Medida de Nivel-Principios

Principios de Medida - Nivel
James Robles
Departamento de Instrumentación
Huertas College

James Robles, Departamento de Instrumentación, Huertas College
En esta presentación:
Definición de nivel
Unidades de medida de nivel
Medida de nivel utilizando métodos mecanicos
Medida de nivel utilizando método hidrostático
Ejemplos de cálculo de nivel hidrostático básico
Medida de nivel utilizando método de burbujas
Supresión de cero
Ejemplos de supresión de cero
Medida de nivel de tanques presurizados
Ejemplos de cálculo de nivel de tanques presurizados
Métodos elctrónicos de medida de nivel

Nivel es la medida de un producto fluido en un envase o tanque basado en su altura:
Esta altura no depende del volumen del tanque.
Altura del Tanque
Nivel
Altura del Tanque

Altura del Tanque
Nivel
El Nivel no depende del tamaño ni las dimensiones del tanque.
Este Nivel se mide en pulgadas, pies, metros, etc. (Lineales)

Nivel a medirse
Nivel máximo
Para medir un nivel de un tanque es necesario conocer el nivel máximo de este.

Nivel a medirse
Nivel máximo
Una manera sencilla para medir un nivel es mediante una boya flotante.
Boya

Nivel a
medirse
Nivel Máximo
Otra forma sencilla para medir un nivel es mediante una mirilla de cristal.
Mirilla de Nivel

Nivel a medirse
Nivel máximo
La forma mas utilizada es el método Hidrostático.
Consiste en medir la presión que produce la columna de nivel.
Para esto se mide la presión con un Pressure Gauge
Pressure Gauge
Método Hidrostático

Nivel a medirse
Nivel máximo
La presión que produce la columna aumenta al subir el nivel y disminuye al bajar el nivel.
Esta relación entre nivel y presión es lineal
Pressure Gauge
Sube Nivel Aumenta Presión
Baja Nivel Disminuye Presión

La presión es una medida del peso y el peso depende de la densidad (휌 – letra griega 풓ho minúscula) del fluido dentro del tanque.
La formula para medir nivel utilizando la presion es la siguiente:
Presión=Densidad · Gravedad · Altura 푝=휌⋅푔⋅ℎ

Presión = Densidad · Gravedad · Altura 푝=휌⋅푔⋅ℎ 푝=휌⋅h 푝=푙푏/푖푛3⋅푖푛 푝=푙푏/푖푛2(푝푠푖)
En el sistema Inglés, el parámetro g no se utiliza ya que la unidad de medida de densidad es lb./in3. El parámetro libras ya incluye la constante gravitacional.

Presión = Densidad · Gravedad · Altura 푝=휌⋅푔⋅h 푝= 퐾푔 푚3 ⋅푚 푠2 ⋅푚 푝=푁 푚3 ⋅푚 푝=푁 푚2 =푃푎
En el sistema métrico, la fórmula permanece con la utilización de la constante gravitacional ya que la masa es utilizada en la unidad de densidad (Kg/m3)

Ejemplo 1: Un tanque de agua tiene un manómetro en su fondo que indica 3.26 psi. ¿Cuál es el nivel (en ft.) del tanque? 푝=휌⋅ℎ ℎ=푃 휌 ℎ=3.26.036 ℎ=90.56in ℎ=7.55 푓푡
Nivel a medirse
H2O
휌 = .036 lb/in3
Pressure Gauge

Ejemplo 2: Un tanque de aceite tiene un nivel de 8.45 ft. ¿Cual es la lectura (en psi y en in. H2O) del manometro en el fondo del tanque? 푝=휌⋅ℎ 푝=.028⋅101.4 푝=2.84 푝푠푖 푝=78.08 푖푛 퐻2푂
Nivel a medirse
ACEITE 휌 = .028 lb/in3
Pressure Gauge

Ejemplo 3: Un tanque tiene un nivel de 18.8 ft. y una presion de 8.65 psi en el manometro al fondo del tanque. ¿Cual es la densidad del fluido dentro del tanque? 푝=휌⋅ℎ 휌=푝 ℎ 휌=8.65225.6 휌=.038 푙푏 푖푛3
Nivel a medirse
???
Pressure Gauge

Ejemplo 4: Un tanque de agua tiene un manometro en su fondo que indica 46.7 KPa. ¿Cual es el nivel (metros) del tanque? 푝=휌⋅푔⋅h ℎ=푃 휌푔 ℎ=46.719.8 ℎ=4.77 푚
Nivel a medirse
Pressure Gauge
H2O 휌 = 1 Kg/m3

h
Pressure Transmitter
Para determinar el Rango de Proceso:
Si el transmisor de nivel está en el fondo del tanque, el rango de proceso es la altura del tanque.
H
PT
Rango del Transmisor: Input: 0 – H Output: 4 – 20 mA

Densidades de algunos fluidos mas utilizados:
Fluido
Densidad
Gravedad Específica
Acetona
.028 lb/in3
.78 Kg/m3
Agua Ultra Pura
.036 lb/in3
1 Kg/m3
Alcohol Metílico (Metanol)
.029 lb/in3
.81 Kg/m3
Benceno
.032 lb/in3
.89 Kg/m3
Gasolina
.024 lb/in3
.67 Kg/m3
Glicerina
.046 lb/in3
1.28 Kg/m3
Leche
.037 lb/in3
1.03 Kg/m3
Petróleo
.025 lb/in3
.69 Kg/m3
Aceite de Coco
.033 lb/in3
.92 Kg/m3
Propano Líquido
.018 lb/in3
.5 Kg/m3
Tolueno
.031 lb/in3
.86 Kg/m3

Nivel a medirse
Pressure Transmitter
Método de Burbujas:
Este método consiste en medir la presión del fondo del tanque con una columna de aire
Air Supply
Air Regulator
Con este método, podemos ubicar el Transmisor en cualquier parte
Puede servir para tanques soterrados o sin puertos para adaptar el gauge
PT

Supresión de Cero:
Esta técnica nos permite tomar la medida de un punto que no es exactamente el fondo para así evitar el cieno u otros materiales en el fondo
Nivel de Supresión
Cieno en el fondo del Tanque

Supresión de Cero:
La distancia desde el fondo hasta el gauge se le resta al rango de proceso
Nivel de Supresión (s)
h
H
Rango del Transmisor: Input: (0 – s) – (H-s) Output: 4 – 20 mA

Nivel de Supresión (4 in)
15 ft
Ejemplo 5: Un tanque de agua tiene una altura de 15 ft. El transmisor tiene una supresión de 4 in. ¿Cuál es el rango del transmisor de nivel del tanque?
Rango del Transmisor:
15 ft ∙ 12 in/ft = 180 in
0 – 4 = -4 in
180 – 4 = 176 in
Rango = -4 – 176 in H20
PT
H2O
휌 = .036 lb/in3

24 ft
Nivel de Supresión (6 in)
Ejemplo 6: Un tanque de aceite tiene una altura de 24 ft. El transmisor tiene una supresión de 6 in. ¿Cuál es el rango del transmisor de nivel del tanque ( en in H2O)?
Rango del Transmisor:
0 – 6 = -6 in
-6 in ∙ .028 =.17 psi
.17 psi ∙ 27.74 = -4.72 in H2O
24 ft ∙ 12 in/ft = 288 in
288-6=282 in
282 in ∙ .028 = 7.90 psi
7.90 ∙ 27.74 = 219.15 in H2O
Rango = -4.72 – 219.15 in H20
PT
ACEITE
휌 = .028 lb/in3

Transmisor de Nivel de Tanque Abierto
con Diafragma Remoto
Para evitar que los depósitos en el fondo del tanque afecten la lectura, se puede adquirir el transmisor con diafragma en lugar de un puerto de presión
El diafragma transmite la presión al transmisor a través de un tubo fino llamado “tubo capilar”

Método de Tanques Presurizados:
Presión sobre el Nivel - Pn
Nivel
ΔPT
H L
Wetleg
Se conecta el puerto High del Transmisor Diferencial (dp) a la parte inferior del tanque
Se conecta el puerto Low del transmisor diferencial (dp) a una referencia de nivel llamada wetleg.
El wetleg es una línea llena del fluido para hacer que se cancele el efecto de la presión sobre el nivel.
El transmisor de presión diferencial lleva a cabo la operación matemática: 푑푝=퐻−퐿 푑푝=퐻+푃푛−퐿+푃푛 푑푝=퐻−퐿+푃푛−푃푛

Ejemplo 6: Un tanque de tipo cilindro acostado de 10 pies de diámetro está presurizado con 100 psi. ¿Cuál es el rango del transmisor diferencial de nivel del tanque?
Presión sobre el Nivel
Nivel
ΔPT
H L
Wetleg
100 psi
10 ft

Rango del Transmisor: 10 ft ∙ 12 in/ft = 120 in Cero=H–L=(0+100 psi ) – (120 in H2O+100 psi) Cero=H–L=0+100 psi – 120 in H2O-100 psi Cero= -120 in H2O Span=H–L= (120 in H2O +100 psi)– (120 in H2O-100 psi) Span=H–L= 120 in H2O - 120 in H20 Span=H–L= 0 in H2O Rango= –120 - 0 in H2O

Presión sobre el Nivel
Nivel
ΔPT
H L
Wetleg
100 psi
10 ft
Rango del Transmisor = –120 - 0 in H20

Transmisor de Nivel de Tanque Presurizado
con 3 Valve Manifold
Para evitar que la alta presión dañe los diafragmas del transmisor, se conecta a través de un 3-Way Manifold
El 3-Way Manifold consiste de dos válvulas para aislar cada uno de los puertos (High & Low) y una tercera válvula para igualar presiones entre éstas (equalizing valve)

3 Valve Manifold
Para retirar el transmisor:
1.Cerrar LP valve
2.Abrir Equalizing valve
3.Cerrar HP valve
Para re-instalar el transmisor:
1.Abrir HP valve
2.Cerrar Equalizing valve
3.Abrir HP valve
ΔPT
H L
LP
Block Valve
HP
Block Valve
Equalizing
Block Valve

Transmisor de Nivel de Tanque
Presurizado
con Diafragmas Remotas
 Para evitar utilizar el “wetleg” se
puede adquirir el transmisor con
diafragmas en lugar de puertos de
presión
 Los diafragmas transmiten la presión
al transmisor a través de tubos
capilares

Métodos Electrónicos para Medir Nivel:
Capacitancia
Utiliza el principio de cambio de capacitancia con cambios en el dieléctrico
Placas Capacitivas
Fluido del Tanque actúa como dieléctrico
Al subir el nivel, sube el porciento de dieléctrico entre las placas

Ultrasonido
Utiliza el principio de tiempo de tránsito entre la transmisión y la recepción de la onda
Al subir el nivel, baja el tiempo de tránsito.
Al bajar el nivel, sube el tiempo de tránsito
Ideal para medir sólidos
t

Guía de Onda (microondas)
Utiliza el principio de cambio en permeabilidad del fluido, al viajar la onda por diferentes medios (fluido/espacio vacío).
Al subir el nivel, baja el tiempo de tránsito.
Al bajar el nivel, sube el tiempo de tránsito
Ideal para niveles de diferentes substancias.

Vibracional (Tuning Fork)
Utiliza la frecuencia natural del fluido para detectar presencia de la misma.
Al vibrar en el aire, se detecta la frecuencia del tenedor.
Al entrar en contacto con un fluido, la frecuencia se altera al estar vibrando en otro medio.
Es excelente para medir niveles de sólidos (Ej. granos, polvos, talcos.
Este método es inmune a viscosidades altas (Ej. pintura, brea, etc.), formación de espumas, cambis de densidad, conductividad, pH, enter otros.

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