Nivel por Presión Hidrostática en Tanques Abiertos.

La presión ejercida por un líquido sobre una superficie se determina por su densidad, altura y la constante gravitacional (9.807 m/s²). La densidad es la masa por unidad de volumen del líquido, generando una presión hidrostática debido a su peso sobre la superficie. Un aumento en la densidad incrementa la masa en la columna líquida y, por ende, la presión. La altura de la columna indica la distancia vertical desde la superficie hasta el fondo, y su aumento eleva la presión al incrementar la distancia vertical sobre la superficie donde el peso del líquido actúa.

En consecuencia, la presión se define por la densidad y altura del líquido, crucial en mediciones con transmisores de presión y presión diferencial para niveles u otras variables. La densidad se puede medir en:

• Kilogramos por metro cúbico (kg/m³)

• Gramos por centímetro cúbico (g/cm³)

• Libras por pulgada cúbica (lb/in³)

• Libras por pie cúbico (lb/ft³)

Siendo kg/m³ la más usada en el Sistema Internacional de Unidades (SI), aunque en contextos como la industria petrolera suelen usar lb/ft³.

En el contexto de la altura, se utiliza la unidad de medida en metros al aplicar la ecuación de la presión hidrostática:

P = ρ * g * h

Donde:

• P es la presión en el punto dentro del líquido. (Pa=pascales)

• ρ es la densidad del líquido. (kg/m³)

• g es la aceleración debida a la gravedad. (9.807 m/s²)

• h es la altura de la columna de líquido sobre el punto. (metros)

De igual manera podemos hallar la altura del líquido despejando la ecuación:

 

h = P / (ρ * g)

 Es importante tener en cuenta que la ecuación presentada es válida bajo ciertas condiciones. Para obtener resultados precisos, es necesario considerar los siguientes aspectos:

1.   Densidad constante: La ecuación asume una densidad constante del líquido. Si esta varía debido a mezclas o inyecciones, se deben ajustar los cálculos para considerar estos cambios.

2.   Presión atmosférica: La ecuación no considera el efecto de la presión atmosférica sobre la presión del líquido. En aplicaciones donde la presión atmosférica es relevante, se debe incorporar en los cálculos para mayor precisión.

3.   Emulsión y propiedades alteradas: Si el líquido forma una emulsión o si se añaden otros líquidos que alteran sus propiedades (como viscosidad o densidad), la ecuación no reflejará con exactitud la presión. Se requiere un análisis detallado y ajustes para considerar estas variaciones.

4.   Temperatura: Las fluctuaciones de temperatura afectan la densidad del líquido. Si la temperatura cambia, es crucial considerar su influencia y ajustar los cálculos en consecuencia para resultados precisos.

Desde este punto nos adentramos a la aplicación de los anteriores conceptos básicos de física en el campo del instrumentista. Abordemos el siguiente ejemplo:

Densidad del Agua: 1000 kg/m³ Gravedad: 9.807 m/s² Altura del líquido: 6 m Presión: ¿?
Para hallar Presión	Para hallar el nivel
P = ρ * g * h Sustituimos los valores a la ecuación: P = 1000 kg/m³ * 9,807 m/s² * 6 m P = 58,842 Pascales = 236.46inH2O = 8.53 PSI = 6.0mH2O	h = P / (ρ * g)   Tenemos en cuenta la presión que ejerce la columna, sustituyendo los valores: h = 58,842 Pa / (1000 kg/m³ * 9.807 m/s²) h = 6.0 metros

¡TODAVÍA HAY UNA MANERA MÁS FÁCIL PARA CALCULAR NIVEL O PRESIÓN HIDROSTÁTICA!

Para ello debemos hacer uso de las unidades de presión que se definen como la presión ejercida por una columna de agua tales como inH20, mmH2O, mH2O, cmH2O etc.… Siendo inH2O la unidad mas usada. De igual manera debemos tener en cuenta la gravedad especifica (SG) del líquido o producto a medir. ¿Qué es eso?

La gravedad específica compara la densidad de un material con la del agua. Se calcula dividiendo la densidad del material entre la del agua. Si es más de 1, el material es más denso; si es menos, flota.

Ejemplo: Supongamos que tenemos un crudo con una densidad de 850 kg/m³ y estamos utilizando la densidad del agua estándar a 20°C, que es 1000 kg/m³. La fórmula para calcular la gravedad específica es:

Gravedad Específica = Densidad del Crudo / Densidad del Agua

Gravedad Específica = 850 kg/m³ / 1000 kg/m³ = 0.85

Por lo tanto, la gravedad específica del crudo en este ejemplo sería 0.85. Esto significa que el crudo es menos denso que el agua y tendría la tendencia a flotar en agua.

Ahora, utilicemos estas variables en el ejemplo Anterior del tanque de Agua abierto. Siguiendo la fórmula de la gravedad específica, llegamos a la conclusión de que el agua tiene una gravedad específica (SG) de 1. Multiplicando este valor por la altura de la columna de agua (6 metros), obtenemos la presión que esta columna de agua ejerce en metros de agua (6 mH2O).

• Para hallar presión: (P = h * SG)
• Para hallar Nivel: (h = P / SG)

Otro Ejemplo: Esta vez con crudo comparando los dos métodos 

PRIMER MÉTODO	SEGUNDO MÉTODO
Densidad del Crudo: 850 kg/m³ Gravedad: 9.807 m/s² Altura del líquido: 6 m Presión: ¿?	Gravedad Especifica del Crudo: 0.85 Altura del líquido: 6 m Presión: ¿?
Para hallar Presión
P = ρ * g * h P = 850 kg/m³ * 9.807 m/s² * 6m P = 50,015.7 Pascales Realizando la conversión tenemos: P = 5.1003 mH2O P = 200.79 inH2O	P = h * SG P = 6m * 0.85 P = 6m * 0.85 P= 5.1 mH2O
Para hallar Nivel
h = P / (ρ * g) h = 50,015.7pa / (850 kg/m³ * 9.807 m/s²) h = 6m	h = P / SG h = 5.1 mH2O / 0.85 h = 6m

En conclusión, solo es multiplicar cualquiera de las unidades de presión basadas en columna de agua por la gravedad especifica del producto y ¡listo!  hallamos la presión que ejerce dicha columna y si despejamos, hallamos su altura. De esta manera nos ahorramos el proceso de conversión de unidades. 

Las dos formulas son totalmente aceptables para calcular presión y nivel, sin embargo el uso de la gravedad especifica dentro de estos cálculos nos facilitara en mayor medida realizar el calculo de nivel y presión en tanques abiertos y cerrados, a su vez facilita la configuración o asignación del rango de nivel para los transmisores de nivel por presión diferencial.

TRANSMISOR DE PRESIÓN PARA MEDIR NIVEL.

Recuerde que un solo PIT (Transmisor Indicador de Presión) pueden medir nivel de manera indirecta (a través de la presión) pero única y exclusivamente en Tanques Abiertos. Para este tipo de aplicación podemos hacer uso de un transmisor de presión sencillo, bridado o con manifold, tal como muestra las siguientes imágenes:

Transmisor bridado	Transmisor con Manifold

Antes de implementar un transmisor de presión para medir el nivel en un tanque, es crucial evaluar cuidadosamente las condiciones del proceso. Esto implica determinar tanto el nivel máximo de operación del equipo a integrar en otras palabras la (URV) del transmisor. La consideración del producto almacenado, incluyendo su densidad y la altura en función de las condiciones del proceso, es esencial. Además, es necesario determinar si el tanque se encuentra en un ambiente abierto; en caso contrario, la instalación de un Transmisor de Presión para medición de nivel (PIT) no será viable, lo que podría llevar a considerar alternativas como un Transmisor Indicador de Presión Diferencial (PDIT). 

No obstante, este último tema merece un análisis detenido, y si desea profundizar, le recomendamos consultar la sección titulada "Nivel por Presión Hidrostática en TanquesCerrados".

Adicionalmente, es relevante destacar que el rango de operación de un transmisor de nivel por presión comienza desde el punto de instalación de la cámara o sello remoto, y no desde el fondo del tanque. Este detalle puede considerarse una limitación en algunos casos.

En lo que respecta al transmisor de presión, independientemente del protocolo de comunicación que utilice, ofrece una amplia variedad de configuraciones. Para adaptarlo al tanque, es suficiente ajustar el rango (con los valores máximo y mínimo del rango conocidos como LRV y URV, respectivamente). De igual importancia es definir la variable de nivel escalada (SV). No olvidemos que estamos tratando con un transmisor de presión, no uno de nivel. Por lo tanto, es crucial calcular la relación lineal entre estas dos variables para obtener una medida precisa de nivel.

Recuerde que la relación entre Presión, Nivel y la señal de 4 a 20mA es lineal.

Si desea saber cómo escalizar de manera lineal dos variables de proceso le recomendamos consultar la sección titulada: “Escalizacion Lineal de Variablesde Proceso”

Para mas información les recomiendo Ver el siguiente video: