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Sensores de Nivel

Maribel Carrasquilla ∗ Francisco R. Barreiro   ∗∗

Andrés F.Peláez∗∗∗

∗ Universidad Pontificia Bolivariana, circular 1#70-07 (e-mail:maribel.carrasquilla@alfa.upb.edu.co)

∗∗ Universidad Pontificia Bolivariana, Monterı́a (e-mail:frbp84@gmail.com)

∗∗∗ Universidad Pontificia Bolivariana, circular 1#70-07 (e-mail:afpelaez@gmail.com 

Abstract:   En este art́ıculo se mostrarán los detalles del análisis realizado para la selecciónadecuada de la instrumentación requerida para el control del nivel de un tanque de almace-namiento de aceite mineral, propuesto en la tarea 1 del curso de sensores y actuadores. Paraello se realizará un estudio a cada una de las opciones encontradas en el medio y de esta manera

entregar una solución óptima del problema.

Keywords:

1. INTRODUCCIÓN

La determinación del nivel de llenado de contenedoresĺıquidos debe realizarse teniendo cuenta los requisitosque deben cumplir los procesos industriales, su natu-raleza, el grado de exactitud, el control requerido y elaspecto económico entre otros. La instalación de la instru-mentación vaŕıa de acuerdo al proceso requerido, encon-trando en la industria aplicaciones es las que no es posible

la instalación de dispositivos mecánicos de medición, poresta razón los métodos de contacto y no invasivos quecontienen las conexiones eléctricas dentro de los tanqueshan estado en desarrollo los últimos años con el fin de op-timizar resultados Wang et al. (2009). Es importante teneren cuenta que la selección adecuada de la instrumentaciónreduce costos y aumenta la eficiencia en los procesos.

2. CONDICIONES DE PROCESO,REQUERIMIENTOS Y RESTRICCIONES TÉCNICAS

Una fábrica posee un tanque para el almacenamiento deaceite mineral (densidad especı́fica 0.65, conductividad 10-10 S/m, viscosidad 230 cP @ 25◦C). El tanque es cerradopero comunicado con el ambiente mediante una válvulade igualadora y una unidad de filtrado y absorción paraevitar la contaminación del aceite. Actualmente se cuentacon un indicador de nivel de vidrio para supervisión localpor parte del operario. Se requiere un medidor de nivelcontinuo que entregue una señal de 4 a 20 mA, con finesde control y supervisión remota del proceso. El tanquetiene 2 metros de altura pero el nivel máximo de ĺıquidoes de 1.80 m. Se espera una precisión igual o menor a 2 cm.Las condiciones ambiente en las proximidades del tanqueson de 25◦C y 60% HR máximo.

3. REQUERIMIENTOS ADICIONALES DEL

PROCESO•   De acuerdo a las soluciones presentadas se debe

indicar que la tapa del tanque no es plana y cuenta

con una altura de 20 cm a partir de la parte superior.Este requerimiento es necesario para la instalación delos medidores.

•   La toma y descarga de aceite se debe encontrar enla parte inferior del tanque. Este requerimiento estáasociado a las indicaciones de instalacion del sensorde ultrasonido dadas por los fabricantes.

4. SELECCIÓN DE DISPOSITIVOS

Se proponen los siguientes instrumentos para la opti-mización del porceso:

•  Medidor de nivel capacitivo Endress+ Hauser Liqui-cap TFMI21.

•  Medidor de nivel tipo flotador Barksdale USE3200.•  Sensor de nivel ultrasónico Barksdale FMU40.

4.1 Medidor de nivel capacitivo

Se propone un medidor de nivel capacitivo Liquicap de En-dress+ Hauser con referencia TFMI21Al Industry (2013b).Al comparar la tabla de las caracteŕısticas de la instru-mentación con la descripción del problema, se puede ob-servar que este dispositivo cumple con los requerimientosy condiciones de trabajo. El medidor debe ser instaladoen la parte superior del tanque de acuerdo a las recomen-daciones del fabricante y se debe tener en cuenta que esun dispositivo invasivo. Es importante para su adquisiciónsolicitarle al fabricante que la sonda tenga una longitudmı́nima de acuerdo a las dimensiones del tanque y de laaltura mı́nima que se requiere medir.

4.2 Medidor de nivel flotador 

Se propone un medidor de nivel tipo flotador Barksdale

con referencia USE3200 Barksdale (2013). Este es unmedidor invasivo que entrega una respuesta lineal 4-20mA, que debe estar instalado en la tapa del tanque en

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Fig. 1. Caracteŕısticas de instalación del sensor de nivelultrasónico

forma vertical siguiendo las indicaciones de instalación porparte del fabricante. Para la adquisición del sensor se debeindicar al fabricante la longitud de la sonda, la cual eneste caso espećıfico debe medir 2.10 m, igualmente se debeindicar un tipo de flotador, se propone el flotador VX44,aunque se aclara que no existe restricción en la selección

del flotador.

4.3 Medidor de nivel ultras´ onico

Se selecciona como mejor propuesta un sensor de nivelultrasónico de Endress+ Hauser con referencia FMU40Industry (2013a). Este es un sensor de tipo no invasivoresistente a las condiciones ambientales del proceso, cuentacon la mejor resolución entre los tres dispositivos pro-puestos, incluye un sensor de temperatura para corregirlas variaciones que presenta el tiempo de retorno de laseñal con la temperatura. Debe ser instalado en la partesuperior del tanque y es importante seguir las indicacionesde instalación que presenta el fabricante. En la Fig. 1 seobservan las caracteŕısticas y restricciones de instalacióndel medidor para obtener una medicion adecuada.

5. CARACTEŔISTICAS DE LA INTRUMENTACIÓN

En la tabla 1 se observan las caracteŕısticas asociadas acada uno de los instrumentos propuestos.

Table 1. Caracterı́sticas de la instrumentación

Caracteŕısticas Inst 1 Inst 2 Inst3

Principio funcionamiento Capacitivo F lotador UltrasónicoRango de entrada(m) 0.15 0.1 0.0Rango de salida(m) 2.5 1.90 5Precisión (%FS) 1 0.02 0.2Apreciación/resolución(%FS) 6.4mm 1mmLinealidad (%FS) Lineal Lineal LinealCondiciones de operación(◦C) (-40 a 70) (-10 a 90) (-40 a 80)Alimentación 10-30 VDC 8-35 VDC 14-36 VDCConexión a proceso 4-20 mA 4-20 mA 4-20 mAFunciones adicionales Transmisor Transmisor Transistor

El rango de entrada y salida del medidor de nivel tipoflotador no se encuentra definido por el fabricante, se dejacomo dato abierto para ser seleccionado por el diseñador.Teniendo en cuenta las caracteŕısticas del tanque el rangopropuesto se encuentra entre 0.1 y 1.9 m.

6. CONCLUCIONES

Luego de revisar y analizar las caracteŕısticas técnicasde los tres sensores propuestos y de las condiciones am-

bientales del problema, consideramos que el sensor tipoultrasónico es el más indicado para la aplicación.

Aunque se revisó que los tres sensores cumplieran con losrequerimientos del problema, el dispositivo seleccionado esel que mejor se ajusta a las condiciones establecidas pre-viamente. Siendo el único dispositivo de tipo no invasivo

cuenta con la ventaja de no tener contacto directo conel ĺıquido del proceso, posibilitando una mayor durabil-idad del equipo. Además, el mantenimiento del disposi-tivo puede realizarse de manera más rápida, cómoda y laafectación en el proceso puede ser menor a comparaciónde los otros dos.

Teniendo en cuenta la viscosidad del aceite, conociendoque el tanque es de almacenamiento y que el ingresoy salida del aceite se realiza por la parte inferior deltanque (como se menciona en las caracteŕısticas y requi-sitos adicionales del problema), se puede concluir que losmovimientos u oleajes que se presenten durante el llenadoo vaciado del tanque, no generan un error de medici ón

considerable con el sensor seleccionado.

REFERENCES

Barksdale (2013). Control products. URLhttp://www.barksdale.de/en/products/section/level/tli/standard-version-tank/.

Industry, D. (2013a). Sensor de nivel por ultrasonido. URLhttp://www.directindustry.es/cat/medicion-de-caudal-presion-y-nivel/sensores-de-nivel-por-ultrasonidos-AB-907.html.

Industry, D. (2013b). Sensores capacitivos. URLhttp://www.directindustry.es/cat/medicion-de-caudal-presion-y-nivel/sensores-de-

nivel-capacitivos-AB-906.html.Wang, T.H., Chen, L.M.C., Chien, H., Cheng-Chuan, C.,

and Jia-Dong, T. (2009). Liquid nivel de mediciónutilizando una cámara digital.   Medici´ on , 42, 604 a 610.