Algunos conceptos importantes sobre Transmisores de Presión

Introducción

En los procesos y controles industriales de la actualidad, atestiguamos los avances tecnológicos con el advenimiento de los microprocesadores y componentes electrónicos, la tecnología Fieldbus, la Internet, etc., todo a facilitar las operaciones, garantizando la optimización y performance de los procesos y la seguridad operativa. Este avance posibilita hoy que transmisores de presión, como también los de otras variables, puedan proyectarse para garantizar algo desempeño en mediciones que hasta entonces utilizaban solo la tecnología analógica. Los transmisores analógicos eran proyectados con componentes discretos, susceptibles a desviacionesdebido a la temperatura, las condiciones ambientales y de proceso, con ajustes constantes a través de potenciómetros y llaves.  Con el advenimiento de la tecnología digital, la simplicidad de uso también fue una conquista.

Los transmisores de presión son grandemente utilizados en los procesos y aplicaciones con innúmeras funcionalidades y recursos. La gran mayoría de procesos industriales abarcan mediciones de presión, teniéndose aún en cuenta que la presión es una grandeza básica a la medición e el control de flujo, nivel, densidad, etc.

En este artículo comentaremos algunos detalles y conceptos relativos a los transmisores de presión.

La exactitud de un Transmisor de Presión

Téngase en mente que en las últimas décadas, una enorme variedad de equipos se esparció por el mercado a través de diversas aplicaciones. La exactitud de la caracterización de presión solo tuvo su real valor a partir del momento en que logramos traducirla en valores mensurables.

Todo sistema de medición de presión se compone del elemento primario, que estará en contacto directo o indirecto con el proceso donde ocurren los cambios de presión, y el elemento secundario (el transmisor de presión), que tendrá la tarea de traducir este cambio en valores mensurables para uso en indicación, monitoreo y control.

La performance estática o exactitud de un transmisor de presión depende de lo bien que el aparato es calibrado y cuanto tiempo el podrá mantener su calibración. Téngase presente que exactitud es muchas veces confundida con precisión, cuando exactitud está asociada a la proximidad al valor verdadero y precisión se asocia a la dispersión de valores resultantes de una serie de medidas.

La calibración de un transmisor de presión abarca el ajuste de cero y span. Exactitud normalmente incluye efectos no lineares, de histéresis y repetibilidad.

Normalmente la exactitud es obtenida en % del span calibrado.

Algunos Conceptos Importantes

Generalmente la relación entre entrada y salida de un transmisor de presión es predominantemente lineal (Y = ax +b), donde a es conocido como ganancia y  b es el cero o offset, como se ve en la figura 1.

Rango: es la banda de medición, abarcando desde la presión mínima a la máxima que el transmisor puede medir, por ejemplo, 0 a 5080 mmH2O. El span máximo es 5080 mmH2O.

Cero: es la menor presión en la cual el transmisor fue calibrado.

Figura 1- Curva de Calibración de un Transmisor de Presión

Figura 1- Curva de Calibración de un Transmisor de Presión



URL (Upper Range Limit): es la presión mas alta ajustada al transmisor, respectándose el límite superior del sensor.

LRL (Lower Range Limit): es la presión mas baja ajustada al transmisor, respectándose el límite inferior del sensor.

Span (Range Calibrado): la banda de trabajo donde se hace la calibración es conocida como span, por ejemplo, desde 500 a 3000 mmH2O, cuyo  span es 3000-500 = 2500 mmH2O. El Span es igual a URL – LRL

Figura 2 – Terminología de Calibración

Figura 2 – Terminología de Calibración
Supresión de Cero (es la cantidad con que el valor inferior supera el valor cero de la presión): la supresión ocurre cuando el transmisor indica un nivel superior al real. En mediciones de nivel, por ejemplo, cuando el transmisor no está ubicado en el mismo nivel de su enchufe de alta y entonces es necesario compensar la columna de líquido en el enchufe del transmisor. Este tipo de instalación es necesario donde el transmisor se ubica en un nivel inferior, que, en la práctica, es la manera preferida debido a facilitar acceso, visualización y mantenimiento. En este caso, una columna líquida se forma con la altura del líquido dentro del enchufe de impulse y el transmisor indicará un nivel superior al real. Esto se llama Supresión de Cero y debe llevarse en consideración.

Tanque abierto

(presión atmosférica)

  • Lado de baja (Low) del TRM está abierto a la presión atmosférica.
  • Solamente para líquidos.

Figura 3 – Medición indirecta utilizando el transmisor de presión diferencial en tanques abiertos – Supresión de Cero.

Figura 3 – Medición indirecta utilizando el transmisor de presión diferencial en tanques abiertos – Supresión de Cero.

Elevación de Cero (es la cantidad con que el valor cero de presión supera el valor inferior): según la Figura 4, donde se puede ubicar el tanque cerrado y el transmisor de presión diferencial debajo de su enchufe Hi y no haya sellado líquido en el enchufe de Low, es necesario compensarse la columna de líquido aplicada al enchufe Hi, ocurriendo la Supresión de Cero. Si existe el sellado líquido en el enchufe de presión baja (low), es necesaria la compensación de la columna de líquido aplicada en el enchufe Hi en el enchufe Low. Es lo que llamamos de Elevación de Cero.

Tanque cerrado

(presión de vapor)

  •  Lado de baja (Low) conectado a la parte superior del tanque.  
  • Solamente para líquidos.

Figura 4 – Medición indirecta utilizando transmisor de presión diferencial en tanques abiertos – Elevación de Cero.
Figura 4 – Medición indirecta utilizando transmisor de presión diferencial en tanques abiertos – Elevación de Cero.

Desviación de Cero (Zero Shift):este es un error constante en todas las mediciones y puede ser positivo o negativo. Suele acontecer por diversas razones, como, por ejemplo, cambios de temperatura, choque mecánico, diferencias de potenciales, puesta a tierra inadecuada, etc. Vea la figura 5.

Figura 5 – Desviación de Cero y Desviación de Span

Figura 5 – Desviación de Cero y Desviación de Span

Desviación de Span (Span Shift):un cambioen la derivada de la relación entrada/salida se denominadesviación de span.  Un error de span puede ser o no ser seguido de un error de Offset. Los errores típicos de calibración abarcan solo los errores de span y son menos comunes que los errores relativos a errores de span y de cero al mismo tiempo. En la gran mayoría de los casos los errores en transmisores son desviaciones de cero. Ver la figura 5.

Histéresis:es el fenómeno en que la salida del transmisor de presión difiere de la misma entrada aplicada, dependiendo de la dirección en que se aplica la señal de entrada, o sea, si ascendiente o descendiente. Normalmente la calibración de un transmisor de presión utiliza la secuencia: 0, 25, 50, 75, 100, 75, 50, 25 y 0% del span. Ver la figura 6.

Figura 6 – Histéresis

Figura 6 – Histéresis

Repetibilidad:es la desviación porcentual máxima con que se indica una misma medición, con todas las condiciones reproducidas exactamente de la misma manera.

Turndown(TD) o Rangeabilidad: es la relación entre la presión máxima (URL) y la presión mínima medida (span mínimo calibrado).

Presión Absoluta: valor medido bajo condiciones de vacío, o sea, ausencia de presión. Conocida también como cero absoluto.

Presión Atmosférica: presión ejercida por la atmósfera y depende de la altitud. Este valor disminuye con el aumento de la altitud y al nivel del mar vale 14,696 psia.

Presión Manométrica o Gage : presión relativa a la atmósfera.

Presión Diferencial: la presión medida con relación a una referencia.

Presión Estática o de línea: presión ejercida en una línea de presión donde haya flujo de un fluido. Es la presión de proceso aplicada en ambos enchufes de un transmisor diferencial.

Presión Hidrostática: presión ejercida por un líquido bajo la superficie debajo del mismo.

Error Total Probable (ETP):todos los transmisores de cualesquiera fabricantes poseen un error que depende de diversos factores. Este error es conocido como Error Total Probable (ETP) y sus condiciones son las siguientes:

  • Variación de la temperatura ambiente;
  • Presión estática;
  • Variación de la tensión de alimentación;
  • Span Calibrado;
  • URL del transmisor;
  • Rango del Transmisor;
  • Material de construcción;
  • Etc.

La fórmula del ETP es la siguiente:

fórmula del ETP

  • Acc = Exactitud
  • ZeroStaticError = Error de Cero debido a influencia de la presión estática
  • SpanStaticError = Error de Span debido a la influencia de la presión estática
  • TempErr = Error debido a la variación de temperatura
  • VSErr = Error debido a la variación de la tensión de alimentación
  • StabilityErr = Error de estabilidad  

 Mercado

Según los usuarios, las principales características de especificaciones de los transmisores de presión según sus aplicaciones son: exactitud, confiabilidad, durabilidad/robustez, seguridad, fácil calibración, repetibilidad, soporte de EDDL y DTMs de comunicación, etc.

  • Según el ARC – Advisory Group, el mercado mundial de transmisores de presión en 2008 fue 2.38 mil millones de dólares y tiene 2.8 mil millones previstos para 2013.

Transmisores Inteligentes

Un transmisor inteligente mezcla la tecnología del sensor a su electrónica.

Típicamente, debe proveer las siguientes características: Señal digital de salida, Interfaz de comunicación digital, Compensación de presión, Compensación de temperatura, Estabilidad, calibración simples, Re-rangeabilidad  con y sin referencia, Ingeniosidad, Auto-diagnósticos,

  • Fácil instalación,
  • Alta confiabilidad,

Bajos costos de instalación y mantenimiento, Tiempos cortos de instalación y mantenimiento, Reducción de intrusión/penetración (proceso), Ahorro de espacio de instalación, Permiso de actualizaciones para la tecnología Foundation Fieldbus y Profibus PA, etc. Ejemplos: LD301(HART/4-20mA), LD302 (Foundation Fieldbus), LD303(Profibus-PA), LD400 (Nueva Serie de Transmisores de Alta performance SMAR, SIS, etc).

Algunos puntos a que los usuarios deben fijarse:

  • Exactitud & Rangeabilidad :si fueren necesarios equipos con tales características, analizar las fórmulas de exactitud a lo largo de todo el rango. Vea otras características tales como tiempo de respuesta, totalización, Bloque de PID, etc., que pueden ser útiles en las aplicaciones.
  • Modelos con estabilidad y garantía ampliadas son más caros. Verifique si su aplicación realmente necesita tal requisito. Normalmente se ofrecen condiciones de proceso e instalación como requisitos de validad a esta garantía.

Protección a la inversión: análisis del precio de repuestos, intercambialidad de modelos, simplicidad de especificación, actualización para otras tecnologías (Fieldbus Foundation, Profibus PA), suministro de servicios, soporte técnico, plazo de reposición, etc. Estos son factores que pueden obstaculizar la disponibilidad de la fábrica.

Transmisores Seguros

Un transmisor de presión especificado para áreas de riesgo, o sea, para funciones de seguridad, es un equipo proyectado con probabilidades de fallos bajos y alta confiabilidad de operación. Existen dos conceptos en el mercado. Uno, basado en la idea “Pruébalo en Uso” y otro, basado en la certificación IEC 61508. En la práctica se ve muchas aplicaciones especificadas para equipos con certificación SIL para utilización en sistemas de control sin la función de seguridad. Se observa también mucha desinformación en el mercado conduciendo a la adquisición de equipos más caros, desarrollados para funciones de seguridad, cuando en realidad se aplicarán en funciones de control de proceso, donde la certificación SIL no trae los beneficios esperados, además de dificultar la utilización y operación de los equipos.

Los Sistemas Instrumentados de Seguridad (SIS) son responsables por la seguridad operativa y garantizan la parada de emergencia dentro de límites considerados seguros, cuando la operación ultrapasa estos límites. El objetivo principal es evitar accidentes dentro y fuera de las fábricas, tales como incendios, explosiones, daños a los equipos, protección de la producción y de la propiedad y, más aún,  evitar riesgos de vida o daños a la salud personal e impactos catastróficos a la comunidad.

Ningún equipo es totalmente inmune a fallos y debe proporcionar una condición segura, mismo en caso de fallo.

Los transmisores certificados según el IEC 61508 deben tratar básicamente de 3 tipos de fallos: fallos aleatorios de hardware, fallos de sistema y fallos de causas comunes.

¿Lo que el usuario debe saber sobre transmisores certificados para aplicaciones SIL y porque ellos no son la mejor opción para control y monitoreo?

  • No se puede hacer ningún cambio de configuración, simulación, multidrop o prueba de circuito con el equipo en funcionamiento normal, o sea, requiriendo seguridad. En estas condiciones la salida no podrá evaluarse seguramente. En otras palabras, un equipo HART/4-20mA con certificación SIL2 no estará con nivel SIL caso la comunicación HART esté habilitada y posibilitando escrituras.
  • La protección de escritura debe estar habilitada para la condición segura.
  • No se puede realizar ningún ajuste local, que deberá estar deshabilitado.
  • Nada es totalmente seguro. Lo que se busca es reducirse la probabilidad de ocurrencia de fallos.
  • En caso de fallo, este debe ser segura, o sea, pudiendo identificarse y permitir acciones correctivas.

Conclusión

A través de este artículo hemos visto la importancia de algunos conceptos en transmisores de presión y algunos detalles en que los usuarios deben estar atentos en sus aplicaciones.

Referencias

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