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INTRUMENTACIÓNINDUSTRIAL DE PROCESOSDIPyGI FACET - UNTTEMA N 3Medición de NivelNivel de interfase fluido-fluido. Indicadores visuales de vidrio, deflotante y cable y magnéticos. Medición con flotante, pordesplazamiento (boyantes), de altura hidrostática, de capacitancia, deradiación nuclear, sónicos y ultrasónicos. Elevación y supresión decero. Interruptores de nivel de líquido. Casos problemáticos.Medidores de nivel de sólidos: capacitivo, ultrasónico, radiativos y conceldas de carga. Interruptores de nivel de sólidos. Sistemas de controlde nivel. Especificación técnica.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 1/40
OBJETIVOSMedición continua para indicaciónMedición continua para registro o control automáticoMedición de un punto para interruptores o alarmasMedición en varios puntos para switchs o alarmasCARACTERÍSTICAS DEL PROCESO QUE INFLUYEN EN LASELECCIÓNComposición química (por la corrosión), viscosidad en líquidos yfluidibilidad en sólidosCondiciones ambientales de temperatura, presión, humedad,agitación, sólidos en suspensión, etc.Tipo de interface (Gas-Líquido; Líquido-Líquido; Gas-Espuma;Espuma-Líquido; Gas-Sólido Granulado; Vapor-Líquido enebullición)Alcance de la medición y su exactitud. Dimensiones físicas ycaracterísticas del ales directosDe posición (flotante, plomada, etc)ElectrodosFotoeléctricosSónicos y ultrasónicosRadarPresión hidrostáticaEmpuje (boyantes)Atenuación de radiaciónCambio de propiedades eléctricas(Capacitancia, resistencia)Diferencia de características físicas (térmicos,rotacionales, vibracionales, etc.)GravimétricosOtrosInstrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 2/40
ELEMENTOS VISUALES DIRECTOSReservado paralíquidos.Tubo de materialtransparente y rígidoconectado al depósitopor dos bridas condos válvulas debloqueo.El líquido sube por eltubo hasta igualar alnivel del depósito.Limitaciones:No soportan presiones muy altasNo soportan altas temperaturasFragilidad, baja resistencia a los impactosNo se pueden usar líquidos que manchen el interior del tubo oque por transparencia no permitan la detección visualInstrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 3/40
EstilosHay dos:Columna que permitehacer el seguimientocontinuoOjo debueyOjo de buey visor en unpuntoColumnaInstrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 4/40
ELEMENTOS DE POSICIÓN (flotador)Constituido por un flotador pendiente de un cable o moviéndose en untubo guía, un juego de poleas, y un contrapeso exterior.De regla y puntero.Flotador conectado a un cable ocon un juego de poleas, y uncontrapeso exterior que se mueveen sentido contrario al flotadorDe elementos magnéticos.El flotador hueco, que lleva en suinterior un imán, se desplaza a lolargo de un tubo guía vertical nomagnético. El imán suspendido deuna cinta mueve una agujaindicadora. Permite la instalaciónde contactos para fijar alarmas denivel.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 5/40
En el caso de elementos magnéticos, se usan asociado a elementosexternos que permiten mejorar la visualización del nivelInstrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 6/40
También existen transmisores. La posición del flotador se encuentraanalizando un pulso de baja energía que viaja por el cable. Una señalde retorno se genera desde el lugar preciso donde el campomagnético del flotador intercepta al cable. Un temporizador mide conprecisión el tiempo transcurrido entre la generación del pulso y elretorno de la señal acústica.Estos dispositivos sirven también para medir la posición de más deuna interface.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 7/40
Los flotadores sonparticularmente útiles parainterruptores y alarmascon mediciones en un punto.Pueden ser montados endiversas posiciones yproteccionesInstrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 8/40
ELEMENTOS DE POSICIÓN (PARA SÓLIDOS)Diseño de palpadores para sólidosInstrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 9/40
ELEMENTOS BASADOS EN CONDUCTIVIDAD (Electrodos)La sonda consta de dos o más electrodos. Cuando éstos entran encontacto con un líquido conductor se cierra un circuito eléctrico, que através de un circuito genera una salida on-off.Muy usados como switch de nivel en recipientes con líquidosconductores de baja viscosidad y corrosividad.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 10/40
ELEMENTOS FOTOELÉCTRICOS (Interruptores)Son dispositivos que se basan en la reflexión, refracción otransmisión de la luz visible o radiación infrarroja.Se usan tanto con líquidos como con pastas. Las condiciones delproceso no deben ser muy severas.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 11/40
ELEMENTOS SÓNICOS Y ULTRASÓNICOS (Continuos)Constan de un emisor de ondas sonoras de alta frecuencia (entre20 y 40 kHz) que se propaga por una fase hasta que alcanza lainterface, se refleja y el eco es captado por el receptor situado en elmismo punto que el emisor.El tiempo entre la emisión de la onda yla recepción del eco (time of flight)permite evaluar la posición del nivel,considerandolavelocidaddelultrasonido. El tiempo depende de laTemperatura por lo que es críticocompensar la medición.Hay que evitar que existan obstáculosen el recorrido de las ondas. Algunosmedidores compensan los ecos fijosdebidos al perfil del depósito y de lasuperficie si se trata de nivel de sólido.No se recomienda en superficies no bien delimitadas (espumas).Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 12/40
Una mejora que amplió losrangos de medición son lascompensaciones que sehicieron en el receptor paraconsiderar los ecos dedistintas partes del tanque.Otro aspecto a considerar es el conoque se abre con el ultrasonido emitido,que limita el alcance del equipo.Hay que verificar para el equipo enparticular.Los alcances varían entre0-30 cm y 0-30 mInstrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 13/40
Para el caso de medición denivel de sólidos, hay que tenerpresente el ángulo de talud. Lasuperficie tomará la formadependiendo del punto dedescarga (o succión).Las nuevas tecnologías basadas enmicroprocesador, incorporancorrecciones que pemiten medir ennivel medio. Para esto el tren depulsos se dirige a distintos puntosde la interface.En el caso de nivel de sólidos, la posición del sensor está limitada a laparte superior.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 14/40
ELEMENTOS SÓNICOS Y ULTRASÓNICOS (de un punto)Con la tecnología ultrasónica brinda sensores de un punto parainterruptores o alarmas.EmisorReceptorEl interruptor actúa cuando elnivel alcanza en punto medioentre entación Industrial de Procesos – FACET – UNTReceptorPágina 15/40
RADAREstos dispositivos usan microondas en el rango de frecuenciasentre 5.8 GHz y 26 GHz.Existen dos tecnologías:Medición sincontactoMediciónGuiadaLas microondasson emitidas y losecos setransmiten en elmedio que seencuentra entreel medidor y lainterface encuestiónLa transmisión delas microondasse haceempleando unasonda que sesumerge en elmedio cuyainterface sebusca detectarSe usa para nivel de líquidos, sólidos y pastas. Su aplicación esideal en productos muy viscosos (incluso asfaltos) y en mediosagresivos.Rango de medida: hasta 40m.Precisión: 2mm.La temperatura tiene un efecto ínfimo en la medición (aire o vapor deagua). A 2000 ºC la variación es de 0.03 %. El efecto de la presióntambién es bajo. Esto los convierte en elementos muy robustos.Además no poseen partes móviles.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 16/40
Son dos los principios de mediciónOndas continuas defrecuencia modulada(indirecto)El emisor envía una señal defrecuencia variable y se lacompara con la frecuenciadel eco. La diferencia entrelas frecuencias e una funcióndirecta de la distancia a lainterface. Requiere FFT.Radar de pulsos.(directo)Similar al transmisorultrasónico. Se emite unpulso de ondas defrecuencia fija y se calcula laposición del nivel basado enel tiempo de tránsito:Uno de los problemas quedeben ser resueltos en estetipo de transmisores se vinculacon el análisis de lasinterferencias.La tecnología actual permite laseparación de las ondas y ladeterminación del nivel con altaprecisión, pero imponerestricciones a la ubicación delelemento sensible (debeconsultarse el catálogo deltransmisor en cada caso).Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 17/40
Cuando el reservorio en elque se desea medir nivel notiene las condicionesapropiadas, se puede recurrira la medición en un tubolateral interconectado.Hay dispositivos de radar quepermiten la medición de más de unnivel de interface.El detector viene programado paraseparar distintos tipos de ecos.Un aspecto importante es lafrecuencia de la radiación. Si lafrecuencia es baja (próximas a5.8GHz),elconodetransmisión de las ondas tienenágulos amplios que produceninterferencias.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTCon altas frecuencias, el ángulodel cono de radiación disminuyenotablemente y con esto se logramayor exactitud en la mediciónPágina 18/40
Para niveles con espumas ovaporesserecomiendandispositivos de frecuenciasbajas ( 6 GHz) mientras quepara las otras aplicaciones seprefiere sensores de más altasfrecuencias por la mayorflexibilidad para su montajePor su robustez, seguridad y precisión este dispositivo es un clásicoen la industria del petróleo, petroquímica y de procesamiento deminerales.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 19/40
ELEMENTOS DE PRESIÓN HIDROSTÁTICALa presión ejercida por lacolumna de un líquido esindependiente de la forma delrecipienteysevinculadirectamente con la altura delfluido.p p0 ρ g hPor lo tanto puedemedirse presión parainferir nivel (relaciónlineal) si la densidadpermanece constante.Si el tanque es cerrado yestá presurizado, debeconectarse las dos tomasdel transmisor de presióndiferencial. De esta formala señal es proporcional alnivel:P(gas)Pierna ade salida p ρ g hPH P(gas) ρ g hP(vapor)Pierna lectrónicade salidaLPL P(gas)Si se trabaja con vaporque pueden condensar,convieneinundarlacoluma conectada alvapor. p ρ g (h2-h1)HInstrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 20/40
También puede medir la interface de dos líquidos inmiscibles y larelación sigue siendo lineal.Líquido de selloDensidad ρSLíquido LivianoDensidad ρ2 ρ1Líquido PesadoDensidad ρ1Los elementos diferenciales se montan en forma sencilla, son fácilesde ajustar y tienen una precisión razonable. Es uno de los métodos demedición más empleados en la industria de procesos.La mayor limitación está en que la densidad del fluido deberpermanecer razonablemente constante.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 21/40
Elevación de ceroHElevaciónde ceroSupresión de ceroHSupresiónde ceroInstrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 22/40
ELEMENTOS DE BURBUJEOMenor presiónse requiereLa presión requerida para producir el flujocontinuo de burbujas es una medida de lacolumna de líquido.Mediante un regulador de caudal se hacepasar por un tubo (sumergido en eldepósito hasta el nivel mínimo), unpequeño caudal de aire o gas inerte hastaproducir una corriente continua deburbujas.Meyor presiónse requiereMismoCaudalde aireSuministro de gasp1p2pLghSeñalReguladorde presiónpLα caProporcional ap1Tubo deburbujeohFormas del extremodel tubo de burbujeop2Sistema recomendado en aplicaciones con líquidos corrosivos o conmateriales en suspensión (el fluido no penetra en el medidor, ni en latubería de conexión). También se usa cuando el transmisor de presióndiferencial debe ser colocado encima del depósito.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 23/40
ELEMENTOS BASADOS EN EMPUJE (Boyante)Se infiere nivel a partir dela medición de la fuerzaneta ejercida por unfluido sobre un boyante.FuerzaNetaNivel h100 %EHhrFuerza Netadel boyante0%PFuerza Neta Peso – Empuje mg- rghLa precisión es del orden de 0,5 % a 1 % y el intervalo de medidapuede variar de 0-300 a 0-2000 mm c. de a. El instrumento puedeutilizarse en estanques abiertos y cerrados a presión o a vacío, tieneuna buena sensibilidad pero presenta el inconveniente del riesgo dedepósitos de sólidos o de crecimiento de cristales en el flotador queafectan a la precisión de la medida. Es apto sólo para la medida de denivel pequeños (2000 mm máximo estándar).Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 24/40
Con estedispositivopuede medirsetambién nivel deuna interfacelíquido-líquido.El boyante puede ubicarse en forma libre en el recipiente o en unacápsula externa.El montaje siempre es horizontal. Si la interface presenta espuma,detecta la interface líquido-espuma.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 25/40
ELEMENTOS BASADOS ATENUACION DE RADIACIÓNConstan de una fuente radioactivaque se instala en un costado deldepósito. Al otro lado se coloca unmedidor de radiación puntual paramedidas todo nada o lineal paramedidas continúas.La transmitancia es inversamente proporcional a la masa del líquido osólido, la radiación captada por el receptor es inversamenteproporcional al nivel ya que el material absorbe parte de la energíaemitida.Estos dispositivos se usan para la medición de nivel de líquidos, deinterface líquido-liquido o de sólidos. Sirve para mediciones continuaso de un punto (switch y alarma).Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 26/40
Las fuentes de rayos gamma habitualmente empleadas con Cesio 137y Cobalto 60. La precisión en la medida es de 0,5 a 2 %,Son óptimos para medir fluidos con alta temperatura y presión o enambientes agresivos ya que son completamente no invasivos. Sinembargo el costo es normalmente elevado y el manejo de materialradiactivo requiere medidas especiales de seguridad.Hay diversas configuracionesSwitch para líquidoSwitch para sólidoInstrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 27/40
ELEMENTOS CAPACITIVOSEl medidor de nivel capacitivo mide la capacidad del condensadorformado por el electrodo sumergido en un líquido o en sólidos ylas paredes del tanque. En algunos casos, la propia sonda contienelas dos placas del condensador (sólo para líquidos).Lacapacidaddelconjunto depende defactores geométricos ydelaconstantedieléctrica del materialque se encuentra entrelas placas.(plano)(cilíndrico)El nivel de líquido (o sólido) influye en forma directa en la capacidad.Por lo tanto midiendo capacidad se puede inferir nivel.En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y lacapacidad total del sistema se compone de la del líquido, la del gassuperior y la de las conexiones superiores.En fluidos conductores el electrodo está aislado usualmente con teflóninterviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y elelectrodo en la zona del líquido y del gas.Precisión en el orden de 1 % Span. Tienen la ventaja de ser robustosal no poseer partes móviles. Se ven afectados por los cambios detemperatura (por la influencia de esta variable en la constantedieléctrica.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 28/40
Estos dispositivos sirven para medición continua de nivel o paradetección puntual (salidas de switch o alarmas).El transmisor consta normalmente de un puente de capacidades y setrabaja con corriente alterna para generar la señal analógica de salida.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 29/40
INTERRUPTORES BASADOS EN PRINCIPIO MECÁNICOS YTÉRMICOSPaleta rotatoria.Por cambio de gas alíquido o sólido, cambiael momento que deberealizar el motor lo quedetermina una cambioen la salidaVibratorioSe trata de una plancha ouna horquilla que vibraaccionadaporunoscilador.Dependiendodel material, la frecuenciacambia y acciona larespuesta. Se aplica asólidos, liquidos o pastas.Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 30/40
Detalles a tener en cuenta en la instalación.De dispersión térmicaDependiendo del fluidoentre los electrodos, latemperatura cambia ycambiatambiénlaresistencia eléctrica.Detector de diafragmaUndiafragmaqueproduce un deplazamiento según esté o noen contacto con unlíquido (o sólido).Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 31/40
MEDICIÓN POR MÉTODOS GRAVIMETRICOSUna forma indirectade medir nivel esmidiendo el pesodel contenido delrecipiente (líquido osólido).El dispositivo para medir el peso es normalmente una celda de carga.El elemento sensible puede ser una banda extensométrica (straingauge).Instrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 32/40
SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS DE NIVELInstrumentación Industrial de Procesos – FACET – UNTPágina 33/40
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Instrumentación Industrial de Procesos - FACET - UNT Página 5/40 ELEMENTOS DE POSICIÓN (flotador) Constituido por un flotador pendiente de un cable o moviéndose en un tubo guía, un juego de poleas, y un contrapeso exterior. De regla y puntero. Flotador conectado a un cable o con un juego de poleas, y un contrapeso exterior que se mueve
