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COMISION FEDERAL DE ELECTRICIDAD

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOY METODO P A R A M E D I C I O N D E N I V E L

ESPECIFICACION PROVISIONALCFE GALIO-28

DICIEMBRE 1987

MEXICO

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOESPECIFICACION

Y METODO PARA MEDICION DE NIVEL CFE GALIO-28r

P R E F A C I O

Esta especificación ha sido elaborada de acuerdo con las Bases Generales para la Normalización en CFE,habiendo preparado el proyecto inicial la Gerencia de Proyectos Termoeléctricos.

Participaron en la revisión y aprobación del presente documento normalizado las áreas que se indicana continuación:

GERENCIA DE ESTUDIOS

GERENCIA DE GENERACION Y TRANSMISION

GERENCIA DE LABORATORIO

GERENCIA DE PROYECTOS GEOTERMOELECTRICOS

GERENCIA DE PROYECTOS TERMOELECTRICOS

De acuerdo al procedimiento para elaboración de documentos normalizados, autorizado por la DirecciónGeneral de CFE, con oficio núm. 03742 del 4 de diciembre de 1987, presentamos esta ESPECIFICACIONPROVISIONAL para que sea aplicada durante por lo menos un año, a partir de la fecha abajo indicada yprobar su efectividad durante el período en que esté en vigor. Posteriormente se someterá a la autori-zación de la Dirección General tomando en cuenta las observaciones que se deriven de la aplicación de lamisma las cuales deberán enviarse al Departamento de Normalización de la Gerencia de Laboratorio.

Este documento normalizado revisa y substituye a todos los relacionados con la guía de diseño de selec-ción de instrumento y método para la medición de nivel que se hayan publicado, dentro del campo deaplicación del presente.

NOTA: Entra en vigor como especificación provisional a partir de:

871218 1 I I I I I 1 I I I I


Y METODO PARA MEDICION DE NIVEL CFE GALIO-28

C O N T E N I D O

1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 CAMPOSDEAPLICACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2.1 Medidores de Nivel por Observación Directa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2.2 Medidores de Nivel Tipo Fuerza de Flotación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2.3 Medidores de Nivel de Presión Hidrostática. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2.4 Medidores de Nivel Eléctricos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.5 Medidores de Nivel de Radiación de Energía. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

3 T E O R I A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

3.1 Principios Fundamentales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

4 DETECCION Y MEDICION DE NIVEL DE LIQUIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4.1 Medidores de Nivel por Observación Directa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

4.2 Medidores de Nivel Tipo Fuerza de Flotación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9

4.3 Medidores de Nivel de Presión Hidrostática o Neumática. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2

4.4 Medidores de Nivel Tipo Eléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 6

4.5 Medidores de Nivel Tipo Radiación de Energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 4

5 DETECCION Y MEDICION DE NIVEL DE SOLIDOS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 7

5.1 Sensores de Presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 9

5.2 Dispositivos de Paleta Rotatoria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1

5.3 Por el Procedimiento de Pesado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1

5.4 Sensor de Puente de Capacitancias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1

5.5 Sensor Ultrasónico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2

5.6 Dispositivos Térmicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2

5.7 Sensores Nucleares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2

6 SISTEMA DE CONTROL NORMALIZADOS PARA NIVEL.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

6 . 1 Procesos Cr íticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

6.2 Procesos Directos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 3

6.3 Principales Mediciones de Nivel en Centrales Termoléctricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 3

7 PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑO ESPECIFICACIONDE INSTRUMENTOS DE MEDICION DE NIVEL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

7.1 Procedimiento General de Diseño. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

7.2 Procedimiento de Especificación y División de Responsabilidadesdel Grupo de Instrumentación y Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

8 B I B L I O G R A F I A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

TABLA 1 Opciones para transmisores eléctricos de presión diferencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9

TABLA 2 Especificaciones promedio para transmisores de presión diferencial. . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0

871218 1 I I I I I I I I I I



TABLA 3

TABLA 4

TABLA 5

TABLA 6

F IGURA 1

F I G U R A 2

F I G U R A 3

F I G U R A 4

F I G U R A 5

F I G U R A 6

F I G U R A 7

F I G U R A 8

F I G U R A 9

FIGURA 10

FIGURA l l

FIGURA 12

FIGURA 13

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FIGURA 19

FIGURA 20

FIGURA 21

FIGURA 22

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FIGURA 26

FIGURA 27

FIGURA 28

FIGURA 29

FIGURA 30

FIGURA 31

Rangos, limitaciones y ventajas de las celdas de presión

diferencial en medición de nivel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Disponibilidad de electrones de diversos materiales comparada

con la disponibilidad de los de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Constantes dieléctricas a temperaturas dadas de diversos

materiales Iíquidos, gases y sólidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Instrumentos utilizados para diferentes instalaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Medidor de gancho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Medidor de cinta plomada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Formademedición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Columna de nivel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Líquidos pesados en columnas de nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Medición de nivel de líquidos a presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Columnas de nivel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Columna tubular blindada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Vidrio transparente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Vidrio de nivel tubular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Vidrio soldable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Extensiones anticongelantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Iluminadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Indicador magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Medidor de nivel tipo purga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Medidor de nivel tipo flotación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Principio de operación del mecanismo flotador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Montaje lateral de un indicador de flotador y cinta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Principio de operación de un indicador de balance automático. . . . . . . . . . . . . . . . .

Medidor de flotador del tipo enlace magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Medidor tipo hidráulico operado por flotador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Principio de operación de una unidad de medición de

nivel tipo desplazador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Vista secciona1 de un ensamble de tubo de torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Medidor de nivel tipo desplazador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Desplazador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Conexiones de desplazadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Extensión del tubo de torsión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sistema de manómetro para recipientes abiertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sistema de purga o tubo de burbujeo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Indicador de nivel tipo caja de diafragma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Longitud de la tensión máxima contra rango de

medidor en pies de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

80

85

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5

5

7

9

9

9

11

ll

13

13

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30

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33

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35

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37

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45

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FIGURA 32

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Diagrama esquemático de un sello de balance de fuerzasneumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Medición de nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Medición de densidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Nivel de interfase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Medición de nivel por medio de manómetro diferencialdemercurio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Medidor de presión diferencial tipo seco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Diagrama esquemático de una celda de presión diferencialneumática.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Celda de presión diferencial eléctrica de circuito cerrado(balance de fuerzas). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Transmisor electrónico de circuito abierto con sensor dedeformación de semiconductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Elemento sensor electrónico de circuito abierto tipo reluctancia. . . . . . . . . . . . . . . .

Principio de operación de los sensores de deformación ligados . . . . . . . . . . . . . . . . .

Operación de sensores de deformación desligados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Puente de resistencia y puente de capacitancias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Características de salida de los sensores de deformación tipo P. . . . . . . . . . . . . . . . .

Características de salida de los sensores de deformación tipo R. . . . . . . . . . . . . . . . .

Montaje de un transmisor de presión diferencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Dispositivo de presión diferencial con columna negativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Aplicación de un transmisor de presión diferencial en unsistema cerrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sistema de burbujeadores para medir el nivel de interfase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sistema de dos tubos burbujeadores para medir el nivel de interfase . . . . . . . . . . . . .

Recipientes abiertos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tanque cerrado con atmósfera condensable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tanque cerrado con atmósfera condensable del líquido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tanques abiertos a la atmósfera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Instalación en tanques cerrados con atmósfera condensable. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Instalación en tanque cerrado y atmósfera condensable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Instalación de una cámara de sellos para fluidos corrosivos o viscosos . . . . . . . . . . . .

Instalación típica de cámara de asentamientos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sistema de purga de líquido para dispositivos de presión diferencial . . . . . . . . . . . . .

Sistema de purga de aire o gas para medidores de presión diferencial . . . . . . . . . . . . .

Medidor de nivel tipo resistencia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Detección de nivel tipo eléctrico método sonda con electrodo . . . . . . . . . . . . . . . . .

Método de sonda y triodo para medición de nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 7

4 9

4 9

4 9

5 0

5 0

5 2

5 2

5 4

5 4

5 6

5 6

5 6

5 8

5 8

6 3

6 3

6 3

6 4

6 4

6 5

6 7

6 8

7 3

7 3

7 4

7 4

7 4

7 5

7 5

7 6

7 7

7 8

871218 I I I I I I I I I I I

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO I ESPECIFICACION


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FIGURA 97

Método de sonda con amplificador magnético. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Detector de nivel tipo paleta rotatoria o potencia eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sonda de medición de capacitancia eléctrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Variante del medidor de nivel tipo capacitancia de materialesno conductores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Variante del medidor de nivel tipo capacitancia de materialesconductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Unidades de medición de nivel del tipo sónico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Unidad de medición de nivel tipo sónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sistema de dos sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sistema de punta de prueba de dos sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Indicador de nivel de líquido tipo sónico de sensor sencillo usandosensor sonda montado en la parte superior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Indicador de nivel de líquido tipo sónico de sensor sencillo usandosensor sonda montado lateralmente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Detector de nivel de vibración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tubo de vidrio en un detector oscilatorio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Detector de celta fotoeléctrica con tubo de vidrio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sistema de celda fotoeléctrica con tubo de vidrio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Instalación típica de un detector de nivel tipo radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Medidor de emisión de rayos gamma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Medición de nivel por medio del uso de celdas convertidoras deradiación de rayos gamma a energía eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sonda tipo termistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sonda de tubo doble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Varios tipos de instrumentos para medición de nivel demateriales sólidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Válvula 0 compuerta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Válvula de control en rango dividido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Temperaturas relativas del agua en el domo y en el indicadorde nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Densidades relativas del agua en el domo de la caldera a diversaspresiones de operación resultantes de las variaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Indicador remoto de nivel agua para la caldera de baja presión . . . . . . . . . . . . . . . . .

Indicador de nivel de agua para caldera de alta presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Indicador remoto de nivel del domo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Indicador de nivel tipo tubo de expansión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Controlador de nivel tipo termo-hidráulico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Control de nivel normalizado para el domo del generador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Control de nivel del tanque del desgasificador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 9

7 9

8 0

8 3

8 4

8 7

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8 9

9 0

9 0

9 1

9 1

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9 3

9 3

9 4

9 6

9 6

9 6

9 8

9 8

100

1 0 4

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ESPECIFICACICNGUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO

Y METODO PARA MEDICION DE NIVELCFE GALIO-28

1 de 120

1 OBJETIVO

El propósito de esta guía de diseño es proporcionar directrices que ayuden a seleccionar el instrumento yel método a utilizar, para la detección de nivel en recipientes utilizados en Centrales Termoeléctricas.

2 CAMPOS DE APLICACION

El uso y aplicación de esta guía son exclusivos de Comisión.

Dentro de las mediciones de las variables de un proceso, la del nivel ocupa el segundo lugar en importanciainmediata después de la medición de flujo. La operación adecuada de un proceso se relaciona directamentecon el problema de mantener el almacenamiento de fluidos en un valor predeterminado.

Al proponer una instalación apropiada de un proceso en particular que involucre la medición y/o controlde nivel, el ingeniero de sistemas de control que diseña debe distinguir las ventajas, aplicaciones y limita-ciones de los diferentes tipos de instrumentos. Además han de tenerse en cuenta las condiciones existentes,tales como la ácidez o alcalinidad, presión y temperatura entre otras, y el tipo de material que se va a utili-zar. Otro punto importante en la selección del instrumento de nivel apropiado es el tipo de indicación,alarma, registro y/o control que se requiera.

Existe una gran varidad de instrumentos para la medición de nivel, desde los visuales hasta los sofisticadosmétodos radiactivos. Los instrumentos de nivel se pueden clasificar en general en grupos, dependiendo delprincipio de operación que utilicen para su funcionamiento:

2.1 Medidores de Nivel por Observación Directa

a) Dispositivos de punto de contacto.

b) Tubo de vidrio.

c) Medidores de regleta movil y fija.

d) Medidores de columna de nivel.

2.2 Medidores de Nivel Tipo Fuerza de Flotación

a) Tipo flotador (movimiento)

b) Tipo desplazador (fuerza).

2.3 Medidores de Presión Hidrostática

a) Tipo burbujeo.

b) Tipo caja de diafragma.

c) Tipo presión diferencial.

871218 I I 1 I I I I I I I 1I

ESPECIFICACIONGUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO


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2.4 Medidores de Nivel Eléctricos

a) Tipo resistencia.

b) Tipo capacitancia.

c) Tipo conductancia.

2.5 Mediciones de Nivel de Radiación de Energía

a) Sónicos.

b) Vibratorios.

c) Opticos.

d) Nucleares.

La medición de nivel se pueae realizar en líquidos o en sólidos.

3 TEORIA

3.1 Principios Fundamentales

a) Determinación del volumen. Si el propósito de la medición de nivel es determinar el volu-men del líquido contenido en un recipiente con área uniforme de la sección transversal, esrecomendable medir directamente la altura del nivel, por lo tanto:

V = AH (1)

Donde V = volumen del líquido en el recipiente.A = área de la sección transversal del recipiente.H = altura del líquido, medida en las mismas unidades de A y V.

En esta expresión se ignoran los efectos de la densidad y la presión. Para los casos en quese recomienda incluir los efectos de la densidad y presión hidrostática, se tiene:

v = Af--D

(2)

Donde D = densidad del líquido en las condiciones de presión y temperatura existen-tes.

P = presión debida a la carga hidrostática.

b) Determinación del peso. Si lo que se quiere determinar es el peso del líquido o materialsin importar los efectos de temperatura y densidad, entonces no se trata realmente de

8 7 1 2 1 8 I I I 1 I 1 I I 1 I 1

ESPECIFICACIONGUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO


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determinar el nivel, sino algo equivalente. El peso o fuerza en el fondo del recipiente oen las partes que lo soportan, será igual a:

W = AP (3)

Donde W = peso del material.

Cuando se tiene que determinar el nivel a partir del peso, tenemos:

W = AHD

c) Determinación de la presión. Debido a que para indicar el nivel de un líquido, se puedeutilizar un simple manómetro, para indicar el nivel se podrá emplear un indicador de pre-sión con su rango de presión correspondiente. Las unidades de presión pueden convertir-se fácilmente en unidades de nivel (m, cm, pulgadas o pies) o bien puede recalibrarse laescala del indicador. Como la presión del fondo del tanque se origina por el peso de lacolumna del líquido, ésta puede expresarse en Ib/pg2, kg/cm2 o en pascales, donde:1 Ib/pg2 = 6.89476 kPa; 1 kg/cm2 = 98.066 kPa.

P = Hd (4)

Donde P = presión en k/cm2 ó kg/m2.H L altura del líquido arriba de algún punto de referencia, cm o m.d = densidad del líquido, gr/cm3.

Ejemplo 1, ¿Cuál será la presión indicada en un manómetro si el nivel del I líquido se en-cuentra 2 m arriba del manómetro y su gravedad específica es igual a 2?.

Solución: La gravedad específica “Gs” se expresa como:

Gs = ddH20

(5)

Por lo tanto la densidad del líquido problema será:

d = GsdH20 = 2 x 1 = 2gr= 0.002 kgcm3 cm3 cm3

ó d = 0.002 kg/cm3 = 0.002 kg/m3 = 2 0 0 0 kg/m3

1 0-5

871218 1 l l I 1 1 I I 1 I I

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOGUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO ESPECIFICACIONESPECIFICACION

Y METODO PARA MEDICION DE NIVELY METODO PARA MEDICION DE NIVELCFE GALIO- 28CFE

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Por lo tanto P = (200 cm) (0.002 kg/c /cm de altura)Por lo tanto P = (200 cm) (0.002 kg/cm

óó P = (2 m) (2000 kg/m3)P = (2 m) (2000 kg/m3)p = 0.4 kg/cm2p = 0.4 kg/cm2 ó P = 4000 kg/m2ó P = 4000 kg/m2

d)d) Medidores de presión diferencial hidrostática. La presión debida a la carga hidrostáticaMedidores de presión diferencial hidrostática. La presión debida a la carga hidrostáticaen un tanque abierto se puede medir con un sirnple manómetro de tubo ‘IU”. Como seen un tanque abierto se puede medir con un sirnple manómetro de tubo ‘U”. Como semuestra en la figura A, la carga H del líquido en el tanque produce un levantamientomuestra en la figura A, la carga H del líquido en el tanque produce un levantamiento“h” del líquido del rnanómetro que contrabalancea la carga del primer líquido. El balan-“h” del líquido del rnanómetro que contrabalancea la carga del primer líquido. El balan-ce de presiones puede expresarse como:ce de presiones puede expresarse como:

h x h x D m = H x D,= H x D,

Donde hDonde h = altura de la columna del manómetro, cm.= altura de la columna del manómetro, cm.

DDm= densidad del I del manómetro= densidad del I líquido del manómetro

D1= densidad del líquido en el recipiente= densidad del líquido en el recipiente

Por lo tanto:Por lo tanto:

h = H w!?.i-

Di-c

RECIPIENTE- - - - -- - T -

2. tiMANOMETRO DETUBO EN

l-l-t

FIGURA - Diagrama esquemático de tubo en “U’”para recipientes abiertos

8 7 1 2 1 88 7 1 2 1 8 II l1 ll II 11 11 II II 11 II 11,, **

I GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOY METODO PARA MEDICION DE NIVEL I ESPECI FICACION

CFE GALIO-28 I

4 DETECCION Y MEDICION DE NIVEL DE LIQUIDOS

4.1 Medidores de Nivel por Observación Directa

4.1.1 Dispositivos de punto de contacto

En los primeros dispositivos de nivel, una simple vara servía como dispositivo para medir el nivel, un refi-namiento de éste fue el medidor de gancho (figura 1) y el de cinta y plomada (figura 2). Este último midela distancia del menisco del liquido al punto de referencia. Por lo general, la escala está grabada en una va-rilla cuadrada de latón. Cuando se usa el medidor de gancho, éste se mueve de abajo hacia arriba, justa-mente hasta que perfora la superficie del líquido. En cambio si se utiliza el medidor de cinta y plomada,la punta se baja hasta que una depresión muestra el contacto con la superficie del líquido.

I 4.1.2 Tubo de vidrio

ILa necesidad de un medio de indicación claro con una localización más conveniente ocasionó la intro-ducción de un manómetro o tubo de extremo abierto. La altura del líquido en el tubo iguala el nivel delrecipiente y, por medio de un tubo de material transparente, como el vidrio, se puede leer en un puntoexterior el nivel del líquido en el recipiente. En tubos de diámetro pequeño la atracción capilar provocaque el agua, se levante a una altura extrema de O.O46/d, donde “d” es el diámetro del tubo en pulgadaso bien 1 .169 x 10-2/d cuando “d” está en metros.

Esta altura extra debida a la capilaridad podría sobrepasar 1/4 pg (6 x 10-2 m) para un tubo de 1/8 pg(3 x 10-2 m) de diámetro

Por esto, en indicadores de vidrio normalmente se utilizan tubos de diámetro grande. El tubo de vidrio,puede considerarse como un manórnetro en el cual el tubo de vidrio busca la misma posición que el niveldentro del recipiente.. Estos sencillos instrumentos aún se usan cuando una lectura directa local del niveles satisfactoria y cuando la aplicación cae dentro de sus limitaciones.

Los tubos transparentes son de vidrio o plástico con suficiente rigidéz para soportar la presión en el reci-piente. Para este fin los tubos de vidrio generalmente están limitados a servicios de 1030 kPa (10.5 kg/cm2) (150 lb/in2) y 204°C (4OO°F) aunque los hay disponibles para servicios de 3098 kPa (31.6 kg/cm2) (450 Ib/in2) a 232°C (45O°F).

El indicador de vidrio generalmente se utiliza para altas presiones y temperaturas, hasta de 22,065 kPa(225 kg/cm2) (3200 lb/in2) y 538°C (1000°F).

4.1.3 Medidores de nivel tipo regleta

Los medidores de regleta son barras calibradas en unidades de longitud: metros, pies, centímetros, etc.

Existen dos tipos de medidores de regleta: las regletas móviles y las regletas fijas.

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GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOGUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOESPECIFICACIONESPECIFICACION

Y METODO PARA MEDICION DE NIVELY METODO PARA MEDICION DE NIVEL CFE GALIO-28CFE GALIO-28

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Las regletas móviles se usan en servicios que no requieren de una medición constante y donde su altura noLas regletas móviles se usan en servicios que no requieren de una medición constante y donde su altura norebase de cinco metros.rebase de cinco metros.

La regleta fija se aplica para servicios de indicación constante y para tanques abiertos.La regleta fija se aplica para servicios de indicación constante y para tanques abiertos.

Las principales desventajas son:Las principales desventajas son: se aplican sólo a líquidos que no se adhieran a la regla y donde no se pre-se aplican sólo a líquidos que no se adhieran a la regla y donde no se pre-sente ataque químico (ver figura 3).sente ataque químico (ver figura 3).

+lz-

--- -_-_- - -- -

22

FIGURA 3 Forma de mediciónFIGURA 3 - Forma de medición

I 4.1.4 Columnas de nivel (consideraciones de medición)

IEl rango de medición de nivel debe ser lo suficientemente amplio para cubrir el rango de operación supues-to o requerido. Sin embargo, al seleccionar el rango de medición del control del nivel de una aplicaciónparticular, puede que no sea conveniente utilizar el estándar más amplio del fabricante. Si esta recomenda-ción no se toma en cuenta, se corre el riesgo de que el operador manipule erróneamente el punto de ajustedel instrumento y ocasione variaciones de nivel que el ingeniero diseñador supone fuera del rango de ope-ración. En consecuencia, se debe pedir al fabricante que proporcione un rango que, aunque no sea el nor-malizado, satisfaga los requisitos del proyecto.

Cuando la interfase de dos líquidos esté claramente definida, como en el petróleo y el agua, la medición denivel puede llevarse a cabo correctamente, Sin embargo, cuando la interfase no esté claramente definida,como puede ocurrir con algunas combinaciones de líquido, o si uno de los I líquidos produce espuma, elrango de medición debe tomar en cuenta la distancia entre el nivel inferior de la fase superior limpia y elnivel superior de la fase inferior limpia, así como la tolerancia por variación del nivel de la interfase. Enotras palabras, cuando exista una banda en lugar de una línea de interfase, se debe tomar en cuenta la to-lerancia adecuada para medir el ancho de la banda más su oscilación. Esto también ocurre cuando la fasesuperior es un vapor o gas. Asimismo, al seleccionar el rango de medición se debe tomar en cuenta si ellíquido puede producir espuma o aumentar de volumen.

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GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOY METODO PARA MEDICION DE NIVEL

ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

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Ahora bien, un recipiente puede tener un grupo de instrumentos indicadores ajustados para operar enciertos niveles y rangos. Además, todos los rangos de los otros instrumentos los debe cubrir cuando menosun instrumento indicador con circuito independiente de medición. En consecuencia, el instrumento indi-

cador tendrá que cubrir más o menos altura del recipiente dependiendo de la altura que se vaya a usar o

verificar.

Es frecuente que los instrumentos indicadores de nivel con cámara externa no muestren el nivel exacto delrecipiente. Esto se debe a que la densidad del (los) líquido (s) en la cámara no es igual a la del (los) Iíqui-do (s) en el recipiente. Lo anterior generalmente ocurre cuando el recipiente y la cámara se encuentran adiferentes temperaturas.

4.1.4.1 usos

Con algunas excepciones, todo recipiente de almacenamiento de líquido debe contar con un instrumentoindicador que proporcione medición local del nivel en condiciones de operación y que sirva para calibrarotros instrumentos indicadores de nivel. El tipo más común de indicador es la columna de nivel, ver figu-ras 4, 5 y 6, sin embargo, existen otros. Los siguientes casos son algunas excepciones en el uso de indicado-res de este tipo.

- un recipiente cerrado de almacenamiento de líquidos venenosos o radiactivos. En estecaso, la falla de una columna de nivel puede provocar una fuga de líquido, lo cual estotalmente inaceptable. (las columnas de nivel normalmente se usan en industrias deproceso que manejan fluidos corrosivos e inflamables),

- un recipiente bajo condiciones de presión y temperatura que excedan las correspon-dientes de diseño de la columna de nivel,

- un recipiente que requiera medición de nivel dentro de un intervalo mayor de 3.66 m

(12 ft). En este caso, se deben cumplir dos condiciones: (1) que se disponga de unsistema alternativo de indicación, y (2) que el uso de este sistema represente unahorro considerable. Si no se satisface cualquiera de las condiciones citadas, se debeemplear tantas columnas de nivel como sea necesario,

- un recipiente abierto cuyo nivel pueda verificarse mediante la observación directa delmismo, o con ayuda de una vara, o para el que no se necesiten mediciones exactas.Sin embargo, en este caso por conveniencia se pueden preferir columnas de nivel.

4.1.4.2 Tipos

4.1.4.2.1 Blindada

Las columnas de nivel que generalmente se emplean son las blindadas con vidrios planos. La única excep-ción al respecto se debe a la recomendación de usar columnas de nivel tubulares para condiciones de ope-ración normales.

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ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

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FIGURA 4 - Columna de nivel

M l rcuria u otro líquidopesada e lnmiscible

FIGURA 5 - Líquidos pesados en columnas de nivel

Tanque a presión

FIGURA 6 - Medición de nivel de líquido a presión

8 7 1 2 1 8 I I I l I 1 I l l 1 1

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOY METODO PARA MEDICION DE NIVEL l

ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

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Las columnas de nivel blindadas se subdividen en los siguientes tipos:

a) Ref lex.

Las columnas de nivel tipo reflex están constituidas por una o más secciones. Cada sec-ción tiene un vidrio ordinario plano con estrías verticales dispuestas de forma que la inter-fase agua/vapor y gas o vapor/líquido aparezca claramente en blanco y negro. Cuandoconvenga usar una columna blindada y las condiciones de servicio lo permitan, se debeseleccionar un tipo reflex para facilitar la lectura. Ver figuras 7 y 8.

Existen diseños especiales que permiten hasta 34,473.8 kPa, (35.2 kg/cm2) (5000 Ib/in2) a 37.8°C (100°F) y de 6,894.76 kPa (7 kg/cm2) (1000 Ib/in2) a 398°C (750°F) etc.En estos casos el cuerpo del medidor es un metal colado o forjado con cristales gruesos decuarzo o una placa de plástico para proveer una abertura visual. El indicador reflex es detipo prismático o reflex, en el cual la cara interior del vidrio está provista de prismas de90” alineados a lo largo del indicador. Los rayos de luz normales en la cara del cristalchocan con los prismas en un ángulo de 45”. Si no hay líquido en contacto con los pris-mas, se provoca una reflexión total, debida a que el ángulo crítico para que pase un rayodel vidrio al aire es de 42”; de esta forma el vidrio aparece con un blanco plateado. El án-gulo crítico de un rayo que pasa del cristal al agua es de 62°; es así como el rayo de luzpasa a través del agua. El interior de este dispositivo normalmente está pintado de negro,de tal suerte que aunque el líquido sea incoloro, el observador verá negra la porción delíquido en el indicador. El tipo reflex no permite la observación del color del líquido o lainterfase de dos líquidos diferentes. Para distinguir el color, características o interfase deun líquido, puede utilizarse un indicador de tipo transparente, similar en construcción alreflex. En los lados opuestos de la cámara del líquido de este modelo, se colocan cristalesgruesos los cuales no tienen prismas.

Indicador de tapones de congelamiento. Este tipo es útil para detectar líquidos que esténa temperaturas inferiores a 0°C, tal como el propano o el butano. Al tener suficiente con-tacto con el aire, se congelan los tapones que están debajo de la superficie del nivel del líquido.

b) Transparente.

Las columnas de nivel tipo transparente también están constituidas por una o más seccio-nes. Cada sección tiene un vidrio plano en el frente y uno en la parte posterior. A vecesopta por este tipo de columnas en servicios que normalmente emplean tipo reflex. Sinembargo, se debe tomar en cuenta que el tipo transparente tiene un costo mayor que elreflex y por lo tanto no se debe emplear en forma indiscriminada. La columna transparen-te, se debe usar cuando se necesite una columna blindada y se cumpla cualquiera de las si-guientes condiciones:

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Y METODO PARA MEDICION DE NIVEL CFE GALIO-28 I

I NCERTOESTABILI

Valvulasde corte

Valvula de retención

(0) u (b)

FIGURA 7 - Columnas de nivel

a) Detalle de una columna de nivelb) Tipo reflex

FIGURA 8 Columna tubular blindada

ZADOR

DE VIDRIO

ll de 120I

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO ESPECIFICACION


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- cuando el líquido sea pegajoso y ensucie la columna, la solución es colocar una luzdetrás de la columna para mejorar la visibilidad,

- cuando se requiera observar una interfase de líquido/l íquido,

- cuando el líquido ataque el vidrio de tal modo que reduzca su visibilidad y sea nece-sario usar un material protector para evitar el contacto del líquido con el vidrio (verinciso 4.1.4.8.1, f).

4.1.4.2.2 Tubular

Este indicador es el tipo de columna de nivel de menor presión y costo. Básicamente, consiste en un tubode vidrio y dos válvulas de bloqueo que forman un ensamble completo. Ver figuras 9 y 10. Se debe usaren el caso de fluidos que no sean peligrosos y que no ataquen el vidrio (ver inciso 4.1.4.8.1, f). Por segu-ridad, este tipo de columna debe contar con varillas protectoras u otro dispositivo similar (ver inciso4.1.4.8.2, a).

Para obtener buena visibilidad, se pueden emplear columnas de nivel de “ l ínea roja”. Este tipo de columnatiene una línea roja gruesa desde la parte inferior del indicador hasta arriba del nivel del líquido.

4.1.4.3 Rango de presión nominal

a) Las columnas de nivel blindadas son adecuadas para trabajar a 704 kg/cm2 abs. y 398°C(10,000 psig y 75O°F), aún cuando su rango de presión nominal es mayor. Para rangos depresión nominal de diferentes marcas y modelos es necesario consultar la literatura del fa-bricante. En el caso de un proyecto en particular, puede ser de interés usar un solo rangode presión nominal a fin de uniformar las dimensiones de las columnas requeridas.

b) Las columnas de nivel tubulares no deben usarse a más de 4.55 kg/cm2 abs. o 100°C(65 psig o 212°F).

4.1.4.4 Longitud

4.1.4.4.1 Visible

a) A excepción de las columnas con cojín roscado para soldar, las columnas blindadas estánconstituidas por un número de secciones normalizadas que al ensamblarlas integran unasola cámara. Cada una de estas secciones es relativamente corta debido a las limitacionesde resistencia. Las longitudes y rangos de presión nominal de estas secciones varían de unfabricante a otro. Todas las secciones de la columna deben ser del mismo tamaño, lo cualtambién debe aplicarse a cualquier proyecto que tenga como objetivo uniformizar el ta-maño de las columnas. Por lo regular se especifica que la longitud de sección sea la máslarga que el fabricante del modelo en particular ofrezca.

871218 I I I 1 1 l I 1 I 1 I



c

c

c

c

c \

\

\

FIGURA 9 - Vidrio transparente

AMORTIGUADOR

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FIGURA 10 - Vidrio de nivel tubular

871218 I I I I I I I 1 1 I I

GUlA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOESPECIFICAClON


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El número de secciones de columnas blindadas va desde un mínimo de una, hasta un má-

ximo que depende de la marca y el modelo. Por lo regular, según se considere apropiadopara el servicio en particular, se recomienda cualquier número de secciones que varie entreuna y cinco, así como también se aconseja el empleo de más de una columna si se requierevisibilidad adicional. Cuando se use más de una columna para cubrir una distancia deter-minada, éstas se deben instalar de modo que al traslapar sus visibilidades cubran la longi-tud de interés, por ejemplo, una pulgada. Dentro de las columnas con cojín roscado parasoldar, están las de forma rectangular y circular.

b) Las columnas de nivel tubulares se encuentran disponibles en cualquier longitud con unvalor máximo de 1.8288 m (72 pg). La longitud del tubo de vidrio puede especificarse yasea directa o indirectamente. En la forma indirecta, se define la distancia de centro a cen-tro de las válvulas de bloqueo de la columna.

4.1.4.4.2 Total

a) En el caso de columnas de nivel blindadas, cada modelo y arreglo tiene una longitud nor-malizada de fábrica, una lingitud normalizada mínima en el caso de columnas tubulares.Sin embargo, estas últimas pueden fabricarse de una longitud específica mayor que la mí-nima. Esta característica es útil, en caso de que una instalación no cuente con el espaciosuficiente para los accesorios de conexión (ver inciso 4.1.4.5).

b) La longitud total de una columna de nivel tubular debe incluir las válvulas de bloqueo.Esto se debe a que el tubo de vidrio y las válvulas forman parte de la columna (ver inciso4.1.4.4.1).

4.1.4.5 Montaje

a) Las columnas de nivel blindadas pueden tener conexiones superiores, inferiores, lateraleso posteriores. A menos que se requieran una o dos conexiones laterales o una posteriorpara un servicio especial, la columna debe tener conexiones superiores o inferiores. El usode una o de dos conexiones laterales o posteriores, permite contar con una instalaciónmás pequeña para un tamaño de columna en particular. Este tipo de conexiones se debeusar si las condiciones de espacio son reducidas, como por ejemplo, cuando se requiereque la columna de nivel esté situada lo más cerca posible de la conexión del recipiente(ver inciso 4.1.4.4.2).

b) Una forma de montaje poco empleada en columnas de nivel blindadas es la de cojín rosca-do para soldar. Esta conexión implica que la columna tenga que soldarse y formar partedel recipiente (ver figura 11). Puede ser útil en cualquiera de los siguientes casos:

- cuando el fluido tiene sólidos en suspensión, los cuales pueden tapar el vidrio,

- cuando la longitud del vidrio requiere muchas conexiones externas,

871218 I I I I I 1 1 I 1 l 1



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79.375 mm (3 1/8 pg)

15.875 mm (5/8 pg) HEXAGONAL

PARED DEL TANQUE

VISTA ESQUEMATICA SOLDABLE

1 No. 1 Nombre 1 Material 1

1 Soldadura Acero al carbón

2 Cubierta Acero foriado

3 Vidrio Templado

4 Empaque Asbestos

5 Cojinete Asbestos

6 Barreno Alloy B-7

FIGURA ll - Vidrio soldable

871218 I I I I I I I I ! I 1

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO

I

ESPECIFICACION


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- cuando no hay espacio para indicadores externos,

- cuando el fluido de proceso es muy peligroso,

- para evitar errores causados por los cambios de densidad, cuando las cámaras exter-nas tienen diferente temperatura a la del tanque.

Las columnas de nivel soldables no deben usarse cuando:

- no se puede disminuir la resistencia del tanque,

- una rotura del vidrio causa una fuga incontrolable de material,

- la posible ruptura puede ocasionar peligro en muchos fluidos.

Las columnas de nivel blindadas con cojín roscado para soldar normalmente están consti-tuidas por secciones simples. A diferencia de éstas, las tipo transparente constan de paresde secciones colocadas una a continuación de otra a lo largo de toda la longitud del reci-piente. El fabricante del recipiente debe encargarse del montaje de esta clase de columnas.

c) Las columnas de nivel tubulares no tienen arreglos alternativos de montaje. Las dos válvu-las de bloqueo forman un ensamble completo con el tubo de vidrio y sirven como cone-xiones de montaje.

4.1.4.6 Conexiones

a) Las columnas de nivel blindadas generalmente cuentan con conexiones hembra de 3/4 pg(.019 m) o 1/2 pg (.013 m) NPT: para otras opciones se deben consultar los catálogos delfabricante.

b) Las columnas de nivel tubulares no tienen más conexiones que los extremos del tubo devidrio.

4.1.4.7 Materiales

a) El cuerpo de la cámara de columnas blindadas debe estar hecho de un material que satis-faga las condiciones de diseño del recipiente. Generalmente, el material del cuerpo es elmismo que el del recipiente. El cuerpo también puede estar hecho de un material a basede costo relativamente bajo y algún recubrimiento resistente a la corrosión como hule,plomo, plástico, etc. El rango de presión nominal del cuerpo puede variar con el tipo dematerial utilizado.

871218 1 1 I I I I I I 1 I I

ESPECIFICAClONGUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO


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Las placas de cubierta tienen que estar diseñadas para la presión de trabajo especificada,no deben ser partes mojadas por el fluido de proceso y no necesitan ser resistentes a lacorrosión provocada por el proceso.

Los empaques pueden ser de asbesto, teflón u otros materiales adecuados para el servicioen particular. Al seleccionar este material, debe tenerse cuidado de que las altas tempera-turas que se puedan presentar no reduzcan el rango de presión nominal del instrumento.

b) Las columnas tubulares deben ser del vidrio más adecuado para la presión y temperaturade diseño del servicio en particular. El vidrio que normalmente se usa es el Pyrex u otrotipo resistente a variaciones de temperatura.

4.1.4.8 Accesorios

4.1.4.8.1 Para columnas de nivel blindadas

a) Cámara de condensación.

Este tipo de dispositivo (que comparativamente es de mayores dimensiones que la cáma-ra normal de columnas de nivel) es una cámara de .0508 m (2 pg) de diámetro interior.La cámara de condensación debe utilizarse sólo cuando se espere la formación de burbu-jas dentro de ella. Estas pueden provenir de la evaporación súbita de líquido o de la Iibe-ración de gas disuelto, producida a su vez por una reducción de presión o un incrementode temperatura por encima del punto de ebullición, por ejemplo; en un líquido de muybajo punto de ebullición sometido a altas temperaturas.

b) Ensamble de tubos para calentamiento y/o enfriamiento.

Este accesorio consiste en un ensamble de tubos internos o externos a través del quepuede circular un fluido de calentamiento o enfriamiento. Existen otros accesorios decalentamiento que son eléctricos.

El accesorio para calentamiento sirve para evitar que se congele el fluido de la columnade nivel. De forma análoga, la función del accesorio para enfriamiento es evitar la evapo-ración, como en el caso del gas natural licuado.

c) Ensamble a prueba de congelación.

Este accesorio se usa para líquidos cuya temperatura está abajo del punto de congelacióndel agua. Básicamente, consiste de un tramo grueso de plástico transparente e incoloroque va montado al ras del vidrio plano de la columna de nivel. El espesor debe ser el re-querido para proporcionar un gradiente de temperatura tal que la cara posterior del plás-tico esté a ó cerca de la temperatura del líquido frío mientras la cara frontal esté a ó cer-ca de la temperatura ambiente. Con esto, se evita la formación de escarcha que obscurez-ca la cara frontal del vidrio de la columna de nivel, y se reduce la abosrciôn del calor yevaporación del líquido de dicha columna. También se usan como se muestra en la Figu-ra 12.

R717lQ 1 I I I 1 1 1 I I I I

FIGURA 12 - Extensiones anticongelantes


ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

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871218 I I I I I I I I 1 I 1 .



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d) Curva de expansión.

Cuando se usen columnas de nivel en el servicio de vapor a 5171.07 kPa (53 kg/cm2 abs)(750 psig) o mayor, debe especificarse que la columna cuente con una curva de expansióncolocada en la parte superior de la misma. De este modo, se reducen los esfuerzos ocasio-nados por la expansión diferencial de la columna de nivel y el recipiente o tubería.

e) Roldanas.

El fabricante puede recomendar y suministrar roldanas para las columnas de nivel que seusen en servicios a altas temperaturas. Estas roldanas se colocan bajo las tuercas de la co-lumna, y sirven para compensar la expansión y contracción de los componentes de la co-lumna, manteniendo de este modo el ajuste entre componentes sin importar las ampliasvariaciones de temperaturas.

f) Mica protectora.

El vidrio de una columna de nivel puede sufrir ataques químicos y perder transparenciaal entrar en contacto con un líquido de pH mayor de 8, o vapora 2068 kPa (21 kg/cm2

abs) (300 psig). En estos casos, el vidrio debe contar con una mica protectora que SE

puede utilizar en lugar del vidrio tipo Reflex.

g) Iluminador.

Este accesorio es una sección transmisora de luz constituida básicamente por un ensambleformado por plástico incoloro y una lámpara eléctrica (ver Figura 13). Este dispositivoproporciona la luz necesaria para las columnas blindadas situadas en áreas de poca ilumi-nación. Debe utilizarse donde no exista iluminación interior o nocturna. Por lo general,no se requiere en plantas termoeléctricas. Y, cuando se emplee para instalaciones en ope.ración, debe especificarse el tipo de cubierta y tensión.

h) Válvulas de aislamiento.

Estas válvulas encuentran su única aplicación en las columnas de nivel con cojín enrosca-do para soldar. Su función es permitir el mantenimiento de la columna sin tener que parary ventear el recipiente en el que se encuentra montada. Estas válvulas van fijas al recipien-te mediante soldadura de filete. De este modo, la cámara de la columna queda perfecta-mente fija al recipiente mediante soldadura por puntos.

i) Escala.

Las columnas de nivel tubulares pueden venir equipadas con una escala calibrada de medi-ción.

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ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

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FIGURA 13 - Iluminadores

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GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO ESPECIFICAClON


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4.1.4.8.2 Para columnas de nivel tubulares

a) Dispositivos de protección.

Toda columna de nivel tubular debe tener dispositivos contra golpes externos, por ejempío, varillas protectoras, o en su defecto una cubierta de metal acanalado, plástico o vidriode seguridad para protección adicional.

b) Escala.

La columna puede contar con una escala calibrada de medición que sirva para obtener evalor de nivel. La escala puede estar hecha de plástico grabado o de diferentes metales,ya asea grabados o pintados.

c) Interruptor de nivel.

Las columnas de nivel tubulares pueden contar con un interruptor tipo capacitancia quepuede usarse con uno o más interruptores similares a fin de obtener control por etapas alarma. Sin embargo, este arreglo no se recomienda para servicio pesado.

4.1.4.9 Válvulas de bloqueo

A diferencia de las válvulas de corte para todo tipo de columna, las válvulas de bloqueo proporcionan características específicas para cada tipo de servicio, por ejemplo; tipos especiales de cuerpo, válvula de retenciónintegrada, conexión integrada para purga y facilidad de extracción para mantenimiento. Estas válvulas seemplean en columnas tubulares siempre y cuando sea pertinente y posible.

4.1.4.9.1 Tipo de cuerpo

Las válvulas de bloqueo son del tipo de ángulo, con dos variantes: de paso recto y descentrada. La de pasorecto tiene las conexiones de la columna y recipiente situadas en un plano. La segunda, como su nombre loindica las tiene descentradas una con respecto a otra, lo cual permite la limpieza de la parte interior de losvidrios de columnas con conexiones en los extremos. Se debe usar cuando se requiera mejorar la visibilidadsin necesidad de remover la válvula o columna. Asimismo, con fines de uniformidad, las columnas con conexiones laterales también deben contar con este tipo de variante.

4.1.4.9.2 Materiales

Todo el material de las válvulas de bloqueo debe ser el adecuado para las condiciones de diseño del recipiente.

a) Cuerpo.

El material del cuerpo generalmente es el mismo que el del recipiente, a excepción de lashcolumnas de nivel tubulares, que por lo regular son de latón o bronce.

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b) Asiento y disco.

El asiento y disco de cuerpos de metales ferrosos deben estar hechos de acero inoxidable,estelita, u otro material resistente a la corrosión. En el caso de cuerpos de metales no fe-

rrosos, dichas partes deben ser metálicas; esto es, no se deben emplear asientos de metales

suaves.

c) Vástago.

El vástago debe ser el normalizado del fabricante.

d) Empaque.

El empaque debe ser de grafoil o similar, a menos que según lo especificaco por el proyec-to se opte por el normalizado del fabricante para servicios que se desarrollen a una tempe-ratura que no exceda de 232°C (450°F).

4.1.4.9.3 Régimen de presión

El régimen de presión de las válvulas de bloqueo debe satisfacer las condiciones de diseño del recipiente.Para determinar los regímenes de presión correspondientes debe consultarse la literatura del fabricante.

4.1.4.9.4 Bola de retención

Aunque las columnas de nivel trabajan satisfactoriamente dentro de sus condiciones de diseño, y estánhechas de vidrio de muy alta calidad que resiste variaciones de temperatura y golpes, el vidrio es un mate-rial frágil que puede fracturarse debido a la torsión impropia de los pernos de sujección, instalación inade-cuada, u otras razones. Asimismo, puede aparecer una fuga como resultado de la falla de un empaque desello. Esto es, las columnas de nivel han demostrado que son muy confiables en servicio; sin embargo, comoprecaución, toda válvula de bloqueo debe contar con una válvula de retención integrada. Esta válvula cuen-ta con un tapón de bola que, al asentarse, automáticamente bloquea el flujo subsecuente a un venteo de lacolumna ocasionado por la presión del recipiente,

4.1.4.9.5 Construcción del asiento

Toda válvula de bloqueo cuenta con dos asientos principales y uno opcional. Los principales son para cortemanual y retención de bola respectivamente. El asiento para corte manual puede ser reemplazable de alea-ción, inserto no reemplazable de aleación; o integrado. El asiento reemplazable debe especificarse para cor-te manual.

El asiento de retención de bola normalmente es de construcción normalizada.

El asiento opcional es el de la parte posterior del vástago (backseating). Este permite el reemplazo del em-paque de la válvula mientras ésta se encuentra en servicio. No se debe especificar asiento posterior debidoa que las válvulas de corte del cabezal de instalación:

L

~ 871218t

1 1 1 I 1 I I 1 I I I



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a) Hacen innecesario el uso de dicho asiento.

b) Proporcionan mayor seguridad cuando se requiere cambiar el empaque de las válvulas debloqueo.

4.1.4.9.6 Bonete

Los botones deben ser de construcción normalizada a excepción de los siguientes casos:

a) Si el bonete es roscado, debe contar con juntas de pasador para evitar el desensamble acci-dental.

b) En servicio corrosivo, el bonete debe llevar pernos para facilitar el desensamble.

4.1.4.9.7 Conexiones

a) Si no existen requisitos especiales, las válvulas de bloqueo de columnas de nivel blindadas

deben contar con las siguientes conexiones:

- conexión de la columna de nivel: Sirve para hacer la conexión con la cámara,

- conexión del recipiente: Macho, 3/4 pg (.019 m) NPT con unión esférica. La uniónesférica le da mayor flexibilidad al ajuste en el campo de un par de conexiones de re-cipiente que no estén ubicadas adecuadamente. Asimismo, permite que la columnade nivel se desensamble para darle mantenimiento,

- conexión de purga: Hembra 1/2 pg (.013 m) NPT con tapón de 0.0508 m (2 pg).

b) A menos que existan requisitos especiales, las válvulas de bloqueo de columnas de niveltubulares deben contar con las conexiones siguientes:

- conexión de la columna de nivel: Sirve para conectara la cámara,

- conexión del recipiente: Macho, 3/4 pg (0.019 m) NPT con unión sencilla. No debeusarse unión esférica debido a que el ensamble puede torcerse y el tubo de vidriofracturarse,

- conexión de purga: Hembra, 1/2 pg (0.013 m) NPT con tapón de 0.0508 m (2 pg).

i 4.1.4.9.8 Manijas

Las manijas que generalmente se emplean son volantes, y la rosca del vástago debe ser la normalizada delfabricante. Si se dificulta el acceso a una válvula de bloqueo, puede especificarse el uso de una manija tipopalanca, con una cadena o cadenas de determinada longitud, y la rosca del vástago debe ser para cierrerápido.

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I

ESPECIFICACION


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4.1.5 Indicadores de nivel tipo magnético

4.1.5.1 Características generales

Estos dispositivos son una réplica en metal de una columna de nivel tubular. Pueden cubrir un intervalo demedición tan amplio como se requiera.

4.1.5.2 Principio de operación

Se fabrica un indicador de nivel tipo magnético que cuenta con una cámara vertical en la que corre un flo-tador con magneto. Además esta cámara cuenta con una sección de indicación con una serie de láminas decolores que al cambiar de posición , por la acción del magneto, muestran uno u otro color de sus caras. Deeste modo, el indicador muestra el nivel registrado dentro de intervalos pequeños de medición (ver figura14).

4.1.5.3 usos

Es útil contar con un indicador de nivel tipo magnético cuando normalmente se requiera el uso de una co-lumna de nivel y no se acepte la fragilidad del vidrio, empaques u otra fuente de fuga potencial. Los indica-dores de nivel tipo magnético pueden conectarse al recipiente que corresponde mediante soldadura. De es-te modo se obtiene un sistema de medición a prueba de fugas.

Estos indicadores también pueden ser útiles cuando sea difícil distinguir una interfase formada por dos l í-quidos de colores similares. La diferencia de gravedades específicas debe ser cuando menos de 0.2; si la di-ferencia es menor, debe consultarse al fabricante.

4.1.5.4 Condiciones de servicio

Los indicadores de nivel tipo magnético pueden operar presiones y temperaturas que alcancen los 3447kPa(35.1 kg/cm2) y 315°C (500 psig y 600°F).Si se desea información adicional, se debe consultar el catálogo del fabricante.

4.1.5.5 Tipos de arreglos

Entre los tipos de arreglos están:

a) Con cámara de flotador: Esta cámara se conecta en forma similar a la de una columna denivel. La cámara de flotador cuenta con conexiones superiores, inferiores, laterales o pos-teriores. La sección de indicación puede montarse, ya sea en el lado exterior de la cámaradel flotador, o con ayuda de una barra de extensión, en una cámara de indicación por se-parado, localizada en la parte inferior o superior de la cámara del flotador. Cuando se tie-ne la segunda alternativa, no se debe hacer uso de conexiones de tubería para obtener elarreglo descrito.

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ESPECIFICACION

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DISPOSITIVOPROTECCIONMAGNETICA

FLOTADOR

FIGURA 14 - Indicador magnético

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I GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOY METODO PARA MEDICION DE NIVEL I ESPECIFICACION

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b) Sin cámara de flotador: La sección de indicación se monta en la parte superior del reci-piente con el flotador dentro de éste. El recipiente debe contar con un pozo de amorti-guamiento para proteger al flotador de las turbulencias.

4.1.5.6 Construcción

La cámara de flotador normalmente está hecha de tubería de 2 pg (.050 m). No tiene longitud normaliza-da pero puede ser tan larga como sea necesario. Asimismo, deben tomarse en cuenta las limitaciones deembarque.

La sección de indicación de nivel se encuentra montada en el lado exterior de la cámara de flotador o cá-mara de indicación. Esta sección de indicación se encuentra disponible sólo en longitudes normalizadas, 6,12, 18, 24 y 36 pg (0.150, 0.3, 0.45, 0.6, 0.9 m); sin embargo, pueden combinarse dos o más de estas lon-gitudes a fin de obtener la longitud total requerida. Cuando se combinen dos longitudes, debe existir un es-pacio muerto de 0.0254 m (1 pg) entre ellas. La longitud de indicación de nivel tiene divisiones cada

1 0.0102 m (4 pg).

1 4.1.5.7 Conexiones

Las conexiones de la cámara de flotador básicamente son para tubería de 2 pg (0.051 m) y se pueden con-seguir como cualquier clase de conexiones de tubería; sin embargo, deben especificarse para que se ape-guen a la especificación pertinente de tuberías del proyecto.

4.1.5.8 Materiales

El flotador y sus partes internas generalmente deben ser de acero inoxidable 321.

La sección de indicación opera mediante flujo magnético y por lo tanto debe tener una pared hecha de al-gun material no magnético. Cuando esta sección se encuentre montada en el lado exterior de la cámara deflotador, el material de que esté hecha dicha cámara no debe ser magnético (por lo regular acero inoxida-ble 304). Asimismo, cuando la sección de indicación no se encuentre en el lado exterior de la cámara deflotador, o sea, que esté en una cámara de indicación, la cámara de flotador puede ser de acero al carbón,que es un material magnético, o de acero inxidable 304; en consecuencia, la cámara de indicación no debeser de un material magnético, por lo regular acero inoxidable 304.

La sección de indicación normalmente está hecha de acero inoxidable 304.

Las láminas de indicación por lo regular se encuentran contenidas por un marco de aluminio y una secciónde vidrio. Estas láminas, normalmente tienen un recubrimiento de teflón.

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I GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO I ESPECIFICACION

Y METODO PARA MEDICION DE NIVELI CFE GALIO-28

4.1.5.9 Accesorios

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4.1.5.9.1 Interruptores de nivel

Este tipo de indicadores pueden contar con un interruptor de nivel accionado por magneto. Sin embargo,de preferencia debe usarse un interruptor convencional de nivel.

4.1.5.9.2 Escala

Como en el caso de las columnas de nivel, estos indicadores de nivel tipo magnético pueden contar con unaescala calibrada de medición.

4.1.6 Aplicación de columnas de nivel en centrales termoeléctricas

Uno de los primeros métodos empleados para la indicación contínua del nivel de líquido dentro de un tan-que o recipiente, es el de las columnas de nivel (ver figura 4). En este método, el peso de una columna de

líquido de un tanque se equilibra con el peso de una columna del mismo líquido contenido en el tubo del

manómetro. Este tubo no necesariamente utiliza el mismo líquido, ésto es; puede emplear cualquier otro

líquido (ver figura 5). Cuando se usan líquidos pesados como mercurio, la altura de la columna de indica-ción es solamente una pequeña fracción de la altura del líquido del tanque.

Una modificación del método descrito es la referente a la medición de nivel de un líquido a presión (verfigura 6).

Los diseños disponibles en la actualidad (ver figura 7) son de construcción robusta y pueden operara pre-siones tan altas como 68927 kPa (703 kg/cm2) (10000 psi) y temperaturas de 537°C a 648°C (1000°F a1200°F). Dentro de estos diseños, las propiedades ópticas del tipo reflex proporcionan una imagen claradel nivel. Esto es particularmente importante cuando se desea obtener una lectura general del nivel y nouna lectura exacta del mismo, como en un generador de vapor. Asimismo, los diseños para servicio de va-por se emplean en trampas de vapor, condensadores y recipientes a presión no relacionados con la combus-tión. Una nueva columna de nivel recientemente desarrollada (ver figura 8) incluye algunas de las caracte-rísticas de diseño de la columna tubular y de la columna blindada. La limitante principal de las columnastubulares es su fragilidad; los tubos de vidrio son largos y las barras de protección son inadecuadas paracumplir con su objetivo. Asimismo, cualquier movimiento relativo de las conexiones provoca la fracturadel tubo de vidrio.

, El objetivo del diseño de la columna tubular blindada es superar estos inconvenientes y obtener las venta-jas del uso de un tubo de vidrio. En forma análoga a las columnas reflex y transparentes blindadas, este di-seño tiene un cuerpo pesado y rígido que envuelve casi completamente al tubo de vidrio, esto es, la secciónde indicación está al descubierto.

El cuerpo está constituido por una sola pieza de conexión a conexión: por lo tanto, los movimientos relati-vos de las conexiones producen esfuerzos en el cuerpo y no en el tubo de vidrio.

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GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOESPECI FICACION


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Entre otras ventajas de este tipo de columna están:

a) Es posible conseguir columnas con longitudes visibles arriba de 3.66 m (12 ft).

b) Cuando sea necesario, es posible obtener columnas con cuerpos de grandes longitudes.En consecuencia, se requieren menos conexiones de recipiente y la instalación total esmás simple y económica.

c) El cuerpo no está en contacto con el fluido de proceso; por lo tanto, se pueden hacerahorros importantes en instalaciones que manejen fluídos corrosivos.

d) Existe una reducción en las áreas de sellos de la columna y los sellos generalmente em-pleados son simples.

e) Los componentes de la columna son pocos y pueden removerse y volverse a colocar conmucha facilidad.

Aun cuando este tipo de columna presente muchas ventajas, se debe seleccionar el más adecuado para el

servicio especificado.

Entre los equipos principales de plantas termoeléctricas en los que se emplean columnas de nivel están:

a) Tanque de almacenamiento del desgasificador.

b) Pozo caliente del condensador.

c) Calentadores de agua de alimentación.

d) Sistema de inyección de químicos.

e) Domo del generador de vapor.

Ahora bien, entre algunos de los equipos auxiliares que usan columnas de nivel, están:

a) Tanque de almacenamiento del sistema de agua helada para el tablero de muestreos.

b) Tanque de aceite de lubricación.

c) Tanque de drenajes de agua de sellos.

d) Tanques de dilución y disolución del sistema de inyección de productos químicos alciclo.

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e) Tanques de disolución de productos químicos a inyectar en el sistema de agua de circula-ción.

f) Tanque de purga contínua e intermitente.

g) Generador de vapor/vapor.

h) Tanque almacenador de agua fría.

i) Unidad de retorno de condensado.

4.2 Medidores de Nivel Tipo Fuerza de Flotación

4.2.1 Flotadores internos y externos

Este tipo de instrumentos utilizan un cuerpo hueco e impermeable, el cual flota sobre la superficie del Ií-quido, variando así su posición, de acuerdo a los cambios de nivel. Existen flotadores internos y flotado-res externos, utilizándose estos últimos en tanques a presión, permitiendo que puedan ser removidos sinafectar el proceso (ver figura 15 y 16).

4.2.1 .1 Principio de operación

La figura 17 muestra una esfera conectada a una barra y Asta a una flecha rotatoria que opera sobre uncojinete, soporte, o empaque unido a un puntero indicador y a una escala. El viaje efectivo del flotadory del dispositivo de medición de flecha es limitado debido a consideraciones prácticas. El ángulo =,que se muestra en la figura 17 no debe exceder 60° de la rotación de la flecha (± 30” de la horizontal)con el objeto de obtener una medición y respuesta satisfactoria. Por lo tanto, el máximo rango de la me-dición del nivel puede expresarse aproximadamente como:

H = 2 L sen 0: (6)2

donde:

H = rango de la medición del nivel.

L = longitud de la válvula que conecta al flotador con la flecha.

a = ángulo de rotación de la flecha.

La potencia que desarrolla una unidad de flotador, es función del desplazamiento disponible del líquidoalrededor de la circunferencia del flotador. Por ejemplo, si el flotador se mantiene en una posición fija,por fricción u otros medios, un incremento del nivel en la circunferencia del flotador provocará un

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FIGURA 15 - Medidor de nivel tipo purga


.ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

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FIGURA 16 - Medidor de nivel tipo flotación

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I

ESPECIFICACION


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desplazamiento del líquido igual al producto del segmento del flotador por el incremento del nivel. Debi-do a ésto, se producirá una fuerza de flotación igual al peso del líquido desplazado. Por otro lado, si el Ií-quido baja por la circunferencia del flotador, el peso del líquido equivalente al volumen del segmentodesplazado es igual al valor de la fuerza de flotación negativa o a la cantidad de fuerza actuante endirección hacia abajo. Como se muestra en la figura 17, esta fuerza puede expresarse de la siguientemanera :

F = 0.0361 AtG (7)

donde:

F = fuerza del flotador debida al efecto de flotación.

A = área cubierta del segmento del flotador.

t = cantidad del aumento o disminución del nivel.

G = gravedad específica del líquido.

Nota: 0.0361 es en libras por pulgada cúbica de agua ó 9.99 x 10-4 kilogramos por centímetro cúbi-co de agua.

El área A para un flotador es D 2 /4, D es el diámetro del flotador. Por lo tanto, la ecuación (7) se con-vierte en : ;

F = 0.009025 D2 tG (8)

El torque disponible para vencer la resistencia por fricción en cualquier punto “p” del brazo (ver figura17) puede representarse como:

Tc%k

(9)

donde:

T = torque en cualquier punto del brazo de medición, a una distancia k de la flecha demedición.

k = longitud del brazo de medición al punto “p”.

1 Para un flotador específico, la ecuación (9) se convierte en:

/ T = 0.009025 D2 tGL (10)

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/--\, \ /- COJINETE

FIGURA 17 - Principio de operación del mecanismo de flotador

4.2.1.2 Determinación del nivel al medir el movimiento de un flotador

4.2.1.2.1 Válvulas de flotador

Válvulas auto-operadas por flotador.- El más simple de los controles de nivel es generalmente conocidocon el nombre de “válvula de palanca operada con flotador” (ver especificación CFE GVOOO-19).

4.2.1.2.2 Indicadores de flotador y cinta o cadena

Los dispositivos de medición de flotador y cinta tienen amplia aplicación en diversas industrias. El flota-dor está conectado por medio de una cinta metálica flexible o cadena a un miembro rotatorio que accionalos mecanismos de medición.

Estos indicadores pueden dividirse en dos clases: los de balance puramente mecánico y los de balance au-tomático.

a) Indicador de balance mecánico.

En la figura 18 se muestra un montaje típico de estos dispositivos; cuando el nivel del Ií-quido varía, el flotador se mueve en dirección vertical a lo largo de los dos alambresguías, la cinta conectada al flotador, va a través de ángulos y tubería hasta la caja de in-dicación donde se enrolla en un tambor, el cual se mantiene bajo torque constante accio-nado por resortes. La rotación del tambor, a su vez mueve la felcha indicadora y ésta a

los engranes de las agujas indicadoras; de esta manera, la variación del nivel se indica en

la carátula del indicador. Una variación más simple de estos indicadores, la constituyenlos medidores de nivel tipo regleta. En éstos, la cinta es balanceada por un contrapesoque corre a lo largo de la regleta, dando como resultado una indicación directa sobre lamisma.

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GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO ESPECIFICACIONY METODO PARA MEDICION DE NIVEL

CFE GALIO-28

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ANGULO GUlA

TORNILLO DEL ALAMBRE GUIA

RTE DEL TUBO

ALAMBRE GUIA

ERPO DEL MEDIDOR

ANCHO DEL ALAMBRE

MONTAJE LATERAL DE UN INDICADORDE FLOTADOR Y CINTA

FIGURA 18 - Montaje lateral de un indicadorde flotador y cinta

4

SISTEMA DECOMPENSACION

RUEDA DENTADA

DESPLAZADOR PLATO GRADUADO

NIVEL DEL LIQUIDO

TAMBOR DE LA C

MECANISMOS DEINTERRUPTOR

SERVO MOTOR

FUENTE DE PODER

PRINCIPIO DE OPERACION DE UN INDICADORDE BALANCE AUTOMATlCO

FIGURA 19 - Principio de operación de un indicadorde balance automático

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b) Indicador de balance automático.

La figura 19 ilustra un dispositivo de balance automático para medir el nivel con unaunidad de flotador y cinta; en la superficie del liquido está suspendido por medio de unacinta metálica, un flotador de gran área seccional. Los alambres guía están tensionadoscon resortes de tal manera que el flotador se pueda subir o bajar sin fricción. La cintaque suspende al flotador, se guía hasta el indicador a través del sistema de balance, que asu vez acciona los mecanismos de indicación y transmisión. Un motor de balance, movì-do en dirección normal y en reversa, por la señal amplificada que se genera en el sistemade balance, ayuda a la cinta metálica a enrollarse en el tambor de la cinta.

Cuando el nivel del líquido se altera, la variación en el peso del flotador cambia la ten-sión T de la cinta, la cual a su vez mueve la posición en el núcleo de hierro del sistema debalance.

Esto hará variar las posiciones relativas del núcleo de hierro y de la bobina diferencial y

entonces genera una señal que tiene un ángulo de fase opuesto dependiendo de la posi-ción. Un amplificador transmisor amplifica la señal y el motor de balance se retroalimen-ta moviendo el tambor de la cinta en una y otra dirección posicionando el flotador en elpunto de balance.

4.2.1.2.3 Indicadores de flotador tipo magnético

a) Interruptor de flotador operado magneticamente.

Este dispositivo detecta la superficie del líquido por medio de un flotador, el cual trans-fiere las variaciones de nivel en desplazamiento de un núcleo de hierro. Un imán soporta-do por un pivote y un microinterruptor están montados en la vecindad exterior de unacubierta que encajona al núcleo de hierro. Un movimiento del núcleo de hierro cerca delimán provocará que el microinterruptor gire en el pivote, debido a la fuerza magnética yde esta manera cierre o abra un contacto. Cuando el nivel del líquido decrece, el núcleode hierro eslabonado al flotador baja, y un pivote en tensión regresa al imán a su posi-ción original.

b) Método de enlace magnético.

En la medición de nivel de Iíquidos un tipo de mecanismo de flotador utiliza el método

de enlace magnético, en el cual un flotador magnético transmite un campo magnético aun dispositivo detector apropiado que acciona al dispositivo indicador o de control. Unaconstrucción típica se muestra en la figura 20. El flotador puede ser del tipo de donacomo el de la figura que se indica), de bola o disco. También pueden adicionarse disposi-tivos mecánicos, hidráulicos, neumáticos o eléctricos acoplados a unidades receptoras.

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GUIA DE DISEÑO Di SELECCION DE INSTRUMENTO I ESPECIFICACION


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ESCALA

TUBO DE INMERSION DE‘MATERIAL NO MAGNETCO

, IMAN INTERIOR

I M A N EXTERIOR

‘FLOTADORTIPO DONA

FIGURA 20 - Medidor de flotador del tipo enlace magnético

-- --_~- ------- --

FIGURA 21 - Medidor tipo hidráulico operado por flotador

8 7 1 2 1 8 I I I I I I I I l I 1



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Estos mecanismos tienen la ventaja de no requerir prensaestopas, con lo cual se tienenconstrucciones a prueba de fugas para substancias tóxicas, explosivas o inflamables. El flo-tador magnético flota libremente (sin que se pueda checar manualmente su posición), porlo tanto se debe asegurar que al moverse no se atore o congele quedando aprisionado.

4.2.1.2.4 Indicador de nivel hidráulicooperado por flotador.

La figura 21 muestra un diseño de un indicador de nivel hidráulico operado con flotador. Este consta deun flotador y un brazo que acciona un arreglo de dos fuelles mecánicamente interconectados.

De este modo, se proveen dos sistemas hidráulicos separados llenos con un líquido, cuya relación de tem-peratura viscosidad es relativamente constante.

Este principio fundamental se ha utilizado durante años en la medición de todo tipo de líquidos corrosi-vos o no corrosivos. Conforme el flotador se mueve hacia abajo, su brazo opera el eslabón de la carrera.Esto provoca que el fuelle A se expanda y succione líquido del fuelle D, el cual se comprime, simultánea-mente el fuelle B se comprine desplazando líquido dentro del C. Debido a que los fuelles C y D están es-labonados, combinan su acción provocando que el puntero se mueva e indique el nivel del líquido en elrecipiente. Cuando este nivel sube, mueve el flotador hacia arriba y la acción es inversa. Un arreglo de es-labones en el extremo de indicación o registro proporciona compensaciones por diferencias de temperatu-ra a las cuales está expuesto el sistema y la tubería de interconexión.

4.2.2 Medidor de nivel con unidad del tipo de desplazador

4.2.2.1 Principio de operación

La operación de estos dispositivos se basa en el principio de Arquímides, el cual establece que un cuerposumergido en un líquido sufrirá un empuje hacia arriba con una fuerza igual al peso del líquido desplaza-do. En este tipo de dispositivos, al cuerpo sumergido se le llama desplazador y éste se encuentra suspendi-do por un tubo de torsión que restringe su movimiento para evitar el contacto con cualquier parte del re-cipiente en que está colocado. El desplazador siempre pesa más que la fuerza de flotación que desarrollael líquido desplazado; por lo tanto, éste puede hacerse tan largo o corto como se requiera. En la figura 22se muestra el principio de operación de estos dispositivos. La diferencia de movimientos entre el desplaza-dor y el nivel del líquido depende del área de la sección transversal del desplazador, la densidad del Iíqui-do y la rigidéz del tubo de torsión.

El resorte de torsión puede ser una barra rígida o un tubo hueco. Cuando se utiliza un tubo de torsión,éste no sólo sirve para soportar al desplazador, sino también como un sello de presión sin fricción: estoproporciona un medio de transferencia del movimiento del desplazador, a través de la pared del recipien-te presurizado, a un dispositivo de medición. La figura 23 muestra una vista secciona1 de un ensamble detubo de torque real. En la figura 24 se muestra una vista general del indicador de nivel tipo desplazador.

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I GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INY METODO PARA MEDICIC -

7” NIVEL DEL AGUA

0” N I V E L DEL A G U A

FIGURA 22 - Principio de operación de una unidadde medición de nivel tipo desplazador

DESPLAZADO

COJINETE QUE._ _. -.-- - -- BARRA DE TRANCMISION DEL

ISOPORTA AL TUBO

I

MOVIMIENTO ANGULARDELTUBO D E TORQUE

FIGURA 23 - Vista secciona1 de un ensamble de tubo de torque

I I8 7 1 2 1 8 I I I 1 l I I I I 1 1 l

GUlA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO ’ ESPECIFICACION


38 de 120

Control

Cabeza

Resorte de posición

-4.

FIGURA 24 - Medidor de nivel tipo desplazador

871218 I I 1 l I 1 I 1 I I I


ESPECIFICACIOA

CFE GALIO-28

39 de 120

4.2.2.2 Fuerza de flotación

La longitud de los desplazadores varía de acuerdo con los fabricantes, pero generalmente son de 0.35 m,0.8 m, 1.2 m y 1.5 m (14, 32,48 y 60) pg, para rangos de nivel mayores de 1.2 m a 1.5 m (48 a 60) pg, elinstrumento de desplazador deja de ser recomendable y se usan los de presión hidrostática, aunque existendesplazadores hasta de 4.57 m (180 pg).

Una de las ventajas del desplazador sobre el flotador se debe a que no tiene partes en movimiento. Ade-más , el rango de los desplazadores es mayor que el de los sistemas de flotador.

Para aplicaciones en donde el líquido es muy sucio y viscoso, los instrumentos de flotador y los de despla-zador pueden presentar problemas por las adherencias que acumule el flotador o el desplazador.

Los desplazadores se utilizan para la medición de densidad. Estando el desplazador totalmente sumergido,los cambios en la fuerza de flotación son debidos únicamente a la densidad del líquido. Para esta aplica-ción, el diámetro del desplazador se puede hacer más grande, para aumentar la sensibilidad del desplazadorcon pequeñas variaciones de densidad. La fuerza de flotación será:

Donde:

F

D

h

T

D2F = ----------4 x hp

= fuerza de flotación.

= diámetro del desplazador.

= altura del desplazador.

= densidad del líquido.

(11)

El desplazador también se puede utilizar para medir la interfase entre dos líquidos de distinta densidad,estando el desplazador totalmente sumergido, de acuerdo a la figura 25, la fuerza obtenida será:

F = D2 (h,q, + h2 cp,) (12)4

donde:

h1 = longitud del flotador cubierta por el líquido 1.

871218 1 1 I 1 I 1 I 1 I I 1



40 de 120

h2 = longitud del flotador cubierta por el líquido 2.

<p, = densidad del líquido 1.

v* = densidad del líquido 2.

I 1

. -

h PI

17- -

he -6’2w

FIGURA 25 - Desplazador

De hecho, medir el nivel con una unidad del tipo desplazador no es más que una medición de interfase entre dos fluídos que tengan densidad diferente, ésto es, entre líquido y gas, líquido y vapor o líquido y Iíquido. Algunos ejemplos de aplicación de estos dispositivos son: el control de los niveles de agua y destilado en un separador de agua y gas, el control de nivel de producto dentro de un recalentador de torrefraccionadora, el control de nivel de torres de crudo, el control de nivel de agua en un calentador de aguade alimentación y el control de nivel en el deadeador en una central termoeléctrica.

4.2.2.3 Conexiones

Los desplazadores pueden tener conexiones arriba y abajo 0.38 m (1 1/2 pg) a 0.5 m (2 pg) arriba y lateral, laterales, lateral y abajo, conexión bridada en la parte superior del recipiente y conexión bridada en laparte lateral del recipiente, ver figura 26, incisos a, b, c, d, e y f.

P71?,P I 1 1 I I 1 1 I I 1 1

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO ESPECIFICACIONY METODO PARA MEDICION DE NIVEL

CFE GALIO-28

41 de 120

(A)

(d)

bg- z-1-----IL----- -

(C)

FIGURA 26 - Conexiones de desplazadores

8 7 1 2 1 8 I 1 I I I 1 I I ! I I



42 de 120

Los materiales estandar de los desplazadores son: Acero inoxidable 304, acero inoxidable 316, monel,hastelloy B ó C Durirnet 20, cobre y teflón sólido.

La temperatura afecta principalmente al tubo de torsión, por lo que este elemento es el determinante en laselección de su material, con respecto a la temperatura.

Extensión del tubo de torsión.- La extensión se recomienda para temperaturas arriba de 500°F y abajo de0°F. El propósito de la extensión es mantener la caja del instrumento lo más cerca posible a la temperatu-ra ambiente. Ver figura 27.

FIGURA 27 - Extensión del tubo de torsión

4.3 Medidores de Nivel de Presión Hidrostática o Neumática

De carga hidrostática con conexión directa a un dispositivo de medición.

Ilusta la figura 28 la instalación más simple para tanques abiertos. Sin embargo, dentro de ciertos límites,el medidor puede montarse debajo del nivel mínimo del recipiente y ajustar el cero del instrumento parala carga de la columna del líquido adicional.

4.3.1 Sistema de purga o tubo de burbujeo (ver figura 29)

Debido a que una columna de líquido produce una presión hidrostática directamente proporcional a la al-tura del líquido arriba del punto de referencia, a veces se utilizan técnicas neumáticas para determinar lapresión en este punto. Si el líquido no cubre en lo absoluto el extremo del tubo, la presión en el indicadorcaerá hasta cero. Si por el contrario, el tubo se encuentra sumergido completamente en el líquido, enton-ces el medidor indica la presión del aire o gas de suministro. Por lo tanto, para cualquier nivel entre las doscondiciones anteriores habrá una presión asociada con la altura del nivel del líquido. Para indicar el flujodel aire o gas de purga se utiliza un rotámetro. A menos que exista un flujo constante del aire o gas de

1 1 1 l I 1 1 I 1 1


ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

43 de 120

purga, la presión indicada no reflejará el nivel del líquido. Por otro lado, si el líquido absorbiera cualquierade los gases de purga la presión caería por esta razón y no porque el nivel hubiera cambiado. Mantener cons-tante el flujo del aire o gas de purga es un factor de operación importante. Una ventaja del sistema de purgaes que el indicador puede colocarse a casi cualquier distancia del tanque.

Las condiciones de operación son las siguientes:

a) La presión de suministro del aire o gas de purga siempre debe exceder a la presión estáticadel líquido por lo menos en 13.72 kPa (0.14 kg/cm2) (2 lb/in2). De ser posible, despuésdel regulador de presión, debe haber una presión de cuando menos el doble de la máximahidrostática, con el fin de minimizar las variaciones en el aire o gas de purga debidas a lasfluctuaciones de la carga hidrostática.

b) La presión máxima para estos sistemas generalmente de limita a: 1029.06 kPa (10.5kg/cm2) o aproximadamente 91 m (300 ft) de la columna de agua.

c) Antes de admitido el líquido en el recipiente, la válvula debe abrirse para permitir queel aire o gas de suministro pase al tubo de purga.

d) El tanque debe drenarse antes de cortar el aire o gas de suministro.

NIVEL MAXIMO

NIVEL MINIMO- - - - - - - - - -

SELLO REOUERIDOPARA FLUIDOS CORRO-SIVOS 0 VISCOSOS

ROTAMETRO PARAMEDICION DEL Ll-

MANOMETRO

QUIDO DE PURGAcI

> , - . -. .-

0 $. LINEA

DE CORTE J9,L

DE CALI -

BRACION DELELEMENTO AC -

TUADOR.

LA TUBERIA DEBE TENER

PENDIENTE DE 7 5cm/m (111/pie)APROX IMADAMENTE

FIGURA 28 - Sistema de manómetro para recipientes abiertos

L

8 7 1 2 1 8 I 1 I I 1 I 1 1 l I I.


ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

44 de 120

Una desventaja de los sistemas de burbujeo es la cantidad de equipo que, junto con los instrumentos demedición, requiere servicio y mantenimiento. Debido a lo anterior, estos sistemas sólo se recomiendan eninstalaciones, donde otros rnétodos no son prácticos, por ejemplo en medición de nivel de tanques cister-

1 na.

El sisterna de burbujeo no es apropiado para tanques cerrados, debido a que el aire que entraría aumenta-ría a la presión provocando una señal falsa.

La ventaja de este sistema, radica en que una vez iniciado el flujo, el instrumento de presión (con escala denivel) no está en contacto con el fluido, por lo que es útil en casos de fluidos corrosivos, turbulentos y consólidos en suspensión.

MANOMETRO INDICADOR DENIVEL

ROTOMETRO

REGULADOR

SUMINISTRO DE AIRE

Normalmente, el tubo es de 0.006 m (1/4 pg) de cobre o de acero inoxidable; los rangos usuales que puedemedir son: O-10 pg H20 hasta O-250 pies de H2O.

FIGURA 29 - Sistema de purga o tubo de burbujeo

871218 1 I l 1 I I 1 I I I I



45 de 120

4.3.2 Medidor de nivel tipo caja de diafragma

La caja del diafragma consiste en una caja metálica separada en dos secciones por un diafragma de un elas-tómero firmemente sellado. Una sección de la caja está expuesta directamente al líquido en el cual está su-mergida la caja. La otra sección está sellada y conectada por medio de un tubo capilar hasta un instrumen-to medidor de presión con escala de nivel:

El empleo del sistema de caja de diafragma (ver figura 30) es frecuente cuando el medidor no se puede ins-talar directamente en o debajo del nivel mínimo del tanque. En este diseño, la presión generada por la car-ga del líquido se balancea con la presión neumática del gas encerrado dentro de la caja. Este dispositivo esrecomendable por su simplicidad mecánica; además tiene las ventajas de poderse colocar en cualquier pun-to y de separar los sólidos de los líquidos dentro del indicador o medidor. Las turbulencias o el flujo noafectan este sistema, que también puede utilizarse para medir el nivel en depósitos o tanques en los quepueda formarse hielo en la superficie. Este sistema se usa para tanques abiertos, para líquidos no corrosivosde densidad constante, cuando el líquido a medir su nivel no soporta una purga de aire o cuando no se tie-ne aire disponible para la purga. Si aparecen condiciones que garanticen el uso de la caja de diafragma, sedeben tener presentes varias consideraciones prácticas como:

a) Elegir los materiales apropiados de la caja y diafragma para que el líquido no los afecte.

b) Seleccionar el tamaño correcto de la caja y tubería. La figura 31 muestra como un incre-mento en el tamaño del tubo limita la distancia de transmisión para un presión dada. Porotro lado, el reducir el tamaño del tubo, aumentará el tiempo de respuesta. El tiempo derespuesta para los sistemas que utilizan tubo de .003 m (1/8 pg) es aproximadamente unsexto de aquéllos que usan tubo de 1/16 pg (0.0016 m). Siempre que sea posible, deberáelegirse el tamaño de tubería más grande, aunque algunos fabricantes pueden especificarotros tamaños.

c) Nunca desconectar la conexión de unión cuando la caja esté sometida a presión.

d) Cerciorarse que la conexión de unión esté perfectamente cerrada.

e) Mantener el diafragma lo suficientemente arriba del fondo de tal manera que nunca al-cance los lados u otros materiales. El diafragma debe estar 0.0762 m arriba de la línea delos sedimentos o dentro de 0.00351 m del fondo si no hay sedimentos.

4.3.2.1 Sistema de sello de balance de fuerzas

En un sistema de balance de fuerzas, la carga de la presión hidrostática actúa contra un diafragma que sebalancea con aire. Un sello de balance de fuerzas puede usarse cuando los líquidos, por su naturaleza, ha-cen conveniente un sistema de purga, pero provocan que el aire o gas de purga reaccione desfavorablemen-te con el líquido. También pueden emplearse, si no se desea que el aire o gas de purga se mezcle con el lí-quido. El sello de balance de fuerzas en operación funciona esencialmente como se muestra en la figura 32.La presión hidrostática del líquido forza al diafragma flexible contra el orificio “0”, lo que provoca que elaire ya no escape por dicho orificio. Debido al aumento en la presión del proceso que empuja al diafragmapara que cierre “0”, la presión del aire en la línea aumenta hasta que ésta excede a la del proceso. Estopermitirá que se escape algo de aire y la presión de la línea caiga un poco provocando nuevamente que la

I I I 1 1 1 I 1 I 1 I



46 de 120

- -

- -

FIGURA 30 - Indicador de nivel tipo caja de diafragma

100

2c3 80a

B; 60E

L8$ 40

2 0

0 5 0 100 150 200 2 5 0 3 0 0LONGlTUD DE LA TUBERIA, P IES.

FIGURA 31 - Longitud de la tensión máxima contrarango de medidor en pies de agua

871218 1 I I I 1 I E I 1 I I



47 de 120

presión del diafragma exceda la de la línea y vuelva a cerrar a “0”. Esta operación continuará con la pre-sión de purga ligeramente arriba y luego ligeramente abajo de la presión hidrostática ocasionada por la al-tura del líquido. La presión promedio será representativa del nivel del líquido. El hecho de que el diafrag-ma sea de algún material flexible o metálico tiene poca importancia. En ambos casos el diafragma abre ocierra el orificio con la consiguiente ligera variación de la presión.

INSTRUMENTODE MEDICION

PUERTO DE LA VALVULA

LA DE LA VALVULA

NTRAPR ESION

PRESION DEL PROCESO

AL PROCESO

WA AIRE DE SUMINISTRO

E-1AIRE DE CONTRAPRESION

Lw FLUIDO DELPROCESO

FIGURA 32 - Diagrama esquemático de un sello de balancede fuerzas neumático

4.3.3 Medidores de nivel de presión diferencial

4.3.3.1 Introducción

Los instrumentos para determinar la presión diferencial, son probablemente los sensores más versátiles quese conocen. Mientras que otros tipos específicos de instrumentos pueden medir sólo unas cuantas variablesde proceso, los instrumentos para la determinación de la presión diferencial, con ayuda de otros dispositi-vos, pueden medir un gran número de variables. Dentro de estas variables, se pueden mencionar las siguien-tes:

8 7 1 2 1 8 I 1 I I I I I I l I I


I

ESPECIFICACION


48 de 120

- nivel (presión hidrostática, interfase),

- presión (diferencia de presiones),

- flujo (placa de orificio, tubo venturi, etc.),

- densidad (líquidos, gases).

- viscocidad, etc.

Este tipo de instrumentos es tal vez el más común en la medición de nivel, tanto para tanques abiertoscomo cerrados. La medición de nivel por medio de celdas de presión diferencial es muy adecuada cuandose tienen flu ídos muy viscosos, corrosivos o sucios, puesto que las partes húmedas son pocas y no tienenpartes en movimiento.

Cuando es necesario separar el transmisor del recipiente, las dos tomas de presión se conectan, a través detubos, pudiendo quedar un desnivel entre la toma del tanque y el instrumento; en este caso, se requiereconsiderar la elevación del cero de medición. Cuando el tubo de baja presión se llena de algún líquido desello, o bien de condensados, hay que considerar la presión que esta columna ejerce. Este ajuste se le cono-ce como supresión de cero. Ver figura 33.

Cualquier instrumento de nivel basado en la presión hidrostática, se puede utilizar para la medición de ladensidad del líquido, siempre y cuando el nivel permanezca constante. Ver figura 34.

Los instrumentos de presión hidrostática pueden medir el nivel de interfase entre dos líquidos de distintadensidad, siempre que una de las tomas esté en uno de los líquidos y la otra en el otro líquido. Ver figura35.

4.3.3.2 Sistema de manómetro de mercurio (tipo húmedo)

En los manómetros del tipo húmedo, el líquido medido está en contacto directo con el mercurio u otrolíquido de sello, el más simple de estos dispositivos es el manómetro o tubo de extremo abierto, figura A,ya explicada en la sección 3.1, como un dispositivo de observación directa. En aplicaciones industriales,para indicación, registro y control de nivel, los cambios en el nivel de mercurio debidos a cambios en lacarga del liquido, pueden detectarse por medio de un flotador, el cual acciona una aguja indicadora, plumade registro y/o mecanismo de control del instrumento. Este sistema también se puede utilizar para medir elnivel en tanques cerrados, tal como se ilustra en la figura 36.

4.3.3.3 Medidores de presión diferencial del tipo seco

En aplicaciones para indicación, registro y control de nivel, los cambios en la presión diferencial se detec-tan directamente, por medio de una diafragma o fuelle. La fuerza resultante y movimiento producido porun diafragma o fuelle normalmente genera una señal de transmisión eléctrica o neumática. Esta señal setransmite a indicadores, registradores, y/o controladores. El intervalo de medición de la señal de transmi-sión para dispositivos neumáticos es de 19.6 a 98.006 kPa (0.2 a 1 kg/cm2) (3 a 14 Ib/in2 ), y para los dis-positivos eléctricos de 4 a 20 m A. Para tanques abiertos, el medidor de presión diferencial tipo seco puedeinstalarse, según se muestra en la figura 37, con el lado de presión alta del elemento de medición conecta-do a la toma del nivel mínimo.

871218 I 1 I I I I I I l 1 l


v ESPECIF ICACION

CFE GALIO-28

49 de 120

I7-

NIVEL MAXIMO

NIVEL MAXIMO

FIGURA 33 - Medición de nivel

3 1

NIVEL CONSTANTEf

PFIGURA 34 - Medición de densidad

Q2LIQUIDO 2

NIVEL DE INTERFASE

LIQUIDO

FIGURA 3 5 - Nivel de interfase

3

P 4

871218 i 1 I I I I 1 I I 1 I

GUIA DE DlSEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO ESPECIFICACION


50 de 120

CAMARA DE SELLO

DEL INSTRUMENTOA DIFERENCIAL DEL MERCURIOEL NlVEL CERO EN EL TANQUE

CAMARA DEL FLOTADOR’

FIGURA 36 - Medición de nivel por medio de manómetrodiferencial de mercurio

INTERVALO VALOR SUPERIORDE MEDICION (DEL RANGO

a\ tlf A L O R CERO DEA VARIABLE MEDIDA

9 I YI

BPp

VALOR SUPERIOR

I IAP

VALOR INFERIOR

VALOR CERODE LA VARIABLE MEDIDA

DEL CERO

‘TERVALOMEDICION

DEL RANGO-- I

\vALOR INFERIORDEL RANGO

(a) (b )

FIGURA 37 - Medidor de presión diferencial tipo seco:

a ) Con rango de cero suprimidob) Con rango de cero elevador

871218 I I l I I I I I 1 I 1



51 de 120

4.3.3.4 Celda de presión diferencial neumática

Las celdas de presión diferencial neumática han sido, durante mucho tiempo, el dispositivo tradicional quese utiliza para medir la presión diferencial. En la figura 38 se ilustra un ejemplo típico de celdas que em-plea el principio de balance de fuerzas y una cápsula de diafragma como elemento sensor; su principio deoperación se describe a continuación:

Una fuerza resultante proporcional a la diferencia de presiones se ejerce sobre la barra de fuerza “C” pormedio de una flexión en “E”. El diafragma “D” funciona como sello y pivote de “C”, la cual transmite lafuerza por medio de una flexión en “B” a la barra de rango “H”, cuyo punto de pivote lo proporciona latuerca de rango “J". Cualquier movimiento de “H” se detectará en el sistema tobera-palometa "A”, que através del relevador “K” producirá una señal de salida neumática proporcional a la diferencia de presiones.Esta señal también se transmite al fuelle de retroalimentación “G”, el cual ejercerá una fuerza en la barrade rango “H” en sentido opuesto a la fuerza original. De esta manera, se obtiene el balance de fuerzas quepermite posicionar adecuadamente el sistema tobera-palometa.

4.3.3.4.1 Especificaciones para una celda de presión diferencial neumática normalizada.

Rango de medición: O-0.05 m H 2 O (O-2 pg H2O) hasta O-25.0 m H20 (O-1000 pg H20)

Elevación: La elevación más el rango de calibración no debe exceder el rango I límite de la cápsula.

Supresión: No debe exceder el rango límite de la cápsula

Rango de salida: 19.6 a 98.006 kPa (0.2 a 1.0 kg/cm2) man. (3 a 14 psig).

Presión máxima de trabajo: 9800.6 kPa (100 kg/cm2)

Límites de temperatura para el :

Cuerpo de la celda: -40 a 120°C (-40 a 238°F)

Aire de suministro: 137.2 a 176.4 kPa (1.4 a 1.8 kg/cm2)

Consumo de aire: 8.5 l /min. (0.3 pie3/min.)

4.3.3.5 Celdas de presión diferencial electrónicas

Los transmisores neumáticos se han utilizado extensamente para medir la presión diferencial, sin embargo,en los últimos años se ha desarrollado una tendencia hacia el uso de transmisores electrónicos, debido a sugran exactitud, respuesta rápida y bajo consumo de energia. Por otro lado, la electrónica ha hecho posible

~ grandes avances al desarrollar circuitos integrados, circuitos impresos y tarjetas intercambiables, lo cual’ hace que los dispositivos electrónicos sean más confiables y de fácil mantenimiento. Estos dispositivos

pueden dividirse en dos grupos básicos:

871218 I I 1 l I I I I I I 1



52 de 120

FIGURA 38 - Diagrama esquemático de unacelda de presión diferencial neumática

B A J A t

PRESION Y

INTERVALO DE

-AJUSTE DE CERO

FIGURA 39 - Celda de presión diferencial CAPSULA DE DIAFRAGMAeléctrica de circuito cerrado

(balance de fuerzas)

8 7 1 2 1 8 I I I l 1 1 I I I I 1

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOY METODO PARA MEDICION DE NIVEL I

ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

53 de 120

a) De circuito cerrado.

b) De circuito abierto.

Dependiendo de si el torque o fuerza de restitución forza o no al elemento sensor hacia una posición de nu-lificación de su movimiento.

4.3.3.5.1 Transmisores de circuito cerrado

Un ejemplo típico de circuito cerrado es el que utiliza un sensor de balance de fuerzas. La figura 39 mues-tra el principio para operar un dispositivo de este tipo, las presiones de alta y baja se conectan en los ladosopuestos de una cápsula de diafragma doble, la diferencia de presiones resultantes ejerce una fuerza en lacápsula que se balancea por una fuerza opuesta proveniente de la bobina de retroalimentación. Ambasfuerzas operan sobre la barra de fuerzas y en el ensamble de flexión; el sello de diafragma y el punto P ac-túan como pivotes. Cualquier movimiento de la barra de fuerzas produce un pequeño movimiento de laarmadura del detector, la cual cambia el flujo de corriente en el detector secundario; la corriente se ampli-ca y aplica simultáneamente a la bobina de retroalimentación y el receptor; la fuerza en la bobina de retro-alimentación balancea la fuerza en la cápsula. La corriente de la señal de salidad (10-50 mA o 4-20 mA),que establece la fuerza de balance, es la señal transmitida y es proporcional a la diferencia de presiones; laseñal se transmite a un receptor para su registro, indicación y/o control.

4.3.3.5.2 Transmisores de circuito abierto

Este tipo de mecanismo mide la desviación de un sensor eléctrico; entre mayor sea la desviación, mayorserá la señal de salida. Entre los sensores del tipo eléctrico abierto, están los sensores de deformación(strain gages) de lámina metálica, de semiconductores (figura 40), de capacitancia variable y los de reluc-tancia variable (figura 41).

a) Detección de presión por medio de sensores de deformación.

Principio de operación de sensores de deformación tipo resistivo: La resistencia de unconductor metálico a temperatura constante varía directamente con su longitud e inver-samente al área de la sección transversal, esto es:

R = !% ohmsA

(13)

donde:

K = constante que depende del tipo de alarnbre.

L = longitud medida en las mismas unidades de K

A = área de la sección transversal medida en las mismas unidades de K.

Maria Esther Parra

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO ESPECI FICACION


AMPLIFICADORELECTRONICO

CIRCUITO DECOMPENSACION

SENSOR DEDE FORMACION

CAPSULA DE L ELEMENTOTOPE DE SENSOR

SOBRE-PRESION/

54 de 120

TERMINALESDE CAMPO

DIAFRAGMA PARA SELLODEL PROCESO

FIGURA 40 - Transmisor electrónico de circuito abierto con sensorde deformación de semiconductor

DIAFRAGMA DIAFRAGMA/

LADO DE BAJA

BOBINA’

DE ALTA

DIAFRAGMA DE AMEDICION

FIGURA 41 - Elemento sensor electrónico de circuitoabierto tipo “reluctancia”

871218 I 1 1 1 1 1 1 I 1 1 I

I GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO

I

ESPECIFICACION


55 de 120

Debido a que el volumen de un alambre es constante a una temperatura dada, cualquiercarga mecánica que incremente el esfuerzo mecánico producirá dos efectos:

- incrementará la longitud del alambre,

- reducirá el diámetro y, por lo tanto, el área de la sección transversal.

Ambos efectos incrementarán la resistencia, la cual se puede medir por medio de un puentede Wheatstone. En teoría, para medir el esfuerzo al que se someta la muestra, podría utili-zarse un alambre de cualquier tamaño; sin embargo, en la práctica se han encontrado arre-glos y dimensiones definitivamente ventajosas. Como resultado de ésto, los sensores de de-formación pueden dividirse en ligados y desligados.

- Sensores ligados. El sensor normal (figura 42) consiste de varias redes de alambre finoque van pegadas a la base u hoja transportadora de papel o de plástico; el alambretiene un diámetro de 0.001 pg (.025 mm) y una resistencia nominal generalmente de120 ohms; la corriente del puente que fluye a través del elemento es de aproximada-rnente 24 mA, el material de la base es relativamente débil, y el esfuerzo mecánico delsensor con respecto al de la muestra bajo prueba debe ser esencialmente cero. Con unbuen ligamento entre la base y el elemento sensor podrá medirse la deformación, yasea por tensión 0 por compresión,

- Sensores desligados. El sensor desligado (figura 43) difiere del ligado en que los com-ponentes resistivos se montan en partes que tienen movimiento relativo, una con res-pecto a otra; este movimiento es independiente de la deformación como tal. El alam-bre se monta con una tensión inicial, de esta manera, el dispositivo podrá medir tantola tensión como la compresión.

Efecto de la temperatura.- Debido a que por el sensor de deformación fluye corrienteeléctrica, habrá un efecto de calentamiento proporcional al cuadrado de la corriente.Puesto que todos los alambres apropiados a esta aplicación tienen un coeficiente deresistencia-temperatura apreciable, cualquier cambio en la resistencia debido a una va-riación en la temperatura ambiente o al calentamiento por corriente, debe considerar.se o eliminarse mediante circuitos. Uno de los métodos más sencillos es utilizar unsensor fingido en el que fluya la misma corriente y que esté a la misma temperaturaambiente que el elemento activo; este sensor fingido se conecta al puente (figura 44),de tal manera que se cancele cualquier efecto, excepto el resistivo, debido a la defor-mación. El sensor fingido que no está sujeto a la deformación, debe estar lo suficiente.mente cerca del sensor activo, de tal manera que la temperatura sea la misma que la de este sensor y el material con el cual se fija al sensor debe ser esencialmente el mismocon objeto de que la transferencia de calor sea, hasta donde sea posible y práctico,igual. Una pequeña cantidad de energía eléctrica que fluya a través de estos alambre:tan finos, puede originar un calentamiento apreciable.

871218 1 I I 1 I I I I I I I



t A 56 de 120

C O N D U C T O R

FUERZA FUERZA- -

BASE FLEXIBLE DONDE SE ASEGURAAL CONDUCTOR

1A

FIGURA 42 - Principio de operación de los sensores de deformación ligados

L-1 L2

1

<>

Wz

5 d-1UY u:ü 4

1

- CONDUCTORES ACTIVOSMOVIBLE A BAJA TENSION FIJO

c 1

FIGURA 43 - Operación de los sensores de deformación desligados

SENSOR DEDEFORMACION

(al

SENSOR DEDEFORMACION M O T O R

REVERSIBLE

Ii

(b)

a) PUENTE DE RESISTENCIA PARA MEDIR LA DEFORMACION

b) PUENTE DE CAPACITANCIAS

FIGURA 44 - Puente de resistencia y puente de capacitancias

8 7 1 2 1 8 I I I I l I I I I 1 I

a-



57 de 120

b) Sensores de deformación tipo semiconductor.

Estos sensores son básicamente similares a los metálicos convencionales; la principal dife-rencia radica en que los sensores de semiconductor tienen una respuesta más grande tantoen esfuerzo como en temperatura. La característica de resistencia grande y no lineal, conrespecto a la deformación, se debe principalmente al efecto piezorresistivo de un cristal desemiconductor adecuadamente orientado. Los sensores de deformación tipo semiconduc-tor se usan ampliamente para desarrollar transductores de salida grande, tales como lasceldas de carga y las de presión; en una aplicación de transductores, se pueden utilizar lastécnicas de compensación explicadas arriba para reducir los efectos de la sensibilidad a latemperatura y la no linealidad. El elemento sensor generalmente es un filamento de semi-conductor que se prepara y corta para producir sensores del tipo “p” o “n”; uno del tipo“p” exhibirá una característica de salida positiva, esto es, un incremento en la resistenciacorresponde a un incremento en la tensión (figura 45), la resistencia de un sensor “n”disminuye al incrementarse la tensión, (figura 46). El sensor tipo “n” compensa la tempe-ratura por sí mismo y es económico, en lo que se refiere a que no necesita de sensores ocomponentes de circuito adicionales para conseguir una compensación relativa del defasa-miento de cero efectivo; una desventaja del tipo “n” es su poca linealidad.

c) Sensor de capacitancia variable.

El principio de operación de estos dispositivos es como sigue: las presiones del proceso seaplican en las conexiones de alta y baja de la celda; las presiones en la celda se transmitena través de los diafragmas de separación y luego por el fluído de llenado a un diafragmasensor que está en el centro del elemento sensor. Este diafragma funciona como un resor-te y se flexiona como resultado de una diferencia de presiones, a través de Al. Esta flexión,que únicamente es de 0.1016 mm (0.004 pg) en cualquier dirección para todo el rango deltransmisor, se detecta por medio de placas de condensador fijas en ambos lados del dia-fragma sensor, el cual es en realidad una segunda placa para estos dos capacitores. El cam-bio en la posición del diafragma ocasionará que ambas capacitancias varien; la diferenciade capacitancia entre estos dos capacitores se convierte electrónicamente en una señal decorriente directa de 4-20 mA o 10-50 mA, la cual es proporcional a la diferencia de pre-siones.

d) Selección de transmisores electrónicos.

La tabla 1, lista un número de opciones que pueden ser de importancia para el usuario.

4.3.3.6 Otros tipos de celdas de presiôn diferencial

4.3.3.6.1 De doble fuelle

Esta unidad consta de dos fuelles metálicos interconectados por un vástago de válvula; estos fuelles, en suinterior, contienen un líquido que provee protección contra sobrepresiones y además lubrica los cojinetes

871218 I 1 I I I I I I I I

EI DEFORMACION A LA COMPRESION

xDEFORMACION A LA TENSION

I I I- 4 p D D -3000 - 2 , 0 0 0 -10 1,000 2,000 3,000 4,000

-0.2--

-0.3--

C O N D I C I O N D E L -0.4+-SENSOR LIGA DO

NIVEL DE MFORMACION AlPgJPg.


FIGURA 45 - Característica de salida de los sensoresde deformación tipo P

DEFORMAClON ALA COMPRESION

DEFORMACION A LA TENSION

I-4,0DD -3,000 2 , 0 0 0 -1,000

-0.2--

-0.3 L

INIVEL DE DEFORMACION “Pg./Pg.

FIGURA 46 - Características de salida de los sensoresde deformación tipo R

8 7 1 2 1 8 I I I I I I 1 I I I I.



59 de 120

TABLA 1 - Opciones para transmisores eléctricos de presión diferencial

O p c i o n e s Condiciones Condiciones Mantenimientoambientales del proceso y calibración

Diseño a prueba de intemperie X

Diseño a prueba de explosión X

Diseño intrínsecamente seguro X

Construcción a prueba de deriva X

Elección de los materiales de lacubierta X

Protección contra voltaje reversivo X

Miliamperímetro integral X

Soporte integral para prueba X

Puertos de venteo y drenaje X X

Placa de orificio integral X

Elección de materiales en contactocon el líquido X

Atenuación grande, electrónica omecánica X

Diseño para temperaturas elevadas X

Rango o ajustes internos de supresión X

Acción inversa X

Traza de vapor X

Elemento primario completamenteseparado de lo electrónico X X

Operación a 10-2 torr* X

* Torr = 1 mm Hg a 0°C

La Tabla 2 lista las especificaciones promedio para los transmisores de presión diferencialelectrónicos.

--_-_- 1 I I I I 1 1 I I I



60 de120

TABLA 2 - Especificaciones promedio para transmisores electrónicos de presión diferencial

P a r á m e t r o Especificación promedio

Intervalo de medición

Exact i tud

O-125 mm H2O (O-5 pg H2O) ajustable aO-650 mm H2O (O-25 pg H2O)O-500 mm H2O (O-20 pg H2O) ajustable aO-3800 mm H2O (O-1 50 pg H2O)O-3300 mm H2O (O-130 pg H2O) ajustablea O-20,000 mm H2O (O-800 pg H2O)

0.25% del intervalo de medición (incluyen-do los efectos de repetibilidad y no lineali-dad)

Repetibilidad

Elevación o supresión de cero

Presión estática máxima

O-l 5% del intervalo de medición (incluyen-do los efectos de histeresis, banda muertay deriva en un período de una hora)

130% del intervalo máximo de medición

41,358.5 kPa (422 kg/cm2) man.(6000 psig)

Efecto del cambio en la presión estática

Rango de temperatura ambiente

Rango de temperatura del proceso(Unicamente se considera la exposicióndel elemento primario)

0.355% del intervalo máximo de medición1 OO kg/cm2 man. (0.25%/1000 psig)

-30°C a 95°C (-20” F a 2OO°F)

- 4 0 ° C a 1 1 0 ° C (-40°F a 22O°F)

Efecto del cambio de la temperatura 1.8% del intervalo máximo de medición/100°C (1 .0%/100°F)

Voltaje de entrada 13 a 36 V.C.D.

Efecto del cambio en el voltaje de entrada0.016% del intervalo de medición máximovolts

Máxima carga de resistencia externa a 24 V5 5 O (Circuito de control con señal de4 a 20 mA)

Efecto de cambio en la carga0.024% del intervalo de medición máxima5052

Desplazamiento volumétrico del elemento 0 . 2 5 cm3

primario

Peso 6.5 kg (14 Ib)


I

ESPECIFICACION


61 de 120

y partes móviles. Cuando se aplican presiones en ambos fuelles, el desbalance de fuerzas provoca un movi-miento de fuelles en dirección de la presión más baja; la fuerza F es igual a la diferencia de las presionesmultiplicada por el área efectiva de los fuelles.

F = (P1 - P2) A (14)

Los resortes dentro de los fuelles soportan la fuerza hasta que se alcanza el equilibrio; el movimiento linealse transfiere al tubo de torque por medio de un brazo en forma de manivela y así se convierte en una rota-ción de la flecha; la rotación normalizada es de 8” para todos los rangos de diferencial de presión sin im-portar si el rango de calibración es de 19.6 ó 2452 kPa (0.2 ó 25 kg/cm2). La protección por sobrepresiónes automática. Siempre que la presión exceda el rango de calibración, el vástago de la válvula cierra lasválvulas hidráulicas del plato central con lo que se protege contra desplazamientos adicionales de losfuelles; el líquido de los fuelles protege a éstos contra daños hidráulicos. La exactitud de la calibración deestos dispositivos hecha a presiones atmosféricas no se altera en regímenes de presiones de 2452 ó 14710kPa (25 ó 150 kg/cm2)

Las unidades de doble fuelle son de poco uso en la medición de nivel, pero para los casos de baja tempera-tura, de -65°C y menores, por ejemplo, del gas natural líquido (LNG) o en tanques criogénicos, donde lamayoría de los sensores de nivel no son apropiados. Los sistemas neumáticos hidrostáticos de doble fuelleson perfectamente adaptables.

4.3.3.6.2 Ensamble de diafragmas flexibles

Este dispositivo es muy similar, tanto en su estructura como en su funcionamiento, al de doble fuelle. Porser una unidad de presión diferencial, también se llega a utilizar en medición de nivel.

4.3.3.7 Diferentes aplicaciones de celdas de presión diferencial en medición de nivel

Los detectores de presión diferencial, incluyendo los de doble fuelle, son ideales para la medición de nivel.El principio de operación se basa en detectar la presión hidrostática en el fondo del tanque.

Los medidores de nivel hidrostático no miden el nivel real del líquido, sino la presión ejercida por el Iíqui-do. Debido a que la presión es proporcional a la altura de la columna del líquido y a su densidad, el medi-dor “infiere la posición del nivel real”. La ecuación para la presión hidrostática es:

P = H x D (15)

donde:

P = presión

H = altura

D = densidad

871218 I I I I I I 1 I 1 I



62 de 120

4.3.3.7.1 Tanques abiertos

Casi todos los instrumentos de medición de presión son apropiados para determinar el nivel en tanquesabiertos. El rango del instrumento depende de la altura y de la densidad del líquido que se va a medir; pararangos de nivel bajo, pueden utilizarse los sensores de diafragma, manómetros o los sensores de presión di-ferencial que pueden tener rangos de calibración desde unos cuantos centímetros hasta 12 ó 15 m (40 ó 50pies) de nivel de líquido. En el caso de rangos de presión mayores pueden utilizarse los sensores de presióntipo tubo Bourdon, los de presión diferencial o los manómetros.

a) La figura 47 muestra un medidor de presión diferencial montado directamente en el fondodel tanque. También se muestra el mismo dispositivo cuando se instala con una columnade referencia que proporciona una presión positiva en el medidor, la cual es equivalente ala altura del tanque lleno (cuando el tanque es cerrado y la presión, arriba del líquido, esmayor o menor que la atmosférica, debe usarse el sistema de la figura 47, o un equivalen-

te).

b) La figura 48 ilustra un dispositivo de presión diferencial con columna de referencia “nega-tiva”; si el tubo se ha llenado al vacío, la presión atmosférica ejercerá presión sobre la su-perficie del líquido y mantendrá al tubo lleno de líquido; con Asto la columna del líquidoejercerá una presión de vacío en el medidor. La altura máxima de la columna invertida de-pende de la densidad y de la presión de vapor del líquido; por ejemplo, para el agua a21°C, la altura máxima de la columna es de 10.2 m.

c) El sistema cerrado de la figura 49 tiene una cámara de aire, en el fondo del tanque que vaconectada al medidor de nivel, por medio de una tubería. Puede utilizarse un diafragmapara sellar el aire. Cuando dicho sistema está en operación la presión hidrostática del Iíqui-do comprime el aire en la cámara hasta que su presión es igual a la del líquido; el medidordetermina la presión del aire, como en el caso de los sistemas de purga, aunque las distan-cias entre el tanque y el dispositivo de lectura están limitadas, además, las fugas en la tube-ría causarán errores; por último, los tanques presurizados no pueden utilizar este sistema.

d) En el método de purga o burbujeo, (figura 50) una tubería va sumergida en el líquidohasta el fondo del tanque y por donde fluye un gas (generalmente aire), cuyo flujo se ajus-ta de manera que ocurra un burbujeo lento; la presión en la línea es aproximadamenteigual a la presión hidrostática del líquido, con lo que el medidor puede calibrarse en unida-des de nivel del tanque

e) Medición de nivel en interfase con sistema de burbujeo.- En ciertos casos, se requiere elnivel de interfase entre dos líquidos no miscibles, tal como el agua y el aceite. En el casode líquidos inmiscibles, la densidad generalmente se conoce y es constante. Al considerarésto, la aplicación de un transmisor de presión diferencial y 2 tubos de burbujeo es todolo que se requiere para detectar el nivel de Interfase, (figura 51), aquí el transmisor de

- - - - - - l I 1 1 1 1 I 1 1 I

GUlA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOESPECIFICACION


(B) II c-? A- *nn

CAMARA DE SELLO( CONDENSADO )

ABIERTO ALA ATMOSFERA

+ AP - BP + BP wAP

FIGURA47 - Montaje de un transmisor de presión diferencial en:

a ) Tanque abierto b) tanque cerrado

FIGURA 48 - Dispositivo de presión diferencialcon columna negativa

AP B P

EO

FIGURA 49 - Aplicación de un transmisor de presióndiferencial en un sistema cerrado

871218 I I I I I 1 I I I I

I GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DEY METODO PARA MEDICION I ESPECIFICACION

INSTRUMENTO DE NIVEL CFE GALIO-28 I

s-1I

SUMINISTRO DE AIRE

FIGURA 50 - Sistema de burbujeo con unacelda a presión diferencial

SEÑAL DE NIVELDE INTERFASE

NIVEL DEINTERFASE

FIGURA 51 - Sistema de dos tubos burbujeadores,p a r a medir el nivel de interfase

64 de 120 I



65 de 120

presión diferencial funciona como un transmisor de densidad promedio. Cuando el nivelde la interfase desciende hasta el extremo del tubo burbujeador inferior (el más largo), ellíquido de la fase superior ocupará todo el espacio entre los dos tubos y por lo tanto ladensidad transmitida corresponde a la de la fase superior; ésto determina el valor míni-mo del rango de la densidad promedio. Inversamente, cuando el nivel de la interfase subey alcanza al extremo del tubo superior (el más corto), la sección entre ambos tubos esta-rá ocupada enteramente por el líquido de la fase inferior; esta densidad corresponde alI límite máximo del rango.

4.3.3.7.2 Tanques presurizados

La presión en el fondo del tanque es función de cinco variables:

H = altura del I líquido en el tanqueD = densidad del I líquidoG = presión en el espacio vapor del tanquev = densidad del gas o vapor sobre el I líquidoL = altura del espacio vapor

La presión hidrostática total es:

P = HD + G + VL (16)

En estos tanques, la presión del tanque G pudiera exceder con mucho al rango de trabajo HD, por lo tan-to deben usarse los medidores de presión diferencial o manómetros, para eliminar el efecto de la presióndel tanque.

4.3.3.8 Cálculo del rango de calibración, elevación y supresión para un medidor de presión diferencial

4.3.3.8.1 Recipientes abiertos (ver figura 52)

--r ------

L l - -

NIVEL MAXIMO h = altura

h1gs = gravedad específica

--l--

AP = diferencial de presiónA = toma de alta presión

- - - - - - N I V E L MINIMO B = toma de baja presión

h2

tgs2 g s 3

7lB

FIGURA 52 - Recipientes abiertos

871218 I I 1 I I I I I I l



66 de 120

En el nivel máximo, la carga será máxima.

A PM = h1gs2 + h2gs2 + h3

gs3 (17)

En el nivel mínimo, la carga será mínima (elevación).

A Pm = h2gs2 + h3

gs3 = elevación (18)

por lo tanto:

Intervalo de medición = A PM - A Pm

= h 1 g s 2 + h 2 g s 2 + h3

gs3 - h2gs2 - h

3gs

3

= h1gs2 (19)

Rango de calibración del instrumento = de A Pm a A PM

Ejemplo: Se tiene un tanque abierto donde h1 = 2 m, h2 = 0.3 m y h3 = 0.5 m, la gravedad específicadel líquido del tanque es 0.8 y la del líquido en la tubería de interconexión es 0.9. Calcular el intervelo demedición, la elevación y el rango de calibración del instrumento.

De la Ec. (7):

Intervalo de medición = h1gs2 = 2.0 m x 0.8 = 1.6 m H2O

De la Ec. (6):

Elevación = h2gs2 + h2gs3 = 0.3 m x 0.8 + 0.5 m x 0.9 = 0.69 m H2O

De la Ec. (5):

APM = h1gs2 + h2

gs2 + h3gs3

= 1.6 + 0.69 = 2.29 m H2O

por lo tanto:

Rango de calibración del instrumento = de 0.69 m H2O a 2.29 m H2O.

871218 I I I I I I I 1 I 1

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOESPECI FICACION


67 de 120

4.3.3.8.2 Tanque cerrado con atmósfera no condensable (ver figura 53)

.

IVEL MAXIMO

FIGURA 53 - Tanque cerrado con atmósfera no condensable

El nivel máximo o carga máxima será igual a:

A PM = h0gs0 + h1

gs2 + h2gs2 + h3

gs3 - ( h 0 + h1 + h2 + h3) gs4 (20)

El nivel mínimo, carga mínima o elevación, sera:

A Pm = hogso + f-uso + h,gsz + MS3 - h, + h, + h, + f-d gs4 (21)

con ésto:

Intervalo de medición = A PM - A Pm = h,gsz - h,gso = h, (gsz - gsO) (22)

Usualmente, el fluido “0” y el fluido “4” es el mismo gas para cuyo caso gso = gs4; además, por tratarsede gases, su densidad generalmente es despreciable (comparada con la del líquido, cuyo nivel se requieremedir); para este caso, las ecuaciones (20), (21) y (22) se reducen a las formas de las ecuaciones (17),(18) y (191, respectivamente, con lo que el cálculo de rangos y elevación para tanques cerrados conatmósfera no condensable se obtiene de la misma forma y con las mismas ecuaciones que para el caso detanques abiertos.

871218 I I 1 I 1 I 1 I I 1

NIVEL MINIMO

Q s.3* I

GUIA DE DISENO DE SELECCION DE INSTRUMENTOESPECIFICACION


68 de 120

4.3.3.8.3 Tanque cerrado con atmósfera condensable arriba del líquido (ver figura 54)

FIGURA 54 - Tanque cerrado con atmósfera condensable arriba del líquido

E l nivel máximo o carga máxima sera:

A PM = hoyso + h,gsz + MS2 + h,gss - (h, + h, + h, + h3) gs3

= hogso + (h, + h,) gs2 (h, + h, + h2) gS3 (23

y el nivel mínimo, carga mínima 0 supresión será:

Supresión = A Pm = hogso + tuso + MS2 + MS3 - (h, + h, + h, + h3) gs3

= (ho + h, 1 gso + h,gsz (11, +- h, + h2) g,, (24

Por lo tanto:

Intervalo de medición = A P M A Prn = h,gs2 h,gso

Intervalo de medición - h, (gs2 gso) (25)

Rango de calibración del instrumento = de Pma PM (26)

871218871218,, II II II II 11 II II I1 11 II II 44



69 de 120

Ejemplo: Suponer un tanque cerrado con vapor condensable sobre el líquido, donde h, = 0.15 m,

hl = 0.80 y h, = 0.25m. La gravedad específica del líquido del tanque es gs2 = 0.8, la densidad delvapor sobre el líquido es gsO = 0.01g/cm3 y se utiliza un líquido de sello de gravedad específica de

QS3 = 0.9. Calcular el intervalo de medición y rango de calibración del instrumento, así como la supre-sión requerida por la celda de presión diferencial que se piensa utilizar para la medición de nivel.

De la Ec. (23), tenemos que el nivel máximo:

A PM = h,gso + (h, + h,) gs2 - h-, + hl + h,) gS3

= .15 x 0.01 + (.80 + .25) 0.8 - (.15 + .80 + .25) 0.9

= -0.23 85 m H,O

De la Ec. (24, en el nivel mínimo tendremos:

Supresión = A Pm = (h, + h,) gso + h2gS2 - (h, + h, + h,) gs3

Supresión = -0.87 05 m H,O

De la Ec. (25):

Intervalo de medición = h, (gs2 - gso) = .80 (0.8 - 0.01) = 0.632 m H,O

por lo tanto, de la Ec. (26):

Rango de calibración del instrumento = de -.8705 m H,O = a -.2385 m H,O

Aquí el signo menos significa que la presión más alta debe aplicarse al lado de baja presión de la celda;para este tipo de calibración del medidor, los fabricantes de instrumentos proporcionan celdas con ajustesde supresión (o de elevación, según el caso).

4.3.3.8.4 Nivel de interfase por sistema de burbujeo en tanques abiertos

De la figura 51, en cualquier punto intermedio (h,) dentro del rango de nivel (h3), tenemos que las pre-siones en AP y BP están dadas por:

AP = “,gsl + MS2 + (h3 - h,) gsl

871218/ 1 I I I I I 1 I 1 I 1

GUIA DE DISEIUO DE SELECCION DE INSTRUMENTO I ESPECIFICACION

Y METODO PARA MEDICION DE NIVEL I CFE GALIO-28

70 de 120

y la diferencia de presiones AP para cualquier hz será entonces:

A P = h,gsz + (h3 - h,) ssl

El nivel máximo o carga máxima será cuando h, = h, por lo tanto:

APM = h3gsz

En el nivel mínimo, carga mínima o elevación, h, = 0

Elevación = A Pm = h3gsl

(27)

(281

(29)

con lo que:

Intervalo de medición = A PM - A Pm

= h, (ssz - ssl )

Rango de calibración de la celda = de A Pm a APM

(30)

(31)

Ejemplo: Por medio del sistema de burbujeo y celda de presión diferencial, se desea medir el nivel deinterfase entre dos líquidos inmiscibles entre sí y de densidad constante. Si la escala deseada del nivel de

interfase es h, = 0.50m, la gravedad específica de la fase superior es gsI = 0.88 y la de la fase inferior,

SS2 = 1.00

Encontrar la elevación, el intervalo de medición, y el rango de calibración del instrumento.

De la Ec. (28) tenemos:

APM = h3gs2 = 0.50 x 1.00 = 0.50 m H,O

de la Ec. (29):

Elevación = A Pm = h3gsI = 0.50 x 0.88

Elevación = 0.44 m H,O

Intervalo de medición = h3 (gs2 - gsl ) = 50 (1 .OO - 0.88) = 0.06 m H,O

finalmente de (30):

Rango de calibración de la celda = de 0.44 a 0.5 m H,O

8 7 1 2 1 8 I 1 I I I I I I I 1 I


I

ESPECI~ICACIWN


72 de 120

4.3.3.9 Generalidades de la instalación

4.3.3.9.1 Tanque abierto a la atmósfera

La figura 55 ilustra un caso típico de instalación de este tipo; cuando el fluido que se maneja contienesedimentos, es preferible la conexión lateral y de ser necesario, para los casos de asentamiento abundante,se puede adicionar la cámara de asentamiento de la figura 59.

4.3.3.9.2 Tanque cerrado con atmósfera no condensable

La figura 56 muestra la instalación que se requiere; al igual que en el caso anterior, la conexión lateral yla cámara de sedimentos se recomienda cuando se trata con fluidos que contiénen sólidos de asentamien-to. Diversos fabricantes de.instrumentos han desarrollado un ensamble de tres válvulas (manifold) ensustitución de la válvula reguladora y las dos válvulas de corte del medidor; dicho ensamble de tres válvu-las ahorra material de interconexión y es de instalacibn fácil, por lo que se ha vuelto muy popular en lainstalación de medidores de presión diferencial.

4.3.3.9.3 Tanque cerrado con atmósfera condensable

Para un recipiente con vapor condensable sobre el I íquido, tal como en calderas o torres de destilación,el arreglo de tubería de la figura 57 es el recomendable.

4.3.3.9.4 Cámara de sello

Las mediciones de nivel de líquidos que no contengan exceso de sólidos pero que deben aislarse delcuerpo del medidor, frecuentemente se manejan con cámaras (seal pot) que contienen un líquido de sello(no misible con el flu ído del tanque) que llena además las I íneas de interconexión hasta el instrumento demedición; la figura 58 ilustra esta aplicación que se recomienda en flu ídos corrosivos o viscosos.

4.3.3.9.5 Cámara de asentamiento

En la figura 59 se muestra una instalación típica de cámara de asentamiento. La condensación o humedadcausa errores en la medición y por lo tanto debe drenarse a intervalos de tiempo. En los sistemas de sellode líquido, el sedimento o material extraño también se colecta en las cámaras y luego de ahí se puededrenar.

4.3.3.9.6 Sistema de purga de líquido

Este sistema de purga utiliza un líquido apropiado que fluye constantemente desde una fuente o suminis-tro hasta las conexiones de toma del nivel. Como se muestra en la figura 60, el medidor, la tubería de in-terconexión y las ramificaciones externas se llenan del líquido de purga. Las válvulas reguladoras de agujajunto con los rotámetros de las líneas de suministro se ajustan de tal manera que el flujo del líquido depurga que cae dentro del tanque sea el mínimo posible, para así evitar el líquido del tanque entre las

871218. I I 1 I I 1 I I I I I w


ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

73 de 120

fl I IL $

II,tir PARA EL CASO DE CONEXION

>t+ EN EL FONDO DEL TANQUE5:’

IIta /

1’ VALVULA DE PURGA

FIGURA 55 - Tanques abiertos a la atmósfera

ENSAMBLE DE TRES VALVULAS, ( MANIFOLDI EN SUSTITUCION DE

LA VALVULA IGUALADORA Y

DE CORTE

VALVULAIGUALADOQA

VALVULAS DE /CORTE

VALVULAS DE PURGA

VAWULAS DE CORTE/ DEL TANQUE

FIGURA56 - Instalación en tanques cerrados con atmósfera no condensable

8 7 1 2 1 8 1 I ! I I I I 1 ! I I



TAPON DEVENTEO \

VALVULAS DE/ PURGA

FIGURA 57 - Instalación en tanque cerradoy atmósfera condensable

VEN1

VALVULA DECORTE

I

VALVULA DE

FIGURA 58 - Instalación de una cámarade sello para fluidos corrosivos o viscosos

VALVULAS DE CORTE .

-’ “?CIPIENfE 0ENTO PRIMARIO

.

VALVULAS DE CORTEDEL TRANSMISOR

Il l4 PENAJE

FIGURA 59 - Instalación típica de cámarasde asentamientos

871218 1 I I I I I I 1 1 1 1


ESPECIFICACIC

I

75 de ?20

Válvula de purga

Cámara de sedimentos

Válvula de corte.DEL MEDIDOR

FIGURA 60 - Sistema de purga de líquido para dispositivosde presión diferencial

Regulador de presiánNOTA: La toma inferior está

arriba de la toma supoevitar que entre líquido al me-didor en caso de falla del siste-ma de purga.

FIGURA 61 - Sistema de purga de aire o gas paramedidores de presión diferencial

I GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOY METODO PARA MEDICION DE NIVEL I tSPtCIl-ICACION

CFE GALIO-28 I

76 de 120

I íneas de interconexión. El flujo en ambas I íneas debe ser igual. Las aplicaciones de este sistema de purgade líquido son: en el caso de fluidos corrosivos, para líquidos que arrastren partículas sólidas y para Ií-quidos que se congelan dentro del medidor y tuberías produciendo solidificaciones o precipitados só-I idos.

4.3.3.9.7 Sistema de purga de aire o gas

Este sistema, representado en la figura 61, fundamentalmente es el mismo que el de purga de líquido,sólo que en este caso el medio de purga es aire o un gas. En general, este sistema puede tener las mismasaplicaciones que las citadas en el de purga de líquido; por supuesto, la presión en el recipiente debe sermenor que la disponible del sistema de purga. Es recomendable que se instale un regulador de presióndiferencial, a través del rotámetro, con una válvula de aguja para asegurar un flujo constante del aire o gasde purga. En operación, el flujo de gas o aire se regula de manera que no haya una caída de presión apre-ciable; el medidor, la tubería de interconexión y líneas externas se llenan de gas.

I 4.4 Medidores de Nivel Tipo Elktrico

4.4.1 Medidor de nivel tipo de resistencia I

Este tipo de medidor basa su funcionamiento en la variación de la resistencia eléctrica con la variación denivel y sirve para la medición de liquidos y sólidos. Consiste en una cinta recubierta, la cual al recibirpresión aumenta progresivamente su contacto entre el elemento resistivo y la tira metálica. La sensitivi-dad transversal de la cinta a las variaciones de presión es del orden de .013 m (1/2 pg) de hzO. Arriba dela superficie, el elemento resistivo permanece sin contacto con la tira metálica. La resistencia que se midees la de la parte superior de la superficie. La cubierta sirve para encerrar y proteger el sistema eléctrico yactúa como un detector tipo diafragma.

Este medidor es aplicable sólo a recipientes atmosféricos, debido a que si existe presión en la parte supe-rior. Esta presión actúa sobre la cubierta y provoca un contacto entre el elemento de resistencia y la tirametálica. Se puede aplicar este medidor de nivel a temperaturas de -50” a 250°F y con rangos de nivelhasta 200 pies, co11 una exactitud de T .025 a 2 0.15 (f 1 pg a t ‘6pg). Ver figura 62.

TIRA

METALICA

C’WERTA

ELEMENTO

RESISTIVO

FIGURA 62 - Medidor de nivel tipo de resistencia

8 7 1 2 1 8 I I I 1 I 1 I 1 I I I

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOY METODO PARA MEDICION DE NIVEL 1 ESPECIFICACION

CFE GALIO-28 I

77 de 120

Medidor de nivel tipo conductancia

I 4.4.2.1 Método sonda y electrodo

Este método util!za la conductividad eléctrica de la solución oara detectar el nivel. Una anlicación típicade este sistema se muestra en la figura 63. Un flujo de corriente de bajo voltaje fluirá en la pared deltanaue y los electrodos mientras éstos estén cubiertos oor líquido; cuando el nivel cae por debajo delelectrodo más baio. la interrunción del circuito desenergiza a un relevador de contacto que provoca laadicih de iíquidn al tanque hasta aue el nivel alcanza al electrodo superior; ésto energiza a un segundorelevador de contacto, el cual, a su vez, cierra el primer contacto imoidiendo el flujo del I íquido al tanque.El sistema de dos electrodos se utiliza oara evitar la inestabilidad del control en Iíauidos turbulentos.Generalmente los electrodos se ajustan de manera uue uno esté 20 mm arriba del otro.

Es obvio aue este sistema de medición de nivel de líquidos íjnicamente puede u’ilizarse con soluciones quecontengan electrolitos y no se inflamen con cualauier arco de corriente. El sistema tiene cierta flexibilidad,ya uue los electrodos pueden bajarse o subirse fácilmente oara aiustar el’punto de disoaro.

I

(7LAH

RELEVADOR

VAL.VU L.A NEUMATICA

FIGURA 63 - Detección de nivel tioo eléctricométodo sonda con ektrodo I

871218, I 1 i 1 l I 1

I1 1 t

Maria Esther Parra


I

ESPECIFICACION


78 de 120

4.4.2.2 Método sonda y triodo

Según se muestra en la figura 64, un simple tríodo puede servir para detectar el nivel de I íquido en un tan-que. Cuando el nivel del tanque está debajo del nivel de la sonda G, no está cerrado el circuito en la rejilladel triodo, el cual acumula una carga de electrones, que lo vuelve negativo y reduce la corriente de la placadel triodo a una cantidad muy peqcleña. En estas condiciones, la corriente en la bobina del relevador esdemasiado baja para operar el circuito. Pero si el líquido sube de tal manera que el circuito entre G y laotra terminal G’ se cierre, los electrones pueden removerse del circuito de la rejilla. En tanto que la rejillapierde su carga negativa, la corriente de la placa continúa subiendo hasta que corre suficiente corriente enla bobina del relevador para accionarla. Cuando el I íquido es de muy alta resistencia, puede ser convenien-te agregar una batería conectada entre los puntos a y a’ como se muestra en la figura. El agua es suficiente-mente conductora para este tipo de circuitos y en este caso no se requerirá de bater/a extra. En vista queun transistor puede, en muchos casos, reemplazar a un bulbo, debe notarse que un transistor debe sustituiral triodo de la figura 64.

ALARMA 0 RELEVADORDE CONTROL

FIGURA 64 - Método de sonda y triodo para medición de nivel

871218 I l I I 1 I 1 I I 1



80 de 120

TABLA 4 - Disponibilidad de electrones de diversos materiales comparadacon la disponibilidad de los del aire

I 80 I Acetato I 3.7 - 7.5de celulosa

Soluciones 50 - 80 Arena 3 - 5acuosas

Glicerina 47 Nylon 4 - 5

Titaniato

de bario

5000 Arroz y 3 - 5

cerea les

Alcohol

Metílico

Glicol 35 - 40 Azufre 3.4

Dolomita 8 Trementina 3.2

Porcelana 5 - 7 Azúcar 3.0

Sal común 6

b

Material

Aceite desemilla dealgodón

Aceites

delPetróleo

ASfa Ito

Benceno

Cloro I íquido

Papel

CO, líquido

Aire y lamayor ía de

los gases

ConstanteDieléctrica

3.0

2 - 3

2.7

2.3

2.0

2.0

1.59

1

ELECTRODO EXTERIOR

ELECTRODO INTERIOR

AIRE DIELECTRICO

LLQUIDO DIELECTRICO

FIGURA 67 - Sonda de medición de capacitancia eléctrica

871218 I I I 1 I 1 I I 1 I I



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4.4.4 Medidor de nivel tipo capacitancia elktrica

Una de las características más convenientes de los aparatos de medición de nivel es que no tengan partesmóviles en el tanque de medición. Este requisito se cumple en el sistema basado en los cambios de capaci-tancia de una sonda cuando el nivel cambia. Se recalca que un capacitar consiste cuando menos de doselectrodos, separados por un aislante que se llama dieléctrico. Cuando se aplica una diferencia de potenciala las placas habrá remoción de electrones de una de ellas y una adición del mismo número de electrones enla otra placa.

El número de electrones disponibles en cualquier diferencia de potencial depende del espacio entre las pla-cas, su área y la naturaleza del material entre ellas. Si esto se expresa en una relación matemática, para uncapacitar de dos placas paralelas tenemos:

C = 0.225 K Ad

(32)

donde: C = capacitancia en /.ipf

A = área de la placa en cm*

d = distancia entre las placas en cm

K = constante dieléctrica

Las características, en términos de capacitancia, dependen completamente del dieléctrico para cualquiertamatio dado de placas y de espacio; ésto significa que para una diferencia de potencial dada algunos mate-riales pueden suministrar más electrones que otros. En tanto que el espacio entre las placas se vuelve máspequeño, se desarrollará un potencial mayor que atraiga a los electrones en términos de vo!t!cm. Estepotencial separa más electrones de su material original; de esta forma, los electrones disponibles son inver-samente proporcionales al espacio de los electrodos. Algunos materiales tienen electrones de los cuales sepuede disponer fácilmente, en tanto que otros muy dificilmente comparten sus electrones. La tabla 4 com-para bajo condiciones idknticas, la disponibilidad de los electrones de diversos matwiales con respect- alaire, debe notarse que en términos de grandes cambios en la capacitancia, el agua y diversas solucionesacuosas son excelentes dieléctricos que resultan de la substitución del aire por dichas soluciones. Se ha ob-servado que un material muy poco común, el titaniato de bario, tiene una constante dieléctrica de aproxi~madamente 5000, lo que lo hace útil para muchas aplicaciones.

La capacitancia que varía directamente con el nivel del líquido en los tubos, puede medirse en muchasformas y luego relacionarse a la altura del líquido. La capacitancia de la sonda (Figura 67) está en el míni-mo cuando !os tubos no contienen más que aire y llega a su máximo cuando el líquido, que es el dieléctri-co, llena por completo el espacio entre los electrodos. El nivel del líquido puede determinarse manualmen-te por medio de un circuito apropiado, como el puente de Wheatstone. Si se usan medios completamenteconvencionales, la salida del puente de Wheatstone puede alimentarse a un amplificador y a una unidadservo, la cual rebalancea el puente e indica el nivel.

8712181 I I 1 I 1 I I l 1 I

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOI

ESPECIFICACION

Y METODO PARA MEDICION DE NIVEL

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Ventajas:

- el elemento primario de medición puede ser muy simple y sin partes móviles; sinninguna dificultad se pueden obtener elementos sensores resistentes a la temperatu-ra, presión y corrosión,

- es fácil cumplir con las normas sanitarias y de limpieza del elemento sensor,

- es sencillo lograr elementos intrínsecos seguros con instrumentos a prueba deexplosión,

- el costo de los sistemas de capacitancia es algo mayor que el de las unidades mecá-nicas o neumáticas, pero cuando las condiciones de operación hacen inaceptablesotros sistemas, el sistema de capacitancias puede dar el mejor funcionamiento alcosto más bajo.

Limitaciones:

- si la constante dieléctrica del medio medido cambia con la temperatura, esto resul-tará en un error por temperatura,

- los I íquidos viscosos que cubran al elemento sensor provocarán lecturas erróneas ocompletamente falsas,

- las burbujas de aire (en el líquido) o la espuma en la superficie del líquido daránlecturas erróneas, y

- con este dispositivo no se puede medir el nivel de interfase entre los líquidos.

Otra variante de medidor de nivel de tipo capacitancia se hace con un oscilador de alta frecuencia (500kHz a 1.5 MHz) que excita a un circuito puente que mide los cambios de capacitancia que ocasionan lasvariaciones de nivel, como se muestra en la figura 68.

El recipiente es una placa del capacitar y la punta de prueba es la otra. El líquido entre los dos es el dieléc-trico, cuando el nivel aumenta, los vapores con baja constante diel&trica son reemplazados por el líquidode proceso de alta constante dieléctrica. Los cambios de capacitancia son detectados por un instrumentocalibrado en unidades de nivel. La presión y temperatura del proceso determina el tipo de sello que debeusarse en el aislante de la punta de prueba, donde las condiciones de corrosión determinan el tipo de recu-brimiento.

Para mediciones de nivel de materiales no conductores se usa la punta de prueba desnuda (ver figura 68)donde Cl es la capacitancia del aislante, la cual no cambia con el nivel, C2 es la capacitancia de la fase devapor o gas y C3 es la del I íquido.

871218 I I I I 1 I 1 1 l I

871218 1 1 I 1 1 1 I I I I I

Al SLANTE

DE PRUEBA

C e**

I 1,c2

I 1,c 3

1 1

FIGURA 68 - Variante del medidor de nivel tipo capacitanciade materiales no conductores

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO ESPECI FICACION


84 de 120

Para mediciones de nivel de líquidos conductores las puntas de prueba se usan recubiertas como se muestraen la figura 69.

Las puntas de prueba pueden tener diámetros de 0.013 a 0.019 m (1/2 pg a 3/4 pg) y longitudes de 0.2 a2 m ó más.

En la tabla 5 de muestran las constantes dieléctricas a temperaturas dadas de diversos materiales I íquidos.gases y sólidos.

-

KO- -

KD

-

R

-

R ( cualquier yolor)

FIGURA 69 - Variante del medidor de nivel tipo capacitanciade materiales conductores

4.5 Medidores de Nivel Tipo Radiación de Energía

4.5.1 Medidores de nivel tipo sónico

Los medidores de nivel ultrasónicos son unos instrumentos diseñados para actuar a una frecuencia de laseñal sónica de 20 a 40 kHz. Los dispositivos ultrasónicos, se dividen en dos grupos, los de medición con-tinua y puntual. La interrupción o detección de la señal generada se usa para accionar un controlador en elcaso de los detectores puntuales. En mediciones contínuas de nivel se mide el tiempo entre la señal emitiday la señal reflejada, siendo el tiempo proporcional al nivel.

871218 I 1 I I I 1 1 I I 1 I



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G a s e s

(“I’

S ó l i d o s

MaterialConstante Materiales ConstanteDieléctrica Dielhtricos

Acido acético (36” F) 4.1 Papel 45.0Fosfato de aluminio 6.1 Fenol (5O’F) 2.0Asbesto 4.8 Polietileno 4.5.0Asfa Ito 2.7 Polipropileno 1.5Bakelita 5.0 Porcelana 5.7.0Sulfato de bario (6O’F) l l .4 Carbonato de potasio (6O’F) 5.6Carbonato de calcio 9.1 Quarzo 4.3Celulosa 3.9 Arroz 3.5Cereales 3.5.0 Hul’e (duro) 3.0Oxido de fierro (6O’F) 14.2 Arena 3.5.0Vidrio 3.7 (Dioxido de silicón)Oxido de plomo 25.9 Sulfuro 3.4Sulfato de plomo 14.3 Azucar 3.0Oxido de magnesio 9.7 Urea 3.5Mica 7.0 Tef Ión 2.0Naftaleno 2.5 Sulfuro de zinc 8.2Nylon 45.0

Material granular y empacada

Material Constante dieléctrica Constante dieléctricaal medio ambiente empacada

Ceniza (volátil) 1.7 2.0Coke 65.3 70.0Gerber Oatmeal 1.47 No probada(Linde 5A molecular)Sieve, Seco 1.8 No probadaSieve, Seco (20% humedad) 10.1 No probadaPolietileno 2.2 No probadaPo Iv0 1.25 No probadaSand-Reclaimed Foundry 4.8 4.8Cheer 1.7 No probadaFab (10.9% humedad) 1.3+ 1.3+Tide 1.55VEL (0.8% humedad) 1.25 1.25

e

871218 I I I I I I I I I I I

GUIA DE DISENO DE SELECCION DE INSTRUMENTOESPECIFICACION


87 de 120

La frecuencia del medidor ultrasónico se modifica automáticamente en función de la variación de tempera-tura detectada por UR sensor del medidor. Esta y otras correcciones por el medio son realizadas automáti-camente por el equipo.

4.5.1.1 Mediciones contínuas

La figura 70 ilustra el principio de la medición contínua. El concepto que se emplea, es la medición deltiempo que transcurre entre el pulso transmitido y el pulso recibido.

Los dispositivos de tipo sónico operan bajo condiciones cuidadosamente contrcladas como las de un labo-ratorio y dependen de los cambios en el medio ambiente, especialmente de la temperatura, presión del gra-do de turbulencia de la superficie del líquido de la espuma y composición química (todos los factores queafecten la velocidad de la propagación acústica y bajo los cuales se basa fundamentalmente la medición).En donde pueden esperarse cambios en la composición química, la calibración puede verse severamente

afectada, por ejemplo la velocidad del sonido en el aire a 0°C (32°F) es 331 m/s (1007 ft/s); en el amonia-

co, 414 m/s (1361 ft/s); en el bióxido de carbono, 337 m/s; etc. Por supu.esto una considerable cantidad y

complejidad de estos factores pueden compensarse automáticamente.

FUENTE DE PODER

CRISTAL TRANSMISORRECEPTOR

SEÑAL DE SALIDA ALINDICADOR 0 RECEPTOR

------* /~-s\r---- TRANSMISOR DE PULSO SONICO

FUENTE DE PODER

SENAL CE SALIDA ALINDICADOR 0 RECEPTOR

FIGURA 70 - IJnidades de medición de nivel del tipo sónicoa) En fase líquidab) En fase vapor

871218 I I I I I 1 1 1 ! 1 1



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La figura 70 ilustra las unidades comerciales disponibles: (a) para medir el nivel vía fase líquido; (b) paramedir la posición del nivel vía fase vapor o gas. El equipo incluye un transmisor que periódicamente envíaun pulso sónico desde el convertidor a la superficie del líquido, un receptor (incluido dentro del converti-dor) que amplifica el pulso de retorno y un contador de intevalo para medir el tiempo transcurrido entrela transmisión de un pulso y la recepción del eco del pulso correspondiente. Generalmente los pulsos deeco se reflejan al regresar de la superficie del líquido; sin embargo, la línea de interfase entre líquidosinmiscibles también refleja suficiente energía para que el sistema pueda medir estos niveles oscuros de in-terfase. Un convertidor y su simple cable coaxial constituyen generalmente el único equipo de instalaciónque se requiere para medir el nivel en un tanque.

Por lo anterior es necesario conocer el medio y sus condiciones para medir el nivel midiendo el tiempo depropagación. Estos medidores se pueden usar para medir líquidos y sólidos.

Algunos fabricantes usan un solo dispositivo para la transmisión y la recepción. Otros fabricantes usan untransmisor y un receptor.

Para medición de sólidos, el transmisor se monta normalmente arriba del material, mientras que para Iíqui-dos se pueden usar arriba o abajo del medio.

El rango de medición es de 0.15 a 30 m. Se debe tener especial atención en la ubicación del emisor y re-ceptor para que no se tengan falsas señales producto de intersecciones de objetos no deseados. Ver figura7 1 .

EMISOR- RECEPTOR

OBJETOS NO DESEADOS

FIGURA 71 - Unidad de medición de nivel tipo sónico

I 1 1 1 I 1 I I



89 de 120

tGENERADOR Y BASE DE TIEMPO

INDICADOR ANALGESI-+ 0 DIGITAL

TRANSMISOR 0 RELOJ1111111I o

f

1

RECEPTOR Y CONTROL DE

AMPLIFICADOR - TIEMPO Y GANANCIA, 1

FORMADOR DE

. ONDAS

SENSOR DE TEMPERATURA b

PULSO TRANSMITIDO

rJ

II PULSO RECIBIDOll

- - ,~-~~ - -- _~- -_ -- - -

+ - +-

TIEMPO DE DESPLAZAMIENTO, PROPORCIONAL

AL NIVEL.

FIGURA - 72

8 7 1 2 1 8 I I I l 1 I I I I 1 1


ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

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4.5.1.2 Mediciones puntuales o discretas

Para esta medición se pueden usar sistemas de un elemento o de dos elementos.

Sistemas de dos sensores

Los modelos más recientes de dos elementos funcionan como se muestra en la figura 73, un sensor emiteuna señal, la cual es detectada por el receptor en el lado opuesto del recipiente hasta que el nivel de mate-ria interrumpe la trayectoria de la señal.

Este método es útil para servicios limpios y de trayectorias no muy grandes. Estos problemas son elimina-dos con sistemas de punta de prueba de dos sensores (ver figura 74) la distancia de la trayectoria de laseñal se fija y sólo requiere una toma en el recipiente.

En este sistema se usan transductores que están separados a 1.0 m (4 pg). Cuando el rayo ultrasónico debaja energía se interrumpe por la presencia del material, un relevador de control dispara una acción decontrol.

(

EMISOR

Il r

-

-TRANSDUCTORES-i

RECEPTOR

FIGURA 73 - Sistema de 2 sensores

E

FIGURA 74 - Sistema de punta de prueba de 2 sensores

871218 1 I I I I 1 I I I I 1

GUIA DE DISEIÜO DE SELECCION DE INSTRUMENTOESPECIFICACION


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4.5.1.2.1 Detector ultrasónico de detección simple

Las figuras 75 y 76 muestran un indicador de nivel de líquido simple tipico: el sensor es una sonda peque-ña herméticamente sellada cuya cara frontal oscila a una frecuencia relativamente alta (tal como 35,000 ó40,000 Hz). Cuando el líquido subre y cubre por lo menos la mitad de la cara del sensor (cuando se montahorizontalmente), la acción oscilatoria del sensor se apaga; el amplificador detecta esta atenuación y pro-voca que un relevador produzca una señal digital.

Los sensores generalmente son pequeños, aproximadamente 3 cm de diámetro, hechos de acero inoxidabley pueden colocarse fácilmente en el tanque.

A este tipo de sensor no lo limitan las propiedades de los diversos líquidos tales como la presión, conducti-vidad o densidad.

FUENTE DE

AMPLIFICADOR

SENSOR SONDA

PODER

.t WADOR

FIGURA 75 - Indicador de nivel de líquido tipo sónico de sensorsencillo usando sensor sonda montado en la parte superior

FUE TE DE PODERr”L

AMPLIFICADOR

FIGURA 76 - Indicador de nivel de líquido tipo sónico de sensorsencillo usando sensor sonda montado lateralmente

871218 1 I I I I I I I I 1 I


Y METODO PARA MEDICION DE NIVELr CFE GALIO-28

4.5.2 Detectores del tipo vibratorio

Este método de medición o detección de nivel es un dispositivo electromecánico, que consiste de tres par-tes, según se muestra en la figura 77, la cual puede describirse como sigue:

al Fuente de la señal.- Se obtiene por medio de una bobina accionadora, alimentada con110 V y 60 Hz; el accionador produce una vibración de 120 Hz la cual se transmite, através de una ruta vibracional, a una paleta prismática.

b) Receptor o colector.- El extremo tiene un imán permanente y una bobina que produce

una señal de salida proporcional a la amplitud de vibración de la paleta; el rango de la fem

de esta señal de salida va de 0 a 580 mV.

4 Paleta prismática.- La amplitud de vibración de la paleta y, por lo ianto, la señal de salida

reflejan las propiedades del medio que rodea a la paleta, en un medio gaseoso la amplitudestará cerca del máximo, cuando el líquido hace contacto con la orilla inferior de la paletaen vibración, se lleva a cabo una atenuación que se incrementa en tanto que el nivel subehasta el extremo superior de la paleta. El incremento de la atenuación se aproxima a unafunción lineal (la fem es inversamente proporcional al nivel medio) y puede transmitirsea un receptor indicador o controlador.

EXTREMO RECEPTW

‘\ r-- EXTREMO MOTOR

PALETA - NODO

FIGURA 77 - Detector de nivel de vibración

4.5.3 Detección del nivel por medio de una señal de emisión electrónica

- detector del tipo oscilatorio.- En la figura 78 se ilustra una unidad oscilatoria típi-ca para medir el nivel. Estos dispositivos generalmente se usan para indicar o medirel nivel en un punto específico. Un oscilador electrónico genera una corriente alternade alta frecuencia que transmite a un receptor fijo en un medidor de vidrio limpio.

8 7 1 2 1 8. I l 1 I 1 I I 1 1 1 I

GUIA DE DISENO DE SELECCION DE INSTRUMENTOY METODO PARA MEDICION DE NIVEL

ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

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Cualquier cambio en las características del material, tal como un cambio de nivel, enel campo del receptor desintoniza al oscilador. Al amplificar el cambio resultante enla corriente, se pueden operar relevadores, contactos para indicación o control remo-tos, solenoides y válvulas motorizadas La exactitud de la operación puede ser muyestrecha, del orden de 0.0025 a 0.317 cm (0.001 a 0.125 pg) de cambio de nivel,

- sistema de celda fotoeléctrica con tubo de vidrio.- Este sistema utiliza una fuente deluz y un receptor sensible a la luz en un tubo de vidrio. Este tipo de dispositivo paramedición de nivel es poco usado (ver figura 79).

FUENTE DE PC033

0 CONTROLADOR

SENSORA

FIGURA 78 - Tubo de vidrio en un detector oscilatorio

r-i FOTOCEL DA

DE VIDRIO

FIGURA 79 - Detector de celda fotoeléctrica con tubo de vidrio



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Si el líquido no es transparente, se puede utilizar un ernisor de luz y una fotocelda recep-tora para obtener una señalización de bajo o alto nivel aprovechando la sombra producidapor el líquido al alcanzar un cierto nivel.

La ventaja de este instrumento es que no se encuentra en contacto con el líquido, su cos-to es bajo y su mantenimiento reducido.

Este instrumento sólo se aplica para niveles discretos (alarma, paro, etc.) ver figura 80.

FOTOCELDA

EMISOR DE LUZ

E3

117V 60 HZ qc4--mm--_z =--=- -. - - - --r

UADRO DEI NOSA

FIGURA 80 - Sistema de celda fotoeléctrica con tubo de vidrio

4.5.4 Determinación del nivel por absorción de radiación

4.5.4.1 Detector del tipo “Geiger-Mueller”

Dos variaciones de este sistema dependen respectivamente de dos relaciones básicas, según la intensidadde la radiación recibida por el detector, esto es:

- la intensidad varía en proporción al material interpuesto entre la fuente y el detector

- la intensidad varía en proporclón inversa al cuadrado de la distancia entre la fuente yel detector.

871218 I 1 I 1 1 1 I 1 I 1 1


ESPECI FICACION

CFE GALIO-28

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Así, para mediciones de nivel en líquido o sólidos, la fuente puede localizarse de manera que el líquido (o elsólido) mismo forme un camino de variación del espesor a trav&s del cual las radiaciones gamma deben pasar

para alcanzar al detector. Como una alternativa para líquidos, la fuente puede colocarse en un flotador que

sube y baja de acuerdo con los movimientos del nivel y por lo tanto varía la intensidad de la radiación reci-

bida por el detector. Para esta aplicación se utiliza una fuerza substancial de potencia de rayos gamma (la

fuente generalmente se coloca por fuera del recipiente); que pasan a través del material recipiente.

La figura 81 ilustra un ejemplo típico en el cual la fuente de emisión; generalmente una pequeña cantidadde isótopos radiactivos tales como el cobalto 60, cesio 137 ó radio 226, tiene una localización fija dentro ofuera del recipiente; el detector, con elementos simples o múltiples (tubos Geiger-Mueller), se fija directa-mente en el exterior del recipiente y en el lado opuesto de la fuente, de manera que cuando el nivel dellíquido varie, cambiará la intensidad de la radiación recibida por el detector. La absorción de rayos gammapor la pared del recipiente es constante, y la absorción de gas o vapor del espacio arriba del líquido es des-preciable; por lo tanto, una lectura apropiada del valor de radiación recibido define la posición del nivel enel recipiente. El rango de lectura depende de la longitud activa de los elementos detectores expuestos a laradiación. El detector de tubos de Geiger-Mueller convierte el valor de la radiación gamma recibida en unasalida de pequeños pulsos de corriente, los cuales, cuando se alimentan al circuito del amplificador, se con-vierte en pulsos de voltaje y pueden transmitirse a un registrador ylo controlador. Las cámaras de ionizacióntambién se utilizan como detectores de radiación. La figura 82 muestra un sistema que emplea un flotadorel cual contiene la fuente de radiación. Este sistema tiene las mismas limitaciones que los otros detectoresde flotador, ya que el camibo de material puede afectar SU calibración y con ello modificar su posición conrespecto a la superficie del líquido. Ambas formas tienen la ventaja de no requerir conexiones a través de lapared del recipiente, esto es de particular valor en servicios de alta presión o donde se trata de líquidoscorrosivos o peligrosos. Algunas características de estos dispositivos son las siguientes:

Exactitud: +r 0.158 cm (1/16 pg) hasta el 1 % del rango de medición.

La exactitud se ve directamente afectada por las variaciones en la densidad del material.

Rango de medición: 1.27 cm (1/2 pg) hasta 6.10 m (20 ft); mayor en instalaciones múltiples.

Temperatura: la fuente, limitada únicamente por los materiales de construcción. El detector; -1.1 165.56”C (30 a 180” F).

Constantes de tiempo: hasta 10 segundos en mediciones de nivel contínuo.

En ciertas aplicaciones donde otros métodos son impráctivos o no confiables, estos sistemas proveen altexactitud de medición.

4.5.4.2 Detección del nivel por medio de una celda de ionización de gases

Los medidores Ohmart para medición de nivel de líquidos o sólidos se basan en una celda que convierte Ienergía de radiación gamma directamente en energía eléctrica (ver figura 83). Esta celda contiene dostrodos, con diferentes funciones de trabajo separados por un gas de llenado, el cual, es fuertemente ionizadpor exposición o radiación nuclear, atrae los iones positivos al electrodo negativo y los electrones aldo positivo; así se genera una corriente eléctrica que puede amplificarse.

871218 I 1 I I l I I I I I I

GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOESPECIFICAClON

Y METODO PARA MEDICION DE NIVELCFE GALIO-28*

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FUENTE -

INiERVALb,D EM ICION ‘\Llp 1- - - - - - -

AMPLIFICADOR

FUENTE DE PODER

FIGURA 81 - Instalación típica de un detector de niveltipo radiación

DE PODER

I AL RECEPTOR

FIGURA82 - Medidor de emisión de rayos gamma

n IR f t-i=?l M E D I D O R

CELDA COMPENSADORA

PREAMPLIFICADOR

CELDAS EN COLUMNA

EL. E C T R I C O

COLUMNA DE FUENTE RADIACTIVA

FIGURA 83 - Medición de nivel por medio del uso de celdas convertidorasde radiación de rayos gamma a energía eléctrica

871218 1 I I 1 I I I I I I 1


I

ESPECIFICACION


97 de 120

Otro método de medición consiste en un tubo de Geiger-Mueller llenado con un halógeno y, ya sea un tira-tón (cañón electrónico de cátodo caliente) o, un tubo emisor de electrones de cátodo frío, sin tubo deva-tío en el circuito de medición. La salida del tubo Geiger-Mueller es una serie de pulsos de velocidad pro-porcional a la radiación de intensidad del campo. Estos pulsos son integrados y aparecen como voltajes deC.D. La fuente radiactiva se coloca en una o múltiples posiciones en el tanque o recipiente (es común unacolumna o pila de celda), en una localización donde el material cuyo nivel o posición de interfase se estámidiendo quede interpuesto entre la fuente y la celda. La fuente de radiación es una función inversa de ladistancia entre la fuente y la celda, o de la densidad del I íquido; por lo tanto, todas las salidas eléctricasson proporcionales a la posición del nivel o a la densidad del material. Las aplicaciones más comunes son:

Nivel de una posición: 1 fuente de radiación, 1 celda de medición.

Nivel alto o bajo: 2 fuentes de radiación, 2 celdas de medición.

Nivel continuo: fuente de tira o pila y detección (ver figura 83).

4.5.5 Determinación del nivel por transferencia de calor

al Sonda del tipo termistor: la figura 84 muestra este tipo de detector de sonda que delibe-radanlente introduce un retraso de tiempo en su respuesta. La sonda contiene un termis-tor colocado de manera que el calor generado (debido a la corriente que pasa a través deél) se pueda transferir fácilmente a la porción metálica de la sonda que está en contactocon el líquido. Mientras este calor se transfiera rápidamente, el termistor permanecerárelativamente frío y su resistencia relativamente alta; pero si el nivel del líquido baja, eltubo de protección del termistor no podrá disipar el calor a la velocidad de antes yaumentará su temperatura; al mismo tiempo que la temperatura del termistor tambiénaumentará y disminuirá su resistencia; lo cual incrementará la temperatura aún más, incre-mentando nuevamente la velocidad de calentamiento hasta alcanzar un punto de equili-brio térmico. El cambio de resistencia es el que se detecta para generar una señal digital.Debido a la inercia térmica de la sonda siempre habrá algún retraso, que será del orden desegundos.

b) Sonda de tubo doble y resistencia.- Debido a que la sonda no debe responder a cambiosen la temperatura arnbiente, puede emplearse el diseño de la figura 85, en donde un tuboexterior y uno interior pueden unirse con un sello de presión hermético cuyo extremo seproyecta dentro del líquido. El tubo exterior se asegura al tanque por medio de unaconexión, y en la superficie interior del tubo va pegada una resistencia de alambre, que localentará. Cualquier incremento en la temperatura ambiental provocará que el extremodel tclbo exterior se mueva a la izquierda; y el tubo interior, que está hecho del mismomaterial y de la misma longitud, tendrá un movimiento hacia la derecha. De este modo,los cambios de temperatura que igualmente afectan a cada tubo, no traerán cambio signi-ficativo en la posición del punto A, el cual es el dispositivo accionador del interruptor.

I 5 DETECCION Y MEDICION DE NIVEL DE SOLIDOS

El almacenamiento y procesamiento de materiales sólidos, los cuales pueden estar en forma de hojueias,polvos, granulos o terrones, normalmente involucran el uso de recipientes tales como silos y tanques.

871218 1 I I I I I 1 1 I 1 I

NIVEL DE LIQUIDO----v--m----TUBO DE PROTECCIOF,

TERMISTOR

M ED’D0R RE LEVADORL4$ t

FIGURA 84 - Sonda tipo termistor


ESPECI F ICACION

CFE GALIO-28,

98 de 120

INTERRUPTOR

CIRCUITO DEL

CALENTADOR

UN IDADES DE 1 I

C A L E N T A M I E N T O

FIGURA 85 - Sonda de tubo doble

fa71718 1 I I I 1 I 1 1 1 I 1

GUIA DE DISEÑO OE SELECCION DE INSTRUMENTOESPECIFICACION


99 de 120

Los sistemas mecanizados para carga y descarga de recipientes requieren monitoreo del nivel de materialessólidos. El objetivo principal del sistema de monitoreo es prevenir el desparramiento o el vaciado y proveerdatos para el inventario.

Un sistema de manejo de materiales sólidos requiere que se proporcionen señales para cada cambio críticodel nivel. Generalmente estas señales son eléctricas y accionan alarmas, audible o visual; arranque o parode motores; o accionan válvulas solenoides.

Se tienen disponibles varios contactos de nivel electromecánicos, electrónicos y nucleares. Aunque los dis-positivos de más alto costo pueden aproximarse universalmente en las aplicaciones, frecuentemente losdispositivos de bajo a medio costo satisfarán los requisitos inmediatos. La selección de los controles denivel más apropiados está gobernada por factores tales como:

- temperatura mínima/máxima,

- presión mínima/máxima del aire o gas,

- vibración,

- contenido de humedad del material sólido,

- compatibilidad de los componentes de control,

- propiedades del material sólido incluyendo densidad, fluidez, forma de las partículasy características acústicas y dieléctricas.

Muchos de los sistemas que se describen aquí son útiles en las mediciones de nivel en I íquidos que previa-mente hemos descrito. En la figura 86 se muestran varios tipos de instrumentos para medición de nivel demateriales sólidos.

5.1 Sensores de Presión

La presencia o ausencia de materiales sólidos puede determinarse por un instrumento sensitivo de presióntal como la flexión de un diafragma o la deflexión de un componente como péndulo; en ambos casos sederiva un movimiento lineal para propósitos de accionar o desaccionar un interruptor de un circuito eléc-trico. La sensibilidad del dispositivo estará determinada por:

- el tamaño del diafragma,

- tensión o compresión del resorte,

- contrapesos,

- longitud de la varilla del péndulo,

- tamaño del péndulo.

871218 1 1 I I I I I I I I 1



100 de 120

SISTEMA DE PESADO

SISTEMA DE CAPACITANCIAyp

ìISTEMA ULTRASONICO

PUENTE CAPACIT‘IV0 .IE

TERMICO ’IB

•I PALETAS ROTATORIAS

PENDUIB SENSOR DE PRESION

DETECTOR DEHAZ ULTRASONICO

DETECTOR DERADI ACION NUCLEA

DIAFRAGMA SENSLA PRESION

;IT

TRANSMISOR DE HAZULTRASONICO

FUENTE DE EMISION DERADIACION NUCLEAR

FIGURA 86 - Varios tipos de instrumentos para medición denivel de materiales sólidos

I ESPECIFICACIONGUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO I


101 de 120

Los cambios normales en las propiedades del material sólido no alteran su funcionamiento. Este y otrosdispositivos se muestran en la figura 86. Estos dispositivos normalmente pueden utilizarse sobre rangos detemperatura de -34 a 426°C (-30 a 8OO”F), para densidades de material de media baja a muy alta, parapolvos de granulo de tamaño intermedio y a presión atmosférica. Estos son dispositivos de bajo costo ypueden montarse interna o externamente con exposición apropiada del elemento sensor en los materialessólidos, no se requiere servicio frecuente ni técnica especial.

I 5.2 Dispositivos de Paleta RotatoriaI

La operación de estos dispositivos se centra alrededor de un motor de baja velocidad y de torque pequeño.El motor hace girar la paleta, en ausencia de material o para accionar a un interruptor de un circuitocuando la presencia de material hace que se pare la rotación de la paleta. La sensibilidad del dispositivo sedetermina por la configuración de la paleta, las características del interruptor eléctrico y la técnica deaccionamiento del interruptor. Las fluctuaciones normales en las propiedades del material sólido no alte-ran su funcionamiento. En uso normal este dispositivo puede emplearse a temperaturas que van de -34 a426°C (-30 x +800°F) para todas las densidades de los materiales, todos los tamaños de partículas y todaslas presiones diferenciales hasta 14 kg/cm’ (200 IbAn* ). La paleta rotatoria es un dispositivo de bajo costoy puede montarse interna o externamente; no requiere de servicio frecuente ni de técnica especial. Verfigura 86.

5 . 3 Por el Procedimiento de Pesado

Para indicar los cambios de peso de un recipiente se utilizan sistemas mecánicos, neumáticos, hidráulicosy sensores de fuerza electrónica. El recipiente puede suspenderse o soportarse por medio de componentessensitivos de fuerza que con frecuencia involucran alguna forma de sistema de palancas (ver figura 86)incluyen relevadores o interruptores para proveer señales eléctricas en determinados pesos (y por lo tantode niveles). Su uso normal requiere que el peso del recipiente pueda aislarse de sus alrededores en formaapropiada. Este sistema es relativamente alto en costo y necesita mantenimiento programado por técnicosespeciales.

5.4 Sensor de Puente de Capacitancias

Este dispositivo comprende un electrodo (sonda), un circuito puente y un relevador de circuito de control.los cambios en la cantidad de material sólido en el área inmediata del electrodo alterarán la capacitancia.Las unidades se ajustan para responder a fluctuaciones de capacitancia específicas y son capaces de indicartodos los cambios de nivel con una sonda vertical. La repetibilidad de la señal puede influenciarse porcambios en la densidad y contenido de humedad del material sólido y por cualquier retención de sólidosen el electrodo. El electrodo puede ser de montajeinterno o externo con excosición apropiada del materialsólido. En casos de uso normal este dispositivo puede aplicarse para rangos de temperaturas que van de-128 hasta 537°C (-200 hasta +lOOO°F) para: cualquier densidad del material, cualquier tamaño de par-tículas y para presiones, diferenciales hasta 70.3 kg/cm* (1000 IbAn). El sensor de puente de capacitanciases un dispositivo de costo medio que generalmente requiere mantenimiento periódico por técnicos especia-les. Ver figura 86.

871218 I I I I I I I I I l

I


ESPECI FICACION

CFE GALIO-281

102 de 120

5.5 Sensor Ultrasónico

Este dispositivo se muestra en la figura 86 y requiere de un transmisor de onda o rayo, un detector y unrelevador de circuito de control. Se usan dos tipos de sistemas diferentes, en uno el detector responde a lapresencia o ausencia de una pared de onda sonora como la que forma un material sólido cuando se exponeya sea al transmisor o al detector. Las fluctuaciones normales en las propiedades del material sólido o loscambios normales del medio ambiente no afectan la repetibilidad de la señal. Este dispositivo puede usarseen rangos de temperatura desde -156 hasta 204°C (-125 a + 400°F) y para presiones hasta 70.3 kg/cm2( 1000 I b/in2 ). Este dispositivo está en la categoría de costo medio.

Un segundo esquema ultrasónico incluye un transmisor y un detector montados de manera que vean haciaabajo; el transmisor emitirá un rayo sónico pulsante o intermitente sobre el nivel del material sólido; eltiempo transcurrido para que la onda rebote (eco) de la superficie del material sólido proporciona un mediode la indicación y registro de la distancia vertical de los sólidos que están debajo. Las fluctuaciones en latemperatura, en el polvo levantado y en los constituyentes del aire sobre el material sólido afectan la veloci-dad de la onda sónico y por lo tanto la exactitud de la señal. Este sistema normalmente puede usarse enrangos de temperatura que van desde -40 hasta + 121 -C (-40 hasta +250” F) para rangos de profundidadhasta 30.48 m (100 ft) y presiones hasta 12 kg/cm2man (200 psig). Este sistema está en la categoría decosto medio a alto, los componentes electrónicos de este dispositivo generalmente requieren mantenimientoperiódico realizado por técnicos especiales.

5.6 Dispositivos Térmicos

Estos detectores emplean circuitos C.D. con fuentes de bajo calor en el punto de contacto con el materialsólido; el material sólido debe tener un coeficiente de transferencia mayor que el del aire. La resistenciavaría, cuando la presencia de materiales sólidos provocan un descenso en la temperatura del elemento decontacto, esto desbalancea al circuito del puente y energiza un relevador del circuito de control (ver figura86). Estos dispositivos son de costo medio y se utilizan principalmente donde las condiciones del medioambiente se controlan para que sean constantes.

5.7 Sensores Nucleares

Estos controles de material sólido utilizan una fuente de emisión de rayos gamma o X, un detector y unrelevador de circuito de control (ver figura 86). Estos dispositivos ya fueron descritos en inciso 4.5 en nivelde I íqu idos.

6 SISTEMAS DE CONTROL NORMALIZADOS PARA NIVEL

Estos criterios serán aplicables directamente a centrales termoeléctricas de combustibles fósiles (gas, com-bustoleo o carbón) con capacidades de 160 y 350 MW.

6.1 Procesos Cr íticos

“A” crítico por redundancia, garantizado por medio de sistemas 2 de 3 en transmisores/interruptores quecomprenden los elementos con propósitos de control de procesos críticos.

871218 I I I I 1 I I I I I I



103 de 120

6.2 Procesos Directos

“B” directo sin redundancia por medio de sistemas de 1 de 1 que comprenden los elementos con propósi-tos únicamente de indicación ylo control en procesos no críticos.

6.3 Principales Mediciones de Nivel en Centrales Termoeléctricas

A lo largo de los sistemas de agua de alimentación y condensado hay numerosos puntos de almacenamien-to donde se deben mantener niveles relativamente constantes. Es aconsejable conocer las condiciones delnivel mediante un registro o indicación del mismo.

En esta sección se muestran desde las mediciones de nivel comunes hasta las más importantes para plantastermoeléctricas; así como también se indican los tipos de instrumentos utilizados con mayor frecuenciapara dichas mediciones.

6.3.1 Control de nivel básico

Aplicable para el control de nivel de casos sencillos. La señal de salida de un transmisor de nivel, se compa-ra en un elemento diferencial con un punto de ajuste prescrito. La señal de error del elemento diferencialse aplica a un controlador de acción proporcional/integral cuya acción correctiva se transmite al elementofinal de control a través de una estación selectora manual/auto, que permitirá además al operador ejerceracción remota cuando se está en operación manual (ver figura 87) tipo C02.

La estructura del control de nivel básico es típica para la aplicación de servicios como:

6.3.1.1 Nivel en calentadores de agua de alimentación

En los siguientes casos no se requiere tener un control como el descrito en el inciso 6.3.1 y se utiliza uncontrol más sencillo, el control neumático local.

DTI Servicio

M-304 Control de nivel del tanque colector de agua de sellos de bombas de agua dealimentación.

M-305 Control de nivel del tanque de purga contínua.

M-307 Control de nivel calentadores agua de alimentación alta presión.

M-308 Control de nivel calentadores.

M-312 Control de nivel de los tanques colectores de drenaje de los calentadores deaire a vapor.

Control de nivel del generador vapor/vapor.

Control de nivel del tanque receptor de drenes del generador vapor/vapor(lado vapor de calentamiento).

871218 l I I I I I I 1 I I 1

LT9


ESPECIFICACION

CFE GALIO-28 ,

104 de 120

FIGURA 87 - Válvula o compuerta

1871218 1 I 1 l I 1 I I I I I

ESPECI FICACIONGUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO


105 de 120

Control de nivel del tanque de retorno de condensados del generador de vapor/vapor (lado vapor a calentadores de combustibles).

Control de nivel del tanque atemperador de vapor auxiliar para atomización decombustible.

6.3.2 Control de nivel en rango dividido

Los transmisores de nivel generan una señal que se compara con un punto de ajuste o valor prescrito en unelemento diferencial. La señal de error proveniente del elemento diferencial pasa a un controlador de acciónproporcional/integraI y de allí, a través de una estación manual/automático, a la válvula principal de controlo la válvula que llevará el control en carga alta. Por otro lado, la señal del controlador pasa a un generadorde funciones que acondiciona la señal para que, a través de una estación manual/auto actúe sobre la válvulade arranque o la válvula que llevará el control en carga baja.

Las funciones del rango dividido son la operación en carga alta y baja o l’a operación en servicio normal deemergencia (ver figura 88) tipo C04.

6.3.3 Nivel del domo del generador de vapor

Esta es una de las mediciones vitales en toda planta termoektrica. La seguridad es la primeraconsideración, pero un control pobre también puede afectar la eficiencia de operación. Un bajo nivel poneen peligro la circulación y puede llegar a quemar los tubos del recalentador o los de circulación de vapor,mientras que un alto nivel puede inducir por medio del vapor, arrastres de impurezas de la humedad, oca-cionando daños a la tubería. Por lo tanto, el nivel del domo generalmente se indica y registra mediante -múltiples aparatos.

6.3.3.1 Indicadores y sensor-es para detección de nivel en generadores de vapor

Los tubos de vidrio y los indicadores remotos miden los cambios de nivel de los líquidos de densidad cons-tante; sin embargo, en el caso de los generadores de vapor, la densidad del agua varía con la temperatura lacual a su vez depende de la presión del generador de vapor. En tanto que la presión de operación aumenta,la temperatura del agua se incrementa y la densidad se reduce. Estos cambios afectan la exactitud de laslecturas del nivel de agua. Las pruebas en generadores de vapor muestran que la temperatura promedio delagua en un indicador de carátula de vidrio, es siempre menor que la temperatura del vapor y, que el nivel delagua indicado es menor que el nivel real en el domo. Estas diferencias pueden variar con el tipo de medidory con el arreglo de las conexiones del vapor y el agua, pero las condiciones de temperatura esperadas puedenaproximarse en condiciones promedio. Lo anterior se muestra en la figura 89: a mayor presión en el domomayor será tanto la temperatura, como la caída de temperatura en el indicador de nivel. La diferencia entrela temperatura del domo y la del medidor de nivel (figura 89) produce las diferencias correspondientes enla densidad del agua en estos dos lugares. Estas variaciones se muestran en la figura 90, a mayor presión,menor es la densidad del agua y por lo tanto, la diferencia entre la densidad del agua en el domo y la del in-dicailor es mayor.

La lectura aceptada como referencia norrnalizada para medir el nivel en el domo de generadores de vapor,es la del indicador de carátula de vidrio. La lectura para calibrar otros indicadores debe estar de acuerdo coneste dispositivo. En muchos casos la diferencia en el nivel del agua, entre el indicador de carátula de vidrio yel domo, originada por las variaciones en la densidad, se compensa bajando el indicador, con respecto aldomo, en una cantidad igual a la diferencia.

871218 I I I I I 1 I I I l 1

v

K II

I


ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

106 de 120

principal arranque

FIGURA88 - Válvula de control en rango dividido

871218 I I I 1 I I 1 I 1 I I .Ir

GUlA DE DISENO DE SELECCION DE INSTRUMENTOESPECIFICACION

y METODO PARA MEDICION DE NIVELCFE GALIO-28

107 de 120

319.6 6 0 0 VAPOR SATURAD0 AGUA SATURAD

260.0 - 5 0 0

IL0

o”, 204.4 - - 400å

2z

2 149.9 - 3 0 0

p:å EL INDICADOR DE NIVEL

w :k 9 3 . 3 - w 200

: l-

3 1 . 6 100

0 0

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 600 vxKJ 1200 1400 1 6 0 0 1 9 0 0

PRESION, Ib./ine (abs.)

1 I 1 I I I I I 1 I

0 14.06 26.12 42.16 5 6 . 2 3 7 0 . 3 1 . 6 4 . 3 7 9 6 . 4 3 112.3 126.56

PRESION, Kg/cm’(abs)

FIGURA 89 - Temperaturas relativas del agua en el domoy en el indicador de nivel

2”a;;:4, 1.0

IL

g oE

20”0.9

O -- -u) .z;ü 0.6 I l 1 I 1 I I 1 I I I I

Waa I I I I I I I I I I 1 I I I I I I I l

0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 6 0 0 1000 1200 1400 1600 1600

PRESION, Ib/in’ (abs)

I I I I 1 1

0 1 4 . 0 6 2 6 . 1 2 42.16 56.25 70.31 6 4 . 3 7 9 6 . 4 3 112.3 126.56

PRESION, Kg./cm2(abs.)

FIGURA 90 - Densidades relativas del agua en el domo de la caldera a diverxspresiones de operacián, resultantes de las variaciones de la fig. 89

8 7 1 2 1 8 1 I I 1 I I I 1 I I I



108 de 120

Los indicadores de nivel normalmente se calibran con respecto a las lecturas de referencia del indicador devidrio a la temperatura ambiente. En aplicaciones de baja presión esta calibración puede ser lo suficiente-mente exacta, pero para instalaciones de alta presión es necesario considerar las correcciones de densidadque corresponden a las condiciones de operación para hacer una calibración adecuada de los instrumentos.

Los indicadores de nivel remoto, que operan en base al principio de la presión diferencial, generalmente seequipan con tubos que lleguen al domo en oosiciones debajo y encima del nivel del domo; uno de estostubos tiene carga estática fija y el otro una carga que corresponde a los cambios en el nivel del agua. La pre-sión diferencial opera al elemento indicador para registrar las fluctuaciones del nivel del agua en el domo dela caldera. Las figuras 91, 92 y 93 muestran como se conectan los indicadores típicos de nivel remoto en ungenerador de vapor para baja y alta presión.

6.3.3.2 Unidad de tubo de expansión

IEn un proceso donde la fase I íquida está a una temperatura diferente de la fase de vapor, el nivel del I íquidopuede medirse y controlarse utilizando la expansión de un tubo imetálIco dentro del cual estén presentesambas fases, la líquida y ia de vapor. Este método se ha venido utilizando por más de 50 años y se empleafrecuentemente para controlar y medir niveles en generadores de vapor pequeños. El tubo metálico seconecta al recipiente con su extrerno superior conectado en la fase de vapor y el extremo inferior en la faselíquida (ver figura 94) el nivel está en el mismo punto tanto en el tubo como en el recipiente; la temperatu-ra del líquido está más baja que la de la fase de vapor debido a la radiación, mientras que la del espaciovapor siempre estará a una temperatura de acuerde con la presión de vapor del líquido evaporado. En tantoque el nivel en el recipiente baj-a, hay menos I íquido en el tubo y la superficie de contacto con el vapor dealta temoeratura es mavor; de esta manera el tubo se expanderá y el indicador registrará el cambio. Si elnivel del recipiente sube, en el tubo entra más líquido de baja temperatura y con esto el tubo se contrae.Para obtener un mayor cambio físico de nivel en el tubo, éste se debe inclinar a un ángulo (prácticamentedeterminado para que sea entre 15 y 30” de la horizontal); la longitud del tubo debe ser tal que se extiendasobre el rango completo del nivel que se va a medir y controlar. El tubo de expansión debe estar firmementesujeto en el extremo inferior (de l íquido), el movimiento de expansión o contracción se efectúa en el extre-mo superior y puede medirse directamente o multiplicarse por medio de un sistema de palancas mecánicas;una relacijn de palancas de 60: 1 es común; este movimiento puede emplearse para operar una aguja indica-dora en una escala para medicibn de nivel; también puede utilizarse directamente para operar mecánicamen-te a una válvula de control, o para una acción neumática o hidráulica. En este sistema se presupone que latemperatura es razonablemente constante, de lo contrario se producirán mediciones y control erráticos. Losmateriales de construcción pueden ser de cualquier metal que soporte la presión, la temperatura y/o laacción de corrosión; sin embargo, se seleccionan los metales de más alto coeficiente de expansión, con elobjeto de obtener mayores movlmientos del tubo, las aleaciones de cobre son muy comunes para este res-pecto.

6.3.3.3 Sistema térmico-hidráulico

En un sistema de fase primaria, donde el líquido y el vapor de la misma composición existen bajo condicio-nes comunes de presión y temperatura, el nivel del líquido puede medirse y controlarse por medio de unsistema térmico-hidráulico. Este sistema se ha venido utilizando durante más de 60 años; su uso más populares en generadores de vapor pequeños de baja presión, que tienen caracrerísticas de flujo relativamente esta-bles. La teoría utilizada se basa en que la temperatura de la fase de vapor siempre es igual a la del equilibrio

871218. I 1 1 1 I I I I ! I 1 \

COLUMNA DE AWA

CAMARA DE CARGA E INDICADOR

í7 CONSTANTE /1 /DOMO

: : j / NIVEL NORMAL /l -1

COLUMNA DE MIJA

1’ ffAJUSTE DE CARGA ’ ,,

VARIABLE ~~ -’ ,/”;’ /;_c__,:,ueos DE1,

GUIA DE DISEIÚO DE SELECCION DE INSTRUMENTOV METODO PARA MEDICION DE NIVEL

ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

109 de 120

CONSTANTE.CON COMPEN;SADOR DE TEMPEIWURA

FIGURA 91 - Indicador remoto del nivel FIGURA 92 - Indicador del nivel de aguade agua para caldera de baja presión para caldera de alta presión

8 7 1 2 1 8, I I 1 1 I I I I I I I

e- - ALTA VISIBILIDAD

L NIVEL NO]RMAL- - -.-- .-.-DE OPERACION

INIMA VISI3ILlDAD


FIGURA 93 - Indicador remsto de nivel del domo


~ Y METODO PARA MEDICION DE NIVEL I CFE GALIO-28 I

ESCALA

TUBO DE EXPANSION

- R E C I P I E N T E D EENFRIAMIENTO

FIGURA 94 - Indicador de nivel tipo tubo de expansión

n GtiNERADOR DE VAPOR

RECIPIENTE D EENFRIAMIEN TO

CONTROL

FIGURA 95 - Controlador de nivel tipo termo-hidráulico

871218 I I 1 1 I I I I I I

GUIA oE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOY METODO PARA MEDICION DE NIVEL

ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

112 de 12C

presión-temperatura. Si la presión en el recipiente se mantiene constante, la temperatura del vapor tambiénse mantendrá constante ya sea dentro del recipiente o en un sistema por separado fuera de él. En la faselíquida no será lo mismo; fuera de su fuente de calor, la temperatura caerá por efectos de radiación, y conesto habrá una diferencia entre la temperatura en la fase de vapor y la de la fase líquida.

La figura 95 representa el sistema llamado “termo-hidráulico” el cual opera como sigue: Un generador, queconsiste de dos tubos concéntricos, se instala en un punto conveniente del domo de la caldera; el tubo inte-rior se conecta por encima y por debajo del nivel del domo, de tal forma que el nivel en el tubo interiorcorresponda al del domo. Cuando el generador está frío, el espacio anular entre los tubos se llena con agua yse conecta, por medio de una tubería de cobre, a una válvula reguladora instalada en la tubería de agua dealimentación de la caldera. Dicha válvula, operada por un fuelle, se cierra por medio de un resorte. En ope-ración normal, cuando el nivel de agua en el tubo interior cambia, se libera una mayor o menor cantidad decalor hacia el tubo exterior, según dependiendo de !a variación del nivel. Si la carga en la caldera aumenta, elnivel del agua en el domo y en el tubo interior disminuye; como el vapor en el tubo interior ahora se en-cuentra a un nivel más bajo que el agua en el tubo exterior; dicha agua, en el tubo exterior; que está por en-cima del nuevo nivel, se convertirá en vapor. debido a lo anterior la presión aumenta en el sistema cerrado yexpande al fuelle metálico de la válvula, forzándola a abrir y admitir más agua dentro de la caldera. Si elnivel del agua de la caldera aumenta debido a una disminución de la carga, el agua primero sube en el tubocentral y el vapor que rodea a este ramal, más alto en el nivel del agua que en el tubo interior, se condensa ycon esto disminuye la presión en el sistema cerrado, y la del fuelle metálico de la válvula; la válvula tiende acerrar por la acción del resorte. Obviamente este tipo de regulador tiene una relación definida entre el niveldel agua en el domo y la apertura de la válvula; en otras palabras, el nivel del agua subirá o bajará con elobjeto de cerrar o abrir la válvula. La cantidad de este cambio en el nivel es de aproximadamente 15.24 cm(6 pg); si el generador se localiza de tal forma que a nivel normal de agua, su nivel esté aproximadamente enla parte media del rango del generador, el agua subirá aproximadamente 7.62 cm (3 pg) por encima del nivelnormal y bajará una cantidad igual por debajo de éste con el objeto de cerrar o abrir completamente laválvula. Esto significa que es imposible mantener un nivel de agua constante con respecto a la carga; sinembargo, en la mayoría de las calderas de pequeña capacidad las variaciones en el nivel de agua no son obje-tables. Este regulador tiene la ventaja de ser de operación simple, de bajo costo, además de no requerir po-tencia exterior.

6.3.3.4 Control de nivel normalizado para el domo del generador de vapor

El sistema de control de flujo de agua de alimentación se realiza empleando 2 elementos en cargas bajas y3 elementos a cargas altas (ver figura 96), tipo C-l 1.

La señal de nivel del domo, producto de comparación y promedio de varios transmisores, se corrige por pre-sión y se compara en un elemento diferencial con punto de ajuste. A esta señal se le aplica la acción propor-cional/integral, suma al flujo de vapor que actúa como señal prealimentada y pasa a través de una estaciónselectora manual/auto, a la válvula de control de flujo mínimo.

Cuando se alcanza el valor prescrito de carga alta, se efectúa la transferencia de 2 a 3 elementos y la señaidel sumador flujo vapor, nivel domo vía otro controlador proporcional/integraI, se compara con el flujctotalizado agua de alimentación y atemperación, diferencial que se integra y se lleva, a través de 3 estacione:selectoras manual/auto, a cada uno de los actuadores de los coples variadores de velocidad de las bombas deagua de alimentación. Los coples B y C, cuentran con elementos de balance de la señal (bias), con objeto deigualar la carga entre 2 y 3 bombas.

871218 I I I 1 I 1 I 1 I 1 I .



FLUJO AGUA N I V E L DOMO 113 de 120

AL IMENTAC ION PRES ION DOMO ’ ‘A’ ’ II $0B

FLUJO AGUA ATEMP.SOBREC.

l

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A* K I

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K II

FLUJO VAPOR

LOGICA VALVULA D E C O R T E

PRINCIPAL AGUA --DE ALIM.

3

l Bp e

~-~~~~,~

*A* “ B ” “C ” VALVULA CONTROL,DE FLUJO MINiMO

FIGURA 96 - Control de nivel normalizado para el domo del generador. . . . . . . . 1 I I I I I I 1 1 I I I

I GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOY METODO PARA MEDICION DE NIVEL I ESPECIFICACION

CFE GALIO-28 I

114 de 120

Cuando se transfiere el control de 2 a 3 elementos, la válvula de corte de agua de alimentación deberá iniciarsu apertura, acoplando adecuadamente la velocidad de las bombas, el cierre o inhibición del control a laválvula de bajas cargas con la apertura secuenciada de la válvula de corte principal.

La velocidad de las bombas, en control de bajas cargas, deberá ajustarse automáticamente y seleccionarse almínimo necesario para satisfacer los requerimientos de presión diferencial-de váivula de bajas cargas.

Deben considerarse los ajustes necesarios cuando opere una sola bomba o dos de ellas durante bajas o altascargas.

6.3.4 Nivel en el tanque de almacenamiento del desgasificador

El desaereador de charolas que comunmente se utiliza en plantas termoeléctricas está formado por dosequipos, uno es el calentador y otro el tanque de almacenamiento; este último es de forma cilíndrica hori-zontal y se localiza directamente debajo deldesaereador Las razones principales son las siguientes:

al Mantener una reserva estable de condensado que pueda absorber incrementos súbitos enla demanda. Generalmente el tanque se especifica para almacenar, al nivel normal de ope-ración, una reserva de alrededor de 5 minutos de flujo nominal máximo contínuo (MRC)del generador de vapor.

b) Impedir que las variaciones pronunciadas de nivel, bajo ciertas condiciones, puedan afec-tar la carga neta positiva de succión de las bombas de agua de alimentación.

cl Impedir incrementos de nivel que puedan dañar las partes internas del desareador y tien-dan a introducir condensado en la tubería de extracción.

I 6.3.4.1 Control de nivel del tanque del desgasificador

Este sistema de control de nivel se realiza empleando el sistema de u6 elemento durante el arranque y bajacarga y de tres elementos a cargas altas; siendo estos tres elementos nivel del tanque, flujo de condensado yflujo de agua de alimentación, incluyendo el flujo a atemperadores de vapor sobrecalentado y recalentado.

Durante la operación a carga baja, el nivel del tanque del desgasificador se compara con un punto de ajusteo valor prescrito, la señal de error se alimenta a un controlador de acción proporcionaVintegra1, cuya señalva a los elementos finales de control a través de las estaciones selectoras manual/auto.

Cuando la carga es superior al valor considerado de cargas baja se transfiere el control de 1 a 3 elementos, laseñal del controlador del nivel en suma con el flujo total de agua de alimentación se aplica como punto deajuste contra la medición de flujo de condensado del control en cascada y pasa al controlador de acciónproporcional/integraI siguiendo el mismo camino que para un elemento. Igualmente, se aplica el conceptode rango dividido descrito en el circuito C04.

Para el control del drenaje del desgasificador al condensador, se aplica el circuito CO2 ya descrito, donde elpunto de ajuste es superior al normal (ver figura 97), tipo C-04.

871218 I I I I 1 I I I I 1 1 1

.GUlA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO

ESPECIFICAClON


FLUJO DE CONDENSADO FLUJO AGUA DE ALIMEN-TACI ON

NIVEL DE DESGASIFICADOR 115 de 120

2 DE 3 2 D E 3 2 DE 3c

FLUJO AGUA A TEMPERATURARECALENTADA c

9

l A

WV *A4 ‘LLII

K I ’ v4 , *AT *

1 ‘11) _ 4* K

- K f (XI

RECI RCULACION ARRANQUE PRINCIPAL VALVULA DE CONTROLDE FLUJO MINIMO DRENAJE ALAL CONDENSADOR CONDENSADOR

FIGURA 97 - Control de nivel del tanque del desgasificador

_.____-’ 1 I I I 1 I 1 I I 1

GUIA DE DlSEfiO DE SELECCION DE INSTRUMENTO ESPECIFICAClON


116 de 120

6.3.4.2 Indicación anaIógica/digitaI

La tabla 6, describe los tipos de instrumentos comunmente utilizados para las diferentes indicaciones denivel, en el tanque de almacenamiento del desgasificador.

TABLA 6 - Instruinentos utilizados para diferentes indicaciones

Descripción Tipo de instrumento

Indicación analógica en el cuarto de Transmisor tipo celda de presióncontrol. diferencial.

Indicación analógica local. Indicador de nivel de vidrio.

Alarma por bajo nivel en el cuarto Interruptor de nivel tipo flotadorde control.

Alarma por alto nivel en el cuarto Interruptor de nivel tipo flotadorde control.

Disparo de válvula de no retorno Interruptor de nivel tipo flotadorpor muy alto nivel.

I

6.3.5 Nivel en el pozo caliente del condensador

El condensador es el equipo que recibe el vapor de escape proveniente del último grupo de álabes de la tur-bina y remueve el calor de vaporización de éste para condensarlo. El vapor condensado se almacena en unreceptáculo llamado “pozo caliente”, que se encuentra en el fondo de la carcaza del condensador antes debombearlo nuevamente al ciclo. Es necesario mantener un nivel constante en el pozo caliente del condensa-dor por las siguientes rarones:

al Absorber variaciones rápidas y de corta duración en los flujos de vapor condensado.

b) Proporcionar una carga positiva neta de succión de las bombas de condensado.

cl Si el nivel se incrementa demasiado, el condensado puede impedir la transferencia de calorentre el agua de circulación y el vapor de escape.

6.3.5.1 Control del nivel en el pozo caliente del condensador

Normalmente, el nivel en el pozo caliente del condensador se controla mediante dos circuitos de control delazo cerrado; el de rechazo de condensado y el de repuesto. Cuando el nivel en el pozo caliente se incremen-ta por encima del nivei norrnal de operación, la señal de salida del transmisor de rechazo de condensadoabre la llamada “válvula de vaciado o de sobrenivel” para enviar condensado al tanque de almacenamiento.

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ESPECI FICACIONGUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTO

Y METODO PARA MEDICION DE NIVEL CFE GALIO-28 I117 de 120

El criterio para dimensionar la válvula de vaciado se basa en la cantidad de condensado en el pozo calienteentre los niveles de operación normal y máximo permisible. Puesto que normalmente la válvula de vaciadoprincipia a abrirse en cuanto el nivel de condensado en el pozo caliente comienza a incrementarse por enci-ma del nivel normal, el flujo de diseilo de la válvula de vaciado se fija generalmente para desalojar un terciodel exceso máximo de condensado. El control de rechazo se especifica con acción proporcional.

El control de repuesto tiene como objeto regular el nivel del pozo caliente cuando este nivel se encuentrapor debajo del punto de ajuste del controlador de agua de repuesto o sea cuando el nivel esté por debajo deldeseado se tiene una deficiencia de condensado y lo que se hace es introducir condensado del tanque dealmacenamiento al pozo caliente del condensador. El transmisor que se usa es convencional de tipo despla-zador y el control con acción proporcional y reajuste. Este control modula las válvulas de repuesto, una espara operación normal y la otra de mayor tamaíío para emergencias, que operan en rango dividido.

6.3.6 Nivel de calentadores de agua de alimentación

Básicamente, los calentadores de agua de alimentación son tanques en donde el vapor de extracción de laturbina se desobrecalienta, condensa y subenfría. Asimismo, el agua de alitientación absorbe la energía tér-mica cedida por el vapor y en seguida pasa a la caldera.

El nivel de agua condensado en dichos calentadores se debe mantener constante para que no exista la posibi-lidad de que alguna cantidad de agua se introduzca a la turbina y la dañe considerablemente.

6.3.6.1 Control de nivel de Iss calentadores de agua de alimentación

Normalmente se miden y/o controlan los siguientes niveles de los calentadores de agua de alimentación.

- nivel bajo: Se establece un poco por encima del nivel en el cual se pierde el sello deagua de los calentadores de agua de alimentación. Esto es, al bajar el nivel de agua enla zona de subenfriamiento del calentador, el sello de agua se pierde y entra vapor deextracción de la turbina en las tuberías de drenaje del calentador. Como el vaportiene menor densidad que el agua, su velocidad aumenta y la vibración y deterioro delas tuberías aumenta,

-- nivel normal: Este nivel se fija de acuerdo con los requisitos y recomendaciones delfabricante del calentador,

- nivel alto: Corresponde al nivel alcanzado por encima del normal. Cuando se tieneesta situación, el agua entra en la zona de condensación e inunda los tubos del calen-tador. Como estos tubos se diseñan para condensar vapor, el incremento del nivel deagua reduce la capacidad del calentador para condensar el agua de alimentación.

Si el incremento de nivel por encima del normal, llega a alcanzar su máximo, el calentador puede quedarinundado y alguna cantidad de agua puede infiltrarse por la tubería de extracción de vapor y llegar a la tur-

i bina, causando daños irreparables.

~ 6.3.6.2 Circuito de control de nivel de los calentadores de agua de alimentación

Consta de dos controladores de nivel, uno que genera señal para controlar el nivel normal y permitir drenaren cascada hacia el calentador inmediato anterior, a excepción del calentador número dos que drena eltanque de evaporización instantánea. Además, se cuenta con un interruptor de nivel que genera una señal

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al sistema de alarmas en la consola principal como alarma múltiple (problemas de nivel en el calentador res-pectivo) y al Sistema de Adquisición de Datos (SAD) como alarma individual de bajo nivel en el mismo ca-lentador.

El otro controlador de nivel genera una señal para controlar el nivel de emergencia y permite drenar hacia elcondensador principal. Además se cuenta con un interruptor de nivel que genera una señal al sistema dealarmas en la consola principal como alarma míiltiple (problemas de nivel en el calentador respectivo) y alS A D como alarma individual de alto nivel en el mismo calentador.

El calentador tiene una válvula de seguridad en el lado carcaza para protegerla por sobrepresión en el casode rotura de un tubo.

6.3.7 Características de instalación

Para ver las particularidades de la instalación de los instrumentos de nivel, remitirse a los “Diagramas Típi-cos de Instalación Normalizados”.

7 PROCEDIMIENTO PARA EL DISEÑD ESPECIFICACION DE INSTRUMENTOS DE MEDI-CION DE NIVEL

7.1 Procedimiento General de diseño

A continuación se definen las actividades generales que deben seguirse en el proyecto para el diseño de losinstrumentos de medición de nivel, así como las responsabilidades de las diferentes áreas de diseño involu-cradas.

4 tiefinición de los criterios de proceso y selección de los parámetros (presiones, temperatu-ras, flujos y rangos de nivel) de diseño y operación de cada instrumento de medición denivel.

- responsabilidad principal: Grupo de Proceso Mecánico

- responsabilidad secundaria: Grupo de Instrumentación y Control

b! Definición del tipo de instrumento o elemento primario de medición de nivel requeridopara el control y supervisión del proceso.

- responsabilidad principal: Grupo de Instrumentación y Control

- responsabilidad secundaria: Grupo de Proceso Mecánico

cl Definición del tipo de circuito a utilizar para cumplir las condiciones de operación delsistema.


d) Análisis cuidadoso de la selección de las características mecánicas de cada instrumento demedición de nivel.


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GUIA DE DISEÑO DE SELECCION DE INSTRUMENTOESPECIFICAClON


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4 Análisis cuidadoso de la localización y recomendaciones para la instalación de cada instru-mento de medición de nivel.

- responsabilidad principal : Grupo de Instrumentación y Control

- responsabilidad secundaria: Grupo de Proceso Mecánico yGrupo de Diseño de Planta

f) Dimensionamiento de las conexiones de cada instrumento de medición de nivel.


- responsabilidad secundaria: Grupo de Proceso Mecánico

7.2 Procedimiento de Especificación y üivisión de Responsabilidades del Grupo de Instrumenta-ción y Control

La especificación y adquisición de los instrumentos o sensores de medición de nivel es responsabilidad delgrupo de instrumentación y control.

El grupo de proceso mecánico es responsable de proporcionar los datos necesarios para la especificación yselección adecuada de cada instrumento.

El ingeniero de instrumentación y control encargado de la especificación de los instrumentos de mediciónde nivel identificará, con base en los diagramas de tubería e instrumentación, todos los instrumentos quedeben incluirse en las especificaciones de ICA, instrumentación miscelánea e instrumentación de análisis ymuestreo. Genera las hojas de especificación por cada tipo de instrumento de medición de nivel anotandoen ellas los datos generados por el grupo de proceso mecánico, así como la identificación asignada, el servi-cio y el número de diagrama.

Para cada instrumento de medición de nivel, el ingeniero de instrumektación y control preparará un diagra-ma de ajuste de nivel y asigna un típico de instalación en forma preliminar con base a la información exis-tente en el momento. Estos documentos preliminares podrán entregarse al Grupo de Proceso Mecánico y deDiseño de Planta con el entendido de que se trata de documentación preliminar sujeta a los cambios reque-ridos por el avance del proyecto.

La responsabilidad final de la selección y del suministro de las hojas de datos para su adquisición recae en elgrupo de instrumentación y control al cual, el proveedor deberá entregar la información requerida con suoferta.

Al recibir esta información el ingeniero de instrumentación y control verificará las características propias decada instrumento de medición de nivel, resolverá las diferencias existentes y aprobará los dibujos finalesdel proveedor para la aceptación del instrumento.

Inevitablemente durante el desarrollo del proyecto se generan cambios en el diseño del equipo, arreglos oselección de los componentes que pueden alterar los datos de especificación de los instrumentos de medi-ción de nivel. Es responsabilidad del grupo de proceso mecánico notificar estos cambios de inmediato al

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ESPECIFICACION

CFE GALIO-28

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grupo de instrumentación y control, quien a su vez será el responsable de reespecificar el instrumento demedición de nivel y notificar al proveedor en caso de existir variación de las características.

Antes de que apruebe el envío del instrumento a la obra el grupo de instrumentación y control deberá veri-ficar los datos finales con el grupo de proceso mecánico para confirmar la exactitud de los datos aprobadospor el proyecto con los suministrados por el proveedor o fabricante.

8 BIBLIOGRAFIA

CFE GVOOO-19-1986 Guía de diseño para la aplicación de válvulas auto-ope-radas.

NOM-Z-1-1979 Sistema Internacional de Unidades.

ANSI C39.1-1981 Requirements for Electrical Analog IndicatingI nstruments.

ANSI C39.4-1986 Automatic Null-Balancihg Electrical MeasuringInstruments (R 1972).

ANSI C39.5-1974 Safety Requirements for Electrical and ElectronicMeasuring and Controlling Instrumentation.

ISA S5.1-1984 Instrumentation Symbols and Identification.

ISA RP7.1-1956 Pneumatic Control Circuit Pressure Test, Recm.Practice.

ISA RP55.1.1971 Hardware Testing of Digital Process Computers, Recm.Practice.

NEMA ICS 1-1983 General Standards for Industrial Control and Systems(R 1985).

MSS SP 25-l 978 Marking System for Valves, Fit t ings, Flanges andUnions (R 1983).

MSS SP 61-l 985 Pressure Testing of Steel Valves.

SAMA PMC20-l-1973 Process Measurement and Control Terminology.

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