¿Qué tipo de sensor de nivel de líquido es mejor para un depósito de 2 metros de profundidad?

Como cualquier otra instrumentación de proceso, la selección de la tecnología de detección de nivel adecuada comienza con el análisis del entorno de aplicación real.

Medir la cantidad de materia líquida o sólida en un recipiente siempre ha sido una de las funciones más básicas de la instrumentación de procesos. Lo que solemos llamar medir el nivel de líquido en un tanque es en realidad el volumen necesario en la mayoría de los casos, y existen muy pocas situaciones en las que realmente sea necesario conocer el nivel de líquido. Al igual que la medición de flujo, los principios de la tecnología de medición de nivel son extremadamente ricos. En este artículo, solo brindaremos una breve introducción a aquellas tecnologías que brindan captura electrónica de datos y son compatibles con múltiples fabricantes, en lugar de una discusión exhaustiva.

La selección de un sensor de nivel comienza con la comprensión de las necesidades específicas del proceso y las limitaciones de su entorno de aplicación. La medición del nivel de líquido es "continua" o "nivel de contacto (discreto)". Los resultados de la primera muestran dónde está el nivel de líquido en el tanque, mientras que los resultados de la segunda muestran si está por encima del punto de ajuste o lo siguiente. Si el proceso requiere 100 galones de líquido en un tanque determinado, entonces sólo necesitamos saber que son más de 100 galones y no debemos preocuparnos de cuánto más. Asimismo, normalmente también necesitaremos una alarma de nivel bajo para evitar que se drene el depósito, y una alarma de nivel alto para evitar que se desborde.

La selección de la mejor tecnología de medición comienza con la comprensión de las necesidades del proceso.

Comience con el análisis

La elección de un método de medición debe comenzar con la comprensión del proceso de medición y el información que necesitas El análisis comienza:

¿Qué se está midiendo? Medir materiales sólidos puede ser un desafío porque los objetos en polvo y granulados pueden flotar dentro del contenedor, cubriendo el interior o creando "agujeros de ratas" cerca del punto de salida. Limitados a razones técnicas, es probable que estos factores provoquen mediciones de datos inexactas. Los líquidos relativamente regulares son más fáciles de manejar, pero el contenido sólido y lodo también pueden causar los problemas anteriores. Además, la espuma, las oscilaciones e incluso el polvo pueden engañar a las mediciones de reflexión, mientras que las propiedades del dieléctrico también pueden afectar a los sensores capacitivos.

¿Qué precisión tiene la medición? Por lo general, esto sólo afecta a las mediciones continuas, pero depende del tamaño del recipiente. Es posible realizar mediciones muy precisas (±<1%), pero serán costosas. Rara vez se requieren lecturas muy precisas cuando se mide un área grande sobre un contenedor grande.

¿Necesito entrar en contacto con el objeto que se está probando? Muchos métodos requieren acceso al contenedor y contacto con el objeto que se está midiendo. Por supuesto, existen algunos métodos que no requieren esto.

¿Es necesario y posible penetrar la pared del tanque o directamente dentro del tanque? Algunos métodos no requieren ninguna penetración en el tanque. Sin embargo, si el objeto que se mide es muy sensible o si el tanque está bajo alta presión, la penetración del tanque puede ser una buena opción. Si el requisito es medir un tanque existente y el tanque no tiene una trampilla adecuada, las modificaciones son inevitables.

¿Conoces las dimensiones internas exactas? Si el objetivo final es el volumen, todas las dimensiones internas deben cuantificarse adecuadamente, excluyendo deflectores, paletas, intercambiadores de calor, etc. Las lecturas de nivel precisas no corrigen las dimensiones inexactas.

Elección de una tecnología

Una de las formas más sencillas y fiables de determinar el contenido de un tanque es pesándolo. Este método es el único que proporciona una lectura de masa real sin depender de las dimensiones del tanque. Una célula de carga colocada debajo del tanque permite determinar su contenido restando el peso en vacío. Este trabajo es apto para cualquier tipo de contenido. Este método puede ser muy preciso si no hay interferencias de tuberías u otras conexiones. En la práctica, diferentes tamaños de contenedores tendrán diferentes limitaciones, pero este enfoque obvio no debe ignorarse.

Si este enfoque resulta inviable, entonces cualquier otro enfoque complicará las cosas, y si es factible también dependerá de la consideración de diversas restricciones y requisitos.

El factor decisivo más importante a la hora de elegir la tecnología de detección de nivel de líquido es la sustancia almacenada en el tanque, que es el objeto a medir. Para los propósitos de esta discusión, definimos un líquido como una sustancia que forma un nivel estable y fluye dentro y fuera de una tubería. El sólido puede tener cierta fluidez, pero no necesariamente formará una superficie estable y no desbordará el tanque. Los líquidos que son viscosos o contienen sólidos más pesados ​​pueden comportarse más como sólidos.

A continuación se muestra un resumen de la tecnología de medición del nivel de líquido y una comparación con los métodos de aplicación recomendados en la columna.

Nota: La medición continua se puede utilizar para implementar la función de nivel de líquido de contacto, y la medición de nivel de líquido de contacto múltiple también puede proporcionar datos continuos efectivos hasta cierto punto, aunque no es precisa. Por supuesto, ni la columna de aplicaciones ni la siguiente introducción técnica pueden cubrir todas las situaciones actuales. Algunos métodos prácticos no se mencionan en ninguna introducción y puede haber excepciones en cualquier descripción general.

Soluciones electromecánicas

Estas soluciones tienen un elemento común, que son varios tipos de piezas móviles, que pueden ser boyas en la superficie del líquido o pueden tener que viajar a través del líquido. Un dispositivo para medir cosas.

Boyas: siempre que no haya impurezas en el líquido que puedan interferir con el movimiento de la boya, usar una boya es un método simple y confiable para medir el nivel del líquido. Muchas válvulas, interruptores y codificadores son accionados por flotadores, que proporcionan un pequeño rango de nivel de contacto o lecturas continuas.

Algunos de los diseños de boyas de medición continua más especializados utilizan tecnología de detección magnetoestrictiva. La boya es anular y encaja en el exterior de la guía de ondas. La guía de ondas puede tener hasta 15 metros (50 pies) de largo, por lo que sólo se pueden utilizar tanques más grandes. La boya contiene imanes permanentes que interrumpen la transmisión de un pulso de electrones a la guía de ondas. El instrumento puede medir puntos de interrupción con bastante buena precisión y repetibilidad, normalmente <± 0,001 pulg. Una vez instalado y configurado, no se requiere calibración adicional.

“La tecnología magnetoestrictiva es de gran importancia para las comunicaciones inalámbricas”, afirmó Mike Geis, departamento de desarrollo de mercado de Ametek Automation & Process Technologies en Estados Unidos. “La respuesta del pulso es extremadamente rápida, por lo que el consumo de energía es mínimo. ”

La guía de ondas puede soportar dos boyas, lo que convierte a la magnetoestricción en una de las únicas tecnologías que pueden medir continuamente capas de líquidos mezclados, como agua sobre petróleo, con un solo dispositivo. "Siempre que haya al menos una diferencia de 0,1 en la gravedad específica, podemos diseñar flotadores personalizados para medir líquidos mezclados", añadió Geis.

Vibración y rueda de paletas: estos dos métodos de nivel de contacto son algo similares: ambos requieren que se inserte una sonda en su interior. La sonda de vibración se inserta en un dispositivo similar a un diapasón en un material que provoca vibraciones continuas causadas por un cristal piezoeléctrico. Si la sonda no está enterrada en el contenido del tanque, puede vibrar libremente; si la sonda está profundamente incrustada, no puede vibrar normalmente y el mecanismo reconoce y envía la señal correspondiente.

De manera similar, una rueda de paletas utiliza paletas electromecánicas o palas en forma de bandera en un eje conectado a un pequeño motor. Si se sumerge profundamente en un producto sólido, la rueda de paletas no puede girar ni enviar una señal. Cuando se descarga el contenido del tanque, la rueda de paletas puede girar. Ambos métodos anteriores son invasivos y pueden dañar fácilmente el contenido del tanque.

Presión: al igual que con la medición de masa (pesar un tanque), los métodos de presión y presión diferencial determinan el nivel del líquido midiendo la altura de presión en el fondo del tanque (o donde está el manómetro). Si el tanque se ventila a la atmósfera, un simple manómetro es suficiente. Sin embargo, si el tanque está cerrado y se puede presurizar o despresurizar, la lectura de presión diferencial entre los espacios abiertos inferior y superior autocompensará cualquier diferencia de presión interna y atmosférica. Este método funciona, pero requiere tubos adicionales.

Reflexión electrónica

La tecnología ultrasónica y de radar tienen un amplio abanico de aplicaciones y se caracterizan por no requerir contacto directo con el producto para conseguir sus objetivos. Por supuesto, todos requieren un punto de acceso en la parte superior del tanque (excepto los puntos de medición a través de la pared). Ambas tecnologías tienen la capacidad de sortear algunos obstáculos internos, pero cada una tiene sus propias limitaciones.

Ultrasonido: esta tecnología se puede implementar de diversas formas, lo que la hace muy flexible. Después de enviar un pulso de onda sonora al tanque, el sensor verifica el tiempo de retorno del eco. Teniendo en cuenta los factores de humedad y temperatura, puede calcular la distancia a la superficie. La medición ultrasónica también presenta algunos problemas, como polvo y espuma, pero esto está determinado por el proceso de aplicación real. En comparación con el radar, el rango de temperatura y presión aplicable del ultrasonido es relativamente más limitado.

Otro tipo de sensor ultrasónico se puede montar en la pared del recipiente y tomar contacto nivelado sin penetración. Los impulsos y ecos del sonido determinan si hay material sólido o líquido al otro lado de la pared del contenedor. En algunos casos, incluso puede distinguir si el nivel del líquido está por encima o si es solo una capa de material pegada a la pared. Este método es particularmente adecuado para situaciones en las que no se puede utilizar la medición de capacitancia, no se puede hacer contacto con el objeto a medir y no se puede perforar el tanque.

Radar: esta tecnología se ha utilizado en el campo durante más de 25 años y, en los últimos años, a medida que su rendimiento ha mejorado y su costo ha bajado, el uso de la tecnología de radar no ha disminuido sino que ha aumentado. En el pasado, su alto precio, su enorme tamaño y su extremadamente alto consumo de energía limitaban los sensores de radar solo a donde eran necesarios, pero ahora están cada vez más disponibles. El radar es similar al ultrasonido, pero menos restrictivo y generalmente más preciso: los pulsos de microondas pueden ver mejor a través de la espuma y el polvo y están menos limitados por la presión y la temperatura.

Los sensores radar se pueden configurar con sondas sin contacto o con guías de ondas que se extienden en el medio. Los diseños sin contacto son más comunes, pero cuando la constante dieléctrica del líquido es muy baja y no puede reflejar bien las señales de microondas, el método de guía de ondas resulta muy práctico. "La sonda del dispositivo de guía de ondas transmite energía al líquido y luego recibe retroalimentación de él", dijo Boyce Carsella, gerente de producto de radar de Magnetrol. "Si no hay ningún problema con el contacto del producto, la intensidad de la señal de retorno será mucho mayor. "

Los sensores de radar son especialmente adecuados para entornos con alta presión interna, altas temperaturas, niebla, vapor, rápidos y otros problemas. "El mayor problema en este momento es la espuma", dijo Carsella. "Tenemos que conocer la constante dieléctrica del líquido, el tamaño o la densidad de la espuma, el espesor de la capa de espuma..." Sugirió que el dispositivo de guía de ondas sería útil. Lo ideal sería poder filtrar las interferencias de las capas gruesas de espuma.

Los sensores de radar están disponibles en una variedad de configuraciones de antena para cumplir con los requisitos específicos de su espacio interior y las características de los fluidos para obtener resultados óptimos. Además, diferentes frecuencias proporcionan diversas funciones específicas para diversas situaciones difíciles y propiedades del líquido.

Sondas Electrónicas

Cuando la medición de nivel por contacto es suficiente y se permite el contacto con el medio, las sondas de capacitancia y conductividad proporcionan una solución sencilla y fiable.

Una sonda de conductividad es un sencillo dispositivo de medición que proporciona lecturas de nivel de contacto de líquidos conductores. Normalmente se utilizan dos o más juegos de sondas de conductividad para medir niveles de líquido altos y bajos. Si el líquido no es conductor, se debe utilizar otro método.

Las sondas capacitivas determinan la presencia de sustancias sólidas o líquidas en función de los cambios de capacitancia alrededor de una sonda multielectrodo. Se alimenta corriente de radiofrecuencia a los electrodos y los cambios en la capacitancia se pueden medir en función del valor dieléctrico del medio de contacto. Algunos diseños pueden determinar el valor dieléctrico de un medio, lo que significa que pueden diferenciar entre diferentes rellenos. Por ejemplo, una sonda en aceite tendrá lecturas diferentes a las de una sonda en agua. Esto puede ayudar a manejar situaciones en las que hay más de un medio presente en el tanque al mismo tiempo.

Algunos sensores capacitivos pueden trabajar en el exterior de las paredes no metálicas del tanque, obteniendo señales de nivel de contacto evitando la penetración o contacto con el medio. El sensor puede montarse contra la pared del tanque o enrollarse alrededor de una tubería no metálica. En el caso de una lata de metal, el sensor se puede colocar sobre un vidrio transparente o sobre un recipiente de plástico. "Los sensores capacitivos funcionan particularmente bien con la mayoría de los medios sólidos", dice Roger Saba, gerente de producto de Turck Instrumentation Group. "Hay algunos materiales extraños, como los detergentes que contienen cloro, que recubrirán las paredes internas del tanque y cambiarán las propiedades del plástico. Esto puede provocar que algunos sensores capacitivos capten señales falsas, pero los dispositivos más avanzados son inmunes a esto”

Es necesario insertar sondas térmicas en el tanque. Utilizan un pequeño elemento calefactor eléctrico para calentar una pequeña área del espacio circundante y medir el aumento de temperatura. Si no hay líquido alrededor de la sonda, el aumento de temperatura será relativamente grande. Sin embargo, si hay líquido alrededor de la sonda, el calor se irá disipando gradualmente y la temperatura será mucho menor.

Los sensores de haz detectan obstáculos entre el emisor y el receptor del haz. La presencia de materia sólida o líquida refleja o dispersa el haz de luz, indicando así la presencia de materia. Si el medio absorbe el haz o la luz lo penetra con demasiada fuerza, la tecnología no podrá mostrar la información correcta.