sobre
el área de la membrana comprime el aire interno
a una presión igual a la ejercida por la columna de
líquido. El instrumento es delicado ya que cualquier pequeña fuga del aire
contenido en el diafragma destruiría la calibración del instrumento.
Medidor de tipo
burbujeo
Mediante un regulador de caudal se hace pasar por
un tubo (sumergido en el depósito hasta el nivel mínimo), un pequeño caudal de
aire o gas inerte hasta producir una corriente continua de burbujas. La presión
requerida para producir el flujo continuo de burbujas es una medida de la
columna de líquido.
Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con
líquidos corrosivos con materiales en suspensión (el fluido no penetra en el
medidor, ni en la tubería de conexión).
Medidor de presión
diferencial
Consiste en un diafragma en contacto con el líquido
del estanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo del
estanque. En un estanque abierto esta presión es proporcional a la altura del
líquido en ese punto y a su peso específico, es decir:
P =h γ g
En la que:
P = presión
h = altura del líquido sobre el instrumento
γ = densidad del líquido
g = 9,8 m/s2
El diafragma forma parte de un transmisor
neumático, electrónico o digital de presión diferencial.
En el tipo más utilizado, el diafragma está fijado
en un flange que se monta rasante al
estanque para permitir si dificultades la medida de
nivel de fluidos, tales como pasta de papel y líquidos con sólidos en
suspensión, pudiendo incluso ser de montaje saliente para que el diafragma
enrase completamente con las paredes interiores del estanque tal como ocurre en
el caso de líquidos extremadamente viscosos en que no puede admitirse ningún
recodo.
El medidor de nivel conductivo o resistivo;
consiste en uno o varios electrodos y un relé eléctrico o electrónico que es
excitado cuando el líquido moja a dichos electrodos. El líquido debe ser lo
suficientemente conductor como para excitar el circuito electrónico, y de este
modo el aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su vapor,
tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de vapor. La
impedancia mínima es del orden de los 20 M Ω/cm, y la tensión de alimentación es
alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas por causa del fenómeno de la electrólisis. Cuando
el líquido moja los electrodos se cierra el circuito electrónico y circula una
corriente segura del orden de los 2 mA; el relé electrónico dispone de un
temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del
líquido o ante cualquier perturbación momentánea o bien en su lugar se disponen
dos electrodos poco separados enclavados eléctricamente en el circuito.
El instrumento se emplea como alarma o control de
nivel alto y bajo, utiliza relés eléctricos para líquidos con buena
conductividad y relés electrónicos para líquidos con baja conductividad.
Montado en grupos verticales de 24 o más
electrodos, puede complementar los típicos niveles de vidrio de las calderas, y
se presta a la transmisión del nivel a la sala de control y a la adición de las
alarmas correspondientes.
El instrumento es versátil, sin partes móviles, su campo de medida es
grande con la limitación física de la longitud de los electrodos. El líquido
contenido en el estanque debe tener un mínimo de conductividad y si su
naturaleza lo exige, la corriente debe ser baja para evitar la deterioración
del producto. Por otro lado, conviene que la sensibilidad del aparato sea
ajustable para detectar la presencia de espuma en caso necesario.
Medidor de nivel capacitivo
Mide la capacidad del condensador formado por el
electrodo sumergido en el líquido y las paredes del estanque. La capacidad del
conjunto depende linealmente del nivel del líquido.
En fluidos no conductores se emplea un electrodo
normal y la capacidad total del sistema se compone de la del líquido, la del
gas superior y la de las conexiones superiores.
En fluidos conductores el electrodo está aislado
usualmente con teflón interviniendo las capacidades adicionales entre el
material aislante y el electrodo en la zona del líquido y
Del gas. La precisión de los transductores de
capacidad es de ± 1 %.
Se caracterizan por no tener partes móviles, son
ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosión y son de fácil
limpieza. Su campo de medida es prácticamente ilimitado. Tiene el inconveniente
de que la temperatura puede afectar las constantes dieléctricas (0,1 % de
aumento de la constante dieléctrica / °C) y de que los posibles contaminantes
contenidos en el líquido puedan adherirse al electrodo variando su capacidad y
falseando la lectura, en particular en el caso de líquidos conductores.
Medidor de nivel ultrasónico
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 estanque.
Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20
KHz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexión el medio
ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del sólido o del
líquido.
La precisión de estos instrumentos es de ± 1 a 3 %.
Son adecuados para todos los tipos de estanques y de líquidos o fangos pudiendo
construirse a prueba de explosión. Presentan el inconveniente de ser sensibles
a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas 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.
La utilización de la computadora permite, a través
de un programa, almacenar el perfil ultrasónico del nivel, y así tener en
cuenta las características particulares de la superficie del líquido, tal como
la espuma, con lo cual se mejora la precisión de la medida.
Sistema de medición de nivel radiactivo
Consiste en un emisor de rayos gamma montado
verticalmente en un lado del estanque y con un contador que transforma la
radiación gamma recibida en una señal eléctrica de corriente continua. Como la
transmisión de los rayos es inversamente proporcional a la masa del líquido en
el estanque, 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. La fuente radiactiva pierde igualmente su
radiactividad en función exponencial del tiempo. La vida media (es decir, el
tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de su actividad) varía
según la fuente empleada. En el cobalto 60 es de 5,5 años y en el cesio 137 es
de 33 años y en el americio 241 es de 458 años.
Las paredes del estanque absorben parte de la
radiación y al detector llega sólo un pequeño porcentaje. Los detectores son,
en general, 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. Como desventajas
en su aplicación figuran el blindaje de la fuente y el cumplimiento de las
leyes sobre protección de radiación.
La precisión en la medida es de ± 0,5 a ± 2 %, y el
instrumento puede emplearse para todo tipo de líquidos ya que no está en
contacto con el proceso. Su lectura viene influida por el aire o los gases
disueltos en el líquido.
El sistema se emplea en caso de medida de nivel en
estanques de acceso difícil o peligroso. Es ventajoso cuando existen presiones
elevadas en el interior del estanque que impiden el empleo de otros sistemas de
medición. 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
Medidor de nivel
Láser
Se utiliza en aplicaciones donde las condiciones
son muy duras, y donde los instrumentos de nivel convencionales fallan; tal es
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. El sistema consiste en un rayo
láser enviado a través de un tubo de acero y dirigido por reflexión en un
espejo sobre la superficie del metal fundido. El aparato mide el tiempo que
transcurre entre el impulso emitido y el impulso de retorno que es registrado
en un fotodetector de alta resolución, y este tiempo es directamente
proporcional a la distancia del aparato emisor a la distancia a la superficie
del metal en fusión, es decir, da la lectura del nivel.
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