Boya de Nivel (Flotador Eléctrico o Electronivel): Esquemas

La boya de nivel, también llamada flotador eléctrico o electronivel, es el interruptor automático de tu depósito. Mediante una bola interna o contacto magnético, activa o desactiva la bomba de agua.

Aquí aprenderemos a conectarla para dos funciones: llenado (evitar que el tanque se vacíe) o vaciado (evitar que un pozo se desborde), usando sus 3 cables.

Su principio de funcionamiento se basa en la flotabilidad de un objeto (la boya) en el líquido. A medida que el nivel del líquido sube o baja, la boya se mueve verticalmente, activando un mecanismo que indica o controla el nivel.

La simplicidad, coste accesible y versatilidad de estos sensores los convierten en una solución ideal para aplicaciones donde no se requiere precisión extrema.

Sin embargo, las innovaciones recientes están mejorando su funcionalidad, haciéndola cada vez más competitiva frente a tecnologías más avanzadas. La selección adecuada de una boya de nivel depende de una comprensión detallada de las necesidades específicas de cada aplicación.

El símbolo genérico del sensor de nivel es el siguiente:

Funcionamiento de la Boya de Nivel

El principio fundamental es la flotabilidad. Un objeto sumergido en un fluido experimenta una fuerza de empuje hacia arriba igual al peso del fluido desplazado (Principio de Arquímedes). La boya, diseñada con una densidad menor que el líquido en el que se utiliza, flota en la superficie.

Cuando el nivel del líquido sube, la boya flota y cambia su posición o inclinación. Este cambio acciona un interruptor interno que cierra o abre un circuito eléctrico. Cuando el nivel baja, la boya regresa a su posición original y el interruptor vuelve a su estado inicial.

Los componentes principales de una boya de nivel son:

● Flotador (boya): el elemento flotante está fabricado con materiales como plástico (polipropileno, polietileno), fibra de vidrio, acero inoxidable o materiales compuestos, dependiendo de la aplicación y la compatibilidad química con el líquido.

● Contacto eléctrico o mecánico: dentro del flotador, un mecanismo de contacto detecta los cambios en la posición de la boya. Puede ser:

– Microswitch mecánico: es un interruptor de acción rápida que se activa cuando la boya cambia de inclinación. Funciona mediante un mecanismo de resorte que conmuta el estado del circuito eléctrico.

– Reed switch (interruptor de lengüeta): se compone de 2 contactos metálicos encerrados en un tubo de vidrio. Cuando un imán integrado en el flotador se acerca, los contactos se cierran o abren.

● Cableado y conexiones: el sistema eléctrico de la boya de nivel incluye cables resistentes al agua y a químicos. Los cables pueden tener un solo contacto (NA o NC) para aplicaciones simples o múltiples contactos para sistemas más complejos con varios niveles de detección.

● Contrapeso (opcional): se utiliza en algunos diseños para mejorar la estabilidad y el funcionamiento de la boya, especialmente en líquidos turbulentos.

Tipos de Boyas de Nivel

Las boyas de nivel se pueden clasificar de diversas maneras, pero una de las más comunes es según su modo de funcionamiento. Esta clasificación distingue principalmente entre:

● Boyas de nivel verticales (de suspensión): son las más comunes. La boya está suspendida  de un cable o una varilla y se mueve verticalmente con el nivel del líquido. Cuando el líquido alcanza el nivel deseado, la boya activa un interruptor (mecánico o eléctrico) que envía una señal. Se utilizan para la detección de uno o varios puntos de nivel (nivel alto, nivel bajo, etc.).

● Boyas de contrapeso: utilizadas para el control de procesos de llenado y vaciado, especialmente en aguas residuales o líquidos con sólidos en suspensión. Su funcionamiento es similar a las boyas verticales, pero el contrapeso asegura que la boya se mueva libremente ayudando a superar la resistencia de los sólidos y evitando que la boya se atasque. Variando la distancia entre el contrapeso y el flotador se regula el nivel mínimo y máximo.

● Boyas de palanca: la boya está unida a una palanca que se mueve con el nivel del líquido. Cuando el líquido sube o baja, la palanca se mueve y activa un interruptor. Se utilizan para detectar niveles en espacios reducidos o donde no es posible utilizar una boya vertical.

● Boyas sumergibles: la boya está completamente sumergida en el líquido y detecta el nivel por diferencia de presión. Contiene un sensor de presión que mide la presión hidrostática del líquido. Esta presión es proporcional al nivel del líquido. Se utilizan en aplicaciones donde la boya no puede estar suspendida, como en pozos o tanques cerrados.

Materiales de las Boyas de Nivel

La elección del material de la boya es fundamental y depende del líquido a medir:

– Plásticos (polipropileno o polietileno): económicos, resistentes a muchos productos químicos, pero menos resistentes a altas temperaturas.

– Acero inoxidable: resistentes a la corrosión y a altas temperaturas, adecuados para aplicaciones alimentarias e industriales.

– Acero al carbono: más económicos que el acero inoxidable, pero susceptibles a la corrosión. Requieren recubrimientos protectores.

– Otros materiales: se utilizan materiales especiales como PTFE (Teflón) para líquidos altamente corrosivos o aplicaciones de alta pureza.

Tipos de Salida de las Boyas de Nivel

Según el diseño y la tecnología empleada, las boyas pueden ofrecer diferentes tipos de salida, adaptándose a las necesidades específicas de cada aplicación. A continuación, se describen los tipos más comunes:

Boya de Nivel con Contacto Seco

Esta boya de nivel funciona como un sensor con salida a contacto mecánico, que dispone de un contacto mecánico integrado en su circuito (relé sin bobina).

Básicamente dispone de un contacto o interruptor mecánico dentro de la boya, que cambia de estado (abierto o cerrado) según la posición del flotador. No se suministra energía eléctrica al contacto; el usuario debe proporcionar la fuente de alimentación para el circuito que conectará al sensor.

Es puramente mecánico, sin componentes electrónicos internos. Ofrece una señal binaria (ON/OFF), ideal para aplicaciones TODO/NADA, que se utiliza para activar alarmas, bombas o luces indicadoras.

Boya de Nivel con Contactos Multiposición

Son similares a las anteriores, pero incluyen varios contactos internos que cambian de estado en diferentes niveles del líquido.

Pueden tener múltiples estados (NA, NC) para diferentes umbrales de nivel, permitiendo controlar varias etapas de llenado o vaciado.

Boya de Nivel con Salida a Relé Electromagnético

Las boyas de nivel con salida a relé electromagnético necesitan alimentación eléctrica para operar el relé. Funcionan como un sensor con salida mediante relé electromagnético.

El cambio de posición de la boya activa un pequeño interruptor magnético tipo lengüeta o similar que alimenta la bobina del relé electromagnético. Necesita una fuente de alimentación para funcionar, ya que utiliza una bobina interna que genera un campo magnético para cerrar o abrir los contactos.

Esta alimentación puede ser de corriente alterna (CA) o corriente continua (CC), dependiendo del diseño de la boya.

Boya de Nivel con Salida a Transistor

Las boyas de nivel con este tipo de salidas utilizan transistores PNP o NPN para conmutar cargas electrónicas. Son sensores de salida electrónica a transistor que ofrecen una salida TODO/NADA basada en el estado del flotador. Requieren alimentación para operar.

Proporcionan alta velocidad de conmutación y tienen mayor vida útil en comparación con contactos mecánicos. Se integran en sistemas de automatización que requieren salidas de bajo voltaje y alta confiabilidad.

Boya de Nivel con Salida Analógica

Muchas boyas de nivel incorporan sensores electrónicos que convierten la posición del flotador en una señal analógica continua.

Ahora bien, para que estos componentes electrónicos internos puedan operar de manera correcta, requieren alimentación eléctrica para operar los componentes electrónicos internos. La señal analógica puede ser de 4-20 mA o 0-10 V, dependiendo del diseño.

Se utilizan en aplicaciones que requieren monitoreo preciso de tanques de almacenamiento, control avanzado de procesos en industrias químicas, farmacéuticas o alimenticias, etc. Además, estas salidas permiten integración con sistemas SCADA, PLCs, y otros dispositivos de control industrial.

El ruido eléctrico afecta en mayor medida a las señales de voltaje que a las de corriente en los sensores con salida analógica. Por consiguiente, la precisión de las mediciones puede verse comprometida al utilizar señales de voltaje en entornos con alta presencia de interferencias electromagnéticas.

Conexión de 3 Cables: ¿Llenado o Vaciado?

En el caso específico de las boyas de 3 hilos (Marrón, Azul, Negro), lo que hay dentro es un microinterruptor mecánico (contacto seco). Suelen funcionar como un conmutador (SPDT), lo que significa que tienen un cable común y 2 opciones de salida: una que se activa cuando el flotador sube y otra cuando baja.

● Código de colores estándar: aunque siempre se debe revisar el esquema impreso en el cable o la caja del fabricante, el estándar más extendido en la industria (especialmente en Europa) es el siguiente:

• Negro (común): es el cable que siempre debe estar conectado a la fase o al común del cuadro eléctrico.
• Marrón (vaciado/drenaje): se activa cuando el flotador está ARRIBA. Se usa para vaciar un pozo o tanque (la bomba se enciende cuando el nivel es alto).
• Azul (llenado): se activa cuando el flotador está ABAJO. Se usa para llenar un depósito (la bomba se enciende cuando el nivel es bajo).

● Cómo elegir el modo correcto: para no equivocarnos, debemos pensar siempre en qué estado debe estar el flotador para que la bomba se encienda:

⚠️¡Atención! El cable que no se utilice debe quedar perfectamente aislado. Por ejemplo, si se realiza una función de vaciado, conectar el Negro y el Marrón, y poner un terminal o cinta aislante de calidad en la punta del cable Azul para evitar cortocircuitos.

● Variaciones según la marca: algunas marcas (especialmente americanas o asiáticas) pueden invertir estos colores:

• En algunos modelos, el Marrón es el común.
• En otros, el Blanco sustituye al Azul.

Consejo: Para estar 100% seguro, antes de conectar la bomba, medir "continuidad" con un multímetro. Mover el flotador con la mano y comprobar qué cables cierran el circuito en la posición de arriba y cuáles en la de abajo.

Instalación del Contrapeso y Ajuste de Nivel

No basta con colgar la boya; hay que graduar el contrapeso para decidir el diferencial de nivel, es decir, cuántos litros de agua queremos que se consuman antes de que la bomba vuelva a entrar en funcionamiento.

● ¿Cómo regular la cantidad de agua?: la regla de oro es sencilla: la distancia entre el contrapeso y la boya determina el recorrido del nivel de agua.

• Contrapeso cerca de la boya: el recorrido es corto. La bomba arrancará y parará con mucha frecuencia porque el nivel de agua apenas necesita variar unos pocos centímetros para inclinar la boya. Esto se usa cuando queremos mantener un nivel muy constante, pero castiga más el motor de la bomba por los arranques continuos.
• Contrapeso lejos de la boya: el recorrido es largo. La bomba tardará más en arrancar, pero cuando lo haga, vaciará (o llenará) una gran cantidad de agua. Esto es lo ideal para ahorrar energía y alargar la vida útil del motor, ya que se aprovecha al máximo la capacidad del depósito.

● Pasos para una instalación correcta:

1. Introducir el cable: pasa el cable por el interior del contrapeso. La mayoría tienen una pieza de plástico cónica o un clip para fijarlo.
2. Fijar la distancia: mide la distancia desde la boya hasta el contrapeso. Una medida estándar para empezar, suelen ser 20-30 cm, pero puedes ampliarla según el tamaño de tu depósito.
3. Asegurar el contrapeso: asegúrate de que el contrapeso quede bien bloqueado en el cable. Si se desliza con el tiempo, el nivel de activación cambiará y la bomba podría no parar nunca o trabajar en seco.
4. Prueba de giro: asegúrate de que la boya tenga espacio suficiente para subir y bajar sin engancharse en tuberías, paredes o en el propio cable de la bomba.

Uso del Contactor para Bombas Potentes

Los relés electromagnéticos internos de las boyas de nivel están diseñados para señales de control de baja potencia. Típicamente soportan entre 5 A y 10 A en corriente alterna (AC), en el mejor de los casos y para cargas resistivas.

Un motor de bomba de 1,5 HP (~1100 W) consume, en el momento del arranque, una corriente 5 a 8 veces mayor que su corriente nominal de trabajo. Para 230 V, la corriente nominal sería de cercana a 5 A, pero al arrancar pueden existir picos de 25 A a 40 A o más en una fracción de segundo.

En muy poco tiempo, los contactos se soldarán (quedarán pegados permanentemente cerrados, dejando la bomba encendida sin control) o se carbonizarán y destruirán (dejando el circuito abierto y la bomba inoperativa). Esto representa un riesgo de incendio y falla del sistema de control.

La solución es el uso del contactor, que es un interruptor electromagnético diseñado específicamente para manejar altas corrientes y los picos de arranque de motores.

La boya de nivel solo debe usarse para activar o desactivar la bobina del contactor (una carga de muy baja potencia, típicamente < 10 W). El contactor es el dispositivo que maneja físicamente la corriente principal de la bomba potente. Sus contactos son robustos, están diseñados para soportar arcos eléctricos y tienen la capacidad de amperaje (ej. 25 A o 32 A) adecuada para la bomba.

Esquema de Conexión de la Boya de Nivel

A continuación, se muestra un ejemplo de esquema de contactores controlado por boyas de nivel, con sus circuitos de control y potencia.

Para controlar el llenado de un depósito se añaden al circuito 2 boyas de nivel B1 (nivel bajo) y B2 (nivel alto). Esta configuración es muy utilizada para el control automático de llenado de un depósito.

Por otro lado, para el llenado del depósito, se utiliza una motobomba trifásica M1 protegida por un guardamotor Q1.

El circuito eléctrico funciona de la siguiente manera:

1º) Nivel bajo (B1 activada): cuando el nivel del agua desciende hasta la boya de nivel bajo B1, esta cierra su contacto NA (13-14). Este contacto cerrado alimenta la bobina del contactor KM1.

2º) Motor en marcha: la bobina del contactor cierra sus contactos principales, alimentando el motor de la bomba y comenzando el llenado del depósito.

3º) Nivel alto (B2 activada): cuando el nivel del agua alcanza la boya de nivel alto B2, esta abre su contacto NC (11-12). Esta apertura interrumpe la alimentación de la bobina del contactor.

4º) Motor detenido: la bobina del contactor deja de alimentarse, abriendo sus contactos principales y deteniendo la bomba. Cuando baja un poco el nivel, el contacto NC (11-12) de la boya B2 se cierra volviendo a su posición de reposo.

5º) Ciclo repetido: cuando el nivel vuelve a bajar hasta B1, la bomba se enciende y el ciclo se repite automáticamente.

Ventajas y Desventajas de la Boya de Nivel

Para determinar si la boya de nivel es la solución adecuada, es necesario analizar las ventajas y limitaciones inherentes a esta tecnología.

Las principales ventajas de los flotadores de nivel son las siguientes:

● Simplicidad y robustez: son dispositivos sencillos y fiables.

● Bajo coste: generalmente son económicos en comparación con otras tecnologías de medición de nivel.

● Fácil instalación: suelen ser fáciles de instalar y mantener.

● No requieren alimentación externa (en la mayoría de los casos sencillos): los modelos con contacto seco no necesitan alimentación.

Las desventajas de las boyas de nivel son las siguientes:

● Sensibilidad a la suciedad y los residuos: los sólidos en suspensión pueden afectar el funcionamiento de la boya.

● Limitaciones en líquidos viscosos o adherentes: la viscosidad o la adherencia del líquido pueden dificultar el movimiento de la boya.

● Precisión limitada: no son ideales para mediciones de alta precisión.

● Requieren mantenimiento periódico: para asegurar su correcto funcionamiento requieren inspección periódica, verificación del estado de la boya, varilla, conexiones, etc. y limpieza frecuente de la boya para eliminar suciedad o residuos.

Aplicaciones de la Boya de Nivel

Las boyas de nivel se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, tanto domésticas como industriales:

– Control de bombas de agua: una boya controla el nivel del agua en un tanque y activa la bomba para llenarlo cuando el nivel baja de un cierto punto, y la detiene cuando alcanza el nivel máximo. En sótanos o fosos, una boya puede activar una bomba de achique cuando el nivel del agua suba demasiado, previniendo inundaciones.

– Sistemas de riego: controlan el nivel del agua en depósitos de riego, asegurando un suministro constante.

– Industria alimentaria y de bebidas: se utilizan en el control de nivel de líquidos en procesos de producción y envasado.

– Industria química y petroquímica: se utilizan para el control de nivel de líquidos en tanques de almacenamiento y procesos de producción, incluso con líquidos corrosivos o peligrosos (usando materiales resistentes).

– Tratamiento de aguas residuales: controlan el nivel del agua en diferentes etapas del proceso de tratamiento.

– Sistemas de calefacción y refrigeración: se utilizan para controlar el nivel de agua en calderas y torres de refrigeración.

– Piscinas y spas: mantienen el nivel del agua dentro de los límites adecuados.

– Acuarios y peceras: controlan el nivel del agua para asegurar el bienestar de los animales acuáticos.

– Detección de inundaciones: se pueden utilizar como sensores de inundación en sótanos o áreas propensas a inundaciones.

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