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septiembre 24, 2020
Especiales Generación Eléctrica

Avances en la Tecnología de Medición de Flujo

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Las tendencias que involucran medición de flujo en medidores diminutos, flujómetros especializados; diagnósticos avanzados y comunicaciones mejoradas. Los flujómetros son cada vez más inteligentes, más pequeños y más especializados.

Varias de las tendencias en la tecnología de caudalímetro en 2019 son simplemente expansiones, actualizaciones y refinamientos de la tecnología existente; pero hay dos tendencias en particular que están convirtiendo la industria del flujómetro: avances en diagnósticos y verificación de sensor-transmisor; y la adopción de tecnología similar a un teléfono inteligente para mejorar el acceso, las comunicaciones y en un futuro no muy lejano las pantallas del flujómetro. En este artículo, veremos las tendencias que involucran medidores de flujo diminutos, flujómetros especializados; diagnósticos avanzados, comunicaciones mejoradas entre flujómetros y Enterprise. Además de la inminente tendencia hacia la incorporación de la tecnología de teléfonos inteligentes como herramienta de acceso y configuración a los flujómetros.

Medidores de flujo diminutos con altas capacidades

Algunos flujómetros se han ido haciendo más pequeños a lo largo de los años. En cualquier búsqueda web, se demuestran docenas de cientos de medidores de flujo compactos, pequeños y relativamente baratos. Los flujómetros electromagnéticos (magmeters) probablemente lideran la tendencia hacia la miniaturización; principalmente porque el tamaño del elemento de flujo sólo necesita ser apenas más grande que la tubería o tubo transporte del líquido conductor. Los pequeños medidores magnéticos ahora están disponibles para tamaños de tubería tan pequeños como 0,5 pulgadas (Figura 1).

Figura 1: Los pequeños medidores electromagnéticos de flujo de líquidos de Endress+Hauser contienen el sensor y transmisor en el mismo encapsulado.

Estos pequeños medidores de flujo son ideales para su uso en patines de proceso; donde el espacio a menudo es limitado, o en lugares de difícil acceso.  

Aunque son pequeños, estos medidores de flujo tienen amplias capacidades. El Picomag, por ejemplo, tiene salidas electrónicas de 4-20mA, pulso; interruptor y de 2-10V y además su conectividad de comunicaciones digitales IO-Link proporciona una integración flexible en sistemas de automatización más robustos.  Este medidor ultra compacto cuenta con interfaz inalámbrica Bluetooth que proporciona acceso directo a los datos de proceso; diagnósticos y permite al usuario configurar el dispositivo de medición sobre la marcha. El dispositivo puede ser operado y configurado a través de dispositivos Android o iOS con una aplicación gratuita de Endress + Hauser llamada SmartBlue. Para 2020 y más allá, será interesante hallar la tendencia de miniaturización en pleno desarrollo la cual continuará expandiéndose en otras tecnologías de medición también.

Al igual que la mayoría de las tecnologías de medición de flujo, los magnéticos proporcionan una medición de flujo volumétrico. Pero muchas aplicaciones requieren medición de flujo de masa, un área donde los flujómetros Coriolis sobresalen.

Medición del flujo de masa

Grandview Research (Ref.) dice: «El segmento magnético tiene la mayor participación en el mercado. Sin embargo, se espera que los ultrasónicos y Coriolis registren el CAGR más alto durante el período próximo debido a los avances en tecnología que hacen que los medidores de flujo ultrasónicos y Coriolis sean altamente confiables y precisos.»

Grandview proyecta que el uso de los Flujómetros Coriolis aumentará significativamente durante el próximo período. «Se prevé que la adopción generalizada de los medidores de flujo Coriolis en los sectores de petróleo y gas, productos químicos y refinerías influya positivamente en el mercado», dicen. 

Una de las principales razones de este aumento es la capacidad de estos equipos para medir el flujo de masa. Esta capacidad solía venir con una prima de precio sustancial; pero la diferencia de precio entre los flujómetros de masa y los flujómetros volumétricos está cayendo, estimulando su uso. 

Los flujómetros ultrasónicos son de no-contacto, y pueden ser utilizados en tamaños de tubería más grandes. En el pasado, los medidores de flujo Coriolis se utilizaban principalmente en tamaños de línea más pequeños; pero es una tendencia también encontrarlos en tamaños más grandes. Varias empresas ofrecen medidores de flujo Coriolis en tamaños de tubería de más de 14 pulgadas; lo que los hace más adecuados para su uso en aplicaciones de carga y descarga de buques.  Para 2020, se espera una continua incursión de los medidores Coriolis en el mercado global de flujo. Además, los usuarios están reconociendo que los medidores Coriolis tienen una gran cantidad de capacidades avanzadas más allá de la medición básica. Por ejemplo, la mayoría de los medidores Coriolis miden no sólo el caudal de masa, sino también la densidad; la temperatura y algunos incluso miden la viscosidad de forma directa.

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Estos parámetros cualitativos abren un mundo de posibilidades para los usuarios, y estamos viendo una tendencia creciente de ver los medidores Coriolis como analizadores de procesos. Por ejemplo, en la industria del petróleo y el gas, los medidores Coriolis pueden ofrecer una variedad de valores; como la corrección de volumen y densidad referenciada en tablas API, así como la medición de aceite neto y corte de agua.  En la industria de alimentos y bebidas; estas mismas mediciones de densidady y temperatura se pueden utilizar para derivar Brix, Proof, o % de concentración de mezclas binarias entre muchas otras posibilidades.

Por lo tanto, si bien la reducción del precio entre Coriolis y las tecnologías de medición de flujo volumétrico es sin duda una consideración, son la precisión adicional y la multi-variabilidad lo que inclina las balanzas a favor de los medidores Coriolis para muchos usuarios.

Flujómetros especializados

En los viejos tiempos, los ingenieros de instrumentos a veces tenían que «hacer» con los medidores de flujo estándar. Cuando una aplicación era particularmente difícil (abrasiva, caliente, fría, ácida o poco amigable hacia los flujómetros convencionales), los ingenieros especificaban materiales como: acero inoxidable, cerámica u otros revestimientos para los medidores de flujo y esperaban lo mejor. Esto a veces conducía a fallas prematuras. Hoy en día, la disponibilidad de materiales exóticos como Tántalo, Hastelloy C, Monel; Inconel y una serie de aleaciones especiales hace posible fabricar un medidor de flujo que puede manejar casi cualquier fluido o gas.

Además, los fabricantes de medidores de flujo están más que dispuestos a diseñar y construir dispositivos para satisfacer las necesidades de industrias específicas. Complicando la situación existen regulaciones interminables y cambiantes de agencias como FDA, EU; AGA, EPA y docenas de otros que piden instrumentación para cumplir con varias especificaciones. Por ejemplo, un medidor de flujo higiénico puede tener que cumplir con los estándares ASME BPE; EHEDG y 3A, y proporcionar cumplimiento completo de GMP para procesos estériles; al mismo tiempo, soportar limpieza CIP o esterilización SIP en sitio o lavados con agua a alta presión. Esto sin duda requiere un flujómetro especializado (Figura 2).

Figura 2: La línea Proline de Endress+Hauser con Transmisor 300 para Coriolis esta especializada en el uso de aplicaciones higiénicas.

Mientras que el mundo de la instrumentación siempre ha tenido medidores de flujo especializados, la tendencia es que los fabricantes están produciendo más dispositivos para cumplir con las nuevas regulaciones; resolver nuevos problemas de aplicación y proporcionar medidores de flujo más compactos  para nichos de mercado más pequeños. Gracias a las técnicas de fabricación mejoradas, la impresión 3D por láser, el modelado y la simulación por ordenador y la microelectrónica avanzada, los fabricantes ahora pueden producir flujómetros especializados mucho más rápido que antes; permitiéndoles dominar rápidamente un mercado.c

Medidores de flujo inteligentes se vuelen cada día más inteligentes

Los llamados «medidores de flujo inteligentes» han estado en uso durante décadas, pero se están volviendo mucho más inteligentes en estos días; y ahora son capaces de autodiagnóstico y autoverificación sin sistemas adicionales. El autodiagnóstico significa que el medidor de flujo es capaz de detectar cuando tiene un problema mediante el monitoreo continuo de los parámetros internos relevantes relacionados con su mecánica; componentes electromecánicos y electrónicos.

Normalmente, un modo de fallo, análisis de diagnóstico y efecto son utilizados durante la fase de diseño del medidor para identificar componentes críticos en la cadena de señal; comenzando por la parte censora en contacto con el fluido de procesos; seguido por los componentes electromecánicos, tarjeta amplificadora, módulos electrónicos principales y señales de salida. A continuación, se asigna un margen de seguridad adecuado a cada ruta o componente crítico.

El firmware en el transmisor monitorea continuamente toda la cadena de señal en busca de desviaciones. Por ejemplo, si los diagnósticos detectan un error, la tecnología Heartbeat de Endress+Hauser envía un mensaje de evento que se ajusta a la recomendación NE 107 de NAMUR.  El evento se muestra en el panel frontal del flujómetro y se puede enviar como un mensaje a través de un enlace de comunicación digital al sistema de automatización.

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El mensaje también incluye sugerencias de solución de problemas e instrucciones correctivas. Hoy en día, es posible diseñar flujómetros con una cobertura de autodiagnóstico del 94% o superior (según IEC 61508), y tasas muy bajas de fallas no detectadas. Muchos, pero no todos los fabricantes de medidores de flujo emplean un tipo similar de autodiagnóstico en estos días, pero una nueva tendencia es hacia la autoverificación.

Dependiendo de la industria, los flujómetros deben calibrarse periódicamente. Por ejemplo, la industria química tiene requisitos para las pruebas según IEC 61508 e IEC 61511, mientras que la industria del petróleo y el gas debe adherirse a acuerdos contractuales entre el comprador y   el vendedor y cumplir con los mandatos de la agencia gubernamental.

Pero ¿por qué quitar un caudalímetro y llevarlo a un laboratorio para su calibración si no lo necesita? Aquí entra la autoverificación. Una autoverificación se realiza bajo el comando del sistema de automatización o en el propio instrumento. Durante la autoverificación, los diagnósticos realizan comprobaciones y, a continuación, se genera un informe en formato no editable el cual se puede utilizar para comprobar que el dispositivo sigue funcionando correctamente, dentro de las especificaciones establecidas por el fabricante.

Por ejemplo, la tecnología Heartbeat de Endress+Hauser cumple plenamente con los requisitos para la verificación trazable según DIN EN ISO  9001:2008, Sección 7.6a, «Control de supervisión y medición de equipos.»

La autoverificación es una tendencia que se expandirá en 2020, porque ahorra tiempo y dinero. Realizar la autoverificación en un caudalímetro puede extender los ciclos de calibración en un factor de 10 o superior. En algunos casos, incluso puede ser posible reemplazar las calibraciones húmedas completamente con la autoverificación.

Flujómetros con más recursos utilizables

En los viejos tiempos, los medidores de flujo se conectaban a un sistema de automatización a través de un sistema simple pero limitado que implicaba cables de 4-20 mA encerrados en conductos y/o colocados en una bandeja de cables. En el sistema de automatización, la señal única de variable de proceso de flujo se utilizaba para el control y monitoreo de una unidad o un proceso.

La tendencia actual es utilizar en su lugar un enlace de datos digitales para enviar no sólo la variable de proceso de flujo a un sistema de automatización, sino también muchos otros puntos de datos relacionados con otras variables, diagnósticos, calibración, etc. HART, FOUNDATION Fieldbus y PROFIBUS PA/DP han estado disponibles durante muchos años, pero ahora estamos viendo un crecimiento en protocolos Ethernet industriales como EtherNet/IP y PROFINET. Los protocolos de transmisión inalámbrica, como ISA100 y WirelessHART, también están disponibles con algunos tipos de flujómetros. Para equipos no disponibles con comunicaciones inalámbricas, los adaptadores están disponibles para convertir una salida de 4-20 mA o HART a WirelessHART. 

Con la microelectrónica moderna, los medidores de flujo de hoy en día ofrecen muchas opciones de comunicación (Figura 3).

Figura 3: La familia Proline 300/500 de Endress+Hauser son instrumentos de medición de flujo los cuales ofrecen interfaces de comunicación estándar y con LAN,  WLAN y capacidades de servidor web se conectan directamente a la red Enterprise (Ethernet), redes administrativos y de procesos.

Por ejemplo, el Endress+Hauser Proline 300/500 Coriolis y los flujómetros electromagnéticos vienen con interfaces 4 – 20mA HART, PROFIBUS PA, FOUNDATION Fieldbus, Modbus, EtherNet/IP o PROFINET, así como las capacidades recientemente agregadas del servidor Web, WLAN y LAN. Las nuevas interfaces para redes permiten a un cliente acceder al dispositivo desde cualquier lugar de la planta, o en cualquier parte del mundo, dependiendo de cómo se haya configurado la red.

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Un avance reciente es la incorporación de nuevos protocolos para facilitar la conexión a la red empresarial.

Por ejemplo, los medidores de flujo Proline 300/500 tiene un paquete de aplicación OPC-UA Server integrado en el transmisor que permite que el dispositivo se comunique con un cliente OPC-UA e integre aplicaciones de Internet de las cosas (IIoT). Esto se logra a través de la conexión en red del caudalímetro vía LAN o red inalámbrica (WLAN).

Esto permite que el DCS o PLC se dedique a la función de control, mientras que esta ruta adicional de comunicación se puede dedicar a fines de diagnóstico, monitoreo y/o informes. Lo que todo esto significa es que los medidores de flujo ahora pueden afinar el procedimiento una vez complejo de obtener información de flujo y estado a SCADA, CMMS, ERP y otras redes de «nivel empresarial». Con estas nuevas capacidades de comunicación, el software puede acceder fácilmente a los datos que necesita directamente desde el dispositivo. Para 2020, la tendencia será que cada vez más flujómetros que ofrezcan conexión directa a la red empresarial.

Capacidades inalámbricas

La tecnología móvil también labrando su camino en medidores de flujo. Como hemos visto, los medidores de flujo de hoy en día ya pueden tener capacidades inalámbricas, Bluetooth y Webserver, lo que significa que a estos se pueden acceder, sondear, configurar y diagnosticar a través de smartphones, tabletas y dispositivos portátiles.

Todo esto ya se puede evidenciar en el Picomag (Medidor de flujo ultra compacto), el cual se introdujo anteriormente en este artículo. Este cuenta con una pantalla de rotación automática que se orienta en función de la instalación del medidor. 

Figura 4: WLAN, Bluetooth e interfaces Webserver permite a los técnicos de planta monitorear, diagnosticar y configurar los instrumentos desde su teléfono móvil o Tablet.

En el futuro, es probable que expandamos la incursión de la tecnología de teléfonos inteligentes. Por ejemplo, muchas pantallas hoy en día cuentan con «botones» ópticos o infrarrojos para que el usuario de mantenimiento pueda interactuar con los dispositivos a través de la cubierta. Esto permite el funcionamiento en áreas peligrosas y asegura que la carcasa permanezca sellada e impermeable a fenómenos ambientales como la humedad y la lluvia. En lo sucesivo continuaremos viendo una interacción mejorada con medidores de flujo lo cual refleja más de cerca la forma en que interactuamos con dispositivos móviles como teléfonos inteligentes y tabletas.  

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