Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Sensores de nivel utilizados en la automatización industrial Por: Luis Fernando Abellán Carmona Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Diciembre del 2008

2 Sensores de nivel utilizados en la automatización industrial Por: Luis Fernando Abellán Carmona Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Ing. Jorge Blanco Alfaro Profesor Guía Ing. Juan Ramón Rodríguez Solera Profesor lector Ing. Rodolfo Espinoza Valverde Profesor lector

3 DEDICATORIA A Dios por permitirme esta segunda oportunidad. A mis padres por su apoyo y entendimiento incondicional a lo largo de éste período, a mi novia por toda su comprensión y ayuda. A mis amigos, gracias por su apoyo. iii

4 RECONOCIMIENTOS Agradezco al Profesor Jorge Blanco por su apoyo y sus consejos a lo largo del desarrollo de éste trabajo, así como a todos aquellos profesores y personas involucradas en mi educación en éste período universitario. iv

5 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS...vii ÍNDICE DE TABLAS... viii RESUMEN...ix CAPÍTULO 1: Introducción Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología...2 CAPÍTULO 2: Fundamentos teóricos Señal Analógica Señal Digital Tipos de Sensores Sensores Analógicos Sensores Digitales Sensores de Nivel...8 CAPÍTULO 3: Sensores de Nivel Analógicos Sensores de Nivel para Líquidos Sensor de Flotador Sensor de Presión Hidrostática Sensor de Capacitancia Sensor de Radar o Microondas Sensor de Ultrasónicos Sensor de Sondeo Electromecánico Sensor de Báscula Sensor Capacitivo...23 CAPÍTULO 4: Sensores de Nivel Digitales Sensor de Nivel para Líquidos Sensor Conductivo o Resistivo Sensores de Nivel para Sólidos Sensor de Diafragma...30 v

6 4.2.2 Sensor de Cono Suspendido Sensor de Varilla Flexible Sensor de Conductividad Sensor de Paletas Rotativas Sensor de Radar de Microondas...33 CAPITULO 6. Conclusiones y recomendaciones...40 BIBLIOGRAFÍA...42 APÉNDICES

7 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Forma de onda de una señal analógica...6 Figura 2.2 Forma de onda de una señal digital...7 Figura 3.1 Flotador conectado directamente...11 Figura 3.2 Flotador Acoplado Magnéticamente...12 Figura 3.3 Flotador tipo desplazamiento...13 Figura 3.4 Sensor de membrana...14 Figura 3. 5 Sensor de burbujeo...15 Figura 3.6 Sensor de presión diferencial...16 Figura 3. 7 Sensor de Capacitancia [6]...17 Figura 3. 8 Sensor de radar o microondas [6]...19 Figura 3.9 Sensor ultrasónico [6]...20 Figura 3.10 Sensor de sondeo electromécanico...22 Figura Sensor ultrasónico...25 Figura 4. 1 Sensor conductivo o resistivo [6]...28 Figura 4. 2 Sensor de capacitancia...29 Figura 4. 3 Sensor de paletas rotativas...32 vii

8 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Grados de protección indicados por la primera cifra característica [2]...34 Tabla 2. Grados de protección indicados por la segunda cifra característica [2]...35 Tabla 3. Protección sensores de nivel de acuerdo a la primera cifra característica...38 Tabla 4. Protección sensores de nivel de acuerdo a la segunda cifra característica viii

9 RESUMEN Este trabajo se realizó con el objeto de conocer los tipos de sensores de nivel que se utilizan en el mercado, debido a la gran importancia que tienen estos en los procesos industriales, como lo es ayudar en tener sistemas de control más eficientes y exactos, para así disminuir los errores. Durante el desarrollo de la investigación se utilizaron principalmente como fuentes de información libros de texto y páginas de Internet, lo que hizo evidente que una de las principales ventajas que tienen los sensores de nivel hoy en día, es como a pesar de que existen gran cantidad de fabricantes a nivel mundial todos concuerdan en el modo de funcionamiento de los diferentes tipos que hay. También se clasificaron de acuerdo a su funcionamiento y se determinaron las principales ventajas que tienen los tipos de sensores de nivel en los diferentes campos de aplicación en la automatización industrial. Un punto de suma importancia que fue desarrollado, es el de los tipos de protección de la envolvente de los diferentes sensores de nivel, ya que esta determina en que medio y bajo que condiciones puede trabajar el sensor. Existen dos estándares internacionales que clasifican los grados de protección de las envolventes, para efectos de esta investigación se hizo énfasis en el que fue creado por la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional). Los dispositivos de sensado de campo ideales para la industria son los de tipo 4-20 ma por la inmunidad al ruido y por la gran distancia que pueden viajar estas señales sin necesidad de repetidores Una consideración importante es la colocación y protección de los componentes contra los efectos de la intemperie, los daños o manipulaciones indebidas ix

10 CAPÍTULO 1: Introducción En los últimos años se ha dado un creciente proceso de globalización que ha mejorado los procesos industriales. Al ser la industria un factor de suma importancia para la economía de cualquier país, los ingenieros se ven obligados a perfeccionar los sistemas de producción para garantizar su permanencia en el mercado y así tener la competitividad requerida. La razón del proyecto se debe principalmente a que buena parte de la industria en nuestro país y a nivel mundial es potencialmente viable de automatizar, en este caso la inversión monetaria inicial se recupera rápidamente. La importancia de realizar una automatización en los procesos industriales es con el fin de reducir costos de operación, hacer el proceso más seguro y confiable, eliminar con ayuda de los autómatas el error humano y hacer sistemas de producción mucho mas eficientes, que cuenten con la flexibilidad para realizar modificaciones en el proceso en caso de ser necesario. Lo anterior es de vital importancia debido a que los niveles de calidad de los productos se han incrementado debido a la apertura en los mercados internacionales tanto en Estados Unidos como en el continente europeo, los cuales son muy exigentes. Controles de calidad rigurosos tanto en las materias primas como en los procesos son indispensables si se quiere ser más competitivos en el mercado mundial. Para lograr esto es importante que los dispositivos que actúan como elementos integradores del sistema de control, ofrezcan un nivel de seguridad que permita garantizar el desarrollo completo del proceso en ejecución, En este sentido, resulta favorable la inclusión de algunos sensores. Un sensor es un dispositivo capaz de detectar diferentes 1

11 tipos de materiales, con el objetivo de generar una señal y permitir que continué un proceso correctamente. En nuestro país se han implementado satisfactoriamente dispositivos de este tipo en proyectos como plantas hidroeléctricas, industrias de bebidas y alimentos, concreteras, etc. Este proyecto se basará específicamente en el estudio de los sensores de nivel utilizados en la industria, clasificándolos en diferentes tipos y explicando su funcionamiento. Además se menciona distintas aplicaciones donde se pueden utilizar eficientemente. 1.1 Objetivos Objetivo general Recopilar los diversos tipos de sensores de nivel utilizados en la automatización industrial Objetivos específicos Clasificar los sensores de nivel según su principio de funcionamiento. Describir su funcionamiento. Describir sus características eléctricas y mecánicas. Determinar ventajas de cada tipo en relación a su campo de aplicación. 1.2 Metodología El trabajo se basa en una recopilación de información de distintas fuentes bibliográficas, ya sean libros de texto, revistas o artículos publicados, recursos de Internet, así como toda aquella información adquirida por medio de entrevistas a personas que se relacionan con el tema de sensores de nivel utilizados en la automatización industrial. 2

12 Con los datos obtenidos a lo largo del período de recolección de información, se redacta un documento en el cual se exponen tanto puntos teóricos como prácticos de la composición y funcionamiento de los sensores de nivel. Puntualizando los pasos a seguir, se tiene que se aplicará el siguiente procedimiento: 1. Recopilación de información de distintas fuentes bibliográficas, como: Libros de texto. Publicaciones. Revistas. Páginas Web. Entrevistas. 2. Elaboración de un documento teórico que caracterice el funcionamiento de los diferentes tipos de sensores de nivel y analizando las distintas aplicaciones de los mismos en la industria. recopilada. 3. Elaboración de las recomendaciones y conclusiones a partir de la información 4. Durante cada paso, se realizará un análisis propio, a manera de aporte personal a la recopilación de información. 5. Se creará tablas y figuras conforme se desarrolle el texto, con el fin de proporcionar información gráfica y concisa al lector. 6. Se dará un formato uniforme y acorde a todo el documento. 3

13 7. Redacción de avances de los capítulos según cronograma. 8. Redacción de borrador final y de versión final del trabajo. 9. Elaboración de la presentación para la defensa pública del trabajo. 4

14 CAPÍTULO 2: Fundamentos teóricos Procesos como contadores, detectores de presencia, detectores de objetos, control de niveles, medidas de seguridad, chequeo de contenidos, inspecciones de calidad automáticos, posicionamiento y verificación serían impensables sin la combinación de los autómatas programables y los sensores. A continuación se desarrollarán algunos conceptos que se consideran importantes para la adecuada lectura del presente trabajo. Como punto de inicio, se parte por definir las dos tipos de señales de salida utilizadas para la transmisión de la información en un sensor, que es en lo que se centrara principalmente el presente trabajo. Posteriormente, se pasa a explicar la relación de los sensores con el área de la automatización industrial, específicamente como un medio de medición de nivel de líquidos y sólidos, ya sea por medio de sensores analógicos o sensores digitales según sea el caso. Se denomina una señal a toda magnitud eléctrica cuyas variaciones llevan información sobre un proceso, para efectos del trabajo se clasificaran en señales analógicas y en señales digitales. 2.1 Señal Analógica Es la forma de transmisión más común desde los años 60. Son variables eléctricas cuya amplitud varia en forma continua, tanto en magnitud física (nivel, temperatura, luminosidad, humedad, etc.) como en contenido espacial y temporal. Una onda senoidal es un ejemplo de una señal analógica de una sola frecuencia. Estas variables pueden presentarse en la forma de una corriente, una tensión o una carga eléctrica. Varían en forma continua entre un límite inferior y un límite superior, toma todos los valores posibles en este intervalo. Cuando estos límites coinciden con los límites 5

15 que admite un determinado dispositivo, se dice que la señal está normalizada. La ventaja de trabajar con señales normalizadas es que se aprovecha mejor la relación señal/ruido del dispositivo. Las señales normalizadas por norma son de 4 ma a 20 ma, llamada señal live zero, que es para que el equipo detecte una falla en el cable de control o en el transductor o sensor. La corriente mínima es 4 ma y si da O ma entonces es indicativo de que esta sucediendo algo malo. 2.2 Señal Digital Figura 2. 1 Forma de onda de una señal analógica A partir de los años 90 se empezaron a reemplazar las señales analógicas por las señales digitales. Son señales de niveles discretos o discontinuos a lo largo del tiempo que combinadas de forma particular representan la magnitud de las variables del proceso. Parece como si la señal digital fuera variando a saltos entre un valor máximo y un valor mínimo, eso es que la mayoría de las señales digitales utilizan códigos binarios o de dos estados. Una señal digital transmitida a través de una línea de comunicación, como puede ser un cable, es simplemente una sucesión de impulsos eléctricos, que pueden interpretarse únicamente como valores altos (1) o valores bajos (0), como se mencionó anteriormente. 6

16 Las señales normalizadas según los niveles específicos son 0 V y 5 V, aunque cualquier valor por debajo de 0,8 V es correctamente interpretado como un 0 y cualquier valor por encima de 2 V es interpretado como un 1. Para alimentación de +5 V, los valores ideales son también 0 V y 5 V, pero se reconoce un 0 hasta 2,25 V y un 1 a partir de 2,75 V. Lo anterior muestra uno de los principales atractivos de las señales digitales, que es su gran inmunidad al ruido. 2.3 Tipos de Sensores Figura 2. 2 Forma de onda de una señal digital Los sensores son los elementos de un sistema que lo conectan con su entorno físico, excluido el usuario. La función de los sensores es obtener señales eléctricas en respuesta a magnitudes de entradas no eléctricas. Como sabemos un sensor es un dispositivo capaz de detectar diferentes tipos de materiales, con el objetivo de mandar una señal y permitir la evaluación de un proceso. De igual forma, los sensores son ejemplos de dispositivos llamados transductores, que son elementos que transforman la magnitud de las señales, para la mejor medición de variables en un determinado fenómeno. 7

17 Cualquier sensor o transductor necesita estar calibrado para ser útil como dispositivos de medida. La calibración es el procedimiento mediante el cual se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida convertida. Los transductores y los sensores pueden clasificarse en dos tipos básicos, dependiendo del tipo de la señal detectada. Los dos tipos son: sensores de señales analógicas y sensores de señales digitales. A continuación se describirá el funcionamiento de ambos Sensores Analógicos Proporcionan una señal analógica continua, por ejemplo voltaje o corriente eléctrica. Esta señal puede ser tomada como el valor de la variable física que se mide. El acondicionamiento de la señal de salida de los sensores analógicos es mucho más complicada que la de los digitales, pero son la mayoría de los dispositivos los que son capaces de dar directamente una salida analógica en respuesta a una magnitud física de entrada Sensores Digitales Producen una señal de salida todo/nada, 0/1, es decir dos estados. Ejemplo, un motor se encuentra accionad o inactivo, un contactor está accionado o no lo está, etc. 2.4 Sensores de Nivel Los sensores de nivel pueden dividirse según su campo de aplicación - en sensores de nivel de líquidos y de sólidos, que son dos mediciones claramente distintas y que se mencionaran por separado por sus distintas características y aplicaciones que tienen. 8

18 Hay dos aplicaciones básicas para sensores de nivel, que es en lo que se centrará el presente trabajo. La primera es la necesidad de conocer el valor análogo o nivel preciso todo el tiempo (señal analógica), y la segunda es simplemente de conocer cuando el nivel del líquido que se tiene está en determinado punto. (señal digital). Pero vale la pena mencionar que para realizar lo anterior puede parecer sencillo, pero puede convertirse en un problema cuando el material con que se construyó el recipiente en donde se encuentra el líquido o el material sólido es corrosivo o abrasivo, cuando se mantiene a altas presiones o cuando es radiactivo. Las dificultades se presentan cuando se requiere una gran precisión en mediciones dentro de recipientes muy pequeños o muy grandes, entre otras características. Los niveles se pueden medir y mantener mediante dispositivos mecánicos, de caída de presión, eléctricos y electrónicos. El tipo de dispositivo depende de la clase del recipiente, del material que contenga y de la precisión requerida en la medición o en el control. En los procesos continuos, la industria ha ido exigiendo el desarrollo de instrumentos capaces de medir el nivel de sólidos y líquidos en puntos fijos o de forma continua, en particular en los tanques o silos destinados a contener materias primas o productos finales. 9

19 CAPÍTULO 3: Sensores de Nivel Analógicos Los sensores de nivel continuo proporcionan una medida continua del nivel desde el punto más bajo al más alto. Se clasificaran en sensores de nivel para líquidos y en sensores de nivel para sólidos. Entre los sistemas de medición de nivel para líquidos mas empleados están los de flotador, presión hidrostática, capacitivo, radar o microondas y los ultrasónicos. Mientras los más empleados para sólidos se encuentran el de peso móvil, el de báscula, el capacitivo, el de presión diferencial, el de ultrasónicos y el de radiación. 3.1 Sensores de Nivel para Líquidos Sensor de Flotador El sensor de nivel para líquidos más sencillo es el de flotador. El flotador es en realidad un transductor de nivel de líquidos a movimiento mecánico, por lo tanto se va a necesitar un segundo transductor para obtener una salida eléctrica que va a ser proporcional al nivel. Consiste en un flotador situado en un líquido y conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. La conexión puede ser directa, magnética o hidráulica. Cabe mencionar que en depósitos cerrados, al vacío o bajo presión que se deben tener sellados, se acostumbra usar flotadores con brazos de torsión,, flotadores magnéticamente acoplados y dispositivos hidráulicos operados con flotador. Es importante mencionar que el flotador puede tener cualquier forma ya sea redonda, cilíndrica o una combinación de ambas. Sus tamaños también pueden variar según las dimensiones del deposito en el que se van a utilizar. El material con que se construya también debe escogerse de manera que resista la corrosión. 10

20 Flotador Conectado Directamente Es un mecanismo típico de flotador y cinta o cadena que se desliza en un juego de poleas que sirve de conexión entre el flotador y el mecanismo indicador o de registro. Si se requiere controlar el material en forma remota lo que se utiliza es un transductor para convertir el movimiento angular del eje giratorio (polea) en una señal eléctrica para su transmisión. Tiene el inconveniente de que las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse y de que el tanque no puede estar sometido a presión. Además, el flotador debe mantenerse limpio. Los mecanismos de flotador y cable pueden restringirse con topes en algunas aplicaciones, porque es difícil mantener una operación limpia y eficiente. Figura 3.1 Flotador conectado directamente La medición de nivel con este tipo de sensores es menos común actualmente en la industria en general, pero se emplea muy frecuentemente en el campo del tratamiento de 11

21 agua potable y de desecho. Sin embargo es el modelo más antiguo y el más utilizado en tanques de gran capacidad, tales como en la industria de los combustibles. La principal diferencia entre los ensambles de los distintos fabricantes son los medios mecánicos para el acoplamiento de transmisores, contactos y dispositivos semejantes Flotador Acoplado Magnéticamente. Se utiliza un tubo sumergible no magnético que pueda soportar la temperatura y la presión, entre otras condiciones de operación. Se deben colocar verticalmente en el interior del tanque. Este sistema consta también de dos magnetos, que tienen polos magnéticos opuestos, que se atraen entre si. Además consta de interruptores y transmisor incorporados. Una variable importante en la conexión magnética es que el tubo contiene un flotador, dotado de un imán que orienta una serie de cintas magnéticas dispuestas en el exterior y a lo largo del tubo. Conforme el imán exterior asciende o desciende por fuera del tubo de inmersión, el imán interno se desplaza en la misma dirección debido a la atracción del imán externo. Figura 3.2 Flotador Acoplado Magnéticamente 12

22 La precisión de la medición depende de la fuerza de acoplamiento del flujo inductivo y de la fricción del sistema, por ejemplo cuando se tiene poca fricción y un fuerte acoplamiento magnético se puede obtener una precisión de unos 3 mm. El flotador se mueve libremente en los sistemas magnéticos de medición de niveles, y cualquier cosa que restrinja esta acción o haga que el flotador cambie de peso origina un error en la medición Flotador de tipo desplazamiento El medidor de nivel por desplazamiento está basado en el principio de Arquímedes. Consiste en un flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de torsión, unido al tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre hay una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque. El ángulo de rotación del extremo libre del tubo de torsión es función directa de la fuerza aplicada. Al subir el nivel, el líquido ejerce un empuje sobre el flotador igual al volumen de la parte sumergida multiplicada por la densidad del líquido, tendiendo a neutralizar su peso propio, así que el esfuerzo medido por el tubo de torsión será muy pequeño. Figura 3.3 Flotador tipo desplazamiento 13

23 El sensor puede usarse en tanques abiertos y cerrados, a presión o a vacío, con una buena sensibilidad, pero presenta el inconveniente del riesgo de depósitos de sólidos o de crecimiento de cristales en el flotador que afectan a la precisión de la medida Sensor de Presión Hidrostática Sensor Manométrico Consiste en un manómetro conectado directamente a la parte inferior del tanque. El manómetro mide la presión debida a la altura de líquido que existe entre el nivel del tanque y el eje del instrumento. Sólo sirve para fluidos limpios, ya que los líquidos sucios pueden hacer perder la elasticidad del fuelle. La medición está limitada a tanques abiertos y el nivel podría distorsionarse por las variaciones de densidad del líquido Sensor de Membrana Utiliza una membrana conectada con un tubo estanco al instrumento receptor. La fuerza ejercida por la columna de líquido sobre el área de la membrana comprime el aire interno a una presión igual a la ejercida por la columna de líquido. El sensor es delicado ya que cualquier pequeña fuga del aire contenido en el diafragma destruiría la calibración del sensor. Figura 3.4 Sensor de membrana 14

24 Sensor de Burbujeo Mediante un regulador de caudal se hace pasar por un tubo (sumergido en el depósito hasta el nivel mínimo), un pequeño caudal de aire o gas inerte hasta producir una corriente continua de burbujas. La presión requerida para producir el flujo continuo de burbujas es una medida de la columna de líquido. Figura 3. 5 Sensor de burbujeo Este sistema es muy ventajoso en aplicaciones con líquidos corrosivos con materiales en suspensión (el fluido no penetra en el medidor, ni en la tubería de conexión) Sensor de Presión Diferencial Consiste en un diafragma en contacto con el líquido del tanque, que permite medir la presión hidrostática en un punto del fondo del tanque. En un tanque abierto esta presión es proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico. El diafragma forma parte de un transmisor neumático o electrónico de presión diferencial. 15

25 Figura 3.6 Sensor de presión diferencial La precisión de los sensores de presión diferencial es bastante buena. Es importante mencionar que el material del diafragma debe ser compatible con el fluido que se encuentra en el tanque Sensor de Capacitancia Los sensores se fabrican para la detección discreta o para la indicación continua de nivel. En el próximo capítulo se analizará el sensor de capacitancia digital, en éste se centrará el análisis solo en el analógico. En estos sensores se utiliza un electrodo metálico aislado que se inserta a lo largo de la pared del recipiente como una de las placas del capacitor. La pared del recipiente es la otra placa del capacitor. Las variaciones de las características dieléctricas del material entre el electrodo y la pared, conforme asciende o desciende la interfaz entre el aire y el material, se miden con un puente de capacitancia, que es un circuito electrónico que alimenta el electrodo a una frecuencia elevada, lo cual disminuye la reactancia capacitiva del conjunto y esto permite aliviar en parte el inconveniente del recubrimiento del electrodo por el producto. 16

26 Se caracteriza por no tener partes móviles, son ligeros, presentar una buena resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza. Figura 3. 7 Sensor de Capacitancia [6] Cuando el tanque se encuentra vacío, el medio dieléctrico entre las placas es aire. Al empezar a subir el nivel del material, éste empieza a cubrir las placas conductoras, y por ende el dieléctrico empieza a cambiar. Este cambio produce un aumento de la capacitancia entre los conductores, que se comporta en forma lineal respecto a la altura del material en el tanque. La capacitancia se mide, y provee un valor directo del nivel del material en el tanque. La figura 3.7 ilustra este método de detección de nivel. Si el material al que se desea medir el nivel es conductor, entonces se recubre el electrodo con un material aislante, tal como Teflón. El electrodo sigue comportándose como una placa conductora, mientras que la otra placa es el material, que al estar en contacto con el tanque se conecta eléctricamente a la referencia del sistema. Al subir el nivel del material también se va a dar un cambio en la capacitancia, y al ser medida brinda un valor proporcional al nivel del material, como se puede observar en la figura

27 3.1.4 Sensor de Radar o Microondas Este sistema utiliza ondas electromagnéticas en la banda de microondas (típicamente en la banda de microondas X, 10 GHz) como base para sus mediciones. Es una tecnología muy reciente, y realiza mediciones continuas del nivel del material. Básicamente el sistema funciona transmitiendo las ondas desde la parte más alta del tanque hacia abajo, y un sensor ubicado en el transmisor captura la cantidad de energía reflejada por el material. El tiempo que tarda las ondas reflejadas en volver al transmisor se utiliza como base para determinar la altura del material dentro del tanque. Para mediciones de nivel continuas, existen dos tipos de sistemas: inalámbricos y guiados. Los sistemas inalámbricos se subdividen en dos tipos. El primer tipo utiliza una tecnología llamada onda continua modulada en frecuencia (FMCW, FM continuous wave). Un sensor en lo alto del tanque transmite una onda generando un barrido de frecuencia lineal, con un ancho de banda y un tiempo de barrido establecido. La onda reflejada del radar se atrasa proporcionalmente a la distancia a la que se encuentra la superficie del material. La frecuencia de esta onda reflejada es diferente a la frecuencia de la onda del generador, y las dos se suman a una nueva frecuencia que es proporcional al nivel del material en el tanque. Esta frecuencia se convierte después a una señal que representa la altura alcanzada por el material en ese momento. El segundo tipo de sistemas inalámbricos se llama radar pulsante. En éste, una onda pulsante se envía hacia la superficie del material. Luego se mide el tiempo que tarda el pulso reflejado en regresar a su origen. Este tipo de sistemas utilizan una potencia de transmisión mucho menor que el primer tipo, por lo que se puede ver afectado por obstáculos entre el transmisor y el material, o por materiales con constante dieléctrica muy baja ( constantes dieléctricas menores a dos). 18

28 Figura 3. 8 Sensor de radar o microondas [6] Como se observa en la figura 3.8, los sistemas inalámbricos de radar utilizan dos tipos de antenas para irradiar la señal: cónicas y parabólicas. Las antenas parabólicas tienden a irradiar un área mayor, mientras que las cónicas tienden a confinar la señal irradiada a un área menor. La escogencia de la antena se debe fundamentar en los posibles obstáculos que deba enfrentar la señal en su viaje a la superficie del material y las características físicas del material cuyo nivel se va a medir. El sistema de radar con ondas guiadas (GWR, guided wave radar) utiliza un medio físico tal como un cable o un tubo conductor para transmitir las ondas generadas a través del material hasta la parte baja del tanque. El método de medición de este sistema se basa en la reflectometría en el dominio del tiempo (TDR, time domain reflectometry). Un generador TDR envía hasta pulsos por segundo de energía electromagnética por la línea de transmisión hacia la superficie del material, y se reflejan hacia el generador por la misma línea. La diferencia de medios dieléctricos entre la línea sin material (dieléctrico aire) y la línea con material como dieléctrico, hace que el pulso se refleje hacia su origen. El tiempo de viaje del pulso hacia la superficie del material y su regreso se utiliza para determinar el nivel alcanzado. 19

29 La línea de transmisión provee de un camino muy eficiente para que la señal viaje, por lo que la degradación de la señal es muy baja. Esto permite que materiales con constantes dieléctricas muy bajas (menores a 1.7) puedan ser monitoreados de una forma muy efectiva. Además, debido al tipo de construcción de estos sistemas, no se ven afectados por obstrucciones, y se pueden compensar posibles costras de material en la línea de transmisión Sensor de Ultrasónicos Estos sistemas utilizan como base ondas sonoras para realizar sus mediciones. Estas ondas abarcan frecuencias comprendidas entre 20 KHz y 200 KHz. Un transductor ubicado en lo alto del tanque transmite las ondas sonoras hacia la superficie del material, en forma de ráfagas. Ecos de éstas ráfagas se reflejan al transductor, que mide el tiempo entre la generación de las ráfagas y sus ecos. La figura 3.9 muestra como opera éste sistema dentro de un tanque. Figura 3.9 Sensor ultrasónico [6] 20

30 Generalmente, las ráfagas de ondas son producidas por un cristal piezoeléctrico que convierte los impulsos eléctricos en energía sonora que viaja en forma de onda a la frecuencia establecida y a una velocidad constante en un medio específico, que puede ser aire u otro gas. Las ondas sonoras son emitidas en ráfagas y sus ecos son recibidos de nuevo por el transductor, que calcula la distancia de acuerdo al tiempo transcurrido entre generación y recepción de ecos. Sin embargo, el método tiene varios inconvenientes: primero, la velocidad del sonido en el medio depende de la temperatura del mismo, por lo que se deben compensar los cambios de temperatura. Segundo, la superficie del material puede actuar como absorbente del sonido, por lo que no se reflejaría ninguna onda. Tercero, irregularidades en la forma de la superficie del material pueden causar mediciones fluctuantes. 3.2 Sensores de Nivel para Sólidos Sensor de Sondeo Electromecánico Consiste en un pequeño peso móvil sostenido por un cable desde la parte superior del silo mediante poleas. Un motor y un programador situados en el exterior establecen un ciclo de trabajo del peso. Este baja suavemente en el interior de la tolva hasta que choca contra los sólidos. En ese instante, el cable se afloja, y el sensor invierte el sentido del movimiento del peso con lo que éste asciende hasta la parte superior de la tolva, donde se para, repitiéndose el ciclo nuevamente. 21

31 Figura 3.10 Sensor de sondeo electromécanico Un indicador exterior señala el punto donde el peso ha invertido su movimiento, indicando así el nivel en aquel momento. El sensor se caracteriza por su sencillez, puede emplearse en el control de nivel, pero debe ser muy robusto mecánicamente para evitar una posible rotura del conjunto dentro del silo lo que podría dar lugar a la posible rotura de los mecanismos de vaciado Sensor de Báscula Este sensor mide el nivel de sólidos indirectamente a través del peso del conjunto tolva más producto; como el peso de la tolva es conocido, es fácil determinar el peso del producto y por lo tanto el nivel. La tolva se apoya en una plataforma de carga actuando sobre la palanca de una báscula o bien carga sobre otros elementos de medida neumáticos, hidráulicos o eléctricos, por ejemplo una galga extensométrica y microprocesador. 22

32 De estos elementos, uno de los más empleados es de galga extensométrica, que son sensores de deformaciones basados en la variación de la resistencia eléctrica con la deformación, en un hilo conductor calibrado, o en resistencias construidas a base de pistas de semiconductor. Se emplean también, combinadas con muelles o piezas deformables para detectar de forma indirecta esfuerzos. En definitiva suelen usarse más que como sensores de deformación como sensores de medida indirecta de esfuerzos. El sistema es relativamente caro en particular en el caso de grandes tolvas, pudiendo trabajar a altas presiones y temperaturas. Su precisión depende del sensor utilizado, pudiendo variar de ±0.5 a ±1% aproximadamente Sensor Capacitivo Es parecido al estudiado en la medición de nivel de los líquidos con la diferencia de que tiene más posibilidades de error por la mayor adherencia que puede presentar el sólido en la varilla capacitiva. La lectura viene influida además por las variaciones de densidad del sólido. La varilla del medidor está aislada y situada verticalmente en el tanque y bien asegurada mecánicamente para resistir la caída del producto y las fuerzas generadas en los deslizamientos internos. La medida está limitada a materiales en forma granular o de polvo que sean buenos aislantes, la presión y temperatura máximas de servicio pueden ser de 50 bar y 150 C, y el aparato debe calibrarse para cada tipo de material. Su precisión es de ± 15 mm aproximadamente. 23

33 3.2.4 Sensor de Ultrasónicos El medidor de nivel de ultrasonidos consiste en un emisor de ultrasonidos que envía un haz horizontal a un receptor colocado al otro lado del tanque. Si el nivel de sólidos está más bajo que el haz, el sistema entra en oscilación enclavando un relé. Cuando los sólidos interceptan el haz, el sistema deja de oscilar y el relé desexcita actuando sobre una alarma o sobre la maquinaria de descarga del depósito. Disponiendo el haz de ultrasonidos en dirección vertical, el instrumento puede actuar como indicación continua del nivel midiendo el tiempo de tránsito de impulso ultrasónico, entre la fuente emisora, la superficie del producto donde se refleja y el receptor situado en la propia fuente. Como la superficie de la mayor parte de los productos sólidos reflejan los ultrasonidos, ya sea en mayor o menor grado, el sistema es adecuado para la mayor parte de los sólidos con mucho polvo, alta humedad, humos o vibraciones, y puede emplearse tanto en materiales opacos como transparentes. Sin embargo, si la superficie del material no es nítida, el sistema es susceptible de dar señales erróneas. 24

34 Figura Sensor ultrasónico El uso de la computadora permite resolver este inconveniente al almacenar el perfil ultrasónico del lecho del sólido e interpretarlo para obtener el nivel correcto del sólido, además de proporcionar características de autocomprobación del instrumento de medida. El sensor de nivel de ultrasonidos tiene una precisión que varía de ± 0.15% a ±1%, puede construirse a prueba de explosión y trabajar a temperaturas de hasta 150 C Sensor de Radar El medidor de nivel de radiación es parecido al instrumento utilizado en la determinación del nivel de líquidos. Consiste en una fuente radiactiva de rayos gamma, dispuesta al exterior y en la parte inferior del tanque, que emite su radiación a través del lecho de sólidos siendo captada por un detector exterior. El grado de radiación recibida depende del espesor de sólidos que se encuentra entre la fuente y el receptor. La fuente 25

35 radiactiva y el receptor pueden disponerse también en un plano horizontal, en cuyo caso el aparato trabaja como detector continuo todo-nada. El instrumento puede trabajar a altas temperaturas hasta unos 1300 C, presiones máximas de 130 bar, en materiales peligrosos o corrosivos, no requiere ninguna abertura o conexión a través del tanque y admite control neumático o electrónico. Su precisión es de ± 1 % y su campo de medida de 0.5 por cada fuente, pudiendo emplearse varias para aumentar el intervalo de medida del nivel. Uno de sus inconvenientes es que es un sistema de costo elevado que necesita una supervisión periódica desde el punto de vista de seguridad, debe calibrarse para cada tanque y no puede aplicarse a materiales a los que afecte la radiactividad. 26

36 CAPÍTULO 4: Sensores de Nivel Digitales Los sensores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en uno o varios puntos fijos determinados. Al igual que se desarrollo en el capitulo anterior, se clasificaran en sensores de nivel para líquidos y en sensores de nivel para sólidos. Los sistemas más empleados para la medición de los líquidos son el conductivo y el capacitivo mientras para los sólidos son el diafragma, el cono suspendido, la varilla flexible, el medidor conductivo, las paletas rotativas y los ultrasónicos. 4.1 Sensor de Nivel para Líquidos Sensor Conductivo o Resistivo En líquidos conductores se pueden instalar electrodos en los puntos de alto y bajo nivel. Cuando el nivel del líquido se eleva hasta el electrodo superior, un relé eléctrico o electrónico es excitado. Con esto se cierra un circuito eléctrico o electrónico según sea el caso y por el mismo circula una corriente de aproximadamente 2 ma. Cabe mencionar que las unidades del tipo electrónico se pueden utilizar para servicios en los que se puedan encontrar vapores explosivos sobre el líquido, mientras que las del tipo eléctrico no son aptas para estos ambientes. Este sensor se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza relés eléctricos para líquidos de buena conductividad y relés electrónicos para líquidos de baja conductividad. Además el relé electrónico dispone de un temporizador que filtra una ola del nivel del líquido o cualquier perturbación momentánea. 27

37 Este sensor de nivel de líquido activado por conductancia es versátil, sin partes móviles, su campo de medida es grande con la limitación física de la longitud de los electrodos. Además son fáciles de instalar, son relativamente económicos y requieren un mantenimiento mínimo. Es importante resaltar que no se requieren ajustes, ya que los niveles se pueden controlar con márgenes reducidos y -dentro de ciertos límites- no los afecta la presión, temperatura o líquidos corrosivos. Las ventajas de estos sistemas son que la señal se puede transmitir a cualquier lugar y es factible usarlos en depósitos a presión sin utilizar sellos de empaque o ejes. Figura 4. 1 Sensor conductivo o resistivo [6] En la figura 4.1 muestra la forma usual en que se emplea este sistema. Se utilizan dos sondas duales, constituidas por dos tubos cilíndricos concéntricos. El líquido al llegar a tocar los tubos cierra el circuito eléctrico y las señales necesarias se generan. En la figura 4.1 se presenta un sistema que detecta el nivel máximo y el nivel mínimo del tanque. Como se observa el sistema es adecuado para mediciones puntuales de nivel, y para materiales de relativa alta conductividad. 28

38 4.1.2 Sensor de Capacitancia Estos sensores de capacitancia utilizan unidades cubiertas con vidrio o plástico y se pueden emplear para detectar valores altos o bajos del nivel o la interfaz, tanto en líquidos conductores como no conductores. En fluidos no conductores se emplea un electrodo normal y la capacidad total está compuesta por la del líquido, la del gas superior y las de las conexiones superiores. En fluidos conductores con una conductividad mínima de 100µΩ/c.c, el electrodo esta aislado usualmente con teflón interviniendo las capacidades adicionales entre el material aislante y el electrodo en la zona del liquido y el gas. Figura 4. 2 Sensor de capacitancia El sensor de nivel funciona mediante las variaciones de capacitancia detectadas por un oscilador y los circuitos electrónicos. El cambio de capacitancia origina un cambio de frecuencia para producir una señal a través de los circuitos electrónicos que indica la condición de nivel alto o bajo y activa o desactiva el dispositivo de control. 29

39 4.2 Sensores de Nivel para Sólidos Sensor de Diafragma [3] Consiste en una membrana flexible que puede entrar en contacto con el producto dentro del tanque y que contiene en su interior un conjunto de palancas con contrapeso que se apoyan sobre un interruptor. Cuando el nivel del sólido alcanza el diafragma lo fuerza venciendo el contrapeso y actuando sobre el interruptor; éste que puede ser mecánico o de mercurio, puede accionar una alarma o actuar automáticamente sobre un transportador o maquinaria asociadas al depósito. El material del diafragma puede ser de tela, goma, neopreno o fibra de vidrio. El sensor de diafragma tiene la ventaja de su bajo costo, puede emplearse en tanques cerrados sometidos a baja presión o vació gracias a una línea neumática que iguala presiones a ambos lados de la membrana y trabaja bien con materiales de diversa densidad. Tiene la desventaja de no permitir materiales granulares de tamaños superiores a unos 80 mm de diámetro. Vale la pena mencionar que su precisión es de unos +/-50 mm Sensor de Cono Suspendido [3] Consiste en un interruptor montado dentro de una caja estanca al polvo, con una cazoleta de goma de la que está suspendida una varilla que termina en un cono. Cuando el nivel de solidos alcanza el cono, el interruptor es excitado. La cazoleta de goma permite una flexibilidad en la posición del cono gracias a la cual el aparato puede actuar como alarma de alto o bajo nivel; conviene tener la precaución de proteger mecánicamente el instrumento cuando se manejan materiales pesados que, en su caída desde la boca de descarga del tanque podrían dañarlo. 30

40 El sensor es económico, necesita estar protegido en los niveles bajos o en niveles intermedios y se utiliza solo en tanques abiertos. Su precisión es de unos 50 mm. Sus aplicaciones típicas son la alarma y el control de nivel en carbón, granos y caliza Sensor de Varilla Flexible Consiste en una varilla de acero conectada a un diafragma de latón donde esta contenido un interruptor. Cuando los sólidos presionan, aunque sólo sea ligeramente en la varilla, el interruptor se cierra y actúa sobre una alarma. El conjunto de la unidad está sellado herméticamente pudiendo construirse a prueba de explosión. El aparato se emplea como alarma de alto nivel estando dispuesto en la parte superior del tanque. Para impedir que la simple caída del producto pueda causar una alarma infundada, tiene incorporado un temporizador de retardo. El sensor se emplea en tanques abiertos como alarma de nivel alto, tiene una precisión de + / - 25 mm, se utiliza para materiales tales como carbón y puede trabajar hasta temperaturas máximas de 300 o C Sensor de Conductividad Consiste en un electrodo dispuesto en el interior de unas placas puestas a masa y con el circuito eléctrico abierto. Cuando los sólidos alcanzan el aparato se cierra el circuito y la pequeña corriente originada es amplificada actuando sobre un relé de alarma. Los sólidos deben poseer una conductividad eléctrica apreciable para poder excitar el circuito. 31

41 El sensor puede utilizarse en tanques abiertos y a presión, trabaja hasta temperaturas máximas de 300 o C, esta limitado a materiales que tengan muy baja resistencia (1 a 1.4x10-7 Ω) y solo puede emplearse como alarma de nivel alto o de niveles intermedios. Entre los materiales que se pueden emplear figuran el carbón y el carbón activo Sensor de Paletas Rotativas Consisten en un eje vertical, dotado de paletas, que gira continuamente a baja velocidad accionado por un motor sincrono. Cuando el producto sólido llega hasta las paletas, las inmoviliza, con lo que el soporte del motor y la caja de engranajes empiezan a girar en sentido contrario. En su giro, el soporte del motor actúa consecutivamente sobre dos interruptores, el primero excita el equipo de protección (una alarma) y el segundo desconecta la alimentación eléctrica del motor con lo cual éste queda bloqueado. Cuando el producto baja de nivel y deja las palas al descubierto, un resorte vuelve el motor a su posición inicial liberando los dos interruptores. De este modo, el motor se excita con lo que las palas vuelven a girar, y la alarma queda desconectada. Figura 4. 3 Sensor de paletas rotativas 32

42 El eje de las palas puede ser flexible o rígido para adaptarse así a las diversas condiciones de trabajo dentro del silo (caída de producto, deslizamientos del producto). Estos aparatos son adecuados en tanques abiertos o a baja presión, tienen una precisión de unos 25 mm y se emplean como sensores de nivel de materiales granulares y de carbón. Pueden trabajar con materiales de muy diversa densidad y existen modelos a prueba de explosión Sensor de Radar de Microondas Consta de una fuente de microondas, situada a un lado del recipiente, y un detector en lado opuesto, en la misma horizontal. Cuando el producto alcanza dicha horizontal, la señal deja de recibirse y se excita una alarma. Se aplica en la detección de bajo nivel de sólidos abrasivos. 33

43 CAPÍTULO 5. Grados de Protección IP Es un sistema de codificación para indicar los grados de protección proporcionados por la envolvente contra el acceso a las partes peligrosas, contra la penetración de cuerpos sólidos extraños, contra la penetración de agua y para suministrar una información adicional unida a una referencia de protección. Este código IP esta formado por dos números de una cifra cada uno, situados inmediatamente después de las letras IP y que son independientes uno del otro. El numero que va en primer lugar, normalmente denominado como primera cifra característica, indica la protección de las personas contra el acceso a partes peligrosas (normalmente partes bajo tensión o piezas en movimiento que sean ejes rotativos y análogos), limitando o impidiendo la penetración de una parte del cuerpo humano o de un objeto sujeto por una persona, garantizando simultáneamente el impedimento de la penetración de cuerpos sólidos extraños. La primera cifra característica esta graduada desde 0 (cero) hasta 6 (seis) y a medida que va aumentando el valor de dicha cifra, éste indica, que el cuerpo sólido que la envolvente deja penetrar es menor Tabla 1. Grados de protección indicados por la primera cifra característica [2] Cifra Descripción abreviada Indicación breve sobre los objetos que no deben penetrar en la envolvente 0 No protegida Sin protección particular 1 Protegida contra los Cuerpos sólidos con un diámetro superior a 50 mm cuerpos sólidos de más de 50 mm 2 Protegida contra los Cuerpos sólidos con un diámetro superior a 12 mm cuerpos sólidos de más de 12 mm 3 Protegida contra los Cuerpos sólidos con un diámetro superior a 2,5 mm 34

44 cuerpos sólidos de más de 2,5 mm 4 Protegida contra los cuerpos sólidos de más de 1 mm 5 Protegida contra la penetración de polvo 6 Totalmente protegida al polvo Cuerpos sólidos con un diámetro superior a 1 mm No se impide totalmente la entrada de polvo, pero sin que el polvo entre en cantidad suficiente que llegue a perjudicar el funcionamiento satisfactorio del equipo Ninguna entrada de polvo El número que va en segundo lugar, normalmente denominado como segunda cifra característica, indica la protección del equipo en el interior de la envolvente contra los efectos perjudiciales debidos a la penetración de agua. La segunda cifra característica está graduada en forma similar a la primera, desde 0 (cero) hasta 8 (ocho). A medida que va aumentando su valor, la cantidad de agua que intenta penetrar en el interior de la envolvente es mayor y también se proyecta en más direcciones (cifra 1 caída de gotas en vertical y cifra 4 proyección de agua en todas direcciones). Tabla 2. Grados de protección indicados por la segunda cifra característica [2] Cifra Descripción Tipo de protección proporcionada por la envolvente abreviada 0 No protegida Sin protección particular 1 Protegida contra la Colocado el objeto en su lugar de funcionamiento, no debe caída vertical de entrar el agua dejada caer encima durante 10 minutos (a gotas de agua razón de 3-5 mm3 por minuto). 2 Protegida contra la caída de gotas de agua con una Colocado el objeto en su lugar de funcionamiento, no debe entrar el agua dejada caer encima durante 10 minutos (a razón de 3-5 mm3 por minuto), siendo tal prueba realizada 35

45 inclinación máxima de 15 o 3 Protegido frente a nebulización de agua. 4 Protegida contra el agua arrojada 5 Protegida contra los chorros de agua 6 Protegida contra chorros muy potentes de agua 7 Protegida contra los efectos de la inmersión cuatro veces a razón de una por cada giro de 15º tanto en sentido vertical como horizontal, partiendo cada vez de la posición normal de operación. Colocado el objeto en su lugar de funcionamiento, no debe entrar el agua nebulizada en un ángulo de hasta 60º a derecha e izquierda de la vertical a razón de 10 litros por minuto y a una presión de kN/m2 durante no menos de 5 minutos. Colocado el objeto en su lugar de funcionamiento, no debe entrar el agua arrojada desde cualquier ángulo a razón de 10 litros por minuto y a una presión de kN/m2 durante no menos de 5 minutos. Colocado el objeto en su lugar de funcionamiento, no debe entrar el agua arrojada a chorro (desde cualquier ángulo) por medio de una boquilla de 6,3 mm de diámetro, a razón de 12,5 litros por minuto y a una presión de 30kN/m2 durante no menos de 3 minutos y a una distancia no menor de 3 metros. Colocado el objeto en su lugar de funcionamiento, no debe entrar el agua arrojada a chorro (desde cualquier ángulo) por medio de una boquilla de 12,5 mm de diámetro, a razón de 100 litros por minuto y a una presión de 100kN/m2 durante no menos de 3 minutos y a una distancia no menor de 3 metros. Cuando se sumerge la envolvente en agua en unas condiciones de presión y con una duración determinada, no deberá ser posible la penetración de agua en el interior de la envolvente en cantidades perjudiciales 36