En esta entrada de nuestro curso de instrumentación industrial gratis vamos a hablar sobre el medidor de nivel empleado tanto para determinar la altura de un liquido dentro de un tanque abierto o un tanque cerrado. Veremos todas sus generalidades, realizaremos ejemplos paso a paso y hablaremos sobre la tabla de calibración al momento de emplear los transmisores de presión diferencial para la medición de nivel.
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Medidor de Nivel
La medición de nivel dentro de la automatización, instrumentación y control de procesos industriales es caracterizada como una de las acciones de medida fundamentales por su recurrencia dentro de los procesos donde se desea conocer o establecer una cantidad de stock o suministro determinado.
A lo largo de este post se detallaran los sensores de nivel disponibles en el mercado para ser empleados dentro de un lazo de control o como indicador de nivel de agua para tanques, tinacos o recipientes. En este contexto se detallarán los diversos principios físicos para la inferencia de la variable que permiten obtener de forma acurada el valor actual del nivel.
Es importante recalcar que la medición de nivel también depende de la variedad cada vez mayor de materiales y aleaciones para combatir entornos hostiles dentro de una fabrica como aceites, ácidos, temperaturas y presiones extremas.
Por lo tanto, un medidor de nivel industrial puede emplear mecanismos directos donde se utiliza una medida de la distancia (generalmente la altura) desde una la línea de referencia (este mecanismo es principalmente empleado para la indicación local).
Por otro lado, también se puede emplear mecanismos indirectos que dependen de que el material tenga una propiedad física que pueda medirse y relacionarse con el nivel (este mecanismo es adecuado para producir señales de salida proporcionales para la transmisión remota)
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Medidor de Nivel Directo
El medidor de nivel más simple es la mirilla, el cual emplea un elemento translucido instalado al lado del tanque, con una escala de altura. Dicho elemento es llenado por el propio fluido del tanque el cual, por medio de vasos comunicantes, alcanza siempre la misma altura del liquido que se encuentra en el interior del recipiente.
Otros dispositivos de detección de nivel directa incluyen aquellos que se basan en la gravedad específica, la propiedad física más utilizada para detectar la superficie nivelada.
Un primer ejemplo de un sensor de nivel basado en gravedad específica es el flotador simple el cual al tener una densidad específica que se ubica entre la densidad del fluido del proceso y la densidad del vapor o gas contenido en el restante del tanque, hará con que flote en la superficie o interfase del líquido-gas cambiando de posición a medida que varía el nivel del líquido. Un ejemplo claro puede ser observado en la siguiente animación:
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Medidor de Nivel Indirecto
Existen formas de determinar el nivel midiendo indirectamente otras variable en el proceso.
Presión Hidostática
Una columna vertical de fluido genera una presión en el fondo de la columna debido a la acción de la gravedad sobre ese fluido. Cuanto mayor sea la altura vertical del fluido, mayor será la presión, siendo iguales todos los demás factores. Este principio nos permite inferir el nivel (altura) de líquido en un recipiente mediante la medición de la presión. Si quieres profundizar un poco más sobre la presión hidrostática o las otras formas de presión puedes ver nuestro video que esta en la entrada de Medidores de Presión.
Observe el medidor de nivel de agua instalado en el fondo del recipiente. Este sensor de nivel de agua para tinaco va a medir exactamente la misma presión diferencial (el peso de la columna de líquido) sin importar la forma geométrica que tome el recipiente. Esto es muy útil, ya que podemos emplear sensores de presión para inferir el nível de un tanque siempre y cuando conozcamos la densidad del liquido.
En la figura anterior, también observamos las diferentes expresiones de densidad que podemos emplear para el cálculo de la altura del nivel de un tanque via presión diferencial donde podemos usar:
Densidad absoluta o másica
: es la masa (m) del liquidoa por unidad de volumen (V) del mismo liquido y se representa como:
\rho=\dfrac{m}{V}Peso especifico 
:
Relación entre el peso y el volumen que ocupa la substancia.
\gamma =\dfrac{Peso}{Volumen}=\dfrac{mg}{V}= \rho gExiste un método alternativo para calcular la presión de una columna de liquido y es relacionando dicha presión por su equivalente en columnas de agua (
, 
).
Gravedad Especifica o Densidad Relativa (S.G):
Permite comparar la densidad de una sustancia con la densidad de otra (generalmente el agua):
S.G. = \rho_r=\dfrac{\rho_{fluido}}{\rho_{aguao}}\ [adimensional]Como la gravedad específica es adimensional, esto quiere decir que cada que multiplicamos la Gravedad específica por una altura de liquido el resultado será la unidad de medida de presión de columna de liquido.
P = (S.G.) (h)\ [inH_2O]
Transmisores de Presión Diferencial
Los transmisores de presión diferencial son el dispositivo de detección de presión más comúnmente utilizado en la instrumentacion y control para inferir el nivel de líquido dentro de un recipiente. De hecho, ya hemos detallado una entrada explicando el funcionamiento de el transmisor de presión diferencial con ejemplos y su respectivo video.
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Medición de nivel por presión diferencial en tanques abiertos
En el caso hipotético de tener un recipiente abierto de Aceite de Castor, el transmisor de presión diferencial se conectaría al recipiente de la siguiente forma (con la camara de ALTA hacia el proceso y la camara de BAJA ventilado a la atmósfera, porque el tanque también esta abierto a la atmósfera):
Esta conexión del transmisor de presión diferencial funciona como un transmisor de presión manométrica, respondiendo a la presión hidrostática que excede la presión ambiente (atmosférica). A medida que aumenta el nivel de líquido, la presión hidrostática aplicada la camara de “alta” del transmisor de presión diferencial también aumenta, lo que eleva la señal de salida del transmisor.
La tabla de calibración del transmisor de nivel por presión diferencial para un tanque de almacenamiento de aceite abierto sería la siguiente, donde un rango de medición de cero a tres metros para la altura del aceite, una densidad de aceite de 969,117 kilogramos sobre metro cúbico y un rango de la señal de salida del transmisor de 4-20 mA.
| Nivel Aceite | Rango(%) | Presión Hidrostática (Pa) | Salida Transmisor (mA) |
| 0 | 0 | 0 | 4 |
| 1.5 | 50 | 14246 | 12 |
| 3 | 100 | 28492 | 20 |
Ejemplo de Transmisor de Presión Diferencial para Medir Nivel
En un tanque abierto con formato irregular que contiene agua salada, se tiene instalado un transmisor de presión diferencial neumático para medir el nivel de altura del tanque. El instrumento se encuentra instalado en la base del tanque el cual posee una altura máxima de 1.5m. Encuentre el rango del instrumento, donde deberá hallar el LRV y el URV y además haga una tabla de calibración para el instrumento de medición.
| Nivel de Agua Salada (m) | Rango(%) | Presión Hidrostática (Pa) | Salida Transmisor (PSI) |
| 0 | 0 | 0 | 3 |
| 0.75 | 50 | 7695.45 | 9 |
| 1.5 | 100 | 15390.9 | 15 |
Medición de nivel por presión diferencial en tanques cerrados
Los medidores de nivel de líquidos basados en el transmisor de presión diferencial presentan una excelente ventaja cuando se desea medir el nivel de un tanque cerrado.
La premisa anterior se debe a que tal como se abordó en el ejemplo del tanque abierto existe una relación entre la altura del líquido en un tinaco y la presión en el fondo de ese tinaco, pero si existe otra fuente de presión dentro del recipiente que no sea hidrostática (cabeza de elevación) la medición de nivel con el transmisor de presión diferencial se arruinará.
Esto está prácticamente garantizado si el recipiente en cuestión no tiene ventilación (tanque cerrado). Cualquier acumulación de presión de gas o vapor en un recipiente cerrado se sumará a la presión hidrostática en el fondo, lo que hará que cualquier instrumento de detección de presión registre falsamente un nivel alto:
Compensación entre las camaras
Para poder corregir esta medida de presión adicional se debe conectar una segunda línea de impulso (llamada pierna de compensación), desde la camara de baja “Low” del transmisor a la parte superior del recipiente.
Esta conexión hace que la camara de alta la presión provocada por el liquido sumada a la presión del gas y la cámara de baja la presión provocada por el gas.
Dado que un transmisor de presión diferencial responde solo a las diferencias de presión entre los lados “Alto” y “Bajo”, naturalmente restará la presión del gas (
) para producir una medición basada únicamente en la presión hidrostática (γh):
En la conexión anterior donde la camara de baja solo recibe gas, a la linea de impulso que realiza la conexión entre el gas atrapado en la parte superior del tanque y la cámara baja del transmisor se le conoce como Pierna Seca (Dry Leg).
Desafortunadamente, es común que los recipientes cerrados contengan vapores condensables, que con el tiempo pueden llenar una pierna de compensación con de líquido.
Si el tubo que conecta el lado “Bajo” del transmisor de presión diferencial se llena completamente con un líquido, esto agregará una presión hidrostática a ese lado del transmisor, provocando otro cambio de calibración
Δ𝑃=𝑃_𝐻−𝑃_𝐿
Δ𝑃=𝑃_{𝑔𝑎𝑠}+\gamma_1 ℎ_1−𝑃_{𝑔𝑎𝑠}−\gamma_2 ℎ_2
Δ𝑃=\gamma_1 ℎ_1−\gamma_2 ℎ_2
Podemos asegurar una densidad constante del líquido de la pierna húmeda llenando intencionalmente esa pierna con un líquido que se sabe que es más denso que el vapor condensado que posea la mayor densidad dentro del recipiente y que no sea miscible con el fluido del proceso.
También podríamos utilizar un transmisor de presión diferencial con sellos remotos y tubos capilares llenos de líquido de densidad conocida:
Para la correcta calibración de los instrumentos de medición industrial es fundamental poseer un buen calibrador de procesos, a continuación te muestro algunas alternativas de los más buscados en Amazon:
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A continiación vemos un ejemplo de como calcular la presión de un tanque cerrado que muestra como calibrar un transmisor de nivel instalado en el siguiente tanque cerrado.
Ejemplo de medición de nivel en tanque cerrado
Para la siguiente instalación de un transmisor de presión diferencial en un tanque cerrado de aceite mineral:
- Calcule los puntos de calibración de 0%, 15% y 100% para que el transmisor eléctrico ΔP de 4-20mA mida el nivel de líquido en un recipiente cerrado de Aceite Mineral con [ρ=910kg/m^3 “, ” γ=8924N/m^3 ]y un rango de 0 a 1.2m. El sistema tiene una elevación del transmisor por debajo del tanque de 0.9m. En la cámara de baja hay una pierna húmeda con propilenglicol como liquido de sellado con una altura de 2.6m [ρ=1040kg/m^3, γ=10192N/m^3]
- ¿Se hace una supresión o elevación de cero?
- ¿Cual sería la altura del tanque si el transmisor está entregando 13.7mA?
La tabla de calibración del transmisor de nivel por presión diferencial para un tanque de almacenamiento cerrado de aceite mineral sería la siguiente, donde un rango de medición de cero a uno con dos metros para la altura del aceite, una densidad de aceite de 910 kilogramos sobre metro cúbico y un rango de la señal de salida del transmisor de 4-20 mA.
| Nivel Aceite | Rango(%) | Presión Hidrostática (Pa) | Salida Transmisor (mA) |
| 0 | 0 | -18468 | 4 |
| 0.18 | 15 | -16861 | 6.4 |
| 1.2 | 100 | -7758.8 | 20 |
Bibliografia
- TONY R. KUPHALDT. Lessons In Industrial Instrumentation. Version 2.32, 2008 – 2022.
- CREUS SOLE, ANTONIO. Instrumentación Industrial, editorial Marcombo, sexta edición, Barcelona España.
Mi nombre es Sergio Andres Castaño Giraldo, y en este sitio web voy a compartir una de las cosas que mas me gusta en la vida y es sobre la Ingeniería de Control y Automatización. El sitio web estará en constante crecimiento, voy a ir publicando material sobre el asunto desde temas básicos hasta temas un poco más complejos. Suscríbete al sitio web, dale me gusta a la página en Facebook y únete al canal de youtube. Espero de corazón que la información que comparto en este sitio, te pueda ser de utilidad. Y nuevamente te doy las gracias y la bienvenida a control automático educación.