Displacer instrumentos de nivel de explotación Principio de Arquímedes para detectar el nivel de líquido midiendo continuamente el peso de un objeto (llamado displacer) sumergido en el líquido de proceso. A medida que aumenta el nivel del líquido, el desplazador experimenta una mayor fuerza de flotación, haciéndolo parecer más ligero al instrumento sensor, que interpreta la pérdida de peso como un aumento de nivel y transmite una señal de salida proporcional.

Displacer instrumentos de nivel

En la práctica, un instrumento de nivel de desplazador suele tener la siguiente forma. Para simplificar, se han omitido las tuberías de proceso de entrada y salida del recipiente; solo se muestran el recipiente y su instrumento de nivel de desplazador:

Displacer instrumentos de nivelEl sistema suele ser un tubo metálico sellado, con suficiente peso para que no flote en el líquido de proceso. Se encuentra suspendido dentro de una tubería llamada "jaula" conectada al recipiente de proceso mediante dos válvulas de bloqueo y boquillas. Estas dos conexiones garantizan que el nivel del líquido dentro de la jaula coincida con el del recipiente de proceso, de forma similar a una mirilla.

Si el nivel del líquido dentro del recipiente de proceso sube, el nivel del líquido dentro de la jaula sube para igualarlo. Esto sumergirá más del volumen del desplazador, lo que provocará que se ejerza una fuerza de flotación hacia arriba sobre él. Recuerde que el desplazador es demasiado pesado para flotar, por lo que no se balancea en la superficie del líquido ni sube la misma cantidad que el nivel del líquido; más bien, cuelga en su lugar dentro de la jaula, volviéndose más ligero a medida que aumenta la fuerza de flotación. El mecanismo de detección de peso detecta esta fuerza de flotación cuando percibe que el desplazador se vuelve más ligero, interpretando la disminución (aparente) del peso como un aumento en el nivel del líquido. El peso aparente del desplazador alcanza un mínimo cuando está completamente sumergido, cuando el líquido de proceso ha alcanzado el punto de 100% dentro de la jaula.

Cabe señalar que la presión estática dentro del recipiente tendrá un efecto insignificante en la precisión de un instrumento de desplazamiento. El único factor que importa es la densidad del fluido de proceso, ya que la fuerza de flotación es directamente proporcional a la densidad del fluido ($F=\mathrm{do}\mathrm{En}$).

La siguiente fotografía muestra un transmisor neumático modelo Fisher “Level-Trol” que mide el nivel de condensado en un tambor de nocaut Para servicio de gas natural. El instrumento aparece a la derecha de la foto, coronado por un cabezal gris con dos manómetros neumáticos visibles. La jaula del desplazador es la tubería vertical situada inmediatamente detrás y debajo del cabezal. Observe que a la izquierda de la cámara de extracción aparece una mirilla de nivel (o bota de condensado) para la indicación visual del nivel de condensado dentro del recipiente de proceso:

El propósito de este instrumento desplazador es medir la cantidad de condensado acumulado en el interior del compartimento. Este modelo de Fisher Level-Trol incluye un mecanismo controlador neumático que envía una señal de presión de aire a una válvula de drenaje para drenar automáticamente el condensado del compartimento.

Aquí aparecen dos fotografías de un instrumento desplazador Level-Trol desmontado, que muestra cómo el desplazador encaja dentro del tubo de la jaula:

La tubería de la jaula se conecta al recipiente de proceso mediante dos válvulas de bloqueo, lo que permite aislarla del proceso. Una válvula de drenaje permite vaciar la jaula del líquido de proceso para el mantenimiento del instrumento y la calibración a cero.

Algunos sensores de nivel de tipo desplazador no utilizan jaula, sino que el elemento desplazador se cuelga directamente en el recipiente de proceso. Estos se denominan sensores "sin jaula". Los instrumentos sin jaula son, por supuesto, más sencillos que los de tipo jaula, pero no se pueden reparar sin despresurizar (e incluso vaciar) el recipiente de proceso en el que se encuentran. También son susceptibles a errores de medición y ruido si el líquido dentro del recipiente se agita, ya sea por altas velocidades de flujo dentro y fuera del recipiente, o por la acción de impulsores accionados por motor instalados en el recipiente para garantizar una mezcla uniforme del líquido o líquidos del proceso.

La calibración de rango completo se puede realizar inundando la jaula con líquido de proceso (un húmedo calibración), o suspendiendo el desplazador con una cuerda y una escala precisa (una seco calibración), tirando hacia arriba del desplazador en la cantidad justa para simular la flotabilidad al 100 % del nivel del líquido:

El cálculo de esta fuerza de flotación es sencillo. Según el Principio de Arquímedes, la fuerza de flotación siempre es igual al peso del volumen de fluido desplazado. En el caso de un instrumento de nivel basado en desplazador en rango completo, esto generalmente significa que todo el volumen del elemento desplazador está sumergido en el líquido. Simplemente calcule el volumen del desplazador (si es un cilindro, $\mathrm{En}=\mathrm{pag}{o}^2\mathrm{yo}$, dónde $o$ es el radio del cilindro y $\mathrm{yo}$ es la longitud del cilindro) y multiplica ese volumen por la densidad del peso ($\mathrm{do}$):

$$F_{b\mathrm{en}\mathrm{el}ya\mathrm{norte}\mathrm{el}}=\mathrm{do}\mathrm{En}$$

$$F_{b\mathrm{en}\mathrm{el}ya\mathrm{norte}\mathrm{el}}=\mathrm{do}\mathrm{pag}{o}^2\mathrm{yo}$$

Por ejemplo, si la densidad de peso del fluido de proceso es de 57,3 libras por pie cúbico y el desplazador es un cilindro que mide 3 pulgadas de diámetro y 24 pulgadas de largo, la fuerza necesaria para simular una condición de flotabilidad a nivel completo se puede calcular de la siguiente manera:

$$\mathrm{do}=\left(\frac{\text{57,3 libras}}{{\text{pie}}^3}\right)\left(\frac{{\text{1 pie}}^3}{{12}^3{\text{ en}}^3}\right)=0.0332\frac{\text{libra}}{{\text{en}}^3}$$

$$\mathrm{En}=\mathrm{pag}{o}^2\mathrm{yo}=\mathrm{pag}(1.5\text{ en}{)}^2(24\text{ en})=169.6{\text{ en}}^3$$

$$F_{b\mathrm{en}\mathrm{el}ya\mathrm{norte}\mathrm{el}}=\mathrm{do}\mathrm{En}=\left(0.0332\frac{\text{libra}}{{\text{en}}^3}\right)\left(169.6{\text{ en}}^3\right)=5.63\text{ libra}$$

¡Observe la importancia de mantener la consistencia de las unidades! La densidad del líquido se expresó en libras por metro cúbico. pie y las dimensiones del desplazador en pulgadas, lo que habría causado serios problemas sin una conversión entre pies y pulgadas. En mi ejemplo, opté por convertir la densidad a libras por pulgada cúbica, pero podría haber convertido fácilmente las dimensiones del desplazador a pies para obtener el volumen del desplazador en pies cúbicos.

En una calibración húmeda, la fuerza de flotación de 2,5 kg (5,63 lb) será generada por el propio líquido, y el técnico se asegurará de que haya suficiente líquido dentro de la jaula para simular un nivel del 100 %. En una calibración seca, la fuerza de flotación se simulará aplicando tensión hacia arriba sobre el desplazador con una báscula manual y una cuerda. El técnico tirará con una fuerza de 2,5 kg (5,63 lb) hacia arriba para que el instrumento piense que detecta un nivel de líquido del 100 % cuando, en realidad, el desplazador está completamente seco, suspendido en el aire.

Tubos de torsión Displacer instrumentos de nivel

Un problema de diseño interesante para los transmisores de nivel de desplazamiento es cómo transferir el peso detectado del desplazador al mecanismo del transmisor, a la vez que se sella positivamente la presión de vapor del proceso desde ese mismo mecanismo. La solución más común a este problema es un ingenioso mecanismo llamado tubo de torsiónDesafortunadamente, los tubos de torsión pueden ser bastante difíciles de entender a menos que tenga acceso directo a uno, por lo que esta sección explorará el concepto con más detalle del que habitualmente está disponible en los manuales de referencia.

Imagine una varilla metálica sólida y horizontal con una brida en un extremo y una palanca perpendicular en el otro. La brida está montada sobre una superficie fija y un peso suspendido del extremo de la palanca. Un círculo de línea discontinua indica dónde está soldada la varilla al centro de la brida:

La fuerza descendente del peso que actúa sobre la palanca imparte una fuerza de torsión (par) a la varilla, provocando una ligera torsión a lo largo de su longitud. Cuanto más peso se suspenda en el extremo de la palanca, más se torcerá la varilla. Mientras el par aplicado por el peso y la palanca nunca supere el límite elástico de la varilla, esta seguirá actuando como un resorte. Si conocemos la constante elástica de la varilla y medimos su deflexión torsional, podemos usar este ligero movimiento para medir la magnitud del peso suspendido en el extremo de la palanca.

Aplicado a un instrumento de nivel de tipo desplazador, este sustituye el peso en el extremo de la palanca. La deflexión torsional de esta varilla indica la fuerza de flotación. A medida que el líquido asciende, la fuerza de flotación sobre el desplazador aumenta, haciéndolo parecer más ligero desde la perspectiva de la varilla. El ligero movimiento de la varilla, resultante de este aparente cambio de peso, indica el nivel del líquido.

Ahora imagina perforar un agujero largo a lo largo de la varilla, que casi llega al extremo donde se fija la palanca. En otras palabras, imagina un agujero ciego a través del centro de la varilla, comenzando en la brida y terminando justo antes de la palanca:

La presencia de este orificio largo no altera mucho el comportamiento del conjunto, salvo quizás la constante elástica de la varilla. Con menos metal sólido, la varilla será un resorte más débil y se torcerá más con el peso aplicado en el extremo de la palanca. Sin embargo, lo más importante para el propósito de esta discusión es que el orificio largo transforma la varilla en un tubo Con un extremo sellado. En lugar de ser una "barra de torsión", la varilla ahora se llama más apropiadamente tubo de torsión, girando ligeramente con el peso aplicado en el extremo de la palanca.

Para dar al tubo de torsión soporte vertical para que no se hunda hacia abajo con el peso aplicado, se utiliza un soporte. cojinete de filo de cuchillo A menudo se coloca debajo del extremo de la palanca, donde se conecta al tubo de torsión. El propósito de este punto de apoyo es proporcionar soporte vertical para el peso, a la vez que forma un punto de pivote prácticamente sin fricción, asegurando que la única tensión aplicada al tubo de torsión sea... esfuerzo de torsión desde la palanca:

Por último, imagine otra varilla de metal sólida (de un diámetro ligeramente más pequeño que el agujero) soldada por puntos en el extremo más alejado del agujero ciego, que se extiende más allá del extremo de la brida:

El propósito de esta varilla de menor diámetro es transferir el movimiento de torsión del extremo del tubo de torsión a un punto más allá de la brida, donde se pueda detectar. Imagine la brida anclada a una pared vertical, mientras un peso variable tira hacia abajo del extremo de la palanca. El tubo de torsión se flexionará en un movimiento de torsión con la fuerza variable, pero ahora podemos ver cuánto gira observando la rotación de la varilla más pequeña en el lado cercano de la pared. El peso y la palanca pueden estar completamente ocultos a nuestra vista por esta pared, pero el movimiento de torsión de la varilla pequeña revela cuánto cede el tubo de torsión a la fuerza del peso.

Podemos aplicar este mecanismo de tubo de torsión a la medición del nivel de líquido en un recipiente presurizado sustituyendo el peso por un desplazador, fijando la brida a una boquilla soldada al recipiente y alineando un sensor de movimiento con el extremo de la varilla pequeña para medir su rotación. A medida que el nivel del líquido sube y baja, el peso aparente del desplazador varía, lo que provoca una ligera torsión del tubo de torsión. Esta ligera torsión se detecta en el extremo de la varilla pequeña, en un entorno aislado de la presión del fluido del proceso.

Una fotografía tomada de un tubo de torsión real de un transmisor de nivel Fisher “Level-Trol” muestra su apariencia externa:

El metal oscuro es el acero elástico que se usa para suspender el peso, actuando como resorte de torsión, mientras que la parte brillante es la varilla interior que transfiere el movimiento. Como puede ver, el tubo de torsión no tiene un diámetro muy amplio. Si lo tuviera, sería un resorte demasiado rígido para su uso práctico en un instrumento de nivel de tipo desplazador, ya que este no suele ser muy pesado y la palanca no es larga.

Al observar más de cerca cada extremo del tubo de torsión, se revela el extremo abierto donde sobresale la varilla de diámetro pequeño (izquierda) y el extremo "ciego" del tubo donde se conecta a la palanca (derecha):

Si cortáramos el conjunto del tubo de torsión por la mitad, a lo largo, su sección transversal se vería así:

La siguiente ilustración muestra el tubo de torsión como parte de un transmisor de nivel de estilo de desplazamiento completo:

Como se puede ver en esta ilustración, el tubo de torsión cumple tres propósitos distintos cuando se aplica a una aplicación de medición de nivel de tipo desplazador: (1) servir como un resorte de torsión que suspende el peso del desplazador, (2) sellar la presión del fluido del proceso del mecanismo de detección de posición y (3) transferir movimiento desde el extremo más alejado del tubo de torsión al mecanismo de detección.

En los transmisores de nivel neumáticos, el mecanismo de detección utilizado para convertir el movimiento de torsión del tubo de torsión en una señal neumática (presión de aire) es típicamente del tipo equilibrio de movimiento Diseño. El mecanismo Fisher Level-Trol, por ejemplo, utiliza un tubo Bourdon en forma de C con una boquilla en el extremo que sigue a un deflector conectado a la varilla pequeña. El centro del tubo Bourdon está alineado con el centro del tubo de torsión. A medida que la varilla gira, el deflector avanza hacia la boquilla en la punta del tubo Bourdon, lo que aumenta la contrapresión y, a su vez, provoca la flexión del tubo Bourdon. Esta flexión aleja la boquilla del deflector que avanza hasta que se alcanza el equilibrio. Por lo tanto, el movimiento de la varilla se equilibra con el movimiento del tubo Bourdon, lo que lo convierte en un sistema neumático de equilibrio de movimiento.

Medición del nivel de la interfaz de desplazamiento

Los instrumentos de nivel de desplazador pueden utilizarse para medir interfases líquido-líquido, al igual que los instrumentos de presión hidrostática. Un requisito importante es que el desplazador esté siempre completamente sumergido (inundado). Si se infringe esta regla, el instrumento no podrá distinguir entre un nivel de líquido (total) bajo y un nivel de interfase bajo. Este criterio es análogo al uso de instrumentos de presión diferencial de ramal compensado para medir los niveles de interfase líquido-líquido: para que el instrumento responda únicamente a los cambios en el nivel de interfase y no se vea afectado por los cambios en el nivel total de líquido, ambos puntos de conexión del proceso deben estar sumergidos.

Si el instrumento desplazador tiene su propia jaula, es importante que ambas tuberías que conectan la jaula al recipiente de proceso (a veces llamadas boquillas) estén sumergidas. Esto garantiza que la interfaz de líquido dentro de la jaula coincida con la interfaz dentro del recipiente. Si la boquilla superior se seca, puede ocurrir el mismo problema con un instrumento desplazador con jaula que con un indicador de nivel de mirilla (véase la sección [problema de interfaz] (Comienza en la página para obtener una explicación detallada de este problema).

Calcular la fuerza de flotación sobre un elemento desplazador debido a la combinación de dos líquidos no es tan difícil como parece. El principio de Arquímedes sigue vigente: la fuerza de flotación es igual al peso del fluido o fluidos desplazados. Basta con calcular los pesos y volúmenes combinados de los líquidos desplazados para calcular la fuerza de flotación. Para un solo líquido, la fuerza de flotación es igual a la densidad de peso de ese líquido ($\mathrm{do}$) multiplicado por el volumen desplazado ($\mathrm{En}$):

$$F_{b\mathrm{en}\mathrm{el}ya\mathrm{norte}\mathrm{el}}=\mathrm{do}\mathrm{En}$$

Para una interfaz de dos líquidos, la fuerza de flotación es igual a la suma de los dos pesos de los líquidos desplazados, siendo cada término de peso de líquido igual a la densidad de peso de ese líquido multiplicada por el volumen desplazado de ese líquido:

$$F_{b\mathrm{en}\mathrm{el}ya\mathrm{norte}\mathrm{el}}={\mathrm{do}}_1{\mathrm{En}}_1+{\mathrm{do}}_2{\mathrm{En}}_2$$

Suponiendo un desplazador de área transversal constante en toda su longitud, el volumen para el desplazamiento de cada líquido es simplemente igual a la misma área ($\mathrm{pag}{o}^2$) multiplicado por la longitud del desplazador sumergido en ese líquido:

$$F_{b\mathrm{en}\mathrm{el}ya\mathrm{norte}\mathrm{el}}={\mathrm{do}}_1\mathrm{pag}{o}^2{\mathrm{yo}}_1+{\mathrm{do}}_2\mathrm{pag}{o}^2{\mathrm{yo}}_2$$

Desde el área ($\mathrm{pag}{o}^2$) es común a ambos términos de flotabilidad en esta ecuación, podemos factorizarlo para simplificar:

$$F_{b\mathrm{en}\mathrm{el}ya\mathrm{norte}\mathrm{el}}=\mathrm{pag}{o}^2({\mathrm{do}}_1{\mathrm{yo}}_1+{\mathrm{do}}_2{\mathrm{yo}}_2)$$

Determinar los puntos de calibración de un instrumento de nivel de tipo desplazador para aplicaciones de interfaz es relativamente fácil si se examinan las condiciones LRV y URV como un par de experimentos mentales, tal como hicimos con la medición de nivel de interfaz hidrostática. Primero, imaginamos cómo se vería la condición del desplazador con la interfaz en el valor inferior del rango, y luego imaginamos un escenario diferente con la interfaz en el valor superior del rango. Se recomienda dibujar ilustraciones de cada escenario para mayor claridad.

Supongamos que tenemos un instrumento desplazador que mide el nivel de interfaz entre dos líquidos con gravedades específicas de 0,850 y 1,10, con una longitud de desplazador de 30 pulgadas y un diámetro de desplazador de 2,75 pulgadas (radio = 1,375 pulgadas). Supongamos además que el LRV en este caso es donde la interfaz está en la parte inferior del desplazador y el URV es donde la interfaz está en la parte superior del desplazador. La colocación de los niveles de interfaz LRV y URV en los extremos de la longitud del desplazador simplifica nuestros cálculos de LRV y URV, ya que el "experimento mental" LRV simplemente será el desplazador completamente sumergido en líquido ligero y el "experimento mental" URV simplemente será el desplazador completamente sumergido en líquido pesado.

Cálculo de la fuerza de flotación del LRV:

$$F_{b\mathrm{en}\mathrm{el}ya\mathrm{norte}\mathrm{el}}\text{ (América Latina)}={\mathrm{do}}_2\mathrm{En}={\mathrm{do}}_2\mathrm{pag}{o}^2\mathrm{yo}$$

Cálculo de la fuerza de flotación del URV:

$$F_{b\mathrm{en}\mathrm{el}ya\mathrm{norte}\mathrm{el}}\text{ (URV)}={\mathrm{do}}_1\mathrm{En}={\mathrm{do}}_1\mathrm{pag}{o}^2\mathrm{yo}$$

Mostrando los cálculos reales para este ejemplo hipotético:

$${\mathrm{do}}_1=\left(62.4\frac{\text{libra}}{{\text{pie}}^3}\right)(1.10)=68.6\frac{\text{libra}}{{\text{pie}}^3}=0.0397\frac{\text{libra}}{{\text{en}}^3}$$

$${\mathrm{do}}_2=\left(62.4\frac{\text{libra}}{{\text{pie}}^3}\right)(\mathrm{0,85})=53.0\frac{\text{libra}}{{\text{pie}}^3}=0.0307\frac{\text{libra}}{{\text{en}}^3}$$

$$F_{b\mathrm{en}\mathrm{el}ya\mathrm{norte}\mathrm{el}}\text{ (América Latina)}=\left(0.0307\frac{\text{libra}}{{\text{en}}^3}\right)\mathrm{pag}(1.375\text{ en}{)}^2(30\text{ en})=5.47\text{ libra}$$

$$F_{b\mathrm{en}\mathrm{el}ya\mathrm{norte}\mathrm{el}}\text{ (URV)}=\left(0.0397\frac{\text{libra}}{{\text{en}}^3}\right)\mathrm{pag}(1.375\text{ en}{)}^2(30\text{ en})=7.08\text{ libra}$$

La flotabilidad para cualquier porcentaje de medición entre LRV (0%) y URV (100%) se puede calcular por interpolación: