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Nivel como Variable de Proceso

Resumen: El nivel es una variable importante para algunas industrias y en otras es indispensable, tales como la del papel y la del petróleo, por mencionar algunas. Los instrumentos para la medición de nivel varían en complejidad de acuerdo con la aplicación y su dificultad.
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Autor: College Park

NIVEL

El nivel es una variable importante para algunas industrias y en otras es indispensable, tales como la del papel y la del petróleo, por mencionar algunas. Los instrumentos para la medición de nivel varían en complejidad de acuerdo con la aplicación y su dificultad.

En la selección correcta de un instrumento para la medición de nivel intervienen en mayor o menor grado los siguientes factores:

  1. Rango de medición.
  2. Naturaleza del fluido que va a ser medido.
  3. Condiciones de operación.

Los instrumentos que se mencionan a continuación cubren prácticamente todas las aplicaciones de medición de nivel. Estos se aplican básicamente en 2 formas: medición de nivel en tanques abiertos y tanques cerrados. Cuando el caso lo requiere, controladores. Cuando las distancias entre el punto de medición y el lugar donde queremos la lectura son muy grandes nos podemos auxiliar con transmisores.

 

Niveles en Tanques Abiertos

Los instrumentos que se usan para la medición de nivel en tanques abiertos se clasifican dentro de varias categorías: visuales, de presión o cabeza hidrostática (columna de agua), de contacto directo o sea flotadores y otros tipos.

 

Visual

Este método es uno de los mas antiguos y de los mas simples para la medición continua de nivel de líquidos contenidos en un tanque o vasija (olla). Se usa solamente cuando se requiere indicación local directa sobre el proceso y cuando el liquido es (apreciablemente) limpio. Las mirillas y los manómetros de vidrio consisten simplemente en un vidrio transparente o tubo plástico (transparente), adjunto al tanque; de tal manera que la cabeza del liquido en el tubo sea igual al nivel del liquido en el tanque. Una escala calibrada marcada en el tubo o colocada dentro de este, nos proporciona un medio conveniente para leer el nivel en plgs, pies, cm, mts o unidades de volumen: galones, pies3, m3, etc.

 

 

 

Presión Hidrostática

Una columna liquida crea una presión hidrostática directamente proporcional a la altura del liquido arriba del punto de referencia. Un elemento de presión apropiado, conectado adecuadamente al proceso, mide el nivel del liquido en unidades apropiadas para las cuales se debe calibrar cada elemento. Los instrumentos que con mas frecuencia se usan para medir nivel por presión hidrostática son el tipo de burbujeo y la caja de diafragma.

Los instrumentos para medición de nivel de purga continua se usan cuando los líquidos son corrosivos o tiene sólidos en suspensión; y cuando se dispone de aire o gas y se requieren lecturas remotas. Este tipo de medición, es el mas simple, el mas barato y el mas confiable y ampliamente usado. Un pedazo de tubo abierto se introduce dentro del tanque hasta un punto de cerca de 3" por encima del fondo o del sedimento; o se efectúa la conexión por fuera del tanque ( a un lado) a la misma altura. Esta altura no es critica pero a la altura en que se coloque el tubo tiene que ser nuestro punto de referencia para la calibración del elemento, para la medición de la presión hidrostática en términos de altura o volumen y debe estar (el punto de referencia) arriba de cualquier sedimento que se pueda tener.

El aire comprimido o cualquier fluido similar se suministra a través de una válvula y restrictor y un rotámetro de purga, de tal manera que el fluido escape solamente por el extremo abierto del tubo. La presión de aire en el tubo corresponde exactamente a la altura del liquido en el tanque. Si el nivel del liquido cambia, la presión de aire en el tubo de burbujeo cambia también proporcionalmente.

Un instrumento de presión conectado al tubo de burbujeo registra la presión de aire en la gráfica o la indica en una escala graduada apropiadamente en unidades de nivel: cm, pies, pulg, etc. O en volumen; litros, galones, etc. Tal como sea requerido.

Los sistemas de caja de diafragma se usan para medir nivel en tanques abiertos, cuando no se puede contar con aire o gas o cuando el método por el tubo de burbujeo no es recomendable. Consiste esencialmente en una copa recubierta con un diafragma flexible el cual esta protegido por medio de un anillo metálico.

 

 

La caja esta dividida en dos secciones, con el diafragma insertado entre las dos y sellado a prueba de aire. Un tubo capilar se usa para conectar la parte de arriba de la caja del diafragma con el instrumento. La caja esta colocada a una altura determinada del tanque, la cual servirá como nivel de referencia. La presión causada por la columna del liquido por encima del nivel de referencia actúa sobre el diafragma para comprimir el aire en el sistema sellado de presión en una cantidad equivalente a la cabeza actual del liquido. Las variaciones de nivel producen cambios de presión proporcionales en el sistema de aire. Esos cambios de presión actúan a un resorte de presión en el instrumento el cual esta conectado en una pluma de registro o a un puntero indicador.

Las cajas de diafragma se pueden montar de varias maneras.

 

Uno de los instrumentos del tipo de diafragma mas ampliamente aceptado para la medición de nivel sobre todo, en aquellos procesos que tienen sólidos en suspensión, es el transmisor de presión diferencial bridado. Dos versiones de este tipo se muestra en las figuras siguientes, el de diafragma al ras y el de diafragma con extensión, El tipo de diafragma de extensión se usa cuando el liquido con sólidos en suspensión puede dejar sedimentos sobre las paredes interiores del tanque y estos puedan impedir que el diafragma este en contacto con el liquido, perdiéndose la lectura. El diafragma con extensión se monta de tal manera que quede embutido dentro de la pared interior del tanque. La cabeza del liquido ejercida sobre el diafragma se balancea simultáneamente por medio de una fuerza de retroalimentación neumática o eléctrica en la parte de arriba del transmisor. Esta fuerza de retroalimentación representa el nivel de liquido y se usa para indicaciones, registros o controles remotos (1,000 pies o 300 mts).

 

 

Flotador y Cable

La medición directa de nivel de líquidos en tanques abiertos se lleva a cabo frecuentemente por el método del flotador y cable, pero esta limitado a líquidos limpios, ya que aquellos que llevan partículas o sólidos que puedan adherirse al flotador este falsearía a la lectura.

La medición por medio del flotador y cable es mas factible encontrarlas en las plantas de tratamiento de agua. Este sistema no depende de la presión hidrostática para a medición de nivel. Son instrumentos que se auto-opera por el movimiento del flotador sobre la superficie del liquido.

Existen muchas versiones de los instrumentos de flotador y cable. Fundamentalmente consisten de un flotador y contra peso conectados por medio de un cable el cual opera una polea. El flotador hace que la polea se mueva de esta manera el movimiento vertical del flotador se transforma a una medición uniforme por medio de un mecanismo de reducción, el cual puede ser usado para indicación, registro o control.

 

 

General

Otros tipos de unidades para medición de nivel en tanques abiertos se usan para las mediciones especiales. Para esto se usa un equipo mas complicado y por lógica mas caro. Algunos usan medios radioactivos, pruebas de capacitancia, ondas sónicas, celdas de carga, etc.

 

Nivel en Tanques Cerrados

Cuando es necesario medir nivel de liquido en tanques cerrados, como digestores, tanques para recibir condensados, evaporadores, etc., una medición simple de presión hidrostática no se puede usar.

La influencia de la presión en un tanque cerrado incluye: el peso o presión de el liquido y la presión o el vacío ejercidos encima de la superficie del liquido. Bajo estas condiciones, la medición de nivel de liquido debe hacerse con unidades de presión diferencial, desplazamiento por medio de flotadores, dispositivos radioactivos, sónicos, unidades de capacitancia y otras unidades eléctricas.

 

Presión Diferencial

En este caso, el nivel del liquido se infiere por la medición de la presión total, compensándola al mismo tiempo por la presión ejercida por encima de la superficie del liquido o sea la diferencia existente entre las dos presiones.

En este caso, los elementos usados para la medición son por ejemplo los manómetros, fuelles y celdas de balance de fuerzas de presión diferencial. En la figura se muestra como se usa el manómetro de mercurio de tubo en "U" para la medición de nivel de líquidos limpios en tanques cerrados. En algunas ocasiones se usan sellos los cuales consisten en un fluido inerte para proteger el medidor si el liquido se esta midiendo es corrosivo o contiene sólidos en suspensión, o es demasiado volátil. En algunas ocasiones en lugar de sellos se usan sistemas de purga.

 

En la figura se muestra de los transmisores diferenciales de balance de fuerzas para la medición de nivel en tanques cerrados. La instalación de estos instrumentos es frecuentemente mas sencilla que la de los manómetros de mercurio. Debido a su construcción la prueba de corrosión y a el desplazamiento despreciable del liquido en las líneas, estos instrumentos se pueden usar en la medición de nivel de líquidos corrosivos sin la necesidad de usar sellos o sistemas de purga.

 

 

Los instrumentos que usan mercurio han perdido preferencia por parte del consumidor debido a los múltiples problemas que representa su instalación y mantenimiento, mas aun cuando se trata de niveles de líquidos corrosivos. En sustitución se han impuesto los instrumentos de balance de fuerzas (N.T.).

Flotador de Desplazamiento

Puede usarse en tanques abiertos y cerrados. La operación de este dispositivo se basa en el principio de Arquímedes, el cual establece que la fuerza resultante que en un fluido ejerce sobre un cuerpo sumergido en este, actúa verticalmente en a través del centro de gravedad del fluido que se desplaza. La fuerza resultante cuyo sentido es hacia arriba sobre el cuerpo de denomina "boyante" y puede contrabalancearse por medio de otra fuerza, de tal manera que el cuerpo puede usarse como elemento para la medición de nivel. La figura es un arreglo esquemático de una medición de nivel con un dispositivo de este tipo (desplazamiento) con la fuerza "boyante" contrabalanceada por medio de un resorte. La fuerza "boyante" puede contrabalancearse también por medio de un sistema de balance de fuerzas ya sea neumático o eléctrico, el cual produce una señal correspondiente al nivel del liquido, la que se puede transmitir para una indicación, registro o control remoto. En la figura se muestra una unidad típica.

 

Nuclear - Radioactiva

Los sistemas radioactivas se usan para la medición de nivel en tanques cerrados. Consiste de un ensamble de medición y un indicador amplificador. El ensamble de medición contiene una fuente radioactiva como radio, cesio o cobalto; y la celda detectora produce una señal eléctrica proporcional a la intensidad de los rayos radioactivos. Esta señal se amplifica para que produzca una medición en unidades apropiadas de nivel.

Se pueden usar varios arreglos en la instalación de estos sistemas, tal como se muestra en la figura A la fuente radioactiva se puede fijar dentro o sobre un lado del tanque a un nivel bajo; y la celda detectora fija en la parte de afuera del tanque a un nivel mas alto.

Cuando el nivel aumenta dentro del tanque, el material que se absorbe entre la fuente de radiación y el detector disminuye la intensidad radioactiva que recibe el detector. La radiación recibida, el detector la convierte en una señal eléctrica la cual se amplifica y se convierte en una señal que permite la medición de nivel.

B en un sistema similar, se emplea una fuente colocada en un flotador. La intensidad de la radiación esta en función de la distancia entre la fuente y el detector y es directamente proporcional a los cambios de nivel C en este caso se usa una fuente tipo vertical, la cual se colocan sobre el tanque de tal manera que el liquido cuyo nivel deseamos medir, se interpongan entre las dos columnas en cuanto aumenta el nivel. La corriente que sale de las celdas detectoras, la cual varia con el nivel, es inversamente proporcional a los cambios de nivel.

 

Sónico

Este es otro método para la medición de nivel en tanques cerrados y también se pueden usar en aplicaciones para tanques abiertos. La medición de nivel sónico se basa en la emisión pulsante de ondas sonoras por medio de una fuente emisora, la transmisión de esas ondas de energía a través de la fase liquida o la fase de vapor en el tanque y reflejándolas en la superficie hacia un receptor. El tiempo de transito de este impulso se usa como medición del nivel del liquido. En este tipo de arreglo de fase liquida, los pulsos de energía ultrasónica se dirigen directamente hacia la superficie de liquido que se esta midiendo. Estos pulsos rebotan en la superficie hacia el receptor. El tiempo de transito desde la fuente hasta el receptor es una medida de la distancia entre la superficie y la fuente de emisión de pulsos y directamente proporcional al nivel del liquido.

 

Este tiempo de transito se convierte electrónicamente a una medición de nivel en unidades comunes. El arreglo de vapor-espacio esta basado en el rebote o el principio de eco a través de una fase de vapor o gas encima de la superficie del liquido. En operación, es similar al de fase liquida, excepto que el tiempo de respuesta en la transmisión de el pulso sónico es inversamente proporcional al nivel del liquido que se esta midiendo.

 

 

 

Capacitancia

Otro método eléctrico para medir nivel de liquido en un tanque cerrado es la capacitancia. Básicamente, un sistema para medición de nivel por capacitancia consiste de un elemento primario de medición y un instrumento secundario que transforma la variación de capacitancia en un movimiento que es proporcional al nivel del liquido en los tanques.

En su forma mas simple una celda de capacitancia consiste en un rodillo de metal montado en el tanque. El rodillo debe estar aislado eléctricamente de la pared del liquido. La capacitancia del sistema esta formada por el rodillo, el cual se puede considerar como el "electrodo vivo" y la pared del tanque que sirve como electrodo de tierra. Ya que la celda, el liquido y la pared del tanque forman un campo capacitivo, un cambio en capacitancia causado por en el nivel del liquido se detecta en un instrumento indicador o registrador, el cual determina este cambio en unidades de nivel.

 

 

 

General

Existen otros métodos para la medición de nivel en tanques cerrados, los cuales tienen uso limitado. Entre estos se encuentran: la celda de temperatura para un solo punto de nivel, el tubo de expansión, el tipo de oscilación, conductividad y una combinación de vidrio fotoeléctrico y manómetro.

 

Nivel de Sólidos

Con cierta frecuencia, es necesario medir el nivel de material sólido en cierto tipo de procesos. Entre estos se encuentran por ejemplo: nivel de "Chips" de madera en fabricas de papel, tanques de materia prima sólida para la dosificación, tanques de almacenamiento de jabón, tanques de almacenamiento de cal, silos, etc. Los elementos primarios que se usan para estos casos se pueden considerar como tipo de "punto fino", o tipo "continuo".

 

Unidades de Punto Fijo

Estas unidades para la detección de nivel de sólidos, pueden efectuar la medición en uno o varios niveles específicos. Se usan ampliamente para actuar alarmas o compuertas. Se incluyen en este caso los siguientes tipos:

 

  • De Diafragma.
  • De Tuerca y Paleta (sólidos).
  • De Cono Colgado.

 

Tipo Diafragma

Esta unidad emplea un diafragma flexible, el cual esta expuesto al material sólido en un tanque de almacenamiento. En cuanto al nivel de sólidos se eleva, la presión causada por el peso del material sólido, forza al diafragma contra un mecanismo de contrapesos, el que actúa a un switch mecánicamente, este switch puede energizar una alarma o cierta maquinaria, como compuertas etc.

 

 

 

Tipo de Tuerca - Paleta

Un diafragma típico de este sistema se muestra en la figura, el vástago de la unidad esta guiada por un motor síncrono. Cuando la rotación de la paleta se obstaculiza por el material sólido, causa que el soporte del motor y la caja de engranes giren en un plano horizontal, en este momento se energizan dos pequeños interruptores en orden consecutivo, el primero de estos interruptores pueden actuar un circuito de alarma, el segundo corta la corriente haciendo que el sistema quede en posición "cerrado". Cuando el nivel disminuye, un resorte empuja el ensamble hacia atrás a su posición original y los interruptores se sueltan.

 

 

Tipo de Cono Colgante

Tal como se muestra en la figura, esta unidad consiste en un interruptor que se encuentra dentro de una caja a prueba de polvo, la misma que tiene una especie de collarín del cual se suspende el cono. Cuando el nivel de material sólido se eleva y se pone en contacto con el cono, se actúa un interruptor que puede hacer actuar una alarma u otro tipo adecuado de circuito.

 

 

Tipo Celda

Cuando el material sólido que se va a medir tiene una conductividad eléctrica muy alta, se usa con frecuencia un detector tipo celda. Cuando el material hace contacto con una amplificación adecuada, se puede usar para actuar una alarma u otro tipo de equipo.

 

 

 

 

Unidades Continuas

Los instrumentos de medición continuo de nivel de sólidos nos permiten una medición continua en toda la gama de cavatorios que este pueda tener. Son particularmente importantes cuando el control en estos casos es de primerísima importancia (dosificación en procesos continuos).

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