REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGA ANTONIO JOS DE SUCRE AMPLIACIN GUARENASMedidores de Nivel.Instrumentacin y Control

Autor: Javier VargasC.I.: 19.155.308Profesora: Ing. Marienny ArriecheGuarenas, Julio 2014

Concepto de NivelLa medida de nivel es junto con la presin, volumen, velocidad y caudal de gran importancia en hidrografa, hidrulica y en los procesos industriales. Aplicaciones frecuentes son las medidas de los niveles de los estanques y recipientes de todo tipo, en canales, pozos, exclusas, vertederos Esta medida sirve para determinar el contenido de los tanques para accionar dispositivos de alarma y seguridad en los recipientes a presin, para el accionamiento de vlvulas y vertederos en la regulacin de las centrales hidroelctricas, para la determinacin de la altura de la lamina en los vertederos de medidas.

MEDIDORES DE NIVELEn la industria qumica la medida de nivel se requiere para determinar la cantidad exacta de lquidos que hay que administrar en un proceso de mezcla. Finalmente la medicin del nivel de fluido en los procesos de destilacin, calderas. La medida del nivel puede ser necesaria con mucha o poca precisin, con indicacin del nivel instantneo o con registro continuo de la medida, con medicin local o transmisin a distancia de unos centenares o miles de metros. Para la realizacin de estas medidas se han diseado equipos que cumplen con estas caractersticas y se han divido en dos grandes grupos; los de mediciones de nivel de lquido y los de slidos. Encada grupo se encuentran diferentes tipos de medidores, los cuales se describirn en la presente investigacin .

TIPOS Y CARACTERSTICASMEDIDORES DE NIVEL DE LQUIDOS La medida del nivel de los lquidos es una de las mediciones fundamentales que se encuentran con ms frecuencia en las industrias qumicas. El conocimiento del nivel de un lquido dentro de un recipiente puede necesitarse simplemente para comprobar la cantidad de material en existencia, para determinar la cantidad de lquido que se suministra a un proceso, o bien puede ser la medicin primaria en un sistema de regulacin destinado a mantener el nivel en un recipiente que forma parte de un proceso continuo. Un factor importante es la forma del recipiente en el cual se debe medir el nivel del lquido. El grado de exactitud depende de la forma del recipiente, ya que en un recipiente alto y de pequeo dimetro puede medirse ms exactamente que otro aplanado y de dimetro grande. Recprocamente, cuando hay que regular el nivel de un lquido, quiz sea conveniente tener un recipiente de gran seccin transversal horizontal, ya que esto proporcionar capacidad de regulacin al sistema. Evidentemente, la forma del recipiente no slo influir sobre la sensibilidad del instrumento medidor del nivel del lquido en las cuantificaciones de volmenes, sino tambin habr de tenerse en cuenta en la eleccin del tipo de instrumento ms conveniente para el caso..

TIPOS Y CARACTERSTICASMEDIDORES DE NIVEL DE SLIDOS En los procesos continuos, la industria ha exigido el desarrollo de instrumentos capaces de medir el nivel de slidos en puntos fijos o de forma continua, en particular en los tanques o silos destinados a contener materias primas o productos finales. Dentro de estos tipos de medidores se encuentra el de Diafragma, para medir el nivel de materiales slidos almacenados, por ejemplo en silos, se han ideado diversos mtodos, entre ellos el detector de diafragma. Este instrumento de medicin consiste en un diafragma con una membrana flexible que se dispone al costado de la pared del tanque y contiene en su interior un conjunto de palancas con contrapeso que se apoyan sobre un pequeo interruptor. Cuando el nivel del slido alcanza el diafragma, el material lo fuerza venciendo el contrapeso y cerrando el interruptor. Este puede ser mecnico o de mercurio, puede accionar una alarma o puede actuar automticamente sobre un transportador o maquinaria asociadas al depsito. Por otra parte, el material del diafragma puede ser de tela, goma, neopreno o fibra de vidrio y tiene una precisin de unos 50 mm y presenta ventajas de bajo costo, puede emplearse en tanques cerrados sometidos a baja presin o vaco gracias a una lnea neumtica que iguala presiones a ambos lados de la membrana y trabaja bien con materiales de muy diversa densidad. Tiene la desventaja de no admitir materiales granulares de tamaos superiores a unos 80 mm de dimetro. Otro instrumento es el de cono suspendido que consiste en un pequeo interruptor montado dentro de una caja impenetrable al polvo, con una cazoleta o pieza pequea de goma de la que est suspendida una varilla que termina en un cono. Cuando el nivel de slidos alcanza el cono, el interruptor es excitado. La cazoleta de goma permite una flexibilidad en la posicin del cono gracias a la cual el aparato puede actuar como alarma de alto o bajo nivel. Conviene tener la precaucin de proteger mecnicamente el instrumento cuando se manejan materiales pesados que, en su cada desde la boca de descarga del tanque podran daarlo.

Medicin DirectaLos instrumentos de medida directa son aquellos que trabajan midiendo directamente la altura de un lquido sobre una lnea de referencia. Los principales instrumentos de medida directa son el medidor de sonda, nivel de cristal e instrumentos de flotador. . El medidor de sonda es un instrumento bastante simple para medir niveles, que consiste en una varilla o regla graduada de una longitud conveniente para ser introducida dentro de un depsito (figura 1). La determinacin del nivel dentro del recipiente, se mide por lectura directa de la longitud de la varilla mojada por el lquido y es esencial que en el momento de la medicin el tanque se encuentre abierto a presin atmosfrica. Este mtodo es efectivo y ampliamente utilizado para medir el nivel en los tanques de una gasolinera, pero no es muy prctico sobre todo si el contenido a medir es txico o corrosivo, ya que el individuo que introduce la varilla debe estar de pie sobre la abertura del tanque para manejarla. Otro tipo de medidor, consiste en una varilla graduada que en su extremo inferior posee un gancho que se sumerge en el seno del lquido contenido en el tanque. Luego, ste se levanta hasta que rompa la superficie del lquido, de modo que la distancia desde esta superficie hasta la parte superior del tanque represente, indirectamente, el nivel. Este instrumento se emplea, generalmente, en tanques de agua que se encuentran a presin atmosfrica (figura 2). Un sistema parecido a los descritos anteriormente es el medidor de cinta graduada y plomada que se emplea cuando es difcil que la varilla o regla tenga acceso al fondo del tanque (figura 3).

Medidor de SondaFig. 1Fig. 2Fig. 3

El nivel de cristal consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados a bloques metlicos y cerrados por prensaestopas, que estn unidos al tanque, generalmente, mediante tres vlvulas, dos de cierre de seguridad en los extremos del tubo, para impedir el escape del lquido en caso de rotura del cristal, y una de purga (figura 4). Dentro de los medidores de nivel de cristal se encuentra el medidor de nivel de cristal normal y el medidor de nivel de cristal con armadura. El primero, se emplea para presiones de hasta 7 bar (figura 5). Cuando las presiones son ms elevadas que 7 bar, el cristal de este medidor es grueso, de seccin rectangular y protegido por una armadura metlica (figura 6). La determinacin del nivel del lquido para este tipo de medidor se puede realizar por intermedio de un cristal a reflexin o bien por transparencia. En el primer caso, tal como lo muestra la figura 7, el vidrio en contacto con el lquido est provisto de ranuras longitudinales que actan como prismas de reflexin, indicando la zona de lquido con un color oscuro casi negro, y la zona superior en contacto con el vapor, de color claro. En la lectura de nivel por transparencia, el lquido est contenido entre dos placas de vidrio planas y paralelas que permiten ver directamente el nivel mejorando, de esta forma, la apreciacin visual del color, caractersticas o interface del lquido, al acoplar una lmpara de iluminacin al sistema. Para mayor seguridad, las vlvulas de cierre incorporan una pequea bola que acta como vlvula de retencin en caso de rotura del vidrio. La ventaja principal de los medidores de nivel de cristal es la gran seguridad que ofrece en la lectura del nivel del lquido, pudiendo controlar con ellos, la lectura de los otros tipos de aparatos de nivel. Una debilidad de los niveles de vidrio es que son muy susceptibles de ensuciarse por las caractersticas del lquido que miden, impidiendo, de este modo, que el nivel pueda apreciarse claramenteNivel de CristalFig. 4Fig. 5Fig. 6Fig. 7

Instrumentos de FlotadorLa medicin de nivel con instrumentos de flotador es menos comn en la industria en general, pero se emplea muy frecuentemente en el campo del tratamiento de aguas potables y de desechos. Hay que sealar que en estos instrumentos, el flotador puede tener formas muy variadas y estar formado por diversos materiales segn sea el tipo de fluido. Bsicamente, consisten en un flotador situado en el seno del lquido y conectado al exterior de un tanque indicando directamente el nivel, donde dicha conexin puede ser directa, magntica o hidrulica. Flotador de Conexin Directa.Este modelo de flotador es, generalmente, una pieza metlica hueca de forma circular, con alambres de gua que van de la parte superior a la inferior del tanque, para limitar su movimiento. Constituye el modelo ms antiguo y el ms utilizado en tanques de almacenamiento de gran capacidad como los de fuel-oil y gas-oil. El flotador de conexin directa est unido por una cadena o cinta flexible que desliza en un juego de poleas a un indicador de nivel exterior que seala sobre una escala graduada. Este indicador est provisto de un contrapeso de tal manera que la cinta o cadena se mantenga tensa (figura 8). Por otro lado, este tipo de instrumento tiene el inconveniente de que las partes mviles estn expuestas al fluido y pueden romperse. Adems, el tanque no puede estar sometido a presin y es esencial que el flotador se mantenga limpio. Flotador acoplado magnticamente.Este instrumento de medicin de nivel consta de un flotador desliza exteriormente a lo largo de un tubo de gua sellado, situado verticalmente en el interior del tanque (figura 9). Dentro del tubo, una pieza magntica o imn, suspendida por medio de una cinta o cable, sigue al flotador en su movimiento y mediante el cable y un juego de poleas arrastra el ndice de un instrumento situado en la parte superior del tanque. Adems, este instrumento puede tener interruptores de alarma y transmisor incorporados.Flotador Acoplado Hidrulicamente. El flotador acoplado hidrulicamente (figura 10) acta en su movimiento sobre un fuelle de tal modo, que vara la presin de un circuito hidrulico y seala a distancia, en el receptor, el nivel correspondiente. Permite distancias de transmisin de hasta 75 metros y puede emplearse en tanques cerrados. Sin embargo, requiere una instalacin y calibracin complicadas, y posee partes mviles en el interior del tanque. En general, los instrumentos de flotador tienen una precisin de 0.5 %. Adems son adecuados en la medida de niveles en tanques abiertos y cerrados a presin o al vaco, y son independientes del peso especfico del lquido.

Instrumentos de FlotadorFig. 8Fig. 9Fig. 10

Instrumento basados en la Presin HidrostticaEstos instrumentos miden el nivel de un lquido aprovechando la presin hidrosttica. Entre ellos, se mencionan el medidor manomtrico, el medidor de tipo burbujeo y el medidor de presin diferencial. Medidor Manomtrico:El medidor manomtrico (figura 11) consiste en un manmetro conectado directamente a la parte inferior del tanque, donde adems pueden observarse varios accesorios como son una vlvula de cierre para el mantenimiento del lquido, y un pote de decantacin con una vlvula de purga. El manmetro mide la presin debida a la altura h que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. De este modo, el campo de medida del instrumento corresponder a 0 - h g g pascal, donde h es la altura del lquido, g su densidad en kg/cm3 y g la aceleracin de la gravedad (9.8 m/s2). Como las alturas son limitadas, el campo de medida es bastante pequeo, de modo que el manmetro utilizado tiene un elemento de medida del tipo fuelle, el cual es utilizado frecuentemente para la medicin de presiones bajas. Medidor de tipo Burbujeo: Los sistemas de burbujeo (o de purga continua) realizan la medicin de nivel determinando la presin requerida para que un flujo constante de aire venza la presin hidrosttica de un lquido. Al salir el aire, lo hace a manera de burbujeo, de ah el nombre del sistema. El medidor de tipo burbujeo es el ms flexible y generalmente utilizado. Este instrumento coloca un tubo sumergido en el lquido, a travs del cual se hace burbujear aire mediante un rotmetro con regulador de caudal incorporado (figura 12), que permite mantener un caudal de aire constante a travs del lquido, independientemente del nivel. Si no existiera, habra una gran diferencia en los caudales de aire necesarios desde el nivel mnimo al mximo, producindose un gasto de aire indebido. La tubera empleada suele ser de pulgada con el extremo biselado para una fcil formacin de las burbujas de aire. Un rotmetro es un medidor de caudal de rea variable, en los cuales un flotador cambia su posicin dentro de un tubo, proporcionalmente al flujo del fluido. Cuando las burbujas escapan del tubo, la presin del aire en el interior de la tubera, medido mediante un manmetro de fuelles, corresponde a la presin mxima ejercida por el lquido. Por lo tanto, si se mide la presin dentro del tubo, se obtiene la medicin de nivel. De hecho, la ubicacin o elevacin del extremo del tubo de burbujas se convierte en el nivel de medicin cero. Por ejemplo, si se sumerge un tubo de burbujas en un tanque a 3.66 metros de la superficie del agua, se indicar una profundidad de 3.66 metros.

Instrumento basados en la Presin HidrostticaMedidor de Presin Diferencial:El medidor de presin diferencial consiste en un diafragma en contacto con el lquido del tanque, que mide la presin hidrosttica en un punto del fondo del tanque. En un tanque abierto, esta presin es proporcional a la altura del lquido en ese punto y a su peso especfico (figura 13). Es decir, P = H g g, en la que P es la presin, H la altura del lquido sobre el instrumento, g su densidad y g la aceleracin de la gravedad. El diafragma forma parte de un transmisor neumtico, electrnico o digital de presin diferencial semejante a los transmisores de caudal de diafragma. En el tipo ms utilizado, el diafragma est fijado en una brida que se monta rasante al tanque para permitir sin dificultades la medida de nivel de fluidos, tales como pasta de papel y lquidos con slidos en suspensin, pudiendo ser incluso de montaje saliente para que el diafragma enrase (nivele) completamente con las paredes interiores del tanque tal como ocurre en el caso de lquidos extremadamente viscosos en que no puede admitirse ningn recodo (ngulo).

Fig. 11Fig. 12Fig. 13

Las propiedades elctricas del lquidoSe conocen varios mtodos elctricos para medir niveles de lquidos, pero estos se emplean principalmente para regular el nivel en un punto o entre dos puntos sin ninguna medicin intermedia. Algunos de estos son el medidor de nivel conductivo, medidor de capacidad, medidor de nivel ultrasnico, el sistema de medicin de rayos gamma y el medidor de lser. Medidor de Nivel Conductivo.El medidor de nivel conductivo consiste en uno o varios electrodos y un rel elctrico o electrnico, dispositivo que abre y cierra un circuito, que es excitado cuando el lquido moja a dichos electrodos. El lquido debe ser lo suficientemente conductor para excitar el circuito electrnico, y de este modo el aparato puede discriminar la separacin entre el lquido y su vapor, y tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de agua de una caldera de vapor.La impedancia o resistencia mnima aparente del circuito es del orden de los 20 MW/cm, y la tensin de alimentacin es alterna para evitar fenmenos de oxidacin en las sondas por causa del fenmeno de la electrlisis. Cuando el lquido moja los electrodos se cierra el circuito electrnico y circula una corriente segura del orden de los 2mA. El rel electrnico dispone de un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del lquido o ante cualquier perturbacin momentnea o bien, en su lugar se disponen dos electrodos levemente separados enclavados elctricamente en el circuito.El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza rels elctricos para lquidos con buena conductividad (figura 14), y rels electrnicos para lquidos con baja conductividad(figura 15). Montados en grupos de 24 o ms electrodos, puede complementar los tpicos niveles de vidrio de las calderas, y se presta a la transmisin de nivel a la sala de control y a la adicin de alarmas correspondientes.Fig. 15Fig. 14

Las propiedades elctricas del lquidoMedidor de Capacidad. El medidor de capacidad mide la capacidad del condensador formado por el electrodo sumergido en el lquido y las paredes del tanque. La capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del lquido. En los fluidos no conductores (figura 16) se emplea un electrodo normal y la capacidad total del sistema se compone de la del lquido, la del gas superior y la de las conexiones superiores. En fluidos conductores (figura 17) con una conductividad mnima de 100 microhmnios/c.c, el electrodo est aislado usualmente con tefln interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del lquido y del gas. El circuito electrnico (puente de capacidades, figura 18) alimenta el electrodo a una frecuencia elevada, lo cual disminuye la reactancia capacitiva del conjunto y permite aliviar en parte el inconveniente del posible recubrimiento del electrodo por el producto. El sistema es sencillo y apto para muchas clases de lquidos. Sin embargo, hay que sealar que en los fluidos conductores, los slidos o lquidos conductores que se encuentran en suspensin o emulsin, y las burbujas de aire o de vapor existentes, aumentan y disminuyen respectivamente la constante dielctrica del fluido dando lugar a un error mximo de 3% por cada tanto por ciento de desplazamiento volumtrico. Por otro lado, al bajar el nivel, la porcin aislante del electrodo puede quedar recubierta de lquido y la capacidad adicional que ello representa da lugar a un error considerable.Fig. 17Fig. 16Fig. 18

Las propiedades elctricas del lquidoSistema Ultrasnico de Medicin de Nivel. El sistema ultrasnico de medicin de nivel se basa en la emisin de un impulso ultrasnico a una superficie reflectante y la recepcin del eco del mismo receptor. El retardo en la captacin del eco depende del nivel del tanque. Los sensores trabajan a una frecuencia de unos 20 khz. Estas ondas atraviesan con cierto amortiguamiento o reflexin del medio ambiente de gases o vapores y se reflejan en la superficie del slido o del lquido. En la figura 19 puede verse varias disposiciones de montaje de los detectores que se utilizan en los casos de alarmas o de indicacin continua del nivel. En las aplicaciones de alarma de nivel, los sensores vibran a una frecuencia de resonancia determinada, que se amortigua cuando el lquido los moja. En el segundo caso de indicacin continua de nivel, la fuente ultrasnica genera impulsos que son detectados por el receptor una vez transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de la onda a la superficie del slido o del lquido. En la figura 20 puede verse el diagrama de bloques de un sistema de medida de ultrasonidos. El sensor emisor dispone de un oscilador excitador para enviar un impulso ultrasnico a la superficie del fluido y el sensor receptor recibe esta seal reflejada enviando una seal funcin del tiempo transcurrido, y por lo tanto del nivel, a un indicador. En otras palabras, el nivel se mide en funcin del tiempo necesario para que la seal se desplace del transmisor a la superficie del lquido y retorne al receptor. La precisin de estos instrumentos es de 1 a 3 %. Son adecuados para todos los tipos de tanques y de lquidos o fangos, pudiendo construirse a prueba de explosin. Presentan el inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar seales errneas cuando la superficie del nivel del lquido no es ntida como es el caso de un lquido que forme espuma, ya que se producen falsos ecos de los ultrasonidos.Fig. 20Fig. 19

Las propiedades elctricas del lquidoSistema de Medicin por Rayos Gamma o Medidor Radiactivo. El sistema de medicin por rayos gamma (figura 21) consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geiger que transforma la radiacin gamma recibida en una seal elctrica de corriente continua. Como la transmisin de los rayos es inversamente proporcional a la masa del lquido en el tanque, la radiacin captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del lquido ya que el material absorbe parte de la energa emitida. Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos x, pero de longitud de onda ms corta. La fuente radiactiva pierde igualmente su radioactividad en funcin exponencial del tiempo. La vida media, es decir, el tiempo necesario para que el emisor pierda la mitad de su actividad, vara segn la fuente empleada. En el cobalto 60 es de 5.5 aos, en el cesio 137 es de 33 aos y en el americio 241 es de 458 aos. Las paredes del tanque absorben parte de la radiacin y al detector llega slo un pequeo porcentaje. Los detectores son, en general, tubos Geiger o detectores de cmara inica y utilizan amplificadores de corriente continua o de corriente alterna. El instrumento dispone de compensacin de temperatura, de linealizacin de la seal de salida, y de reajuste de la prdida de actividad de la fuente de radiacin, siendo este ltimo de extrema importancia para conservar la misma precisin de la puesta en marcha. Una de las desventajas en su aplicacin figuran el blindaje de la fuente y el cumplimiento de las leyes sobre proteccin de radiacin.Fig. 21

Las propiedades elctricas del lquidoMedidor Lser. En aplicaciones donde las condiciones son muy duras, y donde los instrumentos de nivel convencionales fallan, encuentra su aplicacin el medidor de nivel lser (figura 22). Es el caso de la medicin del metal fundido, donde la medida del nivel debe realizarse sin contacto con el lquido y a la mayor distancia posible por existir unas condiciones de calor extremas. El sistema consiste en un rayo lser enviado a travs de un tubo de acero y dirigido por reflexin 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 resolucin. El tiempo transcurrido es directamente proporcional a la distancia del aparato emisor a la superficie del metal fundido. Un microprocesador convierte este tiempo al valor de la distancia a la superficie del metal en fusin, proporcionando, de este modo, la lectura del nivel.Fig. 22

El DesplazamientoEste tipo de medidor de nivel (figura 23) consiste en un flotador parcialmente sumergido en el lquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsin unido rgidamente al tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque. El tubo de torsin se caracteriza fundamentalmente porque el ngulo de rotacin de su extremo libre es directamente proporcional a la fuerza aplicada, es decir, al momento ejercido por el flotador. El movimiento angular del extremo libre del tubo de torsin es muy pequeo, del orden de los 9. El tubo proporciona adems un cierre hermtico entre el flotador y el exterior del tanque donde se dispone el instrumento receptor del par transmitido. Segn el principio de Arqumedes, el flotador sufre un empuje hacia arriba que viene dado por la frmula F = S H g g, en la que F es el empuje del lquido, S la seccin del flotador, H la altura sumergida del flotador, g la densidad del lquido y g, la aceleracin de la gravedad. El momento sobre la barra de torsin est dado por M = (S H g g - P) l, donde l es el brazo del tubo de torsin y P el peso del flotador. Tal como se puede ver en la expresin anterior, al aumentar el nivel, el lquido ejerce un empuje sobre el flotador igual al volumen de la parte sumergida multiplicada por la densidad del lquido, tendiendo a neutralizar su peso propio, as que el esfuerzo medido por el tubo de torsin ser muy pequeo. Por el contrario, al bajar el nivel, una menor parte del flotador queda sumergida, de modo que la fuerza de empuje hacia arriba disminuye, resultando una mayor torsin.Fig. 23

Una vez descrita la investigacin se puede apreciar la importancia de utilizacin de los dispositivos de medidas de niveles tanto de lquidos como de slidos, para las empresas para mantener su funcionalidad operativa y as su continuidad productiva sin margen de error. Adems, que fortalecen los criterios de calidad en sus procesos de produccin.Sin embargo, es necesario las polticas de mantenimiento preventivo a estos equipos para asegurar su perfecto estado de operatividad y funcionamiento y evitar errores que puedan entorpecer los resultados finales en la produccin.

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