Medición hidrostática de nivel: error de densidad y sellos

Un transmisor hidrostático no mide directamente el nivel. Mide la presión del fondo y deduce el nivel con una densidad fija; si esta cambia con temperatura o producto, el nivel calculado y el volumen derivado se desvían juntos. Este artículo calcula esa desviación, explica cómo una disposición diferencial en recipiente cerrado elimina la presión del gas y señala cuándo un radar que mide distancia directamente resulta más seguro.

Qué mide realmente un transmisor hidrostático

Un transmisor hidrostático o diferencial en la base mide el peso de la columna líquida y proporciona una salida lineal entre presión cero y fondo de escala, normalmente 4–20 mA. La corriente se conserva a lo largo de cientos de metros de cable, aunque debe verificarse la tensión del lazo frente al mínimo en bornes; por eso sigue siendo habitual en grandes depósitos. El instrumento informa de presión; el usuario calcula nivel con densidad supuesta y altura conocida. En un tanque ventilado, tanto un transmisor manométrico con cable ventilado como uno diferencial con ramal de referencia abierto al aire separan la carga líquida de la presión atmosférica. Cuando las temperaturas del líquido y ambiente difieren mucho, proteja la ventilación contra humedad, normalmente con filtro desecante. Estos equipos se eligen por bajo coste instalado y un elemento de presión sencillo, probado en campo y de poco mantenimiento.

Cómo interviene la densidad en el cálculo

El nivel calculado sigue h = p / (ρ · g), donde p es presión manométrica medida, ρ densidad supuesta y g gravedad local cercana a 9.81 m/s². Cada valor de nivel lleva así la hipótesis de densidad como factor oculto. El intervalo se escala en presión y esa hipótesis queda incorporada en LRV y URV: la conversión solo vale mientras ρ conserve el valor utilizado. En agua ventilada cerca de 20 °C la densidad ronda 998 kg/m³, pero en mezclas, soluciones azucaradas o tanques que se enfrían de noche puede variar varios puntos porcentuales sin cambiar el nivel real. El transmisor no detecta ese cambio: solo informa de presión. El usuario debe establecer con qué precisión necesita conocer la densidad para cumplir la tolerancia; recalibrar el elemento de presión no cambia la hipótesis de escala.

Ejemplo de cambio de densidad: errores de nivel y volumen

La tabla fija valores supuestos para un tanque vertical y convierte un cambio real de densidad en errores de nivel y volumen. Es un cálculo ilustrativo con supuestos de instalación, no un registro de campo de METRAVON. Confirme las cifras con la ficha técnica actual y la placa antes de tomar decisiones de ingeniería.

Entrada y conversión: la presión real de fondo es p = ρ1 · g · h = 1030 · 9.81 · 6.0 = 60,626 Pa, unos 60.6 kPa. El transmisor escalado a ρ0 informa h_rep = p / (ρ0 · g) = 60626 / (1000 · 9.81) = 6.18 m. Error de nivel = 6.18 − 6.00 = +0.18 m, equivalente a +3.0 % del nivel real. La sección es A = π · (2.0)² = 12.57 m²: el volumen real es 75.4 m³ y el indicado 77.7 m³, un error de +2.3 m³ (+3.0 %). Condición límite: el error crece con el nivel, alcanza +0.36 m a los 12.0 m de altura completa y cambia de signo si la densidad real es menor que la de escala.

Cuándo deja de ser fiable la medición hidrostática

Debe descartarse si la densidad es inestable o desconocida en el punto de medición. Con productos alternos o calentamiento y enfriamiento diarios, la densidad cambia aun con nivel fijo. Recalibrar no elimina el sesgo porque la presión se mide correctamente. Espuma, estratificación y sólidos suspendidos también invalidan la hipótesis de densidad única. Para contabilidad de transferencias, inventarios de tipo comercial o tareas con error inferior a aproximadamente el 1 % de la altura del tanque, el método sin compensación no superará la aceptación. A 6 m de llenado, el 1 % de esa altura son 60 mm: solo admite ±1 % de incertidumbre de densidad, menos que la mayoría de las especificaciones del producto. En esos casos el radar elimina el término de densidad al medir directamente la distancia a la superficie; o se necesita una medición de masa corregida por densidad para no calcular con una densidad estimada.

Tanques cerrados y compensación de presión del gas

En un tanque cerrado, el gas superior tiene su propia presión y una sola toma de fondo no la separa de la carga líquida. Un transmisor diferencial sitúa el lado de alta en el fondo y el de baja en una conexión superior. La diferencia es ρ · g · h independientemente del gas, por lo que su aumento ya no añade nivel falso. La diferencia disminuye cuando baja h, sea cual sea la presión gaseosa. Un regulador de inertización puede mantenerla constante, pero no entra en el diferencial. El sello remoto con capilar llena el trayecto de transmisión para impedir el contacto del proceso con el transmisor, importante en servicios tóxicos, calientes o de vacío donde un ramal abierto no es práctico. A cambio, la densidad del aceite capilar depende de la temperatura y puede dominar el error; debe tratarse con el mismo rigor que la densidad del líquido.

Deriva del capilar y lista de aceptación

Un capilar lleno de silicona u otro aceite similar añade una corrección de elevación determinada por la densidad del aceite y la diferencia de altura entre sellos. Al calentarse 30 °C, la densidad puede disminuir un 2–3 % y el aceite más ligero ejerce menos presión sobre el diafragma. Con 6 m de elevación, el cero se desplaza 120–180 mm, suficiente para incumplir una banda de ±1 % en un tanque de 12 m; el cero sube con el calentamiento. Por ello, confirme tipo de aceite y coeficiente térmico en la ficha, mida el desnivel instalado, compruebe el cero con el ramal cerrado e igualado antes de la puesta en servicio y registre la deriva esperada en el intervalo típico del sitio, de −10 °C a +50 °C. Si la variación es amplia, radar o un servo de medición de tanques sin término capilar evitan el problema y estabilizan el cero.

Preguntas frecuentes

P1. ¿Un transmisor hidrostático mide directamente el nivel?

No. Mide presión de fondo y deduce nivel con densidad supuesta y altura del tanque. Si la densidad de escala difiere de la real, el nivel queda sesgado aunque la presión sea correcta. Confirme la densidad con la ficha del producto y documéntela en el registro del tanque para futuras auditorías.

P2. ¿Qué error causa un cambio de densidad?

Un cambio de +3 % produce aproximadamente +3 % de error sobre el nivel real, ya que el nivel calculado es inversamente proporcional a la densidad utilizada. En el ejemplo, pasar de 1000 a 1030 kg/m³ a medio llenado produjo +0.18 m en un tanque de 12.0 m. El error aumenta con la altura y el cambio de densidad.

P3. ¿Puedo recalibrar para corregir la deriva de densidad?

Recalibrar no elimina el error: el instrumento informa de presión correctamente. Cambiar la escala solo modifica la densidad supuesta y sirve mientras esa densidad se mantenga. Con productos o temperaturas variables, introduzca la densidad real en el cálculo o use un sensor cuyo nivel no dependa de ella.

P4. ¿Por qué usar presión diferencial en un tanque cerrado?

El gas superior añade presión que una toma de fondo no puede separar de la columna líquida. El transmisor diferencial compara fondo y parte superior y deja ρ · g · h como valor medido. Así se conserva la lectura ante cambios de presión gaseosa al llenar o vaciar, sin compensación adicional.

P5. ¿Qué problema presenta el capilar del sello remoto?

Su aceite pierde densidad al calentarse y desplaza el cero en una fracción de la columna de elevación. Una subida de 30 °C puede desplazarlo 120–180 mm con 6.0 m de desnivel. Verifique coeficiente térmico, elevación instalada y cero del ramal cerrado antes de poner en servicio; registre la deriva prevista para las temperaturas del sitio.

P6. ¿Cuándo conviene elegir radar?

Cuando la densidad sea inestable o desconocida, se exija error de nivel menor que aproximadamente el 1 % de la altura o una variación térmica amplia provoque deriva capilar inaceptable. El radar mide directamente la distancia a la superficie y elimina la densidad del cálculo de nivel; por eso se prefiere para contabilidad.

RESUMEN

La medición hidrostática deduce nivel con presión de fondo y densidad supuesta. En el ejemplo, +3 % de densidad a medio llenado produjo +0.18 m de error de nivel y +2.3 m³ de volumen. Envíenos altura, diámetro, intervalo de densidad y si el tanque está ventilado o cerrado. Verificaremos si una disposición hidrostática, diferencial o radar cumple la tolerancia.