Mejoras en la medición de nivel de presión diferencial

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Mejoras en  la medición de nivel de presión diferencial
Figura 1. La presión diferencial es el método de medición más ampliamente utilizado en las industrias químicas y petroquímicas.

 

La presión diferencial (DP según sus siglas en inglés) (figura 1) es la tecnología de medición de nivel más utilizada en las industrias químicas y petroquímicas gracias a su confiabilidad, facilidad de uso y adaptabilidad a una gran variedad de aplicaciones.

Si bien son muchas las ventajas que ofrece la medición DP en aplicaciones de nivel, aparecen también ciertos inconvenientes.

Afortunadamente, nue­vos avances en el diseño de sellos y sensores, como así también nuevas técnicas de fabricación en el llenado de sistemas de sello remoto, están extendiendo la funcionalidad de los sistemas de nivel DP a aplicaciones que antes requerían tecnologías de nivel alternativas. Estos avances también mejoran la confiabilidad de la medición de nivel DP en aplicaciones existentes, simplificando aún más su instalación.

 

Medición de nivel DP

Esta medición de nivel se ha utilizado durante décadas y por muchas razones. Los instrumentos DP son fáciles de instalar y configurar, y la tecnología se puede emplear en tanques abiertos y cerrados. Los sensores no tienen que estar dentro del tanque, de modo que las obstrucciones no son un problema, y el mantenimiento de los sensores no requiere parar el proceso.

Los instrumentos DP se pueden usar en una gran variedad de aplicaciones de medición, incluyendo nivel, caudal, monitoreo de filtros, medición de presión manométrica, etc. En consecuencia, es una tecnología muy familiar en todo el mundo y no requiere capacitación, mientras el stock de repuestos puede servir para un gran número de aplicaciones.

Los instrumentos DP se adaptan a distintas condiciones de proceso, tales como medios corrosivos, temperaturas altas o bajas, espuma, fluidos limpios o sucios, etc. Por estas y otras razones más, DP se ha convertido en la tecnología indiscutible para la medición de nivel en muchas instalaciones químicas y petroquímicas.

 

Mejoras en  la medición de nivel de presión diferencial
Figura 2. Un instrumento de medición de nivel DP consiste de dos sensores de presión – uno por encima del nivel máximo y otro en el fondo – y un transmisor que calcula el nivel.

 

Para medir nivel con DP, la presión desde las conexiones de alta presión y baja presión es enviada a un transmisor DP (figura 2). Esto se realiza normalmente a través de líneas de impulso o sellos remotos a diafragma con capilares. Ambos tipos se usan en una gran variedad de aplicaciones con sus respectivas ventajas y desventajas.

Una línea de impulso es un tubo metálico rígido que permite que el medio de proceso se contacte directamente con el cuerpo del sensor DP. Las líneas de impulso son fáciles de instalar in situ, ofrecen un tiempo rápido de respuesta a cambios de nivel, proporcionan una buena exactitud en las mediciones de nivel DP y protegen el transmisor contra las temperaturas extremas de los fluidos almacenados en el tanque.

Sin embargo, el fluido en las líneas de impulso puede causar problemas, principalmente a causa de cambios en la viscosidad cuando varían las temperaturas ambiente, lo que puede provocar inexactitud en las lecturas de presión, y, por cierto, de nivel. Si las temperaturas ambiente se tornan muy frías, el fluido puede congelarse, llevando a una pérdida total de la medición. Las líneas de impulso pueden ser aisladas y traceadas térmicamente, pero esto agrega costos y aumenta el mantenimiento requerido.

En aplicaciones con tanques cerrados, las líneas de impulso pueden usar una configuración de pata seca o de pata mojada. Estas configuraciones son susceptibles a errores de medición debido a la recolección de condensado en las patas secas o a la evaporación que provoca una pérdida de fluido en las patas mojadas. Tales aplicaciones requieren un mantenimiento regular para asegurar la confiabilidad de la medición. Además, las líneas de impulso son tubos metálicos, por lo que podría resultar difícil instalarlos en áreas confinadas, en particular cuando están aisladas.

 

Figura 3. Los sellos a diafragma remotos usan capilares para enviar presión al transmisor DP.

 

Los sellos a diafragma remotos consisten de un diafragma de sensado montado del lado del tanque, y un tubo capilar que se conecta al sensor de presión del transmisor. A diferencia de las líneas rígidas de impulso, los capilares son flexibles (figura 3) y están herméticamente sellados.

Hay disponibles una variedad de fluidos de llenado según las posibles condiciones de proceso, tales como temperaturas altas o bajas, mientras los diafragmas están disponibles en una amplia gama de materiales para abordar los distintos fluidos de proceso corrosivos. Los sellos remotos están provistos de las correspondientes conexiones de proceso y los materiales mojados adecuados para su montaje directo en el tanque.

Pero igual a lo que ocurre con las líneas de impulso, los fluidos de llenado están susceptibles a fluctuaciones de temperatura en función de la longitud y el diámetro del capilar y del tipo de fluido de llenado, lo que puede llevar a importantes errores de medición. Los sistemas de sello remoto normalmente tienen tiempos de respuesta más lentos que las líneas de impulso.

Los diafragmas de mayor tamaño, que tienen mejor sensibilidad y exactitud, pueden significar mayores costos, en especial cuando se requieren materiales exóticos, tales como Hastelloy o tantalio, o mayores especificaciones de brida.

Los sistemas de sello remoto tienen mayores costos de almacenamiento ya que son sistemas totalmente soldados, lo que reduce la flexibilidad de almacenar ítems que sirven para distintas aplicaciones, como sí ocurre con las líneas de impulso.

Utilizando líneas de impulso y sistemas de sello remoto de manera intercambiable de acuerdo a los requerimientos y condiciones específicos del proceso, los usuarios podrán emplear la medición de nivel DP en muchas aplicaciones de una instalación.

Sin embargo, las desventajas de usar líneas de impulso o sistemas de sello remoto pueden llevar a un cierto número de problemas, pequeño pero no despreciable.

En muchos casos, estos inconvenientes son tolerados por no haber una tecnología de medición de nivel alternativa aceptable.

Los transmisores DP ofrecen mediciones extremadamente exactas y estables en una gran variedad de condiciones de proceso, pero dependen de los sensores. Nuevos desarrollos en tecnología y técnicas de producción están mejorando el sensado; estos avances incluyen diafragmas de flexión asimétrica, que mejoran el tiempo de respuesta y reducen los efectos de la temperatura; fluidos de llenado específicos a la aplicación, que mejoran la prestación; y medición DP electrónica, que elimina los problemas que ocurren con líneas de impulso y sistemas de sello remoto.

 

Diafragmas de flexión asimétrica

Muchos de los inconvenientes que se dan en las mediciones DP tienen que ver con el sello remoto, específicamente errores relacionados con temperatura y tiempo de respuesta.

Los sellos a diafragma estándar flexionan simétricamente, o sea que, en el momento en que se aplica presión, el diagrama flexiona de la misma manera en todas las direcciones alrededor del punto central. Los sellos a diafragma están diseñados para minimizar el volumen de fluido de llenado (para reducir los efectos de la temperatura de proceso y ambiente) y el espesor del sello a diafragma (para lograr una mayor sensibilidad). Los fabricantes de sellos constantemente buscan reducir el volumen de fluido de llenado y el espesor del diafragma en pos de mejorar la prestación sin comprometer la integridad del sello.

Los diafragmas de flexión simétrica están propensos a errores de medición y tiempos de respuesta más lentos en caso de cambios en la temperatura de proceso y ambiente.

 

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Figura 4. Un diafragma de sello remoto simétrico flexiona igual en todas las direcciones, mientras un diafragma asimétrico lo hace en direcciones opuestas.

 

Algunos fabricantes de sistemas de sello a diafragma han comenzado a usar sellos que flexionan asimétricamente en direcciones opuestas alrededor del punto central (figura 4). Es un sello a diafragma que flexiona de manera predecible con una buena repetibilidad, mientras usa menos fluido de llenado, lo que se traduce en sellos a diagrama de mayor espesor con una mayor durabilidad y mantienen la sensibilidad en distintos rangos.

 

Mejoras en  la medición de nivel de presión diferencial
Figura 5. Los cambios de temperatura afectan la exactitud de los sistemas de sello remoto en función de los distintos tamaños de brida. Las barra en rojo muestran los errores con sellos a diafragma simétrico convencional, mientras las barras en verde muestra el efecto menor del diafragma asimétrico TempC de Endress+Hauser.

 

Productos como la membrana TempC de Endress+Hauser tienen un perfil de sello que le permite flexionar asimétricamente. El resultado es un sello a diafragma que se destaca por una mayor sensibilidad y menores errores de medición relacionados con la temperatura respecto de membranas de flexión simétrica (figura 5).

Los diafragmas asimétricos suelen brindar una mejor exactitud y estabilidad en sellos a diafragma de menor tamaño que los diafragmas de flexión simétrica estándar. Como resultado, el uso de sellos asimétricos implica menores tamaños de brida para las conexiones de proceso. En la implementación de grandes proyectos que requieren muchas mediciones de nivel DP, cada una con especificaciones de grandes bridas y/o materiales exóticos, esto se traduce en importantes ahorros de costo. Además, menores tamaños de brida ahorran costos gracias a válvulas de aislación y otros accesorios asociados de menor tamaño.

 

Sistemas de llenado específicos a la aplicación

Los sellos a diafragma  se llenan con una cantidad mínimo de líquido de llenado para lograr el mejor tiempo de respuesta posible y sensibilidad a cambios de presión. En los procesos de llenado estándar, el mismo sello se limpia cuidadosamente y se lo expone a vacío durante un cierto tiempo para sacar todo el gas antes de que se realice el llenado. Este es un aspecto crítico del proceso, ya que la presencia de una pequeña cantidad de gas residual en un sistema de sello a diafragma hace que la medición de presión se vuelva inestable e inexacta.

Previo al llenado, el fluido de llenado es tratado para reducir su viscosidad y garantizar un buen llenado. Una vez completado el proceso y el capilar soldado al transmisor, se procede a calibrar el instrumento de presión de acuerdo a los requerimientos del cliente.

Este proceso de llenado del sello a diafragma es prácticamente igual en todo el mundo, pero es necesario tener en cuenta los efectos de las condiciones de proceso específicas al proceso, que pueden afectar adversamente la medición.

Recientemente han aparecido nuevos métodos de llenado para resolver este problema. El llenado del fluido en condiciones de alto vacío es todavía más o menos igual que en los procedimientos estándar; pero ahora, la cantidad de fluido de llenado queda predeterminada por el sistema de sello. En el momento de realizar el llenado, se mide la cantidad de fluido ingresado en el sistema de sello a diafragma para garantizar que el dispositivo se ha llenado por completo.

El siguiente paso en este proceso de llenado es determinar la posición de la membrana de medición. La posición se adapta a la aplicación del cliente, al tipo de fluido de llenado requerido y al material de la propia membrana. Si el sello se encontrará expuesto a una temperatura de trabajo de 300°C, la cantidad de fluido y la posición de la membrana se corrigen de modo que la membrana esté en la mejor posición posible en esas condiciones de proceso específicas.

La nueva forma de producir instrumentos de presión DP con sellos a diafragma y capilares les brinda a los usuarios una mayor exactitud y una información de proceso más confiable en condiciones difíciles.

 

Medición de nivel DP electrónica

Según lo mencionado anteriormente, las principales limitaciones a la hora de implementar un sistema de medición de nivel DP no tienen nada que ver con el transmisor. Los mayores problemas surgen de las líneas de impulso o sello remoto y los capilares.

Las líneas de impulso están susceptibles a taponamiento, fugas y heladas, todo lo cual afecta negativamente la medición. Por su parte, los sistemas de sello remoto también están propensos a grandes errores de medición debido a variaciones de temperatura ambiente o de proceso.

Hasta hace poco, las únicas soluciones utilizaban líneas de impulso o capilares de menor diámetro, lo que afecta adversamente el tiempo de respuesta, o incorporaban sistemas costosos de aislación o traceado térmico. Hoy en día, muchos de estos inconvenientes pueden ser evitados instalando transmisores DP electrónicos.

En lugar de transmitir presión desde las conexiones de alta presión y baja presión a través de líneas de impulso o sello remoto/capilares, los transmisores DP electrónicos miden nivel con dos sensores de presión montados en la parte superior e inferior del tanque, donde uno de los sensores está siempre por debajo del nivel mínimo del fluido de proceso y el otro siempre por encima del nivel máximo del fluido de proceso. Cada sensor mide de manera independiente la presión manométrica o absoluta, y luego envía las señales de vuelta a un transmisor DP electrónicamente.

Los sensores van montados directamente en el tanque, mientras el cableado de señal conecta los sensores al transmisor, eliminando la necesidad de líneas de impulso o capilares (figura 6).

Sin líneas de impulso o tubos capilares, el transmisor DP electrónico elimina los inconvenientes relacionados con accesorios que pierden, taponamiento, heladas y tiempos de respuesta lentos.

Las ventajas incluyen menos mantenimiento, reducidos efectos de temperatura o ninguno, y tiempos de respuesta rápidos y estables.

Los sistemas DP electrónicos son modulares, lo que permite reemplazar individualmente los componentes según necesidad.

Un sistema DP electrónico puede ser reconvertido fácilmente utilizando las mismas conexiones de proceso, montaje y cableado implementados en el sistema de nivel DP existente. El sistema se conecta al mismo punto de entrada del sistema de control, con el mismo escalado que el sistema de nivel DP a ser reemplazado.

Utilizando sistemas de nivel DP electrónicos, los usuarios finales todavía conservan las ventajas de una medición de nivel DP, mientras quedan eliminadas muchas de las desventajas que limitan sus aplicaciones.

 

Resumen

Si bien hay muchas tecnologías de medición de nivel, DP es la medición de uso más común en instalaciones químicas y petroquímicas. La medición de nivel DP puede estar propensa a una gran variedad de inconvenientes, tales como taponamiento en líneas de impulso o derivas relacionadas con la temperatura en sellos remotos y capilares.

Afortunadamente, han aparecido nuevas tecnologías, tales como diafragmas de flexión asimétrica, técnicas de llenado específicas a la aplicación y transmisores de presión diferencial electrónicos, que mejoran las aplicaciones existentes de medición de nivel DP y abren nuevas oportunidades de aplicación allí donde antes DP no podía cumplir con la tarea.

 

Preparado en base a una presentación de Ehren Kiker, gerente de producto en Endress+Hauser.

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