Material para estudiar en el módulo 4.

1. Valera, agosto 2021.
Ing. Mayra Peña.

2. La medición de nivel se define como la determinación de la
posición de la interface entre dos medios. Estos son usualmente
fluidos, pero pueden existir sólidos o combinación de ellos. La
interface puede existir entre un líquido y un gas, un líquido y su
vapor, dos líquidos, un sólido o sólido diluido y un gas.
Nivel.

3. La unidad normalizada de medición de nivel en el Sistema
Internacional de Unidades es el metro, cuyo símbolo es m, sin
embargo en la industria se utilizan otras unidades como: pie (ft),
pulgada (in), centímetro (cm).
Unidades de nivel.
Factores de conversión para las unidades de nivel.

4. En la medición de nivel hay que tomar en cuenta algunas
propiedades del líquido tales como la viscosidad del fluido,
temperatura, densidad, corrosión, gránulos etc., así como
algunos principios que son de uso normal en este tipo de
medición.
Leyes asociadas a los cambios de nivel.
Cuando se ponen en comunicación dos depósitos que
contienen un mismo líquido que inicialmente están a distinta
altura, el nivel de uno de los depósitos baja, sube el del otro
hasta que ambos se igualan. Los conductores se comportan de
modo análogo: cuando dos conductores que están a distinto
potencial se conectan entre sí, la carga pasa de uno a otro
conductor hasta que los potenciales en ambos conductores se
igualen.
 Principio de Vasos Comunicantes.

5. Leyes asociadas a los cambios de nivel.
 Principio de Vasos Comunicantes.
Dos recipientes de secciones S1 y
S2 están comunicados por un tubo
de sección S inicialmente cerrado,
Figura 1. Si las alturas iniciales de
fluido en los recipientes h01 y h02
son distintas, al abrir el tubo de
comunicación, el fluido pasa de un
recipiente al otro hasta que las
alturas h1 y h2 del fluido en los dos
recipientes se igualan.
Si h01>h02, la altura h1 del fluido
en el primer recipiente disminuye y
aumenta la altura h2 en el segundo
recipiente. La cantidad total de fluido
no cambia, de modo que:
S1*h1+S2*h2=S1*h01+S2*h02 = (S1+S2)*heq
Dónde:
S1 y S2 son las secciones transversales de los recipientes.

6. El principio de Arquímedes afirma que todo
cuerpo sumergido en un fluido experimenta un
empuje vertical y hacia arriba igual al peso de
fluido desalojado. La explicación de éste
principio consta de dos partes como se indica
en la figura.
Leyes asociadas a los cambios de nivel.
 Principio de Arquímedes.
• El estudio de las fuerzas sobre
una porción de fluido en equilibrio
con el resto del fluido.
• La sustitución de dicha porción de
fluido por un cuerpo sólido de la
misma forma y dimensiones.
Se considera un cuerpo
totalmente sumergido en un fluido en
reposo, Figura a. En este caso el
fluido ejerce presión sobre todas las
partes de la superficie del cuerpo en
contacto con el fluido. Puesto que la
presión varía con la profundidad la
magnitud de la fuerza que ejerce el
fluido sobre la superficie de un
cuerpo es mayor en las partes del
cuerpo que se encuentran más
profundas en el fluido.

7. Leyes asociadas a los cambios de nivel.
 Principio de Arquímedes.
Se tiene por lo tanto que un cuerpo
totalmente sumergido en un fluido
experimenta una fuerza resultante
ascendente, la cual se denomina
"fuerza de empuje", Figura b.
La presión en cada parte de la
superficie del cuerpo no depende del
material de que está hecho el cuerpo,
por lo tanto se puede imaginariamente
reemplazar el cuerpo por el mismo
fluido que lo está rodeando, Figura c.
Esta porción de fluido experimentará
las mismas presiones que el cuerpo
que estaba en ese espacio y estará en
reposo.
Cualquier cuerpo sumergido
totalmente en un fluido
experimenta una fuerza de
empuje igual al peso del fluido
desalojado.
Dónde: m es la masa del líquido
desplazado y g es la aceleración de
gravedad.
Considerando que la densidad
está dada por: ρ = m / V, se tiene que
la fuerza de empuje estará dada por:
Empuje = ρ·V·g
Dónde: ρ es la densidad del
líquido, V es volumen de flujo
desalojado.

8. Los medidores de nivel de líquidos
trabajan midiendo, bien directamente la
altura de líquido sobre una línea de
referencia, bien la presión hidrostática,
bien el desplazamiento producido en un
flotador por el propio líquido contenido en
el tanque del proceso, bien aprovechando
características eléctricas del líquido o bien
utilizando otros fenómenos.
Medidores de nivel de líquidos.
Los primeros instrumentos de medida
directa se dividen en: sonda, cinta y
plomada, nivel de cristal, nivel de flotador,
magnético, palpador servo operado y
magnetoestrictivo.
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9. Los aparatos que miden el nivel
aprovechando la presión
hidrostática son:
• Medidor manométrico.
• Medidor de tipo burbujeo.
• Medidor de presión diferencial.
de diafragma.
Los que se basan en otros
fenómenos:
• Medidor óptico
• Vibratorio
• Detector de nivel térmico o de
dispersión térmica
Medidores de nivel de líquidos.
Los instrumentos que
utilizan las características
eléctricas del líquido son:
• Medidor resistivo /
conductivo
• Medidor capacitivo
• Medidor ultrasónico
• Medidor de radar o
microondas
• Medidor de radiación
• Medidor de láser
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10. El medidor de sonda consiste en
una varilla o regla graduada de la
longitud conveniente para introducirla
dentro del depósito.
La determinación del nivel se efectúa
por lectura directa de la longitud mojada
por el líquido. En el momento de la
lectura el tanque debe estar abierto a
presión atmosférica.
 Instrumentos de medida directa
Se utiliza, generalmente,
en tanques de fuel - oíl o
gasolina.

11. El nivel de cristal consiste en un
tubo de vidrio con sus extremos
conectados a bloques metálicos y
cerrados por prensaestopas que están
unidos al tanque, generalmente,
mediante tres válvulas, dos de cierre
de seguridad en los extremos del tubo
para impedir el escape del líquido, en
caso de rotura del cristal, y una de
purga
 Instrumentos de medida directa

12. El nivel de vidrio sólo permite una indicación local, si bien pueden
emplearse espejos para lectura a distancias limitadas o bien utilizar
cámaras de televisión para mayores distancias de transmisión.
Su ventaja principal es la gran seguridad que ofrece en la lectura del
nivel del líquido pudiendo controlar con ellos la lectura de los otros tipos
de aparatos de nivel.
Se utilizan niveles de vidrio con camisa para calefacción o refrigeración
en el caso de productos muy viscosos o volátiles o cuando las
temperaturas de proceso son inferiores a 0 °C.
 Instrumentos de medida directa

13.  Instrumentos de medida directa
Los instrumentos de flotador consisten en un flotador situado en el
seno del líquido y conectado al exterior del tanque indicando
directamente el nivel. La conexión puede ser directa, magnética o
hidráulica.
El flotador conectado directamente está unido por un cable que
desliza en un juego de poleas a un índice exterior que señala sobre una
escala graduada.
Es el modelo más antiguo y el más
utilizado en tanques de gran capacidad,
tales como los de fuel-oíl y gas-oíl. 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.

14. El indicador de nivel magnético se basa en el seguimiento magnético
de un flotador que desliza por un tubo guía y que contiene un potente
electroimán.
Flotador tubo guía situados verticalmente en el interior del tanque.
Dentro del tubo, una pieza magnética sigue al flotador en su movimiento y
mediante un cable y un juego de poleas arrastra el índice de un instrumento
situado en la parte superior del tanque. El instrumento puede, además,
incorporar un transmisor neumático, electrónico o digital.
Flotador que desliza a lo largo de un tubo guía sellado acoplado
externamente al tanque. El flotador contiene un potente imán y, en la parte
externa, hay un tubo de vidrio no poroso herméticamente sellado, dotado de
un indicador fluorescente o de pequeñas cintas magnéticas que siguen el
campo magnético del flotador.
 Instrumentos de medida directa

15. Los medidores por palpador servo operado disponen de un
elemento de medida que consiste en un disco de desplazamiento
suspendido por una cinta perforada (o un cable) de acero inoxidable que
está acoplada a un tambor ranurado, el cual almacena o dispensa la
cinta. El tambor está conducido por un servomotor controlado y montado
en unos cojinetes de precisión.
Cuando el nivel del producto sube o baja, el desplazador es subido o
bajado automáticamente manteniendo el contacto con la superficie del
producto. El tambor de medida está montado en el techo del tanque y
dispone de un codificador óptico y del transmisor de los datos de nivel.
Generalmente, la transmisión de la información es digital serie y
codificada, sujeta a estándar.
El instrumento tiene una exactitud de ± 3 mm, y un campo de medida
de 1 mm a 30 m.
 Instrumentos de medida directa

16. El medidor de nivel magnoestrictivo utiliza un flotador cuya
posición, que indica el nivel, se determina por el fenómeno de la
magnetoestricción. Para detectar la posición del flotador, el transmisor
envía un impulso alto de corriente de corta duración (impulso de
interrogación) hacia abajo al tubo de guía de ondas, con lo que crea un
campo magnético tubular que interacciona inmediatamente con el campo
magnético generado por los imanes del flotador.
Esta interacción da lugar a una fuerza de torsión en el tubo, como si
fuera una onda o vibración ultrasónica, que se traslada, a una velocidad
típica, por el tubo guía hacia el circuito sensor que capta el impulso
ultrasónico torsional y lo convierte en un impulso eléctrico. El circuito mide
el intervalo de tiempo entre el impulso inicial de corriente y el impulso de
retorno y lo convierte a una señal dentro del intervalo de 4-20 mA, y esta
señal indica la posición del flotador, es decir, el nivel. El reloj utilizado en
este sistema es capaz de medir el tiempo con una exactitud de 1/100
millonésimas de segundo.
 Instrumentos de medida directa

17. El medidor manométrico consiste en
un sensor de presión piezoresistivo
suspendido de la parte superior del
tanque e inmerso en el líquido.
El sensor contiene un puente de
Wheastone y, bajo la presión del líquido,
el sensor se flexo y la tensión que crea
es captado por las galgas
extensiométricas, dando lugar a un
desequilibrio del puente y a una señal
de salida proporcional a la presión
aplicada, es decir, al nivel. El sensor
está contenido en una caja protectora
con un diafragma flexible y relleno de
aceite de silicona lo que le da una gran
robustez.
 Instrumentos aprovechando presión hidrostática.
El sensor mide la presión debida a la
altura de líquido h que existe entre el nivel
del tanque y el eje del instrumento. Así,
pues, el campo de medida del instrumento
corresponderá:

18.  Instrumentos aprovechando presión hidrostática.
El medidor de tipo burbujeo emplea un tubo sumergido en el líquido a cuyo
través se hace burbujear aire mediante un rotámetro con un regulador de caudal
incorporado.
La presión del aire en la tubería equivale a la presión hidrostática ejercida por la
columna de líquido, es decir, al nivel. El regulador de caudal permite mantener un
caudal de aire constante (unos 150 l/h) a través del líquido, independientemente
del nivel. La tubería empleada suele ser de 1/2" con el extremo biselado para una
fácil formación de las burbujas de aire. Una tubería de menor diámetro tipo capilar
reduciría el tiempo de respuesta pero, en el caso de tanques pequeños y cambios
de nivel rápidos, produciría un error en la medida provocado por la pérdida de
carga del tubo.
El manómetro receptor puede colocarse hasta distancias de 200 m. El sistema
también puede emplearse en tanques cerrados con dos juegos rotámetro -
regulador y con las señales de aire conectadas a un transmisor de presión
diferencial análogo al estudiado en el capítulo de instrumentos de caudal.

19.  Instrumentos aprovechando presión hidrostática.
El medidor de presión diferencial consiste en un diafragma en contacto con el
líquido que mide 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.
En el tipo más utilizado, el diafragma está fijado en una brida que se monta
rasante al tanque para permitir, sin dificultades, la medida de nivel de fluidos, tales
como pasta de papel y líquidos con sólidos en suspensión, pudiendo incluso ser de
montaje saliente para que el diafragma enrase completamente con las paredes
interiores del tanque, tal como ocurre en el caso de líquidos extremadamente
viscosos en los que no puede admitirse ningún recodo.

20.  Instrumentos basados en características eléctricas del líquido.
El medidor de nivel conductivo o resistivo, consiste en uno o varios
electrodos y un circuito electrónico que excita un relé eléctrico o
electrónico al ser los electrodos mojados por el líquido.
Este debe ser lo suficientemente conductor como para excitar el circuito
electrónico, y de este modo el aparato puede discriminar la separación
entre el líquido y su vapor, tal como ocurre, por ejemplo, en el nivel de
agua de una caldera de vapor. La impedancia mínima es del orden de los
25 MW/cm, y la tensión de alimentación entre los electrodos y el tanque
es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas, por causa
del fenómeno de la electrólisis.

21. El sistema ultrasónico de medición de nivel se basa en la emisión de un
impulso ultrasónico a una superficie reflectante y la recepción del eco del
mismo en un receptor. El retardo en la captación del eco depende del
nivel del tanque.
 Instrumentos basados en características eléctricas del líquido.
Medidor de nivel de ultrasonidos

22. El método ultrasónico también es útil para
determinar si en un tanque o una tubería hay o no
líquido, ya que el tipo de eco es distinto. En otra
aplicación, el transductor está montado en la
pared del tanque y dirige el impulso hacia arriba
en un ángulo determinado y el receptor se
encuentre en la misma pared, pero más arriba,
con lo que el sistema permite captar la existencia
de líquido a una cierta altura del tanque, siendo la
aplicación más útil en la detección en el nivel
superior y en el fondo del tanque.
 Instrumentos basados en características eléctricas del líquido.
Medidor de nivel de ultrasonidos
Si el sensor se coloca en el fondo del tanque, envía un impulso eléctrico que es convertido
mediante un transductor (cristal piezoeléctrico) a un impulso ultrasónico de corta duración, que es
transmitido a través de la pared del tanque hacia el líquido. El impulso se refleja en la superficie
del líquido y retorna hasta transductor ultrasónico. El nivel del tanque viene expresado por:

23.  Instrumentos basados en características eléctricas del líquido.
Medidor de nivel de radar o microondas.
El sistema de radar de microondas se basa en la
emisión continua de una onda electromagnética,
típicamente dentro del intervalo de los rayos X (10
GHz). El sensor está situado en la parte superior del
tanque y envía las microondas hacia la superficie del
líquido. Una parte de la energía enviada es reflejada en
la superficie del líquido y la capta el sensor. El tiempo
empleado por las microondas es función del nivel en el
tanque.
Una técnica empleada es utilizar una onda continua
modulada en alta frecuencia (por encima de los 10
GHz), de modo que se detecta la diferencia de
frecuencia entre la señal emitida y el eco recibido. La
técnica recibe el nombre de FMCW (Frequency
Modulated Continuos Wave – Onda continua modulada
en frecuencia).
La diferencia de frecuencias
es proporcional al tiempo
empleado por estas señales de
transmisión y retorno, es decir, al
nivel.

24.  Instrumentos basados en características eléctricas del líquido.
Medidor de nivel por radiación.
El sistema de radiación (medición por rayos gamma) consiste en un emisor de rayos gamma
montado verticalmente en un lado del tanque y con un contador Geiger que transforma la
radiación gamma recibida en una señal eléctrica de corriente continua.
Otro tipo de detector consiste en un haz de fibras ópticas que transmiten los fotones
luminosos, creados en la estructura cristalina (dotada de materiales dopantes) cuando reciben la
radiación gamma, a un tubo fotomultiplicador.
Como la transmisión de los rayos es inversamente proporcional a la masa del líquido en el
tanque, la radiación captada por el receptor es inversamente proporcional al nivel del líquido, ya
que el material absorbe parte de la energía emitida.
Los rayos emitidos por la fuente son similares a los rayos X, pero de longitud de onda más
corta.
El sistema de medida del nivel tipo radar es adecuado para asfaltos, parafinas y productos
muy densos o viscosos, que no sean homogéneos y sufran estratificaciones