Todo sobre los interruptores de nivel conductivos

Saber cuánto líquido hay dentro de un tanque es uno de los requisitos más básicos en el control de procesos industriales, y uno de los más fáciles de hacer mal. Los desbordamientos, las bombas que funcionan en seco y los lotes imprecisos tienen su origen en una pregunta sencilla que resulta sorprendentemente difícil de responder de forma confiable: ¿ha alcanzado el líquido un nivel determinado o no? Los interruptores de nivel conductivos detectan la presencia o ausencia de un líquido conductor en un punto fijo, y proporcionan una señal clara y confiable sin piezas móviles y con un mantenimiento mínimo. Cuando el líquido toca el electrodo, completa un circuito de bajo voltaje, la resistencia entre los electrodos disminuye y el interruptor cambia de estado. Al no tener piezas móviles que se atasquen, se traben o se desgasten, los interruptores de nivel conductivos se encuentran entre los instrumentos de nivel más económicos y de menor mantenimiento disponibles, siempre que el líquido pueda conducir electricidad.

El mismo dispositivo recibe varios nombres: interruptor de nivel por conductividad, sensor de nivel conductivo, interruptor de nivel por electrodos o simplemente electrodo de nivel. Sea cual sea el nombre que haya encontrado, todos describen el mismo instrumento, y todo lo que se explica en esta guía se aplica a todos ellos.

En esta guía explicaremos cómo funcionan los interruptores de nivel conductivos, qué líquidos pueden y no pueden detectar, cómo controlan bombas automáticamente, cómo se comparan con los interruptores de flotador y capacitivos, y cómo elegir el adecuado para su aplicación.

¿Cómo funciona un interruptor de nivel conductivo?

Un interruptor de nivel conductivo funciona aplicando un bajo voltaje de CA a uno o más electrodos metálicos montados en un tanque. Cuando el líquido conductor sube lo suficiente como para tocar un electrodo, el líquido completa el circuito eléctrico entre ese electrodo y una referencia de tierra. Un relé detecta el pequeño flujo de corriente o la disminución de la resistencia eléctrica y conmuta su salida. Cuando el nivel baja y el circuito se abre de nuevo, el relé vuelve a conmutar.

Piense en ello como un interruptor de luz con una particularidad: en lugar de que un dedo accione el interruptor, el propio líquido es el interruptor. El líquido actúa como el trozo de cable que falta para cerrar el circuito. Si el líquido está presente, la corriente fluye; si no lo está, la corriente no puede fluir.

El circuito necesita dos puntos de contacto. El primero es el electrodo de detección, colocado en el nivel que se desea detectar. El segundo es la referencia de tierra: en un tanque metálico, la propia pared del tanque puede cumplir esta función, mientras que en un tanque de plástico, fibra de vidrio, concreto u otro tipo de tanque no conductor se añade un electrodo de referencia para que el circuito pueda completarse.

Los electrodos de detección suelen estar revestidos con un material aislante, dejando expuesta al líquido solo una punta corta sin revestir, de aproximadamente ¼ de pulgada en el KOBOLD NE. El revestimiento garantiza que el circuito solo pueda cerrarse a través del líquido en la punta, y no a través de la condensación cerca del accesorio de conexión, de una película que queda cuando baja el nivel, de la espuma o de un electrodo adyacente. En una sonda multipunto, donde varios electrodos recorren uno junto a otro el mismo espacio libre superior, ese aislamiento es lo que mantiene independiente cada punto de conmutación. En el NE rígido, los electrodos están disponibles totalmente revestidos de poliolefina (hasta 190 °F) o de PTFE (hasta 300 °F), aunque no todos los revestimientos se ofrecen con todos los materiales de electrodo. El revestimiento de PTFE también está disponible como funda parcial que aísla la sección superior de la varilla cerca del accesorio de conexión, donde tienden a acumularse la condensación y las películas, dejando sin revestir la parte inferior. En el NEH suspendido por cable, los electrodos cuelgan de cables revestidos de neopreno con pesos recubiertos de PVC (hasta 140 °F) o de cables revestidos de PTFE con pesos recubiertos de PTFE (hasta 300 °F).

La energía eléctrica involucrada es mínima. Estos dispositivos aplican una señal de bajo voltaje y baja corriente que es segura y no afecta el proceso. El voltaje es de corriente alterna por diseño: un voltaje de CC en un electrodo sumergido lo corroería lentamente por electrólisis y podría depositar sedimentos sobre el metal, mientras que un bajo voltaje de CA mantiene estable la superficie del electrodo durante años de servicio. Un ajuste de sensibilidad permite que el interruptor ignore películas débilmente conductoras y otras lecturas falsas, y responda únicamente al propio líquido.

¿Qué es un relé de electrodos y por qué lo necesita?

Los electrodos de los interruptores de nivel conductivos NE y NEH son varillas metálicas pasivas; no contienen ningún componente electrónico. El elemento de detección y control se encuentra en un dispositivo independiente llamado relé de electrodos, que suministra el bajo voltaje seguro a los electrodos, detecta la diminuta corriente que fluye cuando el líquido los toca y conmuta un contacto eléctrico real en respuesta. Ese contacto es el que realmente envía la señal a un PLC u otro dispositivo de control.

Dividir el sistema de esta manera es una ventaja discreta de esta tecnología: lo único que hay dentro del tanque es la sonda, mientras que toda la electrónica se encuentra protegida en un tablero de control, lejos del calor, la presión y los vapores corrosivos. En un sistema KOBOLD típico, los electrodos rígidos NE o los electrodos suspendidos por cable NEH se instalan en el tanque, y el relé de electrodos se monta en un riel DIN estándar en el tablero de control para alimentarlos y realizar la conmutación.

Como los electrodos son simplemente varillas de diferentes longitudes que comparten un mismo accesorio de conexión, una sola instalación de interruptor de nivel conductivo puede monitorear varios niveles a la vez. Los modelos NE y NEH de KOBOLD admiten múltiples puntos de conmutación independientes desde una sola abertura del tanque; por ejemplo, un corte por funcionamiento en seco, un punto de encendido de la bomba, un punto de apagado de la bomba y una alarma de desbordamiento por nivel alto, todo desde una sola sonda multipunto. Tenga en cuenta que cada salida independiente (punto de ajuste de nivel o lazo de control de bomba) necesita su propio canal de relé.

El relé de electrodos más popular que ofrece KOBOLD es la serie NE-104. Según el modelo específico, admite una alimentación de 24 VCA, 110 VCA o 230 VCA y entrega a los electrodos un máximo de 10 VCA con un máximo de 0,5 mA. La unidad proporciona un contacto SPDT libre de potencial capaz de conmutar hasta 250 VCA, 5 A, 600 VA. El dispositivo tiene un tiempo de respuesta típico de aproximadamente 1 segundo y su sensibilidad es ajustable de 0 a 50 kΩ para adaptarse a la conductividad del líquido.

El NE-5048 es otro relé de electrodos disponible. Admite 24-240 VCA/CC con un consumo de energía de 2 VA / 1,5 W. El voltaje máximo en los electrodos es de 3,5 VCA con una corriente inferior a 0,1 mA. Ofrece un contacto conmutado libre de potencial, seleccionable como normalmente abierto o normalmente cerrado, capaz de conmutar hasta 250 VCA, 8 A, 2000 VA. El relé tiene un tiempo de respuesta de 400 ms con un retardo de conexión de 1,5 s y un retardo de desconexión ajustable de 0,5 a 10 s, que evita que las salpicaduras o la turbulencia provoquen disparos falsos. Su sensibilidad es ajustable de 5 a 100 kΩ para adaptarse a la conductividad del líquido.

¿Cómo controlan automáticamente las bombas los interruptores de nivel conductivos?

Los interruptores de nivel conductivos controlan las bombas mediante dos puntos de detección. Un electrodo se coloca en el nivel bajo y otro en el nivel alto. En una aplicación de llenado, la bomba se enciende cuando el líquido cae por debajo del electrodo bajo y se apaga cuando alcanza el electrodo alto. En una aplicación de vaciado, la lógica simplemente se invierte.

La clave es que, en esta configuración, el relé se enclava entre los dos puntos en lugar de reaccionar a un solo nivel. Si una bomba se encendiera y apagara en un solo punto, realizaría ciclos rápidos cada vez que el nivel oscilara cerca del electrodo, lo cual es perjudicial para el motor y los contactos. El enclavamiento entre un punto bajo y uno alto le da a la bomba un ciclo de funcionamiento completo y útil cada vez que arranca. Es la misma razón por la que el termostato de su casa no enciende y apaga la calefacción cada treinta segundos.

¿Qué líquidos puede detectar un interruptor de nivel conductivo?

Los interruptores de nivel conductivos funcionan con líquidos eléctricamente conductores. Los modelos NE y NEH de KOBOLD requieren una conductividad mínima de 20 µS/cm (hasta 10 µS/cm con el relé de electrodos NE-5048). El agua del grifo, el agua de pozo, el agua de mar, las aguas residuales, los ácidos, los cáusticos y la mayoría de las soluciones químicas acuosas cumplen fácilmente este requisito. Los aceites, los combustibles, los solventes y el agua purificada (desionizada, destilada, de ósmosis inversa, etc.) no lo cumplen, y un interruptor de nivel conductivo no puede detectarlos.

La conductividad se mide en microsiemens por centímetro (µS/cm). Cuanto mayor es el número, más fácilmente conduce la corriente el líquido. El mínimo de 10-20 µS/cm es un umbral muy bajo para la mayoría de los líquidos reales: el agua del grifo común suele medir entre aproximadamente 50 y 800 µS/cm, según su contenido mineral.

Líquidos que funcionan bien:

• Agua potable, agua de pozo y aguas grises
• Aguas residuales y cloacales, incluidos líquidos sucios con sólidos en suspensión
• Ácidos y cáusticos (con los materiales de electrodo adecuados)
• Soluciones de proceso y de enjuague a base de agua

Líquidos que no funcionan:

• Aceites, combustibles y otros hidrocarburos
• La mayoría de los solventes orgánicos
• Agua purificada y ultrapura, cuya conductividad es intencionalmente cercana a cero

¿Cuáles son las ventajas de los interruptores de nivel conductivos?

Todas las fortalezas de esta tecnología se derivan de su simplicidad: un circuito que el propio líquido completa.

• Sin piezas móviles. Nada flota, gira ni se desliza, por lo que no hay nada que se atasque o se desgaste, lo cual es una ventaja real en líquidos sucios que traban los flotadores mecánicos.
• Sin calibración. El interruptor detecta la presencia o ausencia de líquido; no hay un rango de medición que configurar.
• Bajo costo. Los interruptores conductivos se encuentran sistemáticamente entre las tecnologías de nivel puntual más económicas disponibles.
• Múltiples puntos de conmutación desde una sola abertura del tanque, con hasta seis electrodos en los modelos KOBOLD NE y NEH.
• Electrónica fuera del proceso. Solo los electrodos están en contacto con el líquido; el relé se encuentra en el tablero de control.
• Opciones de materiales para servicio exigente: electrodos de acero inoxidable 316Ti, Hastelloy C o titanio, con revestimiento aislante de poliolefina (hasta 190 °F) o PTFE (hasta 300 °F) que protege contra señales falsas y además aporta resistencia química.

¿Cuáles son las desventajas de los interruptores de nivel conductivos?

Las limitaciones se derivan del mismo principio de funcionamiento: el líquido tiene que conducir corriente.

• Solo líquidos conductores. Los aceites, los solventes y el agua purificada (desionizada, destilada, de ósmosis inversa, etc.) son invisibles para el interruptor. Esta es la restricción decisiva: si su líquido no conduce, elija otra tecnología.
• Recubrimiento y acumulación. Un medio espeso o pegajoso puede dejar una capa aislante sobre el electrodo que retrasa o bloquea la detección. El ajuste de sensibilidad ayuda con las películas delgadas, pero los medios que generan recubrimientos importantes se atienden mejor con otra tecnología.
• Compatibilidad del electrodo. Los productos químicos agresivos exigen la aleación y el revestimiento de electrodo adecuados; un material incompatible se corroerá con el tiempo.
• Los tanques no metálicos necesitan un electrodo de referencia, ya que no hay una pared de tanque conductora que complete el circuito.
• La espuma conductora puede, en algunos procesos, hacer puente con el electrodo y provocar una señal errónea.

Interruptores de nivel conductivos vs. interruptores de nivel de flotador magnético: ¿cuál elegir?

Los interruptores de flotador magnético detectan el nivel de forma mecánica: un flotador sube con el líquido y un imán incorporado activa un interruptor. Funcionan con casi cualquier líquido, conductor o no, lo que los convierte en la opción predeterminada para aceites y combustibles. Su debilidad es la propia pieza móvil. En líquidos sucios, viscosos o cargados de partículas, los flotadores pueden ensuciarse, atascarse o trabarse.

Los interruptores de nivel conductivos invierten esa compensación. Se limitan a líquidos conductores, pero al no tener piezas móviles soportan sin problemas precisamente los medios acuosos sucios, cargados de partículas y corrosivos que causan problemas a los flotadores, razón por la cual son un elemento fundamental en el control de bombas de aguas residuales.

Interruptores de nivel conductivos vs. capacitivos: ¿cuál es la diferencia?

Los interruptores de nivel capacitivos detectan el cambio de capacitancia eléctrica que se produce cuando el líquido rodea una sonda. No es necesario que fluya corriente a través del líquido, por lo que funcionan con medios no conductores como aceites y solventes. Esa flexibilidad tiene un precio más alto y, en algunos modelos, requiere un paso de configuración o calibración.

Para líquidos conductores (agua, aguas residuales, la mayoría de los productos químicos acuosos), el interruptor conductivo hace el mismo trabajo por menos. El interruptor capacitivo justifica su precio superior cuando el líquido no es conductor.

¿Qué aplicaciones utilizan interruptores de nivel conductivos?

Los interruptores de nivel conductivos aparecen prácticamente en cualquier lugar donde un líquido a base de agua necesite una alarma confiable de nivel alto, una alarma de nivel bajo o un control automático de bombas:

• Tratamiento de agua y aguas residuales: control de bombeo de subida/bajada en estaciones de bombeo, sumideros y tanques de agua clarificada, así como protección contra desbordamiento en estanques.
• Procesamiento químico: alarmas de nivel en tanques diarios de ácidos y cáusticos, utilizando electrodos de Hastelloy o titanio con revestimiento de PTFE para resistencia química.
• Equipos OEM: lavadoras, circuitos de enfriamiento y otras máquinas que necesitan una forma compacta y económica de detectar el nivel de agua.

¿Cómo se instala un interruptor de nivel conductivo?

La instalación de un interruptor de nivel por electrodos suele consistir en montar la sonda verticalmente a través de la parte superior del tanque, cablear los electrodos al relé en el tablero de control y ajustar la sensibilidad. Los modelos de electrodos rígidos, como el KOBOLD NE, son adecuados para tanques en los que una sonda fija de la longitud correcta puede alcanzar los puntos de conmutación. Para tanques profundos, pozos húmedos y estaciones de bombeo, el KOBOLD NEH suspendido por cable baja electrodos lastrados sobre un cable flexible de hasta 100 pies de largo (30 pies para cables de PTFE), alcanzando profundidades muy superiores a la longitud máxima de electrodo de 120 pulgadas del NE. Tanto en el NE como en el NEH, las longitudes de los electrodos se fabrican a pedido, de modo que cada punto de conmutación queda exactamente donde su aplicación lo necesita.

Algunas reglas prácticas: coloque los electrodos lejos del flujo de llenado entrante y de la agitación intensa para que las olas no provoquen disparos no deseados; en un tanque no metálico, recuerde pedir el electrodo de referencia; y adapte el material y el revestimiento del electrodo a la química del líquido. Como los electrodos son pasivos, el cableado es un simple cableado de señal de bajo voltaje hasta el relé.

¿Qué puede fallar en un interruptor de nivel conductivo?

Muy poco a nivel mecánico, ya que no hay piezas móviles que se desgasten. Los problemas que sí ocurren son casi siempre eléctricos o químicos, más que mecánicos: un recubrimiento aislante sobre el electrodo, corrosión por un material de electrodo incompatible o disparos no deseados por salpicaduras. Cada uno tiene una causa conocida y, por lo general, una solución sencilla.

• El interruptor no detecta el líquido. Revisar el ajuste de sensibilidad es el primer paso. Puede que simplemente esté configurado demasiado bajo para un líquido débilmente conductor. Si eso no resuelve el problema, es posible que la conductividad del líquido esté por debajo del mínimo, que un recubrimiento esté aislando el electrodo o que el dispositivo se haya instalado en un tanque no conductor sin electrodo de referencia.
• El interruptor se activa cuando no debería. Las causas habituales son la condensación o una película conductora que hace puente en el accesorio de conexión del electrodo, o la agitación o las salpicaduras del flujo de llenado que alcanzan el electrodo. Ajustar la sensibilidad, añadir un retardo en el relé si es posible, reubicar el electrodo lejos de la turbulencia o especificar electrodos totalmente revestidos suele resolverlo.
• El electrodo se está corroyendo. Esto indica una incompatibilidad del material con el líquido. La solución es pasar del acero inoxidable a Hastelloy C o titanio.
• Una bomba realiza ciclos cortos. Esto suele significar que el sistema conmuta en un solo punto de nivel en lugar de enclavarse entre un electrodo bajo y uno alto. La solución es el control de dos puntos, no un interruptor nuevo.

¿Cuánto cuesta un interruptor de nivel conductivo?

Los interruptores de nivel conductivos se sitúan en el extremo económico del mercado de medición de nivel. Por lo general, cuestan menos que los instrumentos capacitivos, ultrasónicos o de radar, y pueden ser competitivos con los interruptores de flotador.

¿Cuál es la diferencia entre los modelos KOBOLD NE, NEH y NEK?

Los tres detectan líquidos conductores de la misma manera; se diferencian en su diseño y en dónde encajan:

• NE: el modelo de electrodos rígidos para uso intensivo. Electrodos de acero inoxidable 316Ti con revestimiento de poliolefina o PTFE, o de Hastelloy C o titanio con revestimiento de PTFE (total o parcial). Disponible con accesorios de conexión de acero inoxidable, PP o PTFE y carcasa de policarbonato, poliamida o aluminio, según el modelo específico. Clasificado hasta 440 PSIG (accesorio de acero inoxidable) y 300 °F (revestimiento de PTFE), con hasta seis puntos de conmutación desde un solo accesorio. La opción para recipientes presurizados y servicio a mayor temperatura.
• NEH: el especialista en tanques profundos para pozos húmedos, estaciones de bombeo y tanques altos. El mismo principio de electrodos sobre cables flexibles de neopreno con pesos de hasta 100 pies (30 pies para cables de PTFE), con accesorios de conexión de PP o PTFE y carcasa de policarbonato o aluminio IP65, clasificado hasta 90 PSIG y 300 °F según la configuración.
• NEK: la opción compacta y autónoma. Un interruptor de ¾" NPT con clasificación IP68, con cuerpo de PP o PPS. La electrónica está integrada y entrega directamente una salida PNP, NPN o de relé SPDT (no se requiere un relé de electrodos independiente). Adecuado para líquidos conductores sucios, de baja viscosidad o agresivos hasta 290 PSIG y 185 °F con el cuerpo de PPS, y hasta 87 PSIG y 140 °F con el cuerpo de PP.

¿Cómo elijo un interruptor de nivel conductivo?

Cuatro preguntas resuelven la mayoría de las selecciones:

• Primero, ¿el líquido es conductor? ¿Es a base de agua, con una conductividad de al menos 10-20 µS/cm?
• Segundo, ¿cuáles son la temperatura y la presión del proceso, que determinan el revestimiento del electrodo y los materiales del cuerpo?
• Tercero, ¿cuántos puntos de conmutación necesita? ¿Una sola alarma o un control de bombas multipunto?
• Cuarto, ¿de qué material es el tanque y qué profundidad tiene? Eso determina si se necesitan electrodos rígidos o suspendidos por cable, y si se requiere un electrodo de referencia.

Si alguna de esas respuestas no está clara, para eso estamos. Los ingenieros de KOBOLD ayudan con la selección de productos todos los días, sin costo alguno. Envíenos los detalles de su aplicación o programe una consulta de ingeniería gratuita, y nos aseguraremos de que el interruptor que pida sea el correcto desde la primera vez.

Preguntas Comunes para Todo sobre los interruptores de nivel conductivos