Principios de medición de nivel

Dependiendo de los requisitos del proceso, en la industria se utilizan dos tipos principales de técnicas de medición del nivel: la medición del nivel continua y la medición del nivel puntual. La diferencia entre las dos técnicas de medición es que la detección de nivel puntual utiliza interruptores de nivel que solo detectan la presencia del nivel en un punto o posición determinados. Cuando el sensor detecta la presencia del nivel, se activa una salida de conmutación binaria.

En la tecnología de medición del nivel continua, un medidor de nivel mide constantemente el nivel en una extensión en un intervalo de 0 a 100 % y proporciona una salida analógica que es proporcional al nivel medido.

Por regla general, los interruptores de nivel se utilizan como dispositivos de seguridad contra el sobrellenado y como protección contra la marcha en seco de las bombas en combinación con un medidor de nivel continuo, pero algunas aplicaciones sencillas de control del nivel también pueden realizarse con interruptores de nivel solos.

Figura 1 - Tecnología de medición del nivel continua y detección de nivel puntual

Figura 2 - Radar de espacio libre (izquierda) y radar de onda guiada (derecha)

Los sensores de nivel continuo de radar son medidores de nivel continuo para líquidos y sólidos granulares que utilizan ondas electromagnéticas como método de medición. Los medidores de nivel de radar son adecuados para una amplia gama de aplicaciones en todos los sectores industriales. Algunos ejemplos son los depósitos intermedios, los ríos, el nivel del mar, los medios agresivos, los residuos químicos, el almacenamiento de vino, el agua y las aguas residuales, la leche de cal, el betún, el cemento y la tecnología de medición del caudal en canales abiertos.

Existen dos métodos de evaluación para este tipo de instrumentos: tiempo de vuelo (Time-of-Flight, ToF) y ondas continuas de frecuencia modulada (FMCW). En el método de tiempo de vuelo, se emite un impulso electromagnético desde el convertidor de intensidad del aparato, el impulso atraviesa el aire, se refleja en la superficie del medio y vuelve al aparato. El nivel se puede determinar midiendo el tiempo que tarda el pulso en volver al aparato.

En el método FMCW, se emite una frecuencia continuamente modulada de ondas electromagnéticas desde el aparato, que se propagan por el aire y se reflejan en la superficie del medio. Los cambios en el nivel de llenado provocan un cambio de frecuencia. La frecuencia de diferencia entre la señal emitida y la reflejada se utiliza para determinar el nivel.

Otro tipo de radar que se utiliza muy a menudo en la industria son los radares de onda guiada. Utilizan el método de medición de tiempo de vuelo, pero esta vez, los impulsos se guían hasta la superficie del líquido con la ayuda de una sonda metálica. Esto concentra la señal en una superficie más pequeña, lo que es especialmente interesante para instalaciones en salas pequeñas y para líquidos con una constante dieléctrica baja, como los aceites.

A los sensores de nivel continuo de radar

Ventajas de los sensores de nivel continuo de radar:

• Las tecnologías de radar pueden utilizarse en sólidos y líquidos
• La medición es independiente de las condiciones del proceso, como la densidad, la temperatura, la presión y la viscosidad
• Medición sin contacto, excepto para los radares con onda guiada
• Alta precisión y fiabilidad en comparación con otras técnicas de medición del nivel
• Adecuada para límites de temperatura y presión elevados

Limitaciones de los sensores de nivel continuo de radar:

• Para una medición fiable, se requiere una constante dieléctrica mínima del medio
• Las fuertes turbulencias en la superficie del medio pueden afectar a la medición
• Las estructuras internas del recipiente, como los agitadores, los interruptores de nivel y los serpentines de calefacción, pueden provocar averías
• El radar de onda guiada no se recomienda para los medios pegajosos
• Costoso en comparación con otras tecnologías

Los sensores de nivel continuo ultrasónicos son medidores de nivel continuo para líquidos y sólidos que utilizan ondas ultrasónicas, es decir, ondas mecánicas de alta frecuencia, como método de medición. Los sensores de nivel continuo ultrasónicos pueden utilizarse para diversas aplicaciones, por ejemplo, para la tecnología de medición del nivel en depósitos de agua subterráneos, tanques de aceite, estanques y lagos, para la medición de sólidos granulares en silos y en vaciaderos, así como para la tecnología de medición de caudal en canales abiertos.

Los sensores de nivel continuo ultrasónicos utilizan el principio de tiempo de vuelo como método de evaluación, al igual que los radares, pero esta vez no utilizan ondas electromagnéticas sino ondas sonoras, es decir, ondas mecánicas. El aparato envía un pulso que viaja por el aire, se refleja en la superficie del medio y vuelve al aparato. El nivel se puede determinar midiendo el tiempo que tarda la onda sonora emitida en volver al aparato.

Descubra los sensores de nivel continuo ultrasónicos

Figura 3 - Medidor ultrasónico de nivel continuo

Ventajas de los medidores ultrasónicos de nivel continuo:

• Medición sin contacto
• La medición no depende de la constante dieléctrica del líquido, una buena alternativa para los aceites
• Los cambios de densidad no influyen en la medición

Limitaciones de los caudalímetros ultrasónicos:

• No se recomienda para aplicaciones de espuma y de superficies líquidas turbulentas
• El polvo, los vapores, la condensación y los cambios de temperatura ambiente pueden afectar a la medición.
• La forma irregular en el interior del recipiente puede provocar una pérdida de señal
• No se puede utilizar para tanques con vacío
• Limitaciones de temperatura y presión en comparación con otras tecnologías

Figura 4 - Montaje directo (izquierda), sonda de nivel (derecha)

Transmisor de presión para la instalación directa

Se puede montar un manómetro relativo en el suelo o en el lateral de recipientes no presurizados para medir el nivel de líquido. El nivel es directamente proporcional a la presión ejercida por la columna de líquido sobre el sensor. Como regla general, 100 mbar equivalen a una columna de agua de 1 metro. Es importante tener en cuenta que los distintos líquidos tienen diferentes valores de densidad, por lo que la relación entre la presión y el nivel puede ser diferente.

Aquí encontrará los medidores de presión relativa

Sondas de nivel

Si no es posible instalar un transmisor de presión en el tanque o en un depósito subterráneo, se puede utilizar una sonda de nivel, también conocida como transmisor de presión hidrostática, según el mismo principio de medición. El transmisor de presión está ahora dentro del tanque y sumergido en el líquido.

A los manómetros hidrostáticos

En el caso de los recipientes a presión, para medir el nivel del líquido con un transmisor de presión, es necesario compensar la presión de la cabeza del recipiente para que no influya en la tecnología de medición de la presión hidrostática. Esto puede hacerse con un transmisor de presión diferencial.

El transmisor de presión diferencial está diseñado para medir la diferencia de presión entre dos puntos. Un punto de medición se encuentra en el fondo del depósito y mide la presión hidrostática, que se suma a la presión de cabeza, y el otro punto de medición está situado en la parte superior del depósito y mide solo la presión de cabeza. El aparato puede entonces compensar la presión de cabeza y, por lo tanto, solo muestra la presión hidrostática como resultado. Otra solución para este escenario es el uso de dos manómetros de presión relativa separados. No obstante, en este caso, el cálculo de la compensación debe realizarse externamente en la tecnología de control.

Figura 5 - Tecnología de medición del nivel con transmisores de presión diferencial

Ventajas de la tecnología de medición del nivel con transmisores de presión:

• Solución sencilla y económica para la tecnología de medición del nivel
• Método de medición conocido
• Medición fiable y precisa

Limitaciones de la tecnología de medición del nivel con transmisores de presión diferencial:

• Solo aplicable a los líquidos
• Los cambios de temperatura afectan a la densidad del líquido, lo que influye en la precisión de la medición
• En caso de contacto directo con el medio líquido agresivo, pueden ser necesarios accesorios adicionales, por ejemplo, ollas de sellado
• No se recomienda para líquidos muy viscosos
• Los agitadores pueden causar impulsos de presión que pueden afectar a la medición

Figura 6 - Medidor de nivel por láser

Ventajas de los sensores de nivel continuo por láser:

• Ángulo de emisión estrecho
• El proyector láser puede colocarse en cualquier lugar de la tapa del recipiente, incluso a lo largo de la pared del mismo
• Se pueden alcanzar tasas de actualización muy altas
• Las tecnologías láser pueden utilizarse tanto para sólidos como para líquidos
• La medición no está influenciada por la densidad del material o la constante dieléctrica

Limitaciones de los medidores de nivel por láser:

• El polvo arremolinado puede interferir con el rayo láser
• No se recomienda para aplicaciones en las que pueda aparecer espuma
• No es adecuado para líquidos transparentes

Los sensores de nivel continuo capacitivos se utilizan para la medición continua del nivel de los líquidos. Ya que son sencillos, fiables y económicos en comparación con otras tecnologías, los sensores de nivel continuo capacitivos pueden ser una buena solución para la medición del nivel de agua, aceites y ácidos.

Los sensores de nivel continuo capacitivos, como su nombre indica, funcionan según el principio capacitivo. La sonda de medición y las paredes del recipiente forman un condensador cuya capacidad cambia debido al cambio de nivel. La electrónica del aparato puede entonces relacionar el valor de la capacidad con el nivel de líquido. Si el tanque está hecho de un material no conductor, como el plástico, debe utilizarse una sonda de puesta a tierra. Algunos modelos de sensores de nivel continuo capacitivos pueden tener una sonda de puesta a tierra integrada para este fin.

Descubra los sensores de nivel continuo capacitivos

Vídeo 1: Fundamentos de la medición del nivel capacitivo (inglés)

Ventajas de los sensores de nivel continuo capacitivos:

• Apto para líquidos conductores y no conductores
• Medición de la superficie del líquido
• Tecnología rentable
• Se pueden utilizar modelos especiales para medios pegajosos

Limitaciones de los sensores de nivel continuo capacitivos:

• Tecnología en contacto con los medios
• La instalación en tanques de plástico requiere una sonda de puesta a tierra
• Los cambios en la constante dieléctrica del medio pueden influir en la medición

Ventajas de los interruptores de nivel capacitivos:

• Los interruptores de nivel capacitivos están disponibles para sólidos y líquidos
• Tecnología rentable
• Se pueden utilizar modelos especiales para medios pegajosos

Limitaciones de los interruptores de nivel capacitivos:

• Tecnología de intervención
• La instalación en tanques de plástico requiere una sonda de puesta a tierra
• Se requiere una constante dieléctrica mínima para los sólidos

Vídeo 2: Fundamentos de la medición del nivel por vibración (inglés)

Los interruptores de nivel por vibración, también conocidos como interruptores de nivel vibrónicos, son aparatos utilizados para la detección de nivel puntual de líquidos y sólidos granulares. Son una de las soluciones más utilizadas y fiables para la detección del nivel puntual en diversos sectores industriales como la industria alimentaria y de bebidas, la farmacéutica, la química y la petroquímica.

Los interruptores de nivel vibrónicos funcionan sobre la base de la frecuencia de resonancia de un diapasón. Un accionamiento excita el diapasón hasta su frecuencia de resonancia. En cuanto la horquilla se cubre de líquido, este amortigua la vibración, lo que desplaza la frecuencia de resonancia. La electrónica del aparato puede reconocer el cambio de frecuencia y determinar así la presencia de un líquido.

En el caso de los interruptores de nivel vibrónicos para sólidos granulares, el modo de funcionamiento es muy similar, pero aquí ya no se controla la frecuencia sino la amplitud de las vibraciones. La presencia de producto a granel cambia la amplitud de las vibraciones y la electrónica del aparato la detecta.

Aquí encontrará los interruptores de nivel por vibración

Ventajas de los interruptores de nivel por vibración:

• Los interruptores de nivel vibrónicos son compactos y fáciles de instalar
• No requiere mantenimiento
• No se ve afectado por las propiedades del líquido como la conductividad, la densidad, la presión y la temperatura
• Apto para aplicaciones con turbulencia de líquidos, espuma o líquidos que forman burbujas
• Opciones revestidas para la compatibilidad química

Ventajas de los interruptores de nivel por vibración:

• Método de intervención
• No se recomienda para medios pegajosos con sedimentos pesados

Los interruptores de nivel conductivos se utilizan para la detección de nivel puntual de líquidos y son un método económico, especialmente para aplicaciones sencillas como el control del nivel en dos puntos de cisternas y depósitos de agua, así como la protección contra la marcha en seco de las bombas.

En resumen, un interruptor de nivel conductivo está formado por una sonda de puesta a tierra y una o varias sondas de detección. Se aplica una tensión alterna a la sonda de puesta a tierra y a las sondas de detección. En cuanto el líquido cubre tanto la sonda de puesta a tierra como la sonda de detección, se crea un circuito eléctrico. La electrónica del aparato detecta un flujo de corriente eléctrica en este circuito, con lo que se registra el nivel de llenado.

En el caso de los contenedores de metal, el propio contenedor puede utilizarse como sonda de puesta a tierra; en este caso, se puede utilizar un interruptor de nivel de flotador.

La tensión alterna evita la corrosión y los daños electrolíticos en las sondas. La tensión aplicada es completamente inofensiva y no hay riesgo de descarga eléctrica si se tocan las sondas.

A los interruptores de nivel conductivos

Figura 7 - Interruptores de nivel conductivos

Ventajas de los interruptores de nivel conductivos:

• Solución sencilla y económica para la detección de nivel puntual
• La sonda se puede cortar a la longitud deseada dependiendo del modelo
• Múltiples puntos de detección, dependiendo del modelo

Limitaciones de los interruptores de nivel conductivos:

• Solo funciona con líquidos conductores
• Límites de temperatura y presión

Figura 8 - Interruptor de nivel de la paleta rotativa

Los interruptores de nivel de paleta rotativa son interruptores de nivel para la detección de nivel puntual de materiales granulares a granel como los cereales, el azúcar, la creta, el polvo, las astillas de madera y similares. Dependiendo de la densidad del medio, se pueden seleccionar diferentes diseños de paletas.

El interruptor de nivel de paleta rotativa consiste en un motor electrónico que pone la paleta en un movimiento giratorio. En cuanto la paleta queda cubierta por sólidos, el motor se detiene y la electrónica del aparato puede detectar la presencia del nivel.

Más información sobre los interruptores de nivel de paleta rotativa

Ventajas de los interruptores de nivel de paleta rotativa

• Construcción y funcionamiento sencillos
• Apto para diferentes tamaños de grano y densidades
• Independientemente de las propiedades eléctricas del material

Limitaciones de los interruptores de nivel de paleta rotativa

• Solo aplicable a los sólidos
• Las piezas móviles pueden desgastarse con el tiempo
• Método de intervención

Los interruptores de nivel de flotador son uno de los métodos más sencillos para medir el nivel de los líquidos y son una solución muy económica para aplicaciones sencillas, por ejemplo, el control de bombas en cisternas de agua. Los interruptores de nivel de flotador pueden tener diferentes construcciones y principios de funcionamiento dependiendo del fabricante y del modelo, pero todos tienen un elemento común: un cuerpo flotante.

En una de las variantes más sencillas, un cuerpo flotante de plástico contiene una bola metálica que se mueve libremente y que provoca el cierre y la apertura de contactos eléctricos. Si no hay líquido, el flotador apunta hacia abajo y, si hay líquido, el flotador apunta hacia arriba. La bola metálica sigue este movimiento y conmuta los contactos eléctricos.

Conozca nuestros interruptores de nivel de flotador

Figura 9 - Funcionamiento del interruptor de nivel de flotador

Ventajas de los interruptores de nivel de flotador:

• Solución económica
• Instalación y puesta en marcha sencillas
• Los modelos básicos no requieren una alimentación eléctrica

Restricciones en los interruptores de nivel de flotador:

• Método de intervención
• Solo apto para líquidos
• Suelen estar hechos de materiales sencillos que pueden desgastarse con el tiempo o reaccionar con algunos líquidos.
• No se recomienda para medios pegajosos con sedimentos pesados
• Límites de temperatura y presión

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