5.-Sensos de Nivel
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Instrumentación Industrial
PEPP: Instrumentación Automatización y
Control de Procesos
Instrumentación Industrial
_____________________________
Instrumentación Industrial
SENSORES DE NIVEL
Existe una gran variedad
de instrumentos de tipo
binario y analógico, para
medición de nivel de
líquidos y sólidos.
Instrumentación Industrial
Medición de Nivel Líquidos
Instrumentación Industrial
Medición de Nivel Sólidos
Instrumentación Industrial
Instrumentación Industrial
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:
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
Sensores Ultrasónicos de Nivel
Principio de funcionamiento:
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.
Instrumentación Industrial
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
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
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
Instrumentación Industrial
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
Propagación de Sonido
Instrumentación Industrial
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.
Propagación de Sonido
Instrumentación Industrial
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
Instrumentación Industrial
• 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
Instrumentación Industrial
Receptor Ultrasónico
• Modo Pulso
tc
ta = Tiempo de oscilación final.
ts = Longitud del pulso.
tc = Tiempo del ciclo.
te = Tiempo de eco.
Instrumentación Industrial
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
Instrumentación Industrial
Condiciones de Operación de Sensores Ultrasónicos
Campo de un sensor
ultrasónico
Instrumentación Industrial
Variación de la velocidad del sonido en el aire seco con respecto a
la temperatura
Instrumentación Industrial
Diseños
Diseños cuadrados Diseños cilíndricos
Instrumentación Industrial
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.
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Sensores Ultrasónicos
Instrumentación Industrial
Aplicaciones
Sensado del nivel
de líquidos
Ordenamiento de partes
de acuerdo a su altura
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
Monitoreo del nivel
de llenado en silos Control de montacargas
Aplicaciones
Instrumentación Industrial
Monitoreo de la tensión en
fajas transportadoras
Monitoreo de pinzas de
sujeción en robots industriales
Aplicaciones
Instrumentación Industrial
Ordenamiento según
altura de la pila
Detección de parabrisas
en vehículos
Aplicaciones
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
Sensores Binarios de Nivel Tipo REED
Dispositivo de
detección de nivel
tipo binario
Instrumentación Industrial
RELÉS REED
Relé Reed
Relé Reed accionado por
bobina. Contacto
normalmente abierto
Relé Reed accionado por bobina.
Contacto normalmente cerrado
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SISTEMAS DE MANDO
Movimiento de Proximidad con Imán
Movimiento perpendicular
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Movimiento paralelo Movimiento de rotación
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Movimiento pivotante Pantalla
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Polarización
Control giratorio
Instrumentación Industrial
Por presión de aire Por flotador
Instrumentación Industrial
Movimiento de Proximidad con Bobina
Contacto simple
Instrumentación Industrial
Apertura por bobina Acción diferencial
Instrumentación Industrial
Sensores Binarios de Nivel Tipo REED
Instrumentación Industrial
Sensores Binarios de Nivel Tipo REED
Curvas
correspondientes al
ciclo de histéresis
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
Sensores Binarios de Nivel Tipo Óptico
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
Curva característica corriente –
voltaje del LED GaAs
Polarización de un LED
con resistor en serie
• Diodos Luminosos
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
• Fotodiodos
Sensibilidad espectral relativa R/Rmáx. de un fotodiodo de silicio
( = Longitud de onda)
Instrumentación Industrial
Conmutación de un fotodiodo
en operación cortocircuito
Operación en corto circuito de un
fotodiodo con amplificador
operacional
• Fotodiodos
Instrumentación Industrial
• 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.
Instrumentación Industrial
• 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.
Instrumentación Industrial
Sensores Binarios de Nivel Tipo Boya
- Detección de Nivel Alto
- Detección de Nivel Bajo
Disponen de un
interruptor TILT
SWITCH
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
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:
Instrumentación Industrial
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.
Principio de funcionamiento:
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.
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
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
Instrumentación Industrial
Tipo Bypass con flotador
Según el principio de
vasos comunicantes
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
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.
Instrumentación Industrial
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)
Instrumentación Industrial
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)