Diseño estructural de sistemas de pesaje de tanques

1. Principios básicos

Para instalar células de carga en tanques es preciso seguir algunas reglas esenciales. Por ejemplo, los tanques a menudo están sometidos a la acción de la intemperie o a efectos relacionados con la producción. Cuando se construyen depósitos verticales en exteriores (silos, tolvas de carbón, etc.) se debe respetar la normativa de construcción relevante aplicable a las estructuras. En este sentido, la instalación a posteriori de equipos de pesaje se puede considerar como un “cambio significativo” a efectos de la normativa. En estos casos, se recomienda pedir asesoramiento a un ingeniero de estructuras. En general, la normativa de construcción especifica que los elementos de seguridad deben ser “los más avanzados”. Por ejemplo, la parte 4 de la norma alemana DIN 1055 “Supuestos de carga para componentes estructurales” se ocupa de las cargas de viento.

El diseñador de un tanque o depósito también debe conocer cualquier norma interna específica de la empresa. Frecuentemente, los tanques deben asegurarse de modo que no puedan moverse, incluso si se encuentran bajo techado, si su contenido es peligroso y si hay carretillas elevadoras trabajando en los alrededores de la zona de almacenamiento.

2. Distribución de cargas

Cuando el tanque está colocado sobre tres puntos de apoyo y en cada soporte se sitúa una célula de carga se consigue una distribución óptima de las células de carga para determinar el peso del tanque. Este estado se conoce como isostático. La carga total se debe distribuir de la forma más uniforme posible entre las tres células de carga. En el caso de tanques cilíndricos verticales o suspendidos, la mejor forma de cumplir este requisito consiste en colocar las tres células a la misma distancia del eje vertical del tanque, con una separación de 120° entre sí en el mismo plano. La Figura 1 muestra la distribución de los puntos de apoyo para depósitos horizontales.

Si no se instalan células de carga en todos los soportes, se recomienda distribuir la carga de forma desigual. Los soportes con células de carga deben estar sometidos a mayores cargas que los soportes sin células. Esta disposición permite mejorar la precisión total del sistema de pesaje. A la hora de diseñar el sistema y seleccionar las células de carga, es preferible que todas las células de carga estén sometidas a cargas de la misma magnitud.

Figure 1 Arrangement of bearing points A, B and C for a horizontal tank
Figura 1 Distribución de los puntos de apoyo A, B y C para un tanque horizontal

Si un tanque tiene cuatro o más puntos de apoyo, se le considera hiperestático. En estos casos deben instalarse células de carga en todos los puntos de apoyo. Durante el montaje es preciso conseguir una distribución uniforme de la carga sobre los distintos transductores individuales. Para ello, las cargas de los transductores se deben medir de forma individual. Si hay diferencias inaceptables se debe modificar la altura de las células de carga afectadas (con calces, etc.). En general, las células de carga situadas a baja altura se colocan en diagonal, opuestas entre sí.

3. Centro de gravedad de un tanque

Figure 2 Distribution of the center of gravity of a tank with an inclined discharge base depending on the mass of filling
Figura 2 Situación del centro de gravedad de un tanque con base de descarga inclinada, dependiendo de la masa del material almacenado

En teoría, el centro de gravedad de un tanque lleno no debería estar a más altura que los puntos de apoyo del tanque, pero lo cierto es que, con frecuencia, esta condición no se cumple.

Por razones de estabilidad, es conveniente que el centro de gravedad quede por debajo de los puntos de apoyo. La posición del centro de gravedad en función del nivel de llenado tiene un efecto importante en el número de células de carga a utilizar. Si el llenado se lleva a cabo de forma simétrica a las células de carga, es posible utilizar un dispositivo de pesaje compuesto por una única célula de carga, dado que la posición del centro de gravedad se desplaza a lo largo de una línea vertical (ver también 6.3). Pero si el centro de gravedad se desplaza también lateralmente a lo largo del proceso de llenado o vaciado, entonces todos los soportes deben equiparse con células de carga. En este tipo de aplicaciones no deben utilizarse acoplamientos fijos o basculantes.

La Figura 2 muestra la necesidad de instalar células de carga en todos los puntos de apoyo si la posición del centro de gravedad cambia.

4. Conexiones de suministro en los tanques

Figure 3 Long horizontal pipe connection
Figura 3 Conexión de un tramo largo de tubería horizontal
Figure 4 Elastic pipe coupling
Figura 4 Acoplamiento con tubería flexible
Figure 5 Pipe elbow
Figura 5 Codo de tubería
Figure 6 Mechanical compensator
Figura 6 Compensador mecánico
Figure 7 Open filling stud
Figura 7 Tubo de llenado abierto

A menudo, los tanques requieren conexiones de suministro, por ejemplo para cargar y descargar material o para el suministro eléctrico, hidráulico o neumático de las unidades adicionales que vayan montadas en el tanque.

Estas conexiones de suministro pueden producir derivaciones de fuerzas (shunt), que se traducen en errores que afectan a la precisión de medida del dispositivo de pesaje. Las conexiones de suministro deben ser flexibles en dirección vertical. Las Figuras 3 a 7 muestran algunos ejemplos de diseños adecuados para las conexiones de suministro. En cualquier caso, por razones económicas estos aspectos siempre deben tenerse en cuenta durante la fase de diseño y planificación.

Si se utilizan tuberías rígidas sin conexiones flexibles, es preferible conectar el tanque con un tramo de tubería horizontal lo más largo posible. Este tramo de tubería debe contar con algún elemento que compense la expansión en dirección longitudinal (Figura 3). El tramo horizontal de tubería tiene un efecto de resorte en la dirección vertical, tanto menor cuanto mayor es la longitud horizontal. A su vez la fuerza mecánica ejercida por la tubería en forma de pseudocarga (de tracción o compresión) sobre las células de carga se reduce proporcionalmente, hasta un punto en que deja de ser significativa para la precisión de la medición.

En lugar de un único tramo largo de tubería, se pueden utilizar varios acoplamientos flexibles (Figura 4). El empleo de conexiones de manguera, de materiales elásticos y fácilmente maleables da buenos resultados y evita las derivaciones de fuerzas. Por supuesto, en este caso se debe verificar la compatibilidad de los materiales elásticos con el producto y con los materiales de limpieza (por ejemplo, en la industria alimentaria o farmacéutica).

Otra posibilidad para reducir las derivaciones de fuerza indeseables causadas por las conexiones de tuberías es usar un diseño con un codo de tubería (Figura 5). En los casos en que se requiere un suministro por tubería vertical (es decir, en la dirección de la gravedad) o si no se pueden utilizar conexiones de manguera, las conexiones de tubería con compensadores (como fuelles metálicos) resultan eficaces (Figura 6). La instalación de estos compensadores debe llevarse a cabo con tolerancias estrictas. Para compensar tolerancias grandes se puede usar un segundo fuelle metálico, conectado al primero con una sección de tubería. Los fuelles metálicos están prohibidos en determinados segmentos de la industria alimentaria, sobre todo los que requieren una limpieza intensiva.

El ramal de conexión que se muestra en la Figura 7 es la mejor solución para la reducción de las derivaciones de fuerza. Un ramal de conexión abierto evita el contacto entre la tubería y el tanque. No obstante, esta distribución no se puede utilizar en sistemas cerrados como, por ejemplo, tanques a presión.

Se debe tener siempre en cuenta que el material de las líneas de conexión forma parte del peso. Por tanto, cuando se mide el peso tiene que ser posible reproducir el nivel de llenado de las líneas de alimentación y descarga que estén directamente conectadas al tanque. Eso significa que las líneas deben estar siempre llenas o siempre vacías cuando se hacen las mediciones.

5. Tanques a presión

En las plantas cerradas, la presión del sistema puede afectar a los resultados de pesaje. En la industria química se necesitan presiones positivas elevadas para algunos procesos. Por su parte, las plantas de extracción en las que se pesa material en polvo trabajan con presiones negativas de 100-300 mbar. Si la tubería se conecta al tanque en vertical, como muestran las Figuras 5 y 6, se ejerce una fuerza que afecta directamente a los resultados de medida. El efecto equivale al producto de la fuerza por la sección de la tubería. Si las condiciones de presión se mantienen constantes durante el proceso de pesaje, esta cantidad se puede tener en cuenta (calcular) en la medición. En cualquier caso, es preferible y más apropiada una distribución horizontal de tuberías que una conexión vertical. En este caso, los soportes de la instalación absorben las fuerzas parásitas que surgen.

6.1 Ejemplos de diseños e instalaciones de células de carga

Figure 8 Upright tank in rigid installation with one load cell
Figura 8 Tanque vertical con apoyos rígidos y una célula de carga
Figure 9 Upright tank with two fixed bearings and one load cell with compensation
Figura 9 Tanque vertical con dos acoplamientos fijos y una célula de carga con compensación
Figure 10 High round silo
Figura 10 Silo cilíndrico de gran altura
Figure 11 Round silo on weighing modules
Figura 11 Silo cilíndrico sobre módulos de pesaje
Figure 12 Arrangement of weighing modules for a flanged tank
Figura 12 Disposición de módulos de pesaje para un tanque con envolvente
Figure 13 Rectangular hopper on four load cells
Figura 13 Tolva rectangular sobre cuatro células de carga

A continuación se presentan ejemplos de diseños típicos de tanques de forma esquematizada. Los detalles del diseño y las alusiones a problemas se presentan de forma más pormenorizada en las secciones específicas.

6.1 Tanques verticales

Las instalaciones con dos apoyos fijos y una célula de carga son adecuadas para tanques con llenado central de líquidos y graneles. El tanque debe tener un diseño simétrico, de modo que la línea que representa el centro de gravedad a distintos niveles de llenado forme aproximadamente una línea vertical, apropiada para la precisión requerida. En todos los demás casos, en especial si se requiere mayor precisión, es preferible utilizar una instalación con tres células de carga. En algunos casos, incluso más.

6.1.1 Instalación rígida de una célula de carga

Este diseño sencillo con un soporte y una célula de carga instalada de forma rígida no es recomendable, porque conlleva efectos adversos sobre la célula de carga. Debido a las deformaciones que se producen a medida que cambia el nivel de llenado, así como a las vibraciones y los cambios de temperatura, en general no es posible evitar efectos negativos en las células de carga. No obstante, existen algunos ejemplos de este diseño.

6.1.2 Tanque vertical con dos soportes fijos y una célula de carga con compensación

Esta forma de medición del nivel de llenado consiste en una célula de carga colocada en una cuna con dos soportes fijos, que sirven también para contener el movimiento horizontal del tanque. Este diseño evita de forma económica efectos indeseables en la célula de carga.

6.1.3 Silo cilíndrico sobre tres o cuatro células de carga

Normalmente, tres células de carga permiten medir niveles con buena precisión. No obstante, algunas veces se emplean cuatro células de carga; por ejemplo, en tanques rectangulares simétricos. En general esta distribución resulta desfavorable desde el punto de vista estático y tiene un mayor precio. Las células se instalan con facilidad en la estructura. Los acoplamientos de material elastómero son autocentrantes y no necesitan tirantes. Se suelen combinar con topes fijos. En el caso de tanques muy altos, se necesitan tirantes adicionales en la parte superior. En el ejemplo se muestra un diseño con tirantes sin tensión inicial, bloqueados por uno de sus extremos. Los topes fijos tocan continuamente el tanque cuando este se mueve ligeramente fuera de su posición ideal, lo cual resulta inevitable. La fricción del contacto conlleva derivaciones de fuerza. Otras alternativas menos frecuentes son los frenos de rodillo y las guías de cables.

6.1.4 Silo cilíndrico sobre tres módulos de pesaje

El empleo de tres módulos de pesaje con tensores integrados que contactan con la circunferencia de la estructura de forma tangencial mantiene el tanque con estabilidad horizontal sin necesidad de otras medidas. El dispositivo antivuelco, también integrado en el módulo de pesaje, impide que el tanque se incline y bascule. De esta forma se eliminan varios elementos estructurales en la construcción externa. También se ilustran módulos típicos de pesaje para cargas a baja, media y gran altura, a modo de ejemplo. Estos elementos normalizados simplifican el diseño y ahorran gastos importantes en la construcción. Por otra parte el diseño requiere sumo cuidado y gastos especiales para garantizar que las superficies de contacto sean paralelas, que las alturas estén alineadas, etc.

6.1.5 Tanques con envolvente sobre módulos de pesaje

Los tanques con envolvente, que se usan con frecuencia en aplicaciones prácticas, tienen una carcasa exterior que se alarga hasta la base y que sirve para garantizar la estabilidad general del diseño. No es fácil colocar este tipo de instalaciones sobre células de carga. La Figura 12 muestra un diseño para pesar estos tanques con células de carga. Esta distribución resulta además relativamente fácil de instalar en sistemas ya existentes.

Se montan o sueldan travesaños en el interior de la pared del tanque. La carga se aplica sobre la célula de carga de forma rígida. En este caso es preferible utilizar módulos de pesaje, puesto que contienen un dispositivo antivuelco, etc. (no se muestran en la Figura 12 por motivos de claridad). Basta con elevar ligeramente la estructura para transmitir todo el peso a las células de carga. Con frecuencia, la base de la envolvente debe estanquizarse. Para ello se puede emplear una junta de estanqueidad circular que, debido a su flexibilidad, no causa derivaciones de fuerza.

6.1.6 Tolva rectangular sobre cuatro células de carga en estaciones de llenado

Las condiciones de las estaciones de llenado son muy duras, debido a las vibraciones de los sistemas de transporte, las oscilaciones del equipo de suministro y vaciado conectado y, si la tolva de pesaje es parte de un sistema móvil, también debido a la aceleración durante los traslados. Al introducir materiales pesados en el tanque, estos pueden golpear las superficies inclinadas con suficiente fuerza como para causar cargas de cizalladura considerables. En estos casos se debe incluir una sujeción con un tensor especialmente estable, con una tensión inicial alta. En ocasiones el tanque se sujeta con una fijación adicional, que solo se suelta durante el proceso de pesaje. En este caso la simetría rectangular resulta beneficiosa por razones de estabilidad y, por tanto, normalmente se incluye en la disposición de las células de carga. Se utilizan células de carga con acoplamientos de elastómeros y de péndulo (como en el ejemplo).

6.2 Tanques suspendidos

Figure 14 Suspended tank on three load cells
Figura 14 Tanque suspendido con tres células de carga
Figure 15 Suspended tank on one load cell
Figura 15 Tanque suspendido con una célula de carga

Los problemas de centrado de los tanques suspendidos se pueden eliminar o atenuar con unos sencillos tirantes flexibles redondos. Además de la protección antivuelco, que es necesaria siempre, también se requieren tensores para evitar oscilaciones y giros.

6.2.1 Suspensión sobre dos o tres células de carga

El diseño más simple requiere varios tirantes colocados tangencialmente. En los casos en que las tensiones son reducidas, una tubería de salida lateral inferior puede realizar la misma función que los tensores.

6.2.2 Suspensión central sobre una única célula de carga

Con esta disposición es indispensable una sujeción especial para evitar oscilaciones y vuelcos.

6.3 Tanques horizontales para líquidos

Los tanques horizontales para líquidos cumplen en general la condición de que el centro de gravedad del contenido se mueve siguiendo aproximadamente una línea vertical a medida que se llenan o vacían de material. Por tanto, una instalación con una célula de carga bajo un soporte del tanque y dos acoplamientos fijos bajo el otro soporte del tanque es suficiente para hacer mediciones de nivel relativamente simples.

Un tanque ideal apoya la mitad de su peso en una célula de carga de péndulo autocentrante y la otra mitad en dos acoplamientos fijos. En circunstancias normales no se necesitan más elementos de sujeción. Sin embargo, en tanques muy largos, se pueden colocar topes fijos como protección adicional contra el vuelco en caso de impactos laterales contra el tanque, para limitar los movimientos laterales a ambos lados de la base del tanque que se apoya en la célula de carga.

En las aplicaciones prácticas, a menudo la distribución simétrica del contenido se altera debido a una inclinación ligera y deliberada de la base del tanque hacia un lado, y también a causa de la tubería de salida que se coloca en el mismo lado. Una disposición autocentrante de tres células de carga es la solución óptima para pesajes más exactos, y los topes fijos la mejor manera de garantizar la sujeción horizontal.

Figure 16 Horizontal tank for liquids with a C16 load cell (diagram)
Figura 16 Tanque horizontal para líquidos con una célula de carga C16
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Células de carga HBM

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