El 28 de marzo de 1979, en la central nuclear de Three Mile Island, en Estados Unidos, parte del núcleo del reactor número 2 se fundió. El reactor TMI-2 quedó destruido. La causa del accidente fue un mal funcionamiento menor en el circuito de refrigeración secundario que permitió que aumentara la temperatura del refrigerante primario. Esto provocó que el reactor se apagara automáticamente. Esta situación se desarrolló porque los controles de nivel cerraron el refrigerante del reactor cuando detectaron la presencia de agua de refrigeración cerca de la parte superior del tanque. El agua en la parte superior no se debió a que el tanque estaba completamente lleno, sino a que había tan poca agua en el tanque que hirvió y se hinchó hasta la parte superior del tanque.
El incidente es un ejemplo que demuestra la importancia de los sensores de nivel de fluidos y su correcto funcionamiento. Son importantes no sólo en las centrales nucleares sino en muchas aplicaciones. Cada automóvil, camión y motocicleta está equipado con un sensor de nivel de combustible para medir la cantidad de gasolina que queda en el tanque de combustible. Además, hay sensores para medir el nivel de aceite del motor, líquido de frenos/dirección asistida, agua de refrigeración, líquido lavaparabrisas, etc. Las aplicaciones industriales incluyen la detección de nivel de líquidos en tanques de tratamiento de agua, tanques de transporte y almacenamiento, en la industria petroquímica de líquidos como gasolina, etc. La medición del nivel de líquido es importante en aplicaciones domésticas para dispositivos como cafeteras automáticas, dispensadores de agua, exprimidores, evaporadores de agua, vaporizadores, refrigeradores y congeladores, calderas, sistemas de calefacción, lavavajillas, lavadoras, planchas de vapor, etc.
En resumen, los sensores de nivel son uno de los sensores más importantes y desempeñan un papel muy importante en una variedad de aplicaciones industriales/de consumo. Al igual que con otros tipos de sensores, los sensores de nivel están disponibles o pueden diseñarse utilizando varios principios de detección. Es muy importante seleccionar un tipo apropiado de sensor que se adapte a los requisitos de la aplicación.
Fig. 1: Imagen que muestra el sensor de nivel
¿QUÉ ES UN SENSOR DE NIVEL?
Hay una amplia gama de sensores disponibles en el mercado y comúnmente se clasifican según la aplicación específica del sensor. El sensor usado para medir la humedad se llama sensor de humedad, el que se usa para medir la presión se llama sensor de presión, el sensor usado para medir el desplazamiento se llama sensor de posición, y así sucesivamente, aunque todos pueden estar usando un principio de detección similar. . De manera similar, el sensor utilizado para medir los niveles de líquido se llama sensor de nivel.
Como su nombre indica, los sensores de nivel se utilizan para medir el nivel de sustancias que fluyen libremente. Estas sustancias incluyen líquidos como agua, aceite, lodos, etc., así como sólidos en forma granular/en polvo (sólidos fluidos). Estas sustancias tienden a depositarse en los tanques contenedores debido a la gravedad y mantienen su nivel en reposo. Los sensores de nivel miden su nivel en relación con una referencia predefinida.
Clasificación
CLASIFICACIÓN BASADA EN PUNTOS DE DETECCIÓN
Dependiendo del número de ubicaciones donde se detectará la presencia de un fluido (o sólidos fluídicos), los sensores de nivel se pueden clasificar en tres categorías:
1. Sensores de nivel de punto único : estos sensores se utilizan cuando el nivel de líquido debe detectarse en una única ubicación.
Fig. 2: Diagrama que muestra sensores de nivel de punto único
dos. Sensores de nivel multipunto : estos sensores se utilizan cuando el nivel de líquido debe detectarse en varias ubicaciones en una sola ubicación.
Fig. 3: Diagrama que muestra sensores de nivel multipunto
3. Sensores de nivel continuo : estos sensores se utilizan donde se detecta el nivel de líquido en todas las ubicaciones.
Fig. 4: Diagrama que muestra sensores de nivel continuo
CLASIFICACIÓN BASADA EN PRINCIPIOS DE DETECCIÓN
Se utiliza una amplia variedad de principios de detección para medir líquidos, sólidos fluídicos, lodos, etc.
· Sensores de nivel flotantes
En estos sensores de nivel, un flotador se mueve con la superficie del líquido. El flotador está conectado a un núcleo mediante un resorte. Un interruptor de láminas magnético está montado en el núcleo herméticamente sellado y el núcleo se mueve dentro de una varilla con el movimiento del flotador. La varilla está rodeada de potentes imanes. A medida que el flotador sube o baja con el nivel del líquido, el interruptor de láminas se activa debido al campo magnético generado por los imanes.
Fig. 5: Figura que explica el principio de los sensores de nivel flotantes
Fig. 6: Imagen que muestra diferentes partes de los sensores de nivel flotantes
Estos sensores también están diseñados manteniendo la varilla y el núcleo (con interruptor de láminas magnético) estacionarios y haciendo que los imanes formen parte del flotador móvil. En los sensores de nivel multipunto se utilizan varios imanes/varios interruptores de láminas (según el diseño).
El principio de los sensores (flotadores que se mueven con el nivel del líquido) se puede acoplar a relojes comparadores. Usando flotabilidad, pueden formar indicadores visuales del nivel de líquido.
Resistivo, Capacitivo
· Sensores de nivel resistivos
Las resistencias variables se utilizan ampliamente en la detección del nivel de combustible. Un limpiaparabrisas, conectado a un brazo de palanca con un flotador, se mueve a lo largo de una pista resistiva continua.
Fig. 7: Diagrama que muestra los sensores de nivel resistivos utilizados en la detección del nivel de combustible
El sensor funciona según el principio de medición potenciométrico. Se hace fluir corriente a través de la resistencia. El voltaje cae linealmente a través de esta resistencia. El control deslizante a través de esta resistencia está conectado a un flotador. La salida de voltaje se obtiene entre el control deslizante y un extremo de la resistencia. Por lo tanto, a medida que varían los niveles de líquido, el control deslizante se mueve y el voltaje de salida varía.
Una variante de este tipo utiliza la conductividad del líquido medido. Los pulsos de corriente se envían a través de un electrodo sensor (aislado eléctricamente del tanque o tubería externa). Cuando el electrodo sensor se sumerge en un líquido conductor, se crea una conexión eléctrica. El potencial eléctrico es proporcional al nivel del líquido y se mide a través de un contraelectrodo o de la pared del tanque. Se utiliza para la medición continua del nivel de llenado y es adecuado para todos los líquidos conductores.
· Sensores de nivel capacitivos
Dado que la capacitancia depende del área de superposición entre las placas, la distancia entre las placas y el material dieléctrico entre las placas, cualquiera de los tres se puede variar para diseñar un sensor capacitivo útil.
En la figura se muestra uno de los sensores capacitivos de nivel de líquido más simples. Está formado por dos tubos concéntricos sumergidos en el fluido cuyo nivel se quiere medir. Como el área de superposición entre las placas y la distancia entre las placas son fijas, la capacitancia pasa a ser función del dieléctrico entre las placas, es decir, del fluido entre los dos tubos concéntricos. A medida que cambia el nivel del líquido, la capacitancia también cambia. Esta capacitancia pasa a ser función del nivel del fluido.
Fig. 8: Imagen que muestra sensores capacitivos de nivel de fluido típicos con tubos concéntricos
Otra variante de este sensor es la que utiliza placas paralelas en lugar de tubos concéntricos. También en este caso, el cambio de nivel de fluido alterará la constante dieléctrica efectiva y por tanto la capacitancia entre las placas.
Fig. 9: Imagen que muestra sensores capacitivos de nivel de fluido típicos con placas paralelas
Presión, Efecto Hall, Ultrasónico
· Sensores de nivel basados en la presión
La presión se define como la fuerza por unidad de área. La presión a cualquier profundidad, en un fluido estático, es igual al peso del líquido que actúa sobre una unidad de área a esa profundidad más la presión que actúa sobre la superficie del líquido. La medición de nivel basada en la medición de presión también se conoce como medición hidrostática del tanque.
Se basa en el principio de que la diferencia entre dos presiones es igual a la altura del líquido multiplicada por la gravedad específica. Así, la fuerza sobre el fondo del recipiente de fluido depende únicamente de la altura del nivel del líquido y por lo tanto, con la presión hidrostática medida y conociendo la gravedad específica del fluido, se realiza la medición del nivel.
Figura: 10
Como se utilizan para medir el nivel de líquidos/agua corrosivos, etc., se debe comprobar la compatibilidad química del elemento sensor. Además, los sensores deben calibrarse por separado para diferentes líquidos ya que las gravedades específicas son diferentes.
· Sensores de nivel de pasillo
Los sensores de nivel de pasillo se han diseñado en varias configuraciones. En la siguiente figura se muestra un sensor de palanca giratoria.
Fig. 11: Diagrama que muestra el sensor de nivel giratorio basado en el efecto Hall
Se coloca un sensor Hall lineal en el centro del anillo magnético diametralmente magnetizado, rodeado por un imán de hierro dulce para guiar el flujo. El sensor Hall mide únicamente la componente vertical del campo magnético. Así, a medida que el anillo se mueve con la palanca, la componente del campo magnético medida por el Sensor Hall varía. Por tanto, la salida del sensor Hall pasa a ser función del nivel de líquido.
Fig. 12: Gráfico que representa la salida del sensor Hall en función del nivel de fluido
Los sensores Hall se pueden utilizar en sistemas de flotador vertical. Dependiendo de la necesidad de medición de nivel continua o discreta, se pueden colocar una serie de sensores Hall en los puntos deseados. Los imanes pasan a formar parte de los flotadores. En consecuencia, con el movimiento del flotador, la salida de los sensores Hall variará.
Fig. 13: Imagen que muestra los sensores Hall utilizados en el sistema de flotador vertical
Los sensores Hall ofrecen buena confiabilidad, dimensiones pequeñas, voltajes de operación amplios y están disponibles a costos relativamente bajos. Todas estas características los convierten en una opción muy atractiva entre una variedad de otros sensores.
· Sensores de nivel ultrasónicos
Los instrumentos de nivel ultrasónicos funcionan según el principio básico del tiempo de vuelo, utilizando ondas sonoras para determinar el nivel de líquido/sólido/pasta.
Los sensores de nivel ultrasónicos se componen de dos elementos; un transductor de alta eficiencia y un transceptor electrónico asociado. Se mide el tiempo de retorno completo entre el pulso ultrasónico transmitido y el eco reflejado para determinar el nivel de líquido.
El rango de frecuencia de los métodos ultrasónicos se encuentra entre 15 y 200 kHz. Los instrumentos de frecuencia más baja se utilizan para aplicaciones más difíciles; como distancias más largas y mediciones de nivel de sólidos y aquellos con mayor frecuencia se utilizan para mediciones de nivel de líquidos más cortas.
Se pueden utilizar como sensores de nivel de punto único o sensores de nivel continuo .
Fig. 14: Imagen que muestra sensores de nivel ultrasónicos basados en el principio del tiempo de vuelo utilizando ondas sonoras
Lea también el artículo sobre Sensores Ultrasónicos
Nivel de radar óptico
· Sensores de nivel por radar
Los sensores de nivel por radar son fundamentalmente muy similares a los niveles ultrasónicos; la única diferencia entre los dos es el uso de frecuencias. La medición del nivel por radar también se basa en el principio de medir el tiempo transcurrido entre la transmisión de un pulso de microondas y la recepción del eco reflejado.
La resolución de rango y la frecuencia son dos parámetros cruciales que se deben considerar al seleccionar estos sensores. La precisión de dichos sensores depende de la aplicación, la antena y su instalación, así como de la calidad del software de procesamiento de señales.
· Sensores ópticos
Es un sensor de tipo contacto y utiliza el principio de reflexión óptica. Este sensor alberga un LED infrarrojo y un fotodetector de infrarrojos. La luz emitida por el LED se dirige hacia un prisma; el prisma forma la punta del sensor. Mientras el prisma esté fuera de contacto con el líquido, la luz emitida se reflejará de regreso al receptor. Sin embargo, cuando el prisma se sumerge en el prisma, la luz se refracta en el líquido y, por lo tanto, llega muy poca o ninguna luz al receptor. Así, en función de la cantidad de luz reflejada se detecta la presencia o ausencia de un líquido.
· ExoSensores
El sensor ExOsense 
(de Gems Sensors and Controls) utiliza tecnología de transductor patentada que emplea material piezoeléctrico. Cuando se excita el material piezoeléctrico, se crea una señal acústica debido a la resonancia natural del material. Los sensores ExOsense generan esta señal acústica, la dirigen a través de la pared de la botella y detectan el pulso de reflexión.
(de Gems Sensors and Controls) utiliza tecnología de transductor patentada que emplea material piezoeléctrico. Cuando se excita el material piezoeléctrico, se crea una señal acústica debido a la resonancia natural del material. Los sensores ExOsense generan esta señal acústica, la dirigen a través de la pared de la botella y detectan el pulso de reflexión. La cantidad de energía reflejada está determinada por el "desajuste de impedancia acústica" de los materiales utilizados. Por ejemplo, si el sonido pasa a través de dos materiales con impedancias acústicas similares, se reflejará muy poca energía. Si el sonido pasa a través de dos materiales con diferentes valores de impedancia, la mayor parte de la energía acústica se reflejará. El desajuste de impedancia acústica proporciona la base para la detección del nivel de líquido.
Selección de sensores
SELECCIÓN DE NIVEL SENSORES
Existe una amplia variedad de soluciones comerciales disponibles para la detección de posición y detección de nivel. De las opciones disponibles, los diseñadores pueden seleccionar las mejores tecnologías posibles para cumplir con sus objetivos comerciales y de ingeniería. Pero esto también crea un problema de abundancia.
El problema de la abundancia, es decir, la disponibilidad de muchas opciones, a menudo confunde a los diseñadores en lugar de facilitarlos. La detección de nivel, una forma de detección de posición, se puede realizar utilizando muchas tecnologías diferentes: inductiva, capacitiva, mecánica, magnetorresistiva, efecto Hall, óptica, etc. Más de una solución puede ser viable para una aplicación específica y aquí es donde surge la confusión.
· Número de preguntas a hacer al seleccionar un sensor
· Puntos de detección de nivel requeridos
· Rango de medición
· ¿El material que se está midiendo es eléctricamente conductor?
· ¿El sensor debe colocarse dentro del material o puede ser externo?
· ¿El material es sólido o líquido?
· Tipo de medición requerida: ¿con contacto o sin contacto?
· Exactitud, precisión y resolución aceptables
· Rango de temperatura de funcionamiento
· Tipo de salida: analógica, digital, etc.
Todo esto debe determinarse para seleccionar la tecnología de detección adecuada. Por supuesto, responder a estas preguntas no es una tarea sencilla. Pero aquí es donde se ponen a prueba las habilidades del diseñador de sistemas.