Teoria y Practica de Medicion de Nivel

Teoría y práctic a Ja medición de nivele s Wim van de Kamp

People for Process Automation

Teoría y práctica de medición de nivele s

Wim vañ de Kamp

1 a edición 1986 2 a edición 1986 3 a edición 1987 4 a edición 1988 5 a edición 1988 6 a edición 1989 7 a edición 1990 8 a edición 1990 9 a edición 1992 10 a edición 1993 11 a edición 1994 12 a edición 1995 13 a edición 1996 14 a edición 1996 15 a edición 1997 16 a edición 2001 17 a edición 2001 18 a editión 2002 19 a editión 2005

, 3000 ejemplares (NL) 2000 ejemplares (NL) 2000 ejemplares (NL) 5000 ejemplares (ENG) 1000 ejemplares (NL) 2000 ejemplares (DK) 4000 ejemplares (NL) 13000 ejemplares (D) 2000 ejemplares (NL) 3000 ejemplares (ENG) 4500 ejemplares (F) 3000 ejemplares (ENG) 10000 ejemplares (Chin ) 2000 ejemplares (NL) 5600 ejemplares (D) 14000 ejemplares (ENG) 2000 ejemplares (ESP) 1000 ejemplares (1) 4000 ejemplares (ESP )

Todos los derechos reservados por el autor . La reproducción parcial será generalmente autorizada previo permiso escrito . Para comentarios y/o recomendaciones dirigirse a Endress+Hauser S .A. Constitució 3 08960 Sant Just Desvern España E-mail : info@es .endress .com http//www.es .endress .com

Teoría y práctica d e medición de nivele s

Wim van de Kamp

Prefacio La .necesidad de un libro como éste que explique los aspectos teóricos y práctico s de la medición de niveles ha surgido debido, en parte, al aumento en la demand a de un conocimiento más profundo de la teoría y principios de la instrumentació n de procesos, y en parte, como consecuencia directa de la creciente sofisticación d e los instrumentos electrónicos . El capítulo introductorio describe la terminología y los símbolos que se van a emplear en este libro, en que se incluyen los sistemas d e medición de niveles electrónicos y electromecánicos más comunes . E l funcionamiento de cada sistema se describe con detalle, con aplicaciones de éste y, cuando se cree oportuno, procedimientos de calibración. Por desgracia, no e s posible cubrir exhaustivamente la amplia variedad de equipos disponibles y d e aplicaciones relevantes, puesto que ello dependerá de la función específica que s e requiera y de los datos que se procesen, que habrán de ser determinado s conjuntamente por el distribuidor y el usuario del equipo en cuestión . La intenció n de esta obra es más proporcionar una descripción de los diversos sistema s mediante una aproximación informativa y práctica, que ofrecer un tratamient o teórico de la materia .

Texto y composición

Compaginación e impresión Revisión

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: Wim van de Kamp Director de formación en sistem a de medición de niveles Endress+Hauser S .L . Naarden, Países Bajo s : De Toekoms t Hilversum Países Bajos : Oliver Reher Product manager de nivel, Endress+Hauser Españ a Rosa Manzano , Endress+Hauser, España

En esta decimoséptima edición se han actualizado muchos de los diagramas y fotografias y se han incluido nuevas fotografias de aplicaciones . El capítulo 9 ("Medición de niveles por microondas ;) se amplía con la medición del nivel d e microondas en sólidos . En el capítulo 6 ("Detección y medición electromecánic a de niveles") se añaden indicadores de nivel de flotador/muelle e indicadores d e nivel servodirigidos. Los capítulos "Accesorios" e "Instrumentos inteligentes d e medición de niveles" desaparecen por razones de espacio y por el hecho de qu e para estas materias hay otras fuentes' de información disponibles en los centros d e venta de Endress+Hauser. Elcapítulo 11 ("Aspectos sobre la seguridad en l a medición de niveles") cambia respecto a ATEX ("ATmosphere EXplosive", o "Materiales volátiles") y SIL ("Safety Integrity Level", o "Nivel de integridad en l a seguridad") . La decimoséptima versión española es idéntica a

la decimosexta

versión inglesa .

19a Edición, Naarden, Mayo 2005

5

Índice de contenidos págin a

página Capítulo 1 Terminología, principios básicos de medición y símbolos 1 .1 Alarma 1 .2 Control 1 .3 Indicaciones 1 .4 Métodos de medición 1 .5 Símbolos Capítulo 2 Detección de niveles por conductividad 2.1 Detección de los límites de nivel máximo o mínimo 2.2 Control en dos puntos 2 .3 Aplicaciones, modelos y calibraciones

8 9 10 11 13 30 35 35 37 39

Capítulo 3 Detección y medición de niveles por capacidad 3.1 Detección de nivel por capacidad 3.2 Indicación de nivel por capacidad 3.3 Cálculo 3.4 Valores prácticos típicos 3.5 Efectos de la frecuencia y la conductividad 5.6 Medición de nivel de interfase 3.7 Aplicaciones, modelos y calibrado

43

Ca p ítulo 4 Sondas para la detección y medición de niveles por conductividad y por capacidad 4.1 Sondas de conductividad 4.2 Sondas capacitivas 4.3 Consejos para el montaje de sondas capacitivas

69

Capítulo 5 Detección de niveles por horquillas vibrantes 5.1 Detección de niveles por horquillas vibrantes en líquidos 5.2 Detección de niveles por horquillas vibrantes en sólidos

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46 47 48 51 56 60 61

70 71 77

79 84

Capítulo 6 Detección y medición de niveles por métodos electromecánico s 6.1 Interruptores de nivel de paleta rotativa para áridos 6.2 Sistemas electromecánicos de pesa de plomada para áridos 6.3 Control de tanques de almacenamiento

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89 91 94

Capítulo 7 Medición de nivel por presión hidrostátic a

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Capítulo 8 Detección y medición de niveles por ultrasonido s 8.1 Detección de niveles por ultrasonidos 8.2 Medición de niveles por ultrasonidos (tiempo de retorno de la señal) 8.3 Aplicaciones, modelos y calibración

11 9

Capítulo 9 Medición de niveles por microonda s 9 .1 Medición de niveles por microondas en líquidos 9 .2 Medición de niveles por microondas en sólidos

139

Capítulo 10 Medición y detección radiométrica de nivele s 10.1 Definiciones y unidades de medida 10.2 Los componentes de un sistema de medición de niveles-nuclear 10.3 Cálculo de la actividad de la fuente 10.4 Montaje y ejemplos prácticos 10.5 Medición de densidades 10.6 Aspectos sobre seguridad y licencias -

157

Capítulo 11 Aspectos de seguridad en la medición de nivele s 11 .1 Normas y estándares oficiales 11 .2 Máximo y mínimo en la seguridad ante fallos 11 .3 Seguridad contra explosiones 11 .4 Autoseguimiento de la seguridad 11 .5 Nivel de integridad de seguridad (SIL)

17 1

Más información

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11 9 123 135

139 151

159 160 166 166 168 170

17 1 177 179 19 1 193

1 .0

Terminología , principios de medición y símbolos

Como en cada rama de la ciencia y la ingeniería, la ingeniería de medición y control también tiene su propia terminología específica . Por desgracia, al contrario de lo que sucede en la construcción, el ámbito económico o la aeronáutica, para la medición y el control no existe una terminología universal e de uso común . La razón principal de ello es que el concepto de ingeniería de medición y contro l abarca una área extremadamente amplia, desde el simple interruptor de flotador a l microprocesador. Además, a menudo, la terminología empleada es específica d e una rama industrial determinada.

El concepto general `medición de nivel' se puede dividir eh los términos siguientes : 1) Alarma o detecció n 2) Contro l 3) Indicació n

1 .1 Alarma El mejor modo de describir una alarma o detección es como una señal que avis a de que se ha detectado el valor límite, es decir, que en el proceso se ha sobrepasad o una cantidad predeterminada, como puede ser un nivel o un valor de la presión, o que ésta no se ha alcanzado (véase la fig . 1 .2) .

La ingeniería de medición y control se puede definir como el empleo d e instrumentos para la detección, el procesamiento de datos y la corrección de lo s datos procesados (véase la fig . 1 .1) .

fig. 1 . 2

fig. 1 . 1 En esta obra se trata únicamente la indicación y detección de datos de proces o mediante sensores de nivel y transmisores de nivel . El equipo para e l procesamiento de datos con PLC u ordenadores y la corrección de datos mediant e el control de válvulas o bombas no están incluidos, pero éstos sólo están a l a disposición de compañías altamente especializadas .

8

A menudo, la salida o procesamiento de una alarma de nivel o, en término s prácticos, un interruptor de nivel, es una salida de relé o una salida PNP. Actualmente también existen salidas NAMUR, de frecuencia y de 8 o 16 mA. Así pues, la alarma sólo puede tener dos posiciones, activada (conectado) y desactivada (desconectado) (l-o 0 para interruptor cubierto o descubierto) .

9

1.2 Contro l En el caso más simple, un dispositivo de control es una alarma con una gra n histéresis de conmutación. Esto significa que a partir de la medición de un ciert o valor empieza un proceso y, por la histéresis de conmutación, termina cuando s e mide un segundo valor (véase la fig . 1 .3) .

fig. 1 . 4 Sin embargo, la mayoría de dispositivos de control se pueden configurar sólo a l cabo de un tiempo de detección continua, véase la fig . 1 .5. Esto significa qu e primero se lleva a cabo una medición en todo el fondo de escala 0 .. .100% = 0-5V, 0-20 o 4-20 mA . Una vez efectuada esta medición, se emplean equipos externos para formar una función de control mediante esta señal de salida para el nivel. Tales funciones de los dispositivos de control, PLC u ordenadores disponen d e entradas de señal continuas y se pueden emplear con cualquier sensor que teng a una señal de salida compatible.

1 .3 Indicacione s

fig. 1 . 3 Los métodos de control como-los qué sédescrib ri arriba no suelen ser fiable s excepto en aquellos instrumentos que se han diseñado específicamente para qu e tengan una histéresis de conmutación ajustable . A menudo, los puntos de activación y desactivación están demasiado próximos, y ello produce una forma d e control ultrasensible . Otro tipo de control es un interruptor de nivel de sondas gemelas, como po r ejemplo, los interruptores de conductividad, en que mediante un contacto d e conmutación con una diferencia de conmutación determinada por la distanci a entre las dos sondas, se controlan dos puntos a la vez . De este modo, se fija el rango de señal y sólo se puede cambiar si se aumenta o disminuye la distancia relativa de las sondas (véase la fig . 1 .4) .

10

Una indicación es la determinación exacta del valor de una cantidad en cualquie r momento del proceso. Evidentemente, sólo se pueden obtener mediciones dentro del rango del instrumento relevante . Aparte de los sistemas de indicación directa , la mayoría de los cuales funciona por medios mecánicos, todos los sistemas d e medición tienen una salida analógica de 0-20 o 4-20 mA (véase la fig. 1 .5) . Sin embargo, los indicadores de nivel más modernos orientados a bus (es decir, PROFIBUS o Fieldbus Foundation) sólo tienen salida digital de señal .

11

1 .4 Métodos de medición

FM C 1

• 100%

indicación

0 - 100 %

Apenas existe algún efecto fisico que no se emplee como base para un método d e medición de niveles . De modo que se dispone de una amplia gama de técnicas d e medición y, por ello, no siempre resulta fácil para el usuario seleccionar el métod o de obtención de lecturas de nivel que se adapte mejor a sus requerimiento s específicos . Antes de la llegada de la tecnología de semiconductores, la mayoría de los método s se basaban en principios mecánicos y/o neumáticos . Actualmente, los métodos de medición más comunes son los siguientes :

0-20mA registr o 4-20mA

control

Rl

—o

0%

m fig. 1.5

1 . Método de la mirilla de nivel (fig . 1.6 ) Se puede obtener una indicación visual del nivel en líquidos razonablement e limpios si parte del tanque o contenedor está fabricado con algún materia l transparente . Si se monta una mirilla de nivel en una tubería de derivación co h llaves de paso en cada extremo para aislarla del tanque principal, esta mirilla d e nivel se puede retirar para ser limpiada, etc . Hoy en día apenas quedan ejemplos de este tipo de niveles en procesos industriales . Ventajas : sencillo y relativamente barato . Inconvenientes poco apropiado para procesos industriales y no permite l a retransmisión de la información .

La señal de salida 4-20 mA se origina en el campo de control neumático, en que s e emplean salidas de señal de 3-15 psi (20-100 kPa) . De este modo, la señal d e salida ya tiene asignado un cierto valor para el valor de medición cero . La gran ventaja de este valor 'vivo' para el cero es que se puede controlar fácilmente e l funcionamiento correcto del sistema . Los instrumentos de control sólo pueden hacer mediciones dentro de un rang o específico. Se puede poner un control de ganancia variable para disminuir la gam a de intensidades empleada para el fondo de escala de 0-20 o 4-20 mA, y a menud o la gama de intensidades se puede desplazar por todo el campo de medida. Además de la salida disponible para los ' indicadores, los históricos de datos (registrador) y los dispositivos de control, los instrumentos Endress + Hause r también poseen una salida a 0-10V. Esta salida se puede emplear para otro s propósitos que incluyen uno o más controladores de límite .

fig. 1. 6

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2. Método de la barra calibrada (fig. 1 .7) Este es un método manual muy simple igualmente aplicable a líquidos y a sólido s granulados . En silos muy altos se emplean flejes de acero con un contrapeso en s u extremo. La aplicación más familiar de una barra calibrada es la varilla empleada para comprobar el nivel de aceite en un motor de automóvil . Ventajas : sencillo y de bajo coste . Inconvenientes : no se puede usar en procesos industriales, (no dispone de salid a electrónica), requiere el empleo de escaleras y no es apropiado para muchos tipos de aplicaciones, como los recipientes a alt a presión.

fig. 1.7

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3. Interruptor de flotador (fig. 1 .8) . El interruptor de nivel más conocido y simple consiste en un cuerpo flotant e (flotador) montado sobre un brazo móvil y acoplado magnéticamente a u n microinterruptor (externo al proceso) . También hay versiones que consisten en un flotador redondo con un pequeño imán que sube a lo largo de un tubo . En el tub o hay uno o varios relés de láminas . Los relés de láminas harán conmutar el relé a medida que el flotador (imán) pase . Ventajas

: relativamente sencillo, adecuado para muchos productos y d e bajo coste . Inconvenientes : requiere un cierto montaje, punto de conmutación no reproducible, mal funcionamiento en caso de adherencias y n o es a prueba de fallos .

fig. 1. 8

4. Método de flotador/cuerda (fig. 1 .9) La forma más simple de un sistema de flotador para medición de niveles consist e en un flotador, un cable fino, dos agarres y un peso suspendido en la parte exterior del tanque abierto. En la parte exterior del tanque se coloca una escala graduada y la posición del peso a lo largo de la escala indica el nivel del contenido del tanque . Este dispositivo no suele ser adecuado para aplicaciones en proceso . Por las características en cuanto a su montaje en tanques sellados, lectura y precisión, lo s sistemas industriales habituales que emplean el sistema de (servo)flotador son buenos ejemplos de ingeniería mecánica y electrónica que los convierte en lo s sistemas de medición de nivel más precisos para aplicaciones como tanques d e almacenamiento muy grandes . Véanse los detalles en el capítulo 6 . Ventajas

: relativamente sencillos, adecuados para diversos productos y muy precisos. Inconvenientes : requiere cierta cantidad de equipamiento mecánico .

5. Método por desplazamiento (fig. 1.10) El método por desplazamiento de un cuerpo se basa en la diferencia entre el pes o del cuerpo y la fuerza de flotación hacia arriba que el medio ejerce sobre el cuerp o de desplazamiento . La fuerza de flotación hacia arriba depende del volumen de l cuerpo de desplazamiento, la densidad relativa y el nivel del medio . Obviamente, para que el cuerpo se desplace, debe ser más pesado que el medio. La fuerza diferencial se transmite frecuentemente a un transductor de medición por un sistema de barra de torsión de modo que el equipo se mantenga sellado . E l transductor empleado en el método por desplazamiento de un cuerpo es u n transductor de desplazamiento eléctrico o transductor de fuerza con una salida d e 4-20 mA . A mentido, el cuerpo de desplazamiento se monta en un tubo d e derivación, de modo que la calibración y control resultan ser independientes de l proceso implicado. Además, el nivel del producto es más estable en el tubo de derivación, y se consigue que la medición no resulte supersensitiva. : precisió n Ventajas Inconvenientes : depende de la densidad relativa y requiere una cantida d importante de equipamiento mecánico .

fig. 1 .1 0

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6. Método por burbujeo (fig . 1 .11) En este método se mide la presión hidrostática en un tanque insertando un tub o delgado en el líquido y aplicando aire comprimido en el tubo de modo que s e empuja hacia abajo la columna de líquido del tubo hasta que salgan burbujas d e aire del líquido . Estas burbujas dan su nombre al método . La presión del aire en e l tubo es entonces igual a la presión de la columna de líquido y se puede medir co n un transmisor de presión, que convierte la presión en una señal eléctrica (véase e l capítulo 7) . El aire comprimido se puede obtener a partir del conducto principa l de aire mediante una válvula manoreductora o con un minicompresor. Ventajas : montaje sencillo, adecuado para sustancias corrosivas . Inconvenientes : requiere líneas de aire y consumo de aire, peligro d e acumulación del medio en el tubo y no adecuado para uso en recipientes presurizados.

7. Método de la presión hidrostática (fig . 1 .12) En este método, la presión hidrostática de la columna de líquido se mid e directamente con un transmisor de presión o de presión diferencial . En este caso, los transmisores se montan en la parte más baja posible del tanque . Los transmisores de presión diferencial (OP) son necesarios en recipiente s presurizados, de modo que a un lado de la membrana del transmisor la presió n ejercida sea la presión de la columna de líquido y la sobrepresión del líquido , mientras que la presión al otro lado de la membrana sólo es la sobrepresión, con l o cual, la diferencia es la presión que ejerce la columna de líquido . Para eliminar l a necesidad de tubos de igualación de presiones y los riesgos de fugas y formación d e condensación asociados, se pueden emplear también dos transmisores electrónico s de presión que midan la presión diferencial de modo que una señal de medición s e reste a la otra en el amplificador . Véanse los detalles en el capítulo 7 . : montaje sencillo, fácil de ajustar y precisión razonable . Ventajas Inconvenientes : dependiente de la densidad relativa y relativamente costoso par a mediciones de presión diferencial .

fig.

1 .11

fig.

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1 .1 2

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8. Método de pesaje (fig. 1 .13) Este método indirecto de medición de nivel es adecuado para líquidos y áridos, y consiste en montar en el tanque entero o el silo las llamadas células de carga . Lo s transductores de peso se basan mayoritariamente en el principio del electroelongámetro. Pero en este caso no se mide el nivel, sino el peso . Por razone s de seguridad, siempre debe haber un interruptor de "nivel alto" independiente . Ventajas

: puede proporcionar una medición de nivel muy precisa par a productos con densidad relativa constante; más que el nivel , mide el peso. Inconvenientes : requiere una gran cantidad de equipamiento mecánico y es muy caro .

9 . Método de horquillas vibrantes (fig . 1 .14) Este método sólo es adecuado para interruptores de nivel y consiste en un a horquilla oscilante o giratoria preparada para que oscile en aire . Si la horquilla s e recubre de producto, la frecuencia de resonancia se reduce o se amortigu a completamente . Esta variación de la frecuencia se detecta y se transmite por un a señal de salida . El tipo de horquilla empleada y su frecuencia de resonanci a dependerán del producto que se quiera medir . Para áridos granulados o pulverizados se emplea un diapasón (120 Hz), y para líquidos y lodos se usa un a horquilla oscilante (1000 Hz) . Véanse los detalles en el capítulo 5 . : aplicación universal, no se requiere ajuste . Montaje sencillo, funcionamiento seguro y relativamente barato . Inconvenientes : no adecuado para tamaños de grano o de partículas e n suspensión en líquidos de más de 10 mm, puesto que lo s gránulos pueden quedar atrapados entre las horquillas . Ventajas

fig. 1.13

fig. 1.1 4

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10 . Método de supresión de la rotación (fig. 1.15) En este tipo de interruptor de nivel, un motor eléctrico hace girar una pequeña paleta mediante un dispositivo de embrague . Cuando el producto cubre la paleta, el par del motor activa un microinterruptor que emite una señal de nivel . Este tip o de interruptores de nivel, a menudo denominados interruptores de paleta rotativa, sólo es adecuado para áridos. Véanse los detalles en el capítulo 6 . Ventajas : sencillo, bajo coste, no requiere ajuste . Inconvenientes : sujeto a desgaste, no adecuado para productos demasiado ligeros o demasiado densos.

11 . Sistema de medición por plomada (fig . 1 .16) Desde la parte superior del silo un tambor impulsado por un motor eléctrico hac e descender un fleje sonda lastrado por un peso en su extremo . Una rueda de medición e interruptores de proximidad generan un pulso por cada decímetro de descenso libre de la pesa del sensor. Cuando la pesa toca el producto, el fleje s e destensa, y el motor invierte su sentido de rotación y devuelve la pesa a su posició n de reposo . El número de pulsos medido durante el descenso se resta de la altura total del silo mediante un contador previamente puesto a cero . La diferencia es el nivel en decímetros (pies o décimas de pies) . Los pulsos también ' se puede n transmitir a un convertidor digital/analógico que proporcione una señal de salid a de 0-20 o 4-20 mA. Véanse los detalles en el capítulo 6 . Ventajas

: adecuado para silos muy altos de más de 30 m, precisió n razonable y adecuado para diversos productos . Inconvenientes : da mediciones discretas y requiere mantenimiento .

fig.

1 .15

fig.

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1 .1 6

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12. Detección de nivel por conductividad (fig. 1 .17) Este método sólo es adecuado para detección de nivel en líquidos conductivos . S e mide la diferencia de conductividad en un electrodo parcialmente aislado cuand o la sonda está cubierta por el producto conductivo, y cuando no lo está . La pare d metálica del tanque se puede emplear como el segundo electrodo o, si esto n o resulta, se debe introducir otro electrodo en el tanque . Véanse los detalles en el capítulo 2 . : sencillo, bajo coste y también adecuado para control en do s puntos . Inconvenientes : se debe evitar que la sonda se ensucie de grasa u otros materiale s de deposición, y está restringido a productos de conductivida d variable .

Ventajas

fig.

13. Medición de nivel por capacidad (fig . 1 .18) Una sonda metálica (y aislada) y la pared misma del tanque o silo actúan como la s dos placas de un condensador . La capacidad de este condensador depende de l medio que haya entre la sonda y la pared. Si sólo hay aire, es decir, si el tanque o silo está vacío, la capacidad del conductor es baja . Cuando parte de la sonda est é cubierta por el producto, la capacidad se incrementará . El cambio en la capacida d se convierte mediante un amplificador en una acción de relé o en una señal d e salida analógica . Por ello, este método es igualmente adecuado como indicador d e nivel y como interruptor de nivel . También se puede emplear para medir la altur a de la capa de separación entre dos productos (interface) . Véanse los detalles en el capítulo 3 . : para líquidos y sólidos, no tiene partes móviles y es adecuad o para medios altamente corrosivos. Inconvenientes : su aplicación está limitada a productos con propiedade s eléctricas variables . Ventajas

1 .17

fig.

24

1 .1 8

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14. Método del tiempo de retorno de los ultrasonidos (fig . 1 .19 ) El método de reflexión del sonido se basa en el tiempo de retorno de un pulso d e sonido emitido por un sensor . El pulso ultrasónico emitido se refleja en l a superficie del producto y el mismo sensor vuelve a detectarlo (después del tiemp o de retorno) . El tiempo de retorno de la señal es una medida de la altura de l a sección vacía del tanque . Si a esta distancia se le resta la altura total del tanque, s e obtiene el nivel del producto . El tiempo de retorno se convierte en una señal d e salida analógica . Véanse los detalles en el capítulo 8 . : no hay contacto con el producto y es adecuado para diversos líquidos y materiales granulados . Inconvenientes : el producto no debe producir demasiada espuma en l a superficie . El método no es adecuado a altas presiones ni alta s temperaturas, y no es aplicable en condiciones de vacío . Ventajas

15 . Método del tiempo de retorno de las microondas (fig . 1 .20 y 1 .21 ) El método de reflexión de las microondas se basa en el tiempo de retorno de u n pulso de microondas emitido por un sensor . Las microondas (onda de radar) s e reflejan por la diferencia de impedancia entre el aire y el producto y el mism o sensor vuelve a detectarla. El tiempo de retorno de la señal es una medida de l a altura de la sección vacía del tanque . Si a esta distancia se le resta la altura total de l tanque, se obtiene el nivel del producto . El tiempo de retorno se convierte en un a señal de salida analógica . Véanse los detalles en el capítulo 8 . Para los sólidos, el pulso de radar va guiado por un cable que cuelga en el silo . Este método en sólido se conoce también con el nombre TDR (Time Domai n Reflectometry, o " Reflectometría de dominio temporal") . Véanse los detalles en el capítulo 9 . Ventajas

: en líquidos no hay contacto con el producto y es adecuado par a varios productos . Montaje fácil . Adecuado para presiones y temperaturas altas (versión para líquidos) . Inconvenientes : el producto debe poseer una constante dieléctrica mínim a determinada .

fig. 1 .1 9

fig. 1 .20 y 1 .2 1

26

27

16 . Método por absorción de radiación gamma (fig. 1.22 y 1 .23) Este método se emplea como indicador de nivel y como detector de nivel y sólo s e usa si las condiciones son muy extremas, es decir, altas presiones, temperatura s altas, productos abrasivos, tóxicos, corrosivos o pegajosos . Esto es as í principalmente porque la radiación gamma no requiere equipo dentro del tanque o reactor, puesto que penetra fácilmente las paredes del tanque (véase el capítul o 10) . El método se basa en el hecho de que la radiación electromagnética que emit e una fuente de rayos gamma alcanza el detector sin impedimentos cuando el tanqu e o silo está vacío, pero es absorbida en mayor grado cuanto más lleno esté el tanqu e o silo. Véanse los detalles en el capítulo 10 . Ventajas

: adecuado para todos los productos y su montaje no caus a ningún tipo de obstrucción . Los sistemas de medición de nive l por rayos gamma ni siquiera requieren modificaciones en el tanque . No hay contacto con el producto . Adecuado para altas presiones y altas temperaturas . Inconvenientes : se requieren. medidas especiales de seguridad y es caro .

tio -r1 .1, pE

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1 .22 y 1 .23 c7 c7

c7 c7 C7

c7

C7 c7 C7 c7 c7

c7

Doce de los diecisiete métodos de los que se habló antes se describen con má s detalle en esta obra. La regla calibrada, la barra calibrada, los interruptores de flotador, el método por desplazamiento y el método de pesaje no se explica n extensamente . -En-la-fig.--L24 se-da-un-resumen en forma-de-tabla de los principios mencionado s y la conveniencia de cada uno según la función deseada, las propiedades de l producto y las condiciones del proceso . o

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29

1 .5

Símbolo s

El conocimiento de los símbolos empleados es esencial para una comunicació n significativa y para la realización de diagramas de flujo de procesos . El símbolo básico empleado para indicar un instrumento es un círculo. La función de l instrumento se indica mediante dos o tres letras situadas dentro del círculo . A menudo en los diagramas se añaden dos cifras al código de letras general par a indicar la posición del equipo y el número de serie del instrumento . La primera letra del símbolo indica los parámetros de medición, como sigue : Código F L P Q R S T U W X

Un símbolo representa sólo un parámetro, pero puede tener más de una funció n de conversión, por lo cual se pueden añadir una tercera y cuarta letras . Ejemplos (fig . 1 .25) : Medición de la cantidad de caudal con Indicación y Registr o FqIR Alarma de nivel alt o HLA Alarma de nivel baj o LLA Transmisor de temperatur a TT Control de temperatura con Indicación TIC Medición de presión diferencial con Indicación PdI

Parámetro Cauda l Nive l Presió n Calidad Radiación Velocidad Temperatura Desplazamiento mecánico o tamaño Pes o Otros parámetro s

F gIR

Y

(0lin""ii\_ HLA

TT

o

La segunda letra indica la función de conversión, como sigue: Código Función de conversió n I Indicar R Registrar C Controlar T Transmitir S Sumar X Convertir a otras funciones A Alarma Si se requiere indicar otra función de medición, se puede añadir una letr a minúscula de las siguientes : d = diferenci a --r-= cociente q = cantidad

30

PD I

TT

fig. 1 .25

A menudo los símbolos van precedidos de la letra H, de "High" (Alto), o la L, de "Low" (Bajo), y también pueden ir seguidos de las letras SD, de "Shut Down " ("Paro") . Cuando un instrumento o parte de su función se localiza en una sala de control, se indica subrayando las letras dentro del círculo . El símbolo básico va conectado siempre al punto de medición que se encuentr a sobre la línea gruesa que representa el proceso mediante una línea delgada y también puede estar conectado a otros símbolos mediante una línea discontinu a (véase la fig . 1 .26) .

31

requerimientos

fig. 1.2 6 Además de los símbolos empleados en los diagramas de flujo, se han desarrollad o otros símbolos para indicar la función y las conexiones del instrumento . Aunque muchos de estos símbolos están estandarizados según el estándar industrial NE N 3157 (Países Bajos) y BS 3939 (Reino Unido), muchos de ellos son únicos par a una rama específica de la industria . Por último, la tabla de la fig . 1 .27 indica los criterios que se aplican para la elecció n del instrumento de medición de niveles más apropiado . La tabla muestra que e n esta elección deben tomarse en cuenta muchos factores . En la práctica, el principio de elección óptimo para un proceso específico se podrá decidir rápidamente mediante un proceso de eliminación por la experiencia adquirida y porque se sabrá "responder a las preguntas adecuadas" .

- indicació n - control - p .ej . funcionamient o de la bomb a - medición - (+ control )

liquido

- viscosidad - adherencia s - peso específic o - corrosividad - elección del materia l

sólido

polvo s - gránulo s - partículas - tamañ o

datos del producto

variables del product o

- constante dieléctric a - densida d - conductividad - composición - contenido de humeda d

datos del proceso

- presió n - temperatura - método de instalació n - método de llenado - vibración

seguridad

precio

constante?

selecció n del sistem a

- peligro de explosión - entorn o - materiales de desecho - residuos ?

fig.1 .27 32

33

2 .0

Detección de nivele s por conductividad

principi o La presencia de un producto causa un cambio en la resistencia entre dos conductores . Aplicación práctica Se puede obtener fácilmente una indicación de nivel de productos conductores d e electricidad en un tanque metálico o en otro contenedor mediante una sond a aislada del recipiente y un amplificador conductivo . Si el producto no está en contacto con la sonda, la resistencia eléctrica entre la sonda y la pared del tanqu e es muy elevada o incluso infinita . Cuando el nivel de producto se eleva cierra el circuito entre la sonda y la pared del tanque, y la resistencia disminuye a valores relativamente bajos (véase la fig. 2.1) .

fig. 2. 1 2 .1 Detección de los limites de nivel máximo o mínim o La diferencia en los valores de resistencia se puede detectar con un filtr o amplificador selectivo . Este dispositivo se puede usar de alarma o de contro l mediante un relé que actúe como contacto de conmutación libre de potencial . Lo s tanques de material no conductor deben disponer de una buena conexión a tierra . Esta puede ser una tubería de alimentación, un soporte de montaje u otra sonda . En ciertos casos, se emplea una sonda múltiple y una de ellas actúa de conexión a tierra .

34

35

Es preferible que la sonda esté conectada a corriente alterna que a corrient e continua puesto que, de este modo, se evita el fenómeno de electrólisis, que oxid a la sonda . En la fig. 2.2 se muestra el diagrama básico del circuito . La resistencia d e producto, Rx, se conecta en puente de Wheatstone con la sonda y la conexión a tierra . Con un potenciómetro, Rv, se equilibra el puente; entonces, el relé de salid a queda a cero. Cuando el producto alcanza el nivel de la sonda, el valor de R x cambia, el puente se desequilibra y el relé se activa . Los interruptores d e conductividad estándares poseen una tolerancia de 0-50 kOhm y un contact o conmutado libre de potencial de salida .

fig. 2 . 3 2 .2

fig. 2 . 2 En procesos y con productos en que se puede detectar a una resistencia residua l significativa en la sonda cuando ésta se sumerge en líquidos viscosos o que genera n espuma en la superficie, se requiere una versión para bajas resistencias . Está versión `S' es capaz de detectar la diferencia entre la resistencia que presenta e l producto cuando la sonda está sumergida y la resistencia residual de la sond a cuando está al descubierto, y se emplea a menudo con productos que forman espuma tales como la leche, la cerveza o las bebidas carbonatadas . El fundamento de esta versión consiste en que la histéresis de conmutación es menor que l a ----diferencia entré Rl yR2 (véase la fig. 2.3) .

36

Control en dos punto s

Con el mismo amplificador, se puede usar una segunda sonda para efectuar u n control en dos puntos . La diferencia entre los niveles de activación (on) y desactivación (off) viene determinada por la longitud de las sondas . Esto permite llevar a cabo un control de nivel . El control de nivel se diferencia de una detecció n de nivel en que sólo se emplea una sonda y el relé se activa tan pronto como e l líquido alcanza la sonda . Para el control de nivel se utilizan dos sondas . El relé s e activa cuando el líquido establece el contacto con la sonda superior y sólo estar á desactivado cuando las dos sondas estan sumergidas (véase la fig . 2.4) .

37

2. 3 Control de dos puntos

s

a) conexión de tierra o electrodo de tierra

a) conexión de tierra o electrodo de tierra

b) sonda de detección de nivel mínimo

b) sonda de detección

Aplicacione s • Indicación de los límites de nivel en tanques, calderas, cubas o canales abierto s • Control de bombeo en desagües (véase la fig 2 .5), instalaciones de agua a presión y tanque s • Detección de filtraciones de agua en almacenes, archivos y sótano s • Dispositivos de seguridad para la detección de nivel en caldera s • Detección de nivel en depósitos de leche, cerveza y bebidas carbonatadas (no s e activa con la espuma, véase la fig . 2.3 y 2 .6 ) • Aviso de tubería vacía (véase la fig . 2.8) .

c) sonda de detección de nivel máximo

fig.

2. 4

Hay una amplia variedad de sondas rígidas o de cable en distintos tipos d e materiales para diversas condiciones de funcionamiento, incluyendo modelos par a uso en condiciones de máxima higiene (véase el capítulo 4) . Not a Para comprobar que un producto es suficientemente conductivo para pode r utilizar un interruptor de conductividad basta efectuar la siguiente medición . Con un transformador, se aplica una corriente alterna poco intensa entre una barr a metálica que simule una sonda y la pared del tanque. Es conveniente que la barra metálica esté a la misma distancia de la pared que l a _._ sonda, —y y la en –misma posición . Entonces, con la barra sumergid a aproximadamente unos 50 mm, se pueden medir la corriente y la tensión, y l a resistencia del producto se calcula según la fórmula siguiente : R en ohmios =

Aplicaciones, modelos y calibracione s

Detección de nivel

V en voltio s 1 en amp.

Si la resistencia resultante es inferior que la que puede detectar el instrumento, s e puede incorporar un amplificador al dispositivo . La determinación de la conductividad en-micro-siemens no siempre es un -buen criterio, puesto que lo s parámetros del proceso correspondientes a la superficie de contacto y a la distanci a pueden provocar desviaciones respecto a los valores teóricos .

fig.

2.5

fig. 2. 7

fig. 2. 6

El detector de seguridad de funcionamiento en, seco para bombas es una variació n del modelo compacto (véase la fig. 2.8) . Este sistema consiste en un casquillo de insersión para realizar el montaje con la pared del tanque o las tuberías y u n interruptor de conductividad que va roscado en el casquillo . El montaje y la configuración de esta sonda están diseñados de modo que el dispositivo n o representa una obstrucción ni en el tanque ni en la tubería . Se puede añadir una segunda sonda para compensar la acumulación de producto ; de este modo, el interruptor de conductividad resultante es especialmente adecuado com o dispositivo de seguridad contra funcionamiento en seco en las bombas que s e emplean con productos viscosos .

Modelos disponible s • Interruptor de conductividad de modelo compacto, es decir, triple sonda , soporte para el montaje y amplificador en una misma unidad ; o, alternativamente, con una sonda anular enrasada como dispositivo de seguridad contra vaciado total del depósito (véase la fig . 2 .8) • Interruptor de conductividad montado sobre raíl ajustable entre 4 y 5 0 kOhmios (modelo estándar) • Interruptor de conductividad montado sobre raíl ajustable entre 50 y 1 .500 Ohmios especial para usar cuando hay espuma o adherencias en la sond a (versión S) (véase la fig. 2.3 ) • Interruptor de coductividad con transmisor de 19", con electrónica d e seguridad intrínseca para ambientes inflamables clasificados ATEX I/II G (véase fig. 2.7) .

—II FTW

fig. 2.8 40

41

Calibració n La calibración de los interruptores de conductividad es relativamente simple . Para efectuar la calibración, el proceso en cuestión debería estar ya en marcha, de mod o que ya hubiera contaminación natural o resistencia en paralelo debida a acumulación del producto . El punto de conmutación se elige para una sond a sumergida unos 5 cm aproximadamente y se ajusta hasta que el relé se activa . Cuando a continuación el nivel disminuye y la sonda queda al descubierto, e l amplificador interrumpe el circuito de nuevo y el relé se desexcita .

3 .0

Detección y medición de nivele s por capacidad

Principi o Este método se basa en la variación de capacidad de un condensador . Un condensador es un componente eléctrico capaz de almacenar o descargar carga eléctrica . Un condensador sencillo consiste en dos placas eléctricas separadas po r un material aislante que se conoce como dieléctrico (véase la fig . 3.1) . Aplicación práctic a La capacidad entre la sonda de medición y la sonda de referencia, qu e normalmente es el tanque, variará según si hay producto o no entre ambo s electrodos .

fig. 3. 1 La capacidad de un condensador de placas paralelas viene dada por la fórmul a siguiente: C= £r • 8,84 10-2 • A donde :

42

(1 ) d C = capacidad del condensador en p F A = área de la superficie de las placas en c m d = distancia entre las placas en cm £r = permitividad relativa del medio dieléctric o

43

La constante dieléctrica del material es un indicador del incremento de capacida d cuando, para una diferencia de potencial dada entre las placas del condensador, se añade material polarizable . Por definición, la constante relativa del aire es 1 . Cualquier otro material tiene una Er mayor que 1, tal como muestran los ejemplo s siguientes : Er

Agua 81 * Queroseno 1,8 Dióxido de azufre 17, 6 Lima 2, 5 Aceite crudo 2 - 2, 8 Cemento 4 Harina 2 Grano 2,4

La fórmula (1) muestra que para cualquier condensador en que d y A sea n constantes, el valor C de la capacidad dependerá sólo de En En la práctica, para l a medición de niveles, el condensador está formado por la pared metálica de l tanque, silo, etc ., y una sonda aislada montada en el interior del tanque o silo . Lo s tanques o silos con paredes conductoras no presentan problemas . Por ejemplo, en alcantarillas de hormigón armado, la armadura metálica es adecuada para actua r como una de las placas del condensador . Para tanques de plástico se pued e emplear un tubo metálico o un enrejado colocado alrededor de la sonda, o una tir a metálica en la parte exterior . Dado que todos los productos tienen un valor E r mayor que el aire (Er = 1), el valor de la capacidad del sistema será siempr e superior cuando la sonda esté completamente cubierta por el prodúcto qu e cuando sólo esté parcialmente cubierta o totalmente al descubierto . La medició n de nivel por capacidad se basa en este cambio en la capacidad (OC) . El condensador se conecta a un circuito de corriente alterna de . alta frecuencia, de modo que e l cambio eri rá capacidad 4C, que es el cambio de nivel, se puede convertir en señal eléctrica . Un condensador en un circuito de corriente continua tiene un a resistencia infinita, mientras que en un circuito de corriente alterna tiene un tip o de resistencia conocido como reactancia ; 1 Rc = CO C (2 ) donde: Rc = reactancia capacitiva (tipo de resistencia ) CO = 2 itf (f= frecuencia de la tensión alterna ) ---C--=-capacidad * El valor 81 se ha obtenido teóricamente . Debido a que el agua es un medio conductor y a que se mide .la impedancia en lugar de puramente la reactanci a capacitiva, en la práctica se usa el valor 31 .

44

La fig . 3 .2 muestra un condensador conectado a una fuente de corriente alterna , conocido como oscilador de alta frecuencia . La corriente que pasa por el circuito es directamente proporcional al valor C de la capacidad .

fig. 3. 2 Un oscilador colocado en el cabezal de la sonda convierte los cambios d e capacidad en variaciones de voltaje o de frecuencia (véase la fig 3 .3) . De est e modo, se evita tener el circuito de alta frecuencia más tiempo del necesario y s e elimina la necesidad del cable coaxial . Esta variación de voltaje, - d e aproximadamente 3-12 V, o de frecuencia, de alrededor de 150-400 Hz, se pued e transmitir fácilmente por cable estándar a un amplificador remoto, que puede esta r situado a una distancia de hasta un kilómetro . Allí, la variación de voltaje (DU) o la variación de frecuencia (Of) se convierten mediante un relé en un interruptor d e capacidad o en un indicador de nivel por capacidad estándar de señal de 0-20 o 420 mA de señal* .

* Los términos "radiofrecuencia", "reactancia", "admitancia" o "medición d e impedancia" se basan todos en la medición de la capacidad descrita más arriba .

45

fig. 3.3 3 .2 Indicación de nivel por capacidad 3.1 Detección de nivel por capacida d Detección de nivel significa detectar que en un punto determinado se ha alcanzad o ese nivel . Consta básicamente de los componentes siguientes* : • sonda de medición • oscilador de alta frecuenci a • amplificador con señal de salid a

La indicación de nivel por capacidad hace referencia a . la medición continua de l nivel de producto en un tanque o silo . El sistema de medición comprende lo s componentes siguientes* : • sond a • oscilador de alta frecuencia • amplificador con salida analógica de corriente (4-20 mA) y/o salida de voltaj e

Uno de los métodos de detección de nivel por capacidad consiste en convertir e l cambio de capacidad, AC, en una variación de tensión AU . El principio se ilustra en lg fig. 3.4,.El oscilador se conecta al amplificador con un cable de tres hilos . Do s de los hilos proporcionan la fuente de alimentación al oscilador, y el tercero s e emplea como señal, es decir, da el cambio en la diferencia de potencial AU qu e luego el amplificador convierte en una acción de relé . Las capacidades iniciales d e distintos dispositivos de medición nunca son las mismas . Cuando la sonda está al descubierto, el oscilador genera una señal U, cuyo valor depende de la capacida d en vacío, o capacidad inicial, Ci . El potenciómetro A se emplea para ajustar e l amplificador de modo que esté no activo . Cuando la sonda está cubierta, l a capacidad aumenta a un valor Ci + AC, y la diferencia de potencial resulta U + AU. Este cambio en la diferencia de potencial pasa por el amplificador y el relé s e activa .

Igual que en la detección de nivel por capacidad, en un indicador de nivel lo s cambios en la capacidad (AC) también se convierten en una variación de potencia l AU (véasela fig. 3.5) .Elvalor de la tensión U _depende de la capacidad en vacío, o capacidad inicial, Ci, del sistema de medición . El valor inicial o valor "en vacío" s e establece con el potenciómetro A y se ajusta el amplificador a O % para un C i dado . Cuando el tanque o silo se llena, la capacidad inicial Ca pasa a Ca + AC y e l nuevo voltaje es U + AU. Este cambio en el valor del voltaje DU .se amplifica y s e convierte en una señal estándar de 4-20 mA . El potenciómetro B se emplea para e l ajuste del valor de fondo de escala correspondiente al 100% (20mA) del valor de l a señal.

* Actualmente muchos interruptores de capacidad son de tipo compacto, es decir , incorporan los 3 componentes en una unidad.

* Actualmente también hay indicadores de capacidad en versión compacta, e s decir, incorporan los 3 componentes en una unidad .

46

47

El valor de D/d no es relevante y se puede emplear el mismo valor para todos lo s casos . La fórmula anterior permite hacer un cálculo de la capacidad en air e correspondiente al sistema de la fig . 3 .6, donde D = 1 .200 mm, d = 12 mm, L = 1 m y E = 1 . Ello da una idea de los valores habituales en situaciones prácticas : /1611111\ A

C=

24

24

Log 1200 12

Log 100

2

12 p F

loo % Cv

Si se dobla el diámetro del tanque, se obtiene el siguiente valor de C :

0% Ci

C=

ci +,Lc

fig. 3.5 Nota Los dos ejemplos anteriores implican- el empleo -de un cable a -tres hilos entre e l oscilador y el amplificador. Sin embargo, cada vez se tiende más a la transmisió n de señal por modulación de frecuencia mediante un cable a dos hilos . También se dispone de salidas PNP, NAMUR, y buses de comunicación . Además de lo s aspectos económicos, este método ofrece mayor comodidad y seguridad (véase e l capítulo 11) .

3 .3

1 . 24 . 1

1 . 24 . 1

24

24

Log 2400 12

Log 200

2.3

10.4 pF

Se observa que, debido a la función logarítmica, la capacidad inicial de una sond a de 1 metro en aire no depende de manera significativa del diámetro del tanque . Por lo tanto, la primera norma "a ojo" es : Capacidad inicial Ci (en pF) = 11 . L

(4)

Cálculo

En un tanque vacío, silo o contenedor, el condensador (es decir, la sonda, la pare d y el aire como dieléctrico) tiene una capacidad inicial Ci determinada . La capacidad inicial del sistema es Ce + Cm. Ce es la capacidad de la sonda en el tanque, y Cm, la capacidad de la conexión de la sonda en el tanque, ya sea u n tornillo roscado o una brida (véase 3 .6) . La capacidad Cm se indica en los esquemas de la sonda (para sondas estándar, su valor es de aproximadamente 3 0 pF) . Si la fórmula de la capacidad para un condensador de placas paralelas s e modifica para el caso de un condensador cilíndrico, se puede calcular el valor d e Ce ("C .empty", C "en vacío"), es decir; C=

£r•24• L DLog d

= (3 )

fig. 3. 6

Mediante esta fórmula, donde L es la longitud de la sonda en metros, se pued e calcular la capacidad de la sonda Ce y el cambio de capacidad AC para cualquie r sistema de medición por capacidad . 48

49

Esta primera regla "a ojo" sólo se puede emplear cuando los diámetros so n mayores de 800 mm; en caso contrario, debe usarse la expresión (3) completa . L a fig. 3.7 muestra la capacidad inicial en función del cociente D/d . efecto de la relación D/ d

30 28 26 24 _ 22 20 18 _ 161412108_ 64_ 2-

Si 3 m están cubiertas por un producto con una permitividad relativa de 3, A C vale 3 . 11 . L pF, es decir 3 . 11 . 3 pF = 99 pF. . Luego, la capacidad Cf vale Cm -+ Cu + Cc = 30 + 11 + 99 = 140 pF . Este es el valor que se va a emplear para el valor correspondiente al 100 % del fondo de escala . 1-

200

400

600

800

_

1

-

100 0

D/d ratio

fig. 3.7 Ahora ya se puede calcular el cambio en la capacidad AC para cada producto, si s u permitividad relativa es conocida . Si en el primer ejemplo se toma la permitividad relativa del aceite, cuyo valor es 2, se obtiene la capacidad siguiente: C=

£r•24•L Log

D d

2 . 24 . 1

48

Log 120 0 12

2

= 24 pF

Si se resta la capacidad en aire de la capacidad en aceite, se obtiene AC, es decir : 24 -12 pF. Obviamente, en situaciones prácticas, el cambio de capacidad, AC, se puede obtener directamente a partir de la fórmula siguiente : AC =

(£r-1)•24•L

* (5 )

Log De ello se deduce otra regla "a ojo" parecida a la anterior : AC =

En el ejemplo de medición analógica . presentado en la fig. 3.6, el valor de la capacidad inicial para el cero y el que corresponde al 100 % del fondo de escala, se pueden calcular de ahora en adelante por aproximación, mediante las reglas "a ojo " 1 y 2, o con precisión mediante las fórmulas 3 y 5. La capacidad de la sonda s e calcula suponiendo una sección cubierta Cc y una sección al descubierto Cu, y u n valor de 30 pF para la capacidad de la varilla de la sonda, Cm. La longitud de la sección al descubierto de la sonda es 1 m y la sección cubierta, 3 m . Así, pues, para una sonda totalmente al descubierto con una capacidad de 11 pF por metro e n aire, Cu + Cc = 44 pF . Luego, la capacidad inicial : Ci = Cm + Cu + Cc .= 30 + 44 74 pF. Este valor deberá emplearse para el cero .

(£r- 1) • 11 • L[pF]

(6 )

El cambio de capacidad se puede calcular de dos modos, o bien AC = C lleno — C inicial = 140 - 74 = 66 pFpF; o bien mediante la segunda regla "a ojo" (6) AC = (£r- 1) . 11 .L .pF= (3-1) . 11 .3pF= 66pF.

3 .4 Valores prácticos típicos ¿Qué cambio en la capacidad hace falta en situaciones prácticas? Sólo es posibl e responder a esta cuestión cuando se sabe qué nivel de medición o detección s e requiere y si además se conocen los datos del proceso .

Medición analógic a Para una medición de nivel analógica, el cambio de capacidad mínimo requerido para que un amplificador pase de 0 a 100 % con una señal de salida de 0-20 o 420 mA es 20 pF. La máxima capacidad que permite que el amplificador emita l a misma señal de salida de 0-20 o 4-20 mA es 4 .000 pF. De estos datos se deducen inmediatamente los requisitos que debe cumplir un amplificador de medición d e capacidad, esto es, una ganancia ajustable de 200 estable para una capacida d inicial Ci de entre 20 y 350 pF. Estos cambios de capacidad se muestran en la fig . 3.8 en escala logarítmica . El valor Ci para el cero se puede considerar un valor d e offset, mientras que el cambio de capacidad, DC, corresponde a la pendiente de l a función característica del amplificador . Para simplificar, se muestran los valore s máximo y mínimo para una capacidad inicial de 100 pF .

* Para productos conductores, el valor está siempre alrededor de los 330 pF po r metro, independientemente del diámetro .

50

51

loo %

20 mA

Min :

Solución : 4C = (Er - 1) .11 . L . _ (2 - 1) . 11 . 0.2 = 2,2 pF. Respuesta : este sistema es factible, pero no es recomendable porque el cambio en la capacidad e s pequeño. Por fortuna, si se examina la fórmula básica (1), se puede aplicar otr a solución a este ejemplo :

M

(£r-1)•8,84 .10-2•A

medició n de nivel

o% -

QC

4 mA 1 1

ci

100

500

1000

5000 10 .000

pF

c

fig. 3 . 8

Detección de nivel máximo y mínimo El cambio de capacidad mínimo requerido OC, o sensibilidad, para un interrupto r de capacidad es 1 pF, independientemente del valor de Ci. Esto significa que s e puede detectar, por ejemplo, un cambio de 1 pF para una capacidad inicial de 32 0 pF, o un desplazamiento desde 320 a 321 pF . Con los aparatos electrónico s modernos, esto ya no es un problema, pero hay que tener en cuenta cierto s factores de tipo práctico . Un sistema calibrado para un cambio en la capacidad d e 1 pF sería demasiado sensible a la condensación o a una ligera contaminación . Por este motivo, para productos limpios en un recipiente industrial a una temperatur a razonablemente constante se eligen valores entre 4 y 10 pF . Para un recipiente e n elexterior - ó para productos en que se espera que haya cierto grado d e adherencias, el cambio en la capacidad debe ser de por lo menos 10-20 pF. Cuanto mayor sea el cambio de capacidad requerido, mejor, puesto que permitirá u n mejor ajuste, y también la variación de la constante dieléctrica sin que se ponga e n peligro el sistema de detección . Por razones relativas al método de calibrado, el rango de capacidad inicial se divide a menudo en dos o tres secciones solapadas . Estos rangos se pueden elegir en el amplificador de capacidad . La ventaja principal de ello es que todos los ajustes se llevan : a cabo en un amplificador remoto, e s decir, en el puesto de control, y no en el mismo punto del proceso . Ejemplo práctico 1 El interruptor de nivel en un tanque de aceite debe funcionar cuando esté n cubiertos 20 cm de la sonda vertical de 0,8 m. ¿Es factible? ¿Es recomendable ? La Er del aceite = 2 y la parte superior del tanque tiene un diámetro de 1 .200 mm .

52

=

d

(1 )

para aumentar la capacidad y, por tanto, el cambio de capacidad, se pueden tene r en cuenta dos factores : se puede incrementar la superficie del condensador o s e puede disminuir la distancia entre las `placas' . En el ejemplo del interruptor de capacidad se aumenta la superficie . Este aumento se puede conseguir de dos modos . En primer lugar, la sonda se puede montar horizontalmente o verticalmente, obviamente en el punto de conmutación (véase la fig . 3 .9) . Para las sondas horizontales, una diferencia de nivel de 2 cm cubre completamente uña sonda de 0,8 m de longitud . Con ello, el cambio de capacidad es AC = (Er - 1 ) 11 .L .pF = 1 .11 .0.8pF= 8,8 pF. Esta solución mejora la situación original en un factor de 4* .

fig.

3.9

* El uso de la primera y segunda reglas "a ojo" en sondas horizontales sólo d a aproximaciones muy groseras porque los resultados obtenidos no so n consistentes al 100% para sondas cortas. Ejemplo práctico 2 Supóngase que, en el mismo tanque y con la misma 'sonda, se va a emplear u n sistema analógico para medir el nivel de aceite, y que . cuando el tanque está lleno,

53

las 3/4 partes de la longitud de la sonda están cubiertas . Solución : cuando las 3/ 4 partes de la sonda están cubiertas, L = 0 .75 . 0.8 = 0 .6 m dado que AC = (Er - 1 ) . 11 . L, se obtiene AC = (2 - 1) . 11 . 0.6 pF = 6,6 pF. Luego, este sistema no e s factible, puesto que el cambio de capacidad es muy pequeño y debería ser d e aproximadamente 20 pF.

En todos estos casos, las reglas "a ojo" y las fórmulas (3) y (5) son aplicables mientras la asimetría del montaje no implique una forma demasiado extraña . L a situación es distinta cuando la sonda está montada en un tanque cilíndric o horizontal . Dado que la distancia entre los electrodos y la pared no es constante a lo largo de la longitud de la sonda, los valores de la medición obtenidos n o responden a una ley lineal (véase la fig . 3.10 a) .

La solución es disminuir la relación D/d mediante un tubo de tierra concéntric o que haga disminuir la distancia entre la sonda y la pared del tubo . En general, e l tubo de tierra forma parte de la sonda y está soldado a la rosca o brida de ésta . Normalmente hay uno o varios agujeros para permitir que el líquido fluya entre la s sondas y el tubo a tierra . Obviamente, si hay un fleje metálico en la parte extern a del tanque se puede emplear también como tubo de tierra . Se le llama tubería d e inmersión o cilindro amortiguador . Los tubos de tierra concéntricos que s e suministran con las sondas tienen un diámetro interno de 38 mm sólo se puede n emplear con líquidos . Dado el pequeño tamaño del tubo de tierra, la regla "a ojo" no es aplicable, pero e l cambio en la capacidad aún se puede calcular mediante la expresión (5) . AC =

(£r-1)•24•L Log

*

fig.

d

3 .1 0

Con los datos del ejemplo 2, da el resultado siguiente: AC =

(2—1) • 24 . 0.6 38 Log 12

AC = pF F

14.4

=

28.8

"-- Estécámbió- énel valor de la capacidades más que adecuado para la medición d e nivel . El empleo de un tubo de tierra aumenta la sensibilidad de la sonda en u n factor superior a 4. Además, hay otras tres ventajas asociadas al empleo de tubos a tierra : linealidad, calibrado y tensiones mecánicas . Linealida d Hasta ahora, todos los cálculos y ejemplos se han aplicado a un condensado r cilíndrico, es decir, una sonda vertical en un tanque cilíndrico vertical . Para este tipo de tanques hay una relación lineal entre el aumento de nivel del contenido de l --- tanque-y-la capacidad. Esta linealidad es válida incluso si la sonda no está montad a en el centro del tanque o si el tanque vertical es de sección rectangular . * Para productos conductivos, el valor es siempre de 330 pF por metro , independientemente del diámetro .

En este caso, se puede añadir un tubo de puesta a tierra cerca de la sonda (véase l a fig . 3 .10 c), que efectivamente sustituye la pared del tanque, de modo que la sond a y ésta vuelven a ser paralelas (véase la fig 3 .10 b) y se obtiene una lectura lineal a la vez que se produce un aumento de sensibilidad apreciable . A parte de la situación descrita en la fig. 3.10, esta situación no lineal sólo se da con productos n o conductivós;-es decir, en prodúctos con constante dieléctrica baja . Si el producto es conductor, la baja resistencia de éste hace que, alrededor de su aislante, la sond a "sienta" la pared como en una situación lineal . Normalmente, en mediciones d e nivel analógicas se requieren tubos a tierra . La situación no lineal que acabamos d e describir no constituye un problema en absoluto, si se requiere sólo un punto d e conmutación reproducible . Cuando se excede la capacidad especificada, e l amplificador se activa . La no linealidad no es un problema, puesto que para los interruptores de nivel sólo la reproductibilidad es importante . Calibració n La tercera ventaja que ofrece un tubo a tierra para productos no peligrosos es qu e el calibrado se puede efectuar lejos del tanque, puesto que el sistema completo d e medición por capacidad se convierte en un sistema independiente del depósit o (véase también el capítulo 3 .7) .

TI■ Las limitaciones de los sistemas en que se emplean tubos de tierra radican en l a durabilidad del tubo a tierra, espeáialmente en cuanto concierne a productos corrosivos, y la viscosidad del producto, que afecta a la velocidad a la cual el producto llena el tubo y sale de él . Tensiones mecánicas En tuberías y en tanques con agitadores, los tubos de tierra protegen las sondas d e turbulencias fuertes o de corrientes laterales excesivas.

3 .5 Efectos de la frecuencia y la conductivida d Hasta el momento no se ha hecho distinción entre sondas con aislamiento total y sondas con aislamiento parcial . Por definición, la conexión con rosca o la brida d e una sonda capacitiva estará siempre aislada del recipiente, la barra de la sond a misma puede estar totalmente o parcialmente aislada (véase la fig. 3 .11)_

-

Tanto las sondas con aislamiento total como las sondas con aislamiento parcial s e pueden emplear como interruptores de límite de nivel . Las sondas con aislamient o parcial suelen ser menos caras, ofrecen un cambio de capacidad ligerament e superior y su superficie se puede incrementar fácilmente para dar un cambio -d e capacidad aún mayor . Teóricamente, para interruptores de nivel por capacidad y con productos conductores o que pueden acumularse en la sonda o contaminarla , sólo se emplean sondas con aislamiento total . Una sonda capacitiva en un tanque o silo no es en realidad un condensador perfecto ; en otras palabras, no sólo respond e a la capacidad . Debido a que la resistencia del producto no es infinita y a la s frecuencias variables del instrumento, el oscilador no medirá solamente capacidad , sino impedancia . Esto es, la resistencia del producto más la resistencia efectiva de l condensado r, conocida como reactancia capacitiva . Esta reactancia viene dada por la expresión siguiente : 1 Rc = (2) CO C donde

RC = reactancia capacitiva (tipo de resistencia ) (o = 2 'cf. (f= frecuencia del voltaje alterno ) C = capacida d

Así, pues, la reactancia depende de la frecuencia de medición empleada . Para lo s interruptores de capacidad, esta suele ser de 300 kHz . Para interruptores de nive l compactos pequeños, la frecuencia púede llegar hasta 2,5 MHz . Para uso en medición continua, se puede seleccionar una frecuencia de medición baja (33 kHz ) o una alta (1 MHz) . La elección depende de los parámetros del proceso, ya que l a variación de la constante dieléctrica o de la resistencia del producto pueden afecta r directamente a la salida de señal . La fig . 3 .12 ilustra el diagrama del circuito equivalente correspondiente a una sonda con aislamiento total .

fig. 3.1 1 Para la medición de nivel analógica, se emplea siempre una sonda con aislamient o total para evitar cortocircuitos . Si se empleara una sonda con aislamiento parcial para-una medición-analógicaen un medio conductor, el lectorde la señal de salid a leería 0% para la sonda al descubierto . En el momento en que el producto tocar a la parte de la sonda sin aislamiento, el lector leería el 100 % debido a la baj a resistencia del producto. Por lo tanto, no se podría obtener una señal de salida de 0 a 100% proporcional al nivel del producto .

fig. 3.12

El aislante de la sonda tiene su propia resistencia Ri y una cierta capacidad C i originada por el producto conductor y la varilla de la sonda . A su vez, el propio producto tiene también una cierta resistencia Rp y, junto con la pared (= tierra) y la sonda, origina una capacidad Cp . ,La impedancia total corresponde a la d e circuitos de resistencias y condensadores conectados en paralelo . Dado que la resistencia del aislante es muy alta, y si el producto es muy conductor (po r ejemplo, ácidos o soluciones ácidas), la resistencia del producto (Rp) resulta se r muy baja, y sólo Ci es relevante . Para valores bajos de Rp, Cp se puede considera r en cortocircuito . Por otra parte, si el medio es poco conductor, por ejemplo, hidrocarburos, la medición dependerá sólo de la constante dieléctrica del product o y, naturalmente, de la frecuencia de medición empleada según: 1

1

COC

2itf C

Rc =

(2)

Sistema de compensación activa de adherencias "MULTICAP " Se puede eliminar la influencia de la condensación normal y de la adherenci a (sobre todo en la zona de la tubuladura) en los indicadores de nivel tal como se h a descrito más arriba . En los interruptores de nivel, esta influencia se puede eliminar si se apantallan (parte inactiva) de la sonda (véase el capítulo 4) . En casos de alta adherencia en toda la sonda, especialmente debida a líquidos viscosos mu y conductores , se recomienda una sonda especial con protección activa (véase l a fig .3 .15) . En la fig. 3 .14 se muestra el diagrama simplificado de esta sonda . Para poder explicar esta sonda de compensación especial, en primer lugar el necesari o describir una simple . En la configuración de una sonda simple, el circuito d e medición consiste en un oscilador de alta frecuencia, la sonda y la impedancia del producto, es decir, Cm (capacidad de medición) en paralelo con Rm (resistenci a de medición) . El paso de una impedancia alta (sin producto) a una baja (producto _ en la sonda) provoca la conmutación del dispositivo de medición . Si en la sonda se produce una gran acumulación de producto que permanece mientras éste se va, e l conmutador de nivel resulta cortocircuitado y todavía "ve" producto .

En tal caso, el efecto de la capacidad del aislante Ci es proporcionalmente mu y pequeño y constante . Sin embargo, en muchos casos, el diagrama del circuit o equivalente viene determinado por la capacidad y la resistencia del producto (Cp y Rp) . Entonces; la salida de medición (es decir, Rc) va a depender de £r (Cp), de l a propia resistencia del producto (Rp) y de la frecuencia de medición (f) . Si además, el líquido es pegajoso y se adhiere a la sonda, Rp también cambia . Si se emple a una frecuencia de medición más alta, se puede aumentar el efecto de Cp (y, por lo tanto, disminuir el efecto de Rp) . De este modo se consigue disminuir el efecto d e la adherencia . Por supuesto, este efecto depende de la conductividad del producto (y de la contaminación) . En la fig . 3.13 se da la relación entre la permitividad relativa y la conductividad para dos frecuencias de medición diferentes .

EC 16 Z y sonda con compensación activa contra adherencias

oscilador

controlador

sonda

A aislamiento

nivel 100 % -

í=1100/

60% _ 40%

E=40

E=20 20% _E=10 E=2 0% 10 $

fig.

58

3 .13

Cge = capacidad : comp ./tierra

Cge

MHz

circuito de compensación

Rge = resistencia: comp ./tierra

Rge

f=33kHz

80 % _

/

circuito de medid a

Rsg = resistencia: sonda/comp . Cs

g

Csg = capacidad : sonda/comp . Rm = resistenci a Cm = capacidad

10*

106

10' 5

10-4

10-3 S/cm

fig.

3 .14 y 3.1 5

59

Una sonda con un sistema de protección activa consiste, de hecho, en dos circuito s de alta frecuencia, uno para la sonda y otro con una señal controlada d e protección . Si se forma cualquier acumulación, lo cual implica que se tiene Rsg + Csg y además Rge + Cge, el controlador mantiene la señal de protección (e n amplitud y fase) en el mismo nivel al que está la sonda . De este modo, ha y intensidad de corriente entre la protección y tierra, pero no entre la sonda y tierra , es decir, "no hay nivel" . Si realmente hay nivel (es decir, si se tiene Cm + Rin) l a intensidad de corriente circula entre la sonda y tierra, y el interruptor se activa .

3.6 Medición de nivel de interfas e Hasta el momento, la discusión se ha centrado en la detección o la indicación de nivel en sólidos o líquidos (Er = >1) en relación con un gas o aire (Er = 1) . Pero s i dos productos están suficientemente diferenciados, también se puede detectar o medir el nivel de la interfase . En la industria petroquímica, por ejemplo, se dan a menudo interfases entre agua-e hidrocarburos . Estos sistemas se suelen basar en e l método de desplazamiento y funcionan debido a la diferencia de densidade s relativas de los dos productos (1 .000 kg/m3 para el agua y aproximadamente 80 0 kg/m3 para el hidrocarburo) . Ahora bien, puesto que la diferencia de permitividades relativas entre el agua y, por ejemplo, el aceite, es muy significativ a (31 para el agua y 2 para el aceite), un sistema de medición por capacidad present a muchas ventajas si se compara con la medición de densidades relativas . E n situaciones prácticas, la interfase nunca es una capa demasiado delgada y, según l a densidad relativa, la adherencia del producto y el tiempo de duración del proceso, se podrá formar una capa de emulsión entre los dos productos (véase la fig . 3.16) .

fig. 60

La capa de emulsión varía desde un 100 % del producto A hasta un 100 % de l producto B, y viceversa . En términos de capacidades se puede considerar como un 50 % de producto A y un 50 % de producto B . En general, para detectar l a posición de una interfase se emplean siempre métodos de medición continuos , tanto si hay capa de emulsión como si no . Por ejemplo, para medir el nivel de interfase entre el aceite y el agua, el método de calibrado será distinto al emplead o para la medición de nivel de un producto respecto al aire . El sistema se establec e en 0 % cuando la sonda está completamente cubierta de aceite, er = 2, y en 10 0 %, cuando la sonda está cubierta de agua, Er = 31 . Así, se puede determinar e l nivel de interfase exacto y se puede emplear un sistema de relés para, por ejemplo, controlar un sistema de drenaje . Según que haya capa de emulsión o no, los relé s se deben ajustar empíricamente para impedir que el aceite se pueda escapar de , por ejemplo, un separador de aceite/agua . La medición del nivel de interfase también se emplea en la industria alimentaria, en trampas desengrasadoras, etc . Cuando la capa de grasa es tan gruesa que debe ser retirada manual o automáticamente, se dispara una señal . Cuando la sonda deja de estar sumergid a en el agua, se produce un descenso brusco de la capacidad y se dispara una seña l de alarma apropiada .

3 .7

Aplicaciones, modelos y calibrad o

Aplicacione s Los interruptores de límite de nivel capacitivos se emplean en casi todas las rama s de la industria incluidas la alimentaria, cervecera, de bebidas carbonatadas , cárnicas, arenas, gravas, cementos, agua potable y residual, industria pesada e industrias química y petroquímica . Los sistemas se emplean para detección d e límite superior (rebose) y/o inferior y para lamedición continua en tanques de almacenamiento, silos, depósitos reguladores y contenedores de producto s químicos, así como depósitos descubiertos y canalizaciones . Las sondas que s e emplean generalmente en las industrias del agua y la alimentación está n completamente recubiertas de PTFE, que es un material higiénico y resistente a l a acumulación de producto (véanse las figs . 3.17 y 3 .18) . Los electrodos de cable s e emplean principalmente en sólidos granulados y normalmente se aplican sólo co n propósitos de indicación, ya que la medición continua por capacidad no suele se r demasiado precisa por las variaciones en el contenido de humedad del producto.

3.16

61

En la industria química, la medición y la detección capacitiva presentan la ventaj a de que las sondas de PTFE y acero inoxidable o incluso con todas las partes e n contacto de PTFE se pueden emplear con productos corrosivos . Muchos sistemas de medición capacitiva son adecuados para uso en entornos inflamables y va n equipados con unidades de electrónica de autocontrol . Por ello, su empleo es especialmente adecuado para procesos muy delicados o peligrosos . La industria química resulta demasiado extensa para dar ejemplos específicos, aunque incluy e tanto aplicaciones de detección, sobre todo dispositivos de seguridad contr a rebose, como sistemas de medición de niveles (véase la fig 3 .19) . Los sistema s capacitivos se emplean a menudo en la industria petroquímica, desde en lo s procesos de descarga y almacenamiento de crudo hasta en el proceso final d e refinado, que implica el tratamiento de aguas residuales (véase también el párrafo 3.6) . Estos . sistemas de medición capacitivos no tienen partes móviles, y so n capaces de resistir presiones y temperaturas relativamente altas, que son lo s factores relevantes en estas aplicaciones .

fig. 3 .19

Modelos disponibles Los sistemas de medición capacitivos están disponibles en formato Compact , Minipac para montaje sobre perfiles según normas DIN, carcasa y Eurocard 19" . Serie Nivocompac t En esta serie, la sonda de cable o varilla, la conexión a proceso y el amplificado r conforman una misma unidad . Presenta la ventaja de que es más barato, compact o y que puede ser calibrado en el proceso mismo . La versión de cable no sólo posee un contrapeso sensible bajo una capucha protectora, sino que tiene también u n punto de toma de tierra (véase la fig . 3.19), de modo que también es posibl e trabajar en silos de poliéster u hormigón, que carecen de una buena toma de tierra . Las sondas de este tipo se emplean muy a menudo en la industria ganadera com o conmutador de nivel máximo para maíz y grano.

Serie Minipac Los sistemas Minipac consisten en tres componentes, la sonda, el oscilador y e l amplificador (véase la fig. 3 .21) . El oscilador se encuentra normalmente en e l cabezal de la sonda o, si la temperatura no lo permite, en un cabezal aparte . L a serie Minipac pone a su disposición tanto instrumentos de medición de nivel com o instrumentos de detección de nivel y se montan en un raíl estándar de 35 mm .

ala

fig. 3.2 1 Serie Rack 19" o Eurocard Este sistema de tarjetas de acoplamiento consiste en un panel frontal y un circuit o integrado (Eurocard) que se instalan en una base con los conectores apropiados . De este modo se consigue un ahorro significativo de espacio para un gran númer o de interruptores . Un simple interruptor capacitivo en el modelo Rack 19", mide sólo 20–4-mm (4TE) dé áücho. (fig . 3 .22) .

fig. 3 .19 y 3 .2 0 El Nivector (véase la fig. 3.20) es un pequeño interruptor compacto a dos hilos especial para áridos que posee un conmutador de nivel máximo y mínimo d e seguridad contra fallos y un indicador luminoso de advertencia integrado que señala l a posición elegida. Normalmente no requiere calibrado y se puede montar directament e con dos mercas suministradas con éste, o con el acoplamiento especial . Est e dispositivo se emplea en contenedores pequeños, tuberías o detrás de pantallas d e observación de plástico o incluso externamente en mangueras de trasvase de producto .

64

fig. 3.22

65

Los instrumentos de indicación de nivel capacitivos Eurocard 19" tienen un a anchura de 7'1'E (unidades de subdivisión de la unidad modular) (35,7 mm) y está n equipados con una pantalla de cristal líquido en el panel frontal . Prácticamente todos los sistemas Eurocard se pueden emplear en zonas con riesgo de explosión y están equipados con un sistema de autocomprobación . Para aplicaciones qu e requieren autonomía, las tarjetas de acoplamiento de 19" se pueden montar en caja s de rack individual con su propia fuente de alimentación . Por supuesto, lo s indicadores de nivel capacitivos se pueden conectar (directa o indirectamente) a lo s sistemas de bus actuales (véase la fig. 3.23) .

Elija otro punto de conmutación para la sonda (parcialmente) cubierta . El ajust e óptimo se tendrá cuando el potenciómetro se sitúe entre estas dos posiciones . Para instrumentos de indicación de nivel en general : elija el rango correcto para e l cambio de capacidad estimado y ajústelo a 0% para la situación en que el tanque está vacío . Para ello, los potenciómetros de 100% deben estar totalment e sincronizados . Luego debería llenarse el tanque todo lo posible, preferentement e hasta el valor máximo, y establecer el nivel correspondiente con los potenciométro s a 100% . Las sondas con tubos de tierra se pueden calibrar también fuera de l tanque . La sonda se coloca sobre su extremo superior con los agujeros d e ventilación taponados y se ajusta el nivel cero . Entonces se añade el producto e n cuestión hasta el nivel que corresponda para que la sonda quede cubierta en e l tanque, y así se establece el nivel máximo . Si se dispone de una caja decádica d e capacidad, es útil medir y tomar nota de los valores de capacidad correspondiente s a la inicial (0 %) y con el tanque lleno (100 %) para un posible simulador d e sonda. En determinadas aplicaciones, como los tanques GPL (gas de petróle o licuado), que sólo se abren una vez cada 6 años, se pueden incorpora r condensadores simuladores de capacidad en el extremo superior de la sonda qu e activen los valores de capacidad cero y máxima (tanque lleno) que se reproducirá n independientemente del nivel . Para que ofrezcan un mayor control, es posibl e efectuar todo tipo de ajustes por modificaciones o fallos sin que sea necesario u n cambio de nivel. Por supuesto, en el caso de instrumentos "inteligentes", los valore s medidos se pueden almacenar y descargar en cualquier momento .

fig. 3 .23 Calibración Para la calibración de los interruptores de nivel y de los instrumentos de medició n deberían consultarse las especificaciones relevantes del instrumento . Para interruptores de nivel en general: elija un punto de conmutación para una sonda a l descubierto .

66

67

4.0

Sondas para la detección y medición de niveles po r conductividad y por capacidad

La elección de la soda apropiada (así como la sonda de un interruptor de nive l compacto) es esencial para que un sistema de medición de niveles ejecute su s funciones correctamente y con la mayor precisión y fiabilidad . En la selección d e una sonda deberían tenerse en cuenta los aspectos siguientes : • • • •

la función que va a efectuar el sistema, es decir, detección, control o medició n la forma del tanque o silo el tipo de proceso, la presión y la temperatura los datos del producto, tales como que sea liquido o sólido, el tamaño de la s partículas, si es corrosivo o abrasivo, la viscosidad y el potencial d e acumulación .

Una sonda consiste en una varilla o cable que puede estar parcial o totalment e aislada, una brida o rosca para adaptación al proceso de tipo BSP 3/4" 1" or 1'/" o NPT y un cabezal en el que se puedan insertar un oscilador o una caja d e electrónica completa para la medición por capacidad (véase la fig. 4.1) .

fig. 4.1 68

69

4 .1

Sondas de conductividad

Por definición, las sondas de detección de nivel por conductividad está n parcialmente aisladas . Generalmente, la sonda está hecha de acero inoxidable y, e n algunos casos, de tántalo o hastelloy. El aislante suele ser teflón, poliamida, PVC o cerámica . Para aprovechar el efecto de desagüe natural, las sondas d e conductividad se acostumbran a montar en vertical . La resistencia mecánica a l a flexión de la sonda viene determinada por e l ,flujo y la viscosidad del producto y d e si se emplea un removedor o agitador. A partir de aquí, el proceso de selecció n continúa según cuál sea la presión y temperatura del proceso y la capacida d corrosiva del producto . En las figs . 4.2 se muestran las especificaciones técnicas y los esquemas de varios tipos de sondas .

Sondas capacitiva s La diferencia entre las sondas conductivas y las sondas capacitivas es que, entre la s últimas, hay modelos con aislamiento total, y tienen un cabezal mucho má s grande, de modo que se dispone de sitio para motar una caja de electrónica (un oscilador o un interruptor de nivel compacto) . En la selección de una sonda capacitiva se deben tener presentes cuatro aspectos : 1) Función de medición : detección de límite de nivel : generalmente, sondas con aislamiento parcia l control en dos puntos : sondas con aislamiento total medición continua : sondas con aislamiento total 2) Datos del proceso : La sonda debe ser adecuada según los datos de proceso y resistente a las condiciones a que se verá expuesta ; - viscosida d líquido - densidad relativa - corrosivida d datos de l producto

- polvo s - granulados - partículas grande s - presión - temperatura - situación de montaj e - método de llenad o - vibracione s

fig. 4.2

70

3) Material aislante : La elección de polietileno, poliamida, PTFE, PFA, PDVF, cerámica, etc ., com o material de aislamiento para la sonda está en función de la resistencia química y de que sea adecuado a la presión y temperatura del proceso . La resistencia química se conoce mediante experimentación o se extrae de tablas de valores d e corrosión . La adecuación a la presión y temperatura del proceso depende de l material aislante y del diseño (véanse las especificaciones de la sonda) . Observe que la máxima temperatura se alcanza sólo a presión baja y que la presió n máxima sólo se alcanza a baja temperatura . Para cerciorarse de que amba s condiciones se den en un determinado nivel se pueden dibujar las curva s correspondientes a los valores altos y bajo de temperatura y presión y comproba r que el punto de trabajo en el que actúa se encuentra dentro de dicha curva .

71

4) Tipo de sonda según la función : • para montaje lateral: sondas de varilla cort a • para montaje vertical: sondas de varilla, generalmente de hasta 4 m de longitud , excepto para sólidos granulados . Para éstos, sondas de cable de entre 4 y 22 m • sondas de varilla con tubo o con tubo de puesta a tierra para líquidos en tanque s de plástico y productos no conductores en tanques cilíndricos horizontales . • sondas reforzadas . Si la viscosidad no es demasiado elevada, se puede usar u n tubo de puesta a tierra para proteger la sonda de flujos fuertes, turbulencias o s i se emplean agitadores. • hay sondas especiales para procesos que impliquen un entorno inflamable . • debido a la variedad de sondas disponibles y a la diversidad de criterio s implicados en la selección del tipo de sonda apropiado, se recomienda consultar con el distribuidor.

4.2.1 El concepto M .S .D El concepto M.S .D es una ayuda para la selección e instalación de una sonda capacitiva o para resolver problemas en un sistema de medición ya existente . La abreviatura proviene de Montaje, Superficie y Distancia . Estos tres factores so n claves en un sistema de medición capacitiva ; además proporcionan elemento s adicionales que hay que tener en cuenta en ciertos tipos de áreas marginales y también son importantes en la medición de otros parámetros que no sean el nivel . Montaj e En el montaje de la sonda es muy frecuente el uso de tubuladuras . Éstas a menud o tienen bridas y vienen ya preparadas para el tanque en cuestión por el distribuidor . La fig . 4 .3 ilustra la situación con un tanque que contiene un producto que pued e formar sedimento .

La probabilidad de que se produzca sedimentación en la tubuladura es muy alta ; por desgracia, allí es donde la sonda es más sensible, es decir, donde la relación jD/d es más pequeña . En ese punto se produce un incremento significativo de l a capacidad incicial, Ci, incluso sin tener en cuenta los posibles sedimentos . El incremen to de la capacidad debido a adherencia en la tubuladura se puede evitar s i se desactiva parcialmente la sonda (véase la fig . 4.5) . La parte activa de la sonda s e separa del área más susceptible a la condensación o a la adherencia mediante un a sección apantallada no activa. Superfici e En aplicaciones donde sólo una pequeña parte de la sonda está sumergida y con productos con constante dieléctrica baja, el cambio de capacidad que se obtien e suele ser demasiado pequeño . El cambio de capacidad se puede incrementa r fácilmente si se aumenta la superficie de la sonda : una simple placa, tira metálica o paleta se puede unir a una sonda con aislamiento parcial . En líquidos conductores no es necesario el incremento del área de la superficie de la sonda, puesto que s u permitividad es relativamente alta . Distanci a También se puede conseguir un incremento en la variación de la capacidad si s e disminuye la distancia entre las dos placas de un condensador. El ejemplo má s común de este efecto es el empleo de una sonda de tubo a tierra como se h a descrito más arriba . El aumento de la superficie y la disminución de la distancia entre sondas suelen ser métodos aplicables al mismo sistema de medición . Un ejemplo de ello es la sonda de petróleo y G .P.L . (véase la fig. 4.4)) . Si s e incrementa el diámetro de la varilla central desde los 12 mm de diámetro habituales a 24 mm y se añade un tubo a tierra, el aumento de la sensibilidad vien e dado por : Er•24•L Log D d

2 . 24 . 1 8 Log 3 24

= 120 pF/m

Así la sensibilidad de una sonda capacitiva de este tipo se ve incrementada con u n factor 10 . Con este tipo de sonda puede medirse incluso un nivel en continuo co n un rango de 160 mm de hidrocarburo, mientras que con una sonda estándar s e necesitaría como mínimo una sonda de 160 mm de longitud, para garantizar un a detección de nivel .

fig. 4.3 72

73

1. Sonda sin tubo de tierr a • para líquidos conductore s para líquidos altamente viscoso s • para sólidos granulados 2 . Sonda con tubo a -tierra • para líquidos no conductore s • para emplear en recipientes con agitadore s 3 . Sonda con zona inactiva (metal) • para tubuladuras larga s • para condensación en la tubuladur a • para acumulación en las paredes del recipient e 4 . Sonda con zona inactiva con aislamiento total • como arriba, pero especialmente para productos corrosivo s 5 . Sonda con compensacion activa de adherencias para detección de límite s • para alta adherencia (conductora) o medio de viscosidad elevad a

fig.

4. 4

En la fig 4 .5 se da una idea general del funcionamiento de las sondas capacitiva s de varilla .

6 . Sonda con separador estanco a los gase s • para tanques de gases licuados o gases peligrosos (por ejemplo, amoníaco ) • para evitar que se produzca condensación en la sonda debido a cambios d e temperatura extremos .

fig. 4.5 74

75

En la fig 4 .6 se da una idea general del funcionamiento de las sondas capacitiva s de cable .

1. Sonda básic a • para aplicaciones estánda r 2 . Sonda con zona inactiva (metal ) • para tubuladuras larga s • para condensación en la tubuladur a • para acumulación en las paredes del recipiente o salpicadura s 3. Sonda con zona inactiva con aislamiento tota l • como arriba, pero especialmente para productos corrosivo s 4 . Sonda con compensación activa de adherencias para detección de límites • para alta acumulación (conductora) o medio de viscosidad elevad a 5 . Sonda con orificio para gases a presión • para tanques de gases licuados o gases peligrosos (por ejemplo, amoníaco ) • para evitar que se produzca condensación en la sonda debido a cambios de temperatura extremos .

4 .3 Consejos para el montaje de sondas capacitiva s Consejos generale s 1. Seleccione el puesto de montaje de modo que el flujo no vaya directament e hacia la sonda para evitar conmutaciones esporádicas y daños en la sonda . 2. Si en un tanque o silo hay más de una sonda, deben estar separadas por l o menos 500 mm unas de otras o, para sondas mayores, una distancia suficient e que impida la interferencia eléctrica entre ellas . 3. Las sondas se deben montar de modo que la rosca de 25 mm est é completamente insertada en el casquillo o incluso que se introduzc a ligeramente en la pared del silo para evitar la contaminación por acumulación . De otro modo, utilice una sonda parcialmente apantallada . 4. Si emplean sondas de cable con material granulado, la estructura de la cubiert a superior del silo debe ser lo suficientemente fuerte como para resistir la s tensiones transitorias a que se ve sometido cuando se vacía . 5. Con sondas montadas verticalmente, la distancia entre la sonda y la pared de l silo debería ser, como mínimo, un 10% de la longitud de la sonda . 6. Cuando la sonda tiene tendencia a oscilar debe anclarse, si es una sonda d e varilla, o tensarse, si es de cable . Si se emplean sondas con aislamiento parcial , el dispositivo de anclaje o tensado debe estar aislado de la pared del recipiente . 7. Asegúrese siempre de que el cambio de capacidad es adecuado. Véase el capítulo 3 .4 y el concepto M .S .D . acerca de este tema .

76

77

Consejos específicos para sondas de detecció n 1. Para incrementar el cambio de capacidad en productos con una permitivida d relativa baja, se pueden acoplar pesos anchos y finos a las sondas de cable y pinza s metálicas a sondas de varilla (véase el capítulo 3, fig. 3.14) . 2. Dimensiones de los electrodos de puesta a tierra en tanques no conductores : para sondas de varilla montadas en el lateral, debería colocarse una placa metálica de 30 0 x 300 mm aproximadamente en el exterior del tanque y montar la sonda en e l centro de esa placa . Para sondas de cable, debería colocarse una placa cuadrad a metálica en el exterior del tanque a la misma altura que el lastre de la sonda . El tamaño de ese cuadrado debería ser equivalente, por lo menos, a la mitad de l a distancia entre el lastre y la pared del tanque . El electrodo de puesta a tierra deberí a estar conectado eléctricamente a la puesta a tierra general de estos electrodos . 3. En la tubuladura empleada en el montaje de sondas horizontales no deberí a producirse contaminación o acumulación . Si se prevé que pueda suceder par a determinados productos, debería emplearse una sonda (no activa) co n apantallamiento parcial . Consejos específicos para sondas de medición continua 1. Para electrodos con toma de tierra en tanques no conductores : en el exterior de l tanque debería montarse una banda metálica o una tira de papel metalizado d e 100 mm de ancho y por lo menos la longitud de la sonda . Esta debería esta r conectada a la toma de tierra de la sonda . Los productos conductores, como po r ejemplo los ácidos, deberían tener una puesta a tierra mediante un punto d e conexión a tierra adecuado, por ejemplo de Hastelloy o tántalo, en la tubería d e salida, de modo que se elimine cualquier tipo de problema de toma de tierra e n un estadio posterior del proceso . 2. La sonda puede disponer también de un tubo o una jaula a tierra . Si los productos tienen una Er relativamente baja o si los niveles son muy bajos, las sondas de varilla con tubo o con tubo de puesta a tierra se pueden montar e n árigüZo para obtener un máyór AC (véase la fig. 4.7) .

fig. 4.7 78

5 .0

Detección de nivele s por horquillas vibrante s

5 .1 Detección de niveles por horquillas vibrantes e n líquidos Principi o El amortiguamiento de un diapasón por un cambio de su masa (es decir, l a presencia de un líquido) provoca una disminución en su frecuencia de vibración . Aplicación práctic a El interruptor de límite de nivel de diapasón, más conocido como Liquiphant , consiste en un diapasón simétrico de 40 mm de largo de brazos más anchos en su s extremos (véase la fig . 5.1) . En la base del diapasón hay una membrana de 1,5 m m' de grosor que forma parte de la conexión a proceso, de modo que una simpl e unidad de acero inoxidable (o Hastelloy C) penetra propiamente en el proceso .

fig. S. 1

79

Un cristal piezoeléctrico amorfo que vibra a su frecuencia de resonancia, de uno s 1 .000 Hz en aire hace vibrar la membrana y transmite la vibración al diapasón . El cristal bimorfo consta de una parte transmisora y una receptora pegada a la part e interior de la membrana. La parte transmisora está conectada a una fuente d e corriente alterna de 1 .000 Hz cuya tensión cambia a la misma frecuencia que hac e vibrar los brazos del diapasón (véase la fig 5 .2) . receptor

emiso r EE:sglIMEMIMILTZ

LI electrodo común

fuerza

fig. 5. 2

El diapasón está diseñado de modo que al sumergirse en un líquido su frecuenci a de resonancia se desplace en un 20% o 200 Hz . La parte receptora del crista l recoge la frecuencia de resonancia natural, se detecta el desplazamiento en l a frecuencia de resonancia, se analiza y se da una señal de salida . Hay varias electrónicas disponibles que proporcionan distintos tipos de salidas . -1-)—21--- 250 AC V, tiristor de dos hilos con interruptor de carga en serie directo . 2) 10 - 55 DC V en una electrónica PNP de 3 hilos . 3) salida NAMUR 4) para aplicaciones en áreas sujetas a las especificaciones Ex . Una electrónica PFM de 2 hilos para la transferencia de señales a un amplificador montado aparte fuera del área Ex [ia] . 5) salida 8-16 mA (2 niveles ) 6) AC/DC salida de relés activad a ----El—Liquiphant está-equipado con un interruptor--selector denivel de segurida d contra fallos mínimo/máximo que permite trabajar en circuito cerrado co n cualquier aplicación . El sistema de conmutación presenta un retardo de 1 s e n líquido que cae, y de 0,5 s, en líquido que asciende para evitar conmutacione s erróneas, por ejemplo, en caso de olas, burbujas de aire o fuerte turbulencia .

80

El instrumento se calibra en fábrica a una frecuencia de resonancia entre la resonanci a en aire y la resonancia en agua. Esto significa que el interruptor de nivel funciona e n medios con densidades superiores a 700 kg/m3 . Para aplicaciones específicas, en medios con densidades bajas a partir de 500 kg/m3, es posible aumentar la sensibilidad . Montado en posición vertical, si las partes anchas de los brazos de l diapasón están sumergidos, el punto de maniobra se sitúa en aproximadamente u n 50% (es decir, 15 mm) . Un indicador LED incorporado informa sobre la posición d e conmutación del Liquiphant. Este solo principio confiere a Liquiphant cierta s características destacables, que mencionamos a continuación : • no tiene partes móviles, por lo tanto, no precisa mantenimiento • insensible a una adherencia apreciable, flujo intenso, olas, turbulencias, burbuja s de aire y partículas en suspensió n • se puede montar en cualquier posició n • es pequeño y se puede montar en un casquillo de _ pulgada s • no se requiere calibrado • permite elegir el funcionamiento en modo F .S .L . o F.S .H . • incorpora función- de seguridad y está aprobado según las especificaciones Ex (ia y ) • adecuado para productos con viscosidad alta • sólo una parte es de acero inoxidable o Hastelloy C La única restricción para su buen funcionamiento es que el tamaño de la s partículas en suspensión en el liquido no debe sobrepasar los 10 mm porque n o pasarían entre los brazos del diapasón . Dado que los brazos del diapasón vibran " siempre (tanto si están sumergidos com o si no) el instrumento funciona con normalidad dentro de una ventana d e frecuencias . Si los brazos del diapasón sufren accidentes mecánicos o los efectos d e una corrosión fuerte, la frecuencia de resonancia se desplaza fuera de su ventan a de frecuencias, se dispara una función de alarma y el instrumento pasa al estado de seguridad contra fallos elegido (véase la fig. 5.3) .

funcionamiento . norma l

fig. 5. 3

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Modelos disponible s • Modelo compacto con diapasón, conexión a proceso y caja de electrónica e n una sola unidad (véase la fig . 5 .1) . • Existe un modelo higiénico parecido al modelo compacto, pero con cabezal S S y con opción a conexiones a procesos de tipo sanitario (véase la fig . 5.2) o a acoplamiento por soldadura . • Modelo para uso en zonas de riesgo : consiste en un transductor con conexión a dos cables a un amplificador Eurocard para tarjetas rack 19" (EEx ia) o equipado con un cabezal EEx d. • Unidades de alta tecnología de superseguridad contra fallos con doble circuit o controlador de secuencia para las aplicaciones de seguridad más crítica según las normas AK 5 y SIL 3 (IEC 16508) . • Todos los modelos mencionados permiten el acoplamiento de un tubo de alarg o para montaje en lo alto . El Eurocard consta de dos amplificadores idénticos con dos salidas de relé libre d e potencial a dos transductores Liquiphant (véase la fig . 5.4) . Este circuito e s adecuado para la Zona 0, además de para la seguridad contra fallos .

Algunas aplicaciones : • líquidos con una cierta proporción de pulpa o medios agresivo s • líquidos con densidades superiores a 500 kg/m 3 y hasta viscosidades d e 10 .000 mm2/s • dispositivo de seguridad como protector de bombas en vacío por ejemplo, par a pulpa de frutas, salsas y jarabe s • sistema de control del nivel mínimo en plantas de procesamiento (véase la fig 5 .4) • alarma de nivel inferior/superior en tanques de desgasificación para aguas d e proces o • dispositivo de seguridad para el nivel mínimo del aceite de lubricación en caja s de cambio de engranajes y cárteres • en recipientes de mezcla, indicador de condición para la adición d e componentes subsiguientes (véase la fig. 5.5) • detector de fugas en sótanos, archivos y salas de ordenadores .

Aplicacione s líquidos, jarabes, salsas y lodos, siempre que se den las circunstancias siguientes : 1. Que el empleo de acero inoxidable 316 (o Hastelloy C) sea adecuado * 2. Que la temperatura del producto no exceda los 150°C . 3. Que la presión del proceso no pase de los 40 (hasta 64) bar . * En determinadas aplicaciones para las que los metales no son adecuados, lo s instrumentos se pueden proteger con distintos revestimientos .

fig. 5.5 82

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5.2 Detección de niveles por horquillas vibrante s en sólido s

El interruptor de nivel de diapasón está disponible en tres modelos distintos (véas e la fig . 5 .7) .

Principio Amortiguación de la vibración de un diapasón por sólidos, polvos o granulados . Aplicación práctic a El sistema consiste en un diapasón montado sobre una membrana cuya resonanci a natural es de aproximadamente 120 Hz (principio del diapasón) . Sobre l a membrana se montan dos piezoeléctricos : uno de ellos, conectado a un oscilado r que vibra a 120 Hz. Mientras el producto no cubre los brazos del diapasón, e l sistema está en resonancia. Esta vibración libre se transmite al otro piezoeléctrico , que da una señal de la misma frecuencia (véase la fig . 5 .6) .

fig. 5. 6 Cuando el producto provoca un efecto de amortiguación en el sistema, el segund o cristal- no da la señal de resonancia y el amplificador conmuta. Dado que—serequiere relativamente poca energía para amortiguar la frecuencia de resonancia, un interruptor de nivel de diapasón es capaz de detectar niveles con productos d e densidad relativa muy baja, por ejemplo, de hasta 20 kg/m 3. Este tipo de interruptores de nivel para sólidos se conoce con el nombre de Soliphant .

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• En el modelo compacto, el diapasón, la conexión a proceso y el amplificador d e relé están integrados en una sola unidad . El interruptor de nivel de diapasón s e puede montar horizontalmente en un silo o en la pared de una tolva siempr e que los brazos del diapasón no se monten verticalmente, sino en un plan o horizontal, de modo que el producto pase entre los brazos al caer . • En los interruptores de tipo cable, un fuerte cable de longitud inferior a 6 m une el diapasón con el amplificador . Ello posibilita que el amplificador se pueda montar, por ejemplo, en el techo del silo con el diapasón suspendido en e l interior del silo. La longitud del cable vendrá determinada por la altura de l punto de conmutación de nivel elegido .

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• Los interruptores de varilla van equipados con un tubo de alargo entre el diapasón y la conexión a proceso de modo que conforman una fuerte estructur a que se puede montar, por ejemplo, en un ángulo en un separador ciclón . Además de los tres modelos estándar, también hay dos modelos adaptados a la s especificaciones Ex (i)s G5 (zona 1) para emplear en entornos inflamable s equipados con un dispositivo para el control de funcionamiento en procesos mu y críticos . En estos modelos, el cable de conexión y parte del . amplificador está n permanentemente controlados. Compruebe el modelo ATEX DUST d e l a Compruebe la densidad mínima con gránulos de poliestiren o

Montaj e Normalmente, los modelos con cables o tubos de alargo se tienen que monta r verticalmente. Sin embargo, en los modelos en que el diapasón se monta directamente con su conexión a proceso, deben tenerse muy en cuenta los do s puntos siguientes (véase la fig . 5.9) : • el producto no debe caer directamente sobre el diapasó n • los brazos del diapasón se deben montar de modo que queden de lado y no uno sobre el otro para evitar que el producto se deposite asimétricamente .

La electrónica inserta en el cabezal del sensor está disponible en tres versiones : AC, DC-PNP, y técnica PFM a 2-hilos (véase la fig . 5 .8) .

fig. 5.8

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fig. 5. 9

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Aplicacione s Los interruptores de límite de nivel basados en el principio de amortiguación de l diapasón son especialmente adecuados para muchos tipos de áridos . La única restricción a esta aplicación, además de la temperatura y la presión del proceso, e s el tamaño máximo de las partículas del producto que se mide (12 mm) . Algunos ejemplos concretos : Detección de nivel en granulados de poliestireno, leche en polvo, detergentes e n polvo, granulados de plástico, serrín, rebajes o harina (véase la fig . 5.10) .

6 .0

Detección y medición de niveles po r métodos electromecánico s

Introducción Los sistemas de medición de niveles basados en las propiedades mecánicas de l producto son : • los interruptores de nivel de paleta rotativa, para sólido s • los indicadores de nivel por pesa de plomada, para sólido s • los indicadores de nivel de flotador o servodirigidos para tanques d e almacenamiento de áridos .

6 .1 Interruptores de nivel de paleta rotativa para árido s Principi o El momento de inercia de una paleta rotativa cambia según si gira libremente en e l aire o está en contacto con el producto. Aplicación práctica Una paleta montada en un eje dentro del silo gira mediante un pequeño moto r síncrono gracias a un mecanismo de engranajes reductor . El sistema de transmisión de la rotación montado sobre rodamientos se mueve cuando el producto ofrece resistenci a al movimiento de la paleta y dos rnicrointerruptores dispuestos para detectar est e movimiento conmutan . Cuando el producto deja de ejercer resistencia sobre la paleta , el mecanismo regresa a su posición original : uno de los interruptores vuelve a poner en marcha el motor, y el otro indica el cambio del nivel (véase la fig . 6.1) .

fig. 5 .10

fig. 6. 1 88

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Aplicacione s Los interruptores de nivel por paleta rotativa se emplean en procesos sencillos y e n casos en que se prevean adherencias del producto, puesto que este tipo d e interruptores es insensible a las adherencias . Suelen estar montado s horizontalmente en una de las paredes del silo a la altura del punto d e interrupción . La paleta está diseñada de modo que permite el montaje desde e l exterior del silo mediante una rosca de 1 /1 " . La paleta estándar puede se r demasiado pequeña si se emplea para productos livianos que no proporcionaría n suficiente resistencia . En este caso, se debería emplear una palet a proporcionalmente mayor, pero ésta se tendría que montar desde el interior de l silo . La entrada del producto no debería caer directamente sobre el eje . Si s e emplea como indicador de nivel mínimo, debe tenerse muy en cuenta la carg a máxima que el eje puede soportar . Una solución adecuada a estos problema s podría ser incorporar una pantalla protectora encima de la paleta . Modelos disponibles (véase la fig . 6.2) 1. Modelo estándar con eje corto para el montaje horizontal . 2. Modelo con cable para montaje vertical. Se dispone de cables de longitude s que van desde los 2 m hasta los 4 m, pero se pueden acortar para que tengan l a longitud deseada .

6 .2 Sistemas electromecánicos de pesa de plomad a para áridos

princip io Desde la parte superior del silo se sondea la superficie del producto y se compar a con la altura del silo . La diferencia es el nivel del producto . Este tipo de indicadores se conocen como Silopilots . Aplicación práctic a Un Silopilot consiste en un peso sensor que cuelga en el interior del silo de u n cable o fleje enrollado a un tambor impulsado por un motor (véase la fig . 6.3) . Cuando el motor se arranca manualmente o automáticamente mediante un rel é temporizador, un contador se pone a cero, que representa la altura total del silo en centímetros o decímetros . A medida que el motor hace descender el peso sensor, la rueda envía un impulso a través del fleje de medición por cada centímetro ó decímetro bajado y éste se resta de la lectura del contador. Cuando el peso toca la superficie del producto, el fleje se destensa, lo cual es detectado y el motor pasa a girar en sentido inverso, los impulsos dejan de enviarse y el fleje se vuelve a enrolla r en el tambor. Luego, el peso se queda en la parte superior del silo y el contador permanece con la última altura medida hasta que le llega una señal para que la medición se repita . Los Silopilots están diseñados para médir alturas de hasta 70 m y hay vario s modelos disponibles, incluida una versión especial que soporta tensiones altas o temperaturas elevadas. También hay accesorios opcionales para regreso automátic o en silos vacíos, alarma por rotura de fleje, señal de ` arranque y parada' y señal d e sobrecarga del motor. A menudo, para evitar una sobrecarga mecánica en el flej e debida a balanceos y retorcimientos del peso durante el llenado, se interrumpe l a señal de arranque y parada de modo que durante ese tiempo no se puede efectuar ninguna medición . Además hay diversos tipos de pesos, de modo que se puede elegir el tipo má s adecuado para cada aplicación. Incluso se puede elegir un flotador para indicación de nivel con líquidos en tanques altos . Una aplicación especial es la detección d e sólidos debajo de líquidos . Esto se lleva a cabo con un peso sensor en forma d e placa. La placa tiene agujeros para descender con facilidad por el líquido, per o `flota' sobre el sólido que haya bajo el líquido. Si además se dispone de un indicador de nivel por ultrasonidos, se pueden medir el nivel del líquido y el nivel de interfase del sólido .

fig. 6. 2 90

91

181818 1

a

.fig. 6.4 Aplicaciones Este tipo de mecanismos es particularmente adecuado para medición de niveles d e materiales áridos y líquidos en silos y tanques altos (véase la fig . 6.5) . El principi o de funcionamiento convierte a Silopilot en un método barato y eficiente par a emplear con áridos de grano grueso, como cal, piedra, grava o carbón mineral . S e obtiene una precisión de ± 100 mm. fig. 6.3

Modelos disponible s Existe un Silopilot con un fleje de acero inoxidable capaz de soportar tensiones alta s para mediciones en condiciones más dificiles, por ejemplo, en silos altos co n materiále-S -áridosdé graño grueso o-productos ` sucios' . Hay pesos de distintos tipos, a elegir según el tipo de producto del silo, por ejemplo pesos de acero, flotadores , bolsas, paraguas, etc . (véase fig. 6:4) . Hay procesos especiales para aplicaciones a presiones y temperaturas altas . El motor trabaja con corriente alterna trifásic a (VAC) para poder generar una potencia capaz de resistir un derrumbamiento durante la detección del amontonamiento del sólido . Los impulsos de salida se leen con un contador de resta o se convierten a 4-20 mA mediante un conversor D/A . Aunque el número de partes móviles empleadas por lo general suele ser mínimo, s e recomiendan inspecciones regulares cada medio año .

fig. 6. 5 92

6 .3 Control de tanques de almacenamient o Introducció n El control de tanques es el nombre genérico para la valoración estática de producto s líquidos en tanques de almacenamiento de áridos . A menudo se emplea la medició n estática (el contenido del tanque) en lugar de la medición dinámica (cantidad d e producto que ha entrado o salido del tanque) . No es más que la determinación d e las existencias en tanques de almacenamiento muy grandes . En muchos casos, las cantidades de producto en los tanques son estables y no se lleva a cabo ningún tip o de proceso. El control del tanque es la valoración de la cantidad y se puede expresa r en términos de volumen o de masa (peso) . Independientemente del tipo que s e emplee, es muy importante que proporcione fiabilidad y una precisión altas, especialmente si se van a usar como datos contables o fiscales o en aplicaciones d e Pesos y Medidas . Si se aplican las técnicas correctas, se consigue cumplir con esta s condiciones. Sin embargo, para elegir una técnica de medición específica, se debe n tener en cuenta el producto,- el tipo de . instalación (tipo de tanque) y los requisito s funcionales . Grupos de usuario Los tres principales grupos de usuario interesados en el control de tanques son : • las refinerías • las estaciones terminale s • la industria química . En las refinerías, se refina un producto bruto . Éste puede ser crudo o también, por ejemplo, aceite de palma . El crudo se destila y se separan las sustancias destiladas más ligeras . En el proceso se liberan productos de deshecho tales como betún , asfalto y coques . Las sustancias más ligeras se siguen procesando para emplearse , por elempló,cómó gasoli i ó-eñlas ñdüstrias química o farmacéutica para hacer plásticos, catalizadores o medicinas . Una refinería almacena una gran variedad d e productos, algunos muy viscosos (asfalto) y otros muy volátiles (propano y butano) . La mayoría de estos productos son explosivos y potencialmente peligroso s para la gente y el medioambiente . Cuando una refinería seleccione un sistema d e medición, buscará una única solución adecuada para todos los productos . Según los criterios de cada empresa, se elegirán una o más técnicas .

Las estaciones terminales se pueden clasificar grosso modo en tres grupos : terminal es de canalización, terminales de distribución y terminales d e almacenamiento . Los terminales de canalización se encuentran al principio o a l final de una tubería . Pueden recibir los productos directamente de la refinería, d e un tanque o de otra tubería . En el otro extremo de la canalización, un termina l puede almacenar el producto temporalmente para su distribución (terminal d e distribución) o la tubería puede continuar el proceso hasta una fábrica o, po r ejemplo, hasta un aeropuerto . Los terminales de almacenamiento se caracteriza n porque almacenan productos para otros . En realidad, son un puesto de almacenamiento de alquiler . Por supuesto, las necesidades dependerán del tipo de terminal . En un terminal de canalización, el aspecto principal radica en el contro l del proceso (gestión y seguridad de las tuberías) . En un terminal de distribución , uno de los aspectos principales que hay que considerar es el de la precisión para cierto tipo de productos . Los terminales de distribución pertenecen a las misma s compañías petroleras y distribuyen los productos refinados a las gasolineras y, en general, están preparados para almacenar sólo determinados productos tales como` gasolina o gasóleo . Los terminales de abastecimiento, por otra parte, está n especializados en el almacenamiento de una gran variedad de productos químico s o petrolíferos . Por último, la industria química tiene que almacenar las sustancia s primarias y los productos finales . Tanto unas como otros pueden ser sustancia s muy específicas y exigir condiciones especiales en cuanto a presión y temperatura . Aplicacione s El control de tanques es necesario para la determinación de la cantidad de product o almacenado. Hay varias aplicaciones según el tipo de empresa y de proceso : • control de inventario , • trasvase bajo custodia • manipulación y movimientos de sustancias petrolífera s • control de fugas y "reconciliación " Cada uno de estos grupos requiere una información específica . Control de inventario El control de inventario es una de las herramientas más importantes para la s refinerías, los terminales y las empresas de almacenamiento, puesto que permit e conocer cuánto producto hay en stock y, por lo tanto, qué cantidad de dinero se implica . El sistema se puede basar en el volumen y/o la masa . Las exigencias de precisión son superiores para las empresas y teminales de almacenamiento independientes , puesto que almacenan productos para terceros . La fiabilidad, disponibilidad y repetibilidad son los aspectos más importantes en este tipo de operación .

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Trasvase bajo custodia Se emplea este término cuando dos o más empresas que comercian con producto s se ponen de acuerdo en un sistema estandarizado de medición del producto que s e trasvasa . Por ejemplo, el trasvase de producto de una nave a puerto y/o del puerto a algún sistema de tuberías de transporte . El tamaño del lote determina los método s que se van a emplear . En un sistema de control de tanques la medición es estática, por lo que el error d e medición es siempre el mismo en valor absoluto ; en cambio, en una : medición dinámica, es decir, con un medidor de caudal, también hay un error dinámico . Cuanto mayor sea el lote, mayor será el error absoluto . Debido a esto, el sistema d e control de tanques se emplea también como herramienta de verificación d e medidores de caudal . En esta aplicación, los datos que el sistema proporciona s e emplean directamente para extender las facturas al cliente . Una condición par a esta aplicación es que, donde en un trasvase bajo custodia o en un control ha y implicados motivos fiscales, deberes o derechos de propiedad intelectual, el sistem a entero debe estar aprobado y certificado oficialmente, por ejemplo, por el cliente , elNMioelPTB .

Forma s de los tanque s Todos los grupos mencionados emplean tanques muy grandes par a almacenamiento de líquidos o productos licuados. Se pueden encontrar tanques de los siguientes tipos (véase la fig . 6.6) : • tanques de techo fijo o cónico • tanques de techo flotant e • tanques horizontales alargados (bala ) • tanques esféricos • tanques criogénicos o refrigerado s • tanques subterráneos .

Manejo y movimientos de sustancias petrolífera s Los operarios emplean este proceso logístico para planificar actividades de un dí a para el otro, en el cual la fiabilidad y la repetibilidad son más importantes que l a precisión absoluta. Sin embargo, se requiere compatibilidad con los sistemas d e gestión del control (como los sistemas PLC, SCADA, DCS y ERP) y con l a instrumentación de campo . Control de fugas y "reconciliación " Actualmente, la industria es más sensible al impacto medioambiental y se pone n en marcha programas que reduzcan el riesgo de perjuicios ecológicos ; el control de fugas—con-un-sistema-de- controls de tanques es uno de estos programas . El motivo principal es que las pérdidas por fuga en una refinería ordinaria alcanzan un 0,56 % del volumen total .

fig. 6. 6

Durante largos períodos se recogen datos de todos los productos que entran y salen : Si se analizan los datos, es posible realizar un `balance de masas' . Con est e balance también es posible averiguar el origen de las fugas . Este proceso s e denomina "reconciliación" .

La mayoría de tanques son de techo fijo. Están instalados sobre el suelo y tiene n forma cilíndrica vertical . La altura puede variar desde .unos pocos, hasta 30 metros o más .

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97

Las dimensiones del diámetro varían entre los mismos valores . En la mayoría d e casos, estos tanques están a presión atmosférica y van equipados con una válvul a de presión máxima y de presión mínima para reducir las pérdidas por evaporación . Por consiguiente, las presiones máxima y mínima están muy limitadas . Con determinados productos, para evitar riesgos de explosiones o reducir la oxidación, se emplea además un capa de gas inerte . La mayoría de productos refinados s e almacenan en tanques de techo fijo . La característica de los tanques de techo flotante es que tienen un techo que flota sobre el producto, en lugar de tenerlo fijo , lo cual posibilita que tengan diámetros mayores . Se emplean principalmente par a el almacenamiento de crudo y de productos ligeros, puesto que impiden l a evaporación del producto . Hoy en día, muchos tanques de techo fijo van equipado s con un segundo techo flotante, como si hubiera tanque de techo flotante `externo ' e `interno' . Este tipo de tanques exigen requisitos especiales para los equipos d e medición porque el producto está menos accesible . Los tanques de techo flotant e externos suelen tener alturas de entre 10 y 30 metros, y diámetros superiores a 10 0 metros . Los tanques de alta presión se emplean para productos volátiles como el propano o el butano, que a temperatura y presión ambientes son volátiles . En principio ha y dos tipos distintos de tanques, esferas y cilindros horizontales, o tanque s cigarro/bala . Además de estos dos grupos principales, hay de muchas otras formas , por ejemplo, esferas achatadas, pero en cuanto al método de medición, so n similares . Las esferas pueden tener un diámetro de hasta 35 m, y las balas puede n tener diámetros de entre 2 y 4 metros . Los productos almacenados en esto s tanques requieren atenciones especiales en cuanto a medidas de seguridad y diseñ o de dispositivos de medición . Algunos productos también se pueden refrigerar par a que se licúen, por ejemplo el etano, el metano, el propano, el butano, el nitrógeno o el amoníaco. Las bajas temperaturas extremas (hasta -200 °C), también exige n una atención especial a la forma del tanque, el material y los indicadores . Puede sucéder qü* elpródñctólma*érido y-el proceso requieran mediciones especiales , por ejemplo, para controlar la estratificación de temperaturas y evitar el efecto d e ` solapamiento' (efecto ` roll-over') . Los tanques criogénicos suelen tener alturas d e entre 30 y 40 metros. Los tanques subterráneos se emplean principalmente para almacenar mercancía s estratégicas `secretas', o se aprovechan las características orográficas par a almacenar gas de petróleo licuado (GPL) o queroseno .

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Este tipo de tanques se encuentran en zonas montañosas y parecen cavernas . Estas cavernas pueden ser naturales o artificiales y pueden tener una profundidad d e hasta 300 m y una anchura de más de 35 m . Técnicas de medición de nivele s Puesto que cada usuario y aplicación exige sus propios requisitos, hay distintas técnicas de medición y soluciones para controlar el contenido del tanque . Para el control de tanques se emplean habitualmente las siguientes técnicas : • manua l • de fleje y de flotador • por servodispositivos • por radar (microondas ) • por métodos hidrostáticos • por métodos híbridos . Control manual Un control manual se efectúa con una varilla o bastoncillo que se sumerge en e l producto y que incorpora una regla graduada en milímetros . Un fleje adecuad o está hecho de acero y tiene un peso en el extremo . A menudo se emplea una past a especial que cambia de color cuando entra en contacto con el producto . En lo s tanques subterráneos de las gasolineras, se emplean varillas de inmersió n calibradas para un tanque determinado y cuya regla mide en litros . Una varilla o fleje de medición oficial se debe graduar con regularidad respecto a un estánda r aceptado y no debería ser doblada . Una medición de precisión por inmersión a mano es más complicada de lo que aparenta y requiere entrenamiento . En buenas condiciones, es posible tomar medidas con una precisión de menos de 1 mm . E l viento, las precipitaciones, el frío y la falta de luz afectan negativamente a l resultado de la medición . Para efectuar una medición por inmersión a mano en un tanque sobre el suelo, lo s empleados tienen que escalar el tanque, lo cual representa un riesgo añadido . En condiciones de mal tiempo, esto está prohibido. La medición por inmersión a mano no se recomienda en caso de productos tóxicos o péligrosos . Este método se sigue considerando el mejor método de verificación y está aceptado en todo e l mundo .

Técnicas de verificación de fleje y de flotado r Las técnicas de control de flotador y de fleje (F&T, float & tape), introducida s alrededor de 1930, fueron los primeros mecanismos de medición automáticos y eran completamente mecánicos . Los mecanismos F&T más antiguos emplean u n gran flotador industrial de un diámetro de alrededor de 300 mm conectado a un a mirilla mediante un cable y un contrapeso. Una escala montada en el exterior de l tanque da una medición directa . Este tipo de instrumento, también conocid o como control de escala, es muy sencillo y barato . En los tipos de mecanismos d e control actuales, el contrapeso se ha sustituido por un motor-de torsión por resort e con una rueda de cadena y el cable se ha reemplazado por un fleje de metal plan o perforado con agujeros (véase la fig . 6 .7) . Este tipo de medidores están provistos d e un lector local en la parte inferior del tanque (véase la fig . 6.8), a menud o calibrado en altura, que funcionan mediante el fleje perforado . Un requisit o importante para el motor de resorte es la tensión constante del muelle para todo el campo de medida .

fig.

100

6.7y 6.8

El error sistemático típico de los métodos de control F&T es de unos poco s milímetros, pero se debe tener en cuenta que este tipo de instrumentos pueden se r hasta cierto punto susceptibles de mantenimiento . Los rozamientos en el motor d e muelle y en las poleas tienen un efecto negativo en la medición. Los diseños modernos proporcionan fundas para el resorte que minimizan el rozamiento y facilitan mucho el mantenimiento . La ventaja principal de estos sistemas es s u precio relativamente bajo y el hecho de que no requieren conexión a una fuente d e alimentación eléctrica, de modo que resultan muy adecuados para instalacione s remotas . Estos sistemas de control admiten el acoplamiento de un Codificado r electrónico intermedio que posibilita la lectura remota desde un puesto de control . A menudo estos transmisores también ofrecen la posibilidad de conectar u n dispositivo de medición de temperatura sencillo. Para reducir los costes del cableado, la mayoría de transmisores modernos son a dos hilos, por donde circulan la fuente de alimentación y los datos . Servodispositivos de nivel El servodispositivo de nivel o dispositivo electromecánico de nivel se introdujo e n los años 50 . En el servodispositivo, el flotador se ha sustituido por un pequeño "desplazador " de unos 100 mm de diámetro, de densidad específica superior a l a del producto . El motor de resorte se ha sustituido por un motor eléctric o controlado por un circuito de medición . El fleje metálico se ha reemplazado por un hilo muy delgado pero muy resistente, que se enrolla en un tambor de medición d e alta precisión. El principio de medición se basa en la ley de Arquímedes y en e l hecho de que el instrumento mide el peso aparente del "desplazador" . Si el pes o aparente del desplazador es muy alto, el desplazador está muy arriba en e l producto, y cuando el nivel baja, la fuerza ascendente que ejerce el producto sobre el desplazador es menos intensa. Si el desplazador pesa poco, se hunde mucho e n el producto, y cuando el nivel sube, el producto ejerce sobre el desplazador un a fuerza ascendente más intensa. El servomotor se basa en las diferencias de nivel y en la fuerza de flotación y se controla de modo que siempre haya una situación de equilibrio (± 2 g) . El hilo de medición se desenrolla o se enrolla en un tambo r hecho con una gran precisión y va acoplado a un codificador mediante el cual s e puede medir la posición del tambor (y, por lo tanto, el nivel del producto) con gra n precisión (véase la fig . 6.9) . Gracias a los dispositivo dé control, se han minimizado los efectos de las influencias mecánicas como el rozamiento . Los servomecanismo s han mejorado mucho desde sus inicios . El empleo de técnicas mediante microprocesadores ha hecho posible corregir muchas influencias del entorno . Hoy en día es posible compensar el efecto del peso del hilo de medición y la deformación del tanque debida a los efectos de la presión hidrostática y la temperatura .

101

Control hidrostático de tanques (THT ) El control hidrostático de tanques es una de las técnicas más antiguas empleada s para medir la altura del producto y es muy común en la industria . El principio d e medición de la THT es la medición de la columna de presión hidrostática . Según la precisión requerida, la medición puede llevarse a cabo con uno, dos o tre s transmisores . Para una aplicación con un producto de densidad conocida, se pued e efectuar la medición con un solo transmisor (véase el capítulo 7) . Este transmisor se tiene que montar cuanto más abajo posible del casco del tanque y se suel e designar por Pb (presión inferior, bottom) . El nivel se calcula a partir de l a siguiente expresión : H=

Pb

1

p

g

Donde H Pb p

g Z

fig. 6. 9

El empleo de algoritmos inteligentes ha hecho posible también efectuar mediciones en condiciones poco favorables, y algunas técnicas de medición nueva s puedeñ friclñso medir él- peso aparente absoluto del flotador semisumergido d e modo que es posible medir el nivel de la interfase de agua/aceite y la densidad d e ambos líquidos . El servomecanismo es uno de los dispositivos de medición d e niveles más precisos : presenta un error sistemático de menos de 1 mm para u n campo de medida de 40 m y permite efectuar mediciones en tanques presurizados . La interfase libre del agua se puede medir con un error de menos de 2 mm y se pueden determinar densidades de hasta 5 kg/m3. Pesos y Medidas también admit e un buen servomecanismo para los trasvases bajo custodia . El servomecanismo e s todavía la mejor opción para determinadas aplicaciones (GPL, tanque s subterráneos, almacenamiento criogénico) y muchas compañías petrolera s emplean este principio como un estándar para sus tanques de almacenamiento . Los tanques de productos viscosos como el asfalto, el betún o el fuel oil son un a excepción. En este caso, la solución ideal para estas aplicaciones es la medición d e niveles por radar sin contacto .

1 02

+ Z

altura en metro s presión en pascale s - densidad en kg/m3 - aceleración de la gravedad (m/s 2) - posición del transmisor de presión en relación con la placa d e características del tanque (en m)

Generalmente, en aplicaciones con productos diversos, se emplea un segund o transmisor de presión . Este instrumento se monta uno o dos metros por encima d e Pb (véase la fig. 6.10) y se suele designar por Pm (medio) . Puesto que la distanci a entre Pb y Pm es constante y conocida, la densidad del producto en este interval o se puede calcular. Densidad =

Pb

Pm D

•

g

Donde Pm = presión en pascales D = distancia entre P m y Pb en metros Para compensar la sobrepresión o la presión baja en un tanque, puede se r necesario instalar un tercer transmisor de presión, P t (arriba, top) . En los cálculos , este valor se resta o se suma, respectivamente .

103

Control por radar (microondas ) para la medición de niveles por microondas, véase el capítulo 9 .

fig. 6.1 0

La THT es poco adecuada para aplicaciones con altas presiones . La gran diferencia entre la presión estática en el tanque y la débil presión hidrostática desde el product o conlleva una gran relación de reducción en la medición de la presión y puede dar u n error mucho mayor en la medición del nivel . Es más, la instalación de lo s transmisores de presión en la parte mojada del tanque es un riesgo que la mayoría d e compañías petroleras no aceptarán, incluso con válvulas adicionales . La THT es u n método de medición excelente cuando la precisión requerida no es demasiado alta o cuando la- ic éñsidad es conocida y constante, por ejemplo, en la medición de agua o aceite lubricante . En el pasado, la THT se ha probado con todos los hidrocarburo s posibles en refinerías y terminales de almacenamiento . La gran dilatación térmica d e la mayoría de sustancias químicas e hidrocarburos ( 0,1%/°C) suele conllevar un a variación de la densidad y, en consecuencia, acarrea errores de medició n inaceptables . Además, en estas aplicaciones, la medición de la densidad no es representativa, y a que la densidad se mide sólo en el intervalo entre P b y Pm, y si el nivel se sitúa po r debajo de Pm, no se puede efectuar ninguna medición de la densidad . Por otra parte, - la posición absoluta de los transmisores de presión puede cambiar po r deformaciones del tanque, lo cual origina un error sustancial . Sin embargo, para medición directa de masa, la THT continúa siendo un método de medició n excelente .

1 04

Control por métodos híbrido s La industria está cada vez más interesada en la medición de masas . Pero debido a que la masa es independiente de la temperatura y la presión hidrostática no siempre es fiable, se percibe una tendencia al empleo de métodos híbridos d e control . La medición híbrida es la aplicación de una combinación de métodos d e control por microondas o servomecanismos y de métodos hidrostáticos . Es posibl e combinar diversas técnicas para medir niveles, densidades o masas directamente y con precisión, donde el dato obtenido es una medida del parámetr o correspondiente . Para la medición de niveles, se emplea el . servomecanismo o control po r microondas . Para la medición de densidades, el valor de la presión del transmiso r inferior (Pb) se divide por la lectura del indicador de nivel . La ventaja principal e s que la densidad se calcula siempre sobre la altura total del producto . Esto elimina el inconveniente que presenta la medición THT. El valor de la densidad está disponible en todo momento y esto es una ventaja respecto a la medición po r servomecanismo . El transmisor de presión Pb mide la masa total del tanque de l mismo modo que los sistemas THT. También es posible instalar un transmisor d e presión en la parte superior del tanque para compensar la sobrepresión o la presió n baja . El transmisor de presión Pm empleado en los sistemas THT nunca se emplea en los sistemas híbridos porque la densidad se mide mejor por el método que s e acaba de exponer . En general, la mayoría de sistemas sencillos como lo s servomecanismos, los sistemas por microondas o los THT, pueden extenderse a sistemas de medición híbridos . La limitación respecto a los tanques de alta s presiones es la misma que para los sistemas THT. Sin embargo, cada vez más aplicaciones GPL incorporan un transmisor de presió n que se monta en la parte superior de este tipo de tanques para medir l a sobrepresión . Los tanques GPL siempre son una mezcla de propano y butano. L a presión y la temperatura del vapor son un buen indicador de la calidad del tanqu e GPL (relación propano/butano) . Métodos de control de cantidade s En control de tanques, el nivel no es el parámetro más importante . El interé s principal radica en el volumen y la masa . Hay dos métodos de control de cantidades reconocidos como de gran calidad, los basados en la medición de mas a y de volumen . El método basado en la medición del volumen consiste en medir e l nivel y la temperatura . El método basado en la medición de masa consiste e n medir la presión hidrostática de la columna de líquido .

105

Requisitos funcionale s Para un sistema de control de tanques se deben dar los requisitos funcionale s siguientes : • precisión en el nivel proporcionado por el indicador de nive l • temperatura media proporcionada por una Pt-100 puntual o un sensor d e temperatura media • densidad promedio, obtenida por un sistema de control de niveles o mediant e análisis en un laboratorio . • volumen observado aproximado (GOV, gross observed volume ) • volumen estándar aproximado (GSV, gross standard volume) • volumen de agua y sedimentos (S&W, water and sediments ) • volumen másico y volumen estándar neto (NSV, net standard volume) . El volumen observado aproximado es el volumen de producto que hay en el tanqu e estimado a partir de una lectura de nivel y de la relación que se da en la tabla d e capacidades del tanque (TCT) . A veces, este valor también se denomina volume n total observado . La TCT es la tabla de calibración de un tanque, en que se da l a relación entre el nivel del producto y el volumen en el tanque. Dado que los tanque s se deforman durante su llenado, no hay una relación lineal entre la altura de l producto y el volumen, especialmente en la parte inferior . En la industria petrolera, todos los volúmenes se recalculan a una temperatura estándar de 15 °C o 60 °F . Un cambio de temperatura de 1° conlleva un cambio de volumen de un 1% . En los hidrocarburos, al ser aislantes, las diferencias de temperatura debidas, por ejemplo , a la adición de distintos lotes en un mismo tanque, se pueden notar meses má s tarde . Por este motivo, el American Petroleum Institute (API) y la American Societ y for Testing and Materials (ASTM) exigen un mínimo de tres mecanismos d e medición de temperatura en cada tanque . Cuantos más dispositivos de medición d e temperatura haya en el producto, mayor precisión tendrá la temperatura promedio . Por ello, en la práctica, en cada tanque se emplean entre seis y ocho dispositivos d e médicióri de t nip— rátura (Vé-ase-la fig 6 11) .

Puesto que la densidad relativa del agua es, en muchos casos, mayor que la de l producto, y la mayoría de productos no se mezclan con el agua, estos productos n o se pueden vender al mismo precio que los hidrocarburos, así que es necesari o calcular el agua libre que hay en el tanque . Esto se puede conseguir de varia s maneras . Los servomecanismos de control más modernos pueden realizar est a operación automáticamente . También se puede emplear una sonda capacitiva en combinación con un medidor de nivel por microondas . Como último método, per o no por ello el menos importante, también se puede emplear un fleje de inmersión en el que se unta una pasta que cambia de color cuando se pone en contacto con el líquido. Esta pasta no debería cambiar de color con demasiada facilidad, porque se podría colorear con la misma humedad del aire . Además, hay otro inconveniente : puede ocurrir que si el fleje permanece demasiado tiempo sumergido no se mida e l agua, o no se mida toda . Por otra parte, si el fleje permanece demasiado tiemp o sumergido, el nivel de agua medido podría parecer excesivamente elevado . Aspectos acerca de la medició n Hay factores externos que introducen errores que se suman a los intrínsecos a lo s equipos de medición : • la tabla de capacidades del . tanque • las correcciones del tanque • los movimientos de la parte inferior del tanqu e • la expansión térmica del casco del tanqu e • la deformación hidrostática • los cambios en el peso del techo (provócados por la nieve) • los movimientos de la placa de característica s • la instalación de dispositivos de medición • la estabilidad de la plataforma de los sistemas de medició n • la forma del tanqu e Tablade capacidades del tanqu e El error en la tabla de capacidades del tanque se debe a errores cometidos con e l equipo de calibración. Además, con el tiempo, la capacidad del tanque cambia, d e modo que la mayoría de compañías vuelven a calibrar el tanque cada cinco o diez años . Correcciones del tanque Las correcciones del tanque en la tabla de capacidades no son precisas al cien po r cien, pero tienen la ventaja de que estos errores son reproducibles.

--fig.- 6.1 1 Muchos hidrocarburos son higroscópicos y algunos, como el crudo, contienen agu a de forma natural (siempre hay un pequeño porcentaje de agua presente en lo s hidrocarburos) .

106

Movimientos de la parte inferior del tanque Cuando el tanque está lleno, en su parte inferior se comporta de modo distinto a cuando está vacío . Esto quiere decir que en la parte inferior de los tanques hay una zona. de `no va' (no se puede medir) . Por ejemplo, cuando el techo no flota, sin o que descansa sobre sus apoyos .

107

Expansión térmica del casco del tanqu e La capacidad y las características del tanque cambian por la temperatura : un tanque con un producto a 200 °C tiene una capacidad distinta y se deforma más que si está a temperatura ambiente . Pero es posible hacer predicciones bastant e buenas y efectuar correcciones en consecuencia . Cambios en el peso del tech o En tanques de techo flotante, el peso del techo puede cambiar . Los vientos fuertes lo pueden hacer empezar a oscilar, sea cual sea su tamaño- o peso . Además, la s juntas de goma en los lados generan rozamiento, de modo que el techo no s e mueve del mismo modo con o sin producto . En climas fríos, puede acumulars e una gran cantidad de nieve en el techo que provocan cambios sustanciales en s u peso . Cuando el peso del techo o su posición cambian por cualquier causa, el nive l del producto también cambia . Movimientos de la placa de característica s La placa de características sepuede mover por las deformaciones que experiment a el tanque . La placa de características es una placa real soldada en el tanque qu e representa el nivel cero oficial del tanque . No es posible medir por debajo de est e nivel . Ni siquiera es posible sacar producto del tanque por la posición en que s e encuentran las tubuladuras de entrada y salida .

7 .0 Medición de nivel por presió n hidrostática Principi o Este método se basa en la medición de la presión hidrostática correspondiente a una columna de líquido de una altura determinada . La presión se calcula mediante la expresión: P = h • p • g donde P = presión h = altura de la columna de líquido g = aceleración de la gravedad (constante en un lugar determinado ) r densidad relativa

A partir de la fórmula se observa que si la densidad efectiva del medio es ' constante, la única variable es h . Así, pues, la presión es directamente proporciona l a la altura h, es decir, al nivel del líquido en el tanque (véase la fig . 7.1) .

H=

p DB

P• g

Instalación de dispositivos de medició n El único punto oficial de medición para efectuar una medición de nivel correcta e s justo encima de la placa de características del tanque . Sin embargo, en alguno s casos no es posible montar el dispositivo de medición de niveles en este punto e n particular, de modo que se tiene que montar en otra parte . En este caso, se efectúa un ajuste para corregir la inclinación de la pared del tanque . En algunas zonas, e l suelo esbastante débil y el tanque se mueve ligeramente a lo largo de los años . Este del tanque (TCT) . error se puede eliminar si se efectúa un nuevo

H = altura del líquid o P = presión hidrostática p = densidad del producto g = aceleración de la gravedad

Donde: P = Pgrav + Po

calibrado

Pgr av = presión hidrostática de la columna de líquido Po = presión estática = 0 para tanques abiertos

Estabilidad de la plataforma de los sistemas de medició n No todas las posiciones de montaje son perfectamente estables . Por ejemplo, el techo de un tanque de techo fijo tiene sólo unos milímetros de espesor y, si se and a por encima, el techo se puede mover y originar errores de medición . En algunos casos, los cambios que estos movimientos provocan en la posición del dispositiv o de medición en relación con el nivel del producto son permanentes . -- Forma

del tinqu e La misma forma del tanque puede originar errores . Un tanque cilíndrico vertica l experimenta una deformación mayor y, por lo tanto, está sujeto a mayores errore s que un tanque de tipo esférico .

1 08

0 .. .4 20 m A

o

H

Pgra

jjirj E

1 bar = 10' Pa = 10 m columna de agua

DB

11

fig. 7. 1

El esquema también permite observar que la presión medida es igual a la presió n de la columna de líquido + la presión en la superficie .

109

En tanques abiertos expuestos a la atmósfera se establece que la presión en l a superficie del líquido es cero. La presión en la superficie suele ser despreciabl e porque la mayoría de sensores de presión disponen de dispositivos que compensa n la presión atmosférica . Si la presión en la superficie del líquido es mayor que l a presión atmosférica (tanques cerrados), se puede emplear un sensor de presió n diferencial . Entonces, la presión total medida es mayor que la correspondiente a l a columna de líquido en un tanque abierto . En este caso, se resta de la presión total , la que actúa en la superficie, y queda la presión correspondiente a la columna d e líquido . La unidad de presión en el S .I . es el Pascal (Pa), pero la presión tambié n se expresa en bar o en alturas de una columna de líquido . 1 Pascal = 1 N/m 2, 1 bar = 10 5 Pa, 1 bar = 10 m de columna de agua, 1 bar X15 psi .

Montaj e El sensor de presión debe estar expuesto a la presión (es decir, a la columna d e líquido) ; por ello se suele montar en el fondo o cerca del fondo del tanque . Si el sensor no se puede montar directamente en el lateral del tanque al nivel adecuado , se puede montar en el extremo de una barra o cable y bajarlo desde la part e superior del tanque hasta la profundidad oportuna (véase la fig . 7 .3) . También existe una versión con cable de alargo para emplear en pozos y cisternas .

K

Aplicación práctica Los transductores de presión hidrostática consisten siempre en una membran a conectada mecánica o hidráulicamente a un elemento sensor, ya sea de tip o inductivo, capacitivo, de elongación óhmica o semiconductor. Aquí sólo s e presenta el método de la elongación óhmica basado en la técnica de multicapas d e semiconductores . Un cambio de presión provoca un cambio en la elongació n óhmica (p. e j . la resistencia) del elemento transductor y se convierte en una seña l de medición en un pre-amplificador . A su vez, esta señal se transmite a u n amplificador de medición remoto que proporciona señal de salida de 4-20 mA o una señal de bus de campo para lectura directa o puede proporcionar una seña l para procesamiento posterior en un sistema de control . En el Deltapilot se emple a una segunda membrana para separar el sensor de la atmósfera y permite ademá s tener una compensación de presión relativa mediante un filtro de goretex en e l cabezal y un pequeño tubo de plástico que conduce directamente a la parte d e atrás de la célula . De este modo, al independizar el sistema de influencia s atmosféricas como la condensación debida a cambios de temperatura, se crea un a configuración delta-P verdadera (véase la fig. 7.2) .

FMC

F

c

F

c

T

L

fig. 7. 3

fig. 7.2 110

Si el sensor se tiene que montar en tubuladuras de acoplamiento o tuberías largas , hay que asegurarse de que el medio no cristalice o se congele en el interior. D e otro modo, la presión no se transmitirá a la membrana y no se podrá medir . Para evitarlo, se puede elegir un sistema de montaje distinto o bien se puede calorifuga r la tubuladura o tubería . A efectos de control y calibrado se recomienda siempre un montaje superior o lateral porque permite actuar en el sistema sin tener qu e interrumpir el proceso .

111

El sensor de presión hidrostática descrito sólo se puede usar en tanques a presione s atmosférica o en recipientes abiertos . En determinadas condiciones, se pued e montar un segundo transductor en tanques presurizados para medir la presión d e vapor en la superficie del líquido . Para esta aplicación hay un transmisor especia l con dos circuitos de entrada . Este es lo que se conoce como medición eléctrica d e la presión diferencial (véase la fig. 7.4) .

nivel

presión

III*Ih VI I 1,7

—T-

canol 1

-88881

fig. 7.5

canol 2

1 fig. 7.4 La medición de presión diferencial, que requiere dos sensores, también se pued e llevar a cabo directamente con una célula de medición de presión diferencia l (véanse las figs . 7.5 y 7 .6) . Hay que hacer dos conexiones en el recipiente, por ejemplo, con dos diafragma s separadores o con dos células de medición de cerámica con una conexión d e compensación abierta o cerrada (célula absoluta), que conduzcan a una célula d e medición .

fig. 7.6 112

11 3

Modelo s La gama de sensores de presión consta de modelos estándar con conexiones a proceso en el cuerpo del transmisor o brida y de modelos con sellos separadore s para montar desde la parte superior del tanque (véase la fig. 7.7) . También s e dispone de los modelos higiénicos (véase la fig . 7.8) con adaptadores especiale s empleados en las industrias alimentaria, farmacéutica y láctea . Hay versione s especiales de transmisores de AP para aplicaciones de detección y medición d e nivel con un diafragma de cerámica grande que evitan la adherencia o el desgast e (véase la fig 7 .5) .

fig. 7. 8

fig. 7. 7 Aplicaciones Los sensores o mirillas de nivel hidrostáticos se emplean en muchas ramas de l a industria para la medición de niveles en tanques o cisternas abiertos o cerrados . Hay modelos adecuados para indicación de niveles de unos cuantos mm d e columna de agua hasta 0-160 m de columna de agua 0-100% . Los sensores de presión hidrostática suelen ser los preferidos en aplicaciones de la industria alimentaria, donde se manejan productos con viscosidades cambiantes (véase la fig 7.9) . Estos sensores no son sensibles a cambios de conductividad, a la formación de espuma o a la composición del producto, pero sí a cambios en la densidad de l producto puesto que, aunque se emplea como medidor de niveles, se mide un a presión, y ésta es el producto de la altura por la densidad del producto, r . Esto puede ser una ventaja en los casos en que se quiera conocer el peso del producto, y no su volumen.

114

fig. 7. 9 115

Los transmisores de presión diferencial para medición de niveles en tanque s presurizados (véase la fig. 7 .4) también se emplea en filtros para indicar el grado d e obturación del filtro . Si el filtro se mantiene limpio, no habrá diferencias de presió n sensibles a lo largo de toda la superficie del filtro . A medida que el filtro se v a taponando, la presión en la parte del flujo entrante del filtro aumenta y la del fluj o saliente disminuye . La presión diferencial se puede indicar, o bien conectar a u n relé que dispare una señal de alarma cuando su valor exceda los niveles aceptables .

fig.

fig.

7.1 0

Se puede emplear un sistema parecido para controlar el funcionamiento de u n rastrillo para la limpieza de una rejilla en un canal . Cuando la rejilla está demasiado sucia y obstaculiza el flujo, la señal dada por el dispositivo de medició n de presión diferencial activará el funcionamiento del rastrillo para que limpie lo s sólidos decantados (véase la fig . 7.11) . En esta aplicación, los valores absolutos n o son relevantes, puesto que se efectúa electrónicamente la resta de los dos valores . La señal de salida viene determinada solamente por la diferencia de nivel .

116

7.1 1

Para aplicaciones en productos corrosivos donde la unidad estándar de acer o inoxidable no sea suficientemente resistente, se dispone, por ejemplo, de modelo s en Monel o Hastelloy con membranas de platino o tántalo . El resto de partes de l cuerpo del sensor, incluidos la conexión a proceso o el adaptador de brida, puede n tener un recubrimiento resistente a la corrosión . Si aun así estos modelo s especiales no cumplen los requisitos de resistencia a la corrosión, una solució n podría ser el uso del principio del burbujeo (véase la fig . 7.12) : se conecta un extremo de un tubo de plástico adecuado a un pequeño compresor con una válvula reductora de aire `de caudal constante', y el otro extremo se introduce en e l líquido mediante un acoplamiento de presión estándar . El compresor ejerce una presión ligeramente superior a la de la columna de líquido; de este modo s e generan burbujas en el líquido, se provoca una contrapresión en el tubo igual a l a presión que ejerce la columna de líquido .

117

La contrapresión se mide mediante un sensor de presión estándar . Así, se mide e l nivel del líquido sin que el equipo entre en contacto con aquél, y de este modo s e elimina el problema de la corrosión por el producto .

8 .0 Detección y medición de nivele s por ultrasonido s 8 .1 Detección de niveles por ultrasonido s Principio de funcionamiento La detección de niveles por ultrasonidos mide la diferencia entre los Tiempos d e resonancia de una señal de sonido emitida desde un sensor montado en la pared d e un tanque y la misma señal recibida de vuelta por el mismo sensor (véase la fig . 8.1) .

fig.

7.1 2

Calibració n Siñ düdá, un ateas véñfáj s prácticas de los sensores de presión es que son fácile s de calibrar . La lectura correspondiente a 0% se toma con el sensor de presión a l descubierto, a presión atmosférica . La posición de montaje del sensor en e l recipiente debe tenerse en cuenta puesto que puede llegar a influir en l a calibración (por ejemplo, debido a las fuerzas hidrodinámicas) . Se elige un determinado nivel de x m de columna de agua para la lectura correspondiente al 100% . Esto se simula mediante una válvula reductora y un manómetro preciso . También se puede emplear una simple manguera de jardín llena de agua de mod o que simule la altura del producto . Algunos distribuidores ofrecen servicios d e calibración según los requisitos ISO . Para un control o calibración intermedia, se recomienda montar fuera del tanqu e un transductor de presión y bajarlo desde arriba, o un modelo que se pueda aislar mediante una válvula .

1 18

fig.

8. 1

Aplicación práctic a El sensor, que está ajustado acústicamente respecto a la pared de un contenedor d e líquido (tanque, tubo o recipiente), genera un corto impulso de ultrasonidos que s e mantiene en resonancia localmente respecto a la pared . Las frecuencias d e resonancia son distintas dependiendo de que exista o no líquido directamente baj o el sensor. El sensor detecta la diferencia de tiempos de resonanci a correspondientes a un recipiente "vacío" y uno "lleno" y activa una señal de salid a (véase la fig . 8.2) .

119

fig.

fig.

8. 2

8. 3

Montaj e El sensor por ultrasonidos se sujeta a la pared del recipiente mediante fleje s tensores, pernos o rieles . El método más sencillo consiste en emplear un sistema d e flejes metálicos porque ofrecen la opción de montaje más flexible (véanse las fig . 8 .1 y 8 .4) . Este método permite cambiar fácilmente la altura del punto d e conmutación, si no es la apropiada . Antes de montar el sensor, la superficie se deb e "lubrificar" con una pasta que optimice el acoplamiento acústico .

Cuando se monta el sensor, se ajusta a una longitud de onda adecuada para qu e entre en resonancia respecto a la pared cuando el recipiente está vacío . El mismo procedimiento se lleva a cabo cuando el recipiente se llena y cubre de líquido e l punto bajo el que él-instrumento éstá instalado. Las dos frecuencias de resonanci a se almacenan en el instrumento y automáticamente se genera un punto d e conmutación entre ambas . Si el valor entre las dos frecuencias es aceptable, l a unidad pasa directamente al modo de funcionamiento . Si los valores so n incorrectos, el sistema pasa al modo de alarma . Téngase en cuenta que el material, el montaje y el grosor de la pared imponen restricciones . Se admiten todas la s paredes de metal, vidrio y plástico (excepto PA y PTFE) de un grosor entre aproximadamente 2 y 12 mm . Por otra parte, debido a la rigidez de las tuberías, e l diámetro mínimo debe ser de, por lo menos, 200 mm. El sensor de nivel po r ultrasonidos se conecta con un interruptor de nivel independiente . La señal es de l tipo especificado según EEx ia, de modo que el sensor se puede montar en un a zona de riesgo (véase la fig . 8 .3) .

fig.

1 20

8.4

12 1

Aplicació n La aplicación más común de este método es donde se requiere una medición n o invasiva, ya sea porque el producto pueda contaminar, o ser venenoso, corrosivo o no homogéneo . A continuación se mencionan algunos ejemplos típicos : • detección de niveles en recipientes ya probado s • detección de reboses en recipientes de lejías, ácidos o detergentes de limpiez a concentrados • protectores de bombas en vacío para tubos de diámetro superior a los 200 m m • detección de niveles en situaciones que requieren que no haya contacto con e l producto, como por ejemplo en la industria farmacéutica o en biotecnologí a (véase la fig . 8 .5) • en recipientes de vidrio o con revestimiento de vidrio, que no permitan e l montaje de los instrumentos habituales .

Ajuste El ajuste se lleva a cabo más fácilmente después del montaje y consist e simplemente en apretar un botón en situación de "pared seca" y pulsarlo de nuev o en situación de "pared con líquido" . El microprocesador almacena las do s frecuencias de resonancia y genera automáticamente un punto de conmutació n entre ambas . Pero debido a que la frecuencia de resonancia es distinta en cad a punto, si se modifica el punto de instalación, se debe repetir el ajuste .

122

8 .2 Medición de niveles por ultrasonido s (tiempo de retorno de la señal ) Principio de funcionamiento Los métodos de medición de niveles por ultrasonidos se basan en la medición de l tiempo de retorno de una señal acústica emitida por un sensor que se refleja en l a superficie del líquido o sólido y es recibida de vuelta por el mismo sensor (véase l a fig . 8 .6) . °

fig. 8. 6

123

Aplicación práctica El tiempo de retorno de un impulso de ultrasonidos es una medida directa de l a altura del producto en un silo o tanque, ya que la distancia en metros que recorr e el impulso es igual al tiempo de viaje en segundos multiplicado por la velocidad de l sonido en metros por segundo . La velocidad de los ultrasonidos es d e aproximadamente 331 m/s en aire a 0 °C, y es independiente de la frecuencia y d e la presión del aire. Sin embargo, sí depende de la temperatura del aire, por lo qu e se debe aplicar un factor de corrección de 0,17% por . cada °C de incremento d e temperatura en todos los sistemas . Para otros gases y vapores, las velocidades d e transmisión son distintas (véase "Composición del gas") . El sistema de medición consiste en un emisor o sensor montado en el tanque o sil o y un amplificador de medición remoto instalado, por ejemplo, en la sala de control . El amplificador genera una señal de salida de 4 - 20 mA proporcional al nivel , aunque de hecho se mide la altura de espacio vacío, en vez de la altura de l producto . El sensor en sí consiste en una membrana conectada a uno o má s cristales piezoeléctricos que transmite y recibe la señal sonora (véase fig . 8.7) . Cuando se someten a energía eléctrica, los cristales piezoeléctricos generan un a débil vibración mecánica que la membrana convierte en señal acústica . De mod o análogo, la onda sonora reflejada origina una vibración mecánica en el cristal qu e se convierte en una débil señal eléctrica (el impulso de retorno) . La diferencia d e tiempos entre la transmisión de la señal original y la recepción de la señal d e retorno es el tiempo de retorno, es decir, el tiempo que tarda la señal en recorre r dos veces la altura de la parte vacía del tanque o silo .

El sensor tiene una conexión de 1" roscada y el cabezal contiene además l a electrónica de pre-amplificación (véase la fig . 8.8) . En los transmisores compactos , en el propio cabezal del instrumento hay un teclado para realizar el ajuste loca l (véase la fig . 8 .9) .

fig. 8. 8 1111111111111

1111111111111

brida d e montaje

f

membrana

fig. 8.7

fig. 8. 9 1 24

125

Si el sensor se conecta a un osciloscopio, se puede ver la siguiente imagen (véase l a fig . 8.10) .

La frecuencia del impulso emitido se determina por la distancia máxima que se v a a medir . Para una distancia máxima de 20 m, la distancia total que recorre e l sonido es de 40 m . Distancia Tiempo de retorno de señal = Velocidad

40m .1/8 s 331m/s = aprox

Es decir, en este ejemplo, la frecuencia del impulso transmitido puede ser de 8 Hz . En la práctica, se emplea una frecuencia de 2-10 Hz, según cuál sea la distancia máxima que se va a medir .

fig.

8 .1 0

En el punto 0, cuando se somete el cristal piezoeléctrico a corriente alterna s e genera un impulso de sonido y el sistema empieza a vibrar a la frecuencia d e resonancia . El impulso original tiene una vibración de aproximadamente 2 ms y l a frecuencia de transmisión está entre los 13 y los 4 kHz, según el tipo d e transductor o sensor . El punto 1 es el final del impulso de sonido . En este punto, las vibraciones de l a membrana se empiezan a amortiguar como consecuencia del rozamiento . Esta fase dura aproximadamente 1 ms, tras la cual el dispositivo vuelve a estar listo para qu e la membrana y los cristales piezoeléCtricos reciban la señal de retorno (el eco) . En el punto 2, el impulso de ultrasonidos, tras 3 ms en este ejemplo, ha recorrid o una distancia de aproximadamente 1 m (2 x 0,5 m) . Esto significa que el sensor puede determinar distancias a una superficie reflectora no más cercana a 0,5 m . Esta distancia se denomina distancia de bloqueo . La distancia mínima de bloque o está entre los 0,3 y los 1,2 m, según el tipo y el campo de medida del sensor . Para conseguir un uso óptimo de la capacidad del tanque, a menudo los sensores s e montan en una tubuladura . En el punto 3, la señal de retorno se recibe, en este ejemplo, 6 ms más tarde, despué s -de recorrer una distancia total de 2 m, de modo que el nivel está a 1 m del sensor . En el punto 4, pasados 6 ms, se recibe una segunda señal de eco o, en ciertas circunstancias favorables, incluso un eco múltiple . Puesto que el segundo ec o siempre es más débil que el primero y se recibe más tarde, no se incluye en e l proceso de medición .

126

Un amplificador por ultrasonidos se puede comparar con un cronógraf o sofisticado que convierte el tiempo entre la emisión del impulso y la recepción de l eco en una señal de salida estándar . Además de la información sobre el tiempo que tarda (es decir, la distancia que hay) desde el sensor hasta la superficie donde s e refleja, el sensor informa al transmisor acerca del tipo de sensor, la banda d e amplificación y la temperatura . La información de la distancia se analiz a estadísticamente, con lo que los ecos falsos provocados por mezcladores o po r material cayendo no distorsionaran la evaluación del eco verdadero . Supresión de ecos falso s Cuando de emplean ultrasonidos para la medición de niveles, puede suceder qu e la señal se refleje en tubuladuras, otros sensores de medición, refuerzos de l a estructura o costuras de soldaduras . Los ` falsos' ecos se pueden eliminar para evita r falsas interpretaciones . "Eliminar" significa que el microprocesador puede eleva r uno o más puntos fijos el umbral de detección, llamado UFT o umbral función de l tiempo (véase la fig . 8.11) . Si la señal reflejada es lo bastante fuerte, el transmiso r podrá seguir la señal `verdadera' de eco también con ese umbral de detecció n elevado. Si la señal de eco está por debajo del umbral de detección, el transmiso r busca alrededor de ese umbral y retiene la salida hasta que la señal reaparezca . Este eco de interferencia se puede eliminar de dos modos : 1) Punto por punto (máx . 10) - El sistema mide una distancia del sensor a un punto de reflexión erróneo porque el tanque o silo está vacío o el nivel es mu y bajo y da valores erróneos . Este eco de interferencia se elimina pulsando u n botón, y el amplificador busca un nuevo nivel de reflexión . 2) Automáticamente - Se debe llevar a cabo cuando el nivel del producto es bajo . Se puede medir a mano la distancia entre el sensor y el nivel hasta un nivel ta n bajo como sea posible con este método, y al pulsar un botón, el sistema mism o detectará e interpretará todas las demás señales de eco entre el sensor y este ec o como ecos de interferencia y las eliminará .

127

En sólidos, además, para recibir un eco de retorno adecuado, las partículas debe n tener cierto tamaño . Dado que las superficies de los sólidos no suelen se r horizontales, la señal de retorno tiene que proceder de partículas individuales . El tamaño que debe tener la partícula para que la reflexión no sea difusa depende d e la frecuencia (véase la fig . 8.12) . Así, pues, además del montaje del sensor, par a que un sistema de medición de niveles por ultrasonidos trabaje correctament e debe tenerse en cuenta este parámetro (véase la fig . 8 .14) . Cuanto más suave sea la superficie del líquido o cuanto mayor sea el tamaño de la partícula de los áridos , mayor será la señal reflejada .

fig.

8.1 1

Criterios para la selección del sistema de ultrasonidos má s apropiado 1. Distancia que se va a medir Este es el primer factor que se debe considerar . Para elegir entre los varios tipos d e amplificadores y sensores, debería consultarse una tabla de especificaciones o algún otro tipo de documentación y los datos del proceso . Un sistema desarrollad o para obtener una precisión muy alt a. en distancias cortas no será lo suficientement e eficaz para distancias largas . 2. Composición y propiedades de la superficie del product o Es inherente a este tipo de sistemas que por lo menos una pequeña parte -de l a señal sonora transmitida se refleje en la superficie del producto . Si en la superficie del líquido hay algún tipo de capa o espuma o si el producto es algún árid o compuesto de pequeños gránulos, se reflejará menos energía y se requerirá un mayor poder de transmisión para la misma distancia .

128

fig. 8.12

Las manchas de espuma ocasionales o- una capa fina de espuma no afectarán a l a medición. Solamente las capas de espuma gruesas absorberán toda la energí a ultrasónica y la señal de retorno no se recibirá, de modo que se deberá seleccionar un sistema de medición alternativo . En caso de espuma gruesa y densa, la seña l que regresará no corresponderá probablemente a la superficie del líquido, sino a l a superficie de la espuma misma, de modo que se producirá un error d e desplazamiento en el valor medido (véase la fig . 8.13) . reflexió n

A presiones muy altas, la membrana no se puede mover completamente por l a fuerza a la que está sometida . Por otra parte, el sistema no puede trabajar a presiones muy por debajo de los 760 mm de mercurio, ya que en vacío parcial de l medio de propagación (es decir, el aire o el gas), no se pueden transmitir señale s acústicas . 3b Temperatur a Los cambios de temperatura afectan al tiempo de propagación de una ond a acústica en un 0,17% por cada °C . Todos los sensores de señales ° acústica s disponen de un sensor de temperatura que compensa electrónicamente la s variaciones de temperatura . Pero dado que la temperatura sólo se puede medir en un punto, se pueden presentar variaciones debidas a los cambios en las temperaturas de capas distintas de aire/gas . 3c Composición del ga s La velocidad de propagación de las ondas sonoras a 20°C es 343m/s . Está velocidad de propagación variará en otros gases o vapores . Por ejemplo, en el nitrógeno la velocidad del sonido es de 349m/s .

1

Tiempo de retorno =

2 x Distancia que se mid e Velocidad del sonid o

condiciones ideales

fig.

espuma ligera, grandes burbujas, capa de espuma fina

espuma gruesa y esponjosa

espuma compact a y gruesa, burbuj a pequeña, alta densida d

8.1 3

3 . Condiciones para la medición Tanto la señal emitida desde el sensor como la reflejada deben atravesar l a atmósfera del-tanque o siló-- Para elegir el sistema de medición más adecuado, se deben examinar cuidadosamente todos los factores susceptibles de pode r amortiguar la señal o que puedan provocar interferencias por absorción o reflexión . Estos factores incluyen la presencia de polvo, vapor, presión, temperatura y cambios en la composición de los gases . Los más importantes se describen a continuación . 3a Presión Los sistemas de medición por ultrasonidos son insensibles a los cambios d e --presión. El tiempo de retorno del- sonido no va a experimentar variacione s significativas debido a los cambios de presión, hasta una presión máxima de 3 bar para los sensores de presión . Sin embargo, hay dos limitaciones en relación con l a presión . En primer lugar, una presión máxima de 3 bar, que es una limitació n puramente mecánica .

130

Así, por ejemplo, en un tanque de 8 m de alto, el tiempo de retorno en aire es el siguiente : C aire = 3

16m .0466 s ; y Cnitrógeno = 4 3m/s = 0

16m .0458 s 349m/s = 0

El amplificador procesa siempre la señal de eco según el valor correspondiente a l a velocidad del sonido en aire, por lo que se obtiene un valor de 7,85 m, pero la distancia total recorrida en nitrógeno es, en realidad, de 15,7 m . Esto representa un error de

8 87 .85

x 100% = 1 .9 %

Para eliminar este error se pueden calcular los nuevos valores para las distancias E y F y emplearlos para la calibración del sistema en lugar de la distancia real o se pued e calibrar el sistema en el seno del vapor o gas correspondiente para dos nivele s conocidos situados entre un 40% y un 60% del nivel máximo . debe tenerse e n cuenta el hecho de que en el caso de líquidos con una presión de vapor alta, el vapo r no será homogéneo, sino que se estratificará por capas . Esta formación de capas d e temperaturas distintas (y, por lo tanto, con velocidades de propagación distintas) s e da en líquidos templados o calientes, por ejemplo, en el ácido clorhídrico .

13 1

4. Montaj e El sensor se debe montar en la mejor posición posible para que el sistema funcion e correctamente, donde no haya obstáculos entre la superficie del producto y e l sensor. Las escaleras de acceso, los elementos de inmersión, los removedores, la s entradas de bombeo o una entrada de producto que caiga pueden provoca r interferencias . En silos de almacenamiento de áridos, se puede emplea r directamente la pendiente del producto almacenado, y no se requiere un soporte sobresaliente . El sensor tiene que estar dirigido hacia la ladera de la pendient e (boca de descarga direccional) mediante el llamado `Alineador de sensor' (véase la fig . 8 .14) .

fig.

8.1 4

A cada sensor le corresponde una distancia de bloqueo propia, que es la distancia mínima por debajo de la cual el receptor no es capaz de distinguir entre e l ultrasonido emitido y la señal reflejada . El nivel de producto nunca debe alcanza r esta distancia. En recipientes pequeños y medianos que contengan líquidos, el 100% o límite máximo suele estar entre los 200 y los 500 mm por debajo del tech o del tanque . Así, pues, el sensor se tiene que montar en una tubuladura elevada po r encima del techo del tanque para que el nivel máximo del líquido quede siempr e por debajo de la distancia de bloqueo .

1 32

En general, podemos decir que dicho soporte elevado debería ser corto con u n diámetro grande, especialmente si hay riesgo de que el producto condense dentr o o salpique el tubo . En la fig . 8.15 se ilustran dos tipos de soportes salientes o tubuladuras adecuado s para sensores en condiciones de medición limpias . En la unión de la tubuladura con el techo del tanque no debe haber rebabas ni salpicaduras de soldadura porque pueden provocar interferencias en la señal de eco . En la mayoría de casos, la distancia es demasiado pequeña para que se produzca interferencia directa en e l eco, puesto que la distancia es inferior a la de bloqueo, pero el eco podrra reflejars e por segunda vez y entonces se podría evaluar como un eco real . Las diferencias de temperatura entre el producto y la temperatura ambiente pueden originar rápidamente condensación en el techo del tanque, en l a tubuladura y en el sensor. Esta condensación no supone ningún problema e n tubuladuras de diámetro grande . Las tubuladuras de diámetro pequeño se puede n mantener libres de condensación por ventilación natural, aislamiento térmico o calentamiento. El mejor tipo de tubuladura es una que entra ligeramente en é l tanque, cuyo extremo está biselado a 45o y en el cual se han eliminado todas la s rebabas . De este modo, cualquier gota que condense se acumula en la parte inferior y el paso de una tubuladura relativamente estrecha a un espacio relativamente grande se distribuye en una distancia y un tiempo determinados . Esta transición gradual elimina cualquier eco de interferencia procedente de l extremo de la tubuladura. Si la distancia de bloqueo queda dentro de l a tubuladura, es necesario emplear diámetros de tubo grandes, entre 300 y 600 mm.

fig.

8.1 5

133

Si no se encuentra una posición óptima para la instalación del sensor, el nivel de interferencia aceptable va a depender de las otras condiciones, como la distanci a que se quiere medir, los ecos de interferencia que haya, el tipo de producto, l a formación de gotas por condensación y los cambios en la superficie de reflexión. Con el empleo de ventanas de tiempo y valoraciones estadísticas en lo s amplificadores de medición controlados por el microprocesador es posible eliminar la mayoría de ecos de interferencia débiles . Por último, se comentará un aspecto más respecto a la posición del sensor y l a reflexión cero . Si la parte inferior del tanque es cóncava o si-la pared forma ángulo, el impulso de ultrasonidos se reflejará en la superficie en ese mismo ángulo (ángul o de incidencia = ángulo de reflexión) y el eco no regresará al sensor . Esto provocará una señal de alarma en el sensor o bien dará el valor de salida máximo . En est e caso hay riesgo de ecos de interferencia procedentes de la superficie del producto . Generalmente, este problema se puede resolver colocando una pequeña plac a reflectora en la parte inferior de los tanques para líquidos o colocando el sensor d e modo que reciba el eco del fondo del tanque . Para silos de almacenamiento d e áridos, el sensor debería estar orientado hacia el tubo de salida ; de -modo que el impulso reflejado se reciba de ese punto (véase la fig . 8 .14) . La elección correct a de un sensor y de su posición se puede decidir una vez se han examinad o completamente todas estas condiciones de funcionamiento y montaje .

8 .3 Aplicaciones, modelos y calibració n

Aplicacione s Los sistemas de medición por ultrasonidos se pueden emplear para una gra n variedad de aplicaciones, desde cambios en el nivel del agua de menos de 10 ó 1 5 cm para mediciones de caudal en cauces abiertos hasta la determinación de l a cantidad de carbón o caliza en un silo de 60 m de profundidad . Es evidente que con tal variedad de aplicaciones, se requieren distintos tipos de sensores y de lo s correspondientes amplificadores . El aspecto más relevante para la medició n cuando se quiere detectar pequeñas variaciones de nivel en la superficie de u n líquido en calma es la precisión, mientras que si se pretende medir distancias larga s en condiciones desfavorables (ruido, polvo, entrada de flujos, interferencias y otro s factores perjudiciales), lo primero que hay que exigir es un alto grado de fiabilida d en la medición . El sistema debe ser capaz de proporcionar resultados fiables incluso en condicione s críticas . Un sistema de medición de amplificadores exige la utilización de un a extensa gama de filtros de selección, comprobadores de la integridad del eco y elementos que distingan entre el eco en sí y la frecuente presencia de ruid o industrial . Algunos amplificadores también indican cuándo una señal de salida deja de se r fiable por pérdida del eco reflejado, rotura del cable o algún defecto en el sensor o el amplificador. Con estas opciones de seguridad, las salidas se pueden configura r a los modos `hold' (retención de señal), `mínimo' o `máximo' y, de este modo, s e configura el equipamiento periférico para que reaccione de manera segura . Las propiedades únicas de estos sistemas los convierten en los dispositivos ideale s para el control de bombas en alcantarillas altamente contaminadas o en estacione s de bombeo . Es más, el hecho de que el sistema no entre en contacto con e l prodúct representa una gran ventaja cuando se emplea en tanques que contiene n productos pegajosos muy viscosos como colas, aceites, grasas, lodos, pintura, etc . En la industria química puede encontrar otras aplicaciones con lodos corrosivo s (véase la fig . 8 .16), en tanques de mezclado, celulosa noble en la industri a papelera, granulados plásticos en silos y en cubas de plantas de tratamiento d e aguas .

13 4

135

fig.

8 .1 6

En la figura 8 .17 se muestra una aplicación en glucosa viscosa . Además de para l a medición de niveles, el sistema de ultrasonidos se puede emplear para la medició n de distancias en cilindros neumáticos, la medición de alturas en plataformas d e trabajo, el seguimiento de flujos y reflujos de mareas y corrientes desde diques o embarcaderos, la medición de distancias entre el muelle y una embarcación y l a medición de espesores de rollos de papel, acero o aluminio, etc . Otras aplicacione s incluyen la medición de espumas de poliuretano, alturas de la subida de la masa e n repostería, y como dispositivo de seguridad contra colisiones entre dos grúas qu e se desplazan a lo largo de un muelle .

Modelos Dado que los sistemas de medición dependen del tipo de aplicación, el campo de medida y las condiciones en que la medición se lleva a cabo, la elección de u n sistema adecuado comporta la selección de unos cuantos transmisores y una serie de sensores que incluyen transmisores compactos (véanse las fig . 8 .8 y 8 .9) , transmisores de 19" y transmisores de campo . Estos comprenden sistemas para uso en configuraciones de bus y en áreas con riesgo de explosiones de gas y de polv o (ATEX) . Existe un modelo de transmisor de campo especialmente diseñado par a aplicaciones con agua que permite el control de bombeo mediante 3 ó 5 relés e n conmutación secuencial y es también adecuado para sensores gemelos destinados a la medición de Ah (véase la fig . 8.18) .

1 37

9 .0 Medición de niveles por microonda s Principi o La medición del tiempo de retorno de un impulso de microondas permit e determinar el nivel de un tanque o silo. Con productos líquidos, una antena o antena de trompeta emite y recibe los impulsos de microondas, mientras que par a productos sólidos, un cable sonda guía los impulsos de microondas . Las microonda s o ondas de radar (RAdio Detecting And Ranging, detección y localización po r radio) se emplean en la aviación, la marina y en aplicaciones militares .

9 .1 Medición de niveles por microondas en líquido s

fig. 8.1 8 Calibració n Una de las ventajas de procesar la señal en un transmisor independiente es que l a configuración se lleva a cabo totalmente desde la sala de control . El ajuste básic o de un sistema de ultrasonidos se puede realizar prácticamente sin producto en e l tanque o silo (o incluso en el banco de trabajo) . En general, los transmisores s e pueden manejar simplemente mediante campos programables en un a configuración matricial, con las teclas V (vertical) y H (horizontal) . La configuración-se--puede- ajustar o cambiar cuando sea necesario él - g - de cristal líquido mediante cuatro botones, es decir, el cursor, +, - y la tecla ENTER. Además del procesamiento completo de toda la información del sensor, el contro l del microprocesador también garantiza la función de seguimiento continuo d e todos los componentes importantes del sistema, tales como el pre-amplificador de l sensor, el funcionamiento correcto del sensor de temperatura, el cableado correct o entre el sensor y el amplificador, y el procesamiento en sí . Se hace seguimient o completo de la fiabilidad del eco . Los ecos de interferencia procedentes de l mezclador o de las entradas de producto se filtran estadísticamente . Si una capa de espuma absorbe completamente la señal, el amplificador da una alarma . En este caso, la salida de señal se puede reconducir a una escala superior o inferior, o s e puede mantener el último valor fiable . por

vi

El transmisor de nivel Micropilot funciona según el principio del eco . Una antena de varilla o una antena de trompeta dirige impulsos cortos de microondas de 0,8 ' ns de duración hacia el producto, éstos se reflejan en su superficie, y la mism a antena los detecta a su regreso, esta vez, actuando como receptor (véase la fig . 9.1) . La distancia a la superficie del producto es proporcional al tiempo de retorno de l impulso de microondas : D= c .t/2 D : Distancia del transmisor/superficie del product o c : Velocidad de la lu z t : Tiempo de tránsito en segundo s

or

un

fig. 9.1 1 38

139

El nivel L es la altura total del tanque vacío, E, menos la distancia medida, D : L = E — D. El nivel L se puede medir hasta justo por debajo de la antena de varilla o l a antena de trompeta, de modo que no hay restricciones por distancia . Est e instrumento, conocido como Micropilot, opera en la banda de frecuencias par a aplicaciones industriales, científicas y médicas, o banda ISM (6 GHz a 26 GHz) . Su baja potencia de radiación permite una instalación segura en recipiente s metálicos y no metálicos, sin riesgos para los seres humanos o el entorno . La medición de niveles por microondas es virtualmente independiente de l a temperatura, de condiciones de altas presiones o vacío, y de la presencia de polvo o vapor. Los impulsos de microondas viajan a la velocidad de la luz y no se ve n afectadas por la presencia de vapor . En la medición de niveles por ultrasonidos, los impulsos de onda sonoros s e generan mecánicamente mediante vibraciones del aire, y se reflejan debido a la s propiedades mecánicas del medio . En cambio, la medición por microonda s consiste en radiación electromagnética que se refleja debido a una variación en l a impedancia (es decir, un cambio de la constante dieléctrica del medio en que s e refleja) . La constante dieléctrica Sr del producto debe tener un valor mínimo . Lo s valores de Sr deben estar por encima de 1,4 para aplicaciones en tubo s tranquilizadores, o de 1,9 en cualquier otro caso . Por encima de estos valores, lo s cambios en Sr no afectan a la medición . Para productos conductores (> 1 0 mS/cm), la medición resulta totalmente independiente de er .

Aplicación práctica y procesamiento de la seña l Un oscilador de alta frecuencia (HF) genera una señal de microondas básica de 6 GHz. Un generador de impulsos de onda que genera una frecuencia de 3,6 MH z transmite por la antena la alta frecuencia original . La señal se refleja en el product o y regresa de nuevo al receptor por la antena . Luego, la señal recibida y la señal d e referencia, con la misma pulsación de 3,6 MHZ, pero reducida en 43,7 Hz, s e envían a ui mezcla*íc ora frocüeñcias . Cuando el impulso de referencia se mezcla con el transmitido (incluyendo e l impulso reflejado), la señal aumenta en un factor 82 .380, con lo que se obtiene u n impulso `de muestra' de 43,7 Hz (= 3,6 MHz / 82 .380) con una frecuenci a portadora de 70 kHz (= 6 GHz / 82 .380) . Esta señal `de muestra', de frecuenci a más baja y más fácil de manejar, tiene la misma forma y contiene la mism a información de reflexión que la señal original transmitida (véase la fig . 9 .2) . Después de procesar la señal, sólo 44 curvas por segundo se emplean para lo s análisis estadísticos y se convierten en una señal de salida .

1 40

frecuencia de repetición de pulsos : 3 .6 MH z frecuencia portadora

fig.

: 5 .8 GHz

9. 2

La calidad de la señal de microondas reflejada puede depender de la cantidad y de l tipo de espuma presente . Si la espuma es densa y conductora, la reflexión s e producirá en la espuma, en vez de en la superficie del producto . Si, por el contrario, la espuma es no conductora y no demasiado espesa, la señal aún se reflejará en la superficie del producto. El empleo de agitadores o la existencia d e olas reduce la amplitud de la señal reflejada, si ésta era suficiente . Un indicador de nivel por microondas es una medición por tiempo de retorno de las ondas y, po r ello, no depende de la amplitud de la señal de retorno . El empleo de indicadore s _ 3énivelpor impulsos de onda presenta ciertasventajas respecto a los indicadore s de nivel conocidos como FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave), ond a continua de frecuencia modulada) . Un instrumento FMCW emite una señal d e alta frecuencia de modo continuado, lo cual significa que su potencia efectiva e s unas 6 veces superior a la potencia efectiva de un indicador de nivel por impulso s de onda . Por este motivo, en algunos países no se permite el empleo d e instrumentos FMCW en aplicaciones abiertas a la atmósfera y/o su uso se regul a mediante la adquisición de licencias . Por el contrario, el empleo de indicadores d e nivel industriales basados en señales de impulsos de microondas se permite . co n toda libertad y no está sujeto a restricciones ni a la adquisición de licencias . L a potencia de un solo impulso (de cualquier indicador de nivel por impulsos) e s doscientas veces superior, por lo que la señal es más efectiva en condiciones d e medición desfavorables . En este libro sólo se describen los indicadores de nivel po r impulsos de microondas .

141

Criterios de selección La elección de un instrumento de medición de niveles por impulsos de microonda s adecuado para cada aplicación depende de los factores siguientes : 1. la resistencia química, la presión de proceso y la temperatura de la anten a determinan el material de la antena y de la brida 2. el campo de medida deseado y las condiciones de proceso tales como Er, ola s o remolinos y espuma determinan el tamaño de la antena 3. el tipo de tanque (de almacenamiento, depósitos reguladores o de proceso) y e l tipo de montaje (espacio abierto, tubo tranquilizador o derivación) 4. la precisión requerida y los requisitos de calidad exigidos por Ex . El primer aspecto que se suele considerar se refiere al campo de medida desead o para una aplicación determinada (por ejemplo, en un tanque de almacenamient o en calma, en un depósito regulador o en un tanque de proceso con agitador) . Un tubo tranquilizador o una derivación a la práctica se pueden ver también como u n tanque de almacenamiento en calma y presentan el campo de medida máximo . Los valores bajos de la constante dieléctrica y la presencia de olas favorecen l a atenuación de la señal, y hacen disminuir el campo de medida máximo de 35 m . Cada tipo de instrumento tiene su propia lista de aplicaciones adecuadas para cad a tipo de tanque, montaje y producto (véase el ejemplo de la fig 9 .3 para do s diámetros distintos) .

Las indicaciones B, C y D representan varios líquidos : B = líquidos no conductivo s tales como productos petroquímicos con una constante dieléctrica de Er = 1,9 . . . 4; C = ácidos concentrados, disolventes orgánicos, ésteres, alcoholes y acetonas co n una constante dieléctrica de Er = 4 . .. 10; y D = líquidos conductores, disolucione s en agua y ácidos diluidos con una constante dieléctrica Er > 10 . Los impulso s electromagnéticos se emiten mediante una antena, que puede ser de trompeta d e diámetros DN80, DN100, DN150, DN200 y DN250, o de varilla, de 390 mm o 540 mm de longitud . La antena de trompeta de acero inoxidable puede soportar una temperatura máxima de 400 °C y 100 bar de presión (aunque no al mism o tiempo), mientras que la antena de varilla (PTFE o PPS) puede soportar un a temperatura máxima de 150 °C y 40 bar de presión (aunque no a la vez) . Propiedades importantes de la antena de trompeta y cuándo emplearla : e cuando pueden formarse condensaciones en la anten a • para empleo en tubuladuras > 250 m m • para campos de medida mayore s • para condiciones de presión y temperatura mayore s • mayor robustez • se adapta mejor a aplicaciones en derivacione s • en caso de reflexión débil (er baja o olas) . Propiedades importantes de la antena de varilla y cuándo emplearla : e resistencia química (completamente PTFE ) • acoplamientos a proceso pequeño s • tubuladuras estrechas • cuando se pueden producir adherencias en la tubuladura .

fig. 9.3 1 42

Montaj e El impulso de microondas debe llegar sin problemas a la superficie del product o siempre que sea posible . Cada objeto que se interponga con el haz produce una señal de eco, mayor cuanto más cerca esté el objeto (véase la fig. 9 .4) . Si no s e puede elegir una posición de montaje diferente que evite los ecos fuertes, ésto s interferirán con la medición y se deberán suprimir durante el calibrado . Este s e lleva a cabo de manera parecida a la medición por ultrasonidos con la opción TD T (Time Dependent Threshold, umbral función del tiempo) . Puesto que las microondas están polarizadas, el haz de radiación tiene que ser perfectament e paralelo a la pared del recipiente, de modo que la marca de alineación en e l acoplamiento de brida o de cable debería colocarse paralela a la pared del recipiente (véase la fig . 9.5) . Evite una posición central en el tanque,y manténgal a separada (por lo menos 300 mm) de accesorios, entradas, aros, tuberías y paredes . El eje del transmisor debe estar perpendicular a la superficie del producto . El nive l máximo se alcanza justo debajo de la antena o antena de trompeta, de modo qu e no hay restricciones por distancia .

143

Micropilot montado en tubuladur a

los obstáculos deben estar fuera del ángulo d e emisión, ya que pueden causar interferencias

fig. 9.4y 9 .5 La arista frontal de la antena de varilla y la parte cónica de las antenas de trompet a deben estar encaradas hacia el tanque (véanse las fig . 9.6 y 9 .7) . Evite las mediciones a través de la cortina de vertido del producto o en el remolino . Prest e atención a las instrucciones de montaje de la hoja de especificaciones para e l montaje del tubo tranquilizador y del conducto (tubo de inmersión) en derivación . Las tuberías deben ser metálicas, tener un diámetro constante y montarse junto a l diámetro de la antena de trompeta . Para que el producto se mezcle mejor, en e l tubo tranquilizador se pueden abrir ranuras de un tamaño determinado (véase l a fig . 9.8) . Se puede emplear una válvula de bola de paso total que cierre el punto d e medición para las tareas de mantenimiento (véanse la fig . 9.9 y, en la práctica, la fig. 9 .11) . Para casos en que existan tubuladuras elevadas o incluso tubuladura s inclinadas que no se adecúen a las exigencias de montaje especificadas, existe n extensiones de antena especiales y extensiones curvas .

fig. 9.6y 9. 7

d

Si es posible, las soldaduras deben-hacerse en el eje de lo s taladro s

taladros de un diámetro máx . de 1 /10 de l diámetro de l tubo

fig. 9.8y 9. 9

144

145

Características eléctricas y electrónica s El indicador de nivel por microondas se tiene que conectar a una fuente d e alimentación CC o CA, indistintamente . La energía de alta frecuencia radiada e s baja (alrededor de 0,2 mW de potencia efectiva, lo cual representa 500 veces menos que un teléfono móvil, y 2.500 veces menos que el ritmo de dispersión d e radiación de un horno de microondas) . Por lo tanto, los indicadores de nive l industriales basados en impulsos de señal de microondas son seguros y, por otr a parte, no están sujetos a adquisición de licencias o cualquier otro tipo d e regulación . La señal de salida es de 4-20 mA (activa -o pasiva) y alguno s instrumentos tienen una salida de relé adicional para la función de alarma . Para funcionamiento remoto, el Micropilot se puede distribuir con uno de los cuatr o módulos de comunicación siguientes : • protocolo PROFIBU S • protocolo HART • interfase RS-48 5 • bus de campo Foundatio n

Tanto si se configura con el módulo de visualización, con el software d e configuración (ToF-Tool), desde un terminal portátil o por un sistema de bus, e l Micropilot se maneja siempre a partir de un menú de configuración con campos de entrada y salida de información. Aplicacione s Los instrumentos de indicación y medición de niveles por microondas se emplea n en situaciones en que las ventajas de otros indicadores de nivel de no contacto co n el producto como, por ejemplo, los ultrasonidos, son obvias, pero no' pueden funcionar debido a las condiciones de trabajo, por ejemplo, altas presiones , presiones muy bajas (vacío), altas temperaturas o composición del aire . Por ello, las microondas se emplean a menudo en procesos químicos y en aplicaciones d e almacenamiento (véanse las fig . 9 .11 y 9 .12) .

Las versiones no equipadas con interfase digital se configuran mediante un módulo de visualización portátil. Para versiones Ex (ATEX II 1/2 G), esta unidad es intrínsecamente segura . Esta unidad de calibrado compacta, que comprende u n visualizador, un teclado y un indicador de error (véase la fig . 9.10), va introducida en el compartimento de conexiones del transmisor . Un cable corto permite manipularlo con facilidad, incluso cuando el transmisor está en una posición embarazosa. El visualizador, de cuatro líneas de texto claro, muestra lo que se est á haciendo y lo que hay que hacer a continuación . También muestra la curva de l a señal envolvente cuando el instrumento la detecta . También hay un modelo ATE X EEx de la TIC T6/T4 (seguridad intrínseca) .

fig. 9.1 1

fig. 146

9 .10

En la fig. 9.11, un indicador de nivel por microondas se emplea en un tanque d e almacenamiento por condensación de hidrocarburo a alta presión . El instrument o se monta en un tubo tranquilizador que disponga de una válvula de bola, de mod o que se pueda acceder a éste sin necesidad de alterar el proceso . Por supuesto, el indicador de nivel por microondas de esta aplicación cumple las exigencias Ex .

147

En la fig . 9 .12, el indicador de nivel por microondas se emplea en un tanque d e almacenamiento de mercaptano . Por razones de seguridad, se añade un interrupto r de nivel de diapasón, o LIQUIPHANT (en la parte delantera), como alarm a independiente de detección de nivel alto (HLA, High Level Alarm) .

En la fig . 9 .13, se emplea un indicador de nivel por microondas para una cuba d e purines en una aplicación aparentemente sencilla que, en principio, se podrí a haber resuelto con un indicador de nivel por ultrasonidos . Pero la espum a conductora absorbe toda la energía acústica y, en cambio, refleja la energí a electromagnética .

fig. 9.1 3

fig. 148

9 .1 2

Modelo s Hay cuatro tipos de indicadores de nivel por microondas (véase la fig . 9 .14) : 1) tipo estándar, precisión de 10 mm con antena de varilla o antena de trompeta para aplicaciones generales . 2) un modelo de mayor precisión (±3 mm) con una pequeña antena de trompeta . 3) tipo de sensor planar con una precisión de 1 mm para aplicaciones en tubo s tranquilizadores, por ejemplos para uso en aplicaciones de almacenamiento d e fluidos en custodia (véase también el capítulo 6) y en productos caros. 4) lo mismo que 3 pero con una antena parabólica planar para medición e n espacios abiertos .

149

9 .2 Medición de niveles por microondas en sólido s La industria de telecomunicaciones por cable desarrolló el principio de l a medición de niveles por microondas guiadas, o TDR (Time Domai n Reflectometry, reflectometría de dominio temporal) para detectar una rotura en s u extensa red de cable . Cuando se transmite un impulso de radar por el cable, e l tiempo que la señal de retorno necesita para su recorrido, varía debido a que e l circuito abierto o cortocircuitado presenta impedancias diferentes (es decir, por l a distancia) . Actualmente, este método se emplea para la medición de niveles (véas e la fig . 9 .15) en presencia de grandes cantidades de polvo, porque los instrumento s de medición por ultrasonidos pueden fallar debido a un elevado contenido d e polvo y los indicadores de nivel de sondeo por microondas libres tampoco puede n usarse debido a que los sólidos secos no reflejan la energía emitida .

fig.

9.14

fig. 9 .1 5

150

151

La tecnología TDR difiere de la del radar convencional en que los impulsos d microondas se emiten en una amplia banda de frecuencias (200 kHz hasta 1, e GHz) . La tecnología TDR emplea microimpulsos electromagnéticos que viajan po 2 r cable (ondas guiadas) y se reflejan debido a un cambio súbito en la constant e dieléctrica . En medición de niveles, el cambio en el valor de la constante diel éctric se corresponde con la interfase aire/producto . La distancia D a la superficie dea l producto es proporcional al tiempo de retorno del impulso, D = c x t/2, donde c es la velocidad de propagación . Es importante el hecho de que la potencia de lo s impulsos emitidos es muy baja (menos de 1 microwatio) y que están guiados, po r lo que apenas se disipa energía . Por este motivo, la intensidad (amplitud) de l a señal que retorna será casi la misma si el nivel del producto está entre 3 m y 1O m de la brida . Así como en la medición por ultrasonidos y por microondas se emplea el métod o de la curva envolvente, en la técnica de medición TDR cada cable sonda s e representa por 512 puntos digitales, independientemente de la longitud de éste . S e recoge una muestra del comportamiento de los impulsos reflejados en cada punt o de la sonda y la información acumulada sobre el ciclo de muestreo se procesa y s e convierte en información acerca del nivel del producto . El principio del tiempo d e retorno de las microondas guiadas se emplea en indicadores de nivel para sólido s de hasta 20 m y se conoce con el nombre de Levelflex . La baja potencia de la energía de radar permite su instalación segura en contenedores y silos tanto n o metálicos como metálicos sin riesgos para los seres humanos ni el entorno . No s e requiere ningún tipo de licencias . Otra diferencia entre los indicadores de nivel po r microondas en espacio abierto y los instrumentos por TDR es que, en lo s primeros, la misma estructura, otros posibles montajes en el silo y el extremo de l cable sonda también se detectan y se devuelven más impulsos que propiamente e l del nivel del producto . Por esta razón se lleva a cabo el llamado "mapa sonda" qu e confirma que el impulso recibido es el del nivel del producto (véase la fig . 9.18) . Este " mapeado" se efectúa generalmente en la fábrica para las longitudes de l a sondó éspécificádas y sóló és necesario en caso de montajes especiales o d e reducción de la longitud de la sonda . Los instrumentos de medición de nivel por microondas guiadas sirven para un a amplia variedad de sólidos de hasta un tamaño de grano de 20 mm y con valores de la constante dieléctrica de 1,8 o superiores . No se ven afectados por la humeda d ni por los cambios en la composición, ni por la presión o la temperatura . La presencia de grandes cantidades de polvo, vapor, adherencias, ruido acústico o e l ángulo de talud del producto tampoco afectan a la medición . El indicador no tien e partes móviles que se desgastan o se estropean . La salida suele ser de 4-20 mA , ---pero-el-sistema-se puede-integrar-con la- interfase RS 485, los protocolos HART o PROFIBUS o con el Fieldbus Foundation . El indicador es capaz de efectuar mediciones en un rango que abarca desde 30 cm a partir de la conexión a proces o hasta 35 cm del extremo del peso del sensor o el punto de sujeción (véase la fig . 9.16) .

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Q í distancia min. a la pared del silo : 30 cm

no situar cerc a de la cortina de llenado

O O

si la sonda puede golpear la pared, elija la opción de lazo de anclaje

fig. 9.1 6 Montaj e El instrumento se monta mediante una rosca BSP 1 1/z", o con una conexión a proceso NPT, o con una brida . Hay dos modelos, uno con un cable de 4mm d e diámetro (longitud máxima de la sonda : 10 m) y uno con un cable de 8 mm d e diámetro (longitud máxima de la sonda : 20 m) . Durante el llenado y el vaciado el producto ejerce una carga que está limitada a un valor máximo que no se deb e rebasar : 10 kN para el cable de 4 mm y 40 kN para el de 8 mm ; y, por supuesto, el montaje en el techo del silo también debe ser capaz de soportar estas fuerzas . Par a evitar que la sonda se incline hacia una tubuladura o un acoplamiento qu e sobresalga, el contrapeso del extremo de la cuerda debe estar encarado hacia el silo y el diámetro de la tubuladura debería ser, por lo menos, tan alto como ancho (véase la fig. 9 .17) . Para evitar falsos cambios de impedancia, el cable tiene qu e colgar libremente por lo menos a 30 cm de la pared o de cualquier otro objeto de l silo. Es posible montar este sistema en silos parcialmente llenos ; después de hace r un mapa de ajuste parcial, el sistema estará listo para la medición . Durante e l vaciado, el cable del silo se estira totalmente (véase la fig . 9.18) . Si se prevé que el producto vaya a mover el cable a menos de 30 cm de la pared del silo, el extrem o de la sonda se puede anclar a la parte inferior (o parte cónica) del silo . Si además , se ata sin ningún tipo de aislante, actuará como una toma de tierra .

15 3

fig. 9.17y 9.18 Modelos Hay dos tipos de modelos disponibles para varias longitudes de medición máxima s (véase la fig. 9 .19) . El primer tipo, con un cable de 4 mm, abarca una longitud d e medición máxima efectiva de 9m35, y resiste una fuerza de tracción máxima de 1 0 kN . El segundo tipo tiene un cable de 8 mm de diámetro que permite un camp o de medida efectivo de 19m35 y resiste una fuerza de tracción por fricción máxim a de 40 kN, por lo cual, tiene un mecanismo de acoplamiento mecánico especia l --(véase-la-parte-izquierda-de-la fig 9 .-19) entre el cabezal y la rosca de conexión a proceso o la brida . Ambos tipos se pueden emplear con un peso de sonda o co n grapas de amarre según los casos mencionados . Las sondas atadas con grapas de amarre se recomiendan si el movimiento del producto puede producir u n movimiento no deseado del cable sonda . En ocasiones, la sonda se puede recubri r con un material resistente a la corrosión . Sondas de mayor longitud, está n disponibles como versión especial .

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fig. 9.19 Aplicació n Los instrumentos de medición de nivel por microondas guiadas se emplean e n todo tipo de silos, contenedores u otros recipientes que contengan áridos o materiales brutos cuyo tamaño de los granos no sobrepase los 20 mm y el camp o de medida no exceda los 20 m . Incluso en materiales pulverulentos como ceniz a volante y cemento así como granos, granulados o copos, estos instrumentos dan u n buen resultado aunque el producto tenga una constante dieléctrica tan baja com o 1,8 . Incluso en silos altos y delgados o en silos de formas especiales con travesaño s u obstáculos, estos indicadores de nivel proporcionan una medición fiable . También se pueden emplear en aplicaciones con materiales pulverulentos com o serrín, con telas o con productos reflectantes brillantes . Su montaje es fácil (véas e la fig . 9.20) y su ajuste suele venir de fábrica .

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10 .0 Medición y detección radiométric a de niveles Principio Cuando hay producto en el tanque o silo, un haz de rayos gamma que lo atravies e se atenúa. Este es el único método totalmente no invasivo. Ningún elemento del sistema entra en contacto con el medio ni con la atmósfera del proceso . Aplicación práctica Una fuente de rayos gamma dentro de un contenedor emite un haz con un ángul o de salida de aproximadamente 5° (o 20° o 40°, para indicación de nivel) . En e l extremo opuesto de la fuente se dispone un detector de rayos gamma conectad o eléctricamente con un interruptor de nivel o con un transmisor de nivel qu e proporcionan una señal de salida (véase la fig . 10 .1) .

fig.

9 .2 0

Ajuste Como se ha dicho, el ajuste de los indicadores de nivel por microondas guiadas a las longitudes especificadas suele hacerse en fábrica . Sólo es necesario efectuar un nuevo ajuste ("mapeado" de la sonda) si hay obstáculos a menos de 30 cm de l cable sonda, o en caso de recorte de éste . El "mapeado" de la sonda se lleva a cab o en un silo vacío mediante un ajuste de la matriz de cuatro teclas que hay en l a electrónica o por calibrado remoto mediante comunicación inteligente, po r — ejemplo, con HART.

fig.

15 6

10. 1

157

La intensidad de la fuente de radiación está calculada de modo que cuando e l tanque está vacío, el detector transmite justamente los pulsos necesarios para qu e el amplificador interruptor de nivel o el indicador de nivel procesen una señal . A medida que el nivel del producto aumenta, la radiación se atenúa, el detector dej a de transmitir suficientes pulsos y el instrumento indica nivel alto, de modo que e l sistema constituye un indicador de nivel o un interruptor de nivel que no entra e n contacto con el producto y que es externo al tanque o reactor, sin que se a necesario ningún tipo de modificación de éstos . Los sistemas de medición d e niveles por radiación gamma se emplean en situaciones donde las sondas o otro s tipos de transmisores no se pueden instalar dentro del tanque o silo debido a : • productos muy corrosivos o extremadamente adherente s • en reactores u hornos a presiones y/o temperaturas muy elevada s • con materiales granulados gruesos o áridos abrasivos tales como menas d e mineral, calizas y carbones minerales . La radiación gamma no se emplea sólo en detección e indicación de niveles, sin o que, como la atenuación de la energía emitida depende de la densidad del materia l atenuante, este principio de medición también se puede emplear para la medició n de la densidad del producto y para la medición de la interfase . Por supuesto, en e l último caso, entre los dos materiales debe haber una diferencia de densidade s apreciable (véase la fig . 10 .5) . ¿Qué es la radiación gamma ? Hay tres tipos de radiación nuclear, que son capaces de penetrar la materia : rayos alfa, beta y gamma . Los rayos gamma tienen el mayor poder de penetración y, a l contrario que los rayos alfa y beta, no se ven afectados por campos eléctricos o magnéticos; de modo que, idealmente, la radiación gamma cumple los requisito s para ser un instrumento de medición de niveles o de medición de densidade s nuclear. Los rayos gamma son un tipo de radiación electromagnética qu e determinados elémentós emiten como resultado de transiciones entre estado s energéticos del núcleo del átomo . Esta técnica de medición emplea solament e fuentes de radiación gamma o isótopos producidos artificialmente . La radiación emitida es de una longitud de onda muy corta, del orden de 10 -10 a 10- 13 m, con una energía de entre 0,66 y 2,5 MeV, lo cual le permite traspasar las paredes de l recipiente . La medición de niveles radiométrica se basa precisamente en esta propiedad .

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10 .1 Definiciones y unidades de medid a Actividad (Ci) (Bq) La intensidad de una fuente de radiación se mide en Curies (Ci) o Bequerels (Bel) . 1 Curie = 3,7 x 10 10 Bequerels . Las actividades de las fuentes empleadas en l a medición de niveles suelen estar entre los 100 microcuries y los 500 millicurie s (3,7 x 10 6 a 1,85 x 10 10 Bq) . Dosis y dosis equivalente El Gray (antes RAD) se utiliza para medir la dosis radiada o absorbida . Una dosi s absorbida de 1 Gray (Gy) corresponde a una transferencia de energía al materia l de 1J/kg, expresado en unidades del sistema internacional . Sin embargo, para tene r una idea más cercana de los efectos de la radiación, se emplea otra unidad : la dosi s equivalente, medida en Sievert. Según el tipo de radiación, se usa un factor de conversión para determinar la dosis en tejidos biológicos . Para la radiación gamma ,` este factor de conversión, como se sabe, es igual a 1 . Intensidad de radiación o tasa de exposición (Sv/h) La tasa de exposición se mide en Sievert por hora y es la cantidad de Sievert a l a cual el cuerpo está expuesto, medida a una distancia determinada de la fuente d e radiación . Esta intensidad de radiación local es un factor importante cuando s e emplea radiación gamma para medición o detección de niveles . Tiempo de vida media (tl/2 ) Todas las sustancias radiactivas experimentan un proceso natural de decaimiento , de modo que su actividad disminuye con el tiempo . La vida media de un a sustancia radiactiva es el tiempo que debe transcurrir para que su activida d disminuya a la mitad . El cobalto 60 tiene una vida media de 5,3 años, es decir que , para que su actividad alcance el 50% de su valor original, tardará 5,3 años . El cesi o 137 tiene una vida media de 32 años . Las fuentes radiactivas con vidas medias más largas (por ejemplo, Cs 137) emiten radiación de menor energía . Es más fácil apantallarlas, pero tienen un poder de penetración inferior; por lo tanto, se requieren actividades mayores . Las fuentes de radiación gamma con vidas media s más cortas (por ejemplo, el Co 60) emiten radiación de energía más alta, la necesaria pantalla protectora debe ser más gruesa y más pesada, y en consecuencia, más cara; pero el poder de penetración es mucho mayor y la s actividades que se requieren, inferiores .

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Espesor reductor del valor a la mitad (HVT ) Cuando la radiación gamma penetra en la materia, su intensidad se atenúa . Est a disminución de intensidad depende principalmente de los factores siguientes : • espesor del material: cuanto más espeso, mayor es la atenuación y viceversa . • densidad del material : cuanto más denso, mayor es la atenuación y viceversa . • tipo de isótopos empleados como fuente radiactiva : cuanto más energética l a radiación, menor es la atenuación y viceversa . • el poder de absorción : el poder de absorción se suele expresar en términos d e espesor de la capa de semiabsorción, es decir, en el espesor en milímetro s necesario para que la intensidad de radiación de un material determinado s e reduzca en un 50% . Cuanto más denso sea el material, menor será el espesor reductor del valor a l a mitad, o HVT (Half Value Thickness), y viceversa . Cuanto más energética l a radiación, mayor será el HVT y viceversa . Por ejemplo : para el cobalto 60, e l espesor reductor del valor a la mitad del plomo es de 16 mm, el del acero, de 2 1 mm, y el del agua, de 140 mm . La radiación de cobalto tiene una energía de 2, 5 MeV, mientras que la del cesio es de 0,66 MeV ; por lo tanto, la radiación del cesi o se atenuará con mayor rapidez que la del cobalto . Para el cesio 137, el espesor d e valor mitad del plomo es de 10mm, el del acero, de 14 mm, y el del agua, de 10 0 mm.

La fuente radiactiv a Los ya mencionados cobalto 60 y cesio 137 se emplean principalmente en procesos industriales . Se trata de isótopos radiactivos que emiten radiación gamm a pura, es decir, no emiten rayos alfa o beta . La fuente de cobalto 60 se utiliza en forma de discos metálicos, mientras que la de cesio 137 se usa en forma de disco s cerámicos . El aspecto más importante que hay que tener en cuenta en relación con la seguridad cuando se manipulan fuentes radiactivas se refiere a evitar l a contaminación . Por ello, la sustancia se encuentra doblemente encapsulada . Ambas cápsulas s e fabrican de acero inoxidable y las cubiertas se sueldan con un procedimient o especial para asegurarse de que queden perfectamente selladas (véase la fig . 10 .2) . El tamaño de estas fuentes doblemente encapsuladas es de sólo 16 x 6,4 mm . Las fuentes encapsuladas se prueban una por una y se certifican de acuerdo C0_17 estándares extremadamente rigurosos (clasificación ISO/DIN C 66646) .

Constante de dosis (factor K) La constante de dosis indica la intensidad de radiación gamma de una fuent e medida a una distancia unidad de la fuente sin apantallar . La constante de dosis e s directamente proporcional a la energía de la radiación .

10 .2 Los componentes de un sistema de medició n de niveles nuclea r Todos los sistemas de medición de niveles nucleares constan de los componente s siguientes : • una o más fuentes radiactiva s • uno o más contenedores de fuentes radiactiva s • uno o más detectores --- -•—un-interruptor electrónico o-unidad demedición - -

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fig. 10. 2

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Qué isótopo para qué tipo de aplicación ? 1) Cesio 13 7 La mayoría de aplicaciones de medición de niveles, interruptores de nivel e indicadores de nivel . La mayoría de aplicaciones de medición de d ensidades. Medición de interfases en recipientes pequeños . 2) Cobalto 60 Aplicaciones de medición de niveles, interruptores de nivel e indicadores d e nivel especiales cuando la actividad del Cs 137 resulta demasiado elevada . Aplicaciones de medición de densidades especiales en tuberías muy grandes . Medición de interfases en recipientes mayores o en tuberías . El contenedor de la fuente de radiació n La fuente de radiación se coloca en un contenedor adecuado que la apantalla d e modo que la radiación se emita sólo en la dirección deseada . Estos contenedore s también se emplean para transportar la fuente radiactiva . Como cualquier otro tip o de radiación, una fuente radiactiva emite en todas direcciones, aunque para l a detección de niveles sólo se necesita un fino haz de radiación colimado e n dirección al detector. El contenedor de la fuente de la fig. 10 .3 permite ángulos d e colimación de 5°, 20° y 40° . Para detección de niveles, el colimador está, en l a mayoría de los casos, a un ángulo de 5°, y en ocasiones excepcionales, de 20° o 40° . Para medición continua, el ángulo del colimador es, en general, de 40°, y e n ocasiones relativamente excepcionales, de 20° . Un contenedor de fuente consiste en una cápsula de acero esférica soldad a herméticamente y llena de plomo. La alta densidad del plomo y la facilidad co n que se puede trabajar convierten este material en el mejor como apantallamiento . La cápsula de acero proporciona a su vez protección adecuada, no solament e contra daños mecánicos, sino también contra el fuego . El plomo se funde a una temperatura de sólo 325°C, pero aun fundido, mantiene sus propiedades d e apantallárrüeritó -dfuentes radiactivas . Así, pues, el sistema presenta una función de seguridad intrínseca contra fallos : en caso de exposición al fuego, la radiación será `contenida` por el mismo plomo fundido . Para la detección de niveles, el soporte para la fuente se monta sobre la brida en posición vertical, mientras qu e para la medición de niveles, la brida del soporte para la fuente se monta en u n ángulo correspondiente a la mitad del ángulo del colimador . Esto es porque el ángulo del colimador es simétrico y el `haz superior' tiene que ser horizontal (véase la fig. 10 .1) .

1 62

fig. 10 . 3 El mecanismo de cierre bloqueable permite `activar' y `desactivar' la fuente y e s imprescindible en todas las fuentes . Posibilita su transporte en el contenedor , montarlas en el recipiente de proceso y llevar a cabo el mantenimiento del recipiente de proceso sin necesidad de retirar la fuente y el contenedor . Se protege el mecanismo de cierre contra la entrada de polvo y suciedad mediante un a cubierta y una junta tórica . Dado que la cubierta está vinculada al soporte de l a fuente, su posición indica si la fuente está `activada' o `desactivada' . La `activación' y `desactivación' manual del mecanismo de cierre también se puede ejecutar con servo dispositivos eléctricos o neumáticos . Estos dispositivos son a prueba de fallos, es decir, en caso de fallo en el suministro eléctrico, el cierr e saltará a la posición `desactivado' . El contenedor de la fuente se monta en e l recipiente mediante una brida . Por supuesto, el contenedor también se pued e montar aparte del reactor, en soportes de montaje independientes- Esta es una d e las ventajas de los sistemas de medición de niveles nucleares . Dado que lo s contenedores pesan 40 ó 90 kg, se fijan a proceso mediante una brida .

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El detector Según la aplicación, hay dos tipos de detectores de radiación gamma comúnment e empleados en instrumentación de procesos: detectores puntuales y detectores de barra (véase la fig 10 .4) .

Detectores de radiación ionizante : Contadores Geiger Müller (GM), empleados como detectores puntuales y cámara s de ionización, para medición continua. Ventajas : • duros, simples y efectivos : las cámaras de ionización pueden soporta r temperaturas relativamente altas sin necesidad de refrigeración por agua . Inconvenientes : • sensibilidad y resolución bajas : requieren altos niveles de radiación y no so n adecuados para medición de densidades de calidad . Detectores de centelleo : Cristales centelleadores empleados como detectores puntuales y barras de plástico centelleador, para medición continua . Ventajas : • sensibilidad y resolución muy altas : los centelleadores pueden ser hasta 10 0 veces más sensibles que algunas cámaras de ionización similares . • precisan un nivel de radiación muy bajo y son excelentes para medición d e densidades de mucha precisión. Inconvenientes : • caros, requieren refrigeración por agua a partir de una temperatura ambienta l de 50°C . • más delicados que detectores de ionización (especialmente los de crista l centelleador) .

fig. 10. 4 En geriéráT, - 1ósdétecfóres púntuales se emplean para detección de niveles y medición de densidades, y los detectores de barra para medición continua d e niveles y medición de interfases . Para incrementar la sensibilidad en cierto tipo de aplicaciones delicadas, los detectores de barra también se emplean com o interruptores de nivel o incluso para la medición de densidades . Según el principio en que se basen, hay dos tipos de detectores de rayos gamma :

La unidad electrónica (transmisor) La unidad electrónica presenta funciones generales como una fuente d e alimentación para el detector, un indicador de intensidades (dosímetro), el ajust e del sistema de medición, y proporcionar una señal de salida . La unidad electrónica tiene funciones especializadas, específicas para cada aplicación, por ejemplo : • interruptores de nivel : detección de la diferencia de intensidades de radiació n debida al cambio de nivel . • medición de nivel continua : linealización de la intensidad de salida par a compensar la influencia de la geometría del recipiente y el espesor de la s paredes . • medición de densidades : cálculo de la curva de calibrado y concentración (e n función de la densidad), y compensación de la temperatura . Todas las electrónicas están disponibles en unidades modulares Rack de 19" a 4TE, 7TE o 28TE según el ancho de unidad y tienen distintas funciones como : interruptores de nivel con contadores GM, interruptores de límite con centelleadores para medición de nivel continua y para medición de densidades.

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10 .3 Cálculo de la actividad de la fuente El cálculo de la actividad de la fuente depende de los factores siguientes : • aplicación, es decir : interruptor de nivel, indicador de nivel o medición d e densidad y tiempo de respuesta requerido . • tipo de detector (de centelleo o contador GM, respectivamente, cámara d e ionización) y longitudes del detector . • distancia entre el detector y el soporte de la fuente, material de la pared y espesor.

Un aspecto crítico en la medición de densidades o de interfases es cuando no ha y producto, puesto que no hay densidad básica (atenuación), y al detector llega un a dosis muy elevada . Por este motivo se emplea un detector adicional de baj a sensibilidad que indica esta situación y `cierra' automáticamente la fuente . Lo s soportes de fuente para indicación de niveles tienen que estar siempre montado s con un ángulo de inclinación que garantice que el haz superior del ángulo de salid a sea horizontal . Los soportes de fuente para medición de densidades o de interfases se pueden montar simétricamente (véase la fig. 10 .5) . También por razones de seguridad, en esta aplicación, la dirección del haz de radiación tiene que apunta r hacia abajo o hacia una pared (véase también la fig . 10 .6) .

Una vez calculada la actividad de la fuente requerida, se debe elegir el contenedo r correspondiente. Los criterios para elegir el contenedor de la fuente dependen d e los niveles de radiación que se consideren aceptables a su alrededor . Estos valore s son diferentes en Europa, América y Asia . Endress+Hauser ha desarrollado u n programa fácil de usar que lleva a cabo dicho cálculo y además selecciona e l contenedor de la fuente . Se puede disponer de este programa gratuitamente .

10 .4 Montaje y ejemplos práctico s El montaje de los sistemas de medición nucleares es inmediato, puesto que s e pueden montar fuera del tanque o reactor. Sin embargo, el soporte de la fuente y e l lado opuesto, donde se situará el detector, deben estar alineados de modo que e l detector reciba la señal de radiación. El soporte de la fuente pesa alrededor de 40 ó 90 kg, de modo que la estructura tiene que ser capaz de soportar este peso . El espacio entre la brida del soporte de la fuente y el tanque o reactor debe esta r apantallado para evitar exposiciones a la radiación accidentales, puesto que e n dicho lugar no hay atenuación y el haz de radiación presenta la dosis máxima . La s --fuentes—cal-culatas- paraüso -en- medición de densidades o medición de interfáse s tienen intensidades mucho más elevadas comparadas con las intensidades para lo s sistemas de medición de niveles, para que la radiación que llegue al detector se a suficiente en caso de un producto de densidad muy alta . Ello comporta qu e cuando la densidad del producto disminuye, la señal de medición aument a lentamente .

166

fig.

10. 5

167

10 .5 Medición de densidade s En la fig. 10.6 se muestra una medición de densidades en una tubería de 700 m m para transporte de arcilla. El campo de medida va desde una densidad de 1 .000 kg/m 3 hasta 1 .400 kg/m3 . Además, se monta un medidor de caudal magnético d e 700 mm para medir el caudal de producto . Con ambos parámetros se pued e calcular la cantidad total del sólido . Se monta el soporte de fuente con cierr e automático tal como se ha indicado para asegurar que el haz de radiación v a dirigido hacia abajo . El soporte de fuente con cierre automático se conecta a l a corriente y se enciende en la posición `activada', y salta a la posición ` desactivada ' en caso de que haya un fallo en el suministro eléctrico, de modo que la fuent e quedará `cerrada' . Los transmisores de presión al lado de la tubería se emplea n para el control del bombeo .

fig.

En la fig. 10 .7 se emplea un sistema de medición de interfases nuclear para controlar el nivel de la interfase del ácido sulfúrico (900 kg/m 3) y el dióxido de magnesio (1 .200 kg/m3) . Aquí se emplea un soporte de fuente accionado por u n mecanismo neumático en posición `activada' por la presión neumática . La fuente se cerrará si no hay presión neumática . Dado que el suministro neumático est á conectado mediante un tubo de plástico, en caso de fuego el tubo se fundirá y l a fuente se cerrará automáticamente .

10 .6

fig.

168

10. 7

169

10 .6 Aspectos sobre seguridad y licencia s Para usar aparatos que funcionen con principios nucleares y manipular fuente s radiactivas se requiere una licencia especial. Deben respetarse las leyes y normativas nacionales correspondientes relacionadas con la manipulación d e fuentes de radiación . Endress+Hauser, con sus tres décadas de experiencia en e l campo de aparatos nucleares, ayudará al usuario a cuidar todos los requisito s formales y le puede asesorar en aspectos relacionados con la seguridad . La s normativas sobre seguridad son distintas en cada país, por lo que en cualquie r lugar, cuando se instala un equipo radiométrico, hay que consultar las norma s locales. Excepto en el área comprendida en el haz mismo, los niveles de radiación cerca d e la fuente y del detector en el tanque o reactor son muy bajos . Es esencial que lo s niveles de radiación se mantengan por debajo de 2,5 p.S/h en sitios donde se espere que los operarios vayan a estar expuestos durante períodos de tiempo largos . Si no se puede cumplir este requisito mediante apantallamiento protector, debe n respetarse unas distancias mínimas entre el equipo y el operario. Las directrice s Euratom establecen una dosis máxima de 5 mS por año como un nivel aceptable para cualquier empleado, y un límite de 50 mS por año para operarios de radiología . En circunstancias normales, un cuerpo humano está expuesto cada añ o a 2 mS procedente de fuentes naturales como rocas y gases de la superficie y de l subsuelo, de rayos cósmicos, de otros cuerpos humanos y de la comida . El cuerp o humano también está expuesto a una pequeña cantidad de radiación natural procedente de los edificios de hormigón, en los vuelos de aeronaves y e n excursiones a regiones montañosas . Si se parte de la base de una dosis de 5 mS po r año y se tiene en cuenta el número de horas trabajadas al año, se puede calcular una exposición máxima de 2,5 µS por hora . Así, si se considera un nivel de radiación de no más de 2,5 µS por hora en u n sistema de medición de niveles de este tipo, resulta que los empleados puede n —trabájáreñ - üriáéstacióri40–horas a la semana, 50 semanas al año, sin que se exceda de esa dosis aceptable . Se ha empleado deliberadamente el términ o `aceptable' en lugar del de `permisible', ya que el objetivo es alcanzar la meno r dosis posible . Este ejemplo ilustra que el riesgo de trabajar con sistemas industriales de medición de niveles mediante radiación gamma es muy bajo si s e lleva a cabo de un modo responsable, especialmente si este riesgo se compara co n los peligros aceptados como normales, como el trabajo con productos químicos , con maquinaria peligrosa o, simplemente, con el hecho de `cruzar la calle' .

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11 .0 Aspectos de seguridad e n la medición de nivele s El empleo de instrumentos modernos y equipos de control ha contribuid o enormemente a reducir los riesgos en los procesos industriales . La mayor responsabilidad de empleados y público, las crecientes presiones por los aspecto s medioambientales, el incremento del precio de las materias primas y los coste s cada vez mayores de las interrupciones de producción no programadas, ha n revertido en los últimos años en una mayor fiabilidad y en severas exigencias d e seguridad . Este capítulo se divide en cinco secciones que tratan sobre la segurida d en los sistemas de medición de niveles : 11 .1 . Normas y estándares oficiale s 11 .2 . Seguridad en la detección de niveles máximo y mínim o 11 .3 . Seguridad contra explosione s 11 .4 . Seguimiento de la seguridad en el trabajo 11 .5 . Niveles de integridad en la seguridad (Safety Integrity Level, SIL )

11 .1 Normas y estándares oficiale s Los estándares oficiales obligan a los fabricantes a producir sus productos segú n un estándar específico . Estos estándares hacen referencia a aspectos tales como el aislamiento, las distancias entre conductores, las corrientes y los voltajes máximos , etc ., para componentes específicos . Los estándares solían variar de un país a otro , pero actualmente se han introducido estándares europeos con la intención d e estandarizar toda Europa . Cada fabricante debe ser capaz de establecer, por l o --_ menos, con qué estándares se aviene su producto . Muchos fabricantes aplican su s propios criterios de estandarización que superan los estándares que exige . la industria . Estos estándares adicionales pueden referirse al empleo de lo s componentes de esa marca y a la disponibilidad de circuitos integrados y transistores . El empleo de resistores de película metálica, condensadores d e tantalio y contactos con baño-de oro han aumentado la fidelidad de los equipos y los niveles de confianza . Las verificaciones nacionales independientes y las organizaciones de certificación certifican los equipos fabricados y tambié n contribuyen a los estándares oficiales . Uno de los estándares más conocidos es e l de la protección contra intrusión de material sólidas y/o prevención de penetració n de agua , es decir, el Ingress Protection . Los estándares disponibles son el E N 60529 = DIN VDE 0470 europeo y el NEMA No . 250 americano.

171

El estándar IP es la descripción de medidas diseñadas para proteger tanto lo s cabezales como el equipo que hay en el interior. También presta atención a l a protección contra influencias o condiciones externas tales como impacto s mecánicos, corrosión, disoluciones cáusticas (por ejemplo, líquidos refrigerantes y líquidos de corte refrigerantes), moho, plagas (insectos), exposición a la radiació n solar o hielo . Las categorías IP son las siguientes : IP x El primer dígito indica : protección contra impacto y penetración por cuerpos extraños

x El segundo dígito indica : protección contra agua

0 No protección

0 No protección

1 Cuerpos extraños grande s grandes mayores de 50 mm

1 Goteo vertical de agua

2 Cuerpos extraños mediano s medianos mayores de 12 mm

2 Goteo vertical en un ángulo de ± 15 0

3 Cuerpo extraños pequeño s mayores de 2,5 mm

3

4 Cuerpos extraños granulado s mayores de 1 mm

4 Salpicaduras de agua desd e todas las direccione s

— 5 Depóst*sdé mátérialés - - pulverulentos peligrosos 6

Polvo penetrante, sólo par a cabezales especiales

Chorro de agua en un ángulo d e ± 60 °

5

Caudal -de agua de 501/min

6

Caudal de agua de 1001/min

7 Inmersión a 1 m durante 1 mi n 8 Inmersión en condicione s previamente acordada s

1 72

Cabezales NEM A En los EEUU, se suelen emplear las especificaciones NEMA (National Electrica l Manufacturer's Association o Asociación nacional de fabricantes de equipo s eléctricos) . Las especificaciones se divides en clases : Clase 1 - Propósito general Sólo para uso en interiores, principalmente para protección contra el contacto co n circuitos eléctricos interiores o superficies calientes . Usado en electrodómésticos y en instrumentos montados en paneles . Clase 3 - Resistencia a la intemperi e También conocido como "a prueba de agentes atmosféricos" . Para uso en exteriores para proteger contra partículas de polvo suspendidas arrastradas por e l viento, lluvia, nieve y formación de hielo . Se emplea para proteger aparato s electrónicos . Clase 4 - Estanc o También conocido como "a prueba de chorro de agua de manguera" . Igual que la clase 3, pero resistente a las salpicaduras de agua producidas por un caudal d e agua equivalente a una tubuladura de 1 pulgada de sección a 65 gal/min situada a 10 pies de distancia desde todas las direcciones durante 5 minutos . Clases 4X Estanc o Equivalente a la clase 4, pero con materiales resistentes a condiciones corrosivas en el área de la instalación. Este tipo de cabezales se considera ya como el estánda r para la instrumentación de las plantas industriales . Clases 7 y 9 Sé erriplea para cabezales a prueba de explosiones, y se reparte entre la clase 1 (gases) y la clase 2 (polvo) . A su vez, éstos se clasifican en las divisiones l y II y s e subdividen en los grupos A, B, C y D (gases) y los grupos E, F y G (polvo) . Véas e también 11 .3 . Clases 12 y 1 3 Estos recintos se emplean para protección de equipos o componentes eléctricos en talleres de maquinaria y en plantas de fabricación .

173

EHED G El EHEDG (European Hygienic Equipment Design Group o Grupo europeo par a el diseño de equipos higiénicos) surgió del comité "Estandarización de método s para la evaluación de diseño higiénico de componentes empleados en proceso s alimentarios" . Los motivos para la fundación del EHEDG fue el aumento de las exigencias en el campo de la microbiología y las confusiones originadas en torno a términos como `higiénico', `aséptico', `sanitario', etc . La demanda continua de mejoras en los diseños higiénicos de equipos y componentes de la industri a alimentaria constituyó una razón más para la aparición del EHEDG . El EHED G está constituido esencialmente por miembros de institutos de investigación , fabricantes de equipos y usuarios de la industria alimentaria . Los objetivos del EHEDG se pueden resumir en los puntos siguientes : 1. garantizar que los productos alimentarios se fabriquen de forma higiénica y segura . 2. publicar documentación de estandarización desde un punto de vist a profesional respecto a aspectos de diseño de equipos higiénicos . 3. garantizar que en el futuro no vuelva a haber confusiones respecto a si lo s componentes y equipos se pueden emplear en la producción y el envasado d e alimentos en cuanto a seguridad microbiológica, y bajo qué condiciones. 4. desarrollar recomendaciones para el diseño aséptico e higiénico de equipos y mostrar el estado de la tecnología actual . El EHEDG ha formado varios grupos subsidiarios que se dedican a tarea s específicas tales como el tratamiento continuo del calor, los principios de diseño , juntas de tubería y otros . El subcomité denominado `Test Methods' (Métodos de evaluación) ha desarrollado un proceso aceptado por el EHEDG para valorar l a facilidad con que se limpian los componentes de una planta de proceso. El métod o de inspección pretende detectar, en equipos de tratamiento de alimentos, zonas higiénicamente deficientes desde el punto de vista de su construcción, en que s e acumulen residuos de producto omicroorganismos que no se eliminen mediante el proceso de limpiado. El mismo método ha permitido también llevar a cabo un a valoración comparativa de los componentes individuales de una planta respecto a la capacidad de lavado que presentan según su emplazamiento . El punto clave del estándar es la comparación de la capacidad de limpiado del objeto en cuestión, respecto a la de un elemento de tubería recto . Se define un grado de capacidad de limpiado según la facilidad relativa con que se elimina una mancha de sucieda d que contenga bacterias (que determina la presencia continuada de bacterias después del lavado) . — Enla-figura 11 1 se muestran- algunos de los montajes higiénicos que se emplea n con más frecuencia .

174

fig. 11 . 1 Food and Drug Administration (FDA ) La Food and Drug Administration (Administración para alimentos y producto s farmacéuticos, FDA) es una autoridad americana destinada a dar transparencia a la producción y la venta de ingredientes activos, alimentos y producto s farmacéuticos . Expide licencias para los materiales empleados en equipos d e fabricación de las industrias alimentarias y farmacéuticas . Aunque sólo la calida d del producto final está sujeta al control del estado, también se investiga si lo s procesos, constituyentes, materiales y detalles de construcción que intervienen e n una planta de producción, cumplen con los estándares de la FDA . Una licenci a otorgada por la FDA se aplica siempre al producto que se manufactura, es decir , FDA no da licencias por ingredientes individuales . La planta se inspecciona en su conjunto para un producto determinado o para una línea de producto.

El Bundesgesundheitsamt (BGA) El Departamento Federal para la Salud (Bundesgesundheitsamt, BGA), e n Alemania, ha publicado recomendaciones sanitarias en muchos ámbitos en su áre a de trabajo con el objetivo de proteger al consumidor . La lista de recomendacione s está dirigida en su mayor parte a especialistas en servicios sanitarios y a l a industria, describe estándares sobre sustancias nocivas en productos alimenticios o recomendaciones relacionadas con el empleo de plásticos en el transporte d e alimentos. Las recomendaciones o directivas se publican en amplios folletos d e hojas sueltas, que se complementan en la línea de los últimos conocimiento s científicos . El objetivo de estas directivas es servir de marco de referencia naciona l e internacional para una buena conducta profesional en interés de la salvaguard a de la sanidad . Estándares de sanidad 3- A En 1920, tres asociaciones americanas publicaron los primeros estándares par a juntas de tuberías en la industria láctea, de ahí el nombre de Estándares 3-A (A por ` asociaciones') . En 1944, otros. cuerpos de reglamentaciones que se había n establecido desde entonces fueron reconocidos por el gobierno de los EEUU . Estos abarcan un extenso programa de protección y seguridad en aspecto s concernientes a la sanidad pública en que se contienen reglamentaciones para l a organización higiénica de las plantas de industrias lácteas y de producción d e huevos . Los tres cuerpos de normas implicados son los siguientes : • Fundación parada industria láctea (Milk Industry Foundation, MIF ) • Asociación para la distribución de productos lácteos y alimentos (Dairy an d Food Industry Supply Association, DFISA) • Asociación internacional de funcionarios de sanidad y medioambiente par a productos lácteos y alimenticios (International Association of Milk Food an d Environmental Sanitarians (IAMFES ) Los estándares establecidos por estos tres cuerpos de regulaciones se basan e n voluntad de servicio y no los establecen ni la ley ni los controles estatales . Se formulan y decretan a partir de la cooperación entre los productores de l a industria láctea, los constructores de equipos y los especialistas en sanidad . Hasta el momento se han publicado aproximadamente 50 estándares sanitarios 3-A, principalmente referentes a la industria láctea . Los cuerpos de reglamentaciones s e revisan permanentemente .

1 76

7

11 .2

Máximo y mínimo en la seguridad ante fallo s

En relación con los interruptores de nivel, este concepto se refiere a la elección d e la dirección de conmutación del relé u otra señal de salida (o sea, la función d e salida) . La salida o relé se debe diseñar de forma que actúe de modo que en estad o excitado esté en una situación de seguridad . Esto significa que para la indicación de nivel máximo el relé o salida estará en el estado excitado mientras el transducto r no esté cubierto. Cuando el nivel aumente, el sistema de indicación de nivel conmutará y el relé se desexcitará . Ahora bien, si la fuente de alimentación falla o si el circuito de la bobina del relé se corta, el relé también se desexcita, de mod o que siempre conmuta a una situación de seguridad . Es lo mismo para una salid a electrónica, esto es, la salida toma el valor más bajo o no habrá salida . Para el nive l de indicación de nivel mínimo, el relé o salida debe conmutar en la direcció n opuesta, es decir, la situación es segura mientras el transductor está cubierto . Por ello, es esencial instalar los conmutadores de indicación de nivel máximo o mínim o con su correspondiente modo de seguridad . Para ver cómo funciona una salida de indicador de nivel- en el modo de seguridad seleccionado, tomaremos siempr e como referencia la situación de `desconexión' . La situación de falta de corriente tiene que coincidir con la de la reacción del sistema en caso de que éste teng a algún fallo (véase la fig . 11 .2) . Cuando circula corriente por el sistema, para decir que el relé está activado (e s decir, que la salida es alta) se suele emplear el término `excitado' . Sin embargo, el término puede llevar a confusiones cuando se aplica a detección de niveles, a menos que también se definan las situaciones para alarma de máximo y d e mínimo. A menudo, la opción de seguridad tiene la forma de unos interruptores de patilla programables en el circuito impreso de conmutación de nivel, o de un cabl e ,que hace un puente en la caja de interruptores o el conector . Cuando se cambia por fallo alguna parte del equipo, la función de seguridad permanece activa . En lo s interrüptóres de niv modernos, que fu-fi-di-a- ah con microcomputadores, la función de seguridad se puede establecer por configuración . Para señalar las posiciones del relé y la indicación visual para ambos tipos de sistemas de segurida d ante fallos en la documentación del instrumento, se suele emplear un diagrama d e funciones como el que se ilustra en la fig . 11 .2 .

177

posición del interruptor

nivel

relé SPDT

3

f

sonda cubierta

4

5

relé no excitado

transisto r PNP

LED rojo d e indicación

LED verde d e funcionamient o

L+ bloquead o

seguridad d máxima 1 3

4 5

sonda descubierta relé no excitado

3 sonda cubierta segurida d de mínimo

4 5

relé excitado

t

F

3 sond a descubierta

4

L+

•

,O_

3 +

conectad o

1 L+

3 +

•

;0=,

conectado

* . . . .

I

1

5

relé no excitad o

L+ bloquead o

Í

11 .3 Seguridad contra explosiones Normativas En la mayoría de países se exige que los equipos eléctricos que operen en `entorno s explosivos' (es decir, una área Ex) cumplan extensas reglamentaciones . Esta s normativas pueden tener ámbitos estatales o incluso continentales, por ejemplo , UL en EEUU y CSA en Canadá, o ATEX en combinación con CEN y CENELEC en Europa . Estas reglamentaciones se establecen para equipo s eléctricos y mecánicos que operen en zonas con riesgo de explosión. Las zonas con riesgo de explosión se catalogan en divisiones o zonas según el riesgo de explosión y de formación de atmósferas explosivas . Cuándo se aplica Se puede producir una explosión o incendio cuando se cumplen las condicione s del triángulo de riesgo de ignición : se dan a la vez un medio inflamable, presenci a de aire u oxigeno y una fuente de ignición . Para evitar explosiones o incendios, hay que prevenir alguno de estos tres elementos . Puesto que la presencia de aire y l a del medio son inevitables, las medidas de prevención apuntan siempre a evitar la s fuentes de ignición . Los medios inflamables se agrupan según su energía d e ignición (grupos según los gases) y su temperatura de ignición (clases según l a temperatura), mientras que la clasificación por áreas (`zonas' en Europa y `divisiones' en EEUU) se basa en y depende de los aspectos siguientes : 1. la cantidad y el tipo de medios inflamables (líquidos, mezclas de gases y polvos ) 2. la presencia y la frecuencia de atmósferas explosivas potenciales 3. la existencia de ventilación natural o artificia l 4. la posible pérdida por fugas de los medios inflamable s

U0 V 3

4 5

L+

fallo de

alimentación

fig.

relé no excitado

bloqueado

11 . 2

Not a Debe evitarse la tentación de añadir un relé auxiliar adicional para hacer que u n - - sistema de seguridad inseguro sea seguro, porque es peligroso.

1 78

179

Medidas de protección y zonas Un equipo que se emplee en un entorno inflamable se debe fabricar siguiend o ciertos estándares (para Europa, la directiva 94/9/EC y los estándares EN 50 .014 50.xxx) .

1

1

d : alojamiento antideflagrante

El empleo de equipo eléctrico en atmósferas potencialmente explosivas tiene que tener en cuenta los aspectos siguientes : a. la división uniforme de regiones peligrosas en zonas específicas según el riesgo y el alcance del escape . b. la clasificación y etiquetación del equipo eléctrico según el método emplead o para prevenir la ignición . ad a ; Una área de riesgo es una área donde hay o podría haber, presencia de mezclas d e gases o polvos inflamables en tales cantidades que se requieran medidas especiales para el empleo y la construcción de equipos eléctricos . El actual estándar IE C (publicación 79-10) establece que una zona-de riesgo se divide en una de las tre s zonas que se indican a continuación :

.ii . .u ..

. .r

.C. e: seguridad aumentada

m: encapsulad o

I\

i : seguridad intrínseca

Zone 2 / 22 (categoría 3 para equipos ATEX ) No es probable la formación de mezclas explosivas y, si se dan, es sólo durante u n corto período de tiempo. ad b ; La clasificación del equipo eléctrico respecto al método empleado para l a prevención de ignición . Los requisitos para la construcción de estos equipos s e especifican en los estándares europeos EN 50 .014 — 50 .xxx (véase la fig. 11 .3) .

p : instrumento presurizado

1 H ro Ho

Zone 0 / 20 (categoría 1 para equipos ATEX) Hay presencia de mezclas explosivas constantemente o durante largos períodos . Zone 1 /21 (categoría 2 para equipos ATEX) Es probable la formación de mezclas explosivas durante las tareas habituales .

o : inmersión en aceite

n: antischispa

fig. 11 . 3 El tipo de protección n (antideflagraciones) para servicios en una zona 2 (categorí a 3 para equipos ATEX) tiene una subdivisión respecto a los estándares EN 50 .02 1 e IEC 79-15 : Ex n A aparatos que no desprenden chispa s Ex n C aparatos con los contactos protegido s Ex n R cabezales con escasa ventilació n Ex n L aparatos de baja energía Ex n P cabezales a pruebá de presiones externas simplificada s Además del tipo de protección para una zona de riesgo dada, se deben especificar también la clase según temperatura de los componentes relevantes y el grupo a l que pertenece el aparato . Hay seis clases según la temperatura que indican l a temperatura superficial máxima permisible del componente en relación con l a temperatura de ignición del gas presente (véase la tabla 1) .

18 1

abla 1 - Clases de equipos eléctricos según temperatura s

Tabla 2 - Características de algunos productos explosi v

lase de imponente 1ctrico

Temperatura superficial máxima del component e eléctrico (°C)

Temperatura de ignición del gas o vapo r (°C)

Sustancia

1 2 3 4 5 6

10 0 > 85

- >300 - >200 - >135 - >100 - > 85

a Norteamérica, las categorías T2, T3 y T4 se dividen en sub categorías T2, T2A, 2 B, T2 C, T2D, T3, T3 A, T3B, T3C, T4, T4A . grupos según los gases se dividen en tres categorías que se determinan e n lación con la máxima anchura de banda experimental segura y la energía mínim a querida para encender el gas (TIC < 20 µJ, IIB < 60 µJ y TIA < 180 .iJ) . Estos lores se han determinado empíricamente y son válidos en condicione s mosféricas (entre 0,8 y 1,1 bar) . La categoría IIC con la máxima energía d e nición para menos de 20 mJ es la más crítica y presenta el mayor riesgo d e :plosión . Las categorías por grupo o por temperatura de una sustancia concret a pueden consultar en tablas (véase la tabla 2) . Ds

a categoría según la temperatura y el grupo según los gases se debería indicar e n a diagrama de zonas con riesgo de explosión de la planta en relación con el gas o .por explosivo probable de estar presente en la zona . Ello permite la elección del étodo de protección másadecuado. Las categorías por temperatura y por grup o gún gases también deberían estar claramente indicadas en los equipo s rtificados para el empleo en entornos inflamables .

Acetona CH3COCH3 (2-propanone) Acetileno C 2H2 (etino) Anhídrido acético (CH3CO) 20 Benceno C6H 6 Butano C 4H 10 n-butil alcohol C 4H 9 (1-butanol) Cloruro de benceno C 6H5CL Ethanol C 2H SO H (etil-alcohol) Etil-acetato Ch3000C2H5 Metanol CH3O H (metil-alcohol) Nitrobenceno C 6H5NO2 n-pentano C 5H 12 Propano C 3118 Tolueno C 6 H 5CH3 Hidrógeno H 2 Sulfuro de carbono CS 2 Ácidó sulfliidrico H2S

Temperatura

Clase segú n

Grup o

de ignición. (°C)

temperatura

según gas

540

Tl

TIA

305

T2

II C

330 555 365

T2 Tl T2

IIA HA TIA

340 590

T2 Ti

TIA TIA

425 460

T2 Ti

HA IIA

455 430 285 470 535 560 102 2T0

Ti Ti T3 Tl Tl Tl T5 T3

TIA IIA TIA HA TIA II C TI C IIB

En Norteamérica, los grupos de gases también se pueden indicar como A, B, C y D, equivalentes a IIC, IIC, IIB y TIA . Not a No hay relación entre los grupos de gases y las clases por temperaturas . Po r ejemplo, el hidrógeno pertenece al grupo más peligroso, IIC, con la energía d e ignición más baja, pero está incluido en la clase de temperatura más baja, Ti, para temperaturas de ignición por encima de los 450 °C . Los equipos eléctricos para medición y control se pueden emplear en áreas dond e hay riesgo de explosión siempre que se adecúen (en cuanto a construcción) a alguno de los varios tipos de sistemas de protección contra ignición .

;to significa que un instrumento o cualquier elemento del equipo se ha fabricad o uiendo estándares específicos and y que un certificado de conformida d muestra que el equipo cumple con estos estándares . Los detalles acerca de l tándar y la autoridad de aprobación se indican en la documentación qu e ompaña al instrumento . Algunos de los institutos de aprobación principales s e encionan a continuación : [' B kSEEFA EMA vI

L SA

Physikalisch Technischen Bundesanstalt (D ) British Approvals Service for Electrical Equipment in Flammable Atmosphere s = Instituto de evaluación Holandés, conocido como KEM A = Factory Mutual Research (USA) = Underwriters Laboratories (USA ) = Canadian Standards Associatio n

siguientes : un resistor limitador de corriente y diodos limitadores de voltaje, o diodos Zener. Según la tensión de alimentación, que no debería sobrepasar los 2 4 V, se elige un resistor de modo que limite la intensidad máxima al valor permisibl e de unos 100 mA en cortocircuito . Para la regulación del voltaje se emplean tre s diodos Zener (dos para un circuito ib), con los que el voltaje límite es la tensión d e alimentación máxima permisible . La capacitancia y la inductancia máximas permisibles (del cable, la electrónica y la sonda) están limitadas y se indican en e l certificado de instrumento intrínsecamente seguro .

[pos de proteccione s )s tipos de protecciones más comunes son los siguientes : . . tipo i (intrínsecamente seguro ) tipo d (cabezal antideflagrante ) tipo e (seguridad aumentada) . continuación se da una breve descripción de estos tres tipos de protecciones d e caridad. ?guridad intrínseca, `ia' e `ib' (EN 50020/50039 ) c sistema de medición de niveles consiste a menudo en un sensor o transducto r .e generalmente requiere muy poca energía y se coloca en una atmósfer a amable con algún tipo de unidad de lectura situada en la misma área . Para :os casos se suelen emplear dispositivos intrínsecamente seguros . La s citaciones energéticas de un instrumento de seguridad intrínseca se basan en la s scórisrderaciones siguientes : evitar cualquier transferencia de energía no deseable a los componente s electrónicos por las salidas de relé o de corrient e limitar la corriente y el voltaje al circuito sensor/transducto r restringir la acumulación de energía en el sensor/transductor . dos categorías de circuitos intrínsecamente seguros : ia e ib. Los circuitos de la :egoría ib deben ser incapaces de provocar una deflagración en condiciones d e ccionamiento normales o en caso de fallo del sistema . Por otra parte, se exige a -circuitos de la categoría ia que sean incapaces de provocar una deflagración e n adiciones de funcionamiento normal o en caso de un defecto en el sistema o d e alquier combinación de dos defectos (tolerancia a fallos dual) . La fig . 11 .4 zestra un diagrama de un circuito ia con una sonda adecuada para el empleo e n a zona 0 (además de para las zonas 1 y 2) con los componentes restrictivos ty

fig. 11. 4 Para una medición de niveles analógica, el diagrama de circuitos difiere del de la fig . . En est e --- M4 en qut al relé se ha-sustituido-por-una-salida de-corriente analógica caso, para evitar cualquier sobretensión refleja en el amplificador debida a componentes externos tales como transistores, reguladores o interruptores, se coloca un dispositivo aislante (por ejemplo, un óptico) entre el circuit o intrínsecamente seguro de la sonda y la salida de corriente estandarizada . Dado qu e un sensor o transductor intrínsecamente seguro se tiene que alimentar mediant e una fuente intrínsecamente segura, el cable no se puede guiar por un conduct o s estándar . Tiene que ser un conducto independiente solamente para cable n intrínsecamente seguros o tiene que estar en un cable de múltiples hilos co apantallamiento con solamente otros cables intrínsecamente seguros . Éste puede se r un cable de múltiples hilos apantallado estándar o debe estar marcado Con colores , etiquetas o texto, para que se reconozca que es un cable especial . Un sensor o transductor intrínsecamente seguro es el único sistema que se puede abrir sin corre r peligro mientras el sistema está conectado a la fuente de alimentación . 185

.demás, un sensor (tipo ia) o transductor (no amplificador) intrínsecamente seguro s )n el único tipo de protección práctico que permite trabajar en zonas 0 (y en zona s y 2), de modo que se adecúa a las categorías 1, 2 y 3 para equipos ATEX . rota rn sistema de medición que no es intrínsecamente seguro de origen no se pued e evar al mismo nivel de seguridad del estándar `i' simplemente añadiendo un a )arrera" Zener, debido a que no se conoce la acumulación de energía en el senso r condensadores o bobinas) en el `área segura', y puede ser peligrosa . 'abezal antideflagrante (EN 50018)

1 tipo de protección en relación con los cabezales d se basa en el diseño de u n Lene cabezal en donde se incluye una electrónica normal . Según cómo se elijan e l )lumen del cabezal y el contenido de los componentes también es posible que s e ceda formar en el cabezal una mezcla de ignición explosiva, pero debido a l a ierza de éste y a la anchura de banda escogida, la miniexplosión permanecerá e n interior y es imposible que se escape a la atmósfera . Uno de los aspectos d e seño de cabezales antideflagrantes es que deben disponer de suficiente materia l nra descargar la energía térmica y de la capacidad de liberar el exceso de presió n terna antes de abrir el cabezal . Para asegurarse de que la miniexplosión qued a )ntenida en el interior del cabezal a prueba de llamas, hay que prestar un a ención especial a la conexión y/o casquillo prensaestopas . Una solución e s egurarse de que el cabezal presurizado tiene un alojamiento de conexione s parado que se acopla a bornes de tipo e (seguridad aumentada) . Las partes d y e 11 cabezal se separan mediante conductores pasantes de vidrio o cerámica . En eso de un sólo cabezal a prueba de llamas (sin la parte e de conexión), se pued e nplear un cableado o un casquillo prensaestopas d especiales . bserve, por favor, que un cabezal presurizado no debe abrirse durante su uso . cluso cuando no está conectado a la fuente de alimentación, hay que dejar pasa r i nt*rvaló détiempo (alrededor de -10 minutos) antes de abrir, para que los )sibles componentes calientes que se vayan a exponer al entorno, se descargue n la energía eléctrica y térmica . Se permite la construcción de cabezale s itideflagrantes en aplicaciones dentro de las zonas 1 y 2 (categorías 2 y 3 par a [uipos ATEX) . aguridad aumentada (e) (EN 50019)

seguridad antichispas, por ejemplo por mejora de la seguridad, es un tipo d e otección basado en el empleo de materiales de acoplamiento especiales . Esto s )os de bornes difieren de los estándares en el material aislante, la distancia entr e bornes y los tornillos de seguridad (que evitan que se aflojen por la vibración) . asegurar estas conexiones, no es posible que se produzcan chispas o que lo s ornes se calienten . Este tipo de diseños de seguridad se emplean en transistores, queños motores, bobinas (por ejemplo, en medidores del flujo electromagnético) 6

y, por supuesto, en las partes de acoplamiento de los instrumentos (también e n combinación con la seguridad de los cabezales de presión, véase arriba) . Igual que en el caso de los cabezales a prueba de llamas, los cabezales de seguridad mejorad a no deben abrirse mientras están en uso para evitar fallos humanos . Los diseños de seguridad aumentada se permiten en aplicaciones en las zonas 1 y 2 (categorías 2 y 3 para equipos ATEX) . Otros diseños de protección son los siguientes : Resistentes a presiones p' (EN 50016 ) Adecuado para armarios, motores, analizadores complejos y salas de control. Requiere sistemas de alarma de seguimiento específicos . Encapsulados `m' (EN 50028 ) Adecuado para sensores, circuito pequeños y electroválvulas . Es prácticamente imposible su mantenimiento . Inmersión en aceite `o' (EN 50015 ) Adecuado para transformadores y en sistemas donde hay partes móviles . De us o poco extendido. Resistentes a llenarse de polvo (EN 50017 ) Adecuado para sistemas donde hay partes móviles . Su mantenimiento es dificil . D e uso poco extendido. Explosiones por polvo (EN 50281-1-1 y EN 50281-1-2 )

El término "atmósferas inflamables" suele referirse a situaciones donde hay peligro de que exploten mezclas de gases o vapores contenidos en un determinado lugar . Un tipo de explosiones menos familiares son las explosiones debidas al polvo. En este caso, el material explosivo es polvo que se arremolina en el aire . Casi cualquie r tipo de polvo puede originar una explosión si se dan las condiciones de ignició n pertinentes . A continuación se dan algunos ejemplos de polvos potencialment e explosivos : leche en polvo, harina, serrín, carbón pulverizado, polvos de aluminio/magnesio, sulfuros, cacao en polvo y polvo de piensos para ganado. En la mayoría de casos es posible contener las explosiones por polvo inicial . Sin embargo, aunque ocurren con menos frecuencia que las explosiones de gas , pueden ser mucho más peligrosas, puesto que las pequeñas explosiones levantan e l polvo que pueda haber y lo arremolinan, lo cual puede provocar una segund a explosión mucho mayor. Esta reacción en cadena puede acarrear consecuencias desastrosas . De entre las explosiones registradas en la última década, las debidas a polvos han tenido consecuencias más serias que las debidas a mezclas de gases . La diferencia principal entre las explosiones por mezclas de gases o por polvos es qu e la ignición de una explosión por gases ocurre a temperaturas relativamente altas , pero con niveles de energía bajos (por ejemplo, una pequeña chispa), mientras qu e en las explosiones debidas a polvos, la ignición se da a temperaturas relativament e bajas, pero con niveles de energía elevados (por ejemplo una caja reductora d e engranajes sobrecalentada) .

187

a protección contra explosiones debidas a polvo se basa también en l a iminación de por lo menos uno de los tres elementos del triángulo de riesgo d e nición (temperatura, oxígeno y combustible) . uesto que es imposible retirar totalmente el polvo inflamable que flota en el air e i el almacenamiento y procesamiento de áridos, los esfuerzos se concentran en l a nitación de las potenciales fuentes de ignición . as fuentes de ignición más frecuentes son las siguientes: sobrecalentamiento y fricción : motores agarrotados por rozamiento y sistema s de transporte ooperaciones de soldadura y corte (herramientas ) chispas debidas a causas mecánicas lamas sueltas, lámparas de inspección defectuosas o fundidas y aumento de la s temperaturas superficiale s equipos eléctricos y electricidad estática . s evidente que las fuentes de ignición del último tipo tienen importancia en nación con los instrumentos de indicación de nivel, pero apenas representa n nenaza real de incendio . Se han producido muchos accidentes por causas má s )munes que se podrían haber evitado con un poco de cuidado y atención . El iángulo de riesgo de ignición puede ser un recordatorio para, por ejemplo, n o tirar una cubierta de inspección metálica en el lugar, sino más bien bloquearla, o ara no eliminar el polvo con un cepillo, sino con algún tipo especial de aspiradora . umar está prohibido . La nueva directiva ATEX presta especial atención al atamiento de áridos para una amplia gama de productos y aplicaciones . Las cedidas que deben cumplir los equipos eléctricos en zonas de riesgo d e Tlosiones por polvos son : una protección IP de por lo menos IP 56, la limitació n la temperatura superficial del cabezal del equipo y la prevención de chispas nediante seguridad intrínseca) . irectivas ATEX (ATEX = ATmósferas EXplosivas) a Unión Europea (UE) ha adoptado la directiva ATEX 94/9/EC para equiparar s requisitos legales y técnicos entre los distintos estados miembros de la UE y as í cilitar el libre comercio de productos para uso en entornos potencialmente plosivos . Esta directiva reemplaza la anterior, `Atmósferas explosivas y gases d e Linas' (76/117/EEC y 82/139/EEC), y entra en vigencia el 1 de julio de 2003 . S e tableció el 1 de marzo de 1996 y ya se puede aplicar . La directiva abarca lo s luipamientos mecánicos y eléctricos y los sistemas de protección que se emplea n r entornos con riesgo de explosiones (gases inflamables, vapores y polvos) . a directiva entiende por `equipamiento' cualquier dispositivo que contenga o )restituya una fuente de ignición potencial y que incorpore en su diseño y/ o .stalación un sistema de seguridad para evitar que la fuente de ignición provoque za explosión en la atmósfera del entorno .

38

En la definición de `equipamiento' se incluyen también dispositivos de control y seguridad instalados fuera de la zona de riesgos pero que dispongan de una función de protección contra explosiones. Los `sistemas de protección' se define n como dispositivos que evitan que una explosión se propague o provoque daños . Todos los equipos que se vendan a partir del 1 de julio de 2003 tendrán que estar certificados respecto a la directiva ATEX y deberán cumplir los ` últimos ' estándares europeos homologados y los requisitos esenciales respecto a sanidad y seguridad (EHSR, Essential Health and Safety Requirements) . La directiva excluye explícitamente los tipos de productos siguientes : • dispositivos médicos • productos para uso en presencia de explosivos • productos para uso doméstic o • recipientes para el transporte marítimo y unidades móviles de alta ma r • equipamiento militar • medios de transporte (excepto vehículos para uso en entornos explosivos ) En la tabla siguiente se muestran las diferencias principales entre la nueva directiv a y la anterior : DIRECTIVA ANTERIOR 82/130/EEC (minas y alta mar) 76/117/EEC (no incluye la minería) Sólo para equipos eléctricos

En zonas con riesgo de explosión por mezclas de gases La equiparación de las directivas es opcional . Los miembros de la UE pueden exigir normas propias

DIRECTIVA NUEVA Directiva ATEX 94/9 EC, artículo 9 5 (de ATEX 100a) Para todo tipo de equipos (eléctricos y n o eléctricos) y dispositivos de control y seguridad instalados fuera de la zona de riesgo, pero que dispongan de una función de protección contra explosione s En todas las zonas con riesgo d e explosiones por gases o polvos La equiparación respecto a la s directivas ATEX es obligatoria Se requiere un sistema d e calidad adiciona l

Nota ATEX sólo se refiere a condiciones de presión atmosférica (0,8 — 1,1 bar), dad o que las evaluaciones se llevan a cabo en estas condiciones . Cada distribuidor indica también este punto en las instrucciones de seguridad obligatorias de su s sensores/transductores .

189

rupos de equipamientos y categorías .os productos se clasifican por categorías según las medidas de protección qu e resentan contra el riesgo de ser fuentes de ignición potenciales . Las categorías son as siguientes : rupo de equipamientos 1 (minería) : ■ M1 - Gran capacidad de protección para equipos instalados en minas . Incluso en caso de dos fallos independiente s M2 - Concepto de fiabilidad en la protección que ofre-cen los equipos mineros

Aparato simple Los componentes pasivos se consideran aparatos simples y no se ven com o material eléctrico o como material con capacidad para encender una mezcl a explosiva . Los aparatos simples como los relés, las resistencias, los sensore s resistivos y los semiconductores simples (por ejemplo, los LED, los NTC y la s fotorresistencias) sólo se denominan de este modo si conmutan, generan o almacenan más de 1,2V, 100 mA, 25 mW o 20 µJ.

irupo de equipamientos II (no minería) : CAT 1 G - Los equipos tienen que ser seguros, incluso en el caso d e incidentes poco comunes (para uso en servicios dentro de zonas 0 , 1 y 2) CAT 2 G - Equipos con seguridad mejorada, incluso en condiciones d e funcionamiento extraordinarias (para uso en servicios dentro d e zonas 1 y 2 ) CAT 3 G - Equipos con un nivel de seguridad apropiado en condiciones d e trabajo normales (para uso en servicios dentro de una zona 1 )

Certificación En general, con cada instrumento que se vaya a emplear en un entorno explosivo , el distribuidor debe suministrar un certificado o declaración . Este certificado establece en qué aplicaciones se puede emplear el instrumento, qué instituto lo h a probado y cómo, y dónde se puede montar . Por ejemplo, los instrumento s intrínsecamente seguros se pueden montar en distintos grupos de gases según la s longitudes de cable máximas permisibles (es decir, la capacitancia e inductanci a máximas del cable de conexión entre el sensor y el transmisor) . En Europa, la directiva ATEX exige suministrar un documento publicado en los 11 idiomas d e los miembros de la CE, en el que se muestren o describan los principales aspecto s acerca de la seguridad y que establezca la conformidad de la CE (y de la directiv a EMC) .

3n el grupo II hay una categoría equivalente con la extensión `D' (del inglés, dust), polvo) en lugar de `G' (gas) para explosiones por polvo en las zonas 20, 2 1 22. La marca de la categoría en el equipo informa al usuario final de las zonas e n [ue se puede instalar con seguridad . Esto representa una mejora sustancial en omparación con el viejo sistema de marcaje que consistía en dar la lista dedo s Liseños de protección de que disponía el equipo .

Es una práctica común pedir un certificado al distribuidor y complementar est a información con los datos técnicos . Es mucho más inteligente leer este manual y actuar según se especifica antes de guardarlo . La instrumentación que se emple a en áreas de riesgo debe estar marcada de acuerdo con el certificado y se deb e emplear según dictan las recomendaciones acerca de la seguridad, el manual d e usuario y los estándares oficiales.

.a directiva relativa al `uso ' _ Jna parte de la directiva ATEX és-e artículo 137 de la norma 1999/92/EC paró . La protección de los trabajadores en riesgo por entornos explosivos potenciales' . asta directiva (anteriormente, la 118a) es conocida como la directiva del `uso' y ambién va a ser obligatoria en la ley de la comunidad europea a partir de julio d e 003. Esta directiva exige que en los lugares donde se puedan desarrollar entorno s xplosivos (por gas o polvos) se lleven a cabo informes documentados de análisi s Le riesgos, la clasificación según área y las inspecciones pertinentes . Esta directiv a segura que en entornos potencialmente explosivos se instalen sólo sistema s léctricos o mecánicos y los sistemas de seguridad correspondientes según ATEX .

11 .4 Autoseguimiento de la segurida d Las medidas de seguridad discutidas en este capítulo también se pueden aplicar a elementos de seguridad para' sistemas de medición de niveles . Estos elementos d e seguridad suelen formar un autoseguimiento de la seguridad, que actúa com o dispositivo de seguridad por sí mismo que asegura que el sistema funcion a correctamente o activa una alarma cuando el sistema no funciona bien . El empleo de los pulsos modulados en frecuencia (Pulse Frequency Modulation , PFM) permite mejorar notablemente la autoseguridad de un sistema .

PFM cambia la frecuencia del tren de pulsos para transmitir una señal ■dificada; por ejemplo, en un indicador de nivel capacitivo, la modulación de l a :cuencia del impulso se puede emplear para un autoseguimiento de la seguridad , modo que la alarma se activa en los casos siguientes : fallan o se retiran las electrónicas de la unidad del oscilador o del senso r el cable a dos hilos que conecta el sensor y el conmutador de nivel est á interrumpido, en cortocircuito o su polaridad está al revé s el circuito de entrada del conmutador de nivel está defectuoso .

El circuito de llenado también se interrumpe (ahora mediante el relé de salida de l nivel) cuando se alcanza el nivel superior . La experiencia adquirida con las series mencionadas más arriba y la aplicación de la tecnología digital ha conducido al desarrollo de una segunda generación de interruptores de nivel de seguridad . Estos interruptores de nivel controlados por microprocesador efectúan u n seguimiento de funcionamiento completo desde el sensor a la salida de relé . Este tipo especial de interruptor de nivel (por vibración) funciona mediante redundancia dual, con dos circuitos de procesamiento de señal individuales en l a función `de vigilancia' . Este instrumento se adecúa a la clasificación AK5 segú n DIN V 19250 y a aplicaciones SIL3 según IEC 61508 (Véase la sección 11 .5 de este capítulo) . Los instrumentos de nivel analógicos se pueden preconfigurar a menudo a las funciones de seguridad MIN, MAX o HOLD . En caso de cualquier fallo en el sistema, la salida se puede seleccionar a baja (3,8 mA), alta (20,5 mA ) puede retener la señal del último valor medido . Una función adicional de alarm a puede indicar este estado. En indicadores de nivel por tiempo de retorno de l a señal (por ultrasonidos, microondas y TDR), estas funciones de alarma indica n una condición de eco perdido y muestran si el estado del instrumento es correcto .

11 .5 Nivel de integridad de seguridad (SIL ) En 1997 se publico la directiva piloto IEC 61508 . Esta directiva se refiere a l análisis de riesgos y la seguridad en los aspectos siguientes : • reducción del riesgo para las personas (prevención de daños y muertes ) • reducción de riesgos para el medioambiente • reducción de riesgos para `bienes valiosos '

171775

fig . 11 .5 ilustra un ejemplo de un detector de límite superior en un tanque, en cual se emplea un circuito interruptor de seguridad para impedir que e l ecanismo de control de una bomba funcione (con riesgo de rebose) si : 1

no se efectúa o se interrumpe la conexión entre la sonda del tanque y el born e de carga la sonda o el oscilador-son-defectuosos o no están se infiltra agua o cualquier otra sustancia en el extremo de la sond a se produce un defecto en el mismo interruptor de nivel .

2

Esta reducción del riesgo se ha exigido para evitar fallos de control del sistema y de los componentes del sistema . El estándar IEC 61508 se muestra cada vez má s como una de las mejores prácticas entre los estándares de la industria global par a la gestión de la seguridad, y hace hincapié en los instrumentos de seguridad . Abarca diferentes sectores tales como la locomoción, la aeronáutica, la s herramientas de maquinaria o los instrumentos médicos . A partir de la directiva piloto IEC 61508, se van a desarrollar estándare s específicos para distintos sectores . Para la industria de procesos, la directiva definitiva será la IEC 61511 . Hasta entonces, los estándares para la seguridad son DIN V19250 (D) y S84 (EEUU) . El objetivo de estos estándares es integrarse en el estándar IEC 61511, de modo que IEC 61511 se convierta en el estándar par a los instrumentos de seguridad (Safety Instrument Systems, SIS) . El SIS incluye lo s sistemas de instrumentación y control que se instalan con el propósito d e minimizar una situación de riesgo o dirigir el proceso en condiciones de segurida d en caso de cualquier alteración en el proceso .

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la experiencia y la estimación se desprende que alrededor del 3% de todos lo s 3trumentos presenten funciones de seguridad similares . En concreto, hay aratos de seguridad que miden niveles, presiones, temperaturas y, en meno r ado, caudales . Esto se aplica también al control de válvulas, válvulas de guridad, actuadores, PLC y sistemas de control por ordenador, es decir, a .alquier equipo dentro del bucle de seguridad completo . Las medidas de guridad en los instrumentos se basan en preguntas del tipo ` qué pasaría si', e s cir, qué sucedería si no fuera suficiente una medición preliminar. Esto se uestra en el modelo de `múltiples niveles de protecció n' de la fig . 1-1 .6 . En la capa se clasifican los instrumentos de seguridad . Un nivel superior puede comportar pérdida de contenido por las válvulas de descarga de emergencia .

Gráfico de riesgos para la seguridad W3

cl

11 . 6

ara conseguir una clasificación de riesgos cualitativa, se confecciona un gráfico de esgos, que se puede emplear para estimar las consecuencias, la frecuencia y l a ;posición, las posibilidades de prevención y la probabilidad de que ocurra, lo cua l sulta al fmal en el nivel de integridad de seguridad- -SIL- (véase la fig. 11 .7) .

W1

a P1— 1

a

P2— 1

1

a

P1— 2

1

1

P2— 3

2

1

/ F1

3

3

2

l\ F2

4

3

3

n .a .

4

C2

C3

Múltiples niveles de protecció n Respuesta de emergencia comunitaria Respuesta del plan de emergencia Protección externa física (paredes o diques ) Protección física (instrumentos) Sistema de seguridad de instrumento s Alarmas, intervención del operado r Control básico de proces o Proceso/planta

W2

C4

Las figuras 1, 2, 3 y 4 son los niveles SI L (Nivel de Integridad de Seguridad ) resultantes del SIS (Sistema de Instrumentación de Seguridad)

fig.

11 . 7

La escala C representa las consecuencias de daños humano s Cl - perjuicios mínimos (que se curan) C2 - perjuicios serios, muerte de una person a C3 - muerte de varias persona s C4 - catástrofe, muchas víctimas La escala F representa la frecuencia y exposición de gente en el áre a peligrosa : F1 - baja frecuencia de presencia y exposición de corta duració n F2 - alta frecuencia de presencia, exposición más larga y más gent e La escala P representa la posibilidad de evitar sucesos peligrosos Pl - bajo ciertas condiciones, todavía se pueden efectuar mediciones, po r ejemplo, añadiendo algún agente paralizado r P2 - casi imposible de evitar.

a4

195

a escala W representa la posibilidad de ocurrenci a 1 - probabilidad muy baja (entre 10 y 100 años ) 2 - baja (entre 1 y 10 años), ha ocurrido antes en algún luga r 3 - relativamente alta (más de una vez por año), ha sucedido antes en nuestra opia empresa . tá claro que las exigencias en el bucle de seguridad son superiores cuanto má s rias son las consecuencias (mayor pérdida de producto, catástrofe s edioambientales, heridos o muertos) . En el gráfico de riesgos, `a=o `-` significan igencias de seguridad ordinarias (no especiales), y `n .a .' (no aplicable) implican 1 rediseño parcial o completo! El nivel SIL 4 se tiene que considerar como muy ligroso e inaceptable, lo cual implica que, a la práctica, se exigirá al equipo lo s veles SIL 1, 2 y 3 . )s procedimientos para que la instrumentación alcance un nivel SIL determinado n complejos y lentos, puesto que dependen de una gran cantidad de propiedade s cada instrumento y parámetros, además de experimentación .- Queda más allá d e objetivos de este manual discutir todos los detalles de tipo : probabilidad d e lo de las exigencias, HAZOP, valoración cuantitativa, causas comunes de fallos , lo de vida de las especificaciones de los requisitos de seguridad, tiempo medi o tre fallos, tiempo medio entre reparaciones, función de protección del ;trumento, etc. Los distribuidores se ocupan de proporcionar estos requisitos y unos ya son capaces de suministrar instrumentación con clasificaciones SIL . ra los usuarios, las exigencias SIS son incluso superiores, ya que enfrentarse co n :os artículos y evaluar lo que es aplicable para un funcionamiento seguro de l oceso en cualquier circunstancia teniendo en cuenta a las personas, e l edioambiente y el coste . El departamento de gestión y seguridad y los ingeniero s proceso/instrumentación debe ser el que se encargue de conocer los servicio s *éciálés dé múntáje y eváluar losresultados, decidir, documentarse y llevarlos a bo.

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Más informació n

Se puede encontrar más información en relación con tipos d e instrumentación, documentación específica, aplicaciones específica s (química, energía, medioambiente, alimentación, agua y materia s primas), artículos técnicos acerca de medición de niveles, presión , análisis, y direcciones de Internet relacionadas relacionadas en w ww.endress .com y www.systems .endress.co m

Más información acerca de aplicaciones higiénicas : • www.ehedg.org • wvvwfda .gov • w ww.3-a .org • www.nsf .org • wwwiafis .org • worldfoodnet .co m • introdúzcase "hygienic standards" o "food processing" en algún buscador de Internet.

Más información acerca de protección contra explosiones (ATEX) : • www.epsilon-ltd .co m • www.csa-international .org • www.explorisk .com • wwwiceweb.com .au/home .html • introdúzcase "explosion proof' en algún buscador de Internet .

Más información acerca de niveles de integridad de seguridad (SIL) : • www.safety-sc.co m • w ww.iceweb.com .au/home .html • introdúzcase "safety integrity level" en algún buscador de Internet .

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