Los interruptores de nivel térmicos, vibratorios y ópticos son dispositivos especiales desarrollados para resolver problemas específicos de detección de nivel. Por lo general, se utilizan en aplicaciones que no pueden ser manejadas por los dispositivos más comunes de tipo flotador y sonda, o cuando los diseños ultrasónicos, nucleares, de radar o microondas serían demasiado sofisticados, costosos o inadecuados
para la tarea. Los tres tipos pueden utilizarse para detectar niveles de líquido o interfaces entre líquidos. El conmutador de nivel óptico también es adecuado para detectar niveles altos de espuma, si se lava con agua a presión después de cada evento. En algunas aplicaciones especializadas, los tres conmutadores se han ajustado para identificar materiales específicos o para determinar cuándo un material alcanza una viscosidad, densidad, opacidad o conductividad
térmica determinadas. Los tres diseños de interruptores de nivel son sencillos, directos y fiables. Aunque algunos pueden detectar otras propiedades del proceso además del nivel, su objetivo principal es medir la presencia o ausencia de material en un nivel concreto
de un depósito. Estos interruptores son buenos candidatos para su uso en equipos de procesamiento polivalentes, donde deben ser compatibles con una variedad de materiales y condiciones de proceso. No requieren recalibración entre lotes y se pueden limpiar in situ. Los sensores de
sonda vibratoria se utilizan a menudo para detectar materiales sólidos como polvos, sólidos a granel, granos, harina, gránulos de plástico, cemento y cenizas volantes. Ofrecen un rendimiento excelente como conmutadores de nivel alto o bajo y se pueden montar en la parte superior o lateral de los depósitos. La baja conductividad térmica de los sólidos y las atmósferas polvorientas que suelen existir en el espacio de vapor de los silos de sólidos tienden a excluir el uso de conmutadores ópticos y térmicos de la mayoría de las aplicaciones de medición de nivel de sólidos. Cuando los materiales sólidos se acumulan o forman puentes,
pocos sensores de nivel (excepto los de carga células o dispositivos de radiación) funcionan bien. El rendimiento de los sensores de sonda vibratoria y diapasón también es cuestionable en tales servicios, pero su naturaleza vibratoria puede ayudar
a colapsar los puentes o romper los agujeros. Las sondas vibratorias y de diapasón pueden tolerar una cantidad considerable de acumulación de material o, si están recubiertas de PFA, pueden ser autolimpiables en algunos servicios menos difíciles. Los conmutadores de nivel ópticos están disponibles con lavadores automáticos para eliminar la acumulación de recubrimiento después de cada episodio de alto nivel. Los conmutadores térmicos pueden seguir funcionando cuando están ligeramente
recubiertos, pero la acumulación suele añadir una capa aislante térmica, lo que en última instancia ralentiza el tiempo de respuesta. De los tres diseños de conmutadores de nivel tratados en este capítulo, solo el conmutador de nivel óptico basado en láser es adecuado para su uso en la detección del nivel de metal fundido. De las demás tecnologías de
sensores de nivel,
los flotadores refractarios, los tubos burbujeadores refractarios y los detectores de capacitancia de proximidad también se utilizan en el servicio de metal fundido. Uno de los diseños más sencillos de interruptor térmico de nivel consiste en
un sensor de temperatura calentado con una cantidad constante de entrada de calor. Mientras la sonda se encuentre en el espacio de vapor, permanecerá a alta temperatura, ya que los vapores de baja conductividad no disipan mucho calor de la sonda. Cuando la sonda se sumerge, el líquido absorbe más calor y la temperatura de la sonda desciende. El conmutador se activa al producirse este cambio de temperatura. Otro tipo de sensor térmico utiliza dos
detectores de temperatura resistivos
(RTD), ambos montados a la misma altura. Una sonda se calienta y la otra proporciona una referencia sin calentar. Las salidas de ambos sensores se introducen en un puente de Wheatstone (Figura 10-1). Mientras el sensor se encuentra en fase de vapor, la sonda calentada estará más caliente que la sonda de referencia y el circuito del puente estará desequilibrado. Cuando ambas sondas se sumergen en el líquido del proceso, sus temperaturas se acercarán a la del líquido. Sus salidas serán casi iguales y el puente estará en equilibrio. Este conmutador de nivel se activa cuando se produce un cambio en el equilibrio del puente. Dado que todos los materiales de proceso tienen un coeficiente de transferencia de calor
característico, los conmutadores de nivel térmicos pueden calibrarse para detectar la presencia o ausencia de cualquier fluido. Por lo tanto, estos conmutadores pueden utilizarse en servicios difíciles, como aplicaciones de interfaces, lodos y sedimentos. También pueden detectar espumas térmicamente conductivas si se limpian con spray después de cada funcionamiento. Los conmutadores térmicos de nivel e
interfaz no tienen piezas mecánicas móviles y están clasificados para presiones de hasta 3000 psig y temperaturas de proceso de -75 a 175 °C (-100 a 350 °F). Cuando detectan el nivel de agua, el tiempo de respuesta suele ser de 0,5 segundos y la precisión es de 2 mm. En general, los conmutadores de nivel térmicos funcionan mejor con líquidos no recubiertos y con lodos que tienen una gravedad específica de 0,4-1,2 y una viscosidad de 1-300 cP. Un tercer
tipo de interruptor térmico también utiliza dos sensores dentro de la misma sonda vertical. Uno está montado encima del otro y ambos están conectados a una fuente de tensión. Cuando ambos se encuentran en la fase de vapor o ambos en la fase líquida, el flujo de corriente a través de los dos sensores es el mismo. Si, por el contrario, el inferior se encuentra en líquido y el superior en vapor, fluirá más corriente a través del sensor inferior. Un comparador de corriente puede detectar esta diferencia y señalar que el sensor ha alcanzado la interfaz vapor/líquido.
Una característica interesante de este diseño es que la cápsula del sensor puede suspenderse mediante un cable en un tanque o pozo, y la salida del sensor puede utilizarse para accionar el motor de recogida del cable. De esta manera, el interruptor de nivel puede utilizarse como detector continuo de la ubicación de la interfaz
vapor/líquido. Los termómetros también se pueden utilizar para detectar el nivel en procesos a temperaturas más altas, como la medición del nivel de acero fundido en moldes de fundición. Los termómetros no tocan realmente el metal fundido, sino que identifican el lugar donde la temperatura en el exterior del molde aumenta repentinamente. Este es el nivel dentro del molde. Utilizando múltiples sensores espaciados verticalmente, el sistema puede determinar el nivel de metal fundido en el molde con una precisión de una
fracción de pulgada.
Interruptores vibratorios Los interruptores de nivel vibratorios detectan la amortiguación que se produce cuando una sonda vibratoria se sumerge en un medio de proceso. Los tres tipos de sensores vibratorios (láminas, sondas y diapasones) se distinguen por su configuración y frecuencia de operación (120, 200-400 y 85 Hz, respectivamente). Su funcionamiento y aplicaciones son similares. El conmutador de láminas consta de una paleta, un controlador y un captador (Figura 10-2). La bobina del controlador induce una vibración de 120 Hz en la paleta, que se amortigua cuando esta queda cubierta por el material del proceso. El conmutador puede detectar tanto niveles ascendentes como descendentes, y solo su profundidad de accionamiento (la profundidad del material sobre la paleta) aumenta a medida que disminuye la densidad del fluido del proceso. La variación en la profundidad de accionamiento suele ser inferior a una pulgada. Un conmutador Reed puede detectar interfaces líquido/líquido, líquido/vapor y sólido/vapor,
y también puede señalar variaciones de densidad o viscosidad. Cuando se utiliza con polvos húmedos, la paleta vibratoria tiende a crear una cavidad en los sólidos granulares. Si esto ocurre, se producirán lecturas falsas, ya que el
sensor confundirá la cavidad con el espacio de vapor. Lo mejor es utilizar un conmutador de láminas en aplicaciones sin recubrimiento o proporcionar un lavado automático por pulverización después de cada inmersión en lodos o lodos. Los sensores vibratorios de tipo sonda son menos sensibles a la acumulación de material o al recubrimiento. La sonda vibratoria es un elemento redondo de acero inoxidable (similar a un pozo termométrico) que se introduce en el material. Si están recubiertos de PFA e insertados en ángulo, estos dispositivos tienden a ser autolimpiables. Tanto el accionamiento como el sensor son elementos piezoeléctricos:
uno provoca la vibración y el otro la mide. Cuando la sonda queda enterrada
bajo el proceso material, su vibración se amortigua y esta disminución activa el conmutador. Los sensores de sonda vibratoria se pueden utilizar para supervisar polvos, sólidos a granel y materiales granulares como granos, harina, gránulos de plástico, cemento y cenizas volantes. Su naturaleza vibratoria tiende a minimizar los puentes que se producen en los materiales sólidos. Los sensores de diapasón vibran a unos 85 Hz gracias a un cristal piezoeléctrico, mientras que otro cristal piezoeléctrico detecta
la vibración. A medida que el fluido del proceso sube y cubre los diapasones, la frecuencia de vibración cambia. Al igual que las sondas vibratorias, los diseños de diapasón pueden ser autolimpiables si se recubren con PFA y se instalan en ángulo. También se pueden calibrar para detectar una amplia gama de materiales, incluidos aceites lubricantes,
fluidos hidráulicos, agua, materiales corrosivos, arena, fluidos espesos y turbulentos, polvos, gránulos ligeros y pastas. Los sensores de diapasón se pueden fabricar con componentes de PVDF, polipropileno, acero inoxidable, acero al
carbono y aluminio. Están disponibles con recubrimientos de PFA o en versiones higiénicas para aplicaciones sanitarias. Los sensores vibratorios se pueden utilizar para determinar los niveles de líquidos, sólidos y lodos. Los interruptores de láminas pueden funcionar a presiones de hasta 3000 psig, mientras que los diapasones y las
sondas vibratorias
están limitados a 150 psig. Las temperaturas de funcionamiento oscilan entre -100 y 150 °C (-150 y 300 °F) y el tiempo de respuesta es de aproximadamente 1 segundo. El interruptor de nivel óptico puede ser de contacto o diseño sin contacto. En un sensor
óptico reflectante sin
contacto, se dirige un haz de luz hacia la superficie del material de proceso. Cuando el nivel de esta superficie alcanza el punto de ajuste del conmutador, el haz de luz reflejado es detectado por una fotocélula. Tanto la fuente de luz LED como el fotodetector se encuentran detrás de la misma lente. Ajustando la fotocélula o la Electrónica de
detección, el sensor se puede calibrar para detectar niveles a distancias de entre 0,25 y 12 pulgadas por debajo del sensor. Estos conmutadores reflectantes pueden medir los niveles de líquidos transparentes, translúcidos, reflectantes y opacos. También se pueden detectar algunos sólidos. Mediante el uso de múltiples fotocélulas, un sensor puede detectar varios niveles. La luz láser también se puede
utilizar cuando se realizan mediciones de nivel difíciles, como las de metales fundidos, vidrio fundido, placas de vidrio o cualquier otro tipo de material sólido o líquido que tenga una superficie reflectante. Si el módulo receptor es motorizado, puede seguir el rayo láser reflejado a medida que el nivel sube y baja, actuando así como un transmisor de nivel continuo. Un sensor de refracción se
basa en el principio de que la luz infrarroja o visible cambia de dirección (se refracta) al atravesar la interfaz entre dos medios. Cuando el sensor se encuentra en fase de vapor, la mayor parte de la luz del LED se refleja dentro de un prisma (Figura 10-3). Cuando el prisma se sumerge, la mayor parte de la luz se refracta en el líquido y la cantidad de luz reflejada que llega al receptor disminuye considerablemente. Por lo tanto, una caída en la señal de luz reflejada indica el contacto con el líquido del proceso. Un sensor refractivo no se puede utilizar con lodos o
líquidos de recubrimiento, a menos que se lave con agua a presión después de cada inmersión. Incluso unas pocas gotas de líquido en el prisma refractarán la luz y provocarán lecturas erróneas. Los sensores refractivos están diseñados para sumergirse en líquidos; por lo tanto, se pueden instalar varios de ellos en un tubo vertical para detectar varios puntos de nivel. Los sensores ópticos de transmisión envían
un haz de luz a través del tanque. Un sensor de nivel de lodos de este diseño utiliza un LED y una fotocélula en el extremo de una sonda, situados a la misma altura y separados por unos pocos centímetros. Para determinar el nivel de lodos, un mecanismo (o un operador, manualmente) baja la sonda al tanque hasta que los sensores encuentran la capa de lodos. Otros sensores de transmisión se basan
en el principio de refracción utilizando un cable de fibra óptica sin revestimiento en forma de U. Una fuente de luz transmite un haz de luz pulsada a través del cable de fibra y el sensor mide la cantidad de luz que regresa. Si el líquido cubre el cable, hará que la luz se refracte alejándose del cable. El uso de fibra óptica hace que el sistema sea impermeable a las interferencias eléctricas, y algunos diseños también son intrínsecamente seguros. Los sensores ópticos pueden funcionar
a presiones de hasta 500 psig y temperaturas de hasta 125 °C (260 °F). El tiempo de respuesta es prácticamente inmediato y la precisión de detección de la mayoría de los diseños es de 1 mm. Los interruptores de nivel ópticos también están diseñados para aplicaciones específicas o únicas. Por ejemplo, hay interruptores de nivel ópticos de PFA disponibles para detectar el nivel de fluidos ultrapuros. Otros diseños únicos incluyen un interruptor de nivel que combina un sensor de nivel óptico con uno de conductividad para detectar la presencia tanto de agua (conductiva) como de hidrocarburos (no conductores).
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