ABB – Medición no invasiva

Revista InTech México Automatización
Edición Abril – Junio 2019.


La mayoría de las mediciones realizadas en la industria de procesos son de temperatura y presión. Alrededor de la mitad de las mediciones de temperatura se utilizan con fines de monitoreo para garantizar la calidad del producto, aumentar la eficiencia del proceso y garantizar la seguridad de la planta. Prácticamente no hay procesos químicos en los que no se requiera la medición de temperatura. Los instrumentos de medición de temperatura convencionales adecuados están ampliamente disponibles y el costo de estos ha disminuido con el tiempo debido a los altos volúmenes, el progreso tecnológico y la competencia. Sin embargo, estos dispositivos son en su mayoría intrusivos en la naturaleza. El sensor de temperatura no invasivo, inalámbrico y autónomo de energía de ABB ahora está cambiando el frente de la detección de temperatura industrial, como se ha ilustrado en una instalación piloto reciente en la destilería de vodka de The Absolut Company en Suecia.


El auge del avance tecnológico en la medición de temperatura fue en el siglo XIX. Thomas Johann Seebeck (efecto termoeléctrico, 1820) y Carl Wihelm (termómetro de resistencia de platino, 1871) fueron dos de los pioneros más destacados. La actividad de ABB en medición de temperatura industrial data de 1881 cuando Wilhelm Siebert, fundió platino en la fábrica de cigarros de su familia en Hanau, Alemania y mecánicamente trabajó el material haciendo cables. Aunque sujeto a una mejora continua, el diseño inicial ha cambiado muy poco durante los años, muchos de los dispositivos de hoy están basados en estos descubrimientos tempranos. Un cambio en el sistema de medición de temperatura se introdujo en 1978 por ABB (Degussa en aquel momento) con la implementación de un transmisor electrónico dentro de la cabeza de conexión. → 1.

1 Primer transmisor para el montaje dentro de la cabeza del sensor (TR01)

Esto permitió que el circuito de medición y el elemento sensor se pudieran combinar incluso en entornos adversos, reduciendo la necesidad de los largos cables utilizados por el sensor, que son sensibles a las interferencias electromagnéticas lo que afecta la precisión del sensor e introduce señales de ruido.

Esta gran innovación allanó el camino para los detectores inteligentes distribuidos, que hoy entregan valores de medición estandarizados y lineales a un sistema de control central. [1]. A casi 40 años, ABB ha transformado el sensor de temperatura una vez más, haciéndolo autónomo mediante la introducción de comunicación inalámbrica, así como una fuente de alimentación de recolección de energía que alimenta el instrumento desde el gradiente de temperatura entre el proceso y su entorno desarrollando Energy Harvester → 2.


ABB ha transformado el sensor de temperatura una vez más, haciéndolo autónomo mediante la introducción de comunicación inalámbrica.


2 Primer instrumento autónomo de temperatura TSP331-W

ABB ha integrado estas dos tecnologías en la serie de instrumentos para la medición de temperatura del modelo TSP300-W una medición completamente autónoma. Esta innovación de ABB es un hito importante en la detección de temperatura y un facilitador usando la comunicación inalámbrica para la automatización de procesos teniendo información útil. Un defecto restante en la medición de temperatura industrial es el termopozo.

Termopozos

Los termopozos son elementos mecánicos que protegen el sensor de temperatura al insertarlo en el fluido de proceso para medir la temperatura, la inserción en el flujo caliente, químicamente agresivo, abrasivo o a presión en tuberías, calderas o recipientes. → 3. Sin embargo, el termopozo obstruye el flujo, produciendo una caída de presión, este fenómeno crea vórtices de baja presión aguas abajo del termopozo. → 4. Las causas del desprendimiento coincide con la frecuencia propia del ensamblaje, se produce resonancia y la tensión de flexión dinámica aumenta sustancialmente.

3 Los termopozos se utilizan normalmente en aplicaciones de petróleo y gas de servicio pesado

En términos de seguridad de la planta, el termopozo es la parte más crítica de un instrumento de temperatura: A altas velocidades y presiones de flujo, el termopozo se puede quebrar fácilmente si no están diseñados correctamente.

En consecuencia, las normas que han sido desarrolladas por organizaciones como ASME (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos) para ayudar a los ingenieros en la selección de diseños adecuados.

Sin embargo, para aplicaciones donde el estándar no es aplicable, el ingeniero es completamente responsable del diseño adecuado de la forma, longitud, diámetro, recubrimiento y tipo de interfaz. En conjunto, esto conduce a un número muy amplio de variantes resultando en un mayor costo, niveles de stock y esfuerzo logístico.


Además de los problemas de seguridad, un termopozo es una molestia para el proceso: reduce la zona efectiva de la sección transversal de la tubería y la caída de presión, lo que provoca un mayor consumo de energía en los sistemas de bombeo.


Además de los problemas de seguridad, un termopozo reduce la zona efectiva de la sección transversal de la tubería y produce caída de presión lo que provoca un mayor consumo de energía en los sistemas de bombeo. También constituye un obstáculo para la limpieza de tuberías en alimentos, bebidas y productos farmacéuticos. Las plantas son reacias a usar termopozo debido al mayor riesgo de contaminación. En instalaciones industriales existentes, la planta tiene que cerrar y vaciar las tuberías antes de proceder con la instalación de dispositivos intrusivos.

4 Derivado de vórtices alternos: los vórtices se producen en un lado del termopozo y luego en el otro. El efecto también se ve en una bandera ondeando en el viento.

El termopozo también tiene un efecto perjudicial en la propia medición, ya que introducen una caída de temperatura entre medio y el sensor, conocido como latencia (tiempo que pasa a partir de lanzar un estímulo y la aparición de una respuesta). Por último pero no menos importante, a menudo es la parte más difícil y costosa de instalar ya que frecuentemente requieren soldadura.

En 2010, en respuesta a algunos de estos retos, ASME actualizó su estándar básico para el cálculo del termopozo (2), resultando en el termopozo diseños más robustos con diámetros más grandes, materiales más fuertes y longitudes más cortas. Estos cambios únicamente complican las desventajas de medición mencionadas.

5 TSP341-W Medición de temperatura no invasiva

Métodos no invasivos

El termopozo se puede eliminar utilizando una medición de temperatura no invasiva. Los instrumentos no invasivos dejan las tuberías y los recipientes sin afectaciones, con muchas ventajas:

  • Las paredes de tuberías y recipientes no son penetradas.
  • No es necesario vaciar la tubería para su instalación.
  • No se requiere soldadura en sitio.
  • No se necesita un permiso especial para áreas peligrosas.
  • Se elimina la posibilidad de contaminación.

Estas ventajas tienen implicaciones considerables: los puntos de medición para temperatura, ahora son fáciles de instalar y por lo tanto, se pueden usar de forma temporal, por ejemplo, durante la configuración y prueba de un nuevo proceso o, si hay problemas en la producción, para el análisis de la causa raíz. Tan pronto como se haya llegado a una situación satisfactoria, el número de ubicaciones de medición se puede reducir a un valor a largo plazo económico y técnicamente adecuado.

¿Por qué no se han utilizado métodos no invasivos antes?

6 Resultado de elementos finitos para el campo de temperatura en una configuración típica antes de la optimización: 6a Dispositivo completo

Hay buenas razones por las que la tecnología no invasiva no ha sido utilizada en la mayoría de las mediciones de temperatura en las instalaciones hasta ahora. La forma más fácil de obtener una medición de temperatura no invasiva sería adjuntar un instrumento existente a la superficie de una tubería o recipiente en lugar de introducirlo en un termopozo. Sin embargo, el sensor de temperatura está más lejos del medio de proceso por lo que el tiempo de respuesta se vería afectado y las condiciones ambientales tendrían una mayor influencia en la medición.

Por lo tanto un buen instrumento de temperatura no invasiva debe tener un diseño apropiado de la vía térmica desde el proceso hasta el sensor, que incluye todos los materiales y todas las interfaces a través de las cuales se debe transferir el calor. También sería beneficioso si el instrumento existente (diseño térmico) se adaptara para que se ajuste, ya que esto reduciría significativamente el esfuerzo de desarrollo mantendría bajo el número de variantes y piezas adicionales, y facilitaría al cliente la familiaridad, la certificación y retención.

Un caso desafiante

6 Resultado de elementos finitos para el campo de temperatura en una configuración típica antes de la optimización: 6b Interfaz a la superficie de destino.

Se entregaron dos instrumentos autónomos de temperatura no invasiva [3], a The Absolut Company en Nöbbelöv, Suecia para que pudieran explorar las capacidades del dispositivo sin tener que interrumpir los procesos en su destilería de vodka → 5.

Para mantener el esfuerzo por parte de ABB, los adaptadores fueron fabricados para montar instrumentos existentes (diseño termopozo) con longitud de inserción ajustada a las tuberías.

Los sensores fueron fáciles de integrar en el sistema ABB Extended Automation System 800xA existente. La plataforma de automatización del sistema 800xA tiene un sistema integrado de gestión de dispositivos de campo.

Esto permite a los usuarios tener un solo sistema que cubre operaciones, ingeniería y administración de dispositivos de campo, incluidas funciones como la configuración del dispositivo y el monitoreo de condición.


Los termopozos se pueden eliminar utilizando una medición de temperatura no invasiva. Los instrumentos no invasivos dejan las tuberías y los recipientes sin afectaciones a sus estructuras.


Tal enfoque tiene ventajas significativas: Reducción de las horas de ingeniería, por ejemplo, ya que la solución completa, incluida la configuración del dispositivo de campo, está diseñada en un sistema con un flujo de trabajo de ingeniería común. Otra ventaja es la rápida puesta en servicio, ya que una sola persona puede realizar la comprobación completa de la señal. Una pantalla después de la instalación, los ingenieros de automatización de The Absolut Company informaron que la funcionalidad de recolección de energía, así como la comunicación inalámbrica, estaban funcionando bien.


Los sensores fueron fáciles de integrar en el sistema ABB Extended Automation System 800xA existente, que tiene un sistema de gestión de dispositivos de campo integrado.


Mejorando la medición

7 Búsqueda sistemática de parámetros de diseño relevantes: 7a El campo de temperatura se traza a lo largo de una trayectoria a través del dispositivo durante la medición.

Una serie de mediciones en The Absolut Company revelaron una imagen detallada de la térmica del proceso, en el sitio y alrededor del instrumento a la tubería. Después de determinar la causa de los problemas de medición, el diseño del adaptador se mejoró y se probó, también se modificaron inserciones de medición y materiales de interfaz térmica. En la configuración final, el error de medición se redujo a aproximadamente 1°K. El tiempo de respuesta se redujo en 75%, de manera que ambos parámetros de rendimiento fueron similares a los de un instrumento de temperatura invasivo.

Modelado

El modelado de la comprensión física del punto de medición y posterior modelado y simulación de la situación térmica, fueron importantes para llegar a un buen diseño. Se utilizaron simulaciones de elementos finitos y una amplia sintonización automática del modelo [4] para identificar los parámetros de diseño relevantes → 6. La geometría, los materiales y las propiedades de la interfaz podrían representarse efectivamente en los modelos → 7.

7 Búsqueda sistemática de parámetros de diseño relevantes: 7b Muestras de perfiles de temperatura en todo el dispositivo para varias iteraciones de diseño.

Además, era importante entender como la temperatura del sensor puede verse afectada por los detalles de la situación de medición, por ejemplo, por diferentes tipos de aislamiento o diferentes condiciones de flujo.

Y la comprensión de estas influencias se generó a través de cálculos de transferencia de calor conjugados en los que se modela un fluido caliente o frío que influye a lo largo de una tubería donde se monta el instrumento y/o donde se aplica un aislamiento axialmente homogéneo o espacialmente variable a la tubería. Los campos de temperatura típicos generados por estos cálculos se muestran en Fig. → 8.


Se utilizaron simulaciones de elementos finitos para identificar los parámetros de diseño relevantes.


Fácil instalación

8 La transferencia de calor conjugado se ha analizado en cosimulaciones de cálculos de elementos finitos y dinámicos de fluidos acoplados: 8a Distorsión del campo de temperatura en el caso de una tubería de transporte de fluido aliada localmente.

El adaptador de nuevo diseño ABB NiTemp se puede montar en una amplia variedad de diámetros de tubería; solo la longitud de las abrazaderas (bandas de acero simples) debe ajustarse, lo que reduce considerablemente, el número de variantes y aumenta la flexibilidad. La menor complejidad del diseño requiere menos mecanismos y permite una instalación más sencilla, lo que es especialmente beneficioso en lugares de difícil acceso.

La instalación no requiere calibración o parametrización extensa. Tras esta optimización, The Absolut Company instaló cuatro unidades TSP341-W y se confirmaron las mejoras previstas en la medición y el tiempo de respuesta.

Una nueva era en medición NITemp

Se confirmó la precisión y el tiempo de respuesta dando una nueva flexibilidad. Los medidores de temperatura no invasivos, inalámbricos y autónomos de la energía en una nueva era de flexibilidad. Con la medición de la temperatura y el trabajo de ingeniería en un Sistema 800xA DCS ahora más fácil, las aplicaciones que agregan un alto valor, pero que tradicionalmente han sido difíciles de justificar desde una perspectiva de costos, están ahora al alcance de la mano. Un buen ejemplo de tal aplicación es la instrumentación de corto plazo de los procesos durante los ejercicios de optimización y mejora continua o las iniciativas de eficiencia energética.

8 La transferencia de calor conjugado se ha analizado en cosimulaciones de cálculos de elementos finitos y dinámicos de fluidos acoplados: 8b Campo de temperatura en la estructura y campo de velocidad en el fluido para una situación de medición típica.

Otro ejemplo es suministrar el monitor de activos del intercambiador de calor del Sistema 800xA (HXAM) de ABB, una herramienta de monitoreo de condición que identifica los cambios en el rendimiento del intercambiador de calor y la degradación operativa, con las entradas de temperatura que requiere para garantizar una mayor eficiencia energética y reducidos costos de mantenimiento. En instalaciones grandes, el rendimiento mejorado del intercambiador de calor ofrece ahorro sustancial de energía. Solo las aplicaciones con gradientes espaciales o temporales extremos representan un desafío para el cierre completo de la brecha entre los rendimientos del sensor no invasivo y su contraparte invasiva, tanto en términos de precisión de medición como de tiempo de respuesta. Un paso lógico siguiente, una vez que se agoten las opciones termomecánicas, es utilizar algoritmos avanzados basados en modelos que puedan corregir la medición.

Artículo desarrollado por:

Tilo Merlin
ABB Process Automation, Measurement
and Analytics Frankfurt,
Germany tilo.merlin@de.abb.com

Andreas Decker
Jörg Gebhardt
ABB Corporate Research
Ladenburg, Germany
andreas.decker@de.abb.com
joerg.gebhardt@de.abb.com

Christian Johansson
ABB Process Automation, Control Technologies
Malmö, Sweden
christian.johansson@se.abb.com

Traducción al español

Eduardo Zurita
ABB Industrial Automation,
Measurement and Analytics
Ciudad de México, México
Eduardo.zurita-garcia@mx.abb.com

Referencias

[1] Industrial temperature measurement, basics and practice, Handbook for customers, ABB Automation Products, (2008). video
[2] Thermowells, ASME standard no. PTC 19.3 TW-2010.
[3] M. Ulrich et al., “Autonomous wireless sensors for process instrumentation,” in GMA / ITG – Fachtagung: Sensoren und Messsysteme 2012, Nuremberg.
[4] J. Gebhardt and K. König, “Model-based development for an energy-autonomous temperature sensor,” in VDI/VDE Mechatronik 2013, Aachen, Germany, 2013, pp. 177–181.
[5] NiTepm video https://www.youtube.com/watch?v=wx8Va-nhBcE

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