A través de esta nota de aplicación, se explica cómo medir niveles de líquido en un contenedor o tubería utilizando el método no invasivo de medición de nivel directa. Asimismo, explica cómo detectar la presencia o ausencia de líquidos en un contenedor hermético usando el ensayo de presencia/ausencia.
Métodos para medir niveles de líquidos
El método más simple para medir niveles de líquido es mediante la observación directa con una varilla o rotámetro. Sin embargo, este método no es apropiado en algunos casos en donde el contenedor sellado no puede abrirse o su contenido no puede exponerse al aire. La medición ultrasónica de los niveles de líquido frecuentemente despunta como la mejor solución para situaciones en las que se desea medir de forma rápida y automática el nivel de líquido en una gran cantidad de contenedores que pasan a través de un proceso de llenado.
La medición ultrasónica de los niveles de líquido también es útil para:
- Medir niveles de fluido corrosivo o reactivo en aplicaciones de procesamiento químico donde los contenedores no pueden abrirse por razones de seguridad y la naturaleza del químico o del proceso impide la instalación de un rotámetro interno.
- Detectar la presencia de fluidos estancados en tuberías, particularmente, en inspecciones de tuberías que necesitan ser abiertas o cortadas durante los procedimientos de mantenimiento.
- Verificar los niveles de fluido en líneas de montaje para una variedad de componentes del sector automotriz como los tanques de combustible, montajes de transmisión, cárteres de lubricación para motor y diferenciales para los cuales se requieren mediciones confiables y no invasivas. En algunos casos, los medidores se usan en combinación con un manipulador automático para situar la sonda debidamente en la medición en línea de contenedores llenos. Los resultados proporcionados por los medidores son usados para activar los eyectores de pintura con el fin de marcar los contenedores que presentan un nivel de llenado fuera de tolerancia.
- Medir una capa de aceite que flota sobre una capa de agua en el ámbito de un sistema de tratamiento de hidrocarburos. En principio, es posible medir cualquier capa de líquido en situaciones donde un líquido con impedancia acústica diversa flote sobre el segundo líquido.
Generalmente, las aplicaciones relativas al nivel de líquido se dividen en dos categorías: las que requieren la medición del nivel de líquido actual (profundidad y altura) y las que requieren la detección de presencia o ausencia de líquido en un punto seleccionado. Ambos ensayos son descritos separadamente en las secciones a continuación.
Equipamiento para la medición directa del nivel
El nivel de líquido generalmente es medido mediante las técnicas de medición de espesor pulso-eco convencionales, usando medidores de espesores o detectores de defectos ultrasónicos estándares cuando se requiere un rango de medición superior. Las sondas son seleccionadas en base a los requisitos particulares de la aplicación, pero generalmente son de 1 MHz o 2,25 MHz. Se recomienda el uso de uno de los siguientes instrumentos:
- Medidores de espesores 39DL PLUS™ y 45MG —dotado de la opción de software Sonda monoelemento: pueden ser configurados para ejecutar las mediciones de nivel de líquido. Proporcionan alarmas de máximo/mínimo nivel, almacenamiento de datos para la grabación y documentación, como también una pantalla digital. El rango de medición típico es de aproximadamente 125 mm o 5 pulg.
- Detector de defectos EPOCH 650® o EPOCH 6LT: pueden medir caudales de líquido extensos (potencialmente mayores a 1,25 m o 4 pies).
Para cualquiera de estos instrumentos, el rango y la precisión son determinados por condiciones de ensayo específicas y deben ser evaluados caso por caso. Es posible obtener una precisión de ± 2.5mm (± 0.1 pulg.) para la mayoría de líquidos.
Procedimiento de la medición directa del nivel
El nivel de líquido en un contenedor es medido al acoplar la sonda en la parte inferior de dicho contenedor usando acoplante. Un impulso eléctrico es transmitido a la sonda a partir del medidor de espesores para generar un impulso acústico corto que será transmitido a través de la pared del contenedor y del líquido. El impulso viaja a través del líquido hasta alcanzar la superficie en donde se refleja y regresa a la sonda a través del líquido.
El eco generado en la superficie líquida está coordenado con un punto cero a tiempo electrónico que sustrae el tiempo de tránsito a través de la pared del contenedor. El tiempo de tránsito de emisión y recepción del impulso es convertido al nivel de líquido mediante el siguiente cálculo electrónico:
h = vt/2
Donde:
h = nivel de líquido
v = velocidad acústica en el líquido
t = tiempo de tránsito de ida y vuelta (emisión-recepción)
El nivel de líquido se muestra en la pantalla digital del instrumento. Los factores listados a continuación deben ser considerados para aplicar esta técnica de medición de manera eficaz.
- Espesor y tipo de material del contenedor: Considere estos factores sobre todo en relación con las propiedades de fluido y el rango de nivel. Los contenedores con paredes de acero de espesor relevante pueden limitar considerablemente el nivel mínimo de medición debido a los efectos de reverberación («ring down») de la pared. Los contenedores de plástico presentan propiedades acústicas similares a varios líquidos; por ende, transmiten eficazmente el sonido a partir de la sonda hasta el líquido con un efecto reducido de reverberación.
- Condición superficial de pared de contenedor: Las superficies corroídas o picadas de los contenedores pueden distorsionar la transmisión del impulso acústico dificultando o imposibilitando la medición.
- Curvatura de contenedor: Los contenedores de forma curva acentuada pueden distorsionar el impulso o causar un acoplamiento inadecuado entre la sonda y el contenedor, lo que dificulta la obtención de medidas fiables.
- Obstrucción: La trayectoria acústica entre la parte inferior del tanque y la superficie del líquido debe estar exenta de obstrucciones físicas como deflectores o tuberías de llenado.
- Propiedades acústicas del líquido: El grado de atenuación ultrasónica en el líquido determina generalmente la medida del nivel máximo. Generalmente, los líquidos de alta viscosidad y los líquidos con altas concentraciones de sólidos producen un efecto más atenuante en el ultrasonido.
- Efecto térmico: Los cambios de temperatura en un líquido producen cambios en la velocidad acústica del líquido. Si la calibración de velocidad del instrumento no es ajustada nuevamente para compensar dichos cambios de velocidad, la lectura del nivel será incorrecta.
- Burbujas de gas: Las burbujas de aire u otros gases dispersarán las ondas acústicas y producirán lecturas erróneas o dificultarán la adquisición de lecturas.
- Movimiento de la superficie líquida: La superficie líquida debe por lo general mantenerse en un estado estático para poder adquirir la lectura del eco superficial.
- Composición líquida: El líquido debe presentar una composición y temperatura uniforme para obtener medidas precisas.
- Acoplamiento de sonda en el contenedor: El acoplamiento adecuado de la sonda en el contenedor es necesario para la transmisión del impulso acústico a través del contenedor y el líquido.
Equipamiento para la medición de presencia-ausencia
Se recomienda usar un detector de defectos de la serie EPOCH; ya que, son idóneos para la medición pulso-eco de presencia-ausencia. El tipo de sonda dependerá del tipo de líquido y de la trayectoria acústica.
Procedimiento para la medición de presencia-ausencia
La configuración específica para este ensayo depende de la aplicación. Generalmente, se recomienda una simple medición pulso-eco cuando se trata de un contenedor o una tubería con una geometría que permite la transmisión de un impulso ultrasónico a través de una columna de líquido y la recepción del eco desde la pared opuesta. La ausencia o presencia de líquido puede ser señalada mediante elementos visuales o alarmas con indicadores acústicos. En el modo pulso-eco, la señal proveniente de la sonda es acoplada a la pared del contenedor. Si el líquido está presente en el punto de medición, una porción de la energía acústica viajará a través del líquido y se reflejará contra la pared opuesta del contenedor, regresando a través del líquido y de la pared del contenedor hacia la sonda. Si no hay líquido, no se generará un eco de fondo a pesar de los ecos generados por la pared del contenedor que está en contacto con la sonda. Las sondas de contacto de baja frecuencia generalmente son usadas para este tipo de medición. En la figura a continuación, una sonda de contacto de 2,25 MHz se encuentra acoplada a la pared de un tanque de acero de aproximadamente 45 mm (18 pulg.) de ancho. Los ecos visualizados al lado izquierdo de la pantalla representan múltiples reverberaciones producidas en la pared del tanque y no existe ningún eco en la puerta roja. |
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El operador puede monitorizar el estado del líquido mediante la configuración de una puerta en función del momento en el que el eco es esperado. Si existe líquido, se detectará un eco en la puerta, tal como se ve en la figura al lado derecho.
En ciertas situaciones, el método de pulso-eco no puede ser usado. Cuando no existe una trayectoria acústica clara entre la pared frontal y de fondo, la monitorización del líquido debe ser soportada por el método de reverberación «ringdown». Para ello se requiere siempre una superficie de contenedor lisa y limpia que pueda asegurar un acoplamiento de sonda uniforme. Con este método, el instrumento identifica cambios en los ecos generados en la pared donde la sonda ha sido acoplada. El efecto se compara con el sonido de una campana, suspendida en el aire en un caso e inmersa en el líquido en otro. El líquido atenuará la energía acústica mucho más rápido que el aire. Igualmente, el instrumento «escucha» el tipo de eco y traza su diagrama, cuyo uso permite al operador determinar la presencia o ausencia de líquido en un punto particular. |
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Este tipo de medición es efectuada normalmente con una sonda dotada de una línea de retardo. Las figuras a continuación representan una típica medición de reverberación o «ringdown» en un tanque de acero con una sonda de línea de retardo V206-RB (5 MHz). El A-scan superior representa el diagrama «ringdown» del eco proveniente de la pared de fondo en contacto con el líquido. La función DAC ha sido usada para trazar la envolvente de eco. El A-scan inferior muestra los ecos más grandes recibidos de una pared de fondo con contacto de aire, en donde el efecto del líquido en la superficie interna no representa más un factor que deba ser considerado. Mediante el desplazamiento de la sonda hacia los lados del tanque y la búsqueda del punto de transición entre dos diagramas, el operador puede identificar el punto que representa la parte superior del líquido contenido en el interior.
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