Medição de Nível – Tudo que você precisa saber para ser um especialista no assunto

Marcel de Roure
Por Marcel de Roure

CEO e Engenheiro Chefe na Lince | Automação e Controle

Publicado em Atualizado em

Em medição de nível, a eficiência da planta que você atua ou gerencia depende da qualidade da instrumentação, da confiabilidade dos equipamentos e do suporte dos melhores fornecedores.

Tudo que você precisa saber para ser um especialista em Medição de Nível está aqui.

Com este artigo completo você vai encontrar respostas completas para as seguintes questões:

Além disso você também vai encontrar os principais conceitos da Instrumentação Industrial. Os termos, fórmulas e símbolos fundamentais para o completo entendimento em Medição de Nível.

Obrigado e boa leitura!

Por que a medição de nível é tão importante?

A indústria vem aumentado a demanda de controle de processos a cada dia. Manter um controle adequado tem se tornado cada vez mais importante não apenas para operadores de campo, mas também para toda empresa, incluindo executivos e gerentes de diferentes setores.

Isso é resultado de dois fatores: redução dos custos de produção e aumento do foco em segurança do trabalho.

Eficiência e Redução de custos na medição de nível

O principal objetivo da medição de nível é manter o controle do processo produtivo seja em volume ou peso. Se a sua medição é eficiente, você terá como resultado um maior rendimento da produção, pois os processos serão feitos sem interrupções.

A medição de nível é um elemento fundamental dentro de um sistema de calibração de tanques. Medições de nível mais precisas aumentam significativamente a eficiência da planta. É comum encontrar níveis de precisão de até 3mm.

Por exemplo, se um silo de grãos precisa estocar uma certa quantidade de material o tempo inteiro, mas não é preenchido em sua capacidade máxima por falhas na medição, a unidade de produção poderá precisar de silos adicionais, acarretando despesa de compra e manutenção desnecessárias.

Muitos processos necessitam de um fluxo contínuo, entrada e saída de materiais. É inviável obter um fornecimento consistente com taxas variáveis ou se houver incidentes na linha de abastecimento.

Segurança do trabalho na medição de nível

A medição de nível também é feita por razão de segurança. Imagine o transbordamento acidental de um tanque de ácido causado por uma medição imprecisa.

Pode gerar um resultado catastrófico!

Assim como falamos de um incidente envolvendo ácido, também poderíamos extrapolar para diversos outros tipos de materiais comuns na indústria, como inflamáveis, reagentes, dentre outros.

Prevenir transbordamentos e detectar vazamentos também é importante para cumprir todas as regulações ambientais.

O que é Medição de Nível?

Nível é a medida em altura do conteúdo líquido ou sólido de um reservatório.

A medição de nível permite:

A medição de nível faz parte dos processos de automação e sua decorrente instrumentação industrial. Para entender melhor tudo que envolve a medição de nível é importante entender que ela está inserida no contexto da automação industrial e serve para o controle de processos.

Automação, controle e medição de nível

A automação de um modo geral vem trazendo ao longo do tempo uma série de benefícios nos mais diversos setores da indústria e da própria sociedade. É sinônimo de conforto e facilidade.

Nas indústrias, a urgência no aumento da produção a fim de responder à crescente demanda com custos cada vez mais baixos e à fabricação constante de novos produtos, acarretou no crescimento do número de processos completamente automatizados.

A automação industrial, mais precisamente a instrumentação industrial, quando utilizada com critério e de forma planejada, reduz drasticamente os custos, aumenta a produtividade e contribui com a qualidade e a segurança na produção.

A principal melhoria alcançada pela automação envolve a mão de obra. Toda instrumentação faz com que os trabalhadores se livrem de atividades monótonas, repetitivas e, principalmente, perigosas. É uma melhoria tanto para o financeiro quanto para a segurança do trabalho no setor industrial.

Embora a tecnologia que implementa processos ou sistemas automatizados modernos exija diferentes graus de investimento, os resultados são definitivamente garantidos e extremamente recompensadores. Por essa razão é que as indústrias que ainda resistem a essa realidade estão condenadas ao total fracasso.

A automação é classificada de acordo com suas diversas áreas. Além da automação industrial, temos a automação bancária, comercial, agrícola, predial, de comunicações e de transportes.

Focaremos na medição de nível, instrumentação inserida no contexto da automação industrial. Mas para chegarmos lá é preciso entender os segmentos que a automação industrial percorre até chegarmos propriamente na medição de nível.

A automação de processos contínuos e de processos de manufatura são as duas vertentes da automação industrial.

É por esses dois segmentos que damos início ao nosso estudo.

Automação de processos

Nos tópicos anteriores falamos bastante a respeito de processo, mas não definimos o conceito para o âmbito da automação industrial.

Processo é uma operação ou uma série de operações realizadas por um determinado conjunto de equipamentos, onde varia, pelo menos, uma característica física ou química de um material para obtenção de um produto final.

Ou seja, uma operação unitária, como são os casos da destilação, filtração ou aquecimento, é considerada um processo. Quando se trata de controle, uma tubulação por onde escoa um fluido, um reservatório que contém água, um aquecedor ou um equipamento qualquer é o que entendemos como processo.

Automação de processos contínuos

O processo contínuo é aquele que operam ininterruptamente grande quantidade de produtos e materiais nas mais diversas formas sem manipulação direta. São processos caracterizados por tubulações, tanques, trocadores de calor, misturadores, reatores, entre outros.

As indústrias química, petroquímica, alimentícia e de papel e celulose, são algumas áreas que os processos contínuos atuam.

Um processo pode ser controlado por meio da medição de variáveis que representam o estado desejado e pelo ajuste automático de outras variáveis, de maneira a se conseguir o valor que se deseja para a variável controlada. As condições ambientais devem sempre ser incluídas na relação de variáveis de processo.

As variáveis de processo são as grandezas físicas que afetam o desempenho de um processo e podem mudar de valor espontaneamente em virtude de condições internas ou externas. Por essa razão, essas variáveis típicas de processos contínuos necessitam de controle.

As principais variáveis medidas e controladas nos processos contínuos são: pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade e umidade.

Automação de processos de manufatura

A automação de processos de manufatura são aquelas em que o produto é manipulado direta ou indiretamente, ao contrário do ocorre nos processos contínuos.

Nos processos de manufatura identificamos máquinas e sistemas sequenciais característicos da indústria automobilística, eletroeletrônica, alimentícia, farmacêutica, etc.

O funcionamento básico de um processo de manufatura requer os seguintes componentes:

  • Sensores: responsáveis pela medição de desempenho do sistema de automação ou uma propriedade particular de algum de seus elementos. Exemplos: sensores de posição e óticos;
  • Controle: a informação dos sensores é usada para controlar o sequenciamento de uma determinada operação. Os robôs são bons exemplos, pois o controle de suas posições é determinado por informações de sensores e por uma rotina de sequenciamento, acionando-se um conjunto de motores. Softwares de controle são conjuntos de instruções organizados de forma sequencial na execução de tarefas programadas;
  • Acionamento: provê o sistema de energia para atingir determinado objetivo. É o caso dos motores elétricos, servoválvulas, pistões hidráulicos etc.

Fundamentos da Instrumentação Industrial

A instrumentação industrial é a ciência que estuda, desenvolve e aplica instrumentos de medição e controle de processos na indústria. É empregada tanto em processos usuais como a medição de nível em indústrias sucroalcooleiras quanto em processos críticos como reatores nucleares.

A obtenção de medidas precisas e com o menor custo possível depende do instrumento empregado, da qualificação do usuário e do tratamento matemático que as medições sofrem.

Dessa forma, para o emprego de instrumentos e a interpretação correta dos seus resultados é fundamental que a pessoa encarregada dessa tarefa entenda os princípios de medição dos instrumentos para que possam ser feitas medições confiáveis dentro das faixas possíveis e características do instrumento.

É por isso que você está lendo esse material. Vai ser muito útil para você.

Como funciona um instrumento?

Instrumento é um dispositivo que transforma uma variável física de interesse em um formato passível de medição pela instrumentação industrial.

Modelo simplificado de um instrumento

O sensor é o elemento de destaque para o processo de medição. A função do sensor é converter o sinal da variável física em um sinal da variável de saída apropriado.

Os sinais das variáveis devem ser escolhidos de modo que possam ser manipulados e transmitidos em circuitos elétricos elétricos, preferencialmente, para uma leitura direta ou para serem armazenados em computadores de uma forma histórica.

Antes de iniciarmos nosso estudo sobre medição de nível, é essencial a apresentação de conceitos básicos de controle de processo, em que a medição das variáveis de processo é fundamental.

Controle de processos

A função fundamental do controle de processos é manter uma determinada variável em um valor desejado mesmo quando ela for submetida a perturbações externas.

Controle de nível em líquidos

Os controles de processo levam em consideração duas formas de funcionamento, uma mais inteligente, com controle automático; e outra mais tradicional, com controle manual do processo.

Controle automático

Ainda temos o controle de processo manual. É um sistema mais rudimentar, lento e trabalhoso. Basicamente consiste em uma pessoa observando o valor atual do nível e fazendo a comparação com o valor desejado.

Se o valor medido é maior, abre-se a válvula, aumentando a vazão de saída. Se o nível estiver menor que o valor desejado, fecha-se a válvula, reduzindo a vazão de saída, fazendo com que o nível atual observado seja elevado.

Essas operações são feitas repetidamente pelo responsável técnico para que o nível fique o mais próximo possível do valor desejado.

Controle manual

Tipos de controle

Quando se fala em controle, deve-se, necessariamente, subentender a medição de uma variável qualquer do processo e a sua atuação no sentido de mantê-la constante; isto é, a informação recebida pelo controlador é comparada com um valor preestabelecido (set point). Verifica-se a diferença entre ambos e age-se para diminuir ao máximo essa diferença.

Essa sequência de operações caracterizam a chamada malha de controle, dividida em controles de malha aberta e malha fechada.

Malha aberta

O controle com malha aberta tem a ação de controle independente da saída. Ou seja, a saída não tem efeito na ação de controle.

Configuração de controle em malha aberta

Nessa espécie de controle não existe elemento de realimentação, a saída nem ao menos é medida ou comparada com uma entrada para efetuar a ação de controle.

É o contrário do controle em malha fechada.

Malha fechada

Feedback ou controle em malha fechada é o controle no qual o processo pode ser realizado e compensado antes ou depois de afetar a variável controlada.

Trata-se da forma de controle usualmente mais empregada. Consiste na medição da variável de processo, passando pela aferição do set point (valor desejado) e ao fim alcançando um erro. O sinal de erro é transmitido a um controlador que faz a correção.

Etapas e conceitos fundamentais no controle de processos

Grande parte dos sistemas de controle realiza as seguintes etapas:

  1. Medição de um estado ou condição de um processo;
  2. Um controlador calcula uma ação com base em um valor medido de acordo com um valor desejado;
  3. Um sinal de saída resultante dos cálculos do controlador é utilizado para manipular uma ação do processo na forma de um atuador;
  4. O processo reage ao sinal aplicado, mudando o seu estado ou condição.

Termos específicos mais usados em controle de processo

Faixa de medida (range) é conjunto de valores da variável de medida compreendido dentro do limite superior e inferior ou de transmissão do instrumento.

Alcance (span) é diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento.

Variável de processo (PV) é a variável a ser controlada em um processo. Trata-se de uma condição do processo que pode alterar a produção de alguma maneira. Exemplos para variáveis de processo: pressão, vazão, nível, temperatura, densidade etc.

Variável manipulada (MV) é a grandeza modificada com o intuito de manter a variável de processo desejado (set point).

Set point (SP) é o valor a ser mantido para a variável de processo.

Carga é uma espécie de perturbação que acontece em decorrência da variação em variável secundária que altera a variável do processo.

Perturbações são alterações inerentes a qualquer processo. Existem dois tipos de perturbações: carga e set point.

Erro (offset) é a diferença existente entre a variável de processo e o set point, podendo ser positiva ou negativa. Vale ressaltar que a redução ou a extinção do erro é o propósito fundamental de um sistema de controle.

Exatidão é o maior valor de erro estático que um instrumento pode alcançar no período de sua faixa de trabalho. Consiste no grau de concordância entre o resultado de uma medição e o valor verdadeiro do mensurando.

Zona morta é a variação máxima que a variável pode ter sem provocar alterações na indicação ou no sinal de saída de um instrumento ou em valores absolutos do seu range.

Histerese é a diferença máxima apresentada por um instrumento para um mesmo valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável percorre toda a escala no sentido ascendente e descendente. É expressa em porcentagem do span.

Repetibilidade é a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo valor variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se em porcentagem do span.

Linearidade é a característica desejada na variável tanto em relação à entrada quando à saída de determinado instrumento.

Sensibilidade (ganho) é a medida da resposta do instrumento, expressa como variação na saída sobre variação na entrada. É o valor resultante do span de saída dividido pelo span de entrada.

Resolução é a menor diferença substancialmente percebida entre indicações de um dispositivo mostrador.

Ajuste é uma operação destinada a fazer com que um instrumento de medição tenha desempenho compatível com a sua utilização.

Calibração é um conjunto de operações que estabelece, sob condições específicas, a relação entre os valores indicados por um instrumento, ou sistema de medição, ou valores representados por uma medida materializada, ou material de referência com os valores correspondentes às grandezas estabelecidas por padrões.

Incerteza de medição é um parâmetro que expressa o intervalo no qual estão os valores que poderão ser razoavelmente atribuídos ao mensurando dentro de uma probabilidade específica. A incerteza de medição também é caracterizada pela indicação quantitativa da qualidade dos resultados da medição, sem a qual estes não poderiam ser comparados com os valores de referência especificados ou com um padrão. Deve-se levar em consideração que o resultado de uma medição é somente uma estimativa do valor do mensurando. Dessa forma, a expressão que representará o valor de tal mensurando deverá incluir a incerteza de medição.

Padrão é a medida materializada, instrumento de medição, material de referência ou sistema de medição destinados a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou mais valores de uma grandeza para servir como referência.

Erro combinado é o desvio máximo entre a reta de referência e a curva de medição, incluindo os efeitos de não linearidade, histerese e repetibilidade. É expresso em porcentagem do sinal de saída nominal.

Simbologia em instrumentação industrial

Diagrama P&I

As etapas de um processo químico de transformação devem ser controladas para se obter o produto final desejado. Cada uma das etapas do processo é monitorada por instrumentos.

Diagramas de instrumentação podem ser utilizados em uma grande variedade de processos, desde petroquímicos, gás, alimentos, etc.

Os diagramas P&I (Piping and Instrumentation) são fundamentais em automação de processos, pois sua formulação é uma das etapas mais importantes no projeto de processos industriais. Esses diagramas são largamente utilizados para a descrição detalhada de projetos de malhas de controle. Eles descrevem os elementos de medida utilizados, tipos de controle, esquemas de controle e, principalmente, a sua interconexão com o processo propriamente dito.

Símbolos são utilizados no P&I para representar elementos individuais, como sensores e válvulas, ou a combinação de elementos, como malhas de controle.

Existem diversos padrões para a simbologia P&I, e também é possível que algumas companhias utilizem uma convenção própria para a descrição de seus processos. Para este estudo é utilizada a Norma ISA-S5.1, a mais aceita internacionalmente e frequentemente utilizada no dia a dia das indústrias.

Nos diagramas P&I, um círculo representa instrumentos de medida individuais, como transmissores e sensores.

Para indicar os mostradores e tipos de controladores é utilizado um quadrado com um círculo interno. Essa simbologia serve para representar instrumentos que, além de efetuarem medições, executam alguma tarefa de controle.

Simbologia para mostradores e tipos de controladores

Quando o símbolo é um hexágono, a representação diz respeito às funções de controladores e tipos de CLPs.

Simbologia para controladores (tipos e localização)

Também temos os sinais empregados na simbologia P&I.

Sinais empregados na simbologia P&I

Identificação de instrumentação

As normas de instrumentação ISA S-5.1, 5.2, 5.3, 5.4, de 1992, estabelecem símbolos, gráficos e condições para a identificação alfanumérica de instrumentos ou funções programadas que deverão ser utilizados nos diagramas e malhas de controle de projetos de instrumentação.

As letras de identificação na simbologia ISA determinam:

Todo instrumento ou função programada deve ser identificado por um conjunto de letras (identificação funcional) e um conjunto de algarismos (malha ou função programada).
Às vezes é necessário completar a identificação do instrumento com um sufixo.

Identificação de instrumento

A identificação funcional é formada por um conjunto de letras, sendo elas responsáveis por identificar qual é o tipo de medição ou indicação que se está realizando. A primeira letra identifica a variável medida. Assim, um controle de temperatura se inicia com a letra T, o mesmo para pressão P.

Mas fique alerta:

a letra usada para o controle de nível é L, pois a classificação é a partir da língua inglesa na qual Nível é Level.

Dessa maneira, a primeira letra da identificação funcional é selecionada de acordo com a variável medida e não com a variável manipulada. A variável manipulada é a variável controlada pela variável medida; logo, uma válvula de controle comandada por um controlador de nível, que altera a vazão para controlar o nível, é identificada com LV, e não como FV.

As letras subsequentes às das variáveis identificam as funções do instrumentos, sendo classificadas como:

As letras subsequentes de funções modificadoras podem atuar ou complementar o significado da letra precedente. A letra modificadora altera a primeira ou uma das subsequentes. No caso de LILL, deve-se explicar que o instrumento em questão está indicando um nível muito baixo(LL). Por isso é usada uma quarta letra, um L de Low (“baixo” em inglês). Se o instrumento indicasse um alarme de nível alto ou extremamente alto as letras subsequentes seriam, respectivamente, H e HH, High.

Assim, temos que as letras subsequentes caracterizam as funções dos instrumentos na seguinte ordem:

A identificação funcional deve ser composta por no máximo 3 letras. A quarta letra só será admitida em caso de extrema necessidade, como são os seguintes casos:

Letras de identificação (ISA)

Letras de identificação (ISA)

Simbologia específica para medição de nível

simbologia específica para medição

simbologia específica para medição continuação

Como medir e controlar níveis?

Agora chegou o momento de adentrar ao tema medição de nível.

Vimos que nível é uma importante variável na indústria não somente para a operação do próprio processo, mas também para fins de cálculo de custo e de inventário.

Mas como realmente se dá a medição e controle de nível?

Os sistemas de medição de nível variam em complexidade desde simples visores para leituras locais até indicação remota, registro ou controle automático.

Por essa razão é importante entendermos quais são os tipos de medidores de nível e em qual classificação eles estão inseridos.

Classificação e tipo de medidores de nível

Os processos na indústria demandam medições tanto de nível de líquidos como de sólidos. A medida do nível de um reservatório contendo líquido ou sólido é feita com o objetivo de conservar a variável em um valor fixo ou entre dois valores determinados, ou ainda para determinar a quantidade (volume ou massa) do fluido em questão.

Vantagens e desvantagens dos métodos

A medição direta pode ser feita medido-se diretamente a distância entre o nível do produto e um referencial preestabelecido. Para este tipo de medição, o mais comum é utilizar a observação visual, através de réguas, gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador, ou até mesmo através da reflexão de ondas ultra-sônicas pela superfície do produto.

Já na método de medição indireta, o nível é medido indiretamente em função de grandezas físicas a ele relacionadas, como por exemplo, pressão (manômetros de tubo em U, níveis de borbulhador, níveis de diafragma, células de pressão diferencial,etc), empuxo (níveis de deslocador) e propriedades elétricas(níveis capacitivos, detector de nível condutivo, níveis radioativos, níveis ultra-sônicos, detector de nível de lâminas vibrantes,etc).

Por fim, na medição descontínua, os medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o nível alcança os pontos fixos desejados, que são valores correspondentes à quantidade de um determinado produto em equipamentos que, uma vez atingidos, acarretam uma ação necessária à operação normal ou à segurança do sistema ao qual o equipamento pertence.

As vantagens e desvantagens da medição direta ou indireta estão relacionadas à determinação da variável desejada, se nível ou volume.

Determinação do Nível

A preferência é das medições diretas, pois o peso específico do líquido a medir varia com o tempo. Nos demais casos usa-se o outro método, de acordo com a medição a efetuar.

Determinação do Volume

A preferência é das medições diretas. Levando em consideração a área da base do reservatório, tem-se que:

Determinação do Volume

Onde:
V = volume do líquido
h = altura do líquido
S = área da base do reservatório
Determinação da Massa

A preferência é atribuída às medidas indiretas. Assim, tem-se as seguintes expressões:

Determinação do Volume, preferência atribuída às medidas indiretas

Onde:
P = peso do produto
ρ = massa específica
M = massa

A relação acima demonstra que o peso específico não intervém na medida. Se for usada medição direta, a fórmula

Determinação do Volume, conhecimento do peso específico

deverá ser aplicada, o que implica no conhecimento do peso específico.

Medidores de Nível por Medição direta

Régua ou Gabarito, Visores de Nível e Bóia ou Flutuador são os principais tipos de medidores de nível por medição indireta.

Medidor de Nível tipo Régua ou Gabarito.

Medidor de Nível tipo Régua ou Gabarito

Os medidores de nível do tipo Régua ou Gabarito consistem em uma régua graduada que tem o comprimento conveniente, para ser introduzido dentro do reservatório onde vai ser medido o nível.

A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento marcado na régua, pelo líquido.

São instrumentos simples e de baixo custo permitindo medidas instantâneas. A graduação da régua deve ser feita a uma temperatura de referência, podendo estar graduada em unidades de comprimento, volume ou massa.

Visores de Nível

O princípio dos vasos comunicantes é aplicado aos visores de nível. Um tubo transparente é colocado desde a base do reservatório até o seu ponto mais alto. A disposição utilizada permite a leitura precisa do nível do líquido, mesmo se tratando de altas pressões.

Os visores de nível servem exclusivamente para a monitoração do nível de líquido ou da interface entre dois líquidos imiscíveis, em vasos, colunas, reatores, tanques etc. submetidos ou não à pressão.

Os visores são aplicados quase sempre na monitoração local do nível, por causa do seu baixo custo em comparação com outros tipos de instrumentos, a não ser em casos onde a pressão e temperatura sejam excessivas e impeçam a sua utilização.

Devido às suas características construtivas, os visores de nível são de fácil manutenção e construídos de maneira a oferecer segurança durante toda a operação.

Para atender as mais variadas aplicações em diversos processos existem atualmente os visores do tipo tubular, de vidro plano, magnéticos e os especiais para uso em caldeiras.

Visores de Vidro Tubular

Os visores de vidro tem esse nome porque são fabricados com tubos de vidro. Os tubos são retos com paredes de espessuras adequada a cada aplicação. Quanto a fixação, são colocados entre duas válvulas de bloqueio de desenho especial através de união e juntas de vedação apropriadas à especificidade do projeto.

O comprimento e o diâmetro do tubo dependem das condições a que o visor estará submetido, porém convêm observar que estes não suportam altas pressões e temperaturas.

Para proteção do tubo de vidro contra eventuais choques externos são fornecidas hastes protetoras metálicas colocadas em torno do tubo de vidro ou com tubos ou chapas plásticas em seu entorno.

Visores de Vidro Tubular

Os tubos de vidro têm diâmetros normalizados onde para cada dimensão estão relacionados valores de pressão e temperatura máximas possíveis.

Devido às limitações quanto a sua resistência a segurança, os visores de vidro tubular são recomendados para uso em processos que não apresentam pressões superiores a cerca de 2,0 bar e em temperaturas que não excedam a 100 graus Celsius.

Os visores de vidro tubular não são recomendados para uso com líquidos tóxicos, inflamáveis ou corrosivos, porque a fragilidade destes instrumentos aumenta a possibilidade de perda de produto.

Por essa razão recomenda-se que o comprimento do tubo não exceda os 750mm e caso seja necessário cobrir faixas de variação de nível maiores, orienta-se usar dois ou mais visores com sobreposição de faixas visíveis.

Esquema de visor com sobreposição das faixas visíveis

Visores de Vidro Plano

Os vidros planos são superiores aos visores tubulares. Esse fato resulta da inerente falta de segurança apresentada pelos visores tubulares em aplicações com pressões elevadas.

Os visores de vidro plano são compostos de um ou vários módulos onde se fixam barras planas de vidro. Estes módulos são conhecidos como as seções dos visores.

Visor de vidro plano com três seções

Apesar da diversidade de modelos e fabricantes, cada seção apresenta uma altura variando de 100 a 350mm e, dependendo do desnível a ser medido, os visores podem ser compostos de várias seções (visor multisseção).

No entanto, recomenda-se que cada visor tenha, no máximo, quatro seções. Além desse limite preestabelecido, o peso da unidade torna-se excessivo e o visor pode deixar de ser autossustentável, carecendo de suportes adicionais.

Caso estejam previstas variações amplas na temperatura do fluido, o visor deverá ser provido com loops de expansão para possibilitar a dilatação ou contração resultantes. Quando o desnível a ser medido exigir um número de seções adicionais serão sobrepostos
como mostra.

Visores sobrepostos

A desvantagem dos visores multisseções são as regiões de não visibilidade entre seções adjacentes. Normalmente elas medem cerca de 38mm.

A especificação dos materiais que compõem esse tipo de visor depende da aplicação (temperatura, pressão, tipo de fluido etc.), mas geralmente eles têm os seguintes componentes básicos:

  • Vidro: feito de borosilicato temperado capaz de suportar choques térmicos e mecânicos. Devido à sua própria natureza, não deverá ser aplicado qualquer esforço que resulte em flexão.
  • Corpo de Visor: a câmara por onde passa o fluido usualmente é feita em aço carbono usinado. Para fluidos corrosivos ou alta pressão deverá ser utilizado aço inoxidável (AISI 304 ou 316).
  • Espelho: a tampa frontal, que deve suportar altas tensões, é fabricada em ferro modular ou aço carbono/inoxidável (para pressões médias e elevadas).
  • Juntas: as juntas de vedação são em papelão hidráulico e as juntas almofadas de amianto (grafitado).

Classificação dos Visores Planos

Os visores de vidros planos podem ser do tipo reflex ou transparente.

Visor Plano Reflex

O visor plano reflex possui um vidro com ranhuras prismáticas na face de contato com o líquido cujo nível se deseja medir.

Seu funcionamento se baseia na lei ótica da reflexão total da luz.

A superfície interna do vidro é composta de prismas normais no sentido longitudinal do visor.
Os raios de luz normais à face do visor atingem a superfície do prisma com um ângulo de 45º, sofrendo reflexão total, pois o ângulo crítico é ultrapassado (para a superfície vidro-ar o ângulo crítico é de 42º).

A partir da influência da luz, o visor apresenta-se para o observador uma cor prata brilhante. Na região do visor onde existe líquido, não ocorre a reflexão total, pois o ângulo não é ultrapassado (para a superfície vidro-água é de 62º). Consequentemente, é possível ver a superfície que se apresenta na cor negra.

Visor Plano Reflex

Utilização dos visores planos reflex

Os visores reflex não devem ser utilizados nas seguintes aplicações:

  • Fluidos corrosivos ao vidro e neste caso inclui-se também o vapor d’água saturado a pressões superiores a 30 bar. Tais aplicações demandam que a superfície interna do vidro seja protegida contra o ataque do agente corrosivo (geralmente mica) prejudicando a ação dos prismas.
  • Fluidos viscosos, pois um agarramento do fluido sobre o vidro torna ineficaz a ação dos prismas.
  • Iluminação insuficiente no local de instalação.
  • Detecção da interface de dois líquidos não miscíveis, caso em que o visor ficaria escurecido por igual na região onde qualquer dos dois líquidos não miscíveis estivesse presente.

Visor Plano Transparente

Os visores planos transparentes utilizam dois vidros localizados um na parte posterior do visor e outro na parte anterior.

Os dois vidros vão permitir a transparência do visor à luz. O raio luminoso entrará por um dos vidros e será absorvido parcial ou totalmente pelo fluido no interior do visor. A parte com vapor absorverá menos luz que a com líquido, proporcionando assim um contraste ao observador.

Para melhorar a visibilidade, pode-se acrescentar o visor com lâmpadas, localizado-as na parte posterior do instrumento.

Utilização dos visores transparentes

Os visores transparentes são utilizados em aplicações com fluidos coloridos, viscosos ou corrosivos ao vidro. São aplicáveis, também, à supervisão da interface entre dois líquidos.

Os visores transparentes também são usados quando o fluido no interior do visor for corrosivo ao vidro (ex: água de caldeira com pressão superior a 30 bar), nesse caso é necessário instalar um material transparente protetor (geralmente mica) entre o vidro e a junta de vedação.

A seleção desse material deverá ser criteriosa para não prejudicar a visibilidade do instrumento. Alguns plásticos, por exemplo, tornam-se translúcidos com a incidência da luz solar e por isso devem ser evitados nos visores transparentes.

Visor plano transparente

Recomendações para instalação e operação eficiente

Instalação típica de um visor

Geralmente a instalação de um visor de vidro requer os seguintes acessórios adicionais:

Válvulas de isolação das tomadas de amostra (válvula 1 e 2).

Válvula de bloqueio junto ao visor, normalmente, são válvulas de três vias (3 e 4) que permitem conectar o visor à tubulação de tomada no equipamento ou à saída de dreno ou respiro.

Válvula de dreno ( 5 ) instalada na extremidade inferior do visor. Eventualmente poderá ser instalada também uma válvula para respiro em lugar do plugue.

− A especificação da classe de pressão, material e outras características das válvulas, tubo e do próprio visor devem seguir a especificação do equipamento a ele relacionado. Várias opções para instalação de instrumentos de nível podem ser usadas. O API-RP550 (Manual of Instrumentation of Refinery Instruments and Control System – Parte 1 – Seção 2), mostra várias alternativas para instalação de visores, bem como recomendações quanto à dimensão e tipos de válvulas, conexões e tubulações.

A segurança do instrumento se dá através das válvulas de bloqueio do visor que podem ter uma esfera de retenção para a prevenção da descarga de fluido na atmosfera se, por acaso, o vidro se quebrar ou ocorrer vazamento excessivo no visor.

Para maximizar a viabilidade da instrumentação, as válvulas de bloqueio deverão ser instaladas lateralmente. Por outro lado, para facilitar o posicionamento do visor em relação ao observador poderão ser instaladas válvulas “off-set” que permitem a comunicação sem obstruções entre a conexão ao visor e a saída de dreno ou respiro, já que a haste da válvula é deslocada lateralmente em relação ao canal de comunicação visor-dreno/respiro.

Quando instalados em vasos onde também se encontram instrumentos de medição contínua de nível recomenda-se que os visores encubram uma faixa maior que a destes, de forma a facilitar o ajuste ou verificação de funcionamento dos medidores.

Os visores de vidro devem ser instalados em posição que permita ao operador uma boa visibilidade e fácil acesso para manutenção do tubo de vidro, das válvulas e juntas. O vidro deve ser mantido sempre limpo e verificadas sempre as condições das juntas de vedação e válvulas de bloqueio.

Medidor de Nível tipo Flutuador

Existem 3 tipos de medidores de nível flutuadores. Eles são classificados de acordo com a sua localização na planta. Podendo ser internos, externos ou livres.

Medidor de Nível com flutuador interno

Medidor de Nível com flutuador interno

Na medição de nível com flutuador interno, como o próprio nome já indica, é composto por um dispositivo esférico colocado para flutuar no tanque. Seu funcionamento se dá pelo movimento vertical convertido de uma alavanca em movimento rotativo para um indicador externo.

A rotação da alavanca produz uma indicação direta ou acima um contato magnético. O flutuador tipo esférico é normalmente usado quando grande resistência à pressão é desejada.
O flutuador é desenhado de modo que a linha de centro da esfera coincida com o nível da
superfície do líquido, proporcionando uma máxima sensibilidade na mudança de nível.

O medidor de nível com flutuador interno é usualmente utilizado em tanques abertos.

É preciso ter cuidado para assegurar que não ocorra vazamentos quando estes são usados com pressão ou em tanque de vácuo.

Medidor de nível com flutuador externo

Medidor de nível com flutuador externo

Ao contrário do instrumento anterior o flutuador agora é colocado em uma câmara montada do lado de fora do tanque. Seu funcionamento se dá conforme o nível do flutuador varia e ele se movimenta verticalmente. A variação é transmitida ao elemento indicador através de um sistema de Alavancas.

A vantagem identificada diante do sistema com flutuador interno está no fato deste ser menos afetado por oscilações na superfície do líquido contido no tanque ou por sua vaporização.

Com este medidor pode-se obter o nível em tanques sob pressão ou vácuo, medir nível de interface entre dois líquidos de densidade diferentes e medir nível de líquido corrosivos.

É indicado especialmente para os casos em que a instalação de um flutuador tipo bóia dentro do tanque de medição não for recomendado.

Medidor de nível tipo flutuador livre

Medidor de nível tipo flutuador livre

Medidor de nível tipo flutuador livre indica a variação do nível do líquido através do movimento ascendente e descendente do flutuador ligado por meio de uma fita metálica ou corrente a um peso. O deslocamento do flutuador de utilização deste medidor é de aproximadamente de 0 a 30m.

Medidores de Nível por Medição Descontínua

Os medidores de nível que utilizam o método de medição descontínua de nível são compostos por duas partes principais: um detector de nível e um circuito de saída, que pode estar energizado ou desenergizado.

O detector deste instrumento informa ao circuito de saída a presença ou ausência do produto em determinada posição; cabe ao circuito estabilizar o sinal de saída em função dessa informação.

MEDIÇÃO DESCONTÍNUA

Os medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o nível atinge os pontos fixos desejados. Assim sendo, esses medidores podem ligar uma bomba, acionar um alarme ou desencadear uma sequência de operações automáticas quando o nível atinge um ponto fixo cujo valor pode ser previamente ajustado.

Medidores de Nível por Medição Indireta

Agora chegou a vez de falar sobre os medidores de nível que atuam pelo método de medição indireta.

Medidor de Nível por Empuxo

Este medidor de nível é composto por um detector que utiliza o seguinte princípio de Arquimedes:

“Um corpo imerso em um líquido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima igual ao peso do volume do líquido deslocado.”

A esta força exercida pelo fluido no corpo nele submerso é empregado o nome de empuxo. Quanto maior for a densidade do líquido, maior será o seu empuxo. A água salgada, por exemplo, é mais densa que a água doce dos rios, por isso é mais fácil nadar no mar.

Deslocador (Displacer)

Deslocador

O deslocador comumente utilizado como sensor de transmissores de nível tem a forma de um cilindro oco. Pode ser fabricado em materiais como aço inox 304 ou 316, monel, hastelloy, tefflon sólido, etc. A escolha do material adequado é determinada principalmente pela temperatura e poder corrosivo do fluido.

Quando necessário, no interior do cilindro são depositados contrapesos granulados no intuito de normalizar o peso do deslocador. Uma vez que o empuxo aumenta de acordo com o percentual de imersão, o peso aparente do deslocador diminui com o aumento do nível.

Deslocadores

O deslocador pode trabalhar diretamente no interior do equipamento ou dentro de um compartimento denominado câmara, dependendo das características dinâmicas do processo, propriedades físicas do líquido e facilidade de manutenção desejada.

Deslocadores

Na realidade, a câmara é constituída de duas partes. A câmara inferior abriga o deslocador e apresenta nas configurações LL e LB. duas conexões flangeadas ou roscadas para sua fixação no equipamento. A câmara superior encerra o braço de torque e, nos casos em que as duas conexões estão localizadas na câmara inferior, permite a remoção do deslocador sem que seja necessário desmontá-la do Equipamento.

Conexões

Conexões

Além disso, desacoplando os flanges de interface, pode-se girar as câmaras superior e inferior de modo a reorientar as conexões com relação ao transmissor. Quando o deslocador é especificado para ser fornecido com câmara, devem ser previstas duas conexões laterais do equipamento principal, as quais serão interligadas às correspondentes conexões da câmara através das tomadas de equalização. Cria-se assim um sistema de vasos comunicantes que garante, sob condições de estabilidade no líquido, igualdade entre os níveis no equipamento e na câmara.

As quatro configurações apresentadas são normalmente oferecidas pelos fabricantes, onde T significa topo, B base e L lado. A distância D é preestabelecida pelo fabricante para cada comprimento do deslocador, fato que deve ser considerado quando forem dotadas as tomadas de equalização. Além de padronizar no comprimento, alguns fabricantes adotam um volume de referência para seus deslocadores; Isto porque, fixadas a elasticidade do elemento de sustentação e a densidade do líquido de processo, o alcance do sinal de entrada no transmissor é completamente determinado pelo volume do deslocador.

Tubo de Torque

O tubo de torque é composto por um tubo oco, fechado em uma das extremidades, fabricado a partir de materiais tais como aço inox 304, 316, inconel, monel e outros. A espessura da parede do tubo de torque é tipicamente 1/32 pol, embora os tubos para medição de densidade sejam fabricadas até com 1/64 pol. Os fabricantes oferecem modelos para atender até 160 kg/cm2, estendendo-se a faixa de temperatura de trabalho de – 200ºC a + 400ºC.

Quando o nível desce, o deslocador movimenta-se para baixo, devido a redução da força empuxo. Surge uma torção ao longo do tubo do torque. Esta torção eqüivale à distensão de uma mola, que equilibra o esforço que lhe é aplicado através de uma reação proporcional à deformação linear sofrida.

Da mesma forma, o ângulo com que gira à extremidade livre do tubo de torque é proporcional ao momento com que reage o tubo de torque em resposta ao acréscimo do peso aparente.

Como a variação do empuxo é proporcional à variação de nível (pois o empuxo é proporcional ao volume deslocado, que, por sua vez, é proporcional ao percentual submerso do deslocador), segue-se que a rotação da extremidade livre do tubo de torque é proporcional à variação de nível.

Esta rotação, transmitida integralmente ao conversor através do eixo de transmissão e se situa entre 4 e 5 graus para uma excursão completa do nível ao longo do comprimento do deslocador.

A haste do deslocador e o braço de torque por um lado e o eixo de transmissão por outro lado constituem o acoplamento, que adentra por meio do elemento de vedação representado pelo tubo de torque.

A extremidade livre da haste é ligada ao sistema de transmissão que pode ser pneumático ou elétrico.

Faixa de Medição e Precisão dos Tubos de Torque

Sua faixa de medição varia de acordo com a aplicação sendo que a faixa máxima disponível normalmente no mercado é de 0 ~ 5.000mm sendo que a precisão varia conforme o fabricante, entre 0,5 e 2%.

Medidor de Nível por Pressão Diferencial

Como o próprio nome já remete, estes instrumentos medem diferenciais de pressão que são provocados pela coluna líquida presente nos equipamentos cujo nível se deseja medir.

Os instrumentos funcionando, segundo este princípio, são em geral transmissores, por essa razão é que vamos tratar especificamente desta espécie de instrumento.

O princípio mais comum de funcionamento dos transmissores de pressão diferencial do tipo diafragma é o princípio de equilíbrio de forças. Nele as pressões que definem um dado diferencial são aplicadas através das conexões de entrada do instrumento a duas câmaras situadas em lados opostos, estanques entre si e separadas por um elemento sensível (diafragma).

As pressões atuando sobre o elemento com uma superfície determinada produzem forças de mesma direção e sentidos opostos, fazendo originar uma força resultante. A força então resultante, no caso de transmissor tipo célula capacitiva, provoca uma variação na relação das capacitâncias(C1 e C2). A variação provocada é proporcional à pressão diferencial. Por fim essa pressão é convertida e amplificada proporcionando um sinal de saída em corrente na saída do transmissor (normalmente de 4 – 20 mA).

Condição de tanque aberto

O lado de alta pressão do transmissor de pressão diferencial é ligado pela tomada da parte inferior do tanque e o lado de baixa pressão é aberto para a atmosfera.

Visto que a pressão estática do líquido é diretamente proporcional ao peso do líquido, este pode ser obtido pela medida do primeiro. Neste caso, o medidor de pressão pode ser usado em vez do transmissor de pressão diferencial.

O transmissor de pressão diferencial é usualmente montado em uma posição que corresponde o nível baixo de medição.

Medidor de Nível tipo Pressão Diferencial (tanque aberto)

Condição de tanque fechado

Quando a pressão dentro do tanque fechado é diferente da pressão atmosférica, os lados de alta e baixa pressão ficam conectados individualmente por tubos na parte baixa e alta do tanque para obter pressão diferencial proporcional ao nível líquido.

Tanque fechado

Condição de tanque fechado com vapor

Quando se necessita medir nível em tanque fechado contendo vapor, se faz necessário preencher a tomada de alta pressão com um líquido (normalmente água) para evitar que se forme uma coluna de água nesta tomada, devido à existência de condensado que se acumularia nela e provocaria medição falsa. Neste caso, deve-se fazer a correção do efeito desta coluna.

Medição de Nível com Transmissor de Pressão Diferencial

Características físicas nominais

As características mais comuns dos transmissores do tipo pressão diferencial:

Faixa: 250/1250mm H2O até 5000/25000mm H2O
Sinal de saída: 4 ~ 20 mA
Alimentação: 24 Vcc (eletr.)
Pressão de Projeto: Max 400 Kgf/cm2
Limites de Temperatura (ambiente e processo): – 40º a + 120ºC
Precisão: apresenta valores de ordem de ± 0,1% da faixa (span), incluindo efeitos conjuntos de linearidade, histerese e repetibilidade.
Conexão do processo: ¼” NPT ou ½” NPT.

Materiais

O transmissor de pressão diferencial pode apresentar uma série de combinação de materiais para as partes que têm contato com fluido: Aço Inoxidável 316 e 316L, Hastelloy C, Monel, Tântalo, Duranickel. Também podem ser fornecidos com preparação especial dos internos para operações com oxigênio e hidrogênio.

Os corpos (câmara de pressão) são geralmente de aço inoxidável forjado ou de aço carbono forjado (niquelado ou cadmiado).

Já o invólucro da eletrônica é normalmente de liga de alumínio alto impacto.

Fórmulas de cálculo da altura do líquido

Tanque aberto

Fórmula tanque aberto

Onde:

Fórmula tanque aberto

Nível em tanque aberto utilizando transmissor de flange

Tanque fechado

Fórmula Tanque fechado

Nível de Tanque fechado com condensador

Instalação

O transmissor de pressão diferencial é instalado no campo sob um suporte para tubulação (vertical ou horizontal). Seu posicionamento na linha de processos depende quase que exclusivamente da variável a ser medida. Existem instalações típicas para medições de vazão de líquidos, gases e vapor. Para medições de nível, devem ser consideradas as colunas de pressão atuantes no transmissor no momento do seu ajuste e calibração.

Tipos de Instalação para transmissor diferencial

Cálculos para calibração

Onde:

  • 1 – Nível máximo
  • 2 – Nível mínimo
  • δ1 – Peso específico de líquido
  • δ2 – Peso específico do líquido de selagem

a) Tanque aberto

  • Span: (x + y + z) . δ1
  • Elevação de zero: Y . δ1 + Z . δ2

b) Tanque fechado

  • Span: (x + y + z) . δ1
  • Elevação de zero: Y . δ1 + Z . δ2

c) Com selagem líquido

  • Span: (x + y) . δ1
  • Supressão de zero: d . δ2 – Y . δ1

Borbulhador

Borbulhador

A medição com borbulhador serve para detectar o nível de qualquer tipo de líquido, seja ele viscoso, corrosivo etc.

Neste método é necessário um suprimento de ar ou gás e uma pressão um pouco superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Ajusta-se o valor, normalmente para algo em torno de 10% a mais do que a pressão hidrostática.

O sistema do borbulhador engloba uma válvula agulha, um recipiente com líquido e um indicador de pressão. Vale salientar que o recipiente com líquido não deve permitir que o ar ou o gás passem.

A vazão de ar ou gás deve ser ajustada até que se observe a formação de bolhas em pequenas quantidades. Um tubo levará esta vazão de ar ou gás até o fundo do vaso do qual queremos medir o nível. É aí que o nome do instrumento faz sentido. Temos então um borbulhamento bem sensível de ar ou de gás no líquido.

Na tubulação pela qual fluirá o ar ou o gás, instalamos um indicador de pressão, que indicará um valor equivalente à pressão devido ao peso da coluna líquida. A pressão do ar ou gás (purga) deve ser de aproximadamente 10% do valor da pressão do peso da coluna líquida quando o nível do reservatório estiver em 100%.

Materiais

O tubo de medição pode ser executado em qualquer material, mas sempre levando em consideração o fluido a ser monitorado.

Os materiais utilizados poderam ser de aço inox ou aços especiais e também plásticos (PVC), teflon etc.

Erros de Calibração

O erro neste tipo de medição normalmente ocorre no elemento receptor. O sistema não introduz erros consideráveis desde que convenientemente montado e regulado.

Recomendações para seleção

O método do borbulhamento tal como descrito não é indicado para vasos sob pressão, visto que uma variação na pressão do vaso irá afetar a leitura, somando-se à coluna de líquido. Isto faz com que o instrumento receptor acuse nível maior que o realmente existente nos vasos.

Sob vácuo ocorre o mesmo. Nestes casos deve-se usar um instrumento de pressão diferencial onde uma das tomadas é ligada ao topo do equipamento.

Os borbulhadores não são recomendados também, quando o ar ou gás possa contaminar
ou alterar as características do produto.

O ar utilizado deve ser o ar de instrumentos, seco e isento de óleo, ou qualquer gás inerte.

O líquido não deve conter sólidos em suspensão e sua densidade deve manter sempre constante.

Recomendações para Instalação

O tubo de medição deve ser instalado firmemente, não permitindo vibrações ou deslocamentos longitudinais. Deve-se cuidar para que equipamentos como agitadores ou serpentinas não interfiram no funcionamento dos borbulhadores.

Deve-se, sempre que possível instalá-lo em um ponto onde as variações de nível por ondulação da superfície sejam mínimas e onde é possível instalar quebra-ondas.

A extremidade do tubo imersa no líquido deve ter um corte em ângulo ou um chanfro triangular com a finalidade de formar bolhas pequenas, garantindo uma pressão no interior do tubo o mais estável possível.

Medidor de Nível por Ultrassom

O famoso ultrassom é uma onda sonora (mecânica), cuja frequência de oscilação que passa de 20 kHz. É uma frequência sonora maior do que aquela sensível pelo ouvido humano.

Faixa de som audível e ultrassom

A geração do ultrassom ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico. Esta excitação é transferida de molécula a molécula do meio com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das moléculas.

A propagação do ultrassom depende do meio, se este é se apresenta de forma sólida, líquida ou gases e sua componente longitudinal da onda propaga-se à velocidade característica do material, isto é, é função exclusivamente deste.

Na água, por exemplo, a 10ºC, a velocidade de propagação do som é de 1440 m/s; enquanto isso, no ar, a 20ºC, a velocidade de propagação é de 343 m/s.

A velocidade do som é a base para a medição através da técnica de ECO, usada nos transmissores de nível ultrassônicos, sendo função da temperatura e da pressão, isto levando em consideração que os efeitos originados por esta última são desprezíveis.

Geração do ultrassom

As ondas de ultrassom são geradas pela excitação elétrica de materiais piezelétricos.

A característica marcante desses materiais é a produção de um deslocamento quando aplicamos uma tensão. Assim sendo, eles podem ser usados como geradores de ultrassom, compondo, portanto, os transmissores de nível ultrassônicos.

Inversamente, quando se aplica uma força em um material piezelétrico, resulta o aparecimento de uma tensão no seu terminal elétrico. Nesta modalidade, o material piezelétrico é usado como receptor de ultrassom.

Pela sua estabilidade, o quartzo cultivado é um dos materiais mais recomendados para fabricação do sensor transdutor.

A excitação destes transdutores pode ser realizada de três maneiras:

  • Pulso: a excitação de pulso consiste em excitar o transdutor com pulsos que podem atingir uma tensão acima de 500V e com a duração de alguns nanosegundos. A frequência de repetição dos pulsos é da ordem de 300 a 1000 kHz.
  • Onda Contínua: como o nome indica, na excitação por onda contínua o transdutor é excitado por uma onda senoidal (às vezes, onda quadrada) ininterruptamente.
  • Trens de onda: pode ser produzido por um gerador de ondas senoidais que é ligado por um tempo e, em seguida, desligado, repetindo-se o processo periodicamente.

Material Piezoelétrico

O princípio de operação dos dispositivos ultrassônicos tem por base uma lei da ótica física que diz que o ângulo de reflexão (i) é igual ao ângulo de incidência (r).

Princípio de reflexão de ondas

Quando uma onda ultrassônica, que se propaga em um meio, incide sobre a interface de duas substâncias de densidades diferentes, faz surgir duas ondas emergentes: uma onda ultrassônica proveniente da reflexão nessa interface (onda refletida) e outra proveniente da mudança de meio de propagação, denominada onda refratada.

Os instrumentos do tipo ultrassônico utilizam o princípio de operação concentrado na reflexão da onda gerada pelo transdutor, quando encontra a interface com o produto cujo nível desejamos medir ou no lapso de tempo gasto pela onda desde o instante que é gerada. Tudo isso até o instante em que retorna àquele transdutor depois de refletir-se na interface.

Detector Contínuo de Nível

No detector contínuo de nível uma onda é emitida e o tempo necessário para retornar é permite a indicação de profundidade. Este sistema (SONAR) mede o tempo necessário para uma onda ultrassônica ir da superfície do líquido, refletir-se e depois retornar.

O transdutor pode ser montado no topo do equipamento ou imerso no meio líquido, cujo nível se deseja medir.

Detector de nível ultrassônico e contínuo

O tipo de instalação A prevê dois transdutores, um para emissão e outro para recepção, montados em receptáculos distintos. Neste caso, a onda é gerada no ar, propagando-se até a interface ar-líquido, onde ocorre a reflexão, para depois a onda refletida ser recebida no cristal receptor. A medição contínua do nível de líquido se faz de uma maneira indireta, uma vez que todo o percurso da onda é realizado no meio ar.

Em B o transdutor gera um trem de pulsos (burst) ultra-sônico e, enquanto a energia acústica é gerada, o receptor está desativado.

O emissor e o receptor estando num único receptáculo, faz-se necessário a ativação do receptor após a emissão do trem de ondas, visando à detecção do eco. A montagem da unidade emissão/recepção no meio gasoso traz a vantagem de se evitar o contato com o fluido do processo; em contrapartida, apresenta a desvantagem de transferir para o meio gasoso uma parcela maior de sua energia.

Nas aplicações para medição de nível de líquidos, a direção do ângulo de incidência deve ser de ± 2º em relação à vertical. Na instalação C, o tempo de eco ultra-sônico indica diretamente o nível do produto.

A unidade pode ainda ser montada externamente ao vaso (situação D), apresentando a vantagem adicional da não necessidade, de vazar o equipamento.

As instalações C e D discutidas neste subitem são aplicáveis à detecção de nível de líquidos limpos, enquanto os esquemas A e B podem ser usados também para medir níveis de sólidos.

Medidor de Nível por Radiação

Os sistemas radiomáticos são utilizados para medição de nível de líquidos, polpas ou sólidos granulados em aplicações onde nenhuma outra tecnologia disponível pode ser aplicada. Inclusive, esta é uma exigência da CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear), órgão que regula e garante a segurança do uso de material radioativo em qualquer atividade.

Os medidores de nível por radiação são compostos por uma fonte de emissão de raio gama (δ), um detector tipo câmara de ionização ou cintilação e uma unidade eletrônica conversora e transmissora de sinal.

A fonte utilizada no instrumento, normalmente de césio 137, fica alojada em uma cápsula de aço inox blindada por chumbo ou ferro fundido. Uma abertura na estrutura blindada é deixada desbloqueada para emissão do raio gama um ângulo de 40º (medição contínua) ou 7º (medição pontual).

O detector mais utilizado para este tipo de medição de nível é formado por uma câmara contendo gás inerte (ex: argônio) pressurizado, alimentado por uma tensão contínua negativa (-15 VDC) e um coletor de elétrons.

A corrente elétrica, produzida pela passagem do raio gama é diretamente proporcional a intensidade da radiação e inversamente proporcional ao nível do produto no silo ou tanque. Esse sinal é convertido em tensão e/ou frequência para finalmente, pela unidade eletrônica ser transmitida através de sinal de corrente de 4 a 20 mADC.

Medidor de Nível por Radiação

A intensidade da fonte, que é medida em Ci (Curie), é calculada considerando a distância da mesma ao detetor, a espessura e o material da parede, e o produto. Já o comprimento do detetor considera o alcance de medição desejada.

Medição de Nível por Pesagem

A medição de nível por pesagem consiste basicamente na instalação de células de cargas nas bases de sustentação do silo cujo nível se deseja medir.

Trata-se de um método de medição de nível indireta que pode ser empregado para sólidos e líquidos.

Medição de nível por pesagem

A expressão para obter o valor do nível do tanque leva em consideração a densidade preestabelecida do produto.

Fórmula Nível por Pessagem

A: Área do tanque
H: Nível
ρ: Densidade do produto

Calibração

Para calibrar o transmissor, basta fazer uma relação entre sua saída quando o tanque estiver cheio e quando estiver vazio. Esse tipo de medição de nível apresenta boa precisão para materiais com densidade constante.

Células de carga

As células de carga usadas na medição de nível por pesagem são compostas por sensores constituídos por fitas extensiométricas (STRAIN-GAUGES) fixados adequadamente em um bloco de aço especial com dimensões calculadas para apresentar uma deformação elástica e linear quando submetido a uma força.

O papel das fitas extensiométricas é detectar a deformação obtida através da variação de sua resistência elétrica.

As células de carga podem ser instaladas sob os pontos de apoio da estrutura do silo, de tal maneira que o seu peso é nelas aplicado.

É necessário que as células de carga sejam imunes a esforços laterais. Para isto seus encostos para a carga são constituídos de apoios especiais do tipo côncavo ou esférico.

Instalação

O número de células de carga varia em função da forma do silo, sendo que a solução que apresenta melhor precisão é apoiar o silo em três células dispostas defasadas de 120º em relação à projeção do seu centro de simetria.

Sempre que possível o silo deve ser projetado com seção transversal circular de forma a garantir uma distribuição estável e equalizada do peso total entre as três células de carga.

Em algumas instalações existem silos apoiados em uma ou duas células de carga sendo os outros apoios fixos; esta solução não é recomendada devido à imprecisão provocada pela distribuição desigual do peso entre os apoios.

Nos silos pequenos é possível utilizar células de carga que são deformadas por tração. O silo deve ser suspenso por uma única célula, o que acaba eliminando o problema de distribuição de carga.

Medidor de Nível Capacitivo

A capacitância é a grandeza elétrica que existe entre duas superfícies condutoras entre si.

Um capacitor para medição de nível consiste em dois condutores, denominados placas, separados por um material dielétrico. Este componente, muito utilizado em circuitos elétricos, tem como principal característica a propriedade de armazenar cargas elétricas.

A unidade de medida de um capacitor é o farad (F). Um capacitor 1F é capaz de armazenar a carga de 1 coulomb (1C) quando conectado a uma fonte de 1V (volt).

A capacitância é dada pela expressão:

Capacitância

Uma variação nas características do material entre as placas irá causar uma mudança na constante dielétrica. A sonda capacitiva é isolada da parede do vaso e forma uma das placas do capacitor; a parede será a outra placa. O fluido entre as duas placas é o dielétrico que irá formar o capacitor. À medida que o nível de líquido no tanque aumenta, o lugar que antes era preenchido com ar dá espaço ao líquido, que possui uma maior constante dielétrica.

A variação de capacitância é proporcional à variação da constante dielétrica, e um circuito eletrônico é calibrado para relacionar essa variação de capacitância com a variação de nível.

Medidor capacitivo

Recomendações de utilização

Um cuidado que deve ser tomado é em relação à temperatura, pois à medida que se aumenta a temperatura as constantes dielétricas tendem a diminuir. Essa variação é a na ordem de 0,1%/°C. Muitos instrumentos já vêm com circuitos de compensação dos efeitos da variação de temperatura.

Duas configurações são tipicamente empregadas para esse tipo de medidor, levando em consideração se o fluido a ser medido é condutivo ou não.

O primeiro tipo de capacitor empregado é o cilíndrico, usado para medição de um fluido condutivo.

Sensor capacitivo

Valore típicos de constantes dielétricas para alguns elementos

O outro tipo de capacitor usado é cilindro concêntrico, composto por duas placas de metal sem isolação na forma de cilindros concêntricos são imersas em uma substância.

Os capacitores concêntricos são usados para líquidos não condutivos, aqueles de condutividade menor que 0,1 µmho/cm³.

Medição de nível para tanques com fluidos não condutivos

À medida que o nível do líquido se altera no tanque, a relação entre o líquido (l) e o valor (L-l) será alterada. A capacitância C1 será a capacitância parasita do isolador da sonda sendo considerada constante. Já C2 e C3 são as capacitâncias das fases vapor e líquido, respectivamente, e Ka e Kp são as constantes das fases líquido e vapor, A1 é o diâmetro do vaso, B é o diâmetro da sonda Ce é a capacitância equivalente. Dessa forma, quando as constantes dielétricas são constantes a capacitância será somente função da altura do produto que está sendo medido.

Medição de Nível de Sólidos

A medição de nível é algo extremamente necessário para atender as demandas que a indústria exige atualmente.

O crescente surgimento de mais e mais plantas com processos que requerem o manejo de materiais sólidos granulados (pó e grãos) exige o uso de tecnologias superiores às convencionais.

A medição de nível de sólidos necessita de uma melhor monitoração e/ou controle imposta aos fabricantes de instrumentos no intuito de implementar as técnicas de medição dessa variável onde as tecnologias convencionais não se aplicam.

No mercado é possível encontrar diversos modelos de dispositivos eletromecânicos, eletrônicos, sônicos ou nucleares capazes de atender às mais diferentes necessidades.

Geralmente é exigido o controle do volume ou massa de sólidos armazenados em silos, depósitos de compensação e sistemas de dosagem.

Uma boa parte dos medidores mostrados ao longo desta publicação têm aplicação quase que universal e obtém ótimos resultados. Contudo, a desvantagem se dá no custo elevado em relação aos dispositivos mais simples, menos precisos, mas desde que estes instrumentos mais baratos atendam plenamente aos requisitos do processo e às condições físicas para a sua instalação.

É o barato que pode sair caro. Muitas empresas pensam a curto prazo e não enxergam os prejuízos de instrumentos de medição de nível que interrompem incessantemente os processos por motivos que podem ser evitados com o uso do medidor certo.

Por exemplo, se você usar uma chave de nível com tecnologia de três terminais (cote-shield) você não terá interrupções na seu processo por alarmes falsos devidos à incrustações. A produtividade será intensamente superior, pois a planta funcionará continuamente e sem paradas não planejadas.

Ao escolher o melhor instrumento para a utilizar em sua planta é importantíssimo saber do funcionamento e das limitações que cada aparelhos tem. Você também deve prestar atenção em outros fatores envolvidos no processo, como: material estocado; geometria e estrutura do silo; precisão requerida; custo; etc.

Como escolher o melhor medidor de nível?

A escolha do tipo de medidor de nível que você vai usar deve levar em consideração a especificidade do sensor. Ele deve ser escolhido de acordo com suas características químicas e físicas, o estado da matéria, as interferências das variáveis temperatura e pressão e principalmente o local da instalação.

Por exemplo, se a opção melhor for a medição por pressão diferencial deve-se recorrer as mesmas recomendações sugeridas para os medidores de pressão de líquidos. Se o fluido for sólido granulado é importante verificar a geração de poeira, vapores e também o perfil de carga e descarga.

Sistemas de medição de nível mais utilizados

O método utilizado para medição de nível deve ser escolhido sob uma criteriosa análise da sua concreta implementação. É preciso entender o comportamento dinâmico, tipo de silo ou tanque, tipo do material, precisão requerida etc.

Dentre os métodos ou técnicas mais comuns estão a sonda capacitiva, o sistema de pesagem, o sistema radioativos, ultrassônicos, todos já abordados ao longo do texto.

Instrumentos para Alarme e Intertravamento

O objetivo fundamental da medição de nível está ligado à monitoração e/ou controle da quantidade de fluidos estocados em silos e tanques. A medição envolvendo sólidos deve levar em consideração que os processos geralmente são dinâmicos e assim ocasionam periódicas cargas e descargas.

Toda essa movimentação recorrente demanda os uso de medidores de nível ponterais. Esse tipo de instrumentação é chamada de chave de nível.

As chaves de nível são feitas tendo como saída pontos específicos de nível de um elemento, como nível baixo, médio, alto, entre outros. Seu objetivo é acusar uma condição extrema ocorrida no armazenamento do fluido. Dessa forma, serve para evitar tanto o excesso como a falta de material no reservatório, assim, respectivamente, controlando a ocorrência de transbordo e o trabalho em vazio.

Chaves de Nível

As chaves de nível são instrumentos de medição feitos para atuar em determinados pontos fixos de nível. Estes pontos fixos são valores de nível em equipamentos que, uma vez alcançados, exigem o desencadeamento de alguma ação necessária à boa operação ou à segurança do sistema ao qual pertence o instrumento.

Por exemplo, uma chave de nível pode ligar uma bomba, acionar um alarme ou desencadear uma sequência de operações automáticas quando o nível atinge um ponto fixo, cujo valor é informado à chave através de ajuste a ela inteligíveis. Por isso são chamadas de chaves: são instrumentos que acionam sinais durante do processo para interferir de alguma maneira.

As chaves de nível são capazes de dar como saída somente um dentre dois estados: energizado e desenergizado. Para realizarem esta tarefa, as chaves são compostas basicamente de duas partes: um detector de nível e um circuito de saída. O detector informa ao circuito de saída a presença ou ausência do nível em determinada posição; e o circuito de saída se encarrega de alterar o estado de saída da chave em função da informação transmitida pelo detector.

Chave de Nível por vibração

A chave de nível com lâmina vibratória atua sob o princípio do amortecimento da vibração de uma haste singela ou de duas hastes em forma de diapasão.

O amortecimento mecânico acontece pela absorção de energia de vibração pela viscosidade de um líquido ou pela resistência de sólidos granulares ou em pó que entram em contato com uma ou mais hastes.

A chave de nível por vibração consiste em um garfo simétrico com duas extremidades. Na base do garfo há uma fina membrana com conexão a uma extensão em aço inoxidável que entra em contato com o processo. O garfo de vibração é excitado por uma frequência de ressonância por meio da membrana através de um cristal piezoelétrico.

Chaves de nível por vibração

O garfo de vibração é projetado para quando for imerso em um material haver um deslocamento na sua frequência de ressonância de aproximadamente 10% a 20%. A frequência de ressonância é coletada por um receptor de cristal, e o seu deslocamento, por um circuito específico tem por função comutar do tipo NA ou NF.

Por fim, de acordo com a configuração em que é executada, a chave de nível vibratória poderá ser instalada lateralmente ou no topo do reservatório. Só é preciso ter cuidado com os cantos onde possam haver acúmulo de material e do mesmo modo com as áreas em que ocorre a queda de material para a alimentação do reservatório

Cuidados na instalação do sensor

Chave de Nível Capacitiva por Admitância

As chaves de nível com tecnologia de admitância por trabalharem com radiofrequência (RF) e por possuírem circuito de proteção contra incrustação (cote-shield) são os instrumentos que têm se mostrado mais eficientes em praticamente todos os tipos de aplicação. Só são superadas pelas chaves radioativas, utilizadas em processos específicos.

Chave de nível capacitiva a dois terminais

O funcionamento da chave de nível por admitância leva em consideração os já mencionados princípios de operação das chaves de nível capacitivas.

Simplificando a teoria de funcionamento, o procedimento das chaves de nível por admitância se dá pela seguinte maneira: a capacitância (nível do tanque) sobe até tocar o elemento sensor e assim um alarme de nível é acionado dando início a alguma operação própria do processo (desligamento, alarme etc.).

Esmiuçando o funcionamento do instrumento, temos um sistema alimentado por uma tensão de 110/220 VCA cujo um conversor interno CA/CC (transformador) converte a tensão em 24 VCD e partes do circuito são estimuladas. O circuito oscilador gera uma onda senoidal, em rádio frequência de 100KHz, e está conectado a um circuito ponte. Esse circuito ponte contém um capacitor de ajuste de sintonia o qual balanceia a capacitância de saída do elemento sensor (sonda). O circuito ponte é conectado diretamente ao elemento sensor através de um cabo coaxial. A blindagem do cabo coaxial é conectado ao terra que está em um lado da medição. O final do cabo do elemento sensor tem sua blindagem conectada ao condulete que protege as terminações do elemento sensor. Como o condulete e o corpo do sensor estão afixados ao tanque, o sistema é então aterrado via as conexões do reservatório.

Durante o procedimento de ajuste, a capacitância do sensor no tanque é balanceada pelo capacitor de ajuste de sintonia e assim deixando o circuito ponte em equilíbrio.

No processo de calibração, a capacitância do cabo mais a do sensor estão balanceadas, e a saída para a demodulação é de 0 volts.

Quando o nível do tanque sobe uma grande capacitância ocorre. Isto causa uma mudança no sinal que está sendo enviado para o demodulador, onde ele é convertido em tensão contínua proporcional ao desbalanço.

Essa mudança no sinal é amplificada e utilizada para energizar o relé.

Os contatos do relé são utilizados para ativar um alarme ou um comando apropriado. Esse sistema seria perfeito se não apresentasse como grande desvantagem o aparecimento de incrustações que se formam progressivamente ao longo do sensor. Esse problema é ainda maior se o produto for condutivo.

Chave de nível capacitiva a três terminais

A grande diferença entre a chave de nível capacitiva a três terminais está neste terceiro elemento incorporado. Esse sistema implementado por um circuito de proteção contra incrustação chamado cote-shield.

Trata-se de um dispositivo amplificador com ganho “1”. Sua saída de tensão e fase são idênticas à entrada, mas com baixa impedância. A saída é conectada à blindagem do cabo coaxial e então para a malha de blindagem no sensor, daí o nome cote-shield (escudo para incrustação).

O condutor central e a blindagem do cabo coaxial por estarem submetidos à mesma tensão e fase o tempo todo, estão sempre no mesmo potencial e nenhuma corrente fluirá através da capacitância de isolamento do cabo.

É aí que a “mágica” acontece. Ou melhor, a tecnologia bem utilizada. Dessa forma,
como não há diferença de percentual entre a haste sensora e ocote-shield, não haverá nenhuma corrente fluindo através do circuito eletrônico devido à incrustação existente no sensor.

A eletrônica medirá somente a corrente que flui pelo fio central do elemento sensor para o terra, e isso somente ocorrerá quando o material tocar o elemento sensor. Haverá uma corrente fluindo do cote-shield para a parede do tanque porque a diferença de potencial existirá nesse momento. Entretanto, essa corrente não será medida e não irá provocar mudança de status na saída do instrumento. Quando o nível do tanque subir e tocar a haste central do sensor, irá provocar uma corrente que fluirá através do demulador e provocada mudança de status do relé, indicando assim presença do material.

Aplicações

As chaves de nível por admitância são aplicáveis a grande maioria das situações de medição de nível por ponto não importando ser o produto um líquido, pasta ou sólido granulado.

Cuidados na Instalação

Os sistemas de medição de nível por ponto foram projetados para montagem em campo. Contudo, eles devem ser montados no tanque de forma que vibrações, atmosféricas corrosivas e quaisquer efeitos por danos mecânicos sejam reduzidos ao máximo.

Caso não seja possível minimizar esses transtornos, deve-se instalar um sistema com eletrônica remota.

Outro fator que deve ser levado em consideração ao instalar um medidor de nível capacitivo por admitância é o seu posicionamento no reservatório, silo ou tanque. Não existe restrição para montagem vertical ou horizontal, mas deve-se levar em consideração se o sensor adequado está sendo utilizado.

Entretanto para serviços em grânulos eletricamente isolantes, recomenda-se a montagem com orientação a 45º graus da parede do tanque. Como alguns sistemas são fabricados com elemento contra incrustação incorporado ao sensor, deve-se atentar ao fato de que o cote-shield deve ter seu comprimento superior ao do pescoço da montagem, ou seja isolado da rosca de montagem.

Vantagens e Desvantagens de cada medidor de nível

Muito se falou sobre os mais diversos tipos de medidores de nível. Chegou a hora de apresentar os prós e contras de cada um dos principais instrumentos de medição de nível.

Os principais aspectos a serem considerados na escolha do medidor de nível são:

  • densidade e viscosidade
  • composição química
  • agitação no processo
  • vapores e poeiras
  • acúmulo de material

Chave de nível capacitiva por admitância (cote-shield)

Vantagens

  • precisão confiável
  • não possui componentes móveis
  • insensível a borbulhamento, turbulência, espuma na superfície ou partículas em suspensão
  • imune à incrustação
  • pode ser instalada em várias posições
  • pode ser usada em produtos com alta viscosidade

Desvantagens

  • contato com o produto
  • sensível a elevados graus de pressão, temperatura, ou agressividade do produto

Sonda capacitiva

Vantagens

  • instalação simples
  • baixo custo de aplicação
  • vários tipos de aplicação

Desvantagens

  • contato com o produto
  • sensibilidade a variações na constante dielétrica e condutividade
  • falsa medição por acúmulo de produto no sensor

Chave de nível por vibração

Vantagens

  • não possui componentes móveis
  • insensível a borbulhamento, turbulência ou partículas em suspensão
  • pode ser instalada em várias posições
  • não requer calibração
  • pode ser usada em produtos com alta viscosidade

Desvantagens

  • contato com o produto
  • falsa medição devido a incrustação

Chave condutiva

Vantagens

  • baixo custo
  • não possui componentes móveis
  • pode ser empregado em mais de um ponto de operação

Desvantagens

  • contato com o produto
  • contaminação dos eletrodos com produto, impedindo a continuidade do circuito

Flutuador

Vantagens

  • simplicidade
  • confiabilidade
  • capacidade de medição de diferentes produtos

Desvantagens

  • instrumento mecânico passível de manutenção
  • contato com o produto

Borbulhador

Vantagens

  • instalação e calibragem simples
  • somente os tubos ficam em contato com a água
  • não é afetado por espuma na superfície
  • resistente à obstrução por água suja

Desvantagens

  • requer o fornecimento constante de ar e seu devido sistema de tratamento
  • especificidade da instalação: o ar utilizado deve ser o ar de instrumentos, seco e isento de óleo, ou qualquer gás inerte.
  • especificidade do produto: o líquido não deve conter pó em suspensão, e deve ser mantida constância de sua densidade

Medição por pesagem

Vantagens

  • precisão para materiais de densidade constantes
  • mede líquidos e sólidos

Desvantagens

  • custo elevado
  • requer elevada quantidade de dispositivos mecânicos para instalação
  • exige material de densidade constante
  • sensível a ventos

Medição por pressão diferencial

Vantagens

  • medição de nível ou de volume
  • simples configuração
  • precisão razoável

Desvantagens

  • precisão varia de acordo com a densidade constante do fluido
  • requer complementação com medidor multivariável
  • elevado custo de instalação devido às tomadas de impulso

Ultrassom

Vantagens

  • não tem contato com o produto
  • sem componentes móveis
  • precisão típica de 0,25% do fundo de escala
  • a medição não é afetada por mudanças na composição, densidade e pressão

Desvantagens

  • sensibilidade a espuma, bolhas e turbulências
  • não é recomendado para altas pressões e temperaturas

FONTES

SENAI. Automação: Fundamentos de Instrumentação
FRANCHI, C. L. Instrumentação de Processos Industriais: Princípios e Aplicações
SENAI. Programa de Certificação Pessoal de Instrumentação Básica

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