Definición de Nivel

El nivel se refiere a la cantidad de fluido almacenado. Puede ser el nivel neto del producto o el nivel de la interfase entre varios productos. Se pueden medir tanto líquidos, sólidos como gases (estos últimos pueden licuarse al estar presurizados).

Tipos de Almacenamiento para Medición de Nivel

Para la medición de nivel, es fundamental contar con un lugar de almacenamiento adecuado, como los tanques.

Para Líquidos

Tanque de Techo Fijo

• Volumen máximo fijo (fluido incompresible)
• Puede contener aire

Tanque de Techo Flotante

• El fluido ocupa todo el volumen del tanque

Para Gases

Tanque Criogénico

• Trabajan a temperaturas muy bajas
• Licúan el gas para su transporte

Tanque Esférico o de Salchicha

• Al ser esféricos, soportan mejor la presión de los gases

Clasificación de las Medidas de Nivel

• Continua: Se registran constantemente los cambios en el nivel.
• Puntual: La medida se marca solo cuando el nivel llega a un valor preestablecido.

Principales Técnicas de Medición de Nivel

• Visuales
• Flotador
• Desplazador
• Hidrostático
• Electrónicos
• Térmicos
• Sónicos (Ultrasónicos)
• Fotoeléctricos
• Nucleares
• Radar

1. Medidores Visuales

Los medidores visuales permiten la lectura directa del nivel mediante una escala graduada, aplicable tanto en tanques abiertos como cerrados.

2. Medidores de Flotador

Se basan en el principio de Arquímedes, donde F = peso específico del fluido × Volumen sumergido. La lectura por flotador puede ser por medio mecánico, magnético o electrónico.

Mecánico

Existen montajes verticales y horizontales. El vertical posee un contrapeso y un indicador que aumenta con el nivel del fluido. El horizontal funciona con el mismo indicador, pero el brazo rota al elevarse el flotador y, por ende, el nivel del fluido.

Ventajas de los Flotadores

• Fácil instalación
• No requiere calibración
• Resiste altas temperaturas (hasta 500°C)
• Puede usarse a altas presiones (hasta 5000 PSI)
• Pueden usarse en condiciones de turbulencia y espuma

Desventajas de los Flotadores

• Los depósitos sobre el flotador pueden afectar el funcionamiento
• Exactitud limitada a ± 0.25%
• No son adecuados para líquidos viscosos, ya que el desplazamiento del flotador se dificulta
• Las partes móviles sufren desgaste
• Requieren mantenimiento constante

3. Medidores de Desplazador

Es un flotador parcialmente sumergido. Se basa en que, cuando aumenta el nivel, el desplazador pierde peso. Puede ser por mecanismos de barra de torsión o resorte.

Ventajas de los Desplazadores

• Fácil instalación
• Calibración ajustable
• Medición continua
• Soportan altas presiones y temperaturas
• Pueden usarse en condiciones de turbulencia y espuma

Desventajas de los Desplazadores

• Los depósitos sobre el flotador pueden afectar el funcionamiento
• Exactitud limitada a ± 0.25%
• No son adecuados para líquidos viscosos, ya que el desplazamiento del flotador se dificulta
• Las partes móviles sufren desgaste
• La medición se ve afectada por los cambios en la densidad

4. Sensores Hidrostáticos

Utilizan un elemento de medida de la presión diferencial llamado celda D/P.

P = P_atm + ρ * g * h

Tanque Abierto

Hay presión atmosférica y la celda D/P mide la presión al mismo nivel del fluido en el tanque. La presión directa entre la atmosférica y la hidrostática da la altura del nivel.

Tanque Cerrado con Referencia Seca

Hay presión por un gas (aire, por ejemplo) y la celda D/P mide la presión al mismo nivel del fluido en el tanque. La diferencia de presión es entre la hidrostática y la del aire/gas/vapor que se halla en la referencia; con estos valores se halla la altura del nivel.

Tanque Cerrado con Referencia Húmeda

Si bien hay presencia de un gas como el aire, la presión que este ejerce se ve anulada, quedando únicamente la presión del fluido en el tanque que la mide la celda D/P. En este caso, al tener la referencia con líquido, se puede anular el efecto del aire con el tanque y la presión de la columna es constante. Por lo que el diferencial de presión = constante – ρ * g * h, de ahí se puede saber el valor h del nivel.

Ventajas del Sensor Hidrostático

• Se puede instalar fuera del tanque
• Se pueden aislar del proceso con válvulas
• Permiten medición continua

Desventajas del Sensor Hidrostático

• La densidad del líquido debe ser constante
• La exactitud depende de la presión y temperatura del líquido
• Requieren perforaciones en el tanque; la de abajo puede ocasionar fugas

Instrumentos Basados en Propiedades Eléctricas y Ondas

• Capacitivo
• Radar
• Resistivo
• Ultrasónico
• Radiación
• Láser

1. Medidores Capacitivos

Su funcionamiento se basa en un cambio en la constante dieléctrica entre las placas del condensador.

Hay dos casos: el primero, donde el electrodo de referencia se encuentra recubierto por un aislante para que no haga contacto con el líquido conductivo del tanque. Para medir el nivel, se conectan el electrodo y la pared a un captador de señal eléctrica, ya que una vez que el fluido toque el aislante, la capacitancia variará a medida que sube el nivel de dicho fluido.

El segundo caso funciona de la misma manera, solo que en este caso el electrodo no se encuentra recubierto por un aislante, ya que el fluido en el que se sumergirá será no conductor.

Características del Capacitivo

• Sensor rígido para aplicaciones pequeñas
• Mide nivel, temperatura e interfase de agua
• Precisión de ± 1 mm
• Longitud hasta 6 m
• Usado principalmente en tanques horizontales, subterráneos, pequeños de gas y estaciones de servicio

Ventajas del Capacitivo

• No tiene partes móviles
• Resiste la corrosión
• Fácil de limpiar
• Campo de medida ilimitado
• Poco mantenimiento
• Compatible con gran cantidad de sustancias
• Se ajustan al recipiente

Desventajas del Capacitivo

• El recubrimiento del electrodo puede ocasionar falsas lecturas
• Cambios en las constantes dieléctricas causan errores
• Requieren calibración del equipo frecuentemente

Aplicaciones del Capacitivo

• Líquidos
• Aceites
• Granos
• Polvo
• Cereal
• Químicos

2. Medidores Conductivos

Utilizan electrodos para detectar cuando el nivel de un líquido conductivo alcanza un punto predeterminado, activando un relé y un mecanismo de respuesta.

Hay dos casos. El primer caso es con un electrodo: este no posee contacto inicialmente con el fluido, sino cuando el nivel de este aumenta y así activa el mecanismo de respuesta, ya que habrá conexiones en la pared del tanque y el electrodo, y una vez que este último toque, se activa el mecanismo (la señal es un cortocircuito).

El segundo caso es con dos electrodos: uno largo que está en contacto desde el inicio con el fluido y un segundo electrodo de menor longitud que no posee contacto al principio con el fluido. En este caso, se tienen las conexiones en ambos electrodos y una vez que el nivel del fluido toque el de menor tamaño, se activa el mecanismo de respuesta, midiendo así el nivel del fluido en el tanque (la señal es un cortocircuito).

3. Medidores Sónicos (Ultrasónicos)

Un emisor ultrasónico (piezoeléctrico) envía una onda ultrasónica al contenido del tanque. Como se conoce la velocidad del sonido en el medio, al medir el tiempo de ida y vuelta de la onda, se puede calcular la distancia recorrida. Hay para medición continua y puntual.

Medición Puntual (Control ON/OFF)

• El transmisor envía la onda
• El receptor oscila al recibir la onda
• Cuando se da cierto nivel, el líquido absorbe la onda y el receptor deja de oscilar; en ese momento se da la detección

Ventajas del Sónico

• Disponibilidad de sensores no intrusivos
• Para medición continua o puntual
• No posee partes móviles, mínimo mantenimiento
• Se utiliza para líquidos y sólidos, conductores o no conductores

Desventajas del Sónico

• La medición puede verse afectada por el movimiento del material en el tanque
• La espuma en el líquido puede absorber la señal transmitida
• La presencia de suspensión en el líquido o vapor puede afectar la señal

4. Medidores Fotoeléctricos

Se trata de un fotodiodo conductor lumínico hecho de cuarzo, que genera una respuesta según el contacto con el líquido. Es de tipo level switch.

Cuando el líquido toca el conductor de cuarzo, disipa la señal infrarroja, lo que provoca que el receptor envíe una señal.

5. Sensores Nucleares

Se transmiten rayos gamma, los cuales son absorbidos por el líquido. Según la cantidad de absorción, el detector envía más o menos corriente eléctrica, que se genera al convertir los fotones de los rayos gamma.

Ventajas del Sensor Nuclear

• No son invasivos
• La medición no se ve afectada por cambios de presión, temperatura, etc.
• No poseen partes móviles, poco mantenimiento
• Se usan para líquidos y sólidos

Desventajas del Sensor Nuclear

• Son muy costosos
• Requieren inspecciones regulares
• Para desechar estos sistemas se requiere la intervención de organizaciones externas autorizadas

6. Sensores de Radar

Radar Pulsante

Usa ondas de microondas electromagnéticas que se reflejan en la superficie del nivel a medir.

Radar FM-CW (Frecuencia Modulada – Onda Continua)

El emisor genera ondas continuas (barrido de frecuencia). El nivel se calcula con la diferencia de frecuencia entre la onda emitida y la recibida.

Características del Sensor de Radar

• Se origina en la industria aeroespacial
• Opera en bandas de 10 GHz
• Tecnología de antena planar
• Totalmente digital
• Detecta contaminación en la antena
• Precisión de ± 0.4 mm a ± 3 mm
• Medición de temperatura con accesorios puntual y promedio
• Comunicación digital

Medición de Nivel en Sólidos

Tipos

• Palpador
• Vibratorio
• Peso
• Radar
• Paletas rotativas
• Membrana sensitiva
• Ultrasonido

Variables

Directas

• Nivel
• Temperatura
• Densidad
• Agua libre
• Agua y suspensiones

Indirectas

• Volumen (vapor y líquido)
• Masa (vapor y líquido)

Gravedad API y Clasificación de Hidrocarburos

• Si el producto tiene una gravedad API > 10° API, es más liviano que el H₂O.
• Si el producto tiene una gravedad API < 10° API, es más pesado que el H₂O.
• A 60°F (~15°C), la gravedad API se calcula como: API = (141.5 / (ρ / 1000)) – 131.5
• Si el petróleo tiene la misma densidad del agua, entonces ρ = 1.

Tipos de Hidrocarburos

• Liviano: API > 31.1°
• Mediano: 22.3° < API < 31.1°
• Pesado: API < 10°