Nuevas soluciones para la medición precisa y fiable del nivel de agua

miércoles, 2 de mayo de 2018

Sistemas vitales como la lucha contra el fuego y servicios hídricos dependen del acceso al agua en cualquier momento. Los tanques de reserva son componentes importantes en estos sistemas y sirven como depósitos de agua locales, asegurando que la cantidad requerida de agua esté presente cuando sea necesario.

El tanque de agua a menudo es una "caja negra", y podría ser difícil determinar cuánta agua hay disponible en un momento dado. Por lo tanto, el tanque de agua está típicamente equipado con algún tipo de dispositivo de medición de nivel, que puede proporcionar una medición precisa del volumen de agua.

Este artículo explora diferentes métodos de medición de nivel con un enfoque especial en el uso de sensores de presión como una solución precisa y fiable.

Cómo medir el nivel y/o el volumen del tanque de agua

Hay varias maneras de medir el nivel de agua de su tanque, desde interruptores de nivel analógicos básicos hasta sensores de presión digitales más avanzados. Entre las muchas posibilidades, la presión hidrostática se ha convertido en uno de los métodos más fiables y precisos.

El nivel de agua puede calcularse utilizando la densidad del agua. Un sensor de presión puede ayudarnos a medir la presión hidrostática y definir la columna de nivel de agua. La geometría del tanque se puede usar para calcular el volumen de agua, si es necesario.

El requisito previo más importante para la medición del nivel hidrostático es la llamada "paradoja hidrostática" o "Paradoxon pascalsches". Esta paradoja describe que la presión en el punto de medición en un contenedor depende de la altura de llenado de un fluido, independientemente de la cantidad de llenado y la geometría del contenedor.

Estamos distinguiendo entre medición de nivel en contenedor abierto o cerrado. La diferencia más importante, entre contenedor cerrado y abierto es la influencia de la presión ambiental además de la cantidad de llenado del medio en el contenedor. Este valor tiene una gran influencia en la capacidad de obtener los datos de medición correctos.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que la densidad puede cambiar según la temperatura; por ejemplo, la densidad del agua es más alta a 20°C y que a 80°C. Del mismo modo, la densidad del agua salada es mayor que el agua desmineralizada.

¿Qué parámetros son importantes para la medición de nivel?

1. p1= presión ambiente (hPa):

La presión ambiental depende de la altura de la posición del sensor de la aplicación sobre el nivel del mar o de las condiciones de aplicación, por ejemplo, en cámaras presurizadas.

Cuanto más alto estemos por encima del nivel del mar, menor será la presión del aire. Por ejemplo, la presión ambiente a 0m de altura del nivel del mar es 1013,25 hPa ~ = 1,013 bar, mientras que a 100m sobre el nivel del mar tenemos una presión ambiental de 1000,3 hPa ~ = 1 bar.

2. ρ = densidad del líquido (kg/m³)

Cada material tiene una densidad específica. La densidad es un cociente de la masa y el volumen de un medio. ρ = m/V (ρ es la densidad, m es la masa y V es el volumen)

La temperatura influye en la densidad de un medio. La densidad de un medio varía con la influencia de la temperatura y la presión. Esta variación es típicamente pequeña para sólidos y líquidos, pero mucho mayor para los gases.

Ejemplo de densidad de agua a 20°C y 0°C a presión ambiente:

0°C ≈ 999,8395 kg/m³

20°C ≈ 998,2071 kg/m³

3. g=  Gravedad (m/s²)

La gravedad es un factor importante a considerar en nuestro cálculo, ya que tiene influencia en todas las cosas con masa.

El valor estándar de gravedad es 9.80665 m/s².

4.  Sobrepresión (contenedor cerrado)

Cada medio volátil en un contenedor cerrado, no ventilado, puede crear una sobrepresión por encima del fluido. Esta sobrepresión no puede compensarse con la presión ambiental debido a la falta de ventilación.

Ejemplo para la medición de nivel en un contenedor abierto:

Digamos que uno de nuestros clientes necesita una solución para la medición de nivel en el contenedor abierto de agua de refrigeración en su nueva planta. El contenedor de agua tiene un Ø de 890 mm y una altura de 2500 mm. El nivel de agua normal será de 1500 mm y el nivel mínimo de agua será de 500 mm. A 1700 mm de nivel máximo de agua, se necesita una señal de alarma para alertar a los empleados a cortar el suministro de agua en el tanque para que no se desborde.

La temperatura ambiente estará entre 8 ° C y 35 ° C. La temperatura media será de 10 ° C a 25 ° C. El medio es agua.

El cliente solicita un sensor con una salida de 4 a 20 mA y una precisión superior al 2% en el rango de medición del sensor. La conexión del proceso y otros parámetros (enchufe eléctrico) son flexibles.

El sensor se instalará en el fondo del tanque para medir la columna de agua.

El primer paso es seleccionar todos los datos mencionados y calcular la presión máxima de los medios en la aplicación mencionada:

Tipo de contenedor:

abierto (tanque ventilado) influencia de la presión ambiental
p1 presión ambiente= 1000,3 hPa ~= 1 bar
p2 presión hidrostática =?
h altura del tanque= 2500 mm=2,5m
ρ densidad del agua a 10°C = 999,70 kg/m³
hmax columna de agua= 1700 mm =1,7 m
hnorm columna de agua= 1500 mm =1,5 m
hmin columna de agua= 500 mm =0,5 m
Ø contenedor= 890 mm = 0,89 m
V volumen del contenedor=(π*d²)/4 h =3,14*0,89m²)/4*1,7m=1,19m³
A Superficie de contenedor=π*d*H =3,14*0,89m*2,5m=6,98m²

Con el valor del volumen del tanque, sabemos que el nivel máximo de agua en el tanque será de 1,19 m³ o 1190 l. También sabemos que el agua tiene una densidad de 999,70 kg / m³ o ≈1kg / l.

Eso significa que el peso máximo del agua en el contenedor será de aproximadamente 1190 kg.

Para calcular la presión en el fondo del contenedor, solo necesitamos la ρ (densidad del agua), la gravedad g y la altura máxima de la columna de agua. La superficie y el volumen del contenedor no son tan relevantes.

Cálculo:
P2= ρ⋅g⋅hmax=999,70kg/m^3 *9,81m/s^2 *1,70m=16672kg/m*S²16.672 kg/m*S² or Pa (pascal) (16672 Pa =167 mbar)

Con este conocimiento, podemos seleccionar un sensor adicional para la aplicación.

Medición de nivel en un contenedor abierto
Sensor seleccionado:

Para tanques abiertos, es importante usar un sensor relativo para compensar la influencia de la presión ambiental. Con un sensor relativo (sensor de ventilación), la presión ambiental no tendrá influencia en la medición.

El sensor MBS 9200 con el código no. 064G523 es un sensor relativo con rango de presión de 0 a 0,2 bar (200 mbar), señal de salida de 4 a 20 mA y precisión TEB +- 1,5%.

El rango de presión es un poco más alto de lo necesario, pero esto no tiene un impacto negativo en la medición.

La tabla de señales podría verse así:

Salida Sensor (mA) h columna de agua (cm) mbar Función
4 0 0 Contenedor vacio
8 50 50,9 Nivel 1 min
12 100 101,8 Nivel 2
16 150 152,7 Contenedor lleno
17,6 170 173,06 Alarma - Válvula cerrada
Contenedor cerrado:

Para un contenedor cerrado, los parámetros importantes son los mismos que para un contenedor abierto. La única diferencia es que la mayoría de los contenedores cerrados están presurizados y no tienen una conexión ventilada a la presión ambiental. Para compensar este valor, tiene sentido instalar otro sensor en la parte superior del contenedor.

Si el contenedor está ventilado, debemos considerar la influencia de la presión ambiental en el cálculo.

Ejemplo de aplicación:

Si tenemos en un contenedor cerrado (sin ventilación) con un medio que se evapora, como la gasolina, obtendremos una sobrepresión por encima del líquido. Esta sobrepresión se ubicará en la parte superior del tanque y se puede cambiar sin influir en el nivel medio. Esta sobrepresión debe medirse con otro sensor de presión, ya que el gas atrapado sobre el líquido causa una presión hidrostática más alta, que debe compensarse para evitar valores falsos en la medición de nivel.

Tipo de contenedor: 

cerrado (sin tanque ventilado), influencia de sobrepresión 

p1 sobrepresión= 80 hPa ~= 80 mbar
p2 Presión hidrostática=150 hPa = 150 mbar
htank altura del tanque= 2500 mm
ρ Gasolina = 750 kg/m³

Queremos saber el verdadero nivel medio en el contenedor. Para este cálculo, podemos usar la siguiente fórmula: 

h media de la columna=((p2-p1) )/((p*g))= ((150 mbar-80mbar))/((750kg/m^3 *9,81ms/s^2 ))=70mbar/(7357,5 kg/m*S²)=70mbar/73,5mbar=0,95m

Si decidimos hacer el mismo cálculo con los valores promedio estimados basados ​​en la presión de gas predominante típica, obtendrá un error de cálculo del nivel de llenado. Esto podría conducir a un error crítico en el proceso de solicitud.

Medición de nivel en un contenedor cerrado
Definir la densidad de los medios en un contenedor abierto o cerrado:

Otra aplicación típica de sensores en un contenedor abierto o cerrado es definir la densidad de medios desconocida o alternativa usando la presión diferencial. Esto puede realizarse si montamos dos sensores en dos puntos diferentes en la columna del medio del contenedor. Es importante conocer la distancia exacta entre los sensores para calcular con precisión la densidad del medio.

Tipo de contenedor:

 abierto

p1 sobrepresión= 6864,93 kg/m*S²=6864,93 Pa
p2 presión=16672kg/m*S²=16672 Pa
ρ densidad = ?
g gravedad  = 9,81 ms/s²
hmax altura media= 1700 mm =1,7 m
hdif diferencia de altura entre 2 sensores=1m

Ƥ=((p2-p1))/((hdif*g))=((16672 kg/m*S2-6864,93 kg/m*S^2))/((1m*9,81 m/S²))=(9807,07 kg/m*S²)/(9,81 m/S²)=999,70 kg/m³

Ahora podemos decir que el medio en el contenedor tiene una densidad de 999,70 kg / m³. Esto es igual a la densidad del agua a 21°C.

Si el cambio de densidad es causado por la temperatura, se puede instalar un sensor de temperatura.

Densidad en un contenedor abierto o cerrado
Diseño de tanque flexible con sensores de presión

El sensor de presión es más preciso cuando se calcula el nivel de agua que un interruptor tradicional de varios niveles. Esta precisión es crítica si el tanque tiene una gran área de superficie, donde un error de cálculo del nivel del agua podría ocultar el hecho de que faltan varios metros cúbicos de agua en el tanque.
 
La precisión del sensor de presión permite la optimización del diseño del tanque de agua, es decir, el uso de un tanque plano con una gran superficie, a la vez que se obtiene la tranquilidad de que los volúmenes de agua necesarios estarán disponibles cuando sea necesario.

Alta fiabilidad y ahorro de costos durante la operación

Los sensores de precisión altamente fiables son fáciles de montar y ahorran costos durante la instalación. Los sensores también brindan ventajas adicionales en términos de ahorro de costos y fiabilidad.

Primero, el tiempo de respuesta rápida del sensor de presión permite mediciones en tiempo real para controlar el nivel de agua del tanque. El sensor envía alarmas si se detecta algo inusual, lo que permite a los operadores identificar y reparar fugas u otras fallas del sistema de inmediato.

El sensor de presión también proporciona estabilidad a largo plazo y, por lo tanto, mediciones confiables a lo largo de la vida útil.

El sensor de presión se puede usar con una amplia gama de medios. A diferencia de otras tecnologías de medición de nivel, el sensor de presión protege contra mediciones falsas con cambios en la viscosidad o contaminantes en el agua.

Sensores de presión del nivel del agua de Danfoss: MBS 9200 y 9300

  • Sensores digitales multiuso y de baja presión
  • Modelo 9200 para aplicaciones industriales generales; Modelo 9300 para aplicaciones navales
  • Compacto y ligero para un uso flexible en diferentes diseños
  • Rango de presión de 20 a 250 mbar. Ofrecen autodiagnóstico y alarmas automáticas
  • Carcasa y partes en contacto con el agua de acero inoxidable (AISI 316L)