medición de nivel
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Generalidades y ProblemasTRANSCRIPT
Medición de NivelControl para Bioprocesos
Universidad Politécnica del Estado de Morelos
Guillermo Garibay Benítez
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
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
Formulas de Nivel
Flotabilidad 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)
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
Flotabilidad
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:
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:
¿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 kgγH2O = 62.4 lb/ft3
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
Sondas de Capacitancia
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
La altura del líquido, entonces esta dada por:
Constantes dieléctricas de algunos líquidos, cabe resaltar que hay grandes variaciones conforme a la temperatura:
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?
Dispositivos Sensores de Nivel
Dispositivos directos
Sight glass, (diferencial, extremo abierto) o de válvula)
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
Flotadores
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.
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.
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
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:
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
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
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.
Sondas de Conductividad
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
Sondas Capacitivas de Nivel
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?
Estos pueden ser usados para medición de un solo punto o continuo.
Consisten en un receptor y un transmisor
Ultrasónicos
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Métodos Indirectos
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.
Presión hidrostática
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
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.
Dispositivos por burbujeo
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
¿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
William C. Dunn, Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process Control, Mc Graw Hill, 2005, DOI: 10.1036/0071466932
Bibliografía