Nivel en Tanques: Medidas por presión diferencial

Este sistema se basa en el principio de medir la carga o presión hidrostática. La carga se define como el peso de líquido que existe por encima de un plano de referen­cia.

Es independiente del volumen de líquido implicado o de la forma del recipiente. El sistema no mide el nivel de líquido sino la presión ejercida y, como la presión es proporcional a la altura de columna de líquido, el medidor «infiere» la posición actual del nivel. Por tanto la altura de nivel obtenida por este método es una medida inferencial, para la que se utiliza la expresión siguiente:

siendo:

H = Altura de líquido sobre el plano de referencia

P = Presión debida a la carga de líquido

p = Densidad del líquido

La Figura de adelante muestra un tanque abierto, es decir, a presión atmosférica, con una instalación típica para la medida de nivel.

El transmisor tiene conectada la rama positiva en el lado de alta presión (AP) y la rama negativa en el lado de baja presión (BP). La presión diferencial que mide el transmisor será:

siendo:  = Densidad del producto a medir.

Cuando en lugar de un tanque abierto, como el de la Figura anterior, se trata de un reci­piente cerrado, como el de la Figura de adelante, y la superficie de líquido contenido en el recipiente está sometida a presión estática superior a la atmosférica, esta presión se suma a la carga hidrostática, por lo que se debe utilizar un método que compense el valor de esa presión.

Por otro lado, en ocasiones no es posible montar el transmisor con la rama positiva a la misma altura que la toma de alta presión, siendo necesario montar el transmisor en posición más baja que la toma de alta presión para llevar a cabo labores de manteni­miento. El tipo de montaje que se utiliza para esta situación es el que aparece en la Figura siguiente, el cual compensa además la presión estática al tener conectada la rama negativa a la zona de gas del recipiente.

En este caso es necesario «eliminar» la columna de líquido «he» situada sobre la rama positiva para que el rango de medida de nivel esté comprendido en el rango «H», es decir, entre las conexiones o tomas de nivel. Esta eliminación de columna de líqui­do se conoce como elevación de cero. Veamos un ejemplo en el que se dispone de los siguientes datos.

• Distancia H = 1.500 mm

• Distancia he = 1.200 mm

• Densidad p = 800 kg/m3

En primer lugar hay que convertir las distancias reales a rangos en milímetros de columna de agua para llevar a cabo la calibración del transmisor. Por tanto:

• Rango H' = H*p = 1.500*0,800 = 1.200 mm CA

• Rango he' = he * p = 1.200 *0,800 = 960mmCA

Esto significa que la presión ejercida en la cámara positiva por la distancia «H», en la cual queremos medir el nivel con un rango entre 0 y 100 %, será de 1.200 mm CA. A esta presión hay que sumarle 960 mm CA que corresponden a la distancia «he» entre el punto bajo de conexión y el punto donde se encuentra situada la cámara de alta presión del transmisor. La Figura adelante muestra gráficamente la calibración de este transmisor.

La cámara de baja presión está sometida solamente a la presión estática del reci­piente, puesto que la línea de conexión está formada por gas. Como ambas cámaras del transmisor están sometidas a la misma presión estática, ésta se elimina, no intervi­niendo en los cálculos. La presión diferencial que mide el transmisor en este caso es:

Como consecuencia de todo lo anterior, sometiendo la cámara positiva a una pre­sión de 960 mm CA (he'), el transmisor dará una salida de 4 mA. Si se somete a una presión de 2.160 mm CA (H' + he'), la salida será de 20 mA.

En algunas ocasiones se desea medir el nivel en recipientes que contienen gases condensables. Esto hace que el gas contenido en la rama negativa se vaya condensan­do paulatinamente, ocasionando un error variable en la medida. Para solucionar este problema se recurre a llenar la rama negativa del transmisor con un líquido de sello cuya densidad sea mayor que la del líquido condensable para evitar que ambos se dilu­yan. En este caso la presión ejercida en la rama negativa del transmisor por la columna del líquido de sello es superior a la que soporta la rama positiva, siendo necesario recurrir a la eliminación de la presión de esta columna, lo que se conoce habitualmen-te como supresión de rango. La Figura siguiente muestra un ejemplo, aunque no muy habi­tual en la práctica, en el que se unen en el mismo montaje la elevación de cero (colum­na he) y la supresión de rango (columna hs).

Veamos un ejemplo en el que se dispone de los siguientes datos basados en la Figura arriba:

• Distancia H = 1.500 mm

• Distancia he = 1.200 mm

• Densidad pP = 800 kg/m3 (Densidad del producto en el interior del recipiente)

• Distancia hs = 2.700 mm (H + he)

• Densidad ps = 1.000 kg/m3 (Densidad del líquido de sello de la rama negativa)

La primera operación a realizar es la de convertir las distancias reales a rangos en milímetros de columna de agua para llevar a cabo la calibración del transmisor. Por tanto:

Esto significa que la presión ejercida en la cámara positiva por la distancia «H», en la cual queremos medir el nivel con un rango entre 0 y 100 %, será de 1.200 mm CA. A esta presión hay que sumarle 960 mm CA que corresponden a la distancia «he» entre el punto bajo de conexión y el punto donde se encuentra situada la cámara de alta presión del transmisor. Por otro lado, spbre la rama negativa se está ejerciendo la presión correspondiente a la columna «hs» de la rama negativa. La Figura 3.13 mues­tra gráficamente la calibración de este transmisor.

Como en el caso anterior, aquí tampoco se ha tenido en cuenta la presión estática por quedar compensada entre ambas ramas del transmisor.

La presión diferencial que mide el transmisor en este caso es:

Como consecuencia de todo lo anterior, sometiendo la cámara de alta a una presión negativa de 1.740 mm CA (he' - hs'), el transmisor dará una salida de 4 mA. Si se somete a una presión negativa de 540 mm CA (H' + he'- hs'), la salida será de 20 mA. Otra forma más simple de conseguir la misma calibración es la de someter la cámara negativa a una presión de 2.700 mm CA (hs), y después ajustar la cámara positiva exactamente igual al ejemplo anterior que muestra la el grafico anterior.

El cálculo realizado en el ejemplo anterior puede ser considerado con carácter general para todos los casos, aplicando en cada uno de ellos los datos necesarios. Hay que tener en cuenta que la densidad pP (rango de medida) y la pe (elevación de cero) son la misma cuando se trata de medir el nivel de un solo producto, es decir, no existe interfase entre dos productos.

Veamos por último un sistema de medida de nivel interfase entre dos líquidos como pueden ser gas licuado de petróleo (LPG) y agua de proceso, con un montaje como el de la Figura siguiente, el cual representa la «bota» de un acumulador. En este caso nos interesa conocer el nivel de agua decantada en el recipiente, es decir, el nivel de líquido más denso. Hay que hacer notar que aunque el transmisor pueda ser situado por debajo de la toma inferior, la rama positiva se llena del líquido más denso, por des­plazamiento del más ligero. Por otro-Jado, la rama negativa ha de ser llenada con el líquido más denso para efectuar el sellado de la misma. Al autoeliminarse los tramos equivalentes de ambas ramas, el cálculo queda siempre como si el montaje fuera el de la Figura abajo.

Los datos a utilizar para este ejemplo son:

• Distancia H = 800 mm

• Distancia hs = 800 mm

• Densidad pP = 560 kg/m3 (Densidad del LPG)

• Densidad ps =1.100 kg/mJ (Densidad del agua de proceso)

Al convertir las distancias reales a rangos en milímetros de columna de agua ten­dremos:

• Rango H' = H * pP = 800 * 0,560 = 448 mm CA (con LPG)

• Rango H' = H * ps = 800 * 1,100 = 880 mm CA (con agua de proceso)

• Rango hs' = hs * ps = 800 * 1,100 = 880 mm CA (sello de agua de proceso)

Partiendo de la base que la rama negativa se ha llenado con agua de proceso para efectuar el sellado de la misma, la presión que está ejerciendo sobre la cámara de baja presión es de 880 mm CA. Si no existe agua de proceso en el rango de medida de nivel, la distancia «H» estará llena de LPG, ejerciendo una presión de 448 mm CA. En estas condiciones existe un desequilibrio de presión entre las cámaras de medida de 432 mm CA, más alta en la cámara de baja presión. Este desequilibrio se debe compensar con el sistema de supresión de rango,de forma que el transmisor dé una salida de 4 mA, equivalente a 0 % de nivel de agua (líqui­do más denso).

Al ir apareciendo agua en el rango de medida de nivel por decantación, se irá des­plazando el LPG hasta que la distancia «H» esté totalmente ocupada por el agua de proceso. En este momento la presión ejercida sobre la cámara de alta es de 880 mm CA, no existiendo por tanto desequilibrio entre ambas cámaras de medida. Con el sistema de ajuste o calibración del rango de medida se debe conseguir que el trans­misor dé una salida de 20 mA, equivalente a un nivel 100 % de agua (líquido más denso).

Veamos ahora lo que ocurre si se utiliza la ecuación general considerada anterior­mente:

Haciendo las siguientes suposiciones, sobre la Figura 3.14, para llevar a cabo la cali­bración:

• La distancia «hL» de la ecuación es equivalente a la distancia «H» cuando no existe agua de proceso, es decir, cuando la rama está llena de líquido más ligero.

• La densidad de elevación (rL) es la correspondiente a la del líquido más ligero.

• La densidad pP es la diferencia entre la de ambos productos. Igual que ocurre en los niveles por desplazador.

La Figura siguiente muestra gráficamente que en el sistema de medida de nivel interfase, la supresión de rango es igual al rango desmedida.

dP4 = 800 * 0,560 - 800 * 1,100 = - 432 mm CA (Supresión)

dP20 = 800 * (1,100-0,560)+ dP4 = 432-432 = 0mm CA

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