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May 30, 2023

La tecnología de instrumentos de presión debe soportar entornos hostiles

El Endress+Hauser Deltapilot FMB70 es un sensor de presión de alto rendimiento con un

El Deltapilot FMB70 de Endress+Hauser es un sensor de presión de alto rendimiento con una celda Contite para la medición de nivel hidrostático y se utiliza en aplicaciones higiénicas y de proceso. Fuente: Endress+Hauser.

Caviro Winery instaló medidores de nivel de tanque por radar de Siemens (arriba a la izquierda) en todos sus recipientes de vino excepto en 24, que no tenían suficiente espacio libre para los medidores de radar. Para resolver el problema, el integrador de sistemas de Caviro optó por montar transmisores de presión SITRANS P DS III de Siemens (derecha) en la parte inferior de cada uno de los 24 tanques (abajo a la izquierda). A continuación, se utilizó el PLC del sistema para convertir los datos de presión en volumen. Fuente: Siemens.

El transmisor de presión manométrica, absoluta, diferencial y multivariable de la serie ABB modelo 266 tiene un rendimiento de precisión base opcional de hasta 0,025 por ciento, con límites de rango de medición de 0,2 pulgadas de agua a 15.225 psi. Fuente: ABB.

Se muestra el transductor de presión PX409S-USBH de Omega Engineering con software gratuito de configuración y monitoreo y una ventana al proceso, más el manómetro digital sanitario/CIP modelo DPG409S (precio por separado), funciona en aplicaciones sanitarias o CIP y mide la presión manométrica y absoluta hasta 600 psi, así como vacío y presión barométrica, e incluye cinco puntos. Calibración trazable NIST. Fuente: Ingeniería Omega.

El sistema de adaptador higiénico EJAC60E de Yokogawa consta del transmisor de presión manométrica higiénico EJA560E y adaptadores de diferentes tamaños y tipos de conexión. El dispositivo no utiliza aceite u otro tipo de fluido como sellador, eliminando el riesgo de contaminación del fluido del proceso. Fuente: Yokogawa Electric Corp.

La medición de la presión, clave para garantizar la seguridad y la calidad de los alimentos, utiliza técnicas de detección que existen desde hace tiempo. Pero recientemente, la industria de alimentos y bebidas se ha beneficiado de los avances en la precisión de los dispositivos inteligentes modernos, junto con su capacidad para soportar ambientes e ingredientes hostiles.

La mayoría de los fabricantes de instrumentos de presión han tenido mucho tiempo para practicar su oficio en otras industrias, como la química, el papel y la refinación de petróleo y gas. Los sensores han tenido que soportar potentes oxidantes, lejía, sales, lodos e hidrocarburos desagradables, sin mencionar el vapor sobrecalentado y/o la vibración. Por lo tanto, no fue muy difícil idear dispositivos para la industria de alimentos y bebidas que pudieran manejar algunas aplicaciones exigentes.

Y mientras que las industrias química y de refinación han llegado a dar por sentado la alta exactitud y precisión, nuestra industria se beneficia de todos estos avances tecnológicos, de modo que las aplicaciones como el secado, la refinación de aceite comestible, la vinificación y la producción de yogur se pueden ajustar para minimizar el desperdicio. , aumentar la eficiencia y producir productos consistentes y de alta calidad.

Por lo general, a los sensores de presión se les pide que manejen tres tipos de medición de presión: manómetro (también conocido como manómetro), presión absoluta y presión diferencial o DP. La presión manométrica se mide con referencia a la presión atmosférica; la presión absoluta se refiere a un vacío, y DP no se mide con referencia a una presión específica, es decir, DP mide la diferencia de dos presiones. DP puede ser útil no solo para medir la presión, sino también para calcular otras variables del proceso, como el nivel o el volumen, como se muestra en la siguiente aplicación.

Caviro, una gran cooperativa productora de vino italiana, necesitaba poner a punto sus recipientes de almacenamiento y operaciones de embotellado. El problema que aquejaba a la bodega era la incertidumbre sobre la cantidad de vino que contenían los recipientes, lo que dificultaba la planificación precisa del llenado. Muy pocas o demasiadas botellas significaban tiempo de producción y mano de obra desperdiciados, ya sea asegurando más botellas para un lote o transportando las botellas vacías de regreso al almacenamiento.

Para facilitar la gestión de la producción de una variedad muy compleja de vinos, SAIIE srl, un proveedor de automatización avanzada, instaló una gama de sensores en las áreas de almacenamiento de vino. Estos incluían medidores de nivel de radar de tanque SITRANS LR 250 de Siemens, medidores de flujo FM MAG 6000 con sensores FM MAG 1100 SS y transmisores de presión P DS III configurados en una configuración DP para medir el volumen de un recipiente.

Pero había un problema: los transmisores de nivel de tanque de radar eran el sensor elegido, pero tenían que instalarse en la parte superior de un recipiente, y para una parte de estos contenedores, no había espacio libre suficiente. Para resolver el problema de obtener mediciones de nivel o volumen sin un transmisor de radar, SAIIE instaló en el fondo de los recipientes los transmisores de presión Siemens P DS III, que monitorean continuamente la presión diferencial, mientras que un PLC convierte esos datos en mediciones de volumen.

Con la medición exacta de la capacidad/volumen de los recipientes de almacenamiento, Caviro garantiza que cada botella de vidrio, Tetra Pak o bolsa a granel se llene con vino de la más alta calidad. El proceso de llenado es rápido, por lo que las mediciones en tiempo real son esenciales. Ahora, los problemas de producción se pueden solucionar rápidamente antes de que se conviertan en un problema.

"Un sistema avanzado de instrumentación y control, como el proporcionado por Siemens, nos permite concentrarnos en la calidad del proceso", dice Domenico Dosio, gerente general de mantenimiento, inversiones y servicio técnico de Caviro.

La mayoría de los transmisores de presión eléctricos utilizan un diafragma flexible como elemento transmisor de presión, dice Claudia García, directora de marketing de Ellison Sensors Inc. (ESI). Mediante el uso de la conexión de proceso adecuada, es posible producir transmisores de presión de montaje empotrado que no tienen cavidades y son fáciles de limpiar.

Las regulaciones sanitarias requieren acabados superficiales para las conexiones del proceso que no acumulen bacterias que puedan contaminar el producto, dice Larry Myers, gerente de ventas internas de Omega Engineering. El sensor también debe estar habilitado para CIP y debe poder desconectarse rápidamente del proceso, de modo que el puerto del proceso pueda taparse para la limpieza química o con vapor del recipiente o las tuberías. Myers apunta a los sensores Omega PX409S, que cumplen con estos requisitos y son estándar para las industrias farmacéutica y de alimentos y bebidas.

"Los cambios de temperatura debidos al cambio frecuente y rápido de medios fríos a CIP calientes (y viceversa) imponen una gran demanda de sensores de presión", dice Ola Wesstrom, gerente de la industria de alimentos y bebidas de Endress+Hauser.

Los efectos de la temperatura en la medición deben ser mínimos y con una recuperación rápida. Esto es particularmente importante cuando se utiliza la presión como sensor de nivel (presión hidrostática) en tanques pequeños. Los sensores deben tener compensación de temperatura para evitar un llenado excesivo o insuficiente.

¿Qué pasa con la seguridad alimentaria?

"Naturalmente, todo lo que se pretenda usar en la producción de alimentos y bebidas debe configurarse de manera adecuada mediante el montaje de tres abrazaderas y evitando cualquier superficie que pueda atrapar líquidos o promover el crecimiento bacteriano", responde Lee Hamlett, gerente de productos a presión de Yokogawa Corp. of America. N / A.

¿Qué otros factores diferencian a los sensores de la industria alimentaria de otras industrias? Doug Greaves, gerente de productos de medición y análisis de ABB (presión), enumera algunos:

"Mantenemos una cartera de alimentos y bebidas que cumple con los estándares 3-A y EHEDG", dice Paul Wagner, gerente sénior de productos y marketing de Anderson-Negele. "Esto se debe principalmente a la región en la que vendemos el producto, así como a la conexión del proceso que se ofrece".

Estos estándares están establecidos para garantizar que un producto se pueda limpiar dentro o fuera de su lugar. Además, las industrias sanitarias se enfrentan a lavados externos constantes con productos químicos agresivos, procesos y temperaturas ambientales cambiantes y un manejo brusco de la instrumentación.

Si bien cumplir con las especificaciones 3-A, FDA y EHEDG es especialmente importante para garantizar la seguridad de los alimentos, los sensores de presión son dispositivos tanto mecánicos como electrónicos, y deben protegerse de su entorno y de una manipulación brusca, si se espera que brinden servicio a lo largo del tiempo. años.

"Consideramos que la protección de ingreso IP69K es clave para el éxito", agrega Wagner. "Años de experiencia nos han enseñado que la condensación del vapor de agua de un ambiente húmedo puede destruir los componentes electrónicos delicados. Por esta razón, encapsulamos completamente los componentes electrónicos en el encapsulado y usamos nuestros sellos de junta tórica duales patentados en nuestros nuevos diseños. Además, soldamos nuestros diafragmas usando un proceso patentado, que da como resultado un acabado superficial mejor que 25 Ra, superando el estándar 3-A para el acabado superficial.Nuestros productos también ofrecen gabinetes de acero inoxidable como estándar y usan plásticos para tapas, que son compatibles con agentes de limpieza y espumantes. "

Para los conectores electrónicos, Greaves de ABB dice que los usuarios tienen la opción de usar conexiones NPT o de rosca recta selladas con juntas tóricas. La protección ambiental de la carcasa del transmisor para lavado se puede especificar desde IP66 hasta IP69K para limpieza con chorro de vapor.

"Nuestra conexión de cableado preferida es un conector eurofast M12", dice Wagner.

Estos receptáculos de desconexión rápida de cuatro o cinco pines ofrecen un servicio fácil para los usuarios y eliminan un punto de entrada de agua directa en la carcasa del sensor. Además, este conector se combina con juegos de cables moldeados comunes en la industria, que también proporciona Anderson-Negele.

"Nuestros diseños tienen como objetivo cumplir con la clasificación de ingreso IP69K siempre que sea posible", dice Wesstrom. "IP69K, combinado con conexiones eléctricas de desconexión rápida, elimina la mayoría de los problemas de ingreso".

Un desafío mayor es evitar que se forme condensación dentro de los compartimentos electrónicos.

"Abordamos esto minimizando el volumen de aire y aplicando membranas de ventilación [Gore-Tex]", dice. "Esto minimiza las diferencias de presión de aire entre el interior y el exterior de la carcasa que pueden atraer humedad a la carcasa a medida que se enfría".

El transmisor de presión 3051 de Emerson Rosemount también está disponible para aplicaciones sanitarias e higiénicas. Wally Baker, gerente global de contenido de presión de Rosemount de Emerson Automation Solutions, dice que el transmisor de presión de la versión higiénica tiene una precisión de referencia de hasta 0,065 por ciento y una estabilidad de cinco años. También cumple con los estándares 3-A, EHEDG y ASME-BPE; maneja presiones manométricas y estáticas absolutas hasta 300 psi; y funciona de cero a cinco psi con capacidades de reducción de rango de 10:1, lo que lo hace adecuado para tanques de amortiguación y equilibrio; viene de serie con un 32 µin. acabado superficial para piezas húmedas (pulido opcional de 15 µin); resiste el vapor en el lugar con una temperatura de proceso de 284 °F por hasta cuatro horas; y tiene una especificación de vibración de menos de ±0,1 por ciento (IEC60770).

Para los sensores sanitarios, las partes húmedas de Omega están hechas de acero inoxidable 316L, que contiene molibdeno, dice Myers. Esta aleación de acero inoxidable proporciona una resistencia eficaz contra la corrosión y las picaduras en soluciones ácidas y de cloruro, y es mejor que otros tipos de acero inoxidable comúnmente utilizados en transductores de presión.

316L tiene una excelente compatibilidad química con la mayoría de los agentes de limpieza utilizados en bajas concentraciones, dice Wagner.

"De hecho, vemos más problemas con los fluidos de proceso con alto contenido de cloruro, como la salmuera de queso o los alimentos con alto contenido de ácido, como la pasta de tomate. Para ambas aplicaciones, ofreceríamos un diafragma Hastelloy C22 o una superficie de contacto".

Los sensores de presión sanitaria suelen tener un diafragma delgado (0,005 pulgadas de espesor) y, a menudo, se rompen o se destruyen antes de que se presenten picaduras en otras superficies. Por esta razón, Anderson-Negele ofrece una opción para una conexión 316L y un diafragma Hastelloy.

En la mayoría de los casos, 316L SS es suficiente, dice Wesstrom de Endress+Hauser. En ocasiones, si el contenido de sodio es alto con temperaturas elevadas, puede ser necesario utilizar Hastelloy C (o equivalente) o membranas cerámicas. Un desafío mayor es el daño mecánico a las membranas. El daño mecánico puede ser causado por el manejo manual o cuando se usan medios abrasivos o limpieza por impacto. Las aplicaciones de ejemplo incluyen pasta de tomate, medición del nivel de los lechos de grano en la elaboración de cerveza (como en una cuba de filtrado) o líneas de transferencia/lavado de frutas/verduras donde las membranas convencionales se abollan.

Wesstrom explica que la cuba filtro tiene un ambiente particularmente agresivo: En 1999, una cervecería tuvo que reemplazar los transmisores que estaba usando varias veces al año debido a daños en la membrana.

"El desafío se eliminó cuando instalamos varios sensores basados ​​en cerámica, que todavía están en funcionamiento hoy", dice.

Cuando se utilicen agentes de limpieza ácidos o cáusticos más agresivos, Emerson's Baker recomienda utilizar el sello de diafragma Rosemount 1199, que consta de varios materiales exóticos para la superficie húmeda. Asimismo, Hamlett de Yokogawa recomienda el uso de 329J4L SS para mejorar la resistencia a los productos químicos CIP comunes.

Como se evidenció en la aplicación de la bodega, los sensores de presión, y en este caso, DP, pueden servir para una multitud de aplicaciones, por ejemplo, medir el nivel o el volumen, el flujo (en ciertos casos) y la presión en varias aplicaciones. La mayoría de los transmisores de presión combinan la medición de temperatura no solo como una variable de proceso adicional, sino también para compensar las mediciones de presión en temperaturas cambiantes.

DP se usa comúnmente en la medición de nivel, dice Greaves de ABB. El tramo de referencia del lado bajo de un transmisor DP es cómo se puede inferir el nivel en tanques cerrados. Con el tramo de referencia, se puede compensar la presión de la inertización de nitrógeno o de los tanques al vacío, esquemas que tienen un propósito específico para mantener frescos los ingredientes.

"[En] cualquier aplicación de nivel donde un tanque está cerrado a la atmósfera, se debe usar un sensor DP", dice Wagner de Anderson-Negele.

Estos incluirían aplicaciones como ollas a presión, tanques de cultivo de yogur o recipientes de fermentación. En estos casos, se debe medir la presión del cabezal para determinar el nivel real.

DP también se puede usar para inferir la densidad midiendo la presión ejercida por un volumen entre dos grifos de posición fija en un tanque, agrega Greaves. Este concepto se puede ampliar para medir el nivel de interfaz de dos materiales con diferentes densidades conocidas. El nivel de interfaz es una función lineal entre estos puntos. Un procesador puede usar esta información para separar o recuperar materiales.

¿Puede DP fluir? Eso depende.

"Las configuraciones de equipos especializados para aplicaciones de alimentos y bebidas excluyen muchas de las técnicas tradicionales de instalación industrial, como las líneas de impulso convencionales, pero existen mecanismos para resolver el problema", dice Hamlett de Yokogawa.

La unidad EJA117J de Yokogawa es un instrumento DP higiénico para aplicaciones, como la medición de nivel de tanque. Dada la complejidad de la configuración del equipo necesaria para cumplir con los requisitos de alimentos y bebidas, existen otras técnicas de medición de flujo, como magnética y Coriolis, que son más fáciles de usar para estas aplicaciones, dice Hamlett.

Las mediciones de flujo de DP rara vez se usan en la industria alimentaria porque, en la mayoría de los casos, los elementos primarios, el tubo de Pitot y las placas de orificio no son buenos diseños higiénicos, agrega Wesstrom. Por otro lado, los servicios públicos, como el gas natural y el flujo de aire, se pueden medir con métodos de DP.

Sin embargo, Greaves de ABB dice que DP puede proporcionar una solución de medición de flujo en algunas aplicaciones.

"Usando elementos de flujo ABB, nuestros transmisores DP pueden proporcionar soluciones de flujo para fluidos viscosos, no newtonianos, procesos de temperatura extrema y aceites y aditivos de baja conductividad... Además, la salida calculada 266 Multivariable de ABB es capaz de compensar dinámicamente el flujo másico para gases, líquidos y vapor; flujo volumétrico estándar para gases; y flujo de calor y energía".

El transmisor Rosemount 3051SMV MultiVariable tiene opciones para medir DP y presión estática, además se puede equipar con un sensor de temperatura, dice Baker. Cuando se configura con los tres y se usa con un elemento de flujo primario, puede proporcionar cálculos de flujo de energía y masa totalmente compensados, útiles para aplicaciones de líquidos y gases.

La instrumentación de presión absoluta y manométrica se puede encontrar en evaporadores, recipientes de mezcla, intercambiadores de calor, monitoreo de bombas, pasteurizadores, cámaras de retorta, sistemas de limpieza y sistemas auxiliares, como plantas y gestión de vapor, sistemas de refrigeración, tratamiento de agua, suministro de nitrógeno y monitoreo de vacío.

En el caso de recipientes abiertos, donde la presión atmosférica actúa sobre la cabeza del líquido, se puede usar un sensor de presión manométrica, dice García de ESI. Para recipientes cerrados, se requieren dos sensores. Estas mediciones se pueden realizar con dos transmisores de presión manométrica independientes o con un transmisor de presión diferencial (como se explicó anteriormente).

"La mayoría de las aplicaciones de alimentos y bebidas utilizan un manómetro, también conocido como medición de presión relativa", dice Wagner. Esto es más crítico en aplicaciones de nivel donde se debe tener en cuenta la presión atmosférica sobre el líquido. "Con frecuencia usamos la medición absoluta en aplicaciones de liofilización donde el vacío debe medirse con un estándar absoluto, no con la atmósfera circundante".

Muchos transductores de presión, como el PX409S de Omega, están disponibles en rangos de presión absoluta y manométrica.

"También están disponibles rangos compuestos, rangos de vacío y rangos barométricos para aplicaciones especiales", dice Myers de Omega. "Los tanques de proceso para mezclar productos, almacenar agua o elaborar cerveza son ejemplos de aplicaciones de presión manométrica".

Estos dispositivos también se han utilizado en aplicaciones similares a lodo, incluida la producción de mantequilla de maní, masa para galletas y salsa. Una aplicación desafiante que Wagner ha visto es en líneas de medición de presión con productos altamente viscosos como la mantequilla de maní.

"En estas aplicaciones, el uso de un accesorio higiénico tri-clamp tradicional da como resultado un bolsillo que está fuera de la turbulencia de la rama principal. Ofrecemos una conexión que elimina la rama llamada CPM [medición de proceso limpio]. Esto lleva el diafragma directamente en línea con el flujo del proceso, eliminando cualquier problema de limpieza".

Esta conexión se diseñó originalmente para la industria biotecnológica, pero ha encontrado uso en la industria de alimentos líquidos.

Finalmente, la mayoría de los dispositivos de presión admiten protocolos digitales como HART, FOUNDATION Fieldbus y Profibus PA, siendo HART el más utilizado, según Wesstrom. Si bien los transmisores de presión tienen una ubicación mucho más fija en comparación con los dispositivos de monitoreo de temperatura, muchos proveedores de sensores ofrecen varias opciones inalámbricas. Las series WPS e IS-WPS de Honeywell utilizan el estándar IEEE 802.15.4 WPAN, según Pranjit Gogoi, ingeniero de Honeywell Safety and Productivity Solutions. La capa de aplicación del protocolo se ajustó para convertirlo en propietario, lo que garantiza que no habrá interferencias con otros dispositivos inalámbricos que operen en la misma área y rango de frecuencia.

Para más información:

Larry Myers, Ingeniería Omega, 888-826-6342, [email protected], www.omega.com

Ola Wesström, Endress+Hauser, EE. UU., 317-535-2134, [email protected], www.us.endress.com

lee hamlett, Yokogawa Corp. de América, 678-423-2556, [email protected], www.yokogawa.com/us

Grebas Doug, ABB, 215-674-6000, [email protected], http://new.abb.com/products/measurement-products/food-and-beverage

Pablo Wagner, Anderson-Negele, 518-922-5315, [email protected], www.anderson-negele.com

wally panadero, Soluciones de automatización de Emerson, 800-999-9307, [email protected], www.emerson.com/rosemount-3051HT

Pranjit Gogoi, Soluciones de seguridad y productividad de Honeywell, 800-537-6945, [email protected], www.honeywell.com

Claudia Garcia, Ellison Sensors Inc., 561-989-8540,[email protected], www.esi-transducer.com