Diseño y estructura del sistema de pesaje de tanques de almacenamiento

Thread Content

1. Introducción: Al fabricar tanques equipados con sensores, es necesario tener en cuenta algunas reglas básicas importantes. Por ejemplo, los tanques de almacenamiento suelen tener que soportar las condiciones climáticas o los efectos relacionados con la producción. Al construir nuevos silos al aire libre (silos de almacenamiento, silos de carbón) que forman parte de un edificio, es necesario cumplir con las normativas de construcción. Desde el punto de vista de la legislación de construcción, la modificación posterior de los equipos de pesaje también puede considerarse un cambio importante. En esta situación, es recomendable consultar a un ingeniero de construcción, ya que la normativa de construcción define, en términos de seguridad, el “estado técnico” de los edificios. Por ejemplo, la carga por viento se asume en la parte cuatro de la norma alemana DIN 1055, relativa a las cargas en edificios. Los diseñadores y fabricantes de los tanques de almacenamiento también deben conocer las normas especiales, que a menudo son internas a la empresa. Si se almacenan sustancias peligrosas y se prevé su manipulación con carretillas elevadoras, los tanques en el techo también deben estar protegidos contra movimientos bruscos. 2. Distribución del peso: Solo se puede lograr la configuración óptima de sensores para determinar el peso del tanque cuando este está apoyado en tres puntos de soporte, y en cada uno de esos puntos se coloca un sensor. Esta situación se denomina determinación estática. Por lo tanto, la carga total debe distribuirse de la manera más uniforme posible entre los tres sensores. En el caso de tanques cilíndricos verticales o colgantes, las condiciones óptimas de distribución se cumplen cuando los tres sensores están a igual distancia del eje vertical del tanque y forman un ángulo de 120° entre sí en el plano. Para la disposición de los puntos de soporte en los tanques horizontales o verticales, consulte la Figura 1. Si en un equipo no se instalan sensores en todos los puntos de soporte, es más adecuado que la carga se distribuya de manera desigual. Los soportes con sensores deben ser capaces de soportar más carga que los soportes sin sensores. Con esta medida, se puede mejorar la precisión de los equipos de pesaje. Al diseñar los equipos y seleccionar los sensores, es necesario procurar que la carga aplicada sobre ellos sea lo más uniforme posible. Figura 1: Distribución de los puntos de soporte del tanque horizontal en A, B y C. Si el tanque cuenta con cuatro o más puntos de soporte, existe un exceso de grados de libertad estáticos. En esta aplicación, es necesario considerar sensores en todos los puntos de soporte. La distribución uniforme de la carga en un solo sensor solo se puede lograr mediante su instalación. Para lograr este objetivo, primero se mide por separado la carga del sensor. Si se observan diferencias significativas, es necesario ajustar la altura del sensor correspondiente (por ejemplo, rellenándolo con láminas metálicas). En principio, los sensores que tienen una carga demasiado baja deben instalarse uno frente al otro. 3. El centro de gravedad del tanque, cuando está completamente lleno, debe estar lo más abajo posible en relación con los puntos de soporte del mismo. Este requisito es a menudo difícil de cumplir en la práctica. Es favorable para la estabilidad del mecanismo cuando el centro de gravedad se encuentra por debajo del punto de soporte. La posición del centro de gravedad varía según la altura de llenado; esta posición tiene una influencia decisiva en la cantidad de sensores necesarios. Con un diseño de sensores en carga simétrica, y dado que el centro de gravedad se mueve a lo largo de una línea vertical, es posible fabricar dispositivos de pesaje con un solo sensor. Si, debido a cambios en el contenido del material a cargar, el centro de gravedad se desplaza lateralmente con respecto a la línea central, entonces todos los puntos de soporte deben estar equipados con sensores. La Figura 2 explica la necesidad de utilizar sensores en todos los puntos de soporte, a medida que cambia el centro de gravedad (en dirección lateral). Figura 2: Tanque con placa de salida inclinada; la posición del centro de gravedad varía según la cantidad de material almacenado. 4. Los tanques de almacenamiento, en cuanto a sus conexiones, suelen requerir la posibilidad de cargar y descargar otros elementos, como por ejemplo, el contenido del tanque, así como los dispositivos auxiliares electrónicos, hidráulicos o neumáticos asociados al tanque. La interfaz de carga y descarga del tanque puede generar fuerzas adicionales, lo que provoca errores en la precisión de las mediciones de la báscula. Por lo tanto, la interfaz debe ser flexible en la dirección vertical. Las figuras 3 a 7 muestran varios tipos de interfaces razonables; estos aspectos deben tenerse en cuenta durante la fase de planificación y en la etapa del proyecto. Al conectar tuberías rígidas con una conexión poco flexible, es razonable que el tanque esté conectado a una tubería horizontal lo más larga posible. Las tuberías horizontales son flexibles en la dirección vertical, y cuanto más largas son, más flexibles son. La tensión que genera sobre el sensor es, en consecuencia, bastante pequeña, por lo que no tiene importancia para la precisión de la medición. (Figura 3). Varios tubos de conexión flexibles pueden sustituir a los tubos horizontales largos (Figura 4); estos tubos se conectan mediante mangueras hechas de materiales elásticos y deformables, lo que evita la aparición de fuerzas adicionales. En este caso, es necesario verificar la aceptabilidad de los materiales elásticos para los productos que se almacenan en los recipientes, así como para los detergentes (como en la industria alimentaria y farmacéutica). Otra posibilidad para reducir las fuerzas adicionales es mediante el uso de tubos curvos (Figura 5). En los casos en que se requiere una conexión vertical entre los tubos, o cuando no es posible utilizar mangueras, una conexión fiable se logra mediante el uso de manguitos compensadores (Figura 6). Sin embargo, al instalar estos compensadores, es necesario mantener una deformación muy pequeña. Si se utiliza un segundo manguito, este, al estar conectado al primero a través de un tubo, permite una mayor cantidad de deformación. Consejo: En algunos lugares que requieren una limpieza especial (como la industria alimentaria), no se permiten los manguitos ondulados. La conexión abierta mostrada en la Figura 7, que consiste en tubos cortos con extremos abiertos, resulta óptima para reducir las fuerzas adicionales. Los conectores abiertos evitan el contacto entre los tubos y los tanques, pero esta solución no puede utilizarse en sistemas cerrados (como los recipientes a presión). Consejo: Es necesario prestar atención constantemente al material que se encuentra en las tuberías conectadas a la balanza. Las tuberías de entrada y salida que están conectadas directamente al tanque de almacenamiento deben mantener un peso constante durante el proceso de pesaje. En otras palabras, las tuberías o bien están vacías, o bien siempre están llenas. Figura 3: Conexión mediante tubos horizontales largos.
Figura 4: Conexión mediante tubos elásticos.
Figura 5: Tubos en forma de arco.
Figura 6: Conexión de compensación mediante tubos ondulados.
Figura 7: Tubos cortos abiertos para el transporte de mercancías.
5. La carga de presión en los equipos cerrados afecta los resultados de la medición de la presión del sistema. Esto es especialmente importante en la industria química, donde los procesos de reacción requieren altas presiones. Por otro lado, los equipos de aspiración generan una presión negativa de entre 100 y 300 milibares sobre las partículas de polvo. Cuando los tubos están conectados verticalmente dentro del recipiente, como se muestra en las figuras 5 y 6, existe una fuerza adicional que actúa directamente sobre la medición. Su influencia corresponde al producto de la presión y de la sección transversal del tubo; cuando la presión permanece estable durante el proceso de medición, esta contribución puede tenerse en cuenta o calcularse en ese momento. Las tuberías de conexión horizontales son ventajosas, por lo que se prefieren sobre las tuberías verticales; en este caso, las fuerzas adicionales correspondientes son absorbidas por los accesorios de instalación. 6.1 Algunas formas típicas de instalación de sensores. En esta sección, se muestran mediante diagramas algunas estructuras típicas de tanques. Los detalles estructurales relacionados con los problemas específicos que surgen se explicarán en las secciones correspondientes. 6.1 En los tanques de llenado verticales, para sustancias homogéneas como líquidos o mercancías a granel, es posible utilizar una configuración con dos bases fijas y un sensor. La condición es que la estructura de la capacidad sea simétrica, y que la línea de centro de gravedad del material cargado se encuentre, aproximadamente, en una línea vertical durante todo el proceso de carga. En otros casos, especialmente cuando se requiere una mayor precisión, es necesario contar con tres o más sensores. 6.1.1 La instalación rígida del sensor: Se recomienda generalmente no utilizar esta estructura de instalación rígida del sensor sobre la estructura que soporta el peso. Dicha estructura no permite que el sensor evite los errores de medición causados por cambios en las condiciones de carga, vibraciones o variaciones de temperatura. 6.1.2 Recipiente vertical equipado con dos soportes y un sensor. Este sistema de medición utiliza un sensor de tipo péndulo y dos soportes fijos, los cuales también sirven para mantener firme al recipiente vertical. Esta estructura de bajo costo permite evitar ciertos errores en las mediciones. Figura 8: Tanque vertical con estructura rígida que incluye un sensor. Figura 9: Tanque vertical con dos soportes fijos y un sensor. 6.1.3 Tanques verticales apoyados en tres o cuatro sensores. Para determinar con precisión el nivel de llenado, se suelen utilizar tres sensores como elementos de medición. Sin embargo, también existe la posibilidad de utilizar una configuración de cuatro puntos en estructuras simétricas en ángulo recto. Aunque esta configuración no es la óptima desde el punto de vista de las libertades de movimiento y del costo, es fácil de concebir por parte de los diseñadores. Aunque los soportes elásticos de doble columna no necesitan barras guía, la mayoría requiere combinarse con limitadores fijos. En los tanques verticales de gran altura, se requiere instalar barras guía adicionales en la parte superior; en la ilustración, las barras cilíndricas están prensadas con una fuerza de preensado menor. En esta posición, el bastón fijo puede tocar el tanque vertical con solo un pequeño desalineamiento inevitable, lo que genera una fuerza adicional debido a la fricción del contacto. Por lo general, no se recomienda el uso de topes deslizantes o guías de cuerda en este lugar. Figura 10: Tanque vertical de mayor altura. Figura 11: Tanque vertical sobre una base. 6.1.4 Uso de tres módulos de pesaje diferentes para el tanque vertical. Los ejes guía de estos tres módulos están alineados con el borde exterior de la estructura, lo que permite que el tanque se mantenga estable en posición horizontal, sin necesidad de medidas adicionales. También cuenta con protección contra el levantamiento, que evita que el tanque se vuelque. De este modo, en las construcciones al aire libre no se necesitan muchos detalles estructurales; esta ilustración muestra los módulos de pesaje para cargas pequeñas, medianas y grandes. El uso de módulos de pesaje estándar puede simplificar la estructura y ahorrar considerablemente en sus costos, pero es necesario tener en cuenta detalles como la paralelidad de las superficies de soporte y la alineación en altura. 6.1.5 En la práctica, al utilizar módulos de pesaje con tanques verticales con bordes, se observa que la carcasa del tanque vertical circular generalmente llega hasta la parte inferior, a fin de garantizar la estabilidad de toda la estructura. En estos casos, es necesario utilizar un método de instalación especial para colocar correctamente los sensores. La Figura 12 muestra el principio de funcionamiento de esta estructura, en la cual se utilizan sensores para medir la carga. De esta manera, el peso es transferido al sensor. Por supuesto, el módulo de pesaje también cuenta con protección contra levantamientos (en la Figura 12 no se muestra para mayor claridad). Incluso un pequeño levantamiento de la estructura es suficiente para que todo el peso llegue al sensor. Por lo tanto, en esta estructura se necesita un anillo de sellado circular para lograr el sellado; este anillo es muy blando y no es lo suficientemente resistente como para generar fuerza adicional. Figura 12: Configuración del módulo de pesaje para tanques verticales con borde. 6.1.6 El compartimento rectangular de la estación de carga, equipado con cuatro sensores, está sujeto a vibraciones provenientes de los mecanismos de transporte y de los equipos de carga y descarga. Además, cuando el compartimento de pesaje forma parte de un equipo móvil, la aceleración puede hacer que dicho compartimento sea muy inestable. Esto sin contar las enormes fuerzas laterales que se generan cuando se vierten grandes cantidades de material en el compartimento, debido a la caída sobre sus superficies inclinadas. En esta situación, es especialmente necesario considerar de antemano la fijación estable del vástago de precarga. A veces, cuando no es necesario pesar, el recipiente de la báscula se mantiene fijo, y solo es libre durante el proceso de pesaje. La estructura simétrica en ángulo recto es muy favorable para la estabilidad, por lo que también se emplea en la instalación de la mayoría de los sensores. Al mismo tiempo, los sensores suelen contar con un soporte elástico, como en el caso de los sensores de tipo péndulo. 6.2 Tanques de pesaje suspendidos. Los tanques de pesaje suspendidos suelen utilizar mecanismos flexibles en forma de barras redondas para eliminar o reducir los problemas relacionados con el ajuste automático de la posición y con la regulación de la altura. Además de la protección contra caídas, que se solicita con frecuencia, son necesarios los guías para evitar el balanceo y la rotación. 6.2.1 En general, los tanques de pesaje suspendidos que cuentan con dos o tres sensores requieren una estructura más simple; por lo tanto, se necesitan más guías tangenciales. Cuando la carga es baja, las tuberías situadas en la parte inferior pueden encargarse de soportar esa carga. Figura 14: Tanque suspendido sobre dos o tres sensores. 6.2.2 Estructura con un solo sensor en el centro. En esta estructura, es necesario contar con medidas de protección contra los movimientos laterales y de rotación. Figura 15: Tanque de pesaje 6.3 colgado en un sensor. En la mayoría de los casos, el movimiento del punto de centro de gravedad del líquido está relacionado de manera lineal con la altura de carga. Por lo tanto, instalando un sensor debajo de un soporte y bases fijas debajo de los otros dos soportes, se puede satisfacer la medición en situaciones de carga relativamente simples. Un tanque horizontal idealizado distribuiría el peso de manera equitativa entre un sensor de tipo doble columna oscilante y dos soportes fijos; en condiciones normales, no son necesarios otros soportes fijos. En el caso de tanques horizontales muy largos, se debe contar con protecciones adicionales para evitar que los sensores sean derribados por fuerzas laterales; por ejemplo, se pueden utilizar elementos mecánicos de sujeción para limitar los dos extremos del tanque. Consejo: En la práctica, la simetría de la distribución suele verse afectada por una ligera inclinación en el lado de la salida del líquido. Para tareas de pesaje preciso, es óptimo utilizar tres sensores de tipo balancín doble; para fijarlos horizontalmente, lo mejor es emplear paneles de sujeción. Figura 16: Tanque horizontal con sensor C16 (esquema)