Los transmisores de presión diferencial se utilizan ampliamente en las industrias de procesos para medir presión, caudal y nivel. En la medición de caudal, los transmisores de presión diferencial (DP) se utilizan para medir la diferencia de presión a través de una restricción, como una placa de orificio o un tubo Venturi.
En las aplicaciones de caudal, ambas cámaras del transmisor están expuestas a la presión del proceso, a menudo denominada presión estática o de línea, mientras que la presión diferencial real depende del caudal. En muchas aplicaciones de transferencia de custodia de petróleo y gas, la presión de la línea puede ser muy alta, mientras que la presión diferencial medida puede ser relativamente baja.
En condiciones in situ, estos transmisores de presión diferencial suelen calibrarse sin presión de línea por razones prácticas. Sin embargo, esto puede introducir pequeños errores en comparación a cómo se comportan cuando funcionan con presión de línea en el proceso. Para eliminar este error, se puede utilizar el método footprinting.
En este blog analizaremos más de cerca lo que sucede cuando un transmisor DP funciona a alta presión de línea, cómo puede influir esto en los resultados de calibración, cuál es el método footprinting y cómo ayuda a garantizar una buena exactitud en campo.
Un transmisor de presión diferencial (DP) mide la diferencia entre dos puntos de presión, conocidos habitualmente como la cámara de alta presión (HP) o cámara positiva, y la cámara de baja presión (LP) o cámara negativa. El transmisor convierte esta diferencia de presión en una señal eléctrica de mA (o una señal digital como HART o Fieldbus) que representa una variable de proceso como caudal, nivel o presión.
En la medición de caudal, el transmisor está conectado a través de un elemento primario, como una placa de orificio, un tubo Venturi o una tobera. Estos elementos primarios crean una caída de presión que aumenta con el caudal. El transmisor DP mide la presión diferencial y, dado que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la presión diferencial, la señal se puede utilizar para calcular el caudal.
Un transmisor DP también se puede utilizar para la medición de nivel, por ejemplo, en un depósito cerrado o presurizado, donde mide la diferencia de presión hidrostática entre la parte superior e inferior del depósito. En este artículo nos centraremos en la medición de caudal, que es uno de los usos más habituales de los transmisores DP.
En muchas aplicaciones industriales de caudal, ambas cámaras del transmisor están expuestas a la presión de la línea de proceso, a menudo llamada presión estática. La presión de la línea puede ser de decenas de bar o llegar hasta alrededor de 100 bar (1.450 psi), o incluso ser superior a 200 bar (2 900 psi); mientras que la presión diferencial real que se mide puede oscilar desde decenas de milibar hasta unos pocos cientos de milibar (decenas a cientos de "H2O), o incluso hasta 5 bar (2 000 "H2O).
Las aplicaciones submarinas de petróleo y gas más extremas de hoy en día pueden tener una presión de línea de más de 1000 bar (14 500 psi).
La combinación de alta presión estática y presión diferencial relativamente pequeña es habitual en aplicaciones de petróleo y gas, en refino y generación de energía. La exactitud es más crítica en las mediciones de custodia. También es lo que hace que la calibración de estos transmisores sea más difícil y que el concepto footprinting sea tan importante.
En el diagrama anterior se muestra cómo se utiliza un transmisor de presión diferencial para la medición de caudal con una placa de orificio. La restricción provoca que el caudal se acelere y que la presión estática descienda después del orificio. Al medir la presión aguas arriba (antes) en la cámara de alta presión (+) y la presión aguas abajo (después) en la cámara de baja presión (-), el transmisor emite una señal equivalente a la presión diferencial. La magnitud de esta caída de presión está relacionada con el caudal a través de la tubería de acuerdo con la relación de raíz cuadrada.
Aunque un transmisor de presión diferencial está diseñado para medir la diferencia entre dos presiones con presiones estáticas diferentes, la presión estática (de línea) que actúa por igual en ambas cámaras puede seguir influyendo en la medición. Normalmente, cuanto mayor sea la presión de la línea, más afectará a la medición.
Esto ocurre porque los diafragmas del sensor del transmisor, el fluido o líquido de relleno y la estructura mecánica interna están expuestos a la presión de la línea. Cuando la presión de la línea aumenta, los diafragmas y los componentes internos se deforman ligeramente, incluso aunque la presión diferencial siga siendo la misma. Esta pequeña deformación puede provocar un cambio en la señal de salida del transmisor.
En términos prácticos, esto significa que un transmisor de presión diferencial (DP) que mide una cierta exactitud cuando se prueba a presión atmosférica puede presentar errores cuando la presión diferencial se aplica bajo una alta presión de línea.. La diferencia puede ser significativa y, en la medición de caudal para transferencia de custodia donde se requiere una gran exactitud, esto es fundamental.
La cantidad y la dirección de este desplazamiento dependen del diseño del transmisor, los materiales, el rango e incluso el líquido de relleno utilizado dentro de los módulos de los sensores. Algunos transmisores también son más sensibles a la presión estática que otros.
Por ejemplo, con una presión de línea de 100 bar (1 450 psi), un transmisor DP puede mostrar un pequeño desplazamiento del cero o un ligero cambio en el span en comparación con su calibración en condiciones atmosféricas. Cuando dicho transmisor se utiliza más adelante en un proceso en el que la presión de la línea varía constantemente, el efecto de la presión estática puede aparecer como un error de medición pequeño pero constante.
Por eso es importante comprender cómo se comporta un transmisor en particular en ambas condiciones, con y sin presión de línea. Aquí es donde el concepto footprinting se vuelve valioso, ya que le permite caracterizar y, posteriormente, compensar este efecto.
En un mundo ideal, la calibración siempre se realizaría en las mismas condiciones en las que funciona el transmisor. Para un transmisor de presión diferencial utilizado en un proceso con una presión variable en la línea de alta presión, esto significaría aplicar tanto la presión de línea como la presión diferencial durante la calibración.
En la práctica, esto rara vez es posible hacerlo en campo. La mayoría de los calibradores de presión portátiles no están diseñados para poder aplicar y medir la presión total de la línea de proceso en ambas cámaras del transmisor al mismo tiempo. Para generar la presión estática y la presión diferencial simultáneamente, normalmente se necesita una balanza de pesos muertos diferencial. Estos equipos son grandes, pesados y no son adecuados para su uso en campo, especialmente en entornos exigentes como plataformas de petróleo y gas en alta mar.
Debido a esto, la calibración en campo casi siempre se realiza sin presión de línea, lo que significa que la cámara de baja presión o negativa del transmisor se deja a la atmósfera, mientras se aplica presión por la cámara de alta presión o positiva para generar la presión diferencial deseada.
Este método es práctico, seguro y rápido, y para muchas aplicaciones proporciona resultados lo suficientemente precisos. Sin embargo, en el caso de los transmisores que funcionan bajo alta presión estática, puede provocar pequeñas diferencias entre la calibración realizada en campo y el comportamiento real del transmisor en el proceso.
Como hemos visto anteriormente, la presión estática puede causar pequeños cambios en la señal de salida del transmisor. Por lo tanto, cuando lo calibras a presión de línea cero, no estás reproduciendo las condiciones reales del proceso. El resultado es que el transmisor puede parecer que de unos buenos resultados durante la calibración, pero podría tener errores una vez instalado y presurizado en el proceso.
Por ello, resulta útil comprender cómo se comporta el transmisor en ambas condiciones. Esta comprensión se obtiene a través de footprinting, es decir, del perfil de comportamiento, lo que proporciona una referencia que permite la calibración en campo sin presión de línea para producir los resultados esperados bajo la presión de operación real.
Para comprender cómo se comporta un transmisor de presión diferencial bajo la presión de la línea, es necesario probarlo en condiciones de laboratorio controladas.
El objetivo de esta prueba es determinar cómo cambia la señal de salida del transmisor cuando se expone a una presión estática (de línea) alta, en comparación con la calibración a presión atmosférica. En otras palabras, esta comprobación te indica cómo se «comporta» el transmisor en condiciones de proceso reales.
Normalmente, esto se realiza en un laboratorio de calibración acreditado equipado con una balanza de pesos muertos diferencial, u otros medios de gran exactitud, con los que puedan ser capaces de aplicar presión estática y presión diferencial simultáneamente. La balanza de pesos muertos permite un control preciso de las presiones en ambas cámaras del transmisor, por lo que el efecto de la presión estática se puede medir con exactitud.
Cuando un transmisor de presión diferencial se envía a un laboratorio para el footprinting, normalmente se envía con su bloque de conexión o manifold conectado. La retirada y la reinstalación del bloque puede tener un pequeño efecto en la calibración. Mantener el bloque en su lugar garantiza que el footprint refleje la instalación real del transmisor y proporcione la mejor repetibilidad posible una vez se vuelva a poner en servicio.
El procedimiento suele incluir estos pasos:
Calibrar a presión de línea cero: El transmisor se calibra bajo condiciones normales de laboratorio con la cámara de baja presión a la atmósfera. Esto establece una referencia base.
Calibrar bajo presión de línea: La misma calibración se repite con una presión estática conocida aplicada de manera uniforme a ambas cámaras del transmisor, a menudo igualando la presión de la línea del proceso. Esto también se puede hacer con varias presiones de línea diferentes para ver cómo reacciona el transmisor en su rango de funcionamiento esperado.
Comparar los resultados: La diferencia entre los resultados de calibración muestra el efecto de la presión estática del transmisor.
A partir de estos resultados, el laboratorio puede ver si la presión de la línea afecta al cero, al span o a la linealidad del transmisor, o a veces a los tres.
Por ejemplo, un transmisor puede mostrar un ligero desplazamiento de cero cuando se aplica presión estática, mientras que otro también puede mostrar un cambio en el span. Cada modelo de transmisor tiende a tener su propia «firma» o footprint (perfil de comportamiento) de cómo reacciona a la presión de la línea. Según algunos clientes de Beamex, incluso los transmisores de la misma marca y modelo pueden comportarse de forma diferente.
Una vez que se conoce el footprint, es posible predecir cómo se comportará el transmisor en las condiciones normales de funcionamiento. Esta información se puede utilizar más adelante, durante la calibración en campo, para garantizar que incluso una calibración realizada sin presión de línea sea de gran exactitud cuando se vuelva a instalar el transmisor en el proceso.
Esta foto muestra una configuración con una balanza de pesos muertos diferencial utilizada para generar tanto la presión estática como la presión diferencial, ambas necesarias para realizar el footprinting del transmisor en un entorno controlado.
Fotografía facilitada por Trescal Norway AS. Utilizada con permiso.
El ejemplo anterior ilustra cómo un transmisor de presión diferencial puede comportarse de forma diferente cuando se calibra a presión atmosférica, en comparación a cuando se aplica la presión de línea con la misma presión diferencial. Las dos curvas muestran la desviación sobre el valor ideal en cada caso. La diferencia entre las dos curvas es el «footprint» del transmisor, que debe tenerse en cuenta al realizar una calibración in situ sin presión de línea. En la vida real, normalmente también hay alguna histéresis en los resultados, pero para simplificar, no se muestra en este gráfico.
Una vez que se conoce el comportamiento del transmisor bajo presión de línea a partir de las pruebas de laboratorio, esta información se puede utilizar para mejorar la exactitud de las calibraciones de campo realizadas sin presión de línea. Aquí es donde las pruebas de laboratorio realizadas previamente adquieren verdadero valor.
Los resultados del laboratorio revelan cómo cambia la salida del transmisor cuando se aplica presión estática. Por ejemplo, podría mostrar que por debajo de 100 bar (1 450 psi) de presión de línea, la salida del transmisor se desplaza ligeramente hacia arriba, lo que hace que la lectura sea un poco más alta que cuando se prueba a presión atmosférica. Otro modelo de transmisor puede mostrar el efecto opuesto o una combinación de cambios de cero y span.
Cuando conozcas este comportamiento, puedes usarlo para interpretar y ajustar los resultados de calibración en campo. En la práctica esto significa que al calibrar el transmisor en campo, se ajusta intencionadamente para que se lea de forma un poco diferente al valor “perfecto” con presión de línea cero. De este modo, una vez que el transmisor esté instalado y expuesto a la presión de la línea de proceso, su lectura será correcta.
En otras palabras: lo ajustas para que sea ligeramente “erróneo” y sea correcto en el proceso.
En algunos casos, incluso puede ser necesario ajustar el transmisor para que esté «fuera de las especificaciones» sin presión de línea, para garantizar que las lecturas sean correctas con la presión de línea.
Por ejemplo, si el footprint del laboratorio muestra que la lectura del transmisor es un 0,05 % más alta cuando la presión estática es inferior a 100 bar (1 450 psi), en la calibración en campo se puede ajustar para que la lectura sea un 0,05 % más baja cuando se calibra sin presión de línea. Después de la instalación y la presurización, el transmisor leerá correctamente en sus condiciones de funcionamiento.
Este método permite una calibración de gran exactitud y trazable sin tener que reproducir altas presiones de línea en campo. También garantiza la coherencia entre las calibraciones en campo y en laboratorio, además de proporcionar confianza en que el rendimiento del proceso del transmisor cumplirá las expectativas.
Una vez que se conoce el footprint del transmisor a partir de las pruebas de laboratorio, la siguiente pregunta es cómo utilizar esa información en la práctica.
En teoría, podrías buscar los resultados del footprint haciéndolo a mano o en una hoja de cálculo y aplicar manualmente las desviaciones necesarias durante la calibración. Por ejemplo, si el footprint muestra que, a presión diferencial cero, la salida objetivo correcta del transmisor debe ser de 4 020 mA, tratarías 4 020 mA como objetivo durante la calibración en campo.
Sin embargo, en la vida real, esto se vuelve rápidamente difícil y propenso a errores. Los técnicos trabajan bajo presión y el ajuste manual de estas pequeñas desviaciones es tan incómodo como arriesgado. Si se te olvida aplicar la desviación o se calcula incorrectamente, el resultado de calibración ya no representará cómo se comporta el transmisor en sus condiciones de funcionamiento reales.
Otro reto es que los transmisores pueden tener diferentes tipos de efectos de presión de línea. Para algunos, el efecto es principalmente un desplazamiento del cero; para otros, tanto el cero como el span se ven alterados y a veces también la linealidad. La corrección necesaria también puede variar en función de la presión diferencial aplicada. Esto significa que una sola desviación estática no es suficiente, porque el valor correcto puede cambiar de un punto de calibración a otro.
Por este motivo, tu solución de calibración debe comprender los datos del footprint y gestionar estas desviaciones automáticamente. Lo ideal es que tanto el software de gestión de las calibraciones como el calibrador conozcan el comportamiento esperado del transmisor bajo la presión de la línea, para que de esta forma puedan presentar los valores esperados correctos y calcular automáticamente el error en relación con esos valores, no con los valores de presión atmosférica «ideales».
Por ejemplo, al realizar una calibración en campo con una presión diferencial cero, el calibrador podría mostrar que el valor esperado es 4 020 mA, no 4 000 mA. A continuación, calculará el error con respecto a 4 020 mA, ya que es lo que debería entregar el transmisor una vez que vuelva a estar en servicio bajo presión de línea.
Si tus herramientas de calibración no soportan esta funcionalidad, la única alternativa es realizar el ajuste manualmente: calcular el offset con papel y bolígrafo o en una hoja de cálculo y aplicarlo manualmente. Este enfoque es lento, incoherente y propenso a errores, especialmente cuando hay varios transmisores o footprints complejos involucrados.
La automatización de este proceso no solo ahorra tiempo, sino que también mejora la exactitud, la uniformidad y la trazabilidad. Garantiza que los datos de footprinting recopilados en el laboratorio puedan utilizarse eficazmente en campo, convirtiendo la comprensión teórica en precisión práctica de calibración.
En algunos casos en estas aplicaciones de caudal de gran exactitud, el transmisor de presión diferencial no se lee a través de su salida analógica de 4–20 mA, sino a través de su señal digital HART. Una razón para ello es evitar conversiones de señales innecesarias. Cuando se utiliza la salida analógica, el transmisor convierte primero su medición digital interna en una corriente analógica (D/A) y, a continuación, el sistema de control convierte esa corriente de nuevo en un valor digital (A/D). Cada conversión añade una pequeña incertidumbre.
Al leer la medición del transmisor de forma digital a través de HART se eliminan estos dos pasos de conversión. Esto reduce la incertidumbre general en la ruta de la señal y ayuda a preservar la exactitud del transmisor, especialmente en aplicaciones de transferencia de custodia u otras situaciones en las que incluso errores muy pequeños en la señal de caudal pueden tener un impacto financiero.
El métod footprinting se aplica de la misma manera, independientemente de si la medición se toma de la salida analógica o de la salida digital HART. Sin embargo, cuando se utiliza la salida digital, el sistema de calibración también debe comparar la variable de proceso digital (PV) del transmisor con los valores objetivo correctos ajustados según el footprint. Una solución de calibración moderna puede gestionar esto automáticamente guiando al técnico, tanto si la lectura proviene de mA como de la PV (HART -variable digital-).
Brevemente, otras consideraciones:
Trazabilidad: Como siempre en la calibración, la trazabilidad metrológica formal de la calibración es imprescindible.
Exactitud: Dado que la exactitud es crítica en estas mediciones, la gran exactitud del equipo de calibración es innegociable.
Seguridad: Estas mediciones suelen realizarse en áreas peligrosas, por lo que el equipo de calibración debe ser adecuado para ese entorno.
Documentación: Las calibraciones deben ser documentadas y en lugar de hacerlo de la manera tradicional con papel y bolígrafo, se debe utilizar un software para la gestión de las calibraciones.
El footprinting no es solo un ejercicio de laboratorio; es un método práctico que ayuda a los profesionales de la calibración a lograr resultados con gran exactitud, fiables y trazables en condiciones de funcionamiento reales.
Al comprender cómo la presión estática (de línea) afecta a un transmisor de presión diferencial, los técnicos e ingenieros pueden garantizar que las calibraciones realizadas en condiciones atmosféricas siguen reflejando cómo se comporta el transmisor en el proceso. Esto es especialmente importante en aplicaciones como la medición de caudal en la industria del petróleo y gas, refino o generación de energía, donde incluso un pequeño error de medición puede tener consecuencias significativas.
La aplicación del método footprinting ayuda a:
Cuando se combina con herramientas de calibración digitales modernas, como las que conforman el ecosistema de Beamex, el footprinting se convierte en una parte sencilla y fiable del proceso de calibración. El técnico ya no tiene que realizar correcciones manuales ni adivinar las desviaciones: las calibraciones en campo y la del laboratorio se alinean perfectamente.
Recuerdo comentar este tema con los clientes hace un par de décadas y es interesante que el mismo reto siga siendo relevante hoy en día. La diferencia es que hoy tenemos las herramientas adecuadas para resolverlo. El footprinting puede parecer un pequeño detalle, pero para cualquier persona que trabaje con transmisores de presión diferencial a alta presión de línea, puede marcar una gran diferencia en la exactitud y la confianza de las mediciones.
Con el ecosistema de calibración de Beamex se puede aplicar el concepto footprinting de forma eficiente y totalmente trazable. El ecosistema Beamex combina herramientas de calibración con software de gestión de calibraciones, lo que te permite capturar, almacenar y utilizar información del footprint directamente en tu flujo de trabajo.
Los resultados del footprinting del laboratorio de calibración acreditada se pueden utilizar para programar una «función de transferencia personalizada» para cada transmisor de presión. Esta función guía al calibrador y al usuario en las desviaciones requeridas y los valores esperados durante la calibración.
En la práctica, esto significa que el técnico ya no tiene que comprobar manualmente una tabla de compensación en papel ni realizar cálculos. El calibrador avanzado de campo y comunicador Beamex MC6 o MC6-Ex (para áreas peligrosas) muestra lo que el transmisor debería leer en cada punto de calibración, teniendo en cuenta automáticamente la corrección del footprint. Por ejemplo, si el valor esperado a presión diferencial cero es 4 020 mA, el calibrador guía al usuario como corresponde y evalúa automáticamente el resultado.
El ecosistema de Beamex también garantiza que todo el proceso de calibración sea totalmente digital y trazable. Los datos del footprint, los resultados de calibración y las correcciones aplicadas se almacenan digitalmente en el calibrador-documentador, desde donde se transfieren los resultados al software de calibración. Esto garantiza la integridad de datos y ayuda a mantener la conformidad con los sistemas de calidad, las regulaciones y las auditorías.
Esta combinación de calibradores de gran exactitud, software inteligente y servicios proporcionados por expertos, facilita la aplicación del footprinting tanto en entornos de laboratorio como en campo, tanto si se trabaja en un laboratorio de calibración, una refinería o incluso en una plataforma offshore.
Si quieres optimizar tu calibración de presión o aprender cómo las herramientas y el software de calibración modernos pueden apoyar tu trabajo diario, nuestros especialistas están listos para ayudarte.
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