Tabla 6: Haga clic en la imagen para ampliarla. Los detectores de nivel por capacitancia también se denominan sensores de nivel por radiofrecuencia (RF) o admitancia. Funcionan en el rango de radiofrecuencia de MHz bajos, midiendo la admitancia de un circuito de corriente alterna (CA) que varía con el nivel. La admitancia es una medida de la conductividad en un circuito de CA y es la recíproca de la impedancia. La admitancia y la impedancia en un circuito de CA son similares a la conductancia y la resistencia en un circuito de corriente continua (CC). En este capítulo, se utilizará el término sensor de nivel de capacitancia 
Figura 8-1: Haga clic en la figura para ampliarla. en lugar de RF o admitancia.
La tabla 6 enumera algunas de las industrias y aplicaciones donde se utilizan sensores de nivel de tipo capacitancia.
Teoría de funcionamiento
Un condensador consta de dos conductores (placas) que están aislados eléctricamente entre sí por un material no conductor (dieléctrico). Cuando los dos conductores tienen potenciales (voltajes) diferentes, el sistema es capaz de almacenar una carga eléctrica. La capacidad de almacenamiento de un condensador se mide en faradios. Como se muestra en la figura 8-1, las placas del condensador tienen un área (A) y están separadas por un espacio (D) relleno con un material no conductor (dieléctrico) de constante dieléctrica (K). La constante dieléctrica del vacío es 1,0; las constantes dieléctricas de diversos materiales se enumeran en la tabla 7.
La constante dieléctrica de una sustancia es proporcional a su admitancia. Cuanto menor es la constante dieléctrica, menor es la admitancia del material (es decir, menos conductivo es). La capacitancia (C) se calcula como:
C=KA/D
Si el área (A) y la distancia (D) entre las placas de un condensador permanecen constantes, la capacitancia variará solo en función de la constante dieléctrica de la sustancia que llena el espacio entre las placas. Si un cambio en el nivel provoca un cambio en el dieléctrico total del sistema de capacitancia, debido a que (como se ilustra en la figura 8-1B) la parte inferior del área (A) está expuesta a un líquido (dieléctrico Kl), mientras que la parte superior está en contacto con un vapor (dieléctrico Kv, que es cercano a 1,0), la medición de la capacitancia será proporcional al nivel.En el caso de un conmutador de nivel montado horizontalmente (Figura 8-2), una sonda conductiva forma una de las placas del condensador (A1) y la pared del recipiente (suponiendo que esté fabricada con un material conductivo) forma la otra (A2). Se utiliza un aislante con una constante dieléctrica baja para aislar la sonda conductora de la carcasa, que está conectada a la pared del recipiente. La sonda está conectada al sensor de nivel a través de los hilos conductivos de la carcasa. La medición se realiza
Figura 8-2: Haga clic en la figura para ampliarla. aplicando una señal de RF entre la sonda conductiva y la pared del recipiente. La señal de RF da lugar a un flujo de corriente mínimo a través del material dieléctrico del proceso en el tanque, desde la sonda hasta la pared del recipiente. Cuando el nivel del tanque desciende y la sonda queda expuesta a vapores aún menos conductivos, la constante dieléctrica disminuye. Esto provoca una caída en la lectura de la capacitancia y una mínima
Figura 8-3: Haga clic en la figura para ampliarla. en el flujo de corriente. Este cambio es detectado por los circuitos internos del interruptor de nivel y se traduce en un cambio en el estado del relé del interruptor de nivel. En el caso de los detectores de nivel continuos (sondas verticales), la salida no es un estado de relé, sino una señal analógica escalada. El área total es el área combinada de la sonda del sensor de nivel y el área de la pared conductiva del recipiente (A = A1 + A2), y la distancia (D) es la distancia más corta entre la sonda del sensor y la pared del recipiente. Ambos valores son fijos. Por lo tanto, cuando la sonda ya no está rodeada de vapores (K1), sino del medio de proceso (K2), el cambio de capacitancia resultante está directamente relacionado con la diferencia en la constante dieléctrica entre los dos medios:
Cambio en C=(K2-K1)(A/D)
La sensibilidad de un sensor de capacitancia se expresa en picofaradios (pF). La unidad de capacitancia es el faradio, definido como el potencial creado cuando una batería de un voltio conectada a un condensador provoca el almacenamiento de un culombio de energía eléctrica. Un picofaradio es una billonésima parte de eso, y la sensibilidad de un detector de capacitancia preciso es de 0,5 pF. Este es el cambio mínimo detectable en la capacitancia como resultado de un cambio en la constante dieléctrica (K2 -K1).En la mayoría de las aplicaciones de detección de nivel, el material de referencia es el aire (K1 = 1,0). La tabla 7 muestra los valores K2 de una variedad de materiales de proceso. A medida que la constante dieléctrica del material de proceso se acerca a la del aire (K2 para los gránulos de plástico, por ejemplo, es 1,1), la medición se vuelve más difícil.
Diseños de sondas
El diseño de sonda más común es una varilla de acero inoxidable de 1/4 o 1/2 pulgada de diámetro, adecuada para la mayoría de los materiales no conductores y no corrosivos. La sonda está aislada de la carcasa y de la pared del contenedor mediante un aislante dieléctrico bajo, como nailon o Ryton. Estos polímeros tienen temperaturas de funcionamiento máximas de 175-230 °C (350-450 °F). La cerámica se puede utilizar para aplicaciones a temperaturas más altas o si se requiere resistencia a la abrasión. Para aplicaciones en las que el material del proceso es conductivo y corrosivo, la sonda debe estar recubierta con PFA o Kynar.
Algunos sensores de nivel puntual están disponibles con inmunidad a la acumulación o con función de rechazo del recubrimiento. Esto es necesario cuando el material del proceso está húmedo o pegajoso y puede provocar un recubrimiento permanente. La inmunidad a la acumulación se consigue añadiendo una segunda sección activa de la sonda y un segundo aislante (Figura 8-3). Esta segunda sección activa (el blindaje accionado) se acciona con el mismo potencial y frecuencia que la sonda de medición. Dado que la corriente no puede fluir entre potenciales iguales, la sonda de medición
Las sondas de capacitancia suelen estar recubiertas de PFA (como se muestra), Kynar o polietileno no detecta la acumulación de material entre la sonda y la pared del recipiente.
Las longitudes de inserción típicas de las sondas de capacitancia estándar oscilan entre 7 y 16 pulgadas. Estas sondas suelen montarse lateralmente (Figura 8-4A). Las sondas verticales se pueden extender mediante varillas sólidas hasta una longitud de 1,2 a 1,5 m (4 a 5 pies), o se puede utilizar un cable de acero con un peso.
Figura 8-4: Haga clic en la figura para ampliarla.
para suspender la sonda hasta 15 m (50 pies) (Figura 8-4B). La mayoría de los sensores de nivel de capacitancia se suministran con conectores de montaje NPT de 3/4 a 1-1/2 pulgadas. El acoplamiento hembra correspondiente suele soldarse a la pared del recipiente y la sonda de capacitancia se atornilla al conector de acoplamiento. También hay disponibles sensores de capacitancia de perfil bajo (Figura 8-4C) que se montan con bridas.
En aplicaciones donde el recipiente no es conductor y no puede formar la ruta de retorno para la señal de RF, se puede instalar una segunda sonda colocada en paralelo a la activa o una tira conductora.
Electrónica y carcasas
Los circuitos electrónicos de la sonda realizan las siguientes funciones: 1) rectificar y filtrar la energía entrante, 2) generar la señal de radiofrecuencia, 3) medir los cambios en el flujo de corriente y 4) accionar y controlar dispositivos de interfaz, como relés, generadores de señales analógicas y medidores de visualización. Los circuitos suelen ser de diseño de estado sólido y están provistos de potenciómetros para ajustar la sensibilidad y los retardos.
Dado que el sensor de nivel controlará en última instancia un dispositivo externo, es aconsejable evaluar la compatibilidad del sistema en cuanto al número de relés necesarios, sus capacidades o las señales analógicas requeridas, los retardos y los requisitos de alimentación. Las unidades más avanzadas basadas en microprocesadores se calibran automáticamente; los ajustes de sensibilidad y retardo se controlan mediante botones pulsadores. Estas unidades suelen estar provistas de capacidad de autocomprobación y compensación de temperatura incorporada.
Los diseños más avanzados también son de dos hilos, intrínsecamente seguros y suministran una salida estándar de 4-20 mA o una salida mejorada digitalmente mediante HART (Highway
Tabla 7: Haga clic en la imagen para ampliarla. Transductor remoto direccionable). La precisión (incluida la linealidad, la histéresis y la repetibilidad, pero excluidos los efectos de la temperatura y la tensión de alimentación) es normalmente del 0,25 % del rango. El intervalo mínimo es de 4 pF y el límite superior del rango (URL) es de 2500 pF.
Los interruptores de nivel suelen estar provistos de retardos para filtrar las lecturas falsas causadas por desplazamientos de material o salpicaduras de líquidos. Además, la función de selección a prueba de fallos proporciona un estado predeterminado para la salida de relé en caso de fallo de alimentación o mal funcionamiento.
Las carcasas de los sensores suelen estar fabricadas en aluminio fundido, acero o materiales sintéticos, como nailon reforzado con fibra de vidrio. La mayoría de las carcasas son adecuadas para instalaciones en exteriores en entornos polvorientos o húmedos.
La constante dieléctrica
La constante dieléctrica del material de proceso es el aspecto más importante de los datos del proceso. Cuanto mayor sea la diferencia entre las constantes dieléctricas (del material de proceso y el espacio de vapor o entre las dos capas en el caso de una medición de interfaz), más fácil será la medición. Si la diferencia es baja (K2-K1 < 1,0 en la figura 8-2), se debe utilizar un diseño de alta sensibilidad (0,5 pF).
Cada sensor tiene un umbral de capacitancia
, definido como la cantidad de cambio de capacitancia requerida para provocar un cambio en la salida del sensor. La constante dieléctrica de un material puede cambiar debido a variaciones en la temperatura, la humedad, la densidad aparente del material y el tamaño de las partículas. Si el cambio en la constante dieléctrica da lugar a un cambio de capacitancia mayor que el umbral de capacitancia calibrado del sensor, se producirá una lectura falsa. Esta condición suele corregirse reduciendo la sensibilidad (aumentando el umbral de capacitancia) del sensor.
Como se muestra en relación con la figura 8-3, la sensibilidad puede aumentarse aumentando la longitud de la sonda (A) o disminuyendo el tamaño del espacio (D). Cualquiera de estos cambios, o ambos, minimizarán el efecto de las fluctuaciones de la constante dieléctrica o aumentarán la sensibilidad a los dieléctricos bajos. Por lo general, es más práctico especificar una sonda más larga que disminuir la distancia (D) desde la pared del recipiente. Cuando la sonda se instala desde el lateral (figura 8-4A), D es fijo, mientras que si la sonda se inserta desde la parte superior del depósito, D se puede cambiar (si otras consideraciones lo permiten) acercando la sonda a la pared del recipiente.
Si el mismo recipiente va a contener diferentes materiales en diferentes momentos, el sensor de capacitancia debe ser 
Figura 8-5: Haga clic en la figura para ampliarla.
equipado con capacidad de recalibración local o remota.
Los materiales de baja densidad, inferiores a 20 lb/ft3, y los materiales con partículas de más de 1/2 pulgada de diámetro pueden suponer un problema debido a sus constantes dieléctricas muy bajas (causadas por la gran cantidad de espacio de aire entre las partículas). Es posible que estas aplicaciones no sean adecuadas para la medición de nivel por capacitancia.
Consideraciones sobre la aplicación
Los materiales conductores (líquidos a base de agua con una conductividad de 100 micromhos/cm o más) pueden provocar un cortocircuito entre una sonda de acero inoxidable desnuda y la pared del recipiente. A medida que desciende el nivel del líquido, la sonda permanece húmeda, lo que proporciona una vía conductora entre la sonda y la pared del recipiente. Cuanto más rápido cambia el nivel, más probable es que se produzca esta indicación falsa. Es aconsejable utilizar un revestimiento aislante de PFA o Kynar en la superficie conductora de la sonda cuando el fluido del proceso es conductivo.
La temperatura afecta tanto a los componentes del sensor dentro del recipiente (sondas activas y aislantes) como a los componentes de la Electrónica y la carcasa exterior. Una sonda activa suele estar fabricada en Acero inoxidable y, como tal (a menos que esté recubierta), es adecuada para la mayoría de las aplicaciones. Los aislantes de las sondas pueden ser de PFA, Kynar o cerámica, y deben seleccionarse en función de la temperatura de funcionamiento de la aplicación. La carcasa y la electrónica se ven afectados tanto por la temperatura interna como por la externa del recipiente.
Los límites de temperatura ambiente suelen ser especificados por el fabricante, pero la conducción de calor de un proceso a alta temperatura es más difícil de evaluar. La conducción de calor se puede reducir utilizando un acoplamiento de montaje extendido o uno fabricado con un material de baja conductividad térmica. Si estos métodos son insuficientes, los componentes electrónicos se pueden montar a una distancia de hasta 20 pies y conectarse mediante un cable coaxial. Sin embargo, la capacitancia inherente del cable reduce la sensibilidad general del sistema.
Las carcasas también deben ser compatibles con los requisitos para entornos peligrosos, de lavado, húmedos y/o polvorientos. Los entornos a prueba de explosiones pueden requerir que la carcasa esté certificada. Además, es posible que la sonda activa deba ser intrínsecamente segura.
Si el material del proceso es corrosivo para el acero inoxidable, la sonda debe recubrirse con Kynar o PFA para su protección. Ryton es una buena opción para materiales abrasivos y, para aplicaciones de grado alimentario o sanitarias, el acero inoxidable y el PFA son una buena combinación de sonda y aislante.
Consideraciones de instalación
La sonda de capacitancia debe montarse de manera que su funcionamiento no se vea afectado por el flujo de material entrante o saliente (Figura 8-5A). Los impactos del material pueden causar lecturas falsas o daños en la sonda y el aislante. Al medir materiales de baja dieléctrica, es importante que toda la sonda esté cubierta, no solo la punta (Figura 8-5C). Cuando se utilicen extensiones de varilla o cable, deje una cobertura activa de la sonda de entre 20 y 30 cm.
Instale la sonda de manera que no entre en contacto con la pared del depósito (Figura 8-5B) ni con ningún elemento estructural del mismo. Si se utiliza una extensión de cable, deje espacio para que el cable se balancee a medida que aumenta el nivel de material en el recipiente, de modo que la plomada del extremo del cable no toque la pared del recipiente. La sonda no debe montarse en un lugar donde el material pueda formar un puente entre la sonda activa y la pared del recipiente. Además, la sonda no debe montarse en ángulo ascendente (Figura 8-5D), para evitar la acumulación de material.
Si se monta más de un sensor de nivel de capacitancia en el recipiente, debe dejarse una distancia mínima de 18 pulgadas entre las sondas (Figura 8-5E). Si la distancia es menor, sus campos electromagnéticos podrían interferir entre sí. Si se instala una sonda de capacitancia a través de la pared lateral de un recipiente y el peso del material de proceso que actúa sobre la sonda es a veces excesivo, se debe instalar un deflector protector sobre el sensor (Figura 8-4A).
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