2.2.2. Niveles

Introducción a la medida de nivel industrial

La medición de nivel consiste en determinar la posición de la interfaz entre dos medios diferenciados, habitualmente un líquido y un gas, o bien sólidos a granel y el aire en el interior de un contenedor (tanques, depósitos, tolvas o silos). Esta variable es crucial tanto para el control de inventario como para garantizar la seguridad de los procesos de almacenamiento, previniendo derrames peligrosos o el funcionamiento en seco de las bombas de trasiego. Dependiendo de los requerimientos físicos del proceso, la medida puede realizarse de forma continua (transmitiendo un valor de 0 a 100% de llenado) o de forma puntual (detectando únicamente alarmas de nivel máximo o mínimo).

El montaje del cableado de estos instrumentos y su integración en el armario eléctrico industrial exigen un cumplimiento riguroso de la reglamentación. Cuando los tanques contienen combustibles o sustancias químicas volátiles, las sondas de nivel deben instalarse bajo esquemas de seguridad intrínseca en cumplimiento con la directiva ATEX (Atmósferas Explosivas) y la norma UNE-EN 60079. Esto obliga a cablear la señal analógica a través de barreras Zener o aisladores galvánicos situados en el cuadro eléctrico de control.

Medición hidrostática de nivel

El método de medición continua por presión hidrostática se basa en el principio físico formulado por Pascal: la presión ($P$) ejercida por una columna de líquido en reposo en la base de un depósito es directamente proporcional a la altura del líquido ($h$) y a la densidad del fluido ($\rho$), multiplicadas por la constante de gravedad ($g$):

$$P = \rho \cdot g \cdot h$$

En depósitos abiertos (a presión atmosférica), se utiliza un transmisor de presión manométrica instalado en el fondo o una sonda sumergible suspendida desde la parte superior. La sonda mide la presión hidrostática relativa y la traduce a una corriente de 4-20 mA. Sin embargo, en depósitos cerrados presurizados, la presión del gas acumulado en la parte superior alteraría la lectura. Para solucionar esto, se emplea un transmisor de presión diferencial conectado mediante tomas de presión de alta y baja presión en la base y en el techo del tanque, compensando así el efecto del gas.

Sensores sin contacto: Ultrasonidos y Radar

Los sensores sin contacto físico son idóneos para líquidos corrosivos, viscosos o alimentarios que puedan dañar o contaminar elementos mecánicos móviles:

Sensores Ultrasónicos: Emiten ráfagas de impulsos acústicos que viajan por el aire hasta chocar con la interfaz del fluido y reflejarse en forma de eco hacia el propio transductor. El sensor calcula el tiempo de tránsito transcurrido ($t$) y deduce la distancia ($d$) mediante: $d = \frac{v \cdot t}{2}$, donde $v$ es la velocidad del sonido en el aire. Tienen el inconveniente de verse afectados por los cambios de temperatura y densidad del aire (que alteran la velocidad del sonido $v$) y por la presencia de espumas o polvos que absorben la señal acústica.

Sensores de Radar (Microondas): Funcionan de manera análoga al ultrasonido pero emitiendo ondas electromagnéticas de alta frecuencia. Viajan a la velocidad de la luz y no se ven afectadas por las variaciones de temperatura, presión ni por la presencia de vapores densos o vacío en el interior del tanque. Esto convierte al radar en el sensor industrial de nivel más preciso y robusto, con salidas directas autocalibrables de escala completa.

Detección puntual: Boyas y sensores capacitivos

Para funciones de enclavamiento de seguridad (paradas de emergencia de bombas por nivel bajo o cortes de llenado por rebose), se recurre a interruptores de nivel puntuales:

Interruptores de Flotador: Utilizan un microrruptor magnético (contacto Reed) ubicado en el interior de una varilla guía. Un flotador magnético libre sube y baja con el nivel, conmutando el contacto eléctrico al pasar por el punto configurado. Son económicos y robustos, pero vulnerables a la acumulación de sólidos adheridos al eje.

Sensores Capacitivos: Actúan como placas de condensador. Al subir el líquido (con una constante dieléctrica distinta al aire), cambia la capacitancia entre el electrodo central de la varilla sensora y la pared metálica del depósito (o la sonda de referencia). Un circuito interno detecta el cambio de capacitancia e interrumpe una salida de transistor (PNP/NPN) o activa un relé directamente en el armario eléctrico.

Cálculo del volumen y calibración

En el PLC, es habitual tener que programar la linealización para convertir el nivel leído (altura $h$ en metros) al volumen real contenido en el depósito ($V$ en litros o metros cúbicos). Para un depósito cilíndrico vertical regular con radio $r$ e interfaz de lectura a altura $h$, la relación matemática lineal de volumen es:

$$V(h) = \pi \cdot r^2 \cdot h$$

Esta conversión requiere una programación cuidada utilizando funciones de multiplicación y constante pi en el PLC para mostrar en pantalla HMI las unidades correctas del inventario.

import math



# Script para linealizar la lectura de altura de un transmisor analógico

# y calcular el volumen en metros cúbicos y litros de un tanque cilíndrico.

def calcular_volumen_cilindrico(radio_m, altura_max_m, corriente_ma):

    """

    Calcula la altura y volumen de un líquido a partir del lazo de corriente.

    """

    if corriente_ma < 4.0:

        return 0.0, "ERROR: Señal rota"

    

    # Calcular altura del líquido interpolada (4 mA = 0m, 20 mA = altura_max)

    altura_liquido = ((corriente_ma - 4.0) / 16.0) * altura_max_m

    

    # Calcular volumen: V = pi * r^2 * h

    volumen_m3 = math.pi * (radio_m ** 2) * altura_liquido

    volumen_litros = volumen_m3 * 1000.0

    return altura_liquido, volumen_litros



# Configuración: Radio de 1.2 m, tanque de 5.0 m de altura, lectura de 12 mA (50% nivel)

h_calc, vol_l = calcular_volumen_cilindrico(radio_m=1.2, altura_max_m=5.0, corriente_ma=12.0)

print(f"💡 Altura calculada: {h_calc:.2f} m | Volumen en tanque: {vol_l:.1f} Litros")