Un proyecto de Instrumentación en la vida real
Artículo publicado originalmente en mi LinkedIn.
Durante mi formación profesional una de las materias de mayor importancia fue Instrumentación Industrial. En dicha materia, nos instruyen sobre los principios físicos usados para la medición de diferentes variables. Poco a poco, se estudia sobre la medición de nivel, flujo, presión, temperatura, humedad, entre otros. Así mismo sobre la selección de instrumentos y elaboración de diagramas P&IDs.
Recuerdo que en esa materia la selección de los instrumentos de medición se pintaba como un proceso lineal: existen una cantidad de variables a considerar, una vez sopesadas, se elegía el mejor elemento de medición, listo. Gracioso pensar en cuan distinta es la vida universitaria al ejercicio profesional...
Qué pasa en la vida real
Mis experiencias laborales más satisfactorias han sido cuando me involucré en los proyectos desde sus fases iniciales, sin embargo, éstas no han sido las más comunes. En la mayoría de las oportunidades, mi labor se ha basado en entender un proyecto a medio ejecutar, corregir sus errores, y llevarlo a su culminación.
En mi más reciente proyecto, se me entregó un sensor ultrasónico y me indicaron:
“Este es el sensor que vamos a utilizar para medir el nivel de una tanque de 30 mil litros, el cual contendrá aceite que será agitado constantemente. No tenemos fondos para comprar otro ni para hacer modificaciones al tanque, y la directiva necesita eso funcionando lo más pronto posible”.
Con esas indicaciones empecé a investigar y hoy les contaré lo que aprendí en el proceso de solucionar este reto.
¿Qué queremos medir?
El aceite de palma es el segundo aceite de mayor producción a nivel mundial. El aceite de palma se obtiene por extracción mecánica de la fruta de la Elaeis guineensis, y está conformado por dos fracciones principales, la estearina y la oleína.
En la industria galletera, el aceite más utilizado es la oleína, el cual es un líquido viscoso y con densidad de alrededor 890 Kg/m³. La mejores prácticas para la manipulación de aceites comestibles indican que estos deben estar agitados y ser calentados para evitar la formación de sólidos y garantizar la homogeneidad del producto. Asimismo, se debe evitar el contacto de materiales extraños con el aceite, ya que esto puede ocasionar la oxidación del producto, causando enranciamiento del aceite, lo cual afecta en la calidad y características físicas de las galletas fabricadas con dicho aceite.
Sabiendo esto les pregunto ¿Qué principio de medición utilizarían ustedes para conocer el nivel de fluido con estas características?
¿Qué instrumento tenemos disponible?
Previo a mi llegada a la empresa, el equipo el encargado de la planificación y ejecución del proyecto seleccionó un sensor de nivel ultrasónico Pepperl+Fuchs, Modelo UB4000-F42-I-V15 el cual puede observarse en la imagen superior. Dicho sensor sería colocado en una toma con rosca NPT de 2" que se encontraba en la cima del tanque.
La fotografía superior muestra la base que el equipo inicial había construido para el sensor ultrasónico. Esta base no podía funcionar, ya que el círculo blanco que se observa en la imagen al comienzo de esta sección es la membrana por la cual pasa el haz ultrasónico, por lo tanto, debía estar orientada hacía el interior de la rosca.
Otra complicación, era la banda muerta del sensor, la cual es de 24 cm. A nivel productivo, perder 24 cm en el tope del tanque, significa perder más de 4000 litros de aceite, esa cantidad de fluido podía ser utilizada por casi 2 días de producción
Perder 24 cm en el tope del tanque significaba perder más de 4000 litros de aceite, el cual podía ser utilizado para la producción de galletas por 2 días
Como vemos, la zona muerta del sensor era una problema importante, puesto que era una limitación a nivel de hardware y, como comenté anteriormente, la inversión en un nuevo sensor estaba descartada. La solución para este problema debía ser elevar el sensor de la cima del tanque por más de 30 cm.
La imagen anterior muestra la primera solución que diseñé, la cual consistió en elevar el sensor 30 cm manteniendo la toma roscada en la cima del tanque. Bajo este esquema el sensor daba lecturas correctas siempre y cuando no estuviera agitado, ya que cuando se agitaba las lecturas eras inestables o se perdían por completo. Para entender que estaba ocurriendo debemos revisar el principio de funcionamiento de lo sensores ultrasónicos.
Principio de funcionamiento de sensores ultrasónicos
La diferencia de tiempo entre el momento en el que se emite una señal sonora y el tiempo en que se recibe se conoce como eco, este es el principio de funcionamiento de los sensores ultrasónicos. Cada sensor es un transductor, donde un cristal piezo-eléctrico convierte una señal eléctrica en un haz sónico. El haz viaja hasta reflejarse con la superficie del objeto a medir y se refleja de regreso al transductor, el cual reconoce el pulso de retorno y, dependiendo de la configuración, lo convierte en una señal de analógica de 4 a 20 mA.
La diferencia de tiempo entre el momento en el que se emite una señal sonora y el tiempo en que se recibe se conoce como eco, este es el principio de funcionamiento de los sensores ultrasónicos
Los sensores ultrasónicos son muy sensibles a perturbaciones y a ecos ajenos al sistema del que forman parte. Asimismo, pueden no ser apropiados cuando se trabaja con objetos irregulares o agitados, ya que estos objetos suelen distorsionar el haz sónico evitando así que puedan reflejarse de regreso al transductor.
Elevar el sensor 30cm desde la cima del tanque no funcionó, ya que en mi caso, las distorsiones ocasionadas por la agitación del aceite, evitaban que el haz de retorno pudiera llegar hasta el sensor ya que rebotaba en la tubería. Investigaciones posteriores me llevaron a la que sería la solución definitiva a mi problema, el tubo de estabilización.
Tubo de Estabilización o 'Stilling Tube'
Un tubo de estabilización es una solución utilizada cuando se está midiendo el nivel en tanques agitados. Funciona confinando a un área pequeña y poco susceptible a la agitación el volumen del fluido, creando una superficie plana. Por el principio de vasos comunicantes, si el fluido en la partes internas y externas del tubo se encuentra a presión atmosférica, la altura del fluido dentro del tubo de estabilización será la misma que la altura en el resto del tanque.
Por el principio de vasos comunicantes, la altura del fluido dentro del tubo de estabilización será la misma que la altura en el resto del tanque
El tubo de estabilización resuelve las inestabilidades de las superficies turbulentas, pero a su vez crea desafíos adicionales para la detección ultrasónica. El tubo utilizado debe ser completamente liso y libre de protuberancias o bordes irregulares, debe tener un diámetro superior a 2 pulgadas, ya que un tuberías estrechas crean un entorno propicio para falsos disparadores. El sensor debe estar centrado y paralelo a las paredes y por último, las gotas de agua pueden condensarse dentro del tubo ocasionando lecturas incorrectas.
La solución definitiva se muestra en la figura previa. El único punto disponible para la sujeción tubo elemento era un apertura en la cima del tanque con rosca NPT de 2”. Desde el principio, sabía que la unión roscada sería el principal obstáculo a superar para que el sensor funcionara, principalmente porque la tubería debería instalarse en dos partes, y las uniones roscadas no son lisas por dentro y dejaría un espacio entre las dos secciones de la tubería, lo que crea un lugar donde el sonido se refleja de regreso al sensor.
Teniendo esto en cuenta, el material seleccionado para realizar el tubo de estabilización fue PVC, principalmente por 3 razones.
- Económicas: La tubería PVC para agua fría se consigue fácilmente en el mercado y a un costo relativamente bajo.
- Químicas: El PVC es de los poco materiales que no reacciona químicamente con el aceite comestible, lo cual alarga la vida útil del fluido
- Físicas: Las tuberías de PVC tienen el índice de rugosidad más bajo del mercado, la cual garantiza que la unión sea lo más lisa posible. Adicionalmente, el tubo es lo suficientemente grueso como para soportar rosca, lo que me permitía instalarlos en la toma roscada disponibles.
Por medio de un proceso iterativo de roscar, lijar y limpiar las secciones de la tubería logramos que la unión fuera completamente lisa y el sensor regresara lectura acordes a los cambio del altura del fluido dentro del tanque, resolviendo así la complicaciones de manera definitiva.
Aprendizajes
Como verán, es vital comprender el proceso que se quiere instrumentar para poder seleccionar el sensor adecuado, el no hacerlo, puede ocasionar complicaciones importantes. En mi caso, agradezco que esto me haya pasado y haber tenido la oportunidad de resolverlo, y así aprender mucho más sobre instrumentación.
En su experiencia ¿Qué comentarios tienen acerca de esta aplicación? ¿Le ha pasado algo similar en su trabajo?
A continuación la imagen de la solución diseñada. Gracias por leerme el día de hoy. Saludos
