El documento describe varios métodos para medir el nivel de líquidos en contenedores, incluyendo sensores de punto único y de monitoreo continuo, mediciones de presión, flotabilidad, capacitancia y ultrasonido. Explica conceptos como peso específico, fuerza de flotabilidad y constante dieléctrica, y cómo se usan estos principios para determinar el nivel de líquido.

1. Control para Bioprocesos
Universidad Politécnica del Estado de Morelos
Guillermo Garibay Benítez

2.  El sensor normalmente esta detectando la
interfase entre un líquido y un gas.
 Los sensores de líquidos se dividen en dos
categorías principales: sensores de un solo
punto y monitoreo continuos de nivel.
 Los de un solo punto, el nivel actual es
detectado cuando alcanza un nivel
predeterminado.
 La medición continua de nivel se realiza de
manera ininterrumpida, el volumen puede ser
calculado si el área transversal del
contenedor es conocida

3.  La presión es utilizada como un método
indirecto para medir el nivel de los líquidos,
la presión se incrementa cuando la
profundidad se incrementa en un fluido.
 Δp = cambio en la presión
 γ = peso específico
 Δh = profundidad

4.  Es la fuerza ejercida hacia arriba en un objeto inmerso o
flotante en un líquido. El peso es menor que en el aire debido
al peso del fluido desplazado.
 La fuerza hacia arriba en el objeto causante de la pérdida de
peso es llamada fuerza flotante y esta dada por:
 Donde:
 B = fuerza de flotabilidad (N)
 γ = peso específico (N/m3)
 V = volumen del líquido desplazado (m3)

5.  El nivel es determinado utilizando la
flotabilidad de un objeto parcialmente
inmerso en un líquido.
 B = flotabilidad
 área = transversal del objeto
 γ = peso específico
 d = profundidad del objeto inmerso

6.  El nivel del líquido es calculado del peso del
cuerpo en el líquido WL el cual es igual a su
peso en el aire (WA – B), de lo cual obtenemos:

7.  El peso de un contenedor puede ser utilizado para
calcular el nivel de un material en el contenedor.
 El volumen del material en el contenedor esta dado
por:
 El peso del material W en un contenedor esta dado
por:

8.  ¿Cuál es el peso específico de un líquido, si la
presión es de 4.7 psi a una profundidad de
17 ft? (1 lb/in3 = 144 lb/ft3)
 ¿Cuál es el volumen desplazado en m3, si la
flotabilidad de un objeto es de 15 lb y la
densidad de un líquido es de 785 kg/m3?
 El peso de un cuerpo en el aire es de 17 lb y
sumergido en el agua es de 3 lb. ¿Cuál es
volumen y el peso específico del cuerpo?
1 lb/in2 = 144 lb/ft3
1 lb = 0.45 kg
γH2O = 62.4 lb/ft3

9.  Pueden ser usadas en líquidos no conductores para
la medición de nivel. Muchos materiales, cuando
son colocados entre las placas de un capacitor,
incrementan la capacitancia por un factor μ llamado
constante dieléctrica del material.
 El aire tiene una constante dieléctrica de 1 y el
agua de 80

10.  La capacitancia (Cd) esta dada por:
 Ca = capacitancia sin ningún líquido
 μ = constante dieléctrica del líquido entre las
placas.
 r = altura de las placas
 d = profundidad del nivel del líquido entre las
placas

11.  La altura del líquido, entonces esta dada por:
 Constantes dieléctricas de algunos líquidos, cabe
resaltar que hay grandes variaciones conforme a la
temperatura:

12.  Un sensor de capacitancia esta a 156 in de
altura tiene una capacitancia de 25 pF (pico
Faraday) en el aire y 283 pF cuando es
inmersa en el líquido a una profundidad de
124 in. ¿Cuál es la constante dieléctrica del
líquido?
 Un sensor de capacitancia esta a una altura
de 2.4 m y tiene una capacitancia de 75 pF en
el aire, si el sensor es colocado en el líquido
con una constante dieléctrica de 65 a una
profundidad de 1.7 m. ¿Cuál será la lectura
de capacitancia del sensor?

16.  El material de flotación es menos denso que
la densidad del líquido
 Un bola de flotación es añadida a un brazo, el
ángulo del brazo es medido para indicar el
nivel del material

17.  Una desventaja de este tipo de flotadores es la no
linealidad. La escala puede ser reemplazada por un
potenciómetro para obtener una señal eléctrica que
sea linearizado para uso industrial.
 Un método alternativo es usar poleas para obtener
una escala visual directa.

18.  Este dispositivo usa el cambio en la fuerza de
flotabilidad de un objeto para medir los cambios
de nivel.
 Un desplazador tiene que tener un peso específico
mayor que del líquido siendo medido y debe estar
calibrado para el peso específico del líquido.
 Una válvula mide el exceso de peso del
desplazador.
Un desplazador con un sensor de
fuerza para medir el nivel del líquido
por observación de la perdida de peso
del desplazador debido a las fuerzas
de flotabilidad del líquido desplazado

19.  La fuerza de flotabilidad en un desplazador
cilindrico esta dada por:
 γ = peso específico del líquido
 d = diámetro del flotador
 L = longitud del desplazador sumergido en el líquido
 El peso visto por el sensor de fuerza esta
dado por:

20.  Un desplazador de 8 in es utilizado para
medir cambios en el nivel del agua. Si el nivel
del agua cambia por 1 ft ¿Cuál es el cambio
en la fuerza detectado en el sensor de fuerza?
γH2O = 62.4 lb/ft3
1 ft3= 1728 in3

21.  Un desplazador de 3.5 cm de diámetro es
utilizado para medir los niveles de acetona.
¿Cuál es el cambio en la fuerza si el nivel del
líquido cambia por 52 cm?
γacetona = 7.74 kN/m3

22.  Son usadas para mediciones
de un solo punto, en líquidos
que son conductores y no
volátiles.
 Dos o más sondas pueden ser
utilizadas para indicar los
niveles fijos.
 Cuando el líquido esta en
contacto con ambas sondas, el
voltaje entre las sondas causa
que una corriente fluya,
indicando que el nivel fijo ha
sido alcanzado.

23.  Son usadas en líquidos que
son no conductores y con alta
μ y puede ser usada en
monitoreo continuo de nivel
 El cambio de capacitancia es
directamente proporcional al
nivel del líquido.
 La constante dieléctrica del
líquido debe ser conocida
para este tipo de medición.
 La constante dieléctrica puede
variar por la temperatura, de
tal manera que una corrección
de temperatura es requerida

24.  Una sonda de capacitiva de 30 in de longitud,
tiene una capacitancia de 22 pF en el aire.
Cuando esta parcialmente inmersa en el
agua, tiene una constante dielectrica de 80 y
una capacitancia de 1.1nF
 ¿Cuál es la longitud de la sonda inmersa en
agua?

25.  Estos pueden ser usados para medición de un
solo punto o continuo.
 Consisten en un receptor y un transmisor
1
2

27.  El método más común será medir la presión
hidrostática al fondo del contenedor.
 La profundidad puede ser extrapolada de la
presión y peso específico del líquido.

28.  Una válvula de presión localizada en la base
de un tanque abierto que contiene un líquido
con un peso específico de 54.5 lb/ft3 registra
11.7 psi. ¿Cuál es la profundidad del fluido en
el tanque?
1 psi =144 psf

29.  Requieren una
alimentación de aire o
gas inerte.
 La presión requerida para
forzar al líquido hacia
afuera del tubo es igual a
la presión al extremo del
tubo debido al líquido, el
cual es la profundidad
multiplicado por el peso
específico del líquido.

30.  Un sistema de burbujeo requiere una presión
de 28 kPa para producir burbujas en un
líquido con un peso específico de 560 Kg/m3.
¿Cuál es la profundidad de la salida del
sistema de burbujeo en el líquido?
1 kPa = 101.97 Kg/m2

31.  ¿Cuál es la profundidad del líquido en un
contenedor, si el peso específico del líquido
es de 82 lb/ft3? El contenedor pesa 45 lb y
tiene un diámetro de 21 in. Una carga total
pesa 385 lb

32.  William C. Dunn, Fundamentals of Industrial
Instrumentation and Process Control, Mc
Graw Hill, 2005, DOI: 10.1036/0071466932