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miércoles, 18 de mayo de 2016

Medicion de caudal

Medición de caudal:

     Los fluidos están presentes en la mayoría de los procesos industriales, ya sea porque intervienen en forma directa en el proceso de producción o porque pertenecen a los circuitos secundarios necesarios. Sea por la razón que sea, los fluidos están ahí y, por tanto, hay que controlarlos, para lo que es necesario saber en todo momento cuáles son las principales características de los fluidos, que pueden variar mucho de una aplicación a otra. En el mercado existe una gran variedad de medidores, tanto desde el punto de vista de tamaños y rangos de operación como de principios de funcionamiento. Esto es debido a que se intenta conseguir la máxima precisión para la mayor cantidad de aplicaciones.

Movimiento de fluidos:

     El estudio del movimiento de los fluidos se puede realizar a través de la dinámica como también de la energía que estos tienen en su movimiento. Una forma de estudiar el movimiento es fijar la atención en una zona del espacio, en un punto en un instante t, en el se especifica la densidad, la velocidad y la presión del fluido. En ese punto se examina lo que sucede con el fluido que pasa por él. Al movimiento de un fluido se le llama “flujo” y dependiendo de las características de este se les puede clasificar en:
(a) Flujo viscoso y no viscoso: los flujos viscosos son aquellos que presentan resistencia al avance. Todos los fluidos reales son viscosos.
(b) Flujo incompresible y compresible: Los flujos incompresibles son aquellos en que la densidad (ρ = Masa/Volumen) prácticamente permanece constante.
(c) Flujo laminar y turbulento: en el flujo laminar, el fluido se desplaza en láminas o capas paralelas. En el turbulento las partículas se mueven siguiendo trayectorias muy irregulares.
(d) Flujo permanente: si las propiedades como la densidad, la velocidad, la presión no cambian en el tiempo en un punto del espacio, entonces se dice que el flujo es permanente, pudiendo cambiar de un punto a otro.

Principios de funcionamiento:
     El principio de funcionamiento hace referencia al fenómeno físico en que se basa el medidor, y es una característica de diseño. Para los medidores de caudal volumétricos, los principales sistemas son presión diferencial, área variable, velocidad, tensión inducida, desplazamiento positivo y vórtice. Para los másicos se deben destacar el sistema térmico y el sistema basado en la fuerza de Coriolis.
La fórmula para el caudal para este tipo de funcionamiento se deduce de la aplicación del teorema de Bernouilli. Este teorema relaciona la energía cinética, la potencial y la presión de un fluido en diferentes puntos de la vena fluida. Mediante la interposición de un Diafragma, una Tobera, un tubo Venturi, un tubo Pitot o un tubo Annubar, se puede relacionar el cambio de velocidad y presión que experimenta el fluido con el caudal.

Clasificación de los transductores y características:
Existen varios métodos para medir el caudal según sea el tipo de fluido, la precisión deseada, el control requerido y el tipo de caudal volumétrico o másico. En el presente capítulo, se nombrarán y se explicarán algunos de ellos, dándole más importancia a los medidores volumétricos que al los de caudal masa, pues los primeros son los que se utilizan más frecuentemente.

         Existen numerosos tipos de medidores y transmisores:
Elementos deprimógenos
-          Transmisores de presión
-          Másicos (Coriolis)
-          Desprendimiento de vórtices (Vortex)
-          Ultrasónicos
-          Electromagnéticos
-          Otros
Elementos deprimógenos:
Deprimógeno:
     Se denomina así al elemento primario cuya instalación produce una diferencia de presiones(pérdida de carga), que se vincula con el caudal que circula, en una relación determinable. Los elementos deprimógenos más usados son:
- Placa orificio
- Tuvo Venturi
- Boquilla / Codo
- Tubo Pitot / Annubar
- Cuña


Placa orificio:
      Una placa orificio es una restricción con una abertura más pequeña que el diámetro de la cañería en la que está inserta. La placa orificio típica presenta un orificio concéntrico, de bordes agudos. Debido a la menor sección, la velocidad del fluido aumenta, causando la correspondiente disminución de la presión. El caudal puede calcularse a partir de la medición de la caída de presión en la placa orificio, P1-P3. La placa orificio es el sensor de caudal más comúnmente utilizado, pero presenta una presión no recuperable muy grande, debido a la turbulencia alrededor de la placa, ocasionando un alto consumo de energía. En la (figura 1) se muestra la placa orificio.



Figura 1.  Placa Orificio
Fuente: CREUS,A. (2010). Instrumentación Industrial.



Ventajas
         Es una forma sencilla de medir caudal (es una chapa precisamente agujereada).
         Es importante diferenciar entre una medición de proceso y una medición fiscal.
         En ciertos casos, cuando circula gas se utiliza un transmisor multivariable.
         Suelen requerir arreglos de piping específicos para poder cumplimentar con sus importantes requisitos de tramos rectos.
Tubo Venturi
     El tubo Venturi es similar a la placa orificio, pero está diseñado para eliminar la separación de capas próximas a los bordes y por lo tanto producir arrastre. El cambio en la sección transversal produce un cambio de presión entre la sección convergente y la garganta, permitiendo conocer el caudal a partir de esta caída de presión. Aunque es más caro que una placa orificio, el tubo Venturi tiene una caída de presión no recuperable mucho menor.En la (figura 2) se muestra el tubo venturi.

Figura 2. Tubo venturi.
Fuente: CREUS, A. (2010). Instrumentación Industrial.


Boquilla y codo
     Una boquilla es una restricción con una sección de aproximación de contorno elíptico que termina en una garganta de sección circular. Se mide la caída de presión entre un diámetro aguas arriba y un diámetro y medio aguas abajo de la cañería. Las boquillas
proveen una caída de presión intermedia entre la placa orificio y el tubo Venturi.En la (figura 3) se puede observar  la boquilla y codo.
     El codo produce un cambio de dirección en el flujo del fluido en una cañería, generando una presión diferencial, resultante de la fuerza centrífuga. Dado que en las plantas de procesos se dispone de codos, el costo de estos medidores es muy bajo. Sin embargo la exactitud es muy pobre.



Figura 3. Boquilla y codo.
Fuente: instrumentación. Antonio Creus.


Annubar:
     Es una versión mejorada del tubo pitot, y se basa en medir la presión estática y la total. Con la diferencia que se obtiene la velocidad del fluido, y conociendo la sección se obtiene el caudal. Los Diafragmas, Toberas, y los tubos venturi se basan en cambiar el perfil de la vena fluida y, por consiguiente, su velocidad y presión; en cambio tanto los tubos Pitot como los Annubar se basan en introducir un sensor dentro de la tubería, intentando que no afecten la vena fluida. En la (figura 4) se muestra el dispositivo annubar.





Figura 4. Tubo Annubar.
Fuente: http://sagautomation.com/Files/Emerson/Measurement/measurementprod.html(2014)

Rotámetros: 
     Son medidores de caudal en tuberías de área variable, de caída de presión constante. El Rotámetro consiste de un flotador (indicador) que se mueve libremente dentro de un tubo vertical ligeramente cónico, con el extremo angosto hacia abajo. El fluido entra por la parte inferior del tubo y hace que el flotador suba hasta que el área anular entre él y la pared del tubo sea tal, que la caída de presión de este estrechamiento sea lo suficientemente para equilibrar el peso del flotador. El tubo es de vidrio y lleva grabado una escala lineal, sobre la cual la posición del flotador indica el gasto o caudal. En la (figura 5) se muestra diversos tipos de rotámetros.




Figura 5. Rotámetros.
Fuentehttp://tarwi.lamolina.edu.pe/~dsa/Medidores.htm(2014).


Caudalímetro:
     Es un instrumento de medida para la medición de caudal o gasto volumétrico de un fluido o para la medición del gasto másico. Estos aparatos suelen colocarse en línea con la tubería que transporta el fluido. También suelen llamarse medidores de caudal, medidores de flujo o flujómetros.

Tipos de Caudalímetros:

(a) Mecánico de molino:
Consisten en un molino cuyas aspas están transversales a la circulación de fluido. El flujo hace girar el molino cuyo eje mueve un contador que acumula lecturas. Un ejemplo de este uso son los contadores de agua de las viviendas o los antiguos contadores de gas natural.

(b) Electrónicos de molino: 

     Sus partes mecánicas consisten en un molino con aspas transversales a la circulación de flujo, el molino tiene en un extremo un imán permanente. Cuando este imán gira genera un campo magnético variable que es leído por un sensor de efecto de campo magnético (sensor de efecto Hall), después el circuito electrónicolo convierte en pulsos que transmite a través de un cable.

En otra versión de este tipo de caudalímetro se instalan imanes en los extremos de las aspas. Al girar los imanes pasan cerca de un reedswitch que cuenta los pulsos. La desventaja de este diseño está en la limitación de las revoluciones por minuto (RPM) que puede alcanzar a leer un reedswitch. También existe de tipo de caudalímetro de molino en versión transparente donde solo se requiera confirmar que existe circulación sin importar el caudal. En la (figura 6) se muestra el caudalimetro electronico de molino.



Figura 6. Caudalimetros electrónicos de molino.
Fuente: http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf(2014).

(c) Magnéticos:

     Están basados en la ley de Faraday que enuncia que el voltaje inducido a través de un conductor que se desplaza transversal a un campo magnético es proporcional a la velocidad del conductor.


     Aplicamos un campo magnético a una tubería y medimos su voltaje de extremo a extremo de la tubería. Este sistema es muy poco intrusivo pero solo funciona con líquidos que tengan algo de conductividad eléctrica. Es de muy bajo mantenimiento ya que no tiene partes móviles. En la (figura 7) se muestra el caudalimetro magnético.




Figura 7. Caudalimetro magnético.
Fuente:http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf  (2014).


(d) Vortex:

     Está basado en el principio de generación de vórtices. Un cuerpo que atraviese un fluido generará vórtices flujo abajo. Estos vórtices se forman alternándose de un lado al otro causando diferencias de presión, esta son censadas por un cristal piezoeléctrico. La velocidad de flujo es proporcional a la frecuencia de formación de los vórtices. Son equipos de bajo mantenimiento y buena precisión. En la figura 8 se muestra el caudalimetro de vortex.

(e) Ultrasónicos:
     Son alimentados eléctricamente, y es posible encontrar dos tipos según su principio de medición: de efecto Doppler y de tiempo de tránsito; este último consiste en medir la diferencia entre el tiempo que le toma a dos señales atravesar una misma distancia, pero en sentido contrario utilizando como medio un fluido. Si el caudal del fluido es nulo, los tiempos serán iguales, pero cuando hay flujo los tiempos serán diferentes, ya que las
velocidades de las señales serán afectadas por la del fluido cuyo caudal se desea determinar; esta diferencia de tiempo más el conocimiento sobre la geometría de la cañería y la velocidad del sonido en el medio permiten evaluar la velocidad del fluido o el caudal. En la (figura 9) se muestra el caudalimetro de ultrasonido.




Figura 8. Caudalimetro de vortex.
Fuente: http://www.iquimica.com/nota.asp?Id=1520 (2014).



Figura 9. (a) Caudalimetro de tiempo de vuelo. (b) Caudalimetro de efecto doppler.
Fuente:http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf (2014).



     Los de tiempo de tránsito son más exactos que los de efecto Doppler, pero para obtener lecturas se requiere que los fluidos tengan un bajo porcentaje de impurezas; en caso contrario, los de efecto Doppler son de utilidad y entregan una muy buena señal, ya que su principio de funcionamiento se basa en el cambio de frecuencia de la señal reflejada sobre algún elemento que se mueve con el fluido.
La exactitud de estos sistemas de medición es muy dependiente del cumplimiento de los supuestos de flujo laminar.

(f) Diferencial de temperatura:

      Se colocan dos termistores y en el centro de ellos una pequeña resistencia calentadora. Si ambos termistores leen la misma temperatura el fluido no está circulando. Según aumenta el flujo uno de los termistores lee la temperatura inicial fluido mientras que el otro lee el fluido calentado. Con este sistema no solo se puede leer el caudal, sino que además se sabe el sentido de circulación.

     La ventaja de este tipo de caudalímetro es que se puede conocer la cantidad de masa del fluido que ha circulado y las variaciones de presión en el fluido; afectan poco a la medición. En la (figura 10) se muestra la medición de caudal por diferencial de temperatura.


Figura 10. Medidor de temperatura.
Fuente:http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf (2014).

Medidores de desplazamiento positivo:
      Los medidores de desplazamiento positivo miden el caudal volumétrico contando o integrando volúmenes separados del líquido. Las partes mecánicas de éstos instrumentos se mueven aprovechando la energía del fluido en movimiento. La precisión depende de los espacios entre las partes móviles y las fijas y aumenta con la calidad de la mecanización y con el tamaño del instrumento. Dentro de los medidores de desplazamiento positivo se encuentran: el medidor de disco giratorio y el medidor de pistón alternativo. 

Medidor de disco giratorio:
     El instrumento está compuesto por una cámara circular con un disco plano móvil el cual posee una ranura en la que está intercalada una placa fija. Esta placa separa la entrada de la salida e impide el giro del disco durante el paso del fluido. La cara baja del disco está siempre en contacto con la parte inferior de la cámara, mientras que su parte superior roza con la parte superior de la cámara en el lado opuesto. De este modo la cámara está dividida en compartimientos separados de volumen conocido. Cuando pasa el fluido, el disco toma un movimiento de giro inclinado como un trompo caído y su eje transmite el movimiento a un tren de engranajes de un contador mecánico (figura 13). Este instrumento se utiliza en aplicaciones domésticas para la medición de consumo de agua, se utiliza industrialmente en la medición de caudales de agua fría, agua caliente, aceite y líquidos alimenticios. La precisión es de ±1% a 2 %. En la (figura 11) se muestra el medidor de caudal de disco giratorio.



Figura 11. Medidor de disco giratorio.
Fuente:http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf (2014).

Medidor de pistón alternativo:
     El medidor de pistón convencional (figura 14) es el más antiguo de los medidores de desplazamiento positivo. Básicamente, está compuesto por un cilindro en donde se aloja el pistón y las válvulas que permiten la entrada y salida del líquido en su interior. El instrumento se fabrica en muchas formas: de varios pistones, pistones de doble acción, que son los que el líquido se encuentra en ambas caras del pistón, válvulas rotativas, válvulas deslizantes horizontales, etc. Algunos caudalímetros, en lugar de tener válvulas, poseen lumbreras por donde entra y sale el líquido del cilindro, en este caso, es el pistón quien se encarga de abrirlas o cerrarlas con su cara lateral. En la (figura 12) se muestra el medidor de pistón alternativo.



Figura 12. Medidor de pistón alternativo.
Fuente: http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/procesos/apuntes/Medicion_de_Caudal.pdf.(2014).



Medidor de Coriolis:

     El teorema de Coriolis dice que la aceleración absoluta de un móvil es la resultante de la relativa, la de arrastre y la de Coriolis. Los medidores de caudal másico basados en este teorema son de dos tipos. El primer tipo consta de un tubo en forma de W, el cual se hace vibrar perpendicularmente al sentido del desplazamiento del flujo. Esta vibración controlada crea una fuerza de aceleración en la tubería de entrada del fluido y una fuerza de deceleración en la  de salida, con lo que se genera un par que provoca la torsión del tubo, que es proporcional a la masa instantánea del fluido circulante. El segundo tipo está formado por dos tubos paralelos; estos se hacen vibrar de forma controlada  a su frecuencia de resonancia. Con los sensores adecuados (generalmente ópticos) se detecta la fase de la vibración y con ella el caudal masa, ya que es proporcional. Cuando el caudal masa es cero, la diferencia de fase también es nula. La gran ventaja de los caudalímetros basados en la aceleración de coriolis es que son inmunes a prácticamente todo: presión (tanto nominal  como posibles pulsaciones), temperatura (excepto variaciones bruscas), densidad, viscosidad, perfil del flujo, y flujos multifase (con sólidos en suspensión).  En la (figura 13) se muestra el medidor de Coriolis.




Figura 13. Vista interior del medidor de coriolis.





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VIDEO DE MEDICION DE CAUDAL







martes, 17 de mayo de 2016

Medicion de nivel

Medición de nivel

    El nivel es una de las variables de proceso más utilizada para el gobierno de las plantas industriales, pero muy especialmente en el control de almacenamiento tanto de materias primas como de productos acabados. En general, en las medidas de nivel para el control de procesos no se requiere una gran precisión, salvo en los casos de dosificación por llenado de depósitos, mientras que en el caso de medida de almacenamiento la precisión es fundamental. En la selección del tipo de medidor tienen preferencia, técnicamente, los medidores estáticos frente a los que tienen partes móviles y los que no necesitan contacto con el fluido o, incluso, son exteriores al recipiente, así como los que requieren menor modificación en la estructura del recipiente y sus soportes, especialmente cuando éstos están construidos. En cuanto a métodos de medición de nivel, se puede decir que hoy en día apenas existe algún efecto físico que no se emplee como base para un método de medición de niveles, de modo que se dispone de una amplia gama de técnicas de medición y, por ello, no siempre resulta fácil la elección del método de obtención de lecturas que se adapte mejor a los requerimientos específicos de una instalación. Antes de la llegada de la tecnología de los semiconductores, la mayoría de los métodos se basaban en principios mecánicos y/o neumáticos. Actualmente los métodos de
medición más comunes se pueden clasificar de la siguiente forma:

• Instrumentos de medida directa.
• Instrumentos basados en la presión hidrostática
• Instrumentos basados por métodos electromecánicos.
• Instrumentos basados en medición de carga.
• Detección de nivel por método de horquillas vibrantes.
• Detección de niveles por conductividad.
• Medición de nivel por capacidad.
• Medición y detección de nivel por ultrasonidos.
• Medición y detección de nivel por microondas.
• Detección y medición radiométrica de niveles


Medición de nivel de sólidos.

Medición de nivel de Líquidos.


 INSTRUMENTOS DE MEDIDA DIRECTA.

 Método de la mirilla de nivel.
    Se puede obtener una indicación visual del nivel en líquidos razonablemente limpios si parte del líquido si parte del tanque o contenedor esta fabricado con algún material transparente . Si la mirilla de nivel se monta en una tubería de derivación con llaves de paso en cada extremo se logra aislarla del estanque principal, lo cual permite su retiro para mantención.



Figura medición de mirilla de nivel.



Método de barra calibrada.
    Este es un método manual muy simple igualmente aplicable a líquidos y a sólidos granulados. En silos muy altos se emplean flejes de acero con un contrapeso en su extremo.  La aplicación mas familiar de una barra calibrada es la varilla empleada para comprobar el nivel del aceite de un motor de automóvil.

Ventajas:
• Sencillo y de bajo costo.

Desventajas:
• Poco apropiado para procesos industriales.
• No dispone de salida electrónica.
• Requiere empleo de escaleras.
• No es apropiado para recipientes a alta presión.

Figura de método de nivel de barra calibrada.

Switch de flotador.
    Es el switch de nivel más conocido y simple. Consiste en un cuerpo flotante (flotador) montado sobre un brazo móvil y acoplado magnéticamente a un microinterruptor (externo al proceso). También hay versiones que consisten en un flotador redondo con un pequeño imán que sube a lo largo del tubo. En el tubo hay uno o varios relés de láminas. Los relés de láminas harán conmutar el relé a medida que el flotador (imán) pase.

Ventajas:
• Relativamente sencillo.
• Adecuado para muchos productos y de bajo costo.

Desventajas:
• Requiere un cierto montaje.
• Punto de conmutación no reproducible.
• Mal funcionamiento en caso de adherencias y no es a prueba de fallos.
(a) Flotador normal. (b) Flotador con imán.




                                        Figura 1 de medición con switch.
Figura 2 de medición con switch.



Método de flotador/cuerda.
   Al igual que el caso anterior consiste en un flotador pero que en este caso se utiliza para la medición continua de nivel. La forma más simple de un sistema de este tipo consiste en un flotador, un cable fino, dos agarres y un peso suspendido en la parte exterior del
tanque abierto. En la parte exterior se coloca una escala graduada y la posición del peso a lo largo de la escala indica el nivel del contenido del tanque.

Ventajas:
• Relativamente sencillos.
• Adecuados para diversos productos.
• Muy precisos.

Desventajas:
• Requiere cierta cantidad de equipo mecánico.
• No suele ser adecuado para aplicaciones en proceso. Los sistemas industriales
emplean el sistema de (servo) flotador aplicados con dispositivos de ingeniería
mecánica y electrónica.



                               Figura de medición con flotador.



INSTRUMENTOS BASADOS EN LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA

Medidores manométricos y de presión diferencial.
    Este método se basa en la medición de la presión hidrostática correspondiente a una columna de líquido de una altura determinada. La presión se calcula mediante la expresión:
P=h· ·g
Donde:
P = presión;
h = altura de la columna de líquido;
g = aceleración de gravedad;
= densidad relativa;
A partir de la formula se observa que si la densidad efectiva del medio es constante, la única variable es h. Así, la presión es directamente proporcional a la altura h, es decir, al nivel del líquido en el tanque. La presión hidrostática de la columna de líquido se mide directamente con un transmisor de presión o de presión diferencial.

   La medición de nivel con transmisor de presión se utiliza preferentemente en tanques abiertos expuestos a la atmósfera. En estos casos, la presión medida es igual a la presión de la columna de líquido + la presión atmosférica (presión en la superficie). La presión en la superficie suele ser despreciable porque la mayoría de los sensores de presión disponen de dispositivos que compensan la presión atmosférica. Para estos casos, los transmisores se montan en la parte más baja del tanque. Si el sensor no se puede montar directamente en el lateral del tanque al nivel adecuado, se puede montar en el extremo de una barra o cable y bajarlo desde la parte superior del tanque hasta la profundidad oportuna. Cuando la presión de la superficie del líquido es mayor que la presión atmosférica (tanques cerrados-presurizados), se puede emplear un sensor de presión diferencial, el cual mide por un lado la presión total ejercida al fondo del estanque, y por otro lado la presión en la superficie. La presión de la superficie se resta de la presión total, quedando la presión correspondiente a la columna de líquido. La medición de presión diferencial requiere de dos sensores, pero también se puede llevar a cabo directamente con una célula de medición de presión diferencial.

Ventajas:
• Montaje sencillo.
• Fácil de ajustar.
• Precisión razonable.
• Amplio uso en aplicaciones de la industria alimentaria, donde se manejan productos
con viscosidades cambiantes.

Desventajas:
• Dependiente de la densidad relativa.
• Relativamente costoso para mediciones de presión diferencial.



Figura 1  medición de nivel con manométricos y de presión diferencial.

Figura 2 medición de nivel con manométricos y de presión diferencial.

Método por burbujeo.
    En este método se mide la presión hidrostática en un tanque insertando un tubo delgado en el líquido y aplicando aire comprimido en el tubo de modo que se empuja hacia abajo la columna de líquido del tubo hasta que salgan burbujas de aire al líquido. Estas burbujas dan su nombre al método. La presión del aire en el tubo es entonces igual a la presión de la columna de líquido y se puede medir con un transmisor de presión, que convierte la presión en una señal eléctrica. El aire comprimido se puede obtener a partir del conducto principal de aire mediante una válvula manoreductora o con un minicompresor.

Ventajas:
• Montaje sencillo.
• Adecuado para sustancias corrosivas.

Desventajas:
• Requiere líneas de aire y consumo de aire.
• Peligro de acumulación del medio en el tubo.
• No es adecuado para uso en recipientes presurizados.



Figura de medición de nivel por método de burbujeo.


INSTRUMENTOS BASADOS EN MÉTODOS ELECTROMECÁNICOS.

 Método por desplazamiento.
    El método por desplazamiento de un cuerpo se basa en la diferencia entre el peso del cuerpo y la fuerza de flotación hacia arriba que el medio ejerce sobre el cuerpo de desplazamiento (Ley de Arquímedes). La fuerza de flotación hacia arriba depende del volumen del cuerpo de desplazamiento, la densidad relativa y el nivel del medio. Debe cumplirse la condición de que para que el cuerpo se desplace, debe ser más pesado que el medio (densidad especifica mayor que el medio). La fuerza diferencial se transmite frecuentemente a un transductor de medición por un sistema de barra de torsión de manera que el equipo se mantenga sellado. El transductor empleado en el método por desplazamiento de un cuerpo es un transductor de desplazamiento eléctrico o transductor de fuerza. Ejemplo de este tipo de instrumentos son los servodispositivos de nivel. Este instrumento mide el peso aparente del “desplazador”. Si el peso aparente del desplazador es muy alto, el desplazador está muy arriba en el producto, y cuando el nivel baja, la fuerza ascendente que ejerce el producto sobre el desplazador es menos intensa. Si el desplazador pesa poco, se hunde mucho en el producto, y cuando el nivel sube, el producto ejerce sobre el desplazador una fuerza ascendente más intensa. El servomotor se basa en las diferencias de nivel y en la fuerza de flotación y se controla de modo que siempre haya una situación de
equilibrio. La figura 2.3.8 muestra un servodispositivo de nivel; el hilo de medición se desenrolla o se enrolla en un tambor hecho con una gran precisión y va acoplado a un codificador mediante el cual se puede medir la posición del tambor (y por tanto, el nivel del producto).

Ventajas:
• Precisión.
• Adecuado para aplicaciones en GPL, tanques subterráneos, almacenamiento
criogénico.

Desventajas:
• Depende de la densidad relativa del medio.
• Requiere una cantidad importante de equipamiento mecánico.




Figura de Método por desplazamiento.


Método de supresión de la rotación.
    En este tipo de switch de nivel, un pequeño motor eléctrico sincrono hace girar una pequeña paleta mediante un mecanismo de engranajes reductor. Cuando el producto ofrece resistencia al movimiento de la paleta, el sistema de transmisión de la rotación montado sobre rodamientos se mueve, activando un microinterruptor que emite una señal de nivel. Este tipo de switchs de nivel, denominados interruptores de paleta rotativa, es solo adecuada para áridos.

Ventajas:
• Para procesos sencillos y en casos en que se prevean adherencias del producto..
• Bajo costo.
• No requiere ajuste.

Desventajas:
• Sujeto a desgastes.
• No es adecuado para productos demasiados ligeros o demasiados densos.



Figura de método de supresión de la rotación.


 Sistema de medición por plomada.
    En estos sistemas se sondea desde la parte superior del silo la superficie del producto y se compara con la con la altura del silo. La diferencia es el nivel del producto. Este tipo de indicadores se conocen como silopilots. Un silopilots consiste en un peso sensor que cuelga en el interior del silo de un cable o fleje enrollado a un tambor impulsado por un motor. Cuando el motor se arranca, ya sea
manualmente o automáticamente por un relé temporizador, un contador se pone a cero, que representa la altura total del silo en centímetros o decímetros. A medida que el motor hace descender el peso sensor, la rueda envía un impulso a través del fleje de medición por cada centímetro o decímetro bajado y éste se resta de la lectura del contador. Cuando el peso toca la superficie del producto, el fleje se destensa, lo cual es detectado y el motor pasa a
girar en sentido contrario, los impulsos dejan de enviarse y el fleje se vuelve a enrollar en el tambor. Luego, el peso se queda en la parte superior del silo y el contador permanece con la ultima altura medida hasta que le llega una señal para que la medición se repita.

Ventajas:
• Adecuado para silos muy altos de mas de 30 m.
• Precisión razonable (+/- 100 mm).
• Adecuado para diversos productos, como materiales áridos de grano grueso (como
cal, piedra, grava o carbón mineral).

Desventajas:
• Entrega mediciones discretas.
• Requiere mantenimiento.


Figura de Sistema de medición por plomada.


INSTRUMENTOS BASADOS EN MEDICIÓN DE CARGA.

Método de pesaje.
   Este método indirecto de medición de nivel es adecuado para líquidos y áridos, y consiste en montar en el tanque entero o el silo las llamas células de carga. Los transductores de peso se basan mayoritariamente en el principio del electroelongámetro.

Pero en este caso no se mide el nivel, sino el peso. Por razones de seguridad, siempre debe haber un interruptor de nivel alto independiente.

Ventajas:
• Puede proporcionar una medición de nivel muy precisa para productos con densidad relativa constante; mas que le nivel, mide el peso.

Desventajas:
• Requiere una gran cantidad de equipamiento mecánico.
• Es muy caro.



Figura de método de pesaje.


Detectores tipo diafragma.
   Este tipo de elementos se utiliza comúnmente como switch de nivel en materiales áridos . La fuerza ejercida por el medio sobre la superficie del diafragma es captada por el dispositivo el cual envía una señal de nivel. El switch actúa cuando la gravedad específica es superior a 50% para harina, arroz y pellet de PVC, y en casos como el café instantáneo cuando se supera el 80%. Este tipo de dispositivos es comúnmente montado externamente sobre una pared delgada, pero también puede encontrarse montado sobre la pared interior del estanque o suspendido en el interior de este.



Figura de detectores tipo diafragma.


MEDICIÓN DE NIVEL POR MÉTODO DE HORQUILLAS VIBRANTES.
   Este método solo es adecuado para switch de nivel y consiste en una horquilla oscilante o giratoria preparada para que oscile en el aire a su frecuencia de resonancia. Si la horquilla se recubre de producto, la frecuencia de resonancia se reduce o se amortigua completamente. Esta variación de frecuencia se detecta y se transmite por una señal de salida. El tipo de horquilla empleada y su frecuencia de resonancia dependerán del producto que se quiera medir. Para áridos granulados o pulverizados se emplea un diapasón (120 Hz), y para líquidos y lodos se usa una horquilla oscilante (1000 Hz).

Ventajas:
• No se requiere ajuste.
• Montaje sencillo.
• Funcionamiento seguro.
• Relativamente baratos.
• Para aplicación universal (líquidos y sólidos). En líquidos apto para aplicaciones con jarabes, salsas y lodos. En sólidos adecuado para muchos tipos de áridos, tales como granulados de poliestireno, leche en polvo, detergentes en polvo, granulados de plástico, aserrín, rebajes o harina.

Desventajas:
• No adecuado para tamaño de grano o de partículas en suspensión en líquidos de más de 10 mm, puesto que los gránulos pueden quedar atrapados entre las horquillas.
• Limitaciones de presión y temperatura.



Figura de medición de nivel POR MÉTODO DE HORQUILLAS VIBRANTES.


 DETECCIÓN DE NIVELES POR CONDUCTIVIDAD.
   Este método solo es adecuado para detección de nivel en líquidos conductivos. Se basa en el principio de que la presencia de un producto causa un cambio en la resistencia entre dos conductores.


   Se puede obtener fácilmente una indicación de nivel de productos conductores de electricidad en un tanque metálico o en otro contenedor mediante una sonda aislada del recipiente y un amplificador conductivo. Si el producto no esta en contacto con la sonda, la resistencia eléctrica entre la sonda y la pared del tanque es muy elevada e incluso infinita. Cuando el nivel del producto se eleva cierra el circuito entre la sonda y la pared del estanque, y la resistencia disminuya a valores relativamente bajos.



 FIGURA DE DETECCIÓN DE NIVELES POR CONDUCTIVIDAD.

   Generalmente la pared metálica del tanque se puede emplear como el segundo electrodo, pero si esto no resulta, se debe introducir otro electrodo en el tanque. Es preferible que la sonda esté conectada a corriente alterna que a corriente continua puesto que, de este modo, se evita el fenómeno de electrólisis, que oxida la sonda. Para detección de niveles mínimos o máximos, se detecta la variación en los valores de resistencia por medio de un filtro amplificador selectivo. Este dispositivo se puede usar de alarma o activando un relé. La resistencia de producto Rx se conecta en puente de Wheatstone con la sonda y la conexión a tierra (pared del tanque u otra sonda). Con un potenciómetro, Rv, se equilibra el puente; entonces, el relé de salida queda a cero. Cuando el producto alcanza el nivel de la sonda, el valor de Rx cambia, el puente se desequilibra y el relé se activa.



FIGURA DE CIRCUITO BASICO PARA DETECCION DE NIVELES.



   La sensibilidad de este tipo de aparatos puede ser modificada; esto permite ajustar el dispositivo para detectar la presencia de espuma en caso necesario.



FIGURA DE DETECCIÓN DE ESPUMA.


Ventajas:
• Sencillo.
• Bajo costo.
• Adecuado para control en dos puntos.

Desventajas:
• Se debe evitar que la sonda se ensucie de grasa u otros materiales de deposición.
• Esta restringido a productos de conductividad variable.



MEDICIÓN DE NIVEL POR CAPACIDAD.
   En este tipo de dispositivos, una sonda metálica y la pared misma del tanque o silo actúan como dos placas de un condensador. La capacidad de este condensador depende del medio que haya entre la sonda y la pared. Si solo hay aire, es decir, si el tanque o silo esta
vacío, la capacidad del conductor es baja. Cuando parte de la sonda esté cubierta por el producto, la capacidad se incrementará. El cambio de capacidad se convierte mediante una amplificador en una acción de relé o en una señal de salida analógica. Por ello, este método es igualmente adecuado como indicador de nivel (disposición vertical de la sonda) y como switch de nivel (sonda en disposición horizontal). 

   Para realizar la medición de nivel por variación de capacidad, el condensador se conecta a un circuito de corriente alterna de lata frecuencia, de modo que el cambio de en lacapacidad C, que es el cambio de nivel, se puede convertir en señal eléctrica. La figura de sensores de nivel capacitivo muestra un condensador conectado a una fuente de corriente alterna, conocido como oscilador de alta frecuencia. La corriente que pasa por el circuito es directamente proporcional al valor C de la capacidad.

    Un oscilador colocado en el cabezal de la sonda convierte los cambios de capacidad en variaciones de voltaje o frecuencia. Esta variación se convierte mediante un relé en un switch de capacidad o en un indicador de nivel por capacidad por señal estándar. En fluidos no conductores, se emplea una sonda (electrodo) normal, mientras que en fluidos conductores, con una conductividad mínima de 100 microhmios/c.c. el electrodo está aislado usualmente con teflón. Otra característica de este tipo de sensores es que se puede emplear para medir la altura de la capa de separación entre dos productos (interfase).

Ventajas:
• Aplicable para medición de líquidos y sólidos.
• No tiene partes móviles.

• Adecuado para medios altamente corrosivos.

Desventajas:
• Su aplicación esta limitada a productos con propiedades eléctricas variables.


FIGURA DE SENSORES DE NIVEL CAPACITIVO.


FIGURA DE MEDICIÓN DE LA VARIACIÓN DE CAPACIDAD.





MEDICIÓN Y DETECCIÓN DE NIVEL POR ULTRASONIDOS.

Detección de nivel por ultrasonidos.
     La detección de niveles por ultrasonidos mide la diferencia entre los tiempos deresonancia de una señal de sonido emitida desde un sensor montado en la pared de untanque y la misma señal recibida de vuelta por el mismo sensor.El sensor, que esta ajustado acústicamente respecto a la pared de un contenedor delíquido (tanque o recipiente), genera un corto impulso de ultrasonidos que se mantiene enresonancia localmente respecto a la pared. Las frecuencias de resonancia son distintasdependiendo de que exista o no líquido directamente bajo el sensor. El sensor detecta la diferencia de tiempos de resonancia correspondientes a un “vacío” y un “lleno” y activa una señal de salida.
    Cuando se monta el sensor, se ajusta a una longitud de onda adecuada para que entre en resonancia respecto a la pared cuando el recipiente este vacío. El mismo procedimiento se lleva a cabo cuando el recipiente se llena y cubre de líquido el punto bajo que donde el instrumento esta instalado.
     La aplicación de este tipo de sensores es común en donde se requiere una medición no invasiva, ya sea porque el producto pueda contaminar, o ser venenoso, corrosivo o no homogéneo.


Figura de detección de nivel por ultrasonidos.



Medición de niveles por ultrasonido (tiempo de retorno de la señal).
     El método de reflexión del sonido se basa en el tiempo de retorno de un pulso de sonido emitido por un sensor. El pulso ultrasónico emitido se refleja en la superficie del producto y el mismo sensor vuelve a detectarlo. El tiempo de retorno de la señal es una medida de la altura de la sección vacía del tanque. Si a esta distancia se le resta la altura total del tanque, se obtiene el nivel del producto. El tiempo de retorno se convierte en una señal de salida analógica.

Ventajas:
• No hay contacto con el producto.
• Adecuado para diversos líquidos y materiales granulados.

Desventajas:
• El producto no debe producir demasiada espuma en la superficie.
• El método no es adecuado a altas presiones ni altas temperaturas.
• No es aplicable en condiciones de vacío.



Figura de tiempo de retorno por ultrasonido.



MEDICIÓN Y DETECCIÓN DE NIVEL POR MICROONDAS.

Detector por quiebre del haz de microondas.
     Estos switchs constan de una fuente de microondas situadas en un costado del estanque el cual emite un haz de microondas que se refleja y transmite sobre el sólido y es captado por un receptor ubicado en el lado opuesto del tanque. Cuando el nivel del contenido del estanque esta por debajo del sensor, la onda captada por el receptor es la misma que la transmitida por la fuente. Pero cuando el nivel del estanque esta a la altura del sensor, una parte de la onda enviada por la fuente es reflejada, otra es absorbida por el material y otra es transmitida al receptor, el cual detecta el quiebre de haz de microondas y envía una señal eléctrica.



Figura de detector por quiebre del haz de microondas.

Medición de niveles por microondas en líquidos.
     Estos transmisores de nivel también se conocen con el nombre de micropilots y funcionan según el principio del eco. Una antena de varilla o una antena de trompeta dirige impulsos cortos de microondas de 0.8 ns de duración (aproximadamente) hacia el producto, estos se reflejan en su superficie y la misma antena los detecta a su regreso, esta vez, actuando como receptor. Las microondas se reflejan por la diferencia de impedancia entre el aire y el producto. La distancia a la superficie del producto es proporcional al tiempo de retorno del impulso de microondas. El nivel del producto se puede medir hasta justo por debajo de la antena de varilla o antena de trompeta, de modo que no hay restricciones de distancia. Este instrumento opera en la banda de frecuencias para aplicaciones industriales, científicas o médicas, llamada banda ISM (6 GHz a 26 GHz).



Ventajas:
• Su baja potencia de radiación permite una instalación segura en recipientes metálicos y no metálicos, sin riesgos los seres humanos o el entorno.
• Independiente de la temperatura, de condiciones de altas presiones o vacío, y de la presencia de polvo o vapor.

Desventajas:
• El producto debe tener una constante dieléctrica mínima determinada.

Figura de medición por microondas en líquidos.


Medición de niveles por microondas en sólidos.
  La industria de telecomunicaciones por cable desarrollo el principio de la medición de niveles por microondas guiadas, o TDR (Time Domain Reflectometry, reflectometría de dominio temporal) para detectar una rotura en su extensa red de cable. Cuando se transmite un impulso de radar por el cable, el tiempo que la señal de retorno necesita para su recorrido, varia debido a que el circuito abierto o cortocircuitado presenta impedancias diferentes. 

    Actualmente este método se emplea para la medición de niveles en presencia de grandes cantidades de polvo, ya que la medición por ultrasonidos puede fallar debido a un elevado contenido de polvo, y los indicadores de nivel por microondas libres tampoco pueden usarse debido a que los sólidos secos no reflejan la energía emitida.

    La tecnología TDR difiere de la de radar convencional en que los impulsos de microondas se emiten en una amplia banda de frecuencia (200 kHz hasta 1.2 GHz ). La tecnología TDR emplean microimpulsos electromagnéticos que viajan por cable ( ondas guiadas) y se reflejan debido a un cambio súbito en la constante dieléctrica.

Ventajas:
• Se emplean en contenedores o recipientes que contengan áridos o materiales brutos cuyo tamaño de los granos no sobrepasan los 20 mm.
• Fácil montaje.

Desventajas:
• El producto debe poseer una constante dieléctrica mínima determinada.



Figura de detección por microondas en sólidos.


DETECCIÓN Y MEDICIÓN RADIOMÉTRICA DE NIVELES.
    El principio del funcionamiento de este instrumento es que cuando hay producto en el tanque o silo, un haz de rayos gamma que lo atreviese se atenúa. Este es el único método totalmente no invasivo. Ningún elemento del sistema entra en contacto con el medio ni con la atmósfera del proceso. Este método se emplea como indicador de nivel y switch de nivel y solo se usa si las condiciones son muy extremas, es decir, altas presiones, temperaturas altas, productos abrasivos, tóxicos, corrosivos o pegajosos. Esto es así principalmente por que la radiación gamma no requiere equipo dentro del tanque o reactor, puesto que penetra fácilmente las paredes del tanque. Para la medición de nivel, la fuente de rayos gamma emite un haz con un ángulo de salida de aproximadamente 20º ó 40º . 

    En el extremo opuesto de la fuente se dispone un detector de rayos gamma conectado eléctricamente con un transmisor de nivel que proporciona una señal de salida. Para la detección de nivel el principio es el mismo, pero en este caso la fuente emite un haz con un ángulo de salida no mayor de 5º ; y en el extremo opuesto el detector de rayos gamma se conecta eléctricamente con un interruptor de nivel. La intensidad de la fuente de radiación está calculada de modo que cuando el tanque esta vacío, el detector transmite justamente los pulsos necesarios para que el amplificador interruptor de nivel o el indicador de nivel procesen un a señal. A medida que el nivel del producto aumenta, la radiación se atenúa, el detector deja de transmitir suficientes pulsos y el instrumento indica nivel alto.

    La radiación gamma no se emplea solo en detección e indicación de niveles, sino que, como la atenuación de la energía emita depende de la densidad del material atenuante, este principio de medición también se puede emplear para la medición de la densidad del producto y para la medición de la interfase. Para éste último caso, se debe cumplir que entre los dos materiales debe haber una diferencia de densidades apreciables.

Ventajas:
• Adecuado para todos los productos y su montaje no causa ningún tipo de
obstrucción.
• Los sistemas de medición de nivel por rayos gamma ni siquiera requieren
modificaciones en el tanque.
• No hay contacto con el producto.
• Adecuado para altas presiones y altas temperaturas.

Desventajas:
• Se requieren medidas especiales de seguridad.
• Alto costo.



              Figura de Medición y detección radiométrica de niveles.


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