5.-Sensos de Nivel

Instrumentación Industrial

PEPP: Instrumentación Automatización y

Control de Procesos


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SENSORES DE NIVEL

Existe una gran variedad

de instrumentos de tipo

binario y analógico, para

medición de nivel de

líquidos y sólidos.


Medición de Nivel Líquidos


Medición de Nivel Sólidos


Medición de Nivel por Presión Hidrostática

Es utilizado para medición continua de nivel en tanques que contengan líquidos o barros, en la industria

química, farmacéutica y alimenticia, como también en tratamiento de agua y aguas residuales. La sonda,

formando un sensor de presión se encuentra de distintos diseños de construcción para diversas

aplicaciones, por ejemplo: para ser montadas a un costado del tanque, o arriba, para materiales

corrosivos, etc.

Principio de funcionamiento:

El peso de una columna de líquido genera una presión hidrostática. A densidad constante, la presión

hidrostática es solamente función de la altura de la columna de líquido:


Medición de Nivel Instrumentos basados en Presión Hidrostática

– Medidor de Presión Diferencial: Consiste en un

sensor de diafragma en contacto con el líquido del

estanque, que mide la diferencia entre la presión

hidrostática en un punto del fondo del tanque y la

presión en un punto de la parte superior del tanque o a

la atmosfera.


Medición de Nivel Instrumentos basados en emisión de ondas

– Radar: Se basa en la tecnología de la reflectometría en el dominio

del tiempo (TDR por sus siglas en ingles). Los pulsos son guiados

hacia abajo en una sonda sumergida en el fluido de proceso. Se

conoce como Radar de Onda Guíada.

– Cuando un pulso alcanza el fluido con una constante dieléctrica

diferente, parte de la energía es reflejada de regreso al transmisor.

– La diferencia en el tiempo entre el pulso de referencia y el reflejado

es convertida en una distancia. Es llamado Tiempo de Propagación.


Medición de Nivel Instrumentos basados en emisión de ondas

– Radar: Se basa en la tecnología de Modulación de Frecuencia de Onda

Continua (FMCW por sus siglas en ingles) donde son transmitidas unas

microondas (10 GHz) de forma continua y cuando la señal ha llegado a la

superficie del líquido y ha regresado a la antena; se mezcla con la señal

transmitida en ese momento.

– La frecuencia de la señal transmitida ha variado ligeramente durante el tiempo

que la señal del eco tarda en llegar hasta la superficie y regresar.

– La diferencia de la señal de frecuencia transmitida y recibida es proporcional a

la distancia hasta la superficie.


Sensores Ultrasónicos de Nivel


Consiste en emitir un pulso de energía que viaja a la velocidad del sonido en el espacio de vapor que se

encuentra por encima del líquido o polvo.

La señal es reflejada por la superficie del líquido o polvo y va de vuelta al receptor. Se mide el tiempo entre la

señal emitida y la señal recibida. A partir de esa medición de tiempo y con la velocidad del sonido en el vapor se

calcula la distancia desde el receptor a la superficie del líquido o polvo. En los últimos años, los medidores

sónicos de nivel han mejorado en exactitud cuando se los aplica en forma adecuada.

Se usan para la medición continua

de nivel, suelen montarse a través

de la parte superior del recipiente

o tanque.


Sensores Ultrasónicos de Nivel

Se basa en la emisión de impulso

ultrasónico a una superficie reflectante y

la recepción del eco en un receptor. El

retardo en la captación del eco depende

del nivel del tanque.

En los líquidos que forman espuma se

genera error por falsos ecos


Los sensores ultrasónicos tienen como función

principal la detección de objetos a través de la

emisión y reflexión de ondas acústicas

SENSORES ULTRASÓNICOS

Principio de Funcionamiento

Funcionan al igual que el sistema de

sonar usado por los submarinos.

Emiten un pulso ultrasónico contra el

objeto a sensar y, al detectar el pulso

reflejado, se para un contador de

tiempo que inició su conteo al emitir el

pulso. Este tiempo es referido a

distancia y de acuerdo con los

parámetros elegidos de respuesta (SP)

manda una señal eléctrica digital o

analógica.


SENSORES ULTRASÓNICOS

• Sonido audible

Límite inferior 16 Hz,

Límite superior fluctúa entre 10 kHz y 20 kHz (percepción humana).

• Ultrasonido

El rango de frecuencia por encima de 20 kHz

• Infrasonido

Oscilaciones de una frecuencia inferior a 16 Hz

Ocurre por durante temblores y poseen periodos de un rango de 10 s a 50 s.

• Hipersonido

Las más altas frecuencias creadas son del orden de 10^10 Hz y 10^13 Hz.

Los osciladores estáticos de estado sólido no logran vibrar a estas

frecuencias.


Propagación de Sonido

- La velocidad de propagación en materiales sólidos:

- En líquidos

KC

- La longitud de onda es determinada por:

V

E: Módulo de Elasticidad

P: Densidad del Material

K: Módulo de Compresión

P: Densidad del Material

- En Gases


Fluidos (a 20° C). v (m/s)

Benceno. 1320.

Cloroformo. 1000.

Glicerina. 1923.

Petróleo. 1320.

Mercurio. 1415.

Carbón Tetraclorido. 943.

Agua Destilada. 1483.

Materiales Sólidos (a 20° C). v (m/s)

Aluminio. 5110.

Conductor. 1200.

Hierro. 5180.

Oro. 2000.

Goma. 54.

Corcho. 500.

Cobre. 3800.

Bronce. 3500.

Acero. 5100.

Velocidades de propagación del sonido en metros por segundo



Gases (a 0°C y 101.3 KPa). v (m/s)

Amoníaco. 415.

Argón. 308.

Helio. 971.

Dióxido de Carbón. 258.

Monóxido de Carbón. 337.

Aire. 332.

Hidrógeno. 1286.



Emisor Ultrasónico

Tres métodos de generación de ultrasonido :

- Mecánico - Magnético - Eléctrico

• Magnetostricción

Se denomina magnetostricción a la propiedad de

los materiales magnéticos que hace que estos

cambien de forma al encontrarse en presencia de un

campo magnético. Las vibraciones en forma de

sonido son causadas por la frecuencia de las

fluctuaciones del campo es parte de la causa que se

encuentren vibraciones de 100 Hz ó 120 Hz en

máquinas eléctricas como motores y

transformadores.

50 KHZ


• Efecto Piezoeléctrico

Conversión de fuerza a voltaje.

Conversión de fuerza a campo lineal.

a) Objeto sin carga.

b) Esfuerzo compresivo

c) Esfuerzo expansivo

d) Corriente continua, polaridad

inversa.

e) Corriente continua, misma

polaridad.

f) La corriente alterna ocasiona

alternancias en las dimensiones

del cristal

100 MHz


Receptor Ultrasónico

• Modo Pulso

tc

ta = Tiempo de oscilación final.

ts = Longitud del pulso.

tc = Tiempo del ciclo.

te = Tiempo de eco.


Diseño de un Sensor Ultrasónico Pulsante

Dividido en los bloques:

• Transductor ultrasónico.

• Unidad de evaluación.

• Etapa de salida.

Diagrama de bloques de un sensor ultrasónico pulsante


Condiciones de Operación de Sensores Ultrasónicos

Campo de un sensor

ultrasónico


Variación de la velocidad del sonido en el aire seco con respecto a

la temperatura


Diseños

Diseños cuadrados Diseños cilíndricos


Datos Técnicos

Voltaje de Operación : 20 V .... 30 V DC.

Rango Máximo : 0,5 m .... 10 m.

Inexactitud, Alinealidad : < 0,5% ... 5%.

Resolución : 0,1 mm .... 2 mm.

Tiempo de Respuesta : 20 ms .... 500 ms.

Material del Objeto : Cualquiera, con excepción de

materiales absorbentes de sonido.

Salida Analógica : Típica: 0 V .... 10 V ó

: 4 mA ..... 20 mA.

Temperatura Ambiental de Operación : -10°C .... 70°C.

Susceptibilidad a la Suciedad : Moderada.

Vida útil : Larga.

Frecuencia de Ultrasonido : Larga.

Clase de Protección DIN 40 050/IEC 529: Típico IP 65.


Sensores Ultrasónicos


Aplicaciones

Sensado del nivel

de líquidos

Ordenamiento de partes

de acuerdo a su altura


Aplicaciones

Instalaciones de almacenamiento, sistema de transporte, industria de la

alimentación, procesos de metales, procesos de vidrio, procesos de plásticos,

supervisión de materiales a granel.


Monitoreo del nivel

de llenado en silos Control de montacargas

Aplicaciones


Monitoreo de la tensión en

fajas transportadoras

Monitoreo de pinzas de

sujeción en robots industriales

Aplicaciones


Ordenamiento según

altura de la pila

Detección de parabrisas

en vehículos

Aplicaciones


Medición de Nivel a Flotador

Sensores Binarios,

utilizados por lo

general en tanques.

Uno de los primeros métodos para medir nivel de

líquidos empleaba un flotador dentro de un tanque

conectado por medio de un cable a un contrapeso en el

exterior del tanque. Una escala graduada sobre el

tanque permite obtener lecturas continuas y directas del

nivel del líquido. Desgraciadamente, en este sistema

abundan las inexactitudes y solo es apto para indicación.


Medición de Nivel Medición Directa

– Servo Guiado: Se compone de un flotador atado a un cable,

un servomotor, detectores de tensión y un encoder.

– En el momento que el flotador este en contacto con la

superficie del líquido, no existe movimiento del servomotor.

Cuando el nivel baja se pierde el equilibrio causando un

tensionamiento del cable. Esto es detectado y se ejecuta el

descenso del flotador hasta lograr nuevamente el equilibrio.

– Éste desplazamiento es contado por parte del encoder para

luego ser calculado el nivel alcanzado.


Sensores Binarios de Nivel Tipo REED

Dispositivo de

detección de nivel

tipo binario


RELÉS REED

Relé Reed

Relé Reed accionado por

bobina. Contacto

normalmente abierto

Relé Reed accionado por bobina.

Contacto normalmente cerrado


SISTEMAS DE MANDO

Movimiento de Proximidad con Imán

Movimiento perpendicular


Movimiento paralelo Movimiento de rotación


Movimiento pivotante Pantalla


Polarización

Control giratorio


Por presión de aire Por flotador


Movimiento de Proximidad con Bobina

Contacto simple


Apertura por bobina Acción diferencial



Curvas

correspondientes al

ciclo de histéresis


Sensores de Nivel Tipo Óptico

El sistema sensor óptico permite la monitorización del nivel de líquido de uno

o varios depósitos. Se basa en el uso de fibras ópticas, de forma que la

electrónica necesaria se encuentra suficientemente alejada del punto de

medida. Ello permite su uso seguro en entornos críticos: atmósferas

inflamables, explosivas, contaminadas electromagnéticamente, sin necesidad

de recubrimientos especiales que encarecen su coste final. Principio de

funcionamiento: De la cabeza transductora sale un haz luminoso que se

refleja en la superficie del medio cuyo nivel se desea medir. La señal

luminosa reflejada posee información dependiente de la distancia recorrida

por el haz, permitiendo la medida continua de nivel.


Sensores Binarios de Nivel Tipo Óptico


SENSORES ÓPTICOS

Componentes Fotoeléctricos

• Diodos Luminosos

Espectro de emisión de un LED GaAs

Sensor de nivel óptico. Gracias a su avanzada

tecnología óptica, los fluidos pueden ser detectados

fácilmente, libres de desgastes y de forma continua

sin necesidad de una conexión eléctrica o un

movimiento mecánico entre el elemento y el sensor,

utilizando la interacción entre la luz y la materia para

determinar las propiedades de ésta.


Curva característica corriente –

voltaje del LED GaAs

Polarización de un LED

con resistor en serie

• Diodos Luminosos


Conmutación de un fotodiodo con voltaje de

polarización inverso

Uv = Voltaje de alimentación.

D = Fotodiodo.

Ra = Resistencia de trabajo.

I = Corriente fotoeléctrica.

• Fotodiodos

Un fotodiodo es un semiconductor construido con

una unión PN, sensible a la incidencia de la luz

visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea

correcto se polariza inversamente, con lo que se

producirá una cierta circulación de corriente cuando

sea excitado por la luz. Debido a su construcción,

los fotodiodos se comportan como células

fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior

generan una tensión muy pequeña con el positivo en

el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente

presente en ausencia de luz recibe el nombre de

corriente de oscuridad.


• Fotodiodos

Sensibilidad espectral relativa R/Rmáx. de un fotodiodo de silicio

( = Longitud de onda)


Conmutación de un fotodiodo

en operación cortocircuito

Operación en corto circuito de un

fotodiodo con amplificador

operacional

• Fotodiodos


• Fototransistores

Diagrama del circuito

equivalente de un

fototransistor

Los fototransistores no son muy diferentes de un transistor normal, es

decir, están compuestos por el mismo material semiconductor, tienen

dos junturas y las mismas tres conexiones externas: colector, base y

emisor. Por supuesto, siendo un elemento sensible a la luz, la primera

diferencia evidente es en su cápsula, que posee una ventana o es

totalmente transparente, para dejar que la luz ingrese hasta las

junturas de la pastilla semiconductora y produzca el efecto

fotoeléctrico.

Teniendo las mismas características de un transistor normal, es

posible regular su corriente de colector por medio de la corriente de

base. Y también, dentro de sus características de elemento

optoelectrónico, el fototransistor conduce más o menos corriente de

colector cuando incide más o menos luz sobre sus junturas.

Un fototransistor puede trabajar de 2 formas diferentes: Como un transistor normal con la corriente de base Ib

(modo común). Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de

base. Ip (modo de iluminación). Ibt = Ib + Ip Corriente de base Total.


• Fotorresistencias

- Son componentes pasivos, los cuales cambian su

resistencia eléctrica bajo el efecto de radiación

luminosa.

- Usualmente se fabrican de cristales semiconductores.

- Las fotorresistencias de sulfuro de cadmio han

encontrado amplia aplicación en el uso de medidas de

exposición de luz en fotografía.


Sensores Binarios de Nivel Tipo Boya

- Detección de Nivel Alto

- Detección de Nivel Bajo

Disponen de un

interruptor TILT

SWITCH


Nivel por peso Celdas de Carga

Las celdas de carga determinan el nivel pesando el tanque

y su contenido. En la actualidad, las celdas de carga

pueden soportar el tanque o bien se pueden fijar

extensómetros a un miembro de soporte de la estructura

del tanque para medir la acción del peso cambiante. Tienen

la ventaja de ser externos al contenido del tanque. Dan una

medición continua de nivel.


Método de Burbujeo

Los sistemas de burbujeo o de purga

continua, realizan la medición de nivel

midiendo la presión requerida para que

un flujo constante de aire venza la

presión hidrostática de un liquido, al

salir el aire lo hace a manera de

burbujeo, de ahí el nombre del

sistema. Principio de funcionamiento:

"La presión en el tubo es igual a la

presión hidrostática causada por el

nivel, si se mide la presión dentro del

tubo se obtiene la medición del nivel",

este método se puede utilizar en

recipientes abiertos o cerrados, la

entrada del manómetro se monta por

encima del nivel máximo del recipiente

para que los sedimentos no se

acumulen en el tubo de conexión.


Interruptores de nivel por vibración La horquilla vibra a la frecuencia resonante del material

Es un sensor con forma de horquilla, que vibra a su

frecuencia de resonancia por un cristal piezoeléctrico. Esta

frecuencia cambia cuando la horquilla se pone en contacto

con el sólido o líquido contenido en el recipiente. El cambio

de frecuencia es evaluado y convertido en una señal. Sirve

para mediciones discretas.

Líquidos: existen para toda clase de líquidos. Es usado

para seguridad y monitoreo de los límites superior e

inferior de los tanques y en sistemas de bombas.

Pueden usarse en aquellas aplicaciones donde no es

posible utilizar un flotador, por ejemplo

turbulencia, espuma.

Sólidos: es posible

utilizarlos en silos que

contengan

granos finos y sólidos en

polvo, por ejemplo: trigo,

uva, cereales, harina,

leche en polvo, azúcar,

cacao, alimento de

animales, polvo de lavar,

cemento, plástico

granulado, tintura, yeso,

etc.

Existen tanto para líquidos como para sólidos:


Interruptores de Nivel por Conductividad

Se utiliza en líquidos que sean conductores de corriente y están diseñados para soportar líquidos agresivos. No se

pueden utilizar en líquidos que sean inflamables o explosivos. Utiliza una pequeña corriente alterna, por lo que

no es peligroso para las personas y no tiene efectos de electrólisis.


Es un interruptor de nivel que suministra una pequeña corriente alterna entre dos sondas, el circuito se cierra por

medio del fluido y se indica así el nivel cuando el líquido `toca´ ambas sondas. Se utiliza en mediciones discretas.


MEDIDA DE NIVEL CON ELECTRODOS

Las bombas se arrancan

al llegar el nivel al

electrodo de alta y se

desconectan al descender

el nivel del electrodo de

baja.


Interruptor de Nivel con paleta rotatoria

Principio de funcionamiento: La

paleta rotativa es accionada por un

motor de engranaje, y detecta el

material cuando el

nivel alcanza el sensor . Cuando el

material entra en contacto con la

paleta se detiene la vibración. Esta

vibración

provoca el cambio de estado del relé.

Cuando la paleta está libre, se

reanuda la vibración y el relé vuelve a

su condición

normal.

Este interruptor es idóneo para aplicaciones con sólidos en ambientes industriales

extremos. El usuario puede ajustar la sensibilidad de la paleta en función de las

propiedades del material detectado.

Se distinguen varios modelos de sensores compacto o ampliado, con extensión rígida o

cable. Pueden incluir una paleta estándar (idónea para muchas aplicaciones), o

articulada (ofrece mayor sensibilidad para materiales sólidos ligeros).

Detecta la presencia o ausencia

de sólidos secos a granel.

Este dispositivo ofrece un

rendimiento superior al monitorizar

productos como grano, alimentos,

cemento, gránulos de plástico y

virutas de madera.


Indicador de Nivel Tipo Bypass

Una Cámara comunicante o Bypass se

conecta a un lado del recipiente. Cuando el

nivel del liquido sube o baja dentro del

recipiente, un flotador con un sistema

magnético interno dentro de la cámara, sube

o baja con él.

El campo magnético radial del imán

permanente del flotador actúa un indicador

visual y sensores montados sobre la parte

externa de la cámara bypass.

Indicador Magnético de Rodillo


Tipo Bypass con flotador

Según el principio de

vasos comunicantes


Medición de nivel por Micropulsos

Medición simple y precisa de nivel en

sólidos de distinta granulometría - este

es el dominio del transmisor de nivel

por micropulsos. Micropulsos guiados

miden independientemente de las

características del producto, tales

como la humedad, densidad,

granulometría.

Este transmisor está disponible en

varias versiones (también para

productos corrosivos y abrasivos), con

conexión roscada 11/2" universal como

conexión estándar.


Nivel por Sondeo de Peso

Características

Todo tipos de líquidos, gránulos y polvos.

La medición no es afectada por polvo, espuma, materiales diversos, turbulencia , alta viscosidad, etc.

Puede ser operado directamente por un PLC.

Diseño moderno de electrónica digital, muy confiable.

Se puede calibrar, reconfigurar, probar y leer a distancias de hasta 120 metros.

Los transmisores pueden ser operados desde una unidad de control de manual , inteligente.

Salidas de transmisión: de 4-20 m a, RS-485 y pulsos.

La autoverificación de los transmisores del sistema se despliega en el monitor modelo 825.

Puede leer un 100% de nivel de tanque. No hay un espacio “muerto” en su parte superior .

Un motor eléctrico, de baja tensión, tira la plomada hacia el nivel del tanque y evita el entrampamiento de sólidos.


OCM Open Channel Measurement level

El nivel de agua (altura hidrostática h) en

un canal abierto se relaciona directamente

con el canal de descarga (Q). Cuanta más

agua circule por un canal abierto, mayor

será el nivel de agua.

Q = f(h)

Q Caudal o volumen de agua

h Nivel de agua ( profundidad de la

corriente de agua corriente arriba)


Medición de Nivel Instrumento Campo de medida Precisión

% escala

Presión max

bar

Temperatura

max fluido C

Desventajas Ventajas

Sonda Limitado 0.5mm Atm. 60 Manual, sin olas

Tanques abiertos

Barato, preciso

Cristal Limitado 0.5mm 150 200 Sin transmisión Seguro, preciso

Flotador 0-10m +/- 1-2% 400 250 Endurecimiento de

mecanismos móviles

Simple,

Independiente de

naturaleza liquido

Manométrico Alt. tanque +/- 1% Atm. 60 Tanques abiertos

Fluidos líquidos

Barato

Membrana 0-25 m +/- 1% Atm. 60 Tanques abiertos Barato

Burbujeo Alt. Tanque +/- 1% 400 200 Mantenimiento,

contaminación del liquido

Barato, versátil

Preción

diferencial

0-10 m +/- 0.15-0.5% 150 200 Posible agarrotamiento Interfase liquido

Conductivo Ilimitado - 80 200 Liquido conductor Versátil

Capacitivo 0-6 m +/- 1% 80-250 200-400 Recubrimiento electrodo Resistencia a la

corrosión

Ultrasónico 0-3 m +/- 1% 400 200 Sensible a la densidad Todo tipos de

tanques y líquidos

Radiación 0-2.5m +/- 0.5% - 150 Fuente radiactiva Todo tipo de

tanques ( sin

contacto liquido)

Láser 0-2 m +/- 0.5% - 1500 Láser Todo tipo de

tanques ( sin

contacto liquido)

5.-Sensos de Nivel

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