Medición de nivel en depósitos presurizados: LPG y amoníaco

La medición de nivel en depósitos presurizados registra de forma continua la interfaz gas-líquido en un recipiente a presión superior a la atmosférica, normalmente mediante un transmisor de nivel por radar de 80 GHz sin contacto. Abarca LPG, amoníaco líquido y oxígeno líquido, donde la permitividad del vapor, los materiales criogénicos y la aprobación para zonas peligrosas determinan los límites de uso. Los intervalos típicos son de 0-12 m a presiones de hasta 25 bar g.

Por qué la medición de nivel en depósitos presurizados necesita compensación del vapor

Un transmisor de nivel por radar FMCW mide el tiempo de un barrido de microondas a través del espacio sobre el líquido y calcula la distancia como d = c*t/2. En aire seco a 20 °C, la permitividad relativa es aproximadamente 1.0006, por lo que c difiere menos del 0.03 % de su valor en el vacío. En un depósito presurizado, el espacio superior contiene vapor saturado en lugar de aire y la onda se ralentiza a c/sqrt(er). Un transmisor que siga utilizando el valor del vacío sobrestima la distancia por un factor sqrt(er), es decir, en (sqrt(er) - 1) de la distancia real.

Como el nivel es la distancia en vacío E menos la distancia medida, una distancia sobrestimada produce un nivel inferior al real en la misma magnitud. Con un espacio de vapor de 8.000 m y er = 1.021, la distancia indicada es 8.000 * sqrt(1.021) = 8.084 m, por lo que el nivel comunicado queda 83.6 mm por debajo de la interfaz real. El sesgo aumenta con el espacio de vapor y es máximo cuando el depósito está casi vacío, en la zona donde se fijan las alarmas de nivel bajo. Tanto el radar FMCW sin contacto como el de onda guiada sufren este efecto porque la onda atraviesa el vapor presurizado. La corrección puede realizarse mediante un valor fijo de er, un reflector de referencia a distancia conocida o una sonda de referencia en un tubo tranquilizador.

Cómo una pequeña variación de permitividad se convierte en milímetros

La velocidad de la onda en el espacio superior es v = c0/sqrt(er), con c0 = 299 792 458 m/s. El transmisor mide el tiempo del eco y lo multiplica por c0/2, por lo que la distancia indicada es d_read = d_true*sqrt(er) y el error de nivel es dL = -d_true*(sqrt(er) - 1).

Ejemplo con valores supuestos de la instalación (cálculo ilustrativo, no datos medidos en campo): una esfera de LPG con un espacio de vapor de 8.000 m, vapor de propano saturado a 8 bar g y 20 °C, y er = 1.021 supuesto. Entonces sqrt(1.021) = 1.010445 y dL = -8.000 m * 0.010445 = -0.0836 m, es decir, -83.6 mm. A 8 bar g con er = 1.015, el sesgo es -59.8 mm; a 12 bar g con er = 1.030 alcanza -119.1 mm. La condición para esta medición es mantener estables la presión, la temperatura y la composición del vapor. Una variación de presión durante el llenado invalida un único er fijo y exige una corrección basada en referencia.

Estos son valores típicos de referencia de ingeniería para vapor saturado, no especificaciones del producto. Antes de introducir un valor de compensación, confirme er para la composición real del gas y la presión en la ficha actual de propiedades del gas.

Cuándo descartar el ultrasonido en recipientes cerrados

No debe especificarse un transmisor ultrasónico para medir el nivel en depósitos presurizados si la composición del vapor, la presión o la temperatura pueden cambiar durante el llenado. El equipo mide el tiempo de una onda mecánica cuya velocidad depende de la masa molecular del gas, la presión y la temperatura. En un depósito de agua ventilado basta una compensación de temperatura; en el espacio superior de un depósito de LPG o amoníaco no existe una única velocidad del sonido, porque la densidad y la composición del gas varían con la presión de saturación. El trayecto acústico añade entonces un término no controlado muy superior a la precisión de ±2 mm a ±10 mm que suele exigirse para funciones de prevención de sobrellenado.

Otros dos límites inutilizan el método. El sonido no se propaga en el vacío, por lo que un recipiente que pueda evacuarse pierde por completo el eco. El vapor saturado denso, la espuma o las gotas de condensación atenúan el pulso hasta que desaparece el retorno aunque haya líquido. En estas condiciones, la decisión correcta es un transmisor por radar con la corrección de vapor descrita, no un equipo ultrasónico mejor.

Qué cambia el servicio criogénico en los materiales en contacto con el medio

El oxígeno líquido se almacena cerca de -183 °C a presión próxima a la atmosférica, mientras que el amoníaco líquido o el LPG pueden estar cerca de -40 °C en almacenamiento refrigerado. Los aceros inoxidables austeníticos conservan su tenacidad a estas temperaturas; los aceros al carbono ordinarios y muchos elastómeros se vuelven frágiles. La antena, el sello de proceso, la junta y cualquier recubrimiento deben estar clasificados individualmente para la temperatura mínima del metal, no solo para la temperatura normal de trabajo. Un enfriamiento o una descarga de alivio pueden llevar el conjunto por debajo de su punto de diseño.

El servicio con oxígeno añade un requisito de limpieza: las piezas en contacto con el medio deben estar libres de aceite y grasa, con limpieza documentada. Una extensión térmica mantiene la carcasa electrónica fuera de la zona fría y su longitud debe ajustarse al intervalo ambiental certificado. Una carcasa clasificada para -40 °C no puede quedar sobre una boquilla a -183 °C. La condensación y el hielo en la cara de la antena son habituales durante el enfriamiento, por lo que normalmente se especifica una purga o una antena sellada con cierre verificado para baja temperatura. Antes de instalar, confirme cada grado de material en contacto con el medio, el compuesto de la junta y el intervalo ambiental certificado en la placa del equipo entregado.

Cómo dejar un margen útil de medición por encima del líquido

Para la medición en depósitos presurizados, suponga una distancia en vacío E de 12.000 m entre la cara de la brida y el fondo. Una antena de lente de 80 GHz montada a ras tiene una distancia de bloqueo de 0.10-0.20 m. Aquí se utilizan 0.400 m como caso conservador con boquilla prolongada, que debe verificarse en la ficha técnica actual. Esto significa que el transmisor no puede indicar un nivel superior a 11.600 m. Si el disparo de nivel muy alto está en 11.200 m y el espacio libre necesario es de 0.300 m, el margen hasta el techo de medición es de 0.400 m y cumple el requisito. Una boquilla de 0.600 m reduciría el margen a 0.200 m y no superaría la comprobación.

La expresión debe figurar en la hoja de pedido: margen superior útil = E - distancia de bloqueo - nivel máximo de trabajo. En un recipiente de 12.000 m, un margen de 0.400 m supone el 3.3 % del intervalo; en un recipiente de menos de 2.000 m, la misma distancia de bloqueo consume el 20 % del intervalo.

• Registre E desde la cara de la brida, no desde el techo.
• Indique la distancia de bloqueo de la antena y la boquilla pedidas, no un mínimo de catálogo.
• Revise el margen tras cualquier cambio de adaptador, extensión o aislamiento.
• Mantenga el disparo de nivel muy alto por debajo del techo de medición, no coincidiendo con él.

Con qué debe coincidir el certificado en el equipo entregado

Compare el certificado con la configuración pedida, no con el folleto. El grupo de gas, la clase de temperatura, el nivel de protección del equipo y el intervalo ambiental certificado deben figurar en la placa entregada y coincidir con la clasificación de la zona peligrosa del depósito. Un equipo aprobado para un ambiente de -20 °C a +60 °C no puede instalarse donde la carcasa alcance -40 °C, aunque el sello de proceso soporte una temperatura menor. Cualquier adaptador, purga, calefactor o indicador remoto añadido después debe estar cubierto por la aprobación.

Contraste cada fila con la ficha técnica actual y la placa de características; solicite los valores que falten antes de liberar el equipo. La página de cada radar indica qué configuraciones disponen de cada certificado y un artículo técnico sobre marcas de aprobación explica la notación.

Preguntas frecuentes

P1. ¿Todos los depósitos presurizados necesitan compensación del vapor?

No. Solo se necesita cuando la permitividad del espacio superior lleva la lectura fuera del límite de error. Aire a 1 bar sobre 2.000 m produce unos 0.6 mm, que pueden ignorarse; vapor saturado de LPG a 8 bar g sobre 8.000 m alcanza unos 84 mm. Verifique er con datos actuales del gas.

P2. ¿Puede un transmisor ultrasónico sustituir al radar en un depósito cerrado de amoníaco?

No si la presión o la composición del vapor cambian durante el ciclo. El ultrasonido depende de una única velocidad del sonido y, en el espacio cerrado de amoníaco, esa velocidad cambia con presión, temperatura y densidad del gas. El vacío elimina el eco y el vapor denso puede absorberlo. Utilice radar con compensación del vapor.

P3. ¿Qué comprobación de materiales a baja temperatura se omite más?

La junta y el sello de proceso, no la antena. Los materiales de la antena se especifican para servicio criogénico, pero una junta elastomérica clasificada solo hasta -20 °C se endurecerá y tendrá fugas a -40 °C. Compruebe la temperatura mínima del metal de todas las piezas en contacto con el medio, el intervalo ambiental de la carcasa y un registro de limpieza sin aceite.

P4. ¿Qué margen superior debe dejarse en el pedido por encima del disparo de nivel muy alto?

Al menos 0.300 m es un punto de partida habitual, pero debe calcularse a partir de la distancia de bloqueo y la geometría. Con 12.000 m de distancia en vacío y 0.400 m de bloqueo, el techo de medición es 11.600 m; un disparo a 11.200 m deja 0.400 m. Recalcule tras cualquier cambio de boquilla.

P5. ¿El radar de onda guiada evita el problema de la permitividad del vapor?

No. El pulso sigue recorriendo el espacio superior por la sonda y pierde velocidad al aumentar er. Se aplica el mismo factor sqrt(er), aunque la geometría sea distinta de la de un FMCW de propagación libre. En alta presión sigue haciendo falta una sonda de referencia o un valor fijo de er.

P6. ¿Con qué debe coincidir el certificado de aprobación del equipo entregado?

Con la configuración pedida y la clasificación de la instalación. Contraste el concepto de protección, el grupo de gas, la clase de temperatura, el nivel de protección del equipo y el intervalo ambiental certificado con el plano de zonas peligrosas. Confirme después que todos figuren en la placa. Un adaptador, una purga o un calefactor añadidos deben estar cubiertos por la aprobación.

RESUMEN

La medición de nivel en depósitos presurizados se basa en tres comprobaciones: corregir la permitividad del vapor, confirmar los materiales de baja temperatura en contacto con el medio y dejar margen de medición. El ejemplo muestra que un er = 1.021 supuesto sobre 8.000 m de espacio de vapor desplaza el nivel comunicado 83.6 mm, muy por encima de los ±2 mm a ±10 mm que suelen requerirse para prevención de sobrellenado. El siguiente paso es preparar la hoja de aceptación y verificar cada fila con la ficha técnica actual antes de liberar el equipo.