Misura di livello nei serbatoi pressurizzati: LPG e ammoniaca

La misura di livello nei serbatoi pressurizzati rileva in continuo l’interfaccia gas-liquido in un recipiente mantenuto sopra la pressione atmosferica, di norma con un trasmettitore radar senza contatto a 80 GHz. Comprende LPG, ammoniaca liquida e ossigeno liquido, per i quali permittività del vapore, materiali criogenici e approvazione per aree pericolose definiscono i limiti di impiego. I campi tipici sono 0-12 m con pressioni fino a 25 bar g.

Perché la misura di livello nei serbatoi pressurizzati richiede la compensazione del vapore

Un trasmettitore radar FMCW misura il tempo di una scansione a microonde nello spazio sopra il liquido e calcola la distanza come d = c*t/2. Nell’aria secca a 20 °C la permittività relativa è circa 1.0006, quindi c differisce meno dello 0.03 % dal valore nel vuoto. Nei serbatoi pressurizzati lo spazio superiore contiene vapore saturo, non aria, e la velocità dell’onda scende a c/sqrt(er). Un trasmettitore che continui a usare il valore nel vuoto sovrastima la distanza di un fattore sqrt(er), cioè di (sqrt(er) - 1) della distanza reale.

Poiché il livello è uguale alla distanza a vuoto E meno la distanza misurata, una distanza sovrastimata indica un livello più basso dello stesso ammontare. Con uno spazio di vapore di 8.000 m ed er = 1.021, la distanza indicata diventa 8.000 * sqrt(1.021) = 8.084 m: il livello riportato è quindi 83.6 mm sotto l’interfaccia reale. L’errore sistematico cresce con lo spazio di vapore ed è massimo vicino allo svuotamento, dove si impostano gli allarmi di basso livello. L’effetto interessa sia FMCW senza contatto sia radar a onda guidata, poiché l’onda attraversa il vapore pressurizzato. La correzione si ottiene con un valore fisso di er, un riflettore di riferimento a distanza nota o una sonda di riferimento in un tubo di calma.

Come una piccola variazione di permittività diventa un errore in millimetri

La velocità dell’onda nello spazio superiore è v = c0/sqrt(er), con c0 = 299 792 458 m/s. Il trasmettitore misura il tempo dell’eco e lo moltiplica per c0/2; la distanza indicata è quindi d_read = d_true*sqrt(er) e l’errore di livello è dL = -d_true*(sqrt(er) - 1).

Esempio basato su valori ipotizzati per l’impianto (calcolo illustrativo, non dati misurati sul campo): un serbatoio sferico di LPG con 8.000 m di spazio di vapore, vapore saturo di propano a 8 bar g e 20 °C, ed er = 1.021 ipotizzato. Quindi sqrt(1.021) = 1.010445 e dL = -8.000 m * 0.010445 = -0.0836 m, ossia -83.6 mm. A 8 bar g con er = 1.015, l’errore sistematico è -59.8 mm; a 12 bar g con er = 1.030 raggiunge -119.1 mm. La condizione è che pressione, temperatura e composizione del vapore siano stabili. Una variazione di pressione durante il riempimento rende inadeguato un solo er fisso, richiedendo una correzione basata su un riferimento.

Sono valori tipici di riferimento ingegneristico per vapore saturo, non specifiche di prodotto. Prima di inserire una compensazione, confermare er per la composizione reale del gas e la pressione sulla scheda attuale delle proprietà del gas.

Quando escludere gli ultrasuoni sui recipienti chiusi

Non specificare un trasmettitore a ultrasuoni per serbatoi pressurizzati quando composizione del vapore, pressione o temperatura possono cambiare durante il ciclo di riempimento. Il dispositivo misura il tempo di un’onda meccanica la cui velocità dipende da massa molecolare del gas, pressione e temperatura. In un serbatoio d’acqua sfiatato basta una compensazione di temperatura; nello spazio superiore di un serbatoio di LPG o ammoniaca non esiste un’unica velocità del suono, perché densità e composizione del gas variano con la pressione di saturazione. Il percorso acustico aggiunge allora un termine non controllato molto maggiore dell’accuratezza di ±2 mm a ±10 mm solitamente richiesta per le funzioni antitraboccamento.

Altri due limiti rendono il metodo inutilizzabile. Il suono non si propaga nel vuoto, quindi un recipiente evacuabile perde completamente l’eco. Vapore saturo denso, schiuma o gocce di condensa attenuano l’impulso fino a far scomparire il ritorno anche in presenza di liquido. In queste condizioni la scelta corretta è un trasmettitore radar con la correzione del vapore descritta sopra, non un’unità a ultrasuoni migliore.

Che cosa cambia il servizio criogenico nei materiali a contatto con il fluido

L’ossigeno liquido si conserva vicino a -183 °C a pressione prossima a quella atmosferica, mentre ammoniaca liquida o LPG possono trovarsi vicino a -40 °C in servizio refrigerato. Gli acciai inossidabili austenitici restano tenaci a queste temperature; gli acciai al carbonio comuni e molti elastomeri diventano fragili. Antenna, tenuta di processo, guarnizione ed eventuali rivestimenti devono essere idonei singolarmente alla temperatura minima del metallo, non solo alla temperatura normale di esercizio. Il raffreddamento o un evento di scarico di sicurezza possono portare il gruppo sotto il punto di progetto.

Il servizio con ossigeno aggiunge un requisito di pulizia: le parti a contatto con il fluido devono essere prive di olio e grasso, con pulizia documentata. Un’estensione termica mantiene la custodia elettronica fuori dalla zona fredda e la sua lunghezza deve essere adeguata al campo ambientale certificato. Una custodia classificata per -40 °C non può trovarsi su un bocchello a -183 °C. Condensa e ghiaccio sulla faccia dell’antenna sono comuni durante il raffreddamento; si specifica quindi normalmente uno spurgo o un’antenna sigillata con tenuta verificata per bassa temperatura. Prima dell’installazione, confermare ogni grado di materiale a contatto con il fluido, la mescola della guarnizione e il campo ambientale certificato sulla targhetta dell’unità consegnata.

Come lasciare un margine di misura utilizzabile sopra il liquido

Si ipotizzi una distanza a vuoto E di 12.000 m dalla faccia della flangia al fondo del serbatoio. Per un’antenna a lente a 80 GHz montata a filo si applica una distanza di blocco di 0.10-0.20 m; qui si usano 0.400 m come caso conservativo con bocchello prolungato, da verificare sulla scheda tecnica attuale. Il trasmettitore non può quindi riportare un livello superiore a 11.600 m. Se lo scatto di livello altissimo è a 11.200 m e il franco richiesto è 0.300 m, il margine fra scatto e limite superiore di misura è 0.400 m e soddisfa il requisito. Un bocchello da 0.600 m ridurrebbe il margine a 0.200 m, facendo fallire la verifica.

La formula va riportata nell’ordine: margine superiore utile = E - distanza di blocco - livello massimo di lavoro. Su un recipiente da 12.000 m, 0.400 m di margine sono il 3.3 % del campo; su un recipiente inferiore a 2.000 m la stessa distanza di blocco occupa il 20 % del campo.

• Registrare E dalla faccia della flangia, non dal tetto.
• Indicare la distanza di blocco per antenna e bocchello ordinati, non un minimo di catalogo.
• Ricontrollare il margine dopo ogni modifica ad adattatore, estensione o isolamento.
• Mantenere lo scatto di livello altissimo sotto il limite superiore di misura, non coincidente con esso.

A che cosa deve corrispondere il certificato dell’unità consegnata

Confrontare il certificato con la configurazione ordinata, non con la brochure. Gruppo gas, classe di temperatura, livello di protezione dell’apparecchiatura e campo ambientale certificato devono comparire sulla targhetta consegnata e corrispondere alla classificazione dell’area pericolosa del serbatoio. Un’unità approvata per ambiente da -20 °C a +60 °C non può essere installata dove la custodia raggiunge -40 °C, anche se la tenuta di processo è idonea a temperature inferiori. Adattatori, spurghi, riscaldatori o display remoti aggiunti in seguito devono essere coperti dall’approvazione.

Confrontare ogni riga con la scheda tecnica attuale e la targhetta; richiedere i valori mancanti prima del rilascio. La pagina prodotto di ciascun radar indica quali configurazioni possiedono ciascun certificato; un articolo tecnico sulle marcature di approvazione ne spiega la notazione.

Domande frequenti

D1. Serve la compensazione del vapore su ogni serbatoio pressurizzato?

No. Serve solo quando la permittività dello spazio superiore porta la lettura oltre il limite di errore. Aria a 1 bar su 2.000 m produce circa 0.6 mm e può essere trascurata; vapore saturo di LPG a 8 bar g su 8.000 m raggiunge circa 84 mm. Verificare er con dati aggiornati del gas.

D2. Un trasmettitore a ultrasuoni può sostituire il radar su un serbatoio chiuso di ammoniaca?

No, se pressione o composizione del vapore cambiano durante il ciclo. La misura a ultrasuoni dipende da un’unica velocità del suono, che nello spazio chiuso dell’ammoniaca varia con pressione, temperatura e densità del gas. Il vuoto elimina l’eco e il vapore denso può assorbirlo. Utilizzare radar con compensazione del vapore.

D3. Quale verifica dei materiali a bassa temperatura viene più spesso omessa?

La guarnizione e la tenuta di processo, non l’antenna. I materiali dell’antenna sono specificati per uso criogenico, ma una guarnizione elastomerica idonea solo fino a -20 °C si indurisce e perde a -40 °C. Verificare la temperatura minima del metallo di ogni parte a contatto con il fluido, il campo ambientale della custodia e il verbale di pulizia senza olio.

D4. Quanto margine superiore deve prevedere l’ordine sopra lo scatto di livello altissimo?

Almeno 0.300 m è un comune punto di partenza, ma ricavarlo da distanza di blocco e geometria del recipiente. Con 12.000 m di distanza a vuoto e 0.400 m di blocco, il limite superiore di misura è 11.600 m; uno scatto a 11.200 m lascia 0.400 m. Ricalcolare dopo ogni modifica al bocchello.

D5. Il radar a onda guidata evita il problema della permittività del vapore?

No. L’impulso attraversa comunque lo spazio superiore lungo la sonda: la velocità diminuisce quando er aumenta e si applica lo stesso fattore sqrt(er), sebbene la geometria differisca da un’unità FMCW a propagazione libera. Nei servizi ad alta pressione occorrono comunque una sonda di riferimento o un valore fisso di er.

D6. A che cosa deve corrispondere il certificato di approvazione sull’unità consegnata?

Alla configurazione ordinata e alla classificazione del sito. Verificare concetto di protezione, gruppo gas, classe di temperatura, livello di protezione dell’apparecchiatura e campo ambientale certificato rispetto al disegno delle aree pericolose. Confermare poi che ogni voce compaia sulla targhetta. Adattatori, spurghi o riscaldatori aggiunti devono essere coperti dall’approvazione.

RIEPILOGO

La misura di livello nei serbatoi pressurizzati si basa su tre verifiche: correggere la permittività del vapore, confermare i materiali a bassa temperatura a contatto con il fluido e lasciare un margine misurabile di campo. L’esempio mostra che un er = 1.021 ipotizzato su 8.000 m di spazio di vapore sposta il livello riportato di 83.6 mm, molto oltre i ±2 mm a ±10 mm solitamente richiesti per le funzioni antitraboccamento. Il passo successivo è compilare il foglio di accettazione e verificare ogni riga sulla scheda tecnica attuale prima del rilascio.