Los sensores de nivel detectan el nivel de líquidos y otros fluidos y sólidos fluidizados, incluyendo lodos , materiales granulares y polvos que exhiben una superficie libre superior . Las sustancias que fluyen se vuelven esencialmente horizontales en sus contenedores (u otros límites físicos) debido a la gravedad , mientras que la mayoría de los sólidos a granel se apilan en un ángulo de reposo hasta un pico. La sustancia a medir puede estar dentro de un contenedor o puede estar en su forma natural (por ejemplo, un río o un lago). La medición de nivel puede ser continua o valores puntuales. Los sensores de nivel continuo miden el nivel dentro de un rango especificado y determinan la cantidad exacta de sustancia en un lugar determinado, mientras que los sensores de nivel puntual solo indican si la sustancia está por encima o por debajo del punto de detección. Generalmente, estos últimos detectan niveles que son excesivamente altos o bajos.
Existen muchas variables físicas y de aplicación que afectan la selección del método óptimo de monitoreo de nivel para procesos industriales y comerciales. [1] Los criterios de selección incluyen lo físico: fase (líquido, sólido o suspensión), temperatura , presión o vacío , química , constante dieléctrica del medio , densidad (gravedad específica) del medio, agitación (acción) , ruido acústico o eléctrico, vibración , choque mecánico , tamaño y forma del tanque o contenedor. También son importantes las restricciones de la aplicación: precio, precisión, apariencia, tasa de respuesta, facilidad de calibración o programación , tamaño físico y montaje del instrumento, monitoreo o control de niveles continuos o discretos (puntuales). En resumen, los sensores de nivel son uno de los sensores más importantes y juegan un papel muy importante en una variedad de aplicaciones industriales/de consumo. Al igual que con otros tipos de sensores, los sensores de nivel están disponibles o pueden diseñarse utilizando una variedad de principios de detección. La selección de un tipo de sensor apropiado que se adapte al requisito de la aplicación es muy importante.
Hay una variedad de sensores disponibles para la detección de nivel de sólidos. Estos incluyen sensores de nivel vibratorios, de paletas giratorias, mecánicos ( diafragma ), de microondas ( radar ), capacitivos, ópticos, ultrasónicos pulsados y ultrasónicos .
Estos detectan niveles de polvos muy finos (densidad aparente:0,02–0,2 g/cm 3 ), polvos finos (densidad aparente:0,2–0,5 g/cm 3 ) y sólidos granulares (densidad aparente:0,5 g/cm3 o más). Con la selección adecuada de la frecuencia de vibración y los ajustes de sensibilidad adecuados, también pueden detectar el nivel de polvos altamente fluidizados y materiales electrostáticos.
Los sensores de nivel vibratorios de una sola sonda son ideales para el nivel de polvo a granel. Dado que solo un elemento sensor entra en contacto con el polvo, se eliminan los puentes entre dos elementos de la sonda y se minimiza la acumulación de material. La vibración de la sonda tiende a eliminar la acumulación de material en el elemento de la sonda. Los sensores de nivel vibratorios no se ven afectados por el polvo, la acumulación de carga estática de los polvos dieléctricos o los cambios en la conductividad, la temperatura, la presión, la humedad o el contenido de humedad. Los sensores de vibración tipo diapasón son otra alternativa. Suelen ser menos costosos, pero son propensos a la acumulación de material entre las púas.
Los sensores de nivel de paletas giratorias son una técnica muy antigua y establecida para la indicación del nivel de sólidos a granel. La técnica utiliza un motorreductor de baja velocidad que hace girar una rueda de paletas. Cuando la paleta se detiene por materiales sólidos, el motor gira sobre su eje por su propio par hasta que una brida montada en el motor entra en contacto con un interruptor mecánico. La paleta puede construirse con una variedad de materiales, pero no se debe permitir que se acumule material pegajoso en la paleta. La acumulación puede ocurrir si el material de proceso se vuelve pegajoso debido a altos niveles de humedad o alta humedad ambiental en la tolva. Para materiales con muy bajo peso por unidad de volumen, como perlita , bentonita o cenizas volantes , se utilizan diseños de paletas especiales y motores de bajo par. Se debe evitar que las partículas finas o el polvo penetren en los cojinetes del eje y el motor mediante la colocación adecuada de la paleta en la tolva o el contenedor y el uso de sellos apropiados.
Un sensor de nivel de admitancia de RF utiliza una sonda de varilla y una fuente de RF para medir el cambio en la admitancia . La sonda se acciona a través de un cable coaxial blindado para eliminar los efectos del cambio de capacitancia del cable a tierra. Cuando el nivel cambia alrededor de la sonda, se observa un cambio correspondiente en el dieléctrico. Esto cambia la admitancia de este capacitor imperfecto y este cambio se mide para detectar el cambio de nivel. [2]
Los sistemas típicos para la detección de nivel de líquido incluyen flotadores magnéticos y mecánicos, sensores de presión, sensores electroconductores o detectores electrostáticos (capacitancia o inductancia), y mediante la medición del tiempo de vuelo de una señal a la superficie del fluido, a través de sensores electromagnéticos (como magnetoestrictivos), ultrasónicos, de radar u ópticos. [3] [4]
El principio detrás de los sensores de nivel magnéticos, mecánicos, de cable y otros sensores de nivel de flotador a menudo implica la apertura o el cierre de un interruptor mecánico, ya sea a través del contacto directo con el interruptor o la operación magnética de una lámina. En otros casos, como los sensores magnetoestrictivos, es posible realizar un monitoreo continuo utilizando un principio de flotador.
En el caso de los sensores de nivel de flotador accionados magnéticamente, la conmutación se produce cuando un imán permanente sellado dentro de un flotador sube o baja hasta el nivel de actuación. En el caso de un flotador accionado mecánicamente, la conmutación se produce como resultado del movimiento de un flotador contra un interruptor en miniatura (micro). En el caso de los sensores de nivel de flotador magnéticos y mecánicos, la compatibilidad química, la temperatura, la gravedad específica (densidad), la flotabilidad y la viscosidad afectan la selección del vástago y del flotador. Por ejemplo, se pueden utilizar flotadores más grandes con líquidos con gravedades específicas tan bajas como 0,5 manteniendo al mismo tiempo la flotabilidad. La elección del material del flotador también está influenciada por los cambios inducidos por la temperatura en la gravedad específica y la viscosidad, cambios que afectan directamente a la flotabilidad. [5]
Los sensores de tipo flotador pueden diseñarse de modo que un escudo proteja al propio flotador de la turbulencia y el movimiento de las olas. Los sensores de flotador funcionan bien en una amplia variedad de líquidos, incluidos los corrosivos. Sin embargo, cuando se utilizan con disolventes orgánicos, será necesario verificar que estos líquidos sean químicamente compatibles con los materiales utilizados para construir el sensor. Los sensores de tipo flotador no deben utilizarse con líquidos de alta viscosidad (espesos), lodos o líquidos que se adhieran al vástago o a los flotadores, o materiales que contengan contaminantes como virutas de metal; otras tecnologías de detección son más adecuadas para estas aplicaciones.
Una aplicación especial de los sensores de tipo flotador es la determinación del nivel de la interfaz en los sistemas de separación de aceite y agua. Se pueden utilizar dos flotadores, cada uno de ellos dimensionado para que coincida con la gravedad específica del aceite, por un lado, y del agua, por el otro. Otra aplicación especial de un interruptor de flotador de tipo vástago es la instalación de sensores de temperatura o presión para crear un sensor multiparamétrico. Los interruptores de flotador magnéticos son populares por su simplicidad, fiabilidad y bajo coste.
Una variante de la detección magnética es el sensor de " efecto Hall ", que utiliza la detección magnética de las indicaciones de un medidor mecánico. En una aplicación típica, se fija un "sensor de efecto Hall" sensible al magnetismo a un medidor mecánico de tanque que tiene una aguja indicadora magnetizada, de modo de detectar la posición indicadora de la aguja del medidor. El sensor magnético traduce la posición de la aguja indicadora en una señal eléctrica, lo que permite otras indicaciones o señales (generalmente remotas). [3]
Los sensores de nivel neumáticos se utilizan en situaciones peligrosas, cuando no hay suministro eléctrico o su uso está restringido, o en aplicaciones que implican lodos o pulpa pesados. Como la compresión de una columna de aire contra un diafragma se utiliza para accionar un interruptor, ningún líquido de proceso entra en contacto con las partes móviles del sensor . Estos sensores son adecuados para su uso con líquidos muy viscosos, como grasa, así como líquidos a base de agua y corrosivos. Esto tiene el beneficio adicional de ser una técnica de costo relativamente bajo para el monitoreo de nivel puntual. Una variación de esta técnica es el "burbujeador", que comprime el aire en un tubo hasta el fondo del tanque, hasta que el aumento de presión se detiene a medida que la presión del aire aumenta lo suficiente como para expulsar burbujas de aire del fondo del tubo, superando la presión allí. La medición de la presión de aire estabilizada indica la presión en el fondo del tanque y, por lo tanto, la masa de fluido que se encuentra por encima. [6] [7] [8] [9] [3] [4]
Los sensores de nivel conductivos son ideales para la detección de nivel puntual de una amplia gama de líquidos conductivos, como el agua, y son especialmente adecuados para líquidos altamente corrosivos, como la sosa cáustica, el ácido clorhídrico , el ácido nítrico, el cloruro férrico y líquidos similares. Para aquellos líquidos conductivos que son corrosivos, los electrodos del sensor deben estar construidos de titanio, Hastelloy B o C, o acero inoxidable 316 y aislados con espaciadores, separadores o soportes de materiales cerámicos, de polietileno y a base de teflón. Dependiendo de su diseño, se pueden utilizar varios electrodos de diferentes longitudes con un soporte. Dado que los líquidos corrosivos se vuelven más agresivos a medida que aumenta la temperatura y la presión, se deben tener en cuenta estas condiciones extremas al especificar estos sensores.
Los sensores de nivel conductivos utilizan una fuente de alimentación de bajo voltaje y corriente limitada aplicada a través de electrodos separados. La fuente de alimentación se adapta a la conductividad del líquido, con versiones de mayor voltaje diseñadas para operar en medios menos conductivos (mayor resistencia). La fuente de alimentación incorpora con frecuencia algún aspecto de control, como control de bomba alterna o de alto-bajo. Un líquido conductivo que entra en contacto con la sonda más larga (común) y una sonda más corta (retorno) completa un circuito conductivo. Los sensores conductivos son extremadamente seguros porque utilizan voltajes y corrientes bajos. Dado que la corriente y el voltaje utilizados son inherentemente pequeños, por razones de seguridad personal, la técnica también puede volverse intrínsecamente segura para cumplir con los estándares internacionales para ubicaciones peligrosas . Las sondas conductivas tienen el beneficio adicional de ser dispositivos de estado sólido y son muy simples de instalar y usar. En algunos líquidos y aplicaciones, el mantenimiento puede ser un problema. La sonda debe seguir siendo conductiva. Si la acumulación aísla la sonda del medio, dejará de funcionar correctamente. Una inspección simple de la sonda requerirá un ohmímetro conectado a la sonda sospechosa y a la referencia de tierra.
Por lo general, en la mayoría de los pozos de agua y aguas residuales, el propio pozo, con sus escaleras, bombas y otras instalaciones metálicas, proporciona un retorno a tierra. Sin embargo, en los tanques de productos químicos y otros pozos sin conexión a tierra, el instalador debe proporcionar un retorno a tierra, generalmente una varilla de tierra.
Un método de detección de cambio de estado de frecuencia controlado por microprocesador utiliza una señal de baja amplitud generada en múltiples sondas de sensores de diferentes longitudes. Cada sonda tiene una frecuencia independiente de todas las demás sondas de la matriz y cambia de estado de forma independiente cuando entra en contacto con el agua. El cambio de estado de la frecuencia en cada sonda es monitoreado por un microprocesador que puede realizar múltiples funciones de control del nivel de agua.
Una de las ventajas del control de frecuencia dependiente del estado es la estabilidad a largo plazo de las sondas de detección. La intensidad de la señal no es suficiente para provocar suciedad, degradación o deterioro de los sensores debido a la electrólisis en agua contaminada. Los requisitos de limpieza de los sensores son mínimos o se eliminan. El uso de múltiples varillas de detección de diferentes longitudes permite al usuario configurar intuitivamente los interruptores de control a distintas alturas del agua.
El microprocesador de un monitor de frecuencia dependiente del estado puede accionar válvulas o bombas grandes con un consumo de energía muy bajo. Se pueden incorporar múltiples controles de interruptores en un paquete pequeño y, al mismo tiempo, brindar una funcionalidad compleja y específica para la aplicación mediante el uso del microprocesador. El bajo consumo de energía de los controles es constante en aplicaciones de campo grandes y pequeñas. Esta tecnología universal se utiliza en aplicaciones con una amplia gama de calidades de líquidos.
Los sensores de nivel ultrasónicos se utilizan para la detección de nivel sin contacto de líquidos altamente viscosos, así como de sólidos a granel. También se utilizan ampliamente en aplicaciones de tratamiento de agua para el control de bombas y la medición de caudal en canales abiertos. Los sensores emiten ondas acústicas de alta frecuencia (de 20 kHz a 200 kHz) que se reflejan de vuelta al transductor emisor y son detectadas por éste. [3]
Los sensores de nivel ultrasónicos también se ven afectados por los cambios en la velocidad del sonido debido a la humedad, la temperatura y la presión. Se pueden aplicar factores de corrección a la medición de nivel para mejorar la precisión de la medición.
La turbulencia, la espuma, el vapor, las nieblas químicas (vapores) y los cambios en la concentración del material del proceso también afectan la respuesta del sensor ultrasónico. La turbulencia y la espuma impiden que la onda sonora se refleje correctamente en el sensor; el vapor y las nieblas y vapores químicos distorsionan o absorben la onda sonora; y las variaciones en la concentración provocan cambios en la cantidad de energía de la onda sonora que se refleja de vuelta al sensor. Se utilizan pozos tranquilizadores y guías de ondas para evitar errores causados por estos factores.
Se requiere un montaje adecuado del transductor para garantizar la mejor respuesta al sonido reflejado. Además, la tolva, el contenedor o el tanque deben estar relativamente libres de obstáculos como soldaduras, soportes o escaleras para minimizar los retornos falsos y la respuesta errónea resultante, aunque la mayoría de los sistemas modernos tienen un procesamiento de eco lo suficientemente "inteligente" como para hacer que los cambios de ingeniería sean en gran medida innecesarios, excepto cuando una intrusión bloquea la línea de visión del transductor hacia el objetivo. Dado que el transductor ultrasónico se utiliza tanto para transmitir como para recibir la energía acústica, está sujeto a un período de vibración mecánica conocido como "resonancia". Esta vibración debe atenuarse (detenerse) antes de que la señal reflejada pueda procesarse. El resultado neto es una distancia desde la cara del transductor que es ciega y no puede detectar un objeto. Se conoce como la "zona de supresión", normalmente de 150 mm a 1 m, según el alcance del transductor.
El requisito de circuitos de procesamiento de señales electrónicas se puede utilizar para hacer que el sensor ultrasónico sea un dispositivo inteligente. Los sensores ultrasónicos se pueden diseñar para proporcionar control de nivel de punto, monitoreo continuo o ambos. Debido a la presencia de un microprocesador y un consumo de energía relativamente bajo, también existe la capacidad de comunicación en serie con otros dispositivos informáticos, lo que hace que esta sea una buena técnica para ajustar la calibración y el filtrado de la señal del sensor, el monitoreo inalámbrico remoto o las comunicaciones de red de la planta. El sensor ultrasónico goza de una gran popularidad debido a la poderosa combinación de bajo precio y alta funcionalidad.
Los sensores de nivel de capacitancia se destacan por detectar la presencia de una amplia variedad de sólidos, líquidos acuosos y orgánicos y lodos. [10] La técnica se conoce con frecuencia como RF por las señales de radiofrecuencia aplicadas al circuito de capacitancia. Los sensores pueden diseñarse para detectar material con constantes dieléctricas tan bajas como 1,1 (coque y cenizas volantes) y tan altas como 88 (agua) o más. También se pueden detectar lodos y lodos como tortas deshidratadas y lodos de depuradora (constante dieléctrica de aproximadamente 50) y productos químicos líquidos como cal viva (constante dieléctrica de aproximadamente 90). [3] Los sensores de nivel de capacitancia de doble sonda también se pueden utilizar para detectar la interfaz entre dos líquidos inmiscibles con constantes dieléctricas sustancialmente diferentes, lo que proporciona una alternativa de estado sólido al interruptor de flotador magnético mencionado anteriormente para la aplicación de "interfaz aceite-agua".
Dado que los sensores de nivel de capacitancia son dispositivos electrónicos, la modulación de fase y el uso de frecuencias más altas hacen que el sensor sea adecuado para aplicaciones en las que las constantes dieléctricas son similares. El sensor no contiene partes móviles, es resistente, fácil de usar y de limpiar, y puede diseñarse para aplicaciones de alta temperatura y presión. Existe un peligro de acumulación y descarga de una carga estática de alto voltaje que resulta del roce y el movimiento de materiales de bajo dieléctrico, pero este peligro se puede eliminar con un diseño y una conexión a tierra adecuados.
La elección adecuada de los materiales de la sonda reduce o elimina los problemas causados por la abrasión y la corrosión. La detección de nivel puntual de adhesivos y materiales de alta viscosidad, como aceite y grasa, puede provocar la acumulación de material en la sonda; sin embargo, esto se puede minimizar utilizando un sensor autoajustable. Para líquidos propensos a la formación de espuma y aplicaciones propensas a salpicaduras o turbulencias, los sensores de nivel capacitivos se pueden diseñar con protectores contra salpicaduras o pozos tranquilizadores, entre otros dispositivos.
Una limitación importante de las sondas de capacitancia se encuentra en los contenedores altos que se utilizan para almacenar sólidos a granel. El requisito de una sonda conductora que se extienda hasta el fondo del rango de medición es problemático. Las sondas de cable conductoras largas (de 20 a 50 metros de largo), suspendidas en el contenedor o silo, están sujetas a una enorme tensión mecánica debido al peso del polvo a granel en el silo y la fricción aplicada al cable. Tales instalaciones con frecuencia darán como resultado la rotura del cable.
Los sensores ópticos se utilizan para detectar el nivel de sedimentos, líquidos con sólidos suspendidos e interfaces líquido-líquido. Estos sensores detectan la disminución o el cambio en la transmisión de la luz infrarroja emitida por un diodo infrarrojo (LED). Con la elección adecuada de los materiales de construcción y la ubicación de montaje, estos sensores se pueden utilizar con líquidos acuosos, orgánicos y corrosivos.
Una aplicación común de los sensores de nivel de punto de interfaz óptica basados en infrarrojos económicos es la detección de la interfaz lodo/agua en estanques de sedimentación. Mediante el uso de técnicas de modulación de pulsos y un diodo infrarrojo de alta potencia, se pueden eliminar las interferencias de la luz ambiental, hacer funcionar el LED con una mayor ganancia y reducir los efectos de la acumulación en la sonda.
Un método alternativo para la detección de nivel óptico continuo implica el uso de un láser. La luz del láser está más concentrada y, por lo tanto, es más capaz de penetrar entornos polvorientos o vaporosos. La luz del láser se refleja en la mayoría de las superficies sólidas y líquidas. El tiempo de vuelo se puede medir con un circuito de sincronización preciso para determinar el alcance o la distancia de la superficie al sensor. Los láseres siguen teniendo un uso limitado en aplicaciones industriales debido al costo y la preocupación por el mantenimiento. La óptica debe limpiarse con frecuencia para mantener el rendimiento.
Los sensores de microondas son ideales para su uso en entornos húmedos, vaporosos y polvorientos, así como en aplicaciones en las que varían las temperaturas y las presiones. Las microondas (también descritas con frecuencia como radar) penetran capas de temperatura y vapor que pueden causar problemas para otras técnicas, como la ultrasónica. [3] Las microondas son energía electromagnética y, por lo tanto, no requieren moléculas de aire para transmitir la energía, lo que las hace útiles en el vacío. Las microondas, como energía electromagnética, son reflejadas por objetos con altas propiedades conductoras, como el metal y el agua conductora. Alternativamente, son absorbidas en diversos grados por medios "de baja dielectricidad" o aislantes, como plásticos, vidrio, papel, muchos polvos y alimentos y otros sólidos.
Los sensores de microondas se ejecutan en una amplia variedad de técnicas. Se aplican dos técnicas básicas de procesamiento de señales, cada una con sus propias ventajas: reflectometría pulsada o de dominio temporal (TDR), que es una medición del tiempo de vuelo dividido por la velocidad de las ondas electromagnéticas en el medio (velocidad de la luz dividida por la raíz cuadrada de la constante dieléctrica del medio [11] ), similar a los sensores de nivel ultrasónicos, y sistemas Doppler que emplean técnicas FMCW. Al igual que con los sensores de nivel ultrasónicos, los sensores de microondas se ejecutan en varias frecuencias, desde 1 GHz hasta 60 GHz. [12] Generalmente, cuanto mayor sea la frecuencia, más preciso y más costoso. Las microondas se ejecutan mediante una técnica sin contacto o guiada. La primera se realiza monitoreando una señal de microondas que se transmite a través del espacio libre (incluido el vacío) y se refleja de regreso, o puede ejecutarse como una técnica de "radar en un cable", generalmente conocida como radar de onda guiada o radar de microondas guiado. En la última técnica, el rendimiento generalmente mejora en polvos y medios de baja dielectricidad que no son buenos reflectores de la energía electromagnética transmitida a través de un vacío (como en los sensores de microondas sin contacto). Esta técnica puede utilizar guías de onda específicas de la aplicación para obtener resultados más precisos o información adicional requerida para la aplicación del sensor (por ejemplo, algunos sensores pueden usar partes del tanque u otro equipo como guía de onda o su parte). [13] Es una práctica común utilizar guías de onda remotas, cuando la guía de onda está distanciada de la parte electrónica (comúnmente para yacimientos con condiciones duras, radiación o ebullición bajo líquidos/gases a alta presión, etc.). Pero con la técnica guiada existen las mismas restricciones mecánicas que causan problemas para las técnicas de capacitancia (RF) mencionadas anteriormente al tener una sonda en el recipiente.
Los sensores de radar basados en microondas sin contacto pueden ver a través de ventanas o paredes de vidrio o plástico de baja conductividad "transparentes a las microondas" (no conductores) a través de las cuales puede pasar el haz de microondas y medir un líquido "reflectivo de microondas" (conductor) en el interior (de la misma manera que se utiliza un recipiente de plástico en un horno microondas). Además, no se ven afectados en gran medida por altas temperaturas, presión, vacío o vibración. Como estos sensores no requieren contacto físico con el material del proceso, el transmisor/receptor se puede montar a una distancia segura por encima/del proceso, incluso con una extensión de antena de varios metros para reducir la temperatura, y aún así responder a los cambios de nivel o de distancia; por ejemplo, son ideales para la medición de productos de metal fundido a más de 1200 °C. Los transmisores de microondas también ofrecen la misma ventaja clave de los ultrasonidos: la presencia de un microprocesador para procesar la señal, proporcionar numerosas capacidades de monitoreo, controles, comunicaciones, configuración y diagnóstico y son independientes de los cambios de densidad, viscosidad y propiedades eléctricas. Además, resuelven algunas de las limitaciones de aplicación de los ultrasonidos: operación en alta presión y vacío, altas temperaturas, polvo, temperatura y capas de vapor. Los radares de ondas guiadas pueden medir en espacios estrechos y confinados con mucho éxito, ya que el elemento guía asegura la transmisión correcta hacia y desde el líquido medido. Aplicaciones como dentro de tubos tranquilizadores o bridas o jaulas externas, ofrecen una excelente alternativa a los dispositivos de flotación o desplazamiento, ya que eliminan cualquier pieza móvil o conexión y no se ven afectados por cambios de densidad o acumulación. También son excelentes con productos de reflectividad de microondas muy baja como gases líquidos (GNL, GLP, amoníaco) que se almacenan a bajas temperaturas/altas presiones, aunque se debe tener cuidado con los arreglos de sellado y las aprobaciones de áreas peligrosas. En sólidos a granel y polvos, el GWR ofrece una gran alternativa a los sensores de radar o ultrasónicos, pero se debe tener cuidado con el desgaste del cable y la carga del techo por el movimiento del producto.
Una de las principales desventajas que se perciben de las técnicas de microondas o radar para el control de nivel es el precio relativamente alto de dichos sensores y su compleja configuración. Sin embargo, el precio se ha reducido significativamente en los últimos años para equipararse a los de los ultrasonidos de mayor alcance, y la configuración simplificada de ambas técnicas también mejora la facilidad de uso.
Los sensores de nivel magnetoestrictivos son similares a los sensores de tipo flotador en el sentido de que un imán permanente sellado dentro de un flotador se desplaza hacia arriba y hacia abajo por un vástago en el que está sellado un alambre magnetoestrictivo. Ideales para la medición de nivel continua y de alta precisión de una amplia variedad de líquidos en contenedores de almacenamiento y envío, estos sensores requieren la elección adecuada del flotador en función de la gravedad específica del líquido. Al elegir los materiales del flotador y del vástago para los sensores de nivel magnetoestrictivos, se aplican las mismas pautas descritas para los sensores de nivel de flotador magnéticos y mecánicos.
Los dispositivos de nivel y posición magnetostrictivos cargan el cable magnetostrictivo con corriente eléctrica, cuando el campo intersecta el campo magnético de los flotadores se genera un giro o pulso mecánico, este viaja de regreso por el cable a la velocidad del sonido, como el ultrasonido o el radar, la distancia se mide por el tiempo de vuelo desde el pulso hasta el registro del pulso de retorno. El tiempo de vuelo corresponde a la distancia desde el sensor que detecta el pulso de retorno.
Debido a la precisión que se puede alcanzar con la técnica magnetoestrictiva, es popular para aplicaciones de "transferencia de custodia". Puede ser permitida por una agencia de pesos y medidas para realizar transacciones comerciales. También se aplica con frecuencia en mirillas magnéticas. En esta variante, el imán se instala en un flotador que se desplaza dentro de un tubo o vidrio de mirilla. El imán actúa sobre el sensor que está montado externamente en el mirilla. Las calderas y otras aplicaciones de alta temperatura o presión aprovechan esta calidad de rendimiento.
Los sensores de nivel de cadena resistivos son similares a los sensores de nivel de flotador magnético en el sentido de que un imán permanente sellado dentro de un flotador se mueve hacia arriba y hacia abajo por un vástago en el que están sellados interruptores y resistencias espaciadas muy cerca. Cuando los interruptores están cerrados, la resistencia se suma y se convierte en señales de corriente o voltaje que son proporcionales al nivel del líquido.
La elección de los materiales del flotador y del vástago depende del líquido en términos de compatibilidad química, así como de la gravedad específica y otros factores que afectan la flotabilidad. Estos sensores funcionan bien para mediciones de nivel de líquidos en aplicaciones marinas, de procesamiento químico, farmacéuticas, de procesamiento de alimentos, de tratamiento de residuos y otras. Con la elección adecuada de dos flotadores, los sensores de nivel de cadena resistivos también se pueden utilizar para controlar la presencia de una interfaz entre dos líquidos inmiscibles cuyas gravedades específicas son superiores a 0,6, pero difieren en tan solo 0,1 unidades.
Los sensores de nivel de flotador con magnetorresistencia son similares a los sensores de nivel de flotador, pero tienen un par de imanes permanentes sellados dentro del pivote del brazo del flotador. A medida que el flotador se mueve hacia arriba, el movimiento y la ubicación se transmiten como la posición angular del campo magnético. Este sistema de detección es muy preciso hasta 0,02° de movimiento. La ubicación de la brújula de campo proporciona una ubicación física de la posición del flotador. La elección de los materiales del flotador y del vástago depende del líquido en términos de compatibilidad química, así como de la gravedad específica y otros factores que afectan la flotabilidad del flotador. El sistema de monitoreo electrónico no entra en contacto con el fluido y se considera intrínsecamente seguro o a prueba de explosiones. Estos sensores funcionan bien para mediciones de nivel de líquido en aplicaciones marinas, de vehículos, de aviación, de procesamiento químico, farmacéuticas, de procesamiento de alimentos, de tratamiento de desechos y otras.
Debido a la presencia de un microprocesador y al bajo consumo de energía, también existe la capacidad de comunicación en serie con otros dispositivos informáticos, lo que hace que esta sea una buena técnica para ajustar la calibración y el filtrado de la señal del sensor.
Los sensores de nivel de presión hidrostática son sensores de presión sumergibles o montados externamente adecuados para medir el nivel de líquidos corrosivos en tanques profundos o agua en depósitos. Por lo general, el nivel de líquido se determina por la presión en el fondo del contenedor de líquido (tanque o depósito); la presión en el fondo, ajustada para la densidad / gravedad específica del líquido, indica la profundidad del líquido. [3] Para estos sensores, es importante utilizar materiales químicamente compatibles para garantizar un rendimiento adecuado. Los sensores están disponibles comercialmente desde 10 mbar hasta 1000 bar.
Dado que estos sensores detectan una presión creciente con la profundidad y que las gravedades específicas de los líquidos son diferentes, el sensor debe calibrarse adecuadamente para cada aplicación. Además, las grandes variaciones de temperatura provocan cambios en la gravedad específica que deben tenerse en cuenta cuando la presión se convierte en nivel. Estos sensores pueden diseñarse para mantener el diafragma libre de contaminación o acumulación, lo que garantiza un funcionamiento adecuado y mediciones precisas del nivel de presión hidrostática.
Para su uso en aplicaciones al aire libre, donde el sensor no se puede montar en el fondo del tanque o la tubería del mismo, se puede suspender una versión especial del sensor de nivel de presión hidrostática, una sonda de nivel , de un cable dentro del tanque hasta el punto inferior que se va a medir. [3] El sensor debe estar especialmente diseñado para sellar la electrónica del entorno líquido. En tanques con una presión de carga pequeña (menos de 100 INWC), es muy importante ventilar la parte posterior del medidor del sensor a presión atmosférica. De lo contrario, los cambios normales en la presión barométrica introducirán un gran error en la señal de salida del sensor. Además, la mayoría de los sensores necesitan ser compensados por los cambios de temperatura en el fluido.
Las sondas de nivel de presión se sumergen directamente en el líquido y permanecen flotando permanentemente sobre el fondo del tanque. La medición se realiza según el principio hidrostático. La presión de gravedad de la columna de líquido provoca una expansión del elemento sensor sensible a la presión, que convierte la presión medida en una señal eléctrica normalizada. El cable de conexión de las sondas de nivel tiene varias funciones que cumplir. Además de la alimentación eléctrica y la transmisión de señales, el sensor de nivel se mantiene en su lugar mediante el cable. El cable también incluye un tubo de aire delgado que dirige la presión del aire ambiental hacia la sonda de nivel. Por lo tanto, las sondas de nivel suelen diseñarse como sensores de presión relativa, que utilizan la presión ambiental actual como punto cero de su rango de medición.
Sin esta llamada compensación de presión relativa, las sondas de nivel no solo medirían la presión hidrostática, sino también la presión del aire en la columna de líquido. A nivel del mar, esta es de aproximadamente 1013 mbar, lo que correspondería a la presión ejercida por una columna de agua de diez metros de altura. Además, una presión de aire variable afectaría al resultado de la medición. Las fluctuaciones típicas de la presión del aire son de aproximadamente +/- 20 mbar, lo que corresponde a +/- 20 cmWs (columna de agua).
En el caso de los pozos profundos, también se utiliza el principio de medición Sealed Gauge. A partir de una profundidad de aprox. 20 m, la presión relativa solo se puede compensar de forma limitada mediante la manguera fina. El sensor de nivel está diseñado como un transmisor de presión absoluta cuyo punto cero se ajusta a la presión atmosférica media deseada en función del lugar de uso. Esto significa que el sensor de nivel ya no tiene ninguna conexión con la atmósfera. Las posibles fluctuaciones de la presión atmosférica pueden influir en el resultado de la medición, pero desempeñan un papel bastante menor en los pozos profundos.
La presión hidrostática, también llamada presión de gravedad o presión gravitatoria, se produce en un fluido estacionario. Es causada por la gravedad y depende de la densidad y la altura de la columna de líquido. La masa del fluido no es importante (véase también la paradoja hidrostática), es decir, no es el peso total del líquido en el recipiente, sino el nivel de llenado lo que es decisivo.
dónde:
El nivel mínimo de medición comienza cuando el elemento de medición está completamente cubierto en la zona del extremo superior del sensor de nivel. No se detectan niveles de llenado por debajo del sensor de nivel. Por ello, en función de la aplicación y la altura de montaje, es necesario ajustar el nivel en la unidad de evaluación a la altura de montaje correspondiente con un ajuste de compensación.
Dependiendo de los requisitos del sitio, las sondas de nivel de presión hidrostática ofrecen diferentes características:
Un sensor de nivel de aire con burbujeador utiliza un tubo con una abertura debajo de la superficie del nivel del líquido. Un flujo fijo de aire pasa a través del tubo. La presión en el tubo es proporcional a la profundidad (y densidad) del líquido sobre la salida del tubo. [3]
Los sistemas de burbujeo de aire no contienen partes móviles, lo que los hace adecuados para medir el nivel de aguas residuales, aguas de drenaje, lodos de depuradora, excrementos nocturnos o agua con grandes cantidades de sólidos en suspensión. La única parte del sensor que entra en contacto con el líquido es un tubo de burbujeo que es químicamente compatible con el material cuyo nivel se va a medir. Dado que el punto de medición no tiene componentes eléctricos, la técnica es una buena opción para áreas clasificadas como peligrosas. La parte de control del sistema se puede ubicar a una distancia segura, con la tubería neumática aislando el área peligrosa del área segura.
Los sistemas de burbujeo de aire son una buena opción para tanques abiertos a presión atmosférica y pueden construirse de modo que el aire a alta presión pase a través de una válvula de derivación para desalojar los sólidos que pueden obstruir el tubo de burbujeo. La técnica es inherentemente autolimpiante. Es muy recomendable para aplicaciones de medición de nivel de líquido donde las técnicas ultrasónicas, de flotación o de microondas han demostrado ser poco confiables. El sistema requerirá un suministro constante de aire durante la medición. El extremo del tubo debe estar por encima de cierta altura para evitar que el lodo lo obstruya.
Un medidor de nivel nuclear o medidor de rayos gamma mide el nivel mediante la atenuación de los rayos gamma que pasan a través de un recipiente de proceso. [14] La técnica se utiliza para regular el nivel de acero fundido en un proceso de colada continua de fabricación de acero. El molde enfriado por agua está dispuesto con una fuente de radiación, como cobalto-60 o cesio-137 , en un lado y un detector sensible como un contador de centelleo en el otro. A medida que aumenta el nivel de acero fundido en el molde, el sensor detecta menos radiación gamma. La técnica permite la medición sin contacto donde el calor del metal fundido hace que las técnicas de contacto e incluso muchas técnicas sin contacto sean poco prácticas.
Los sensores de nivel nucleónico se utilizan a menudo en circuitos de trituración de minerales, donde un aumento en la detección de rayos gamma indica un vacío, en comparación con estar lleno de mineral. [15]
