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Revisión detallada de la medición de nivel y la instrumentación de control

A) Importancia

Una medición más inteligente admite operaciones más seguras, más eficientes y más sostenibles, mejorando el tiempo de actividad y prolongando la vida útil, independientemente del sector de la industria. En cualquier industria de procesos, se requiere que la medición y el control de los siguientes parámetros se realicen ampliamente y es muy importante para el funcionamiento satisfactorio del proceso.

Por CNShukla, Consultor (Capacitación y Desarrollo), Pune Techtrol Pvt. Limitado.

CNShukla

CNShukla, Consultor (Capacitación y Desarrollo), Pune Techtrol Pvt. Limitado.

  • La temperatura
  • Presión
  • Nivel y
  • Flujo

La importancia de la medición de nivel en este contexto no puede ser exagerada, ya sea para la medición y control de procesos industriales o en la medición de tanques de inventario.

La importancia de la medición y control de nivel se debe principalmente a los siguientes factores ...

  • Control seguro y eficiente del proceso: - Un proceso de fabricación puede volverse loco, si los niveles de líquidos y sólidos relevantes no se miden y controlan adecuadamente. También puede dañar gravemente el equipo de producción y provocar un cambio indeseable en la calidad del producto o la pérdida de producción. (Ejemplo: en el caso de calderas generadoras de vapor, la medición y el control del nivel de agua en el tambor de la caldera es muy crítico. La pérdida del nivel de agua o el nivel excesivo de agua son perjudiciales para la vida útil de la caldera y sus auxiliares relacionados)
  • Monitoreo y control de inventario: - La eficiencia económica de cualquier operación depende de un control adecuado del inventario. Esto es particularmente importante para los artículos de alto valor, ya que el almacenamiento en exceso de dichos artículos se suma al "costo de llevar el inventario". Sin embargo, bajos niveles de inventario pueden matar la actividad de producción. Por lo tanto, la medición precisa del nivel de inventario líquido / sólido es esencial.
  • Transferencia de custodia: - La medición precisa del nivel de líquidos y sólidos facilita la transacción de los artículos con confianza para garantizar una liquidación más rápida de los tratos. La estimación del volumen de líquidos costosos, como los productos derivados del petróleo, siempre se puede hacer con mayor precisión midiendo el nivel en lugar de medir el flujo.
  • Seguridad humana: - El derrame de líquidos peligrosos puede causar daños al personal que trabaja en el área y, potencialmente, puede crear riesgos para la seguridad y el medio ambiente que resulten en pérdidas financieras. Por lo tanto, la protección de sobrellenado es muy vital. Además, la mezcla desproporcionada de dos o más ingredientes puede generar productos nocivos.

B) Tecnología de medición

Las tecnologías desplegadas para la medición y el control del nivel líquido / sólido se clasifican en términos generales de la siguiente manera.

1) Tipo de contacto instrumentos - Estos instrumentos hacen contacto directo con el líquido / sólido cuyo nivel está siendo monitoreado. Se basan en varios principios, como el principio de Arquímedes, el magnetismo, la presión hidrostática, la capacitancia, la conductividad y las vibraciones piezoeléctricas.

Al utilizar instrumentos de medición de nivel de tipo de contacto, se debe tener en cuenta la compatibilidad del Material de construcción (MOC) del instrumento. También se debe prestar atención adecuada a la presión y temperatura de operación.

Principios de 1.1 Archimedes: -

  • Un cuerpo, cuya densidad es menor que la de un líquido, flotará en ese líquido y el peso del líquido desplazado es igual al peso del cuerpo.
  • Un cuerpo sumergido en el líquido desplazará el volumen de líquido igual al volumen del cuerpo y la fuerza de flotación experimentada por el cuerpo sumergido es igual a su pérdida de peso.


Magnetismo 1.2: -

La fuerza magnética se puede utilizar para accionar los interruptores de láminas y microinterruptores sin contacto físico. También la fuerza magnética puede ser transmitida a través de materiales no magnéticos.

Conductividad 1.3

La corriente fluye a través del líquido conductor para completar el circuito entre el electrodo de referencia y el electrodo de detección / control.

Presión hidrostática 1.4: -

Este método depende de la medición de la presión ejercida sobre el sensor de presión por la columna de líquido.

cuando se coloca en la parte inferior del tanque. La presión ejercida por la columna de líquido es igual a la altura de la columna de líquido, h, multiplicada por la gravedad específica, sg, de la misma.

(P = hx sg.).

De este modo, a partir de esto podemos calcular el nivel de líquido, 'h' en un tanque, si conocemos la presión del líquido en el fondo y la gravedad específica 'sg' del líquido.

Principio de la capacitancia 1.5: - La relación de capacitancia se expresa mediante la siguiente ecuación:

C = 0.225 K (A / D)

dónde:

C = Capacitancia en Pico Farads

K = constante dieléctrica del material

A = Área de placas en pulgadas cuadradas

D = Distancia entre las placas en pulgadas

Los interruptores y transmisores de tipo capacitancia hacen uso de este principio donde el líquido entre dos electrodos actúa como constante dieléctrica.

Efecto piezoeléctrico 1.6: - El efecto piezoeléctrico es la capacidad de ciertos materiales para generar una carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Una de las características únicas del efecto piezoeléctrico es que es reversible, lo que significa que los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico directo (la generación de electricidad cuando se aplica tensión) también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso (la generación de tensión cuando se aplica un campo eléctrico ).

Todos los interruptores de horquilla vibrante hacen uso del cristal piezoeléctrico y funcionan según este principio.

2) Instrumentos de tipo sin contacto - No hacen contacto físico con el líquido / sólido cuyo nivel se está midiendo. Estos instrumentos se basan principalmente en los principios de ultrasonido, radar y láser. También se debe prestar atención adecuada a la presión y temperatura de operación.

Principio ultrasónico 2.1: -

El sonido viaja a través del aire a una velocidad de 343 metros / seg. en 20 0 C. El eco de los pulsos ultrasónicos en las frecuencias 30 KHz y superiores se utiliza para calcular la distancia entre el sensor y el objetivo. El rango desde el sensor hasta el objetivo se calcula mediante:

R (t) = ct / 2

donde: R (t) es la distancia al objetivo

c es la velocidad del sonido

t es el tiempo desde la transmisión hasta que se recibe el eco.

Principio del radar 2.2: -

Esta tecnología de radar sin contacto tiene dos versiones diferentes: radar de pulso y frecuencia

Radar de onda continua modulada (FMCW).

El radar de pulso - Una onda electromagnética que tiene una frecuencia entre 1 y 100 GHz se envía desde la antena hacia la superficie del proceso en busca de un cambio en la impedancia, que reflejará la señal de vuelta al transmisor.

La intensidad de los pulsos reflejados depende de la constante dieléctrica del producto. El tiempo de tránsito del pulso electromagnético se utiliza para calcular la distancia y, a su vez, el nivel de proceso líquido / sólido.

El radar de FMCW - Utiliza una señal de RF de alta frecuencia hasta 100 GHz y se transmite hacia el objetivo y se refleja desde la superficie del objetivo a una frecuencia de retraso. La diferencia en la frecuencia de señal transmitida y recibida es directamente proporcional a la distancia del objetivo desde la antena, que luego se convierte en señal de nivel de 4-20mA DC.

C) Tipos de instrumentos de medición de nivel -

1) Indicación visual: - Se logra utilizando medidores de nivel mecánicos que no dependen de la electricidad para su funcionamiento.

  • Se utilizan para la indicación de nivel continuo de líquidos. En general, los medidores de nivel se clasifican como Medidores de vidrio y medidores tipo flotador.
  • Los medidores de vidrio se basan en el principio de que "el líquido busca su propio nivel", mientras que los medidores tipo flotador se basan en el principio de Arquímedes.
  • Los medidores de nivel están disponibles en una amplia variedad de materiales, como PP, CS, SS304, SS316, PVDF, SS304 revestido con PTFE o Hastalloy C para adaptarse al tipo de líquido y condiciones de operación.
  • En varias aplicaciones, la provisión de medidores de nivel de lectura directa es obligatoria como requisito legal.

Ventajas: -

  • "Ver para creer" es confiable y no depende de la electricidad.
  • Los medidores de vidrio proporcionan una indicación directa del nivel de líquido.
  • Fácil de instalar y operar.
  • Adecuado para aplicaciones de alta temperatura y presión.

Limitaciones:

  • Son adecuados para líquidos de flujo libre que no contienen partículas pesadas suspendidas.
  • Los medidores de vidrio tienen un elemento frágil como tubo de vidrio o vidrio plano.

Los siguientes son los tipos de medidores de nivel que se utilizan comúnmente en la industria.

Indicador de nivel tubular 1.1: -

El medidor se monta en el lado de un tanque para formar un circuito cerrado con el contenido del recipiente. El nivel de líquido se puede observar en el tubo de vidrio del medidor. Se proporcionan protecciones para proteger el vidrio contra roturas accidentales.

Adecuado para la temperatura máxima 200 ⁰C y presión 10 Kg / cm2

Generalmente, estos medidores se utilizan para aplicaciones de baja presión y, en general, para tanques "abiertos a la atmósfera".

1.2 Reflex / Medidor de vidrio transparente: -

El nivel de líquido se observa en vidrio plano o transparente. El vidrio de tipo reflejo tiene corrugaciones prismáticas en su cara frontal en virtud de la cual la parte líquida aparece en negro y la parte superior en blanco.

El calibre transparente es similar al tipo réflex, excepto que el vidrio del calibre tiene un acabado suave y se coloca un par de vidrios en la parte delantera y trasera.

Adecuado para la temperatura máxima 400 ⁰C y presión 200 Kg / cm2

Indicador de nivel transparente reflejo 1.2
Indicador de nivel magnético 1.3

Indicador de nivel magnético 1.3: -

Consiste en un flotador magnético dentro de una cámara compuesta de material no magnético y el indicador está sujeto externamente a la cámara. El indicador está disponible en dos tipos, cápsula seguidora o aleta bicolor.

El flotador sigue el nivel del líquido y se enlaza con la cápsula / aleta para indicar el nivel del líquido. Este medidor es de uso múltiple, ya que puede estar provisto de interruptores y transmisores que se sujetan externamente a la cámara.

Es adecuado para líquidos corrosivos, tóxicos y peligrosos donde los medidores de vidrio se consideran inseguros. Adecuado para temperaturas máximas 400 ⁰C y presión 100 Kg / cm2



Flotador 1.4


Indicador de flotador y tablero 1.4: -

Es el medidor más simple que consiste en un flotador conectado con un cable y el otro extremo del cable está conectado al indicador fuera del tanque.

El flotador sigue el nivel del líquido y el puntero se mueve en la tabla de escala adjunta en el lado del tanque. Es adecuado para tanques de almacenamiento de líquidos a granel bajo presión atmosférica.


Medidor de cinta flotante 1.5

Indicador de flotación y cinta 1.5: -

Este es el medidor más preciso, que mide el nivel de líquido hasta ± 2mm. Consiste en cinta perforada enrollada en tambor. El flotador sigue el nivel del líquido y la cinta se enrolla / desenrolla en el tambor a través de la rueda dentada.

El movimiento de la rueda dentada se transfiere al indicador a través del mecanismo de engranaje para indicar el nivel en el dial.

2) Detección de nivel o control en puntos preestablecidos: -

Esto se hace mediante el uso de un interruptor de nivel, que proporciona un contacto de encendido / apagado para operaciones tales como avisos de alarma, arranque / parada de bombas / auxiliares, enclavamientos, etc.

  • Se utiliza para detectar el nivel líquido / sólido en el tanque. Hay disponibles interruptores de nivel de punto único o multipunto.
  • Disponible en una amplia variedad de materiales como PP, CS, SS304, SS316, PVDF, SS304 revestido de PTFE para adaptarse al tipo de líquido y condiciones de operación.
  • Se proporciona protección a prueba de intemperie o a prueba de intemperie para instalación en el exterior e instalación en áreas peligrosas.

Ventajas: -

  • Los interruptores, basados ​​en el principio de Arquímedes, no requieren electricidad para su funcionamiento. Pero proporcionan potenciales contactos eléctricos libres, que se pueden utilizar para acciones posteriores.
  • Dado que el interruptor eléctrico está acoplado magnéticamente con el flotador, existe un aislamiento completo entre el líquido y la parte eléctrica del instrumento.

Limitaciones -

  • · Es posible que algunos interruptores no sean adecuados para el funcionamiento directo de cargas más altas.

En tales casos, puede ser necesario el uso de relés / contactores intermedios.

Los siguientes son los diferentes tipos de interruptores de nivel que se utilizan generalmente en la industria.

Interruptor guiado por flotador 2.1

Interruptor guiado flotante 2.1 -

Puede proporcionar conmutación de punto único o multipunto. Consiste en uno o más interruptores de láminas herméticamente sellados ubicados dentro del tubo guía y un flotador magnético se mueve libremente a lo largo de él. El flotador sigue el nivel del líquido y acciona el interruptor de láminas.

Los contactos de lengüeta de salida tienen una potencia nominal baja (40, 60, 120 VA) pero, sin embargo, se pueden conectar directamente PLC / DCS. Adecuado para máx. temperatura 150 ⁰C y presión 10 kg / cm2


Interruptor pivotante flotante 2.2

Interruptor pivotado flotante 2.2 -

Es un interruptor de un solo punto generalmente montado lateralmente en la pared del tanque. El interruptor funciona a través de un acoplamiento magnético sin glándulas para proporcionar contactos de cambio de micro interruptor de 5A, 230VAC.

El interruptor es ideal para tanques que son inaccesibles desde la parte superior e inferior. Adecuado para máx. temperatura 300 ⁰C y presión 20 kg / cm2


Interruptor de desplazamiento 2.3 -

Se trata de interruptor sencillo o multipunto. El desplazador, está suspendido de un cable metálico conectado a la varilla del actuador. Con el aumento del nivel, cuando el desplazador está sumergido en el líquido, experimenta una fuerza de flotación y acciona el micro interruptor de 5A, clasificación de 230VAC.

Los puntos de ajuste de nivel son de sitio ajustable. Adecuado para la temperatura máxima 300 ⁰C y la presión de 100 Kg / cm2



Interruptor de conductividad 2.4

Interruptor de conductividad 2.4 -

Como su nombre lo sugiere, es adecuado solo para líquidos conductivos. En este caso, se pasa una pequeña señal de CA a través de un electrodo de referencia y se detecta la misma en los electrodos de control en varios puntos de ajuste.

La corriente que fluye desde el electrodo de referencia al electrodo de control se usa para operar el relé que puede manejar más energía. Adecuado para máx. Temperatura. 100 ⁰C y presión 5 kg / cm2

Interruptor de capacitancia 2.5

Interruptor de capacitancia 2.5 -

Mide la capacitancia formada por dos electrodos del interruptor donde el líquido forma el dieléctrico. La variación del nivel da como resultado un cambio en la capacitancia que se mide y se opera el relé. Adecuado para máx. temperatura 60 ⁰C y presión 5 kg / cm2

Conmutador de horquilla vibrante 2.6

Interruptor de horquilla vibrante 2.6 -

En el aire su horquilla vibra a su frecuencia de resonancia creada por medio de un cristal piezoeléctrico. Cuando el material toca la horquilla, sus vibraciones amortiguadas se detectan en la electrónica para operar el relé.

Es un interruptor de un solo punto y está disponible para polvo / granulado líquido y de flujo libre. Adecuado para máx. temperatura 250 ⁰C y presión 10 kg / cm2



Interruptor de paleta rotativa 2.7

Interruptor de paleta giratoria 2.7 -

Es un interruptor de detección de nivel sólido. Consiste en un motor síncrono que gira a 1 RPM. El eje del motor se extiende a la longitud requerida y la paleta está unida a él.

En ausencia de material, la paleta gira y cuando el nivel sólido alcanza la paleta, deja de girar y opera una palanca de microinterruptor para proporcionar contactos de cambio.


3) Medición y monitoreo de nivel continuo: -

· Los transmisores de nivel se utilizan para la medición cuantitativa de líquidos / sólidos que ayudan en el control de inventario y la transferencia de custodia. Por lo general, proporcionan una salida eléctrica de 4 a 20 mA DC correspondiente a 0 a 100% del nivel, que a su vez se puede expresar en términos de varias unidades de medida, incluido el volumen / peso.

Los transmisores están disponibles en material de PP, SS304, SS316, SSP recubierto con PVDF para adaptarse a los líquidos de proceso. El control de inventario y la transferencia de custodia pueden efectuarse usando el transmisor.

Ventajas-

  • La medición cuantitativa exacta facilita el monitoreo continuo del nivel.
  • La salida también está disponible en RS485 MODBUS o HART. Fieldbus compatible.
  • Se pueden asignar múltiples puntos de alarma desde el indicador PLC / sistema SCADA.
  • Limitaciones -
  • Los transmisores de nivel de tipo de contacto no son aplicaciones sólidas adecuadas
  • Se necesita un sistema indicador / SCADA para mostrar el nivel en una unidad significativa.


Los siguientes son los principales tipos de transmisores disponibles para diferentes aplicaciones en la industria.

Transmisor guiado flotante 3.1

Transmisor guiado flotante 3.1: -

Consiste en un flotador magnético que se mueve a lo largo del tubo guía, que contiene una cadena de resistencias e interruptores de láminas colocados a través de él. El flotador se mueve en el tubo guía de acuerdo con el nivel de líquido para activar el interruptor de lámina y el voltaje correspondiente a través del registro se convierte en la salida de corriente de 4-20mA.

Se puede utilizar para máx. temperatura 150 ⁰C y presión 10 kg / cm2

Transmisor hidrostático 3.2: -

Los medidores 10 de columna de agua pura corresponden a 98.1 Kpa de presión. El sensor piezo-resistivo instalado en la parte inferior de la sonda mide la presión de la columna de líquido en la parte inferior del tanque.

La presión detectada se convierte en una salida mv que se procesa para proporcionar una salida 4-20mA. Conveniente para la presión atmosférica y la temperatura. 70⁰C

3.3-capacitancia-transmisor

Transmisor de nivel de capacitancia 3.3: -

La construcción y el funcionamiento son similares a los del interruptor de capacitancia, excepto que el cambio en la capacitancia se convierte en señal de salida 4-20 mA. Adecuado para máx. Temperatura 60⁰C y presión de 5 kg / cm2





3.4-transmisor de nivel magnetostrictivo

Transmisor de nivel magnetostrictivo 3.4: -

Es un transmisor de nivel de tipo flotador de alta precisión (<1mm) Un impulso de corriente enviado a través del cable guía de onda, crea un campo magnético circular que interactúa con el campo magnético generado por el flotador para producir una torsión en el cable.

El tiempo de retardo entre el inicio del impulso y su retorno se mide y se convierte en 4-20mA o / p, que corresponde a la posición de flotación / nivel de líquido. Puede usarse para temperaturas máximas 100⁰C y presión 10 kg / cm2



Transmisor de nivel de radar de onda guiada 3.5

Transmisor de nivel de radar de onda guiada 3.5: -

Este es un transmisor de tipo de contacto basado en el principio de reflectometría de dominio de tiempo (TDR). Los pulsos electromagnéticos de baja potencia se envían a lo largo de la longitud de la sonda hasta la superficie del producto y se reflejan parcialmente en la electrónica.

El tiempo de tránsito del pulso emitido y reflejado es proporcional a la distancia, que luego se convierte en la señal mA de 4-20. Este transmisor es adecuado para la temperatura máxima. 250⁰C y presión de 10 kg / cm2



Transmisor de nivel tipo 3.6-desplazador

Transmisor de nivel tipo desplazador 3.6: -

Consiste en un desplazador suspendido de una palanca operativa, cuyo otro extremo está conectado a un tubo de torsión y, además, a un conjunto de palanca equipado con sistema magnético.

El cambio en el nivel de líquido hace que la palanca de operación gire el tubo de torsión proporcionalmente al cambio en la fuerza de flotación que actúa sobre el desplazador.

Esta rotación se transfiere al conjunto de la palanca, lo que provoca que el desplazamiento angular cambie el campo magnético, que el sensor detecta y convierte en 4-20 mA o / p mediante la electrónica de procesamiento de señales. Adecuado para la temperatura maxima 300 ⁰C y presión 60 kg / cm2

Transmisor de presión diferencial 3.7-1

Transmisor de presión diferencial 3.7: -

Estos transmisores se basan en el principio piezo-resistivo o el principio de capacitancia y se utilizan ampliamente para aplicaciones de medición de nivel y flujo.

Son ideales para la medición de nivel en recipientes altamente presurizados como el tambor de caldera. El transmisor se puede conectar a la embarcación mediante tubos de impulso. Los transmisores remotos del tipo de sello de diafragma también están disponibles para fluidos viscosos y peligrosos.

3.7-transmisor de presión diferencial-1

Transmisor de nivel ultrasónico sin contacto 3.8

Transmisor de nivel ultrasónico sin contacto 3.8: -

Transmite una breve ráfaga de sonido ultrasónico hacia un objetivo, que refleja el sonido de vuelta al sensor. El sistema luego mide el tiempo de tránsito de la señal transmitida y reflejada que es proporcional a la distancia al objetivo.

Se puede usar el mismo transductor para transmitir y recibir el sonido, o se pueden usar transductores separados para transmitir y recibir. Adecuado para máx. temperatura 70⁰C y presión <1bar

Transmisor de nivel de radar sin contacto 3.9: -

Como se explicó anteriormente, estos transmisores pueden ser "de tipo pulsante" o basados ​​en el "principio FMCW". Los transmisores son programables en el sitio. A mayor frecuencia de operación, menor es el alcance del transmisor, pero mejor es la resolución y viceversa.

Los diferentes tipos de antenas, como el tipo de bocina, la guía de onda, el tipo de parábola, la antena de parche o la antena de caída están disponibles para adaptarse a las aplicaciones. Adecuado para la temperatura maxima 300⁰C y presión de 35 kg / cm2

También se pueden usar combinaciones de indicador de nivel, interruptor y transmisor. Todos los medidores de tipo flotador se pueden proporcionar con interruptores y transmisores. El medidor de nivel magnético se puede proporcionar con cámara doble, es decir, una para medir el nivel y otra para el transmisor de radar.

D) Criterios de selección

El instrumento de medición de nivel se selecciona con referencia a los siguientes criterios / condiciones.

  1. Compatibilidad química con líquidos.
  2. Propiedad física del material de servicio: densidad, conductividad, constante dieléctrica, viscosidad y partículas suspendidas
  3. Temperatura de funcionamiento y presión
  4. Condiciones de espumación / ahumado
  5. Agitación / turbulencia en líquido.
  6. Ángulo de reposo y tamaño de partícula.
  7. Clasificación de área como peligrosa / no peligrosa
  8. Posición de montaje y conexión de proceso en el tanque / recipiente
  9. Exactitud deseada

No solo la selección, sino también la correcta instalación y puesta en servicio del instrumento es igualmente importante para lograr la precisión en la medición de nivel.

No existe un instrumento universal para la medición de nivel de líquidos / sólidos. Sin embargo, el instrumento apropiado se selecciona con los criterios dados anteriormente.

E) El advenimiento de la era digital:

Al igual que en otros aspectos de la vida, los avances en la tecnología digital también han afectado de manera beneficiosa la tecnología de medición de nivel. Además de la salida convencional de 4 a 20 mA de los transmisores, también está disponible la salida MODBUS RTU que se puede monitorear directamente desde la computadora. El 'Sistema de gestión de granjas de tanques', que es esencialmente un sistema SCADA, facilita el monitoreo centralizado y el control de inventario de productos químicos, solventes y productos derivados del petróleo.

Además, varias funciones relacionadas con la supervisión de nivel, como las operaciones de encendido / apagado de las bombas, las operaciones de apertura / cierre de las válvulas, el aviso de alarma, etc., pueden ejecutarse desde el remoto haciendo uso de la red GSM / GPRS.

La visualización gráfica y la animación de las indicaciones de nivel en las pantallas DCS / SCADA hacen que sea conveniente para el operador monitorear varios parámetros de un vistazo.

Recientemente, la medición y monitoreo de nivel se realiza mediante la tecnología inalámbrica para varias aplicaciones IIoT

Informador de la industria de procesos

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