3.4: Sensores de nivel

Introducción

Los sensores de nivel permiten el control de nivel de fluido en un recipiente. Ejemplos de donde se instalan estos sensores incluyen reactores, columnas de destilación, evaporadores, tanques de mezcla, etc. Los sensores de nivel proporcionan a los operadores tres datos importantes para el control: (1) la cantidad de materiales disponibles para su procesamiento, (2) la cantidad de productos almacenados, (3) la condición de operación. La instalación del sensor de nivel correcto garantiza la seguridad del operador y del entorno circundante al evitar que los materiales en los recipientes se desborden o se sequen.

Existen varios tipos diferentes de monitores de nivel, entre ellos:

• Visual
• Flotador
• Válvula Controlada
• Electrónica
• Radiación

Estos diferentes tipos de sensores también se pueden agrupar en categorías de contacto de proceso y contacto sin proceso. Como su nombre indica, los sensores de contacto del proceso se encuentran dentro del tanque, en contacto físico con el material. Los sensores de contacto sin proceso transmiten varios tipos de señales para reflejarse fuera del material y así medir el nivel. Este diseño de sensor puede mantener su integridad dentro de un material potencialmente corrosivo y/o colocarse de manera que pueda monitorear los cambios de nivel desde arriba del tanque.

Sensores de nivel visual

Los controles de nivel visual fueron los primeros sensores de nivel desarrollados. Este tipo de dispositivos de monitoreo pueden ser algo tan sencillo como mirar dentro de un contenedor abierto o insertar un objeto marcado como una varilla medidora. Este tipo de sensor es el más simple y posiblemente el más confiable. Estos dispositivos no proporcionan una forma de conectarse a un dispositivo de control. Requieren el aporte humano sin forma de automatización; sin embargo, los temas electrónicos no serán un problema posible.

Usos Comunes

Los indicadores visuales se pueden encontrar en muchos lugares y no se limitan a aplicaciones de ingeniería química. Ejemplos de estos son: varillas medidoras encontradas monitoreando los niveles de aceite en un automóvil y tazas medidoras con marcas que indican diferentes volúmenes. En las plantas químicas se utilizan indicadores visuales para medir cambios de nivel así como para alarmas de alto y bajo nivel.

Beneficios de los sensores de nivel visual

Los sensores visuales son generalmente menos costosos que otros tipos de sensores. Son más confiables por la simplicidad del diseño.

Restricciones

Los indicadores visuales no siempre miden con precisión cuánto volumen hay en el tanque. No permiten ninguna conexión digital a los sistemas de control de procesos. En el caso de los mirillas, deben estar fijados directamente al tanque y no se pueden leer a distancia sin una cámara u otra herramienta de transmisión. Los tanques colocados en lugares de difícil acceso también causarían problemas que contribuyen a inexactitudes en la medición, como no leer marcadores a nivel de los ojos o interpolar entre intervalos de marcadores. Además, las conexiones entre el tubo y el tanque están sujetas a acumulación de residuos que podrían evitar que las lecturas sean precisas. El clima también es una preocupación con los tubos de visión. Los cambios de temperatura externos podrían afectar el fluido en el tubo y así la inexactitud de la medición. Por ejemplo, el fluido en el sensor podría congelarse, o el sensor podría obstruirse. Este tipo de indicador requiere modificación en la pared del vaso y, por lo tanto, se instalaría de manera óptima en el momento de la construcción inicial. Si se considera al momento de la instalación inicial de capital del tanque un tubo de mira no agregará un costo grande al proyecto. Sin embargo, la modificación posterior para incluir esto en el diseño y los cambios asociados al tanque son potencialmente muy costosos. A pesar de estas deficiencias, un tubo de visión es una opción confiable y apropiada en muchas aplicaciones comunes de lectura de niveles.

Indicadores de tubo de visión

Los indicadores del tubo de visión permiten a los operadores monitorear los niveles con precisión mientras mantienen el tanque sellado. Este tipo de dispositivo de monitoreo está compuesto por un tubo vertical igual en altura a la embarcación real. Este tubo está conectado en al menos dos lugares directamente al recipiente para que su contenido pueda fluir hacia el tubo de monitoreo. Esto asegura que la altura del líquido en el tanque será igual a la altura del líquido en el tubo de visión. Las marcas se pueden fijar al indicador tanto para la calibración como para las lecturas de volumen. Hay muchos estilos de este indicador. Algunos modelos tienen una bola flotante contenida en el tubo para que flote sobre el líquido. Otros modelos del indicador tienen muchas paletas en postes fijos a lo largo del tubo. Estas paletas flotan horizontalmente cuando están sumergidas y son verticales cuando no están sumergidas. Esto da como resultado un cambio de color que permite una fácil identificación del volumen del tanque.

Un tubo de mira. Más fotos de este tipo de calibre se pueden encontrar en el sitio web de Seetru Limited.

Sensores de nivel tipo flotador

Flotador Los tipos de sensores de nivel se basan en el principio de flotabilidad que es la fuerza ascendente producida sobre un objeto sumergido por el fluido desplazado. Esta fuerza es igual al peso del fluido desplazado. Los sensores de flotador toman sus mediciones en las interfaces de los materiales, donde el movimiento del flotador y/o la fuerza sobre el flotador son causados por las diferentes densidades del flotador y el fluido. Hay dos amplias categorías de sensores de nivel tipo flotador: flotabilidad y estático.

Tipos de flotabilidad

Los sensores de nivel de flotabilidad son menos densos que el fluido y por lo tanto cambian de posición junto con el nivel de fluido. El movimiento del flotador transmite la información de nivel a través de algún enlace mecánico a una salida como una válvula u observación del operador. Existen tres tipos básicos de varillaje mecánico: sensores de cadena/cinta, mecanismos de palanca/eje y dispositivos acoplados magnéticamente.

• Sensores de cadena/cinta: el varillaje se realiza mediante una cadena o cinta flexible.
• Mecanismos de palanca/eje: el varillaje es un eje rígido.
• Dispositivos acoplados magnéticamente: estos dispositivos son similares a los sensores de Cadena/Cinta, excepto que un imán está unido al flotador y otro es actuado por el imán flotante moviendo una cinta como los dispositivos tipo cadena/cinta. El imán móvil se puede secuestrar del imán unido al flotador para su uso en medios corrosivos.

A continuación se muestra el esquema de un sensor de nivel de tipo flotador. A medida que el nivel de fluido sube o baja, la fuerza de flotación se transfiere a través de enlaces mecánicos a su dispositivo de salida.

Tipos estáticos

Los sensores de nivel estático son más densos que los medios que se miden y por lo tanto no se mueven. A medida que cambia el nivel, la fuerza de flotación que actúa sobre el “flotador”, que en realidad es un peso, cambia. El cambio de peso se mide mediante una escala. El nivel del tanque se calcula por mediciones del cambio de peso en el flotador, no por su cambio real de posición.

Fórmulas

Los cambios en la tasa volumétrica del flujo de material, resultantes de cambios en cosas tales como la presión de su bomba afectarán el funcionamiento de un sensor de nivel tipo flotador. El mismo movimiento del flotador tendrá el mismo efecto en la válvula, pero como la válvula está moderando un flujo diferente tiene una sensibilidad proporcional diferente\(K_c\).

\[K_{c}=\frac{q}{k} \nonumber \]

donde q es el caudal y k es la altura que mueve el flotador para atravesar completamente el rango de funcionamiento de las válvulas.

Esto es importante porque el cambio dado en la altura del fluido utilizado para diseñar previamente el sistema seguirá cambiando la posición de la válvula de la misma manera, pero no afectará el mismo cambio en el caudal. Si su presión ha bajado, su válvula tendrá que abrirse más para que coincida con el mismo caudal. A la cantidad más ancha que se tiene que abrir se le llama desplazamiento. Manipulación de la respuesta de la válvula al movimiento del flotador, también conocida como ganancia:

\[\text{Gain}=\frac{\left(\text {valve}_{\text {response}}\right)}{\text {float}_{\text {movement}}} \nonumber \]

se puede utilizar para aliviar este problema, pero no funcionará exactamente de la misma manera que lo hacía antes del cambio de carga.

La potencia de operación es la cantidad de energía que el flotador tiene disponible para realizar acciones para controlar el sistema. Los cambios en la gravedad específica del fluido (o del flotador) afectarán la flotabilidad del flotador y por lo tanto afectarán la cantidad de fuerza que ejerce sobre su sistema. Una temperatura es un parámetro muy común que puede cambiar la gravedad específica de su fluido. Los fluidos más cálidos tienden a ser menos densos, por lo que su flotador generará menos fuerza de flotación para un cambio dado en el nivel de fluido.

El nivel de fuerza de flotabilidad cero es el nivel en el que el peso del flotador es exactamente tan flotante como el fluido al que reemplaza. Se puede aproximar mediante la siguiente fórmula:

\[\text {Zero Buoyant Force Level}=D \frac{\left(S G_{\text {float}}\right)}{S G_{\text {fluid}}} \nonumber \]

donde D es el diámetro del flotador y SG es la gravedad específica.

Usos Comunes

Los sensores de nivel tipo flotador regulan la cantidad de agua que hay en el depósito de un inodoro; el flotador está unido a una palanca que tiene un eje giratorio que se detiene cuando el flujo de agua alcanza cierto nivel.

• Sensores de cadena/cinta: regulan el nivel en tanques de almacenamiento a presiones atmosféricas.
• Mecanismos de Palanca/Eje - regulando el nivel en recipientes bajo presión.

Beneficios

Los sensores de nivel de tipo flotador no requieren fuentes de energía externas para operar. Al ser simples máquinas robustas es fácil de reparar. El costo de estas unidades las hace en el lado económico, que van desde aproximadamente $20 (homedepot.com) para el aparato en un inodoro estándar hasta unos cientos de dólares por una válvula de hierro fundido de 3/4" con flotador (Liptak 2005). Los precios aumentarían con materiales de mayor calidad y tamaño de válvula. Los flotadores podrían estar hechos de plásticos o metales (acero, acero inoxidable, etc.). La selección del material dependerá de la aplicación; se usarían materiales más resistentes químicamente para medios corrosivos.

Restricciones

Los sensores de nivel tipo flotador solo deben usarse en fluidos limpios. Los fluidos que son una suspensión de sólidos o lodos podrían obstruir el funcionamiento de la máquina. Cualquier cosa que pueda aumentar la fricción en los enlaces mecánicos podría aumentar la banda muerta, que es el retraso que experimenta el sensor debido al exceso de fuerza requerida para superar la fricción estática de un sistema no móvil. Se requiere acumular un exceso de fuerza, por lo que un sensor de nivel de tipo flotador no responderá inmediatamente a los cambios de nivel.

Sensores de nivel basados en válvulas

Los sensores de nivel basados en válvulas no solo miden el nivel de fluido, sino que también hacen que el nivel de fluido cambie en consecuencia. Dos tipos básicos de válvulas que se discutirán son las válvulas de altitud y las válvulas desviadoras.

Válvulas de Altitud

Una válvula de altitud simple utiliza un resorte que abre y cierra diferentes puertos y líneas cuando la presión cambia debido a los cambios en los niveles de fluido. Cuando los niveles de fluido superan el ajuste del resorte, un diafragma conectado al resorte baja, cierra el puerto de drenaje y abre la presión de la línea principal. Esto apaga la válvula principal e impide que el fluido fluya hacia el tanque. Cuando los niveles de fluido disminuyen, el diafragma sube, abre el puerto de drenaje y cierra la presión de la línea principal. Esto enciende la válvula principal y se suministra más fluido al tanque.

Un ejemplo de una válvula de altitud se muestra en la esquina inferior izquierda del siguiente sitio web: http://www.gaindustries.com/html/01a_SAVV.htm

Usos Comunes

Las válvulas de altitud son controles de encendido/apagado y se pueden encontrar en líneas de suministro conectadas a cuencas, tanques y depósitos. El trabajo principal de estas válvulas es evitar el desbordamiento del fluido y mantener constante el nivel de fluido.

Beneficios

No se necesita una fuente de alimentación externa cuando se operan válvulas de altitud porque están controladas por la presión del fluido de proceso. Las válvulas de altitud más complicadas también se pueden usar para otros fines que no sean un control de encendido/apagado. Estas características incluyen las siguientes:

• Abrir la válvula cuando la presión cae a un punto predeterminado
• Apertura retardada para que la válvula solo se abra cuando el nivel de fluido cae una cierta cantidad por debajo del punto de ajuste
• Cierre la válvula lentamente para eliminar la acumulación de presión
• Flujo de dos vías para permitir que el fluido regrese cuando el nivel haya caído por debajo del punto de ajuste
• Abra la válvula manteniendo la presión de entrada constante y la presión de distribución de la planta
• Reduzca la presión para las corrientes de salida. Esto puede ser necesario cuando se trabaja con equipos que tienen altas presiones de suministro, como las cuencas de aireador. Las cuencas aireadoras se utilizan normalmente en el tratamiento de aguas residuales porque tienen la capacidad de contener grandes cantidades de agua.
• Se pueden instalar válvulas de retención para permitir que la válvula se cierre si la presión alcanza un punto bajo predeterminado (que podría ser la causa de fallas en el equipo en otra parte de la planta)

Restricciones

Las válvulas de altitud no deben usarse en recipientes presurizados. Estas válvulas están construidas a partir de un número limitado de materiales, como el hierro fundido. Esto restringe la cantidad de fluidos que se pueden usar con las válvulas. Por lo tanto, las válvulas de altitud se suelen utilizar para el servicio de agua. Dado que estas válvulas suelen utilizarse para operar una gran cantidad de fluido, posteriormente son grandes con múltiples funciones que las hacen muy caras. Una válvula de altitud de 30 pulgadas puede costar más de $50,000. Además, se requiere mantenimiento frecuente debido a la gran cantidad de componentes y partes móviles. Estas válvulas funcionan a temperatura ambiente y deben verificarse para detectar la congelación de líneas de detección estacionarias.

Válvulas desviadoras

Las válvulas desviadoras están conectadas a un tubo de inmersión que está sumergido en un tanque controlado. Cuando el nivel de fluido del tanque baja, el tubo de inmersión se expone a la presión atmosférica. Una vez que el aire entra en el tubo de inmersión, utiliza el efecto Coanda. Los efectos Coanda ocurren cuando existe una superficie curva. Los gases tienden a seguir la superficie curva más cercana mientras empujan otros fluidos en una dirección diferente. En el caso de la válvula desviadora, el aire del tubo de inmersión sigue la superficie curva del puerto de control de regreso al tanque de almacenamiento y empuja el fluido que fluye fuera del tanque de almacenamiento a la otra pared de la válvula. Este fluido luego fluye hacia el tanque controlado para ajustar el nivel.

Usos Comunes

Las válvulas desviadoras controlan el nivel de fluido actuando como un interruptor de encendido/apagado. También se pueden modificar para ser utilizados para estrangulamiento. Las válvulas desviadoras se utilizan como indicadores de bajo nivel por lo que solo deben usarse cuando los niveles bajos de un tanque son una preocupación.

Beneficios

Las válvulas desviadoras no necesitan una fuente de alimentación externa para su funcionamiento. No tienen partes móviles, enchufes ni empaque, por lo que requieren un mantenimiento mínimo. Las válvulas desviadoras se pueden operar a cualquier temperatura y no se ven afectadas por la vibración. Se pueden construir a partir de muchos materiales como metales, plásticos y cerámicas. Por lo tanto, existe una restricción limitada al tipo de líquido utilizado con las válvulas. Sin embargo, cuando se utilizan sólidos fluidizados y suspensiones, el tubo de inmersión debe permanecer abierto, por lo que no se produce acumulación. Cualquier acumulación cerca o en el tubo debe ser removida.

Restricciones

Las válvulas desviadoras no deben utilizarse cuando se opera en condiciones distintas a la presión atmosférica. Tampoco son para su uso cuando se trata de procesos difíciles de manejar. La presión de salida no puede ser mayor que la presión atmosférica o se producirá una contrapresión y la válvula no funcionará correctamente.

Sensores de nivel eléctricos

Detección de nivel conductivo

Los sensores de nivel conductivos funcionan aplicando un bajo voltaje a través de dos electrodos a diferentes niveles en un recipiente. Cuando ambos electrodos están sumergidos en un líquido conductor, fluye una corriente. Este tipo de configuración de conductividad eléctrica es mejor aplicable para la detección de nivel puntual (detección de nivel en un punto específico del material). Por lo general, están hechos de titanio, Hastelloy B o acero inoxidable.

Ejemplo de un sensor de nivel conductivo.

Usos comunes Los sensores de nivel
conductivos se utilizan comúnmente para medir líquidos conductores y corrosivos. Un líquido conductor común es el agua, mientras que algunos líquidos corrosivos comunes son el ácido nítrico, el cloruro férrico y el ácido clorhídrico.

Beneficios
Este método se considera extremadamente seguro debido a las bajas tensiones y corrientes utilizadas. Los sensores de nivel conductivos también son conocidos por su fácil instalación y uso.

Restricciones
La mayor preocupación con los sensores conductores es el mantenimiento. La sonda necesita ser monitoreada para detectar la acumulación en el sensor. Los residuos de fluidos húmedos o pegajosos que causan acumulación se pueden prevenir recubriendo los sensores con teflón o materiales a base de polietileno.

Detección de nivel de capacitancia

Un condensador se compone de dos conductores (electrodos/placas) que están separados eléctricamente por un no conductor (dieléctrico). En el caso de la detección de nivel, uno de los electrodos es típicamente una varilla posicionada verticalmente mientras que el otro es la pared metálica del vaso. El dieléctrico entre ellos es el material que se mide en el recipiente. El principio de detección del nivel de capacitancia se basa en la siguiente fórmula:

Capacitancia = Constante dieléctrica x (Área de las placas ÷ Distancia entre placas)

Si el dieléctrico es un líquido, la sonda de capacitancia puede medir la capacitancia combinada tanto del líquido como del gas. Cuando el nivel de líquido sube o baja, el valor de capacitancia total cambiará. Dado que la constante dieléctrica y la distancia entre las placas son constantes (la varilla y el recipiente son estables), el único valor que cambia la capacitancia es el área de las placas sumergidas en el líquido. La capacitancia total cambia aproximadamente proporcionalmente a la subida o caída del líquido en la columna. En consecuencia, el nivel de líquido se puede calcular por el cambio en la capacitancia.

Usos Comunes

La siguiente lista muestra solo algunas aplicaciones de los sensores de nivel de capacitancia que se encuentran en la industria y los materiales que perciben.

• Químico/Petroquímico - Aceite, arcilla, carbonato de sodio
• Alimentos - Harina, Leche Powered, Azúcar
• Carbón - Madera, Aserrín carbonizado
• Farmacéuticos - Diversos polvos y líquidos
• Minería - Varios minerales, metales, piedra,

Beneficios

La detección de nivel de capacitancia es útil en su capacidad para detectar una amplia variedad de materiales como sólidos, soluciones orgánicas y acuosas y lodos. Por ejemplo, materiales con constantes dieléctricas tan bajas como 2.1 (petróleo de petróleo) y tan altas como 88 (agua) o más pueden detectarse con detección de nivel de capacitancia. El equipo, típicamente hecho de acero inoxidable, es simple de usar, limpio y puede diseñarse específicamente para ciertas aplicaciones. Por ejemplo, se pueden hacer para soportar altas temperaturas y presiones o tener protectores contra salpicaduras incorporados o pozos de retención para entornos propensos a la turbulencia.

Restricciones

Existen limitaciones para el uso de sensores de nivel de capacitancia. Una limitación importante para las sondas de capacitancia se encuentra cuando se utilizan contenedores altos que almacenan sólidos a granel. Se requiere que las sondas se extiendan a lo largo del recipiente, por lo que en un recipiente largo las sondas de cable largas pueden estar sujetas a tensiones mecánicas y roturas. Otra limitación es la acumulación y descarga de una carga estática de alto voltaje que puede resultar del roce y movimiento de materiales dieléctricos bajos, pero este peligro puede eliminarse con un diseño y conexión a tierra adecuados. Además, la abrasión, la corrosión y la acumulación de material en la sonda pueden causar variaciones en la constante dieléctrica del material que se mide. Para reducir este problema, las sondas de capacitancia se pueden recubrir con Teflon, Kynar, polietileno u otros materiales.

Sensores de nivel basados en radiación

Los sensores de nivel basados en radiación se basan en el principio de la capacidad de un material para absorber o reflejar radiación. Los tipos comunes de radiación utilizados en los medidores de nivel continuos son la ultrasónica, el radar/microondas y la nuclear.

Sensores de nivel ultrasónicos (sónicos)

Los transmisores de sensores de nivel ultrasónicos emiten ondas acústicas ultrasónicas de alta frecuencia que son reflejadas por el medio hacia los receptores. Al medir el tiempo que tarda en recibirse el eco reflejado, el sensor puede calcular la distancia real entre el receptor y el nivel de fluido. Estos sensores pueden ser precisos desde una distancia de 5 mm a 30 m.

Usos Comunes

Los sensores ultrasónicos de nivel se utilizan comúnmente para la detección de nivel puntual. Se utilizan mejor para líquidos viscosos, lodos y sólidos a granel.

Beneficios

La combinación de alta funcionalidad de los sensores de nivel ultrasónicos a precios relativamente bajos los convierte en una opción popular para la detección de nivel sin contacto.

Restricciones

Dado que la velocidad del sonido en el aire puede fluctuar en diferentes condiciones, los sensores ultrasónicos no son adecuados para su uso en todas las aplicaciones. Los ambientes que tienen humedad y temperaturas variables influirán en las lecturas de los sensores. La turbulencia, el vapor y la espuma evitan que las olas se reflejen adecuadamente y distorsionan las lecturas. Además, el sensor de nivel debe estar montado correctamente para que detecte correctamente la distancia entre el transmisor y el nivel de fluido.

Sensores de Nivel de Microondas/Radar

Los sensores de nivel de microondas/radar son similares a los sensores de nivel ultrasónicos en que requieren un transmisor y un receptor. Además de estos materiales, los sensores de radar también necesitan una antena y una interfaz de operador para usar ondas electromagnéticas para calcular la distancia de nivel.

Usos Comunes

Estos sensores se utilizan con frecuencia para situaciones sin contacto que requieren detección de nivel en entornos de temperatura y presión variables.

Beneficios

Los sensores de microondas/radar tienen una ventaja sobre los sensores ultrasónicos ya que son capaces de operar en entornos de alta presión y alta temperatura. También pueden detectar sólidos con tamaños de grano mayores a 20mm.

Restricciones

Cuando el nivel de fluido está bajo una capa gruesa de espuma o polvo, es posible que estos sensores no detecten el nivel de fluido, sino que detectan el nivel del polvo o la espuma. Los sensores de nivel de microondas/radar también son más costosos que los sensores de nivel ultrasónicos.

Sensores de nivel nuclear

Los sensores de nivel nuclear dependen de los rayos gamma para su detección. Si bien estos rayos gamma pueden penetrar incluso en el medio más sólido, la intensidad de los rayos se reducirá en el paso. Si el emisor de rayos gamma y el detector se colocan en la parte superior e inferior de un recipiente, el grosor del medio (nivel) se puede calcular por el cambio de intensidad.

Usos Comunes

Estos sensores se suelen utilizar cuando el material que se mide presenta un riesgo para la vida humana o el medio ambiente. Estos incluyen, por ejemplo, materiales que son tóxicos, cancerígenos o explosivos.

Beneficios

La radiación nuclear tiene la capacidad de detectar el nivel incluso a través de paredes sólidas de tanques. Dado que parecen “ver” a través de las paredes, el medidor nuclear puede modificarse y/o instalarse mientras el proceso está en marcha y evitar costosos tiempos de inactividad.

Restricciones

Los sensores de nivel nuclear suelen ser el último recurso a la hora de elegir un sensor de nivel. No sólo requieren una licencia de la Comisión Reguladora Nuclear (NRC) para instalar, sino que son extremadamente caros en comparación con otros sensores de nivel.

Resumen de Beneficios y Restricciones

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Plant Storage Vessel

Imagine que usted es responsable de mantener una cierta cantidad de producto químico en un recipiente de almacenamiento para su uso posteriormente aguas abajo en su proceso. Su químico tiene una gravedad específica de 1.2. Supongamos que es efectivamente independiente de la temperatura. A un caudal máximo, una válvula está alimentando 80 galones por minuto en un recipiente de almacenamiento. Se requieren 2 pulgadas de recorrido de la válvula para cerrar completamente el flujo a través de la válvula. El flotador esférico con el que se le da para trabajar es de 8 pulgadas de ancho, químicamente compatible con su químico, y su gravedad específica puede ser alterada. Su proceso dicta que hay que mantener alrededor de 400 galones en este tanque para su uso aguas abajo, y eso corresponde a una altura de veinte pulgadas desde el fondo del tanque. A esta altura, la bola es de 4 pulgadas sumergida. La bola tiene que recorrer 5 pulgadas para cerrar completamente tu válvula. Calcular:

1. la gravedad específica del flotador debe ser
2. la ganancia del regulador
3. la sensibilidad proporcional de su sistema
4. asuma que la gravedad específica de su químico aumenta dramáticamente. Explicar cualitativamente qué debe hacer eso con la ganancia, nivel de fuerza de flotación cero y banda muerta del sensor
5. ¿era apropiada una válvula tipo flotador para ser utilizada en este problema?

Soluciones

Usando la fórmula para el nivel de Fuerza de Flotación Cero y enchufando los valores de la declaración del problema, se nos ocurre lo siguiente Usamos 4 pulgadas, y no 20 pulgadas porque el nivel de fuerza de flotación cero indica el nivel en el que el flotador está sumergido, no el nivel del fluido. Aislando el valor para sGF llegamos a una gravedad específica de 0.6 para el flotador.

b) Usando la fórmula para la ganancia del regulador y los valores de la declaración del problema, se nos ocurre lo siguiente procediendo con el cálculo llegamos a un valor de 0.4 para la ganancia.

c) Usando la fórmula para la sensibilidad proporcional del sistema y los valores de la declaración del problema, se nos ocurre lo siguiente procediendo con el cálculo llegamos a un valor de

d) Los sensores de nivel tipo flotador trabajan sobre el principio de flotabilidad. Si la densidad del líquido que se desplaza aumenta, la fuerza de flotación sobre el flotador aumenta para el mismo cambio en la altura del líquido. La ganancia del sensor se refiere a la cantidad de recorrido en la válvula versus la cantidad de recorrido en el flotador, por lo que para un cambio dado en la altura del fluido, la válvula seguirá cambiando la misma cantidad que lo hizo. Sin embargo, dado que la fuerza de flotación se incrementa debido al aumento de la densidad del fluido de proceso, la banda muerta debería disminuir debido a que la fuerza de un aumento incremental en la altura debería permitir que el sensor supere la fricción con mayor facilidad.

e) Una válvula tipo flotador fue apropiada para ser utilizada en este problema, ya que los requisitos eran que se mantuvieran “alrededor de 400 galones” y el fluido fuera químicamente compatible con el flotador. Debido a la inevitable banda muerta, o el tiempo que le toma al flotador responder a un cambio dado de fluido, no mantendrá exactamente 400 galones, pero se mantendrá cerca de eso.

Ejemplo\(\PageIndex{2}\): Sensor Selection

Responda las preguntas de los cuatro escenarios hipotéticos con respecto a la selección de un sensor de nivel apropiado. Da razones para tus selecciones.

1. Un tanque de uso común contiene diclorometano que requiere monitoreo constante para garantizar que no existan fugas. El volumen preciso se regulará para monitorear cualquier disminución de nivel cuando no se esté realizando una transferencia conocida. Este tanque se llenará a ~5,000 galones y no se rellenará hasta que el nivel sea inferior a 1,000 galones de diclorometano. ¿Qué tipo de sensor debes instalar?
2. ¿Bajo qué circunstancias seleccionaría un sensor de radiación?
3. Los inodoros tienen un sensor de nivel de flotador para indicar cuándo se ha producido una descarga y es necesario rellenar el recipiente. ¿Qué tipo de sensor de flotador tiene el inodoro?
4. ¿Cuándo sería un buen momento para usar un sensor visual?

Soluciones

1. La selección más adecuada de sensor de nivel para esta aplicación es el sensor de capacitancia o el sensor ultrasónico. Ambos son sensores eléctricos que permiten mediciones de cambios de altura, mientras que otros tipos ofrecen un resultado binario: o bien el nivel está por encima o por debajo de un punto de ajuste. La capacitancia y los sensores ultrasónicos difieren solo por la forma en que están instalados. Los sensores de capacitancia requieren contacto con el líquido, mientras que los sensores ultrasónicos no. En este caso específico para el diclorometano, que es no corrosivo, no es necesario monitorear el volumen sin entrar en contacto con el líquido, y por lo tanto el sensor de capacitancia también es una selección aceptable.
2. Un sensor de nivel basado en radiación es más apropiado cuando los sensores no pueden ponerse en contacto directo con la sustancia medida. Esta es sólo una opción posible y muchas veces cara.
3. Los inodoros tienen un mecanismo de palanca/eje. Este flotador es menos denso que el agua que llena el tanque. Cae rápidamente cuando se descarga el inodoro y se elevará lentamente a medida que el tanque se llene de agua. Cuando el tanque esté lleno, el flotador girará el eje hacia arriba lo suficiente como para cerrar el flujo de agua.
4. Los sensores visuales solo deben usarse cuando no se requiere un sensor eléctrico o como respaldo. Esto se debe a que no pueden ser monitoreados automáticamente ya que los sensores visuales no proporcionan una respuesta digital. También es una buena idea proporcionar una forma secundaria de obtener información de nivel al instalar un nuevo tanque, y las comprobaciones manuales suelen ser una buena idea.

Referencias

• [Imagen disponible] Seetru, www.seetru.com/index_main.html, 12 de septiembre de 2006.
• Liptak, Bela G., Manual de Ingenieros de Instrumentos, 4ª Edición, Tomo 2. Taylor & Francis CRC Press, 2005.
• Perry, Robert H., Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7a Edición. McGraw-Hill, 1997.
• Richardson, J.F. y Peacock, D.G., Ingeniería Química, 3a Edición, Tomo 3. Butterworth-Heinemann, 1994.
• Transacciones en Medición y Control: Volumen 4, 2006. Omega Engineering, Inc. Obtenido el 10 de septiembre de 2006, de http://www.omega.com/literature/transactions/volume4/
• Wikipedia. Recuperado el 9 de septiembre de 2007, de es.wikipedia.org/wiki/Level_Sensor
• Considine, Douglas M., Process/Industrial Instruments & Controls Handbook, 4a Edición, McGraw-Hill, INC., 1993.

Colaboradores y Atribuciones

• Autores: (14 de septiembre de 2006) Andrew MacMillan, David Preston, Jessica Wolfe, Sandy Yu
• Administradores: (10 de septiembre de 2007) Yoo Na Choi, Yuan Ma, Larry Mo, Julie Wesely