Capitulo 3 Medición de Nivel GIP vJR1 [140216].pdf

Cap. 2 - Medición de Nivel
Centro de Refinación Paraguaná
Capítulo 3
Medición de Nivel

Contenido
Definición
Unidades de nivel
Métodos de Medición de nivel
Aplicaciones típicas
Principios de Medición de nivel
Sensores utilizados para medir nivel

La medición nivel consiste en medir la atura a la que se encuentra la
superficie libre de líquido o sólidos (granulados o en polvo) a partir de una
línea de referencia.
Existen básicamente dos métodos:
Métodos directos
Observación visual directa de la altura sobre una escala graduada:
medidor de vara, de tubo de vidrio, etc.
Determinación de la posición de un flotador que descansa
sobre la superficie libre del líquido: flotador y cinta,
flotador y eje, etc.
Electrodos que hacen contacto con la superficie libre del líquido

Métodos indirectos
Consisten en medir otros efectos que cambian con el nivel del líquido
•Medición de presión hidrostática o presión diferencial.
•Medición de fuerza de empuje. Como en el de tubo de torsión.
•Medición de la radiación nuclear. Medidor radioactivo.
•Reflexión de ondas de radio, de radar o sónicas desde la superficie libre
del líquido. Medidor ultrasónico
•Medición de la capacitancia eléctrica.
•Medición por principio de microondas y desviación de frecuencia

Medición de Nivel por cinta de aforar
Sirven para la medición de nivel de sólidos y líquidos

Medición directa de Nivel
Medidores de sonda o vara
Consisten en medir otros efectos que cambian con el nivel del líquido
Estos instrumentos consisten en una varilla o regla graduada de la
longitud conveniente para introducirla dentro del depósito, la
determinación del nivel se efectúa por la lectura directa de la longitud
mojada por el líquido, cuando la sonda se introduce hasta el fondo del
tanque.

Medidores de nivel de cristal
Consiste en un tubo de vidrio con sus extremos conectados
al tanque mediante bloques metálicos y válvulas. Se usan por
lo general tres válvulas: dos de cierre de seguridad y mantenim
iento en los extremos del tubo, con las cuales se impide la
fuga de líquido en caso de ruptura del tubo; y una válvula de purga.
Tanque abierto Tanque cerrado

El nivel de cristal normal se emplea para presiones de hasta 700KPa, para
presiones mas elevadas se usa un cristal grueso, de sección rectangular y
protegido por una armadura metálica. En este caso la lectura se puede
efectuar por reflexión o por transparencia.

Medidores de Flotador
Consiste en un flotador situado en el seno de un líquido y conectado al
exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser
directa, magnética, eléctrica e hidráulica.

Conexión directa:
Flotador y cinta
Consta de un flotador que puede ser de níquel, cobre o plástico el cual
esta conectado mediante una cinta y a través de una polea a un
contrapeso al exterior del tanque. La posición del contrapeso indicará
directamente el nivel. Su rango de medida será igual a la altura del
tanque.

Conexión Magnética:
Puede ser de dos (2) tipos
Flotador magnético de cinta
El primer tipo consta de un flotador anular que posee un imán en su
interior y que se desliza alrededor de un tubo sellado instalado en forma
vertical dentro del tanque. Dentro del tubo una pieza magnética sigue al
flotador en su movimiento y mediante un cable o varilla arrastra el
indicador del instrumento situado generalmente en la parte superior del
tanque.

Conexión Magnética:
Flotador magnético con indicación por color
Esta es una variante de la conexión magnética en donde el flotador, que
posee en su interior un imán, se desliza sobre una guía próxima a una
pared del tanque. En este caso la indicación se realiza mediante la
rotación de pequeños elementos magnetizables de color que el imán atrae
al pasar cerca de ellos

Conexión Eléctricaa:
Flotador magnético con indicación por color
Esta consta de un flotador conectada a un eje giratorio mediante
un brazo, el cual hace girar el eje de un potenciómetro o desplaza la guía
de un potenciómetro recto. Este es básicamente un transductor eléctrico
de resistencia variable. Por lo que es usado principalmente cuando se
requiere hacer la medición a distancia. En aparatos de cierta sofisticación
se puede sustituir el potenciómetro por algún instrumento electrónico

Conexión Eléctricaa:
Conexión eléctrica o neumática
En este caso el flotador actúa sobre un fuelle de tal modo que varía la
presión del circuito hidráulico o neumático y señala en el receptor el nivel
correspondiente. Esta también es usada generalmente para mediciones a
distancia y permite distancias de transmisión de hasta 75 metros y puede
emplearse en tanques cerrados. Sin embargo requiere una instalación y
calibración complicada y posee partes móviles en el interior del tanque.

Conexión Eléctrica:
Medidor de electrodos
Consiste en uno o varios electrodos dentro de un tanque y un relé
electrónico o eléctrico que es excitado cuando el líquido los moja. Con
este método se aprovecha la conductividad eléctrica del líquido para
hacer el contacto eléctrico. Por lo tanto el líquido debe ser suficientemente
conductor para que el relé sea capaz de detectar el paso de corriente. La
impedancia mínima en este caso está en el orden de los 20M Ω/cm.
Siendo la corriente que circula por el líquido del orden de los 2mA.

Medición indirecta de Nivel
Medición por fuerza de empuje:
El representante común de este tipo de medidor es el medidor de tubo de
torsión, el cual consiste en un flotador, vertical y largo, parcialmente
sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de
torsión unido rígidamente al tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo
libre se encuentra una varilla que transmite el movimiento de giro a un
indicador en el exterior del tanque.
γ
sH
F =
( )
γ
sH
M =
= Fuerza de empuje del líquido
= Sección transversal del flotador
= Altura sumergida del flotador
= Peso especifíco del líquido
= Longitud del brazo del flotador
= Peso del flotador
F
s
H
γ
L
W

Medición indirecta de Nivel
Medición por presión hidrostática o presión diferencial:
Ver Medición de presión
Separador de membrana Separador de tubo Separador de bulbo

Medición de Nivel por presión hidrostática en tanques abiertos
Medidor manométrico
Consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del
tanque, la lectura del manómetro indicará directamente la altura entre el
nivel del líquido y el eje del manómetro, por lo que este se puede calibrar
en unidades de nivel.
Como los niveles son valores limitados, debido a mayor altura el nivel
requiere de una resistencia mucho mayor,entonces el campo de medida
de los manómetros es bastante pequeño por lo cual se usan eneralmente
elementos sensores de tipo fuelle.
Este sistema solo sirve para fluidos relativamente limpios en tanques
abiertos

Medidor de membrana (caja de diafragma)
Se utiliza una membrana conectada con un tubo estanco lleno de aire a
un instrumento medidor de presión. En este caso la fuerza ejercida por la
columna de líquido sobre el área de la membrana comprime el aire
atrapado en el tubo con una presión igual a la presión ejercida por la
columna de líquido.
El volumen de aire interno suele ser bastante grande por lo cual el
sistema está limitado a distancias no mayores de 15 m debido a la
compresibilidad del aire.
El medidor tiene una exactitud de hasta 1% y puede trabajar hasta
temperaturas de 60ºC..

Sistema de trampa de aire
Es similar al de la caja diafragma abierta solo que no posee diafragma,
quedando el aire del sistema de medición atrapado simplemente por el
líquido. La principal limitación de este sistema es la posibilidad de
pequeñas fugas del aire atrapado, por lo cual se requiere de aire de
reposición y de una calibración periódica.

Medidor tipo burbujeo
Este emplea un tubo sumergido en el líquido a cuyo través se hace
burbujear aire mediante un regulador de caudal. La presión del aire en la
tubería es equivalente a la presión hidrostática ejercida por la columna del
líquido, es decir al nivel.
El regulador de caudal permite mantener el flujo constante a través de
la tubería sin importar el nivel (caudal común 150Nl/h). La tubería de aire
suele ser de ½ pulgada con el extremo biselado para la fácil formación de
burbujas.
El manómetro receptor puede colocarse hasta distancias de 300 m.
Se puede además usar otros tipos de gas además de aire, e incluso
líquidocomo fluido de purga si en algún caso se requiere.

Medidor tipo burbujeo (cont.)
Este sistema es simple y da buenos resultados, en particular en el caso de
líquidos muy corrosivos o con sólidos en suspensión y emulsiones. No se
recomienda su uso cuando el fluido de purga puede perjudicar el líquido del
proceso.
Tampoco es conveniente para líquidos muy viscosos en donde se presentan
dificultades para la formación de las burbujas.

Medición de Nivel por presión hidrostática en tanques cerrados
Se puede hacer de dos (2) formas:
• Medir la presión en la parte inferior del tanque y restarle la de la parte
superior. Esto se puede hacer siempre que ésta última sea constante.
• Utilizar un medidor de presión diferencial que mide la diferencia entre la
presión de la parte superior del tanque y la parte inferior

Tanque cerrado con atmósfera no condensable
De diafragma:
h
P
P ⋅
+
= γ
1
λ
1
P
P
h
−
=

De tubo en U:
Sin líquido sellador Con líquido sellador

De tubo en U:
Sin líquido sellador
( ) ( ) P
z
d
d
h
H
P m
L
o +
⋅
+
=
⋅
+
+
+ γ
λ
z
A
d
A
V 2
1 =
= ⇒ z
A
A
d
1
2
=
Ec. de equilibrio de presiones
Volumen desalojado
o
L
m
h
A
A
A
A
z
h −




−








+
⋅




=
1
2
1
2
1
γ
γ
Despejando el nivel

( ) ( ) ( ) ( ) s
s
m
s
s
L
o x
y
h
y
d
d
x
h
x
h
h γ
γ
γ
γ +
−
+
+
=
+
−
+
+
+
( ) ( ) ( ) s
m
L d
y
x
y
d
x
h
h γ
γ
γ −
−
=
+
−
+
+ 2
0
y
A
d
A
x
A
V c 2
1 =
=
=
y
A
A
d
1
2
= y
A
A
X
c
2
=
s
c
c
m
L
c
o y
A
A
y
y
A
A
y
y
A
A
y
A
A
h
h γ
γ
γ ⋅








−
−
=
⋅








+
−
⋅








+
+ 2
2
1
2
2
2
o
c
L
m
L
s
c
h
y
A
A
A
A
A
A
A
A
h −








−
⋅








+
+
⋅








−
−
= 2
1
2
1
2
2
1
1
2
γ
γ
γ
γ
Con líquido sellador
Ec. de equilibrio de presiones
Volumen desalojado
Despejando el nivel

Tanque cerrado con atmósfera condensable
En el caso de tanques cerrados con atmósfera condensable, como por ejemplo
en una caldera, se presenta la particularidad que el vapor que se encuentra en
la parte superior del tanque se condensará al enfriarse en la tubería de
conexión al manómetro de medición de presión.
Por lo tanto en este caso la presión medida en el manómetro del lado de la
toma de la parte superior del tanque (P2) será mayor que la presión medida por
el manómetro del lado de la toma de la parte inferior del tanque (P1).:
( ) ( )
H
P
h
P
P
P L
L γ
γ +
−
+
=
− 2
1
( )
2
1
2
1
γ
⋅
−
−
= P
P
H
h

Sistemas de Purga
Por líquido
Este es un sistema que se utiliza para la medición de nivel de líquidos
corrosivos, cuando se tienen sólidos en suspensión o en el caso de líquidos
que se pueden solidificar o precipitar al enfriarse en la tubería.

Sistemas de Purga
Por aire o gas
En esencia es el mismo sistema de la purga por líquido pero se usa aire o algún
gas en lugar del líquido. Se usa en las mismas aplicaciones que el caso de
purga por líquido..

Medición de Nivel por principio capacitivo
Funciona midiendo la capacidad de un condensador (capacitor) formado por un
electrodo sumergido en el medio del tanque y las paredes del tanque. La
capacidad del conjunto depende linealmente del nivel del líquido.
En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal, y la capacidad será
función de la capacitancia del dieléctrico formado por el gas mas el líquido mas
el de las conexiones. Si el líquido es conductor con una conductividad mínima
de 100 µΩ/cc el electrodo se aísla, usualmente con teflón, y se debe añadir
entonces la capacitancia del dieléctrico formado por el aislante.

Medición de Nivel por ultrasonido
Se basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante, la
superficie libre, y la recepción del eco del mismo en el receptor. En este caso el
retardo en la lectura o captación del eco depende del nivel del tanque. Como la
reflexión de la onda se realiza en la superficie libre, el montaje podrá ser
entonces en el aire o en el líquido.
Velocidad es la del sonido en el aire y Tiempo es la mitad del tiempo
desde la transmisión hasta la detección del eco.
Distancia = Velocidad × Tiempo

Medición de Nivel por ultrasonido
Sirven para todo tipo de líquidos, pero son sensibles a la densidad del fluido en
el cual es transportada la onda, ya que la velocidad de propagación de la onda
varía según la densidad del medio de transporte de ésta, por lo tanto el método
no es conveniente para procesos en donde cambian continuamente las
condiciones ambientales
Frecuencia de trabajo: Por lo general 20 Khz
Presición: 1 al 3 %

Medición de Nivel por radar
Sirven tanto para líquidos como sólidos
El nivel del líquido (o sólido) se mide mediante
señales de radar transmitidas desde la antena
en la parte superior del
tanque.
Una vez que que la señal de radar se refleja en
la superficie líquida, el eco es captado por la
antena. Dado que la señal varía en frecuencia,
el eco tiene una frecuencia ligeramente
diferente a la de la señal transmitida en ese
momento. La diferencia de frecuencia es
proporcional a la distancia al líquido, y se
puede calcular con precisión.
Este método se denomina de Onda Continua
de Frecuencia Modulada (FMCW, por sus
siglas en inglés), y se utiliza en todos los
medidores por radar de alto rendimiento.

Medición de Nivel por radar
Sirven tanto para líquidos como sólidos
La tecnología de microondas permite medir
el nivel de líquidos, pastas y un gran número
de sólidos. El medidor funciona con una
amplia gama de temperaturas, presiones,
mezclas de vapor y gases y diferentes
condiciones de proceso

Medición de Nivel por radiación nuclear
Consiste en el uso de una fuente de radiación (emisor de rayos gamma) y un
detector de radiación, dependiendo del sitio en donde se coloquen ambos la
radiación captada por el detector será proporcional al nivel del tanque.
Existen dos principios que pueden ser útiles para éste propósito:
• La intensidad d el radiación recibida varía en proporción inversa al espesor
(masa) de cualquier material interpuesto entre la fuente y el detector. En este
caso se puede usar el líquido como una barrera de espesor variable entre la
fuente y el detector.
• La intensidad varía en proporción inversa al cuadrado de la distancia entre
la fuente y el detector. En este caso
el emisor o el receptor se pueden colocar en un flotador que se desplaza
sobre la superficie libre del líquido.

El emisor de radiación puede ser por ejemplo una pequeña aguja de
platino-iridio que contenga una pequeña cantidad de sales de radio. Esta
es usada principalmente cuando la fuente esta montada sobre un flotador.
Otro tipo de fuente puede ser cobalto 60 de 5.5 años, el cesio 137 de 33
años y el radio 1620 de 1620 años.

Los receptores o sensores por lo
general son de dos tipos:
Contador Geiger
Es simplemente un contador de
radiación el cual emite pulsos eléctricos
en proporción a la cantidad de radiación
Recibida.
Celda de ionización de gas
Esta es una celda que convierte la
energía de radiación gamma en una
señal eléctrica. Esta posee dos
electrodos separados por un gas, el
cual cuando es expuesto a radiación se
ioniza originando iones positivos que
son atraídos por el electrodo negativo,
generando así una corriente eléctrica
que será proporcional al nivel.

Medición de Nivel por vibración
Sirven para la medición de nivel de sólidos y líquidos de manera discreta
Si la sonda vibrante entra en contacto con el
sólido, la vibración cambia y el interruptor de
nivel vibratorio emite una orden de conmutación.
Los interruptores de nivel vibratorios se utilizan
como protección contra sobrellenado
o detectores de vacío en líquidos y sólidos a
granel o en polvo.

Medición de Nivel con tecnología de microondas y desviación de
frecuencia
La frecuencia enviada por el sensor
experimenta un cambio de la fase
dependiendo del medio concreto. En
contacto con un medio con una constante
dieléctrica distinta a la predeterminada
provoca una señal eléctrica. La alta
sensibilidad a través de un rango de
medición para constantes dieléctricas de 1,5
hasta 100 permite detectar el nivel de todo
tipo de polvos, granulados y líquidos; no
tiene partes vibratorias, es insensible a los
cambios basados en la conductividad, la
temperatura o la presión y sobre todo se
ajusta muy fácilmente su sensibilidad para
discernir entre diferentes medios o
productos

.
.

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