Medida de nivel (1)

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Tras varias entradas describiendo tipos de equipos, creo que es interesante dedicarle algunas a instrumentación. Antes de introducir los sensores de nivel, por los que voy a comenzar, me gustaría hacer una aclaración muy general. Las señales que nos puede dar un instrumento son básicamente analógicas o digitales. Las primeras ofrecen un valor dentro de un rango, y se traducen en una señal eléctrica (4..20mA, 0..10V, etc), o se transmiten por comunicaciones. Los sensores digitales sólo admiten dos estados. Suelen proporcionar un contacto que abre o cierra cuando la magnitud que se mide sobrepasa cierto valor. Obviamente, existe instrumentación que no proporciona señal eléctrica, sino medida visual, y no son sensores propiamente dicho, aunque también quiero mencionarlos. Así, para la instrumentación de medida de nivel tenemos transductores o transmisores de nivel (analógicos), interruptores de nivel (digitales) e indicadores.

Transmisores de nivel

  • Presión. Esta magnitud es una de las más utilizadas para medir nivel, por la fiabilidad de los instrumentos y su bajo precio. En tanques abiertos basta introducir un sensor de presión en la parte inferior, bien sumergiéndolo en el fluido, bien aislado con una válvula de corte para facilitar el mantenimiento. Conociendo la densidad, es directo determinar la columna de líquido (P=ρgh). Cuando el contacto del fluido puede dañar el instrumento, se interpone una membrana entre ambos y se mide la presión del aire al otro lado de ésta. Otras variantes emplean, con propósito similar, una cámara invertida que mantiene aire; o un tubo en el que se insufla y que produce cierto burbujeo.

    Presión (sonda)
    Presión (sonda)
    Presión (transmisor)
    Presión (transmisor)
    Nivel de burbujeo
    Nivel de burbujeo

    En un tanque cerrado no se puede aplicar alegremente la ecuación previa, puesto que puede estar presurizado. Se necesita por tanto “descontar” la presión de la parte gaseosa, para lo cual se podría instalar un segundo transmisor en la parte superior del recipiente. En la práctica es más simple conducir ambos extremos a un transmisor de presión diferencial, y sigue siendo de aplicación h=P/ρg. A no ser que en el tubo conectado a la parte superior condense el líquido. Pero este problema tiene solución sencilla si se deja que el condensado lo llene por completo, porque entonces el transmisor indica la columna que sobresale. O dicho de otro modo, mide la altura de la parte gaseosa, con lo que h’=H-P/ρg.

    Presión (sin condensación)
    Presión (sin condensación)

    Presión (con condensación)
    Presión (con condensación)
  • Capacitivos. Este método emplea un electrodo de larga longitud semisumergido en el líquido. Si el fluido fuese conductor, es necesario aislar el electrodo. Con esta disposición, se mide la capacitancia entre éste y las paredes del tanque. El conjunto actúa como un condensador, donde hacen de dieléctrico los elementos aislantes intermedios (gas y líquido o recubrimiento). Al variar el nivel, cambia esta capacidad.

    Capacitivo
    Capacitivo

    Capacitivo (esquema)
    Capacitivo (esquema)
  • Ultrasónico. Los sensores ultrasónicos calculan el nivel a partir del tiempo que tarda una onda emitida en retornar tras reflejarse en la superficie. La señal necesita cierto tratamiento para eliminar zonas ciegas, obstáculos y reflejos múltiples. En contrapartida, no están en contacto con el fluido, no se ve afectado por el tipo de material, e incluso pueden detectar interfases entre materiales de diferente densidad.

    Ultrasonidos

    Ultrasonidos (esquema)
    Ultrasonidos (esquema)
  • Radar. El principio de funcionamiento es similar al de los ultrasónicos, pero utilizando microondas. Requieren también, por tanto, una configuración adecuada en función de la geometría del tanque. Este problema se puede resolver con los radares de onda guiada, donde ésta se confina dentro de un tubo por el que asciende el fluido. Usan dos métodos de medida: bien se registra el tiempo que tarda en retornar un pulso, bien se barre un espectro de frecuencias, y se determina la distancia a partir de las resonancias.
    Radar
    Radar

    Radar (guiado)
    Radar (guiado)
  • Óptico. Emplean pulsos de radiación electromagnética, usualmente infrarroja, emitidos por un led o un láser. Hablando con propiedad, los sensores radar también deberían contar en este grupo; la distinción viene motivada porque aquéllos emplean una antena. La luz láser es muy concentrada, con lo que se evita el problema de los ecos. A cambio, puede verse afectado por la radiación solar.

    Óptico
    Óptico
  • Magnetoestrictivo. Este tipo de sensores miden la distancia a un flotador atravesado por una guía vertical. El flotador posee unos imanes perpendiculares a la guía. Por ésta se transmiten a su vez pulsos de corriente que generan campos magnéticos anulares. La interferencia provoca la torsión del flotador, lo que genera una onda que se transmite hacia los dos extremos de la guía. La posición del flotador puede determinarse a partir del tiempo de retardo. Este tipo de sensores, por su complejidad, se usan para aplicaciones muy específicas, con presencia de productos corrosivos o altas temperaturas.

    Magnetoestrictivo
    Magnetoestrictivo

    Magnetoestrictivo (esquema)
    Magnetoestrictivo (esquema)
  • Radiactivo. Si se sitúa una fuente radiactiva en un extremo de un tanque y en otro un detector (Geiger, cámara de ionización…), se puede determinar el grosor del fluido teniendo en cuenta que es proporcional a la radiación absorbida. Obviamente, estos sensores entrañan ciertos riesgos, por lo que se restringen a entornos donde no puedan causar daño. Por otra parte, miden en condiciones muy adversas: corrosión, fluidos en movimento, altas temperaturas, etc.

    Radiactivo
    Radiactivo
  • Servoposicionador. Este tipo de sensores miden la longitud desarrollada de un hilo del que cuelga un flotador, para lo que se emplea un servoposicionador. Cuando el hilo deja de estar en tensión, es preciso restituirla para que permanezca en equilibrio. Una variante apropiada para sólidos emplea un palpador, que se hace descender hasta que toma contacto y el cable pierde tensión, momento en que se recoge.

    Servoposicionador
    Servoposicionador

    Servoposicionador (esquema)
    Servoposicionador (esquema)
  • Peso. Cuando se trabaja con sólidos, es frecuente el uso de sensores de peso (células de carga) para determinar el nivel de silos, tolvas, etc.

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