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INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

TRANSMISORES DE NIVEL DE PRESIÓN DIFERENCIAL

En la automatización industrial el uso de mediciones erróneas pueden engañar incluso al mejor sistema de control. Un remedio que puede ayudar a evitar tal escenario es entender la técnica de medición y sus limitaciones, en la medida en que su aplicación pueda ser razonablemente evaluada. La medición por presión diferencial del nivel es una de esas mediciones clave que usted necesita comprender para evitar así engañar a su sistema de control.

Transmisor de presión. Definición

El propósito principal de un transmisor es medir un cambio en la variable de proceso desde una ubicación remota (en campo) y transmitirla a la ubicación requerida (tablero de control, etc. ). El transmisor es un dispositivo (electrónico / neumático) que mide una variable de proceso y la convierte en una señal estándar, proporcional. La señal estándar puede ser neumática o electrónica.

La señal neumática es de 3 a 15 psig mientras señal electrónica es de 4 a 20 mA. El transmisor tiene un suministro de 24 VCC para la electrónica y 20 psig para neumática.

Principio de funcionamiento

El transmisor consta de una parte con la función de sensor y una parte de procesamiento. La parte del sensor crea un cambio primario proporcional al cambio de la variable de proceso. La parte procesadora convierte ese cambio en una señal de salida estándar. Por ejemplo:

Una variable de proceso, por ejemplo de presión se puede variar de 0 a 100 psig y queremos medirla y también queremos transmitirla a una ubicación remota. Entonces primero de todo el rango del transmisor se ajustará a nuestro valor requerido (0 hasta 100 psig). Luego aplicaremos la variable de proceso en diferentes valores como 0%, 25%, 50%, 75%, 100%. El transmisor generará una salida proporcional de corriente de 4mA, 8 mA, 10 mA, 16 mA, 20 mA, o si usamos un transmisor neumático, de 3 psig, 6psig, 9psig, 12 psig, 15 psig, respectivamente, esa señal de salida puede ser transmitida a una ubicación distante donde la misma es electrónica o neumática.

Medición de nivel

La importancia de la medición de nivel no puede ser subestimada. Mediciones incorrectas o inapropiadas puede causar que los niveles en los tanques de almacenamientos industriales sean excesivamente superiores o inferiores a los valores medidos. Los niveles bajos pueden causar problemas de bombeo y dañar la bomba, mientras que los niveles altos pueden causar que los recipientes se desborden y creen problemas potenciales de seguridad y ambientales. Los buques que operen en niveles intermedios incorrectos pueden dar como resultado condiciones de operación deficientes, y afectar a la contabilidad de los materiales.

El nivel de un líquido en un recipiente se puede medir directamente o por deducción. Ejemplos de medición de nivel directo incluyen tecnologías de medición de nivel con flotante, magnetoestrictivas, de retracción, capacitivas, radar, ultrasonidos y láser. Las tecnologías de peso y presión diferencial miden nivel inferencial o por deducción. Todos tienen problemas que potencialmente pueden afectar a la medición de nivel.

La tecnología de medición de nivel de presión diferencial deduce el nivel de líquido mediante la medición de la presión generada por el líquido en el recipiente. Por ejemplo, un nivel de agua que está 1000 milímetros por encima de la línea central de un diafragma transmisor de presión diferencial generará una presión de 1000 mm de columna de agua (1000 mm de columna de agua) en el diafragma. De manera similar, un nivel de 500 milímetros generará 500 mm de columna de agua. Calibrar el transmisor de presión diferencial de 0 a 1000 mm de columna de agua le permitirá medir los niveles de agua de 0 a 1000 milímetros.

Figura: Transmisores de presión diferencial

Tenga en cuenta que este ejemplo supone que el líquido es agua. Líquidos con otros pesos específicos generarán otras presiones diferenciales y causaran mediciones inexactas. Continuando con el ejemplo anterior, el mismo nivel de los 500 milímetros de otro líquido con una gravedad específica de 1,10 en condiciones de funcionamiento en el recipiente de arriba generará 550 mm de columna de agua de presión en el transmisor. Como tal, el transmisor de presión diferencial calibrado para agua mediría 50 milímetros más alto que el nivel de líquido real 500 milímetros. A la inversa, si el líquido tiene un peso específico que es menor que el del agua, este transmisor medirá más bajo que el nivel real. Este ejemplo ilustra que la tecnología de presión diferencial no es la de medir el nivel, sino más bien de deducir nivel.

Tres cálculos

No todo se pierde porque la calibración del transmisor de presión diferencial puede ser modificada para compensar una gravedad específica diferente. Esta técnica que se utiliza para calcular la nueva calibración es útil tanto para las instalaciones sencillas como las complejas.

La figura 1 muestra el recipiente tanto al 0% como al 100% de nivel. La presión generada por el líquido en el diafragma transmisor de nivel es la altura del líquido veces la gravedad específica. La presión es 1,10 * (0 mm) cuando el recipiente está a 0% y 1,10 * (1,000 mm) cuando el recipiente está a 100%. Por lo tanto, el transmisor debe ser calibrado de 0 a 1100 mm de columna de agua  para medir los niveles de líquido de 0 mm a 1000 mm.

Figura 1. El transmisor de nivel de estos tanques deberá ser calibrado de 0 a 1100 mm de columna de agua para medir niveles de líquidos de 0 a 1000 milímetros

Una aplicación algo más compleja se ilustra en la Figura 2. En esta aplicación, por razones de proceso, es necesario realizar la medición de 200 mm a 1000 mm por encima de la boquilla. Además, el transmisor está situado 500 mm por debajo de la boquilla. Tenga en cuenta que la técnica de dibujar las condiciones en ambos niveles 0% y 100% es la misma que se realizó en la figura 1. A 0% de nivel, la presión en el transmisor es 1,10 * (500 + 200 mm), o 770 mm de columna de agua. Al 100% de nivel, la presión en el transmisor es 1,10 * (500 + 1000 mm) o 1650 mm de columna de agua. Por lo tanto, el transmisor deberá ser calibrado 770 a 1650 mm de columna de agua para medir los niveles de líquido de 200 mm a 1000 mm por encima de la boquilla.

Figura 2. Este transmisor deberá ser calibrado de 770 a 1650 mm de columna de agua para medir niveles de líquidos de 200 mm a 1000 mm por encima de la boquilla.

La Figura 3 ilustra el uso de un transmisor de presión diferencial con sellos de membrana para detectar las presiones en las boquillas en un recipiente presurizado. En esta aplicación, el diafragma de baja presión se encuentra por encima del líquido para compensar la presión estática en el recipiente. Otras complicaciones incluyen las densidades de líquido y líquido de llenado capilar y niveles de 0% y 100% que no corresponden a las posiciones de la boquilla.

Figura 3. En este caso, el transmisor de presión diferencial sustrae el lado alto del lado bajo, de manera que el mismo debe ser calibrado de – 1145 a -265 mm de columna de agua para medir niveles de líquidos de 200 a 1000 milímetros sobre la boquilla inferior.

Usando técnicas similares como en los ejemplos anteriores, en el 0% de nivel, las presiones en los lados de alta y baja del transmisor son {1.10 * (200 mm) + (3 bar)} y {1.05 * (1,300 mm) + (3 bar)}, respectivamente. Por lo tanto, el transmisor de presión diferencial se restará al lado de alta del lado de baja y medirá {1.10 * (200 mm) + (3 bar)} menos {1,05 * (1,300 mm) + (3 bar)}, o sea -1145 mm de columna de agua.

Al 100% de nivel, las presiones en los lados de alta y baja del transmisor son {1,10 * (1,000 mm) + (3 bar)} y {1.05 * (1,300 mm) + (3 bar)}, respectivamente. De manera similar, el transmisor de presión diferencial se resta el lado de alta del lado de baja para medir {1,10 * (1,000 mm) + (3 bar)} menos {1,05 * (1,300 mm) + (3 bar)}, ó -265 mm de columna de agua. Por lo tanto, el transmisor deberá ser calibrado a  -1145 mm de columna de agua a  -265 mm de columna de agua para medir los niveles de líquido de 200 a 1000 milímetros por encima de la boquilla inferior.

Tenga en cuenta que la presión estática en el recipiente no afecta a la calibración, ya que aparece en ambos lados del transmisor de presión diferencial en el que se anula eficazmente. Más análisis también revelan que la localización del transmisor de presión diferencial en diferentes elevaciones no afecta a la calibración.

Estas mismas técnicas se pueden utilizar para determinar las calibraciones para la interfaz de las mediciones de nivel. Tenga en cuenta que estas técnicas implican la aplicación de la hidráulica para la instalación y aplicación. En ninguna parte se utiliza términos tales como elevación, supresión y span. El uso de estos términos puede confundir y engañar al practicante.

¿Qué pasa si …?

¿Y si se producen cambios en la densidad del líquido durante la operación? ¿Qué pasa si el cambio es debido a los cambios en la composición del líquido? ¿Y si el cambio se debe a los cambios de temperatura? ¿Y si el recipiente se llena con un líquido diferente que tiene una gravedad específica diferente? Estas son preguntas importantes que deben plantearse (y responderse) al considerar el uso de instrumentos de medición de presión diferencial de nivel. Repitiendo, la medición de presión diferencial no significa medir el nivel de líquido -se deduce de nivel de líquido- por lo que los cambios de gravedad específica pueden afectar al rendimiento de la medición de nivel. En la práctica, la gravedad específica de muchos líquidos es conocida y relativamente estable, por lo que las técnicas de presión diferencial se aplican comúnmente a muchas aplicaciones de medición de nivel de líquido.

Especificaciones del alcance máximo de medición

El transmisor de presión diferencial se debe operar dentro de las especificaciones publicadas para mantener la precisión. El alcance máximo ( o span) de un transmisor es la diferencia entre el 100% y 0% de los valores de calibración. Los transmisores de presión diferencial tienen márgenes especificados mínimos y máximos. Por ejemplo, un transmisor de presión diferencial dado puede ser calibrado con márgenes entre (digamos) 400 mm de columna de agua y 4000 mm de columna de agua. Además, el cero del transmisor también puede ser subido o bajado por hasta, por ejemplo, 4000 mm de columna de agua. Las calibraciones que no cumplan con las especificaciones del transmisor están potencialmente sujetas a errores significativos. Las calibraciones en los ejemplos fueron de 0 a 1100, 770 a 1650, y -1145 a -265 mm de columna de agua, respectivamente. Cada una tiene un alcance máximo mayor que 400 mm de columna de agua y menos de 4000 mm de columna de agua. Además, sus ceros no suben o bajan más de 4000 mm de columna de agua. Por lo tanto, todas estas calibraciones están dentro de las especificaciones del transmisor.

Sin embargo, el alcance máximo calibrado especificado para otro modelo de transmisor de la misma fabricación puede ser de entre 100  mm  de columna de agua  y 1000 mm  de columna de agua , y permitir que el cero  sea cambiado por 1000 mm  de columna de agua . Este transmisor no sería aplicable a los ejemplos primero y tercero, donde el alcance máximo es de 1100 mm  de columna de agua , y el cero es bajado por mm  de columna de agua  1145, respectivamente. Sin embargo, podría ser utilizado en el segundo ejemplo, donde el alcance máximo es de 880 mm  de columna de agua , y el cero se eleva a 770 mm  de columna de agua . Usando este transmisor de rango inferior (1000 mm  de columna de agua ) por lo general será más preciso debido a los errores más pequeños absolutos asociados con otras especificaciones tales como la temperatura, la presión y los efectos de la temperatura ambiente. Por lo tanto, estando todos en igualdad de condiciones, es generalmente deseable usar el transmisor de rango inferior para reducir el error de medición.

La velocidad de flujo máxima de los caudalímetros se especifica a menudo para ser significativamente mayor que el caudal de diseño para permitir transitorios y un aumento del rendimiento de la planta con el tiempo. En la medición de nivel, el tamaño del recipiente es fijo, por lo que usar un transmisor de presión de rango diferencial mayor no proporciona ningún beneficio similar y típicamente resulta en un error de medición adicional que se puede evitar mediante el uso de un transmisor de rango inferior.

La utilización de la información disponible adecuada es otro problema potencial. Hace algunos años, las entradas de sistemas de control distribuidos estaban configuradas incorrectamente para corresponder a los márgenes máximos de transmisión. Aparte de usar los valores incorrectos, los niveles deberían haber sido expresados en porcentaje. Utilizando unidades de medida absolutas de nivel, como pulgadas, pies, milímetros o metros se aumenta la posibilidad de error porque los operadores deben recordar la altura de cada tanque para poner la medida de nivel en contexto con el recipiente.  Esto fácilmente puede llegar a ser abrumador y causar errores del operador, porque las plantas industriales a menudo tienen cientos de tanques. Por ejemplo, un recipiente que funciona a 2,8 metros no indica fácilmente un problema para el operador, aunque el mismo desborde a 3,0 metros. Por otro lado, el operador puede determinar fácilmente que un tanque operando a 93% de nivel podría justificar la puesta de atención y que un tanque que opere a 97% podría requerir atención inmediata.

La medición de presión diferencial es un caballo de batalla de la medición de nivel industrial que se ha utilizado durante décadas y lo seguirá siendo por las décadas para venir.

Fuente informativa relacionada:

http://www.controlglobal.com

 

 

 

 

 

 

 
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