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166 IngenIería QuímIca Nº 498

IsInSTrumenTacIÓn

Aunque actualmente se dispone de muchas tecnologías para realizar la medición del nivel de líquido en grandes tanques de almacenamiento, esta medición principalmente se realiza mediante dos tecnologías: la servo y la radar. Elegir la más adecuada para cada caso es importante para efectuar una medición precisa. Este artículo nos introduce en los principios de medición de ambas tecnologías y nos explica los aspectos que hay que tener en cuenta para una selección óptima de la tecnología de medición de nivel en tanques de transferencia de custodia.

ACTUALMENTE PODEMOS DISPONER de diferen-tes tecnologías para determinar el nivel de líquido en grandes tanques de almacenamiento. En estos tanques se utiliza principalmente tecnologías de medición tipo servo o tipo radar para poder tener una medición de nivel de producto precisa y con aprobación de metro-logía legal. Durante los últimos años, se ha discutido mucho si estas aplicaciones de medición de nivel de líquidos deben hacerse con tecnología servo o tecno-logía radar.

Este artículo explica ambos principios de medición y aporta criterio para elegir cuál utilizar y en qué circuns-tancias de transferencia de custodia.

1PrIncIPIo de medIcIÓn del ServoEl principio de medición del servo está basado en la Ley de Arquímedes, que dice lo siguiente: “Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido, recibe un empuje de aba-jo hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desalojado por el objeto”. Arquímedes de Siracusa.

J. Pedrola y F. SubiráIberfluid Instruments, S.a.

Selección del principio de medición de nivel en tanquesde transferencia de custodia

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INSTRUMENTACIÓN


El medidor tipo servo (Fig. 1) está formado por tres partes: compartimento

del tambor, compartimento del motor y com-partimento de la alimentación eléctrica. El

compartimento del tambor tiene un tam-bor mecanizado con precisión, alrededor

del cual se enrolla el hilo de medición. El desplazador está suspendido dentro del tanque median-te este hilo. El compartimento del motor incorpora el tren de tracción (servomotor y electrónica) y la electró-nica de medición.

La transmisión del par ejercido en el tambor al tren de tracción, se hace mediante un acoplamiento magné-tico. Con la transmisión magnética se aísla el proceso de la parte electrónica del nivel. El desplazador se mueve debido al movimiento del servomotor paso a paso.

Cuando el desplazador alcanza la superficie del lí-quido del tanque, la flotabilidad disminuye el peso apa-rente del mismo. El peso del desplazador se mide en la electrónica del servo por medio de un transductor de fuerza. En todo momento se sigue la posición exacta del tambor y su número de vueltas por lo que se cono-ce la longitud de cable desenrollado. Al conocerse la posición de la medida (altura de referencia de medida, ARH), puede calcularse el nivel exacto de producto. Una vez obtenido este nivel, se debe corregir debido a diferentes incertidumbres típicas en los tanques, como son: temperatura del producto, efectos en la pared del tanque, cambios en la ARH debido a deformación hi-drostática del tanque, etc. Hay instrumentos con los que se puede medir con una exactitud de 0,4 mm, la cual sobrepasa la exactitud de las cintas métricas calibradas para sondaje manual.

2PrIncIPIo de medIcIón del radarLa tecnología radar (Fig. 2) utilizada para transferencia de custodia es principalmente la de onda continua de frecuencia modulada (OCFM). Es una solución que no utiliza la repetición de los pulsos, tal como los radares emisores de pulsos, y tampoco mide de forma directa el

tiempo de desplazamiento de la onda debido a que es un sistema poco preciso.

Esta tecnología lo que hace es enviar una señal de radar continua en la cual la frecuencia cambia conti-nuamente, efectuándose un barrido de frecuencias. La señal de radar emitida (OCFM) es reflejada por la su-perficie de líquido que hay en el tanque, recibida en la electrónica y comparada. Esta señal de retorno que está retrasada debido a la distancia recorrida, tiene una frecuencia diferente en relación a la señal emitida en aquel mismo instante. Esta diferencia de frecuencias es directamente proporcional a la distancia recorrida. Esta distancia recorrida, que es el doble de la distancia hasta la superficie del producto, puede utilizarse para establecer el nivel que hay de producto. A esta medida se le denomina “innage”. Esta diferencia de frecuencias permite conocer de forma precisa la distancia entre la antena del radar y la superficie del líquido almacenado en el tanque. A esta medida se la llama “ullage”. Hay medidores con los que se puede alcanzar una precisión de 0,4 mm.

3SeleccIón de la mejor SolucIónHay varios aspectos que pueden tener influencia en la selección del principio de medida más adecuado para una aplicación de transferencia de custodia. Los aspec-tos que deberían considerarse incluyen los siguientes:• Aspectos metrológicos y características del producto.• Requerimientos funcionales.• Instalación.• Costes.

3.1Aspectos metrológicos y características del productoDebido a que una medición exacta es esencial en mu-chas aplicaciones y a que todas las mediciones están influenciadas por factores externos que son causa de incertidumbres en la medición, en muchas ocasiones realizar una medición precisa no es un ejercicio fácil. Esto puede aplicarse a las mediciones de contenido de líquido en los tanques y, por lo tanto, deben considerar-se las siguientes influencias:

Figura 2Medidor de nivel tipo radar

Figura 1Medidor de nivel tipo servo


INSTRUMENTACIÓN


nen una lista de grupos de productos aprobados (todos los hidrocarburos de al menos 8 átomos de carbono por molécula, azufre, gasolina, etc.).

Si el efecto del vapor en la exactitud del radar sobre-pasa los límites de W&M, el principio de medición debe ser servo. Si el efecto del vapor es acorde con W&M, pueden utilizarse ambos principios.

La medición de los llamados productos ligeros con bajas constantes dieléctricas, como GLP o GNL, es com-plicada debido a que la intensidad de señal reflejada por el nivel de producto es muy baja. Para asegurar una medición fiable, la señal radar ha de ser emitida en for-ma de haz compacto y se recomienda el uso de tubo tranquilizador. El diámetro del tubo tranquilizador de-termina la velocidad de propagación del radar y, por lo tanto, debe ser constante en su totalidad.

n Requisitos para la instalación mecánicaDependiendo de si el método de instalación es mon-taje sobre techo o montaje en tubo tranquilizador, hay que aplicar unos requisitos específicos para medidas de transferencia de custodia con radar o con servo. Medición de aplicaciones con tubo tranquilizador

utilizando radar.La medición con radar requiere un diámetro cons-

tante del tubo tranquilizador. Esto puede ser un proble-ma cuando el tubo tranquilizador tiene una reducción. Las variaciones de diámetro del tubo tranquilizador, falta de alineación e inclinación de los segmentos del tubo tranquilizador, van a influir en la precisión de la medición radar. Los tubos tranqulizadores pueden te-ner una o dos columnas de agujeros, y en ocasiones son alargados. Si son demasiado grandes, podrán afectar a la precisión de la medición.

Posibles soluciones a un tubo tranquilizador con reducción:• Cortar el tubo a la altura del reductor y montar el radar

mediante una brida. Esto puede tener cierta dificultad y precisar de un permiso para trabajo en caliente.

• Montar un tubo insertado de menor diámetro. Sólo puede hacerse con productos limpios e incluso en es-te caso pueden presentarse problemas como que el tubo insertado evite una buena mezcla del producto dentro del tubo insertado con el del tanque. En con-secuencia, el tubo tranquilizador no debe usarse para tomar muestra. Incluso, en casos extremos, el nivel de líquido puede ser diferente del que hay en el resto del tanque. Los tubos tranquilizadores de pequeño diá-metro son mucho más sensibles a la contaminación que los de gran diámetro. Para productos viscosos co-mo el crudo, deben utilizarse tubos tranquilizadores de al menos 10”.

Medición de aplicaciones de espacio libre utilizando radar

Cuando se mide con radar en aplicaciones de espa-cio libre, cerca de la pared del tanque, podrá observarse el efecto llamado “múltiple haz” (Fig. 3). Debe mante-nerse una distancia mínima a la pared del tanque de forma que las reflexiones de la pared no tengan influen-cia en la precisión de la medida. Medición de aplicaciones utilizando servo

En una aplicación de espacio libre, el servo puede instalarse en cualquier posición estable del techo. Debe guardarse suficiente distancia de cualquier obstrucción vertical y de las entradas o salidas de producto.

n Efecto del vaporEl efecto del vapor es la influencia que tienen los vapo-res de producto en la velocidad de propagación de la señal radar, comparada con la velocidad de referencia en condiciones atmosféricas. Este efecto está causado por las propiedades físicas específicas del vapor que in-teraccionan con la energía de microonda emitida por el radar. Hay tres efectos principales:1. La constante dieléctrica.2. La permeabilidad magnética.3. El momento dipolar.

Cuando se utiliza la tecnología radar para la medi-ción de nivel en tanques cerrados que contienen hi-drocarburos ligeros, hay varios puntos que deben ser tomados en consideración desde el punto de vista de la precisión:• La poca diferencia de constante dieléctrica que hay en-

tre el vapor que está sobre el líquido y el propio líquido.• La composición del vapor no sólo depende del líqui-

do que hay en el tanque, sino que también depende del aire y posiblemente de otros productos almacena-dos previamente en el tanque.

• El vapor afecta a la velocidad de propagación del ra-dar y a la cantidad de energía reflejada por la super-ficie del líquido.

• El efecto producido por el vapor no sólo depende de las propiedades físicas de éste, sino también de la can-tidad que haya.

• La cantidad de vapor está relacionada con la presión de vapor y el grado de saturación, es decir, cómo está dispersado y distribuido el vapor en el espacio vacío por encima del líquido.

• La saturación de vapor no es homogénea, es muy com-pleja como consecuencia de que el tanque y su conte-nido no están a una temperatura uniforme, y además, hay una serie de influencias dinámicas causadas por efectos ambientales: el sol, la lluvia, llenado o vaciado del tanque.

Cada sistema de radar se calibra en aire, y la com-posición del vapor no es muy estable, de forma que la influencia del vapor nunca puede ser compensada to-talmente. La incertidumbre principal es la saturación variable que hay de vapor. Puede conseguirse un cierto nivel de compensación de este efecto midiendo la pre-sión de vapor y la temperatura.

Los Institutos de Pesos y Medidas (W&M) destacan el efecto que tiene el vapor en la precisión del medidor. Como consecuencia, han hecho una diferenciación en-tre el rango de productos a medir.

La mayoría de las autoridades de W&M de Europa, tales como NMi y PTB, no permiten utilizar tecnología radar en aplicaciones a presión, debido a que los efectos mencionados sobrepasan el máximo error permitido y los modelos y compensaciones no están suficientemen-te probados. Las aprobaciones W&M del NMi contie-

Si el efecto del vapor en la exactitud del radar SobrepaSa loS límiteS de W&m, el principio de medición debe Ser Servo


Octubre 2011

Para aplicaciones servo con tubo tranquilizador, puede uti-lizarse cualquier tubo tranquili-zador con diámetro suficiente. Generalmente es suficiente con 8”, aunque pueden utilizarse diá-metros inferiores.

n Campo de medidaUna preocupación general cuan-do se mide nivel en tanques es el campo de medida que podrá usarse si la aplicación es de trans-ferencia de custodia. En la parte alta del tanque, la distancia mí-nima que debe de haber entre la superficie del líquido y la antena del radar (el “ullage”) es de 50 cm. En el fondo, la medida del radar será aprobada para transfe-rencia de custodia desde aproxi-madamente 30 cm por encima del fondo del tanque. La media en el fondo podría mejorarse en unos 5-10 cm instalando una placa deflectora en el punto más

bajo del tubo tranquilizador. Esta solución, de todos mo-dos, no es ideal ya que necesita igualmente de un cierto espacio. En el caso de aplicaciones de espacio abierto, una placa deflectora no ayudará. Los medidores servo pueden medir siempre en todo el campo de medida.

n Expansión térmicaEs esencial para las aplicaciones de transferencia de cus-todia la compensación de temperatura. Debe realizarse la compensación de temperatura tanto al contenido del tanque, el fluido, así como a los constituyentes físicos del mismo (pared y/o tubo tranquilizador), y especial-mente cuanto mayores sean los tanques y cuando la temperatura de la pared del mismo difiera en más de 10º C de la temperatura de calibración. Una medida precisa y la consecuente compensación por tempera-tura del contenido del tanque puede mejorar el cos-te operativo en hasta 12.000 € por vez que se llena el tanque. Esto tanto aplica al sistema de medida servo, como al radar, empleando sistemas externos de medida de temperatura.

La compensación térmica del tubo tranquilizador y la pared del tanque puede realizarse midiendo la tem-peratura del líquido y la de la fase gaseosa del tanque. En aplicaciones con fluidos viscosos calentados, en don-de el radar es la elección preferida, éste deberá aplicar estas correcciones a la lectura del contenido del tanque.

Con el servo, la necesidad de compensación por efectos de la pared del tanque es menor, dado que el hilo de medida ya compensa él mismo para la mayor parte de la incertidumbre introducida por la parte seca de la pared del tanque.

3.2Requisitos funcionalesLa mayoría de los radares o servos pueden equiparse con un amplio abanico de opciones, como entradas del promedio de temperaturas de producto y de fase gas,

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Figura 3efecto “múltiple haz”


INSTRUMENTACIÓN


transmisores de presión, sensores para medida de agua en fondo, señales analógicas y alarmas.

n Perfil de densidadCuando se almacenan partidas distintas de fluidos, una encima de la anterior, pueden darse estratificaciones de densidad. Puede ocurrir que una partida, si tiene temperatura o composición distintas del resto del con-tenido del tanque, quede como una capa en la parte superior del tanque. No siempre el fluido más liviano queda encima del producto más pesado, o se mezclan ambos al cabo del tiempo. Cuan bien se mezclarán estas capas de productos o quedarán separadas, dependerá de cómo se opere el tanque. Esta estratificación puede ocurrir con productos pesados, pero también con pro-ductos refinados, y productos muy ligeros como GLPs y otros gases licuados.

Las distintas partidas pueden tener composiciones distintas como resultado de los procesos de producción, pero también cuando llegan por oleoductos o de bu-ques. Los operadores deben saber si se da estratificación de densidades en los tanques, ya que dentro del sistema de calidad deben disponer de muestras representativas de todo el contenido del tanque. Puede considerarse en estos casos la homogeneización por mezcla, en caso de que el tanque esté provisto del equipo necesario y se disponga de suficiente tiempo.

Algunos servos de alta gama tienen la capacidad de medir de forma automática el perfil de densidades con 10 medidas a lo largo de la altura del líquido. El perfil de densidades, posible también con información de la tempe-ratura, permite al operador visualizar una posible estratifi-cación de la densidad. Esta información permite una mejor y más eficiente mezcla, desde el punto de vista energético, con la ventaja, en tanques presurizados, de poder obtener mezclas representativas, cosa que se evidencia difícil.

Los radares pueden completarse formando un sis-tema híbrido, con medida del promedio de densidad. Este sistema también se denomina HIMS o HTMS, en donde dicho promedio de densidad del total de la altu-ra de producto se consigue utilizando una medida pre-cisa de presión, pero este sistema no es capaz de dar un perfil de densidad.

n Medida de la interfaseAdemás de la interfase entre aire y producto, una segun-da interfase puede ser importante, por ejemplo, agua en el fondo de un tanque de gasolina o gasóleo. Con un servo de última generación, o con una sonda de medida de agua de fondo (o cualquier otra segunda interfase entre productos) podemos abordar estas medidas.

Cuando se desea medir la interfase de agua libre en un tanque, es importante instalar el servo justo encima del sumidero del tanque (“water sump”), con lo que podrá medir la menor cantidad posible de agua. La me-dida de interfase de agua es una aplicación excelente y bien probada en productos limpios y no viscosos.

3.3Aspectos al respecto de la instalaciónn Modificaciones mecánicas requeridasEn el caso de instalaciones ya existentes (modificando y mejorando una terminal en servicio), la selección es un simple árbol de decisiones. Si está instalada una ver-

sión anterior de servo, una mejora a un servo de última generación será fácil y directa, ya que la instalación era ya adecuada para un servo. Si se debe sustituir un servo antiguo por un radar, debemos primero estar seguros de que la instalación cumple con las particularidades que necesita la instalación de un radar. Estas especifici-dades incluyen las dimensiones del tubo tranquilizador y de sus agujeros, los efectos de la pared del tanque, obstrucciones, reducciones, placa de deflección, etc.

En general es recomendable hacer una revisión de la instalación. Con una revision por técnicos expe-rimentados, se podrán evaluar todos los aspectos rela-cionados con la instalación y la aplicación, reduciendo sorpresas por costes añadidos a última hora.

3.4CostesLos siguientes costes pueden considerarse a la hora de seleccionar un radar o un servo para aplicaciones de transferencia de custodia:

n Coste del instrumentoLa diferencia de precio de adquisición entre un me-didor tipo servo o uno tipo radar es muy poca. En ge-neral, este aspecto no debe ser lo que les diferencie, si no es que se necesitan añadir características adicionales como la medida del perfil de densidades o de la inter-fase agua. En este caso, el medidor tipo servo resultará tener un coste más ajustado que la solución equivalente de un medidor tipo radar.

n Costes de las modificaciones mecánicasAntes de tomar la decisión de instalar un medidor

tipo radar o uno tipo servo, deben de verificarse las li-mitaciones en cuanto a instalación, según lo comentado más arriba, y sumar en cada opción los extra-costes aso-ciados a la tecnología.

n Coste de mantenimientoAplicaciones con productos contaminantes (como betu-nes, asfaltos, residuos de vacío, productos con tenden-cia a polimerizar) pueden derivar en elevados costes de mantenimiento si utilizamos medidores tipo servo.

Un radar es una excelente solución para estos pro-ductos.

En productos limpios, ambos, el tipo radar o el tipo servo, requerirán un mantenimiento mínimo. Por ello, en productos limpios, el mantenimiento no debe ser un criterio de selección.

4cOnclusIón De cara a escoger la mejor solución en una aplicación de medida de nivel en transferencia de custodia, debe-mos seleccionar cuidadosamente el principio de medi-da basándonos en las particularidades de la aplicación y no en la preferencia entre una técnica de medida u otra. La mayoría de las plantas tienen distintas aplica-ciones e instalaciones y consecuentemente siempre es mejor seleccionar un suministrador que ofrezca las dos técnicas de medida, tipo servo y tipo radar, con la mejor precisión posible (0,4 mm) para obtener el mejor retor-no de la inversión.


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