Saiba quais são os medidores contínuos e qual é o mais adequado para o seu segmento

Para quem trabalha com Instrumentação Industrial, uma das atividades de maior importância é o controle de nível em silos e tanques de processos industriais. 

Quando este controle é feito corretamente, ao longo de um processo industrial, faz uma grande diferença na produtividade de uma planta.

Medidores contínuos são utilizados para garantir uma medição mais precisa. Neste post, falaremos mais sobre quais são os principais tipos de medidores contínuos e qual é o mais adequado para o seu processo.

O que é um processo contínuo?

O processo contínuo é aquele que opera ininterruptamente uma grande quantidade de produtos e materiais nas mais diversas formas e 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 contínuo 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.

Medição de Nível Contínuo

A Medição de Nível Contínuo mede o nível do produto em tempo real no reservatório em que ocorre um processo contínuo. Ela é feita por Transmissores de Nível.

Por exemplo, em diferentes equipamentos industriais, utiliza-se a cal. Com um controle adequado da Medição de Nível Contínuo, o consumo desta matéria prima poderá ser monitorada remotamente e em tempo real pelo fornecedor. 

Assim, é possível enviar o produto para etapas seguintes do processo e recomeçar o abastecimento do reservatório no momento em que o nível ideal for atingido.

Exemplos de instrumentos de Medição de Nível Contínuo

  • Medidores Ultrassônicos
  • Radares de Onda Guiada
  • Transmissores Capacitivos
  • Medidores por Pressão Diferencial
  • Transmissores com a RF-Admitância
  • Equipamentos Radiométricos

Utilizando os Medidores Ultrassônicos para a Medição de Nível Contínuo

Os medidores ultrassônicos funcionam com a emissão de uma alta frequência sonora, acima de 20kHz. O pulso é emitido por um transceptor que também recebe esse pulso no seu retorno. Uma onda de som geralmente percorre a uma velocidade conhecida.

Logo, conhecida a velocidade do som, o tempo de trânsito deste pulso é medido e a distância é calculada. O medidor calcula o tempo que a onda leva para sair do emissor e retornar ao receptor. Pronto! Está feita a medição.

Os medidores de nível por ultrassom operam pela geração de ultrassom e pela medição do tempo que ele leva para retornar. O tempo de viagem é uma indicação da profundidade do espaço acima do produto no tanque.

Com esse princípio pode-se medir o espaço do topo até a superfície de contato do líquido.

É bem comum encontrarmos medidores ultrassônicos sendo utilizados para controlar alguns processos dentro das indústrias.

Porém, diversos cuidados precisam ser tomados na utilização de um transmissor ultrassônico, pois as condições de temperatura, reflexão, propagação e absorção interferem nas características do sinal e afetam diretamente a confiabilidade da medição.

É importante considerar o tipo de produto a ser medido, pois o fluido/produto precisa possuir capacidades de reflexão da onda sonora. Líquidos e sólidos com partículas grandes possuem boas características de reflexão. Superfícies aveludadas e porosas tem baixa reflexão, pois tendem a absorver o pulso ultrassônico.

Também é importante que a superfície refletiva seja plana. Desta forma, o ângulo de reflexão será igual ao ultrassom de incidência, facilitando a leitura do sinal de eco. 

Caso o pulso seja refletido em uma superfície inclinada, o sinal refletido não será direcionado de volta à fonte emissora do sinal. Também existirá dificuldade em medir sinais refletidos em superfícies irregulares.

Portanto, devemos ponderar sobre a escolha de um transmissor ultrassônico para realizar a Medição de Nível em processos contínuos.

Utilizando o Radar de Onda Guiada para a Medição de Nível Contínuo

Esses sensores empregam o princípio de reflectometria no domínio do tempo (TDR). O princípio de funcionamento dos radares de onda guiada vem diretamente de uma técnica que caracteriza as propriedades distribuídas em linhas de transmissão.

O transmissor lança um sinal de baixa amplitude e alta frequência pulsado em um guia de onda e analisa sequencialmente a amplitude do sinal refletido. O guia de onda é um cabo, haste ou tubo imerso no fluido a ser medido. 

Quando o sinal entra em contato com o fluido de constante dielétrica e maior que a do ar, o pulso eletromagnético transmitido pela onda guiada é impedido de prosseguir e é refletido de volta ao detector.

Essas reflexões viajam de volta pela sonda até um circuito dedicado em que é detectado e medido o seu tempo, sendo convertido para a medição de nível contínuo. Caso não tenha fluido no tanque, o sinal viajará até o final da sonda e não retornará.

Como os radares de onda guiada trabalham com pulsos eletromagnéticos, a intensidade do sinal refletido depende da constante dielétrica do fluido medido. Quanto maior a constante dielétrico, maior a intensidade do sinal de reflexão e melhor será a medição de nível.

Por se tratar de um sensor com contato com o produto, é importante considerar características de abrasão e corrosão do produto, turbulência dentro do tanque e constante dielétrica. A faixa de medição também se faz importante, pois faixas longas encontram dificuldades mecânicas para a operação. 

Vale atentar às possíveis estruturas internas dentro dos tanques. Qualquer barreira encontrada pelo pulso eletromagnético o fará retornar para o detector e informar indicação de nível.

Utilizando os Transmissores Capacitivos para a Medição de Nível Contínuo

Os sensores são constituídos por dois condutores, separados por um isolador. Esses condutores são chamados de placas, e o isolador, de dielétrico. É exatamente o mesmo conceito de um capacitor como nós conhecemos.

A Capacitância é a razão do produto da constante dielétrica com a área das placas pela distância entre elas. Uma variação nas características do material entre as placas irá causar uma mudança na constante dielétrica. O sensor é isolado da parede do vaso, formando 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 do fluido no tanque aumenta, o espaço que, antes era preenchido com ar, dá lugar ao fluido, que possui uma maior constante dielétrica.

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

Os transmissores capacitivos apresentam como vantagens a facilidade de instalação, larga faixa de aplicações e baixo custo para aplicações em processos industriais. E as maiores desvantagens são: o fato do sensor estar em contato com o produto e a possibilidade de acúmulo de produto no sensor causar falsas medições.

Utilizando a Pressão Diferencial para a Medição de Nível Contínuo

Como seu próprio nome menciona, esse sensor mede o nível de um líquido pela diferença entre duas pressões detectadas separadamente. Na medição de pressão diferencial, são comparadas duas pressões P1 e P2, as quais devem satisfazer as condições de P1 > P2 ou P2 > P1.

Para detectar as duas pressões necessárias e efetuar os cálculos para definição do nível de líquido dentro de um vaso, é necessário conectar a câmara de alta pressão do transmissor à parte de baixo do vaso, através de um flange com diafragma e um tubo capilar preenchido por um fluido de enchimento. A mesma conexão é feita com a câmara de baixa pressão do transmissor, dessa vez na parte de cima do tanque.

A pressão atuante na câmara de alta é a soma da pressão exercida sobre a superfície do líquido e a pressão exercida pela coluna de líquido no fundo do tanque. Já a câmara de baixa pressão do transmissor mede somente a pressão exercida sobre a superfície do líquido. 

Quando é aplicada pressão do processo, o diafragma é deslocado, transferindo para o transmissor a pressão medida através do fluido. Essa pressão transferida desloca o diafragma de detecção do sensor de pressão do transmissor.

A medição de nível contínuo pelo método de pressão diferencial é dada pela razão da diferença das pressões pelo produto da densidade do líquido e da aceleração da gravidade.

Com a densidade do produto conhecida, a aceleração da gravidade constante e o diferencial de pressão medido através do transmissor, a única variável no processo passa a ser o nível do líquido dentro do tanque.

Dentre as vantagens para esse tipo de medição, estão: a fácil configuração e a precisão razoável. Porém, como essa medição depende da densidade constante do líquido a ser medido, qualquer variação na temperatura causará falhas e equívoco no nível do fluido. 

Além disso, a medição de nível contínuo por pressão diferencial somente é aplicável em produtos líquidos, jamais em produtos sólidos ou pó.

Utilizando a RF-Admitância para a Medição de Nível Contínuo

Os transmissores com a tecnologia RF-Admitância possuem tecnologia baseada nos princípios de capacitância.

Por se tratar de uma tecnologia mais avançada, estes transmissores possuem um terceiro terminal, que funciona como um escudo protetor, capaz de ignorar desafios como  incrustação, espuma, pó ou poeira em suspensão.

Sabendo que capacitância se dá pelo produto da constante dielétrica e a área das placas dividido pela distância entre elas. 

Conhecida a constante dielétrica do produto dentro do tanque e a distância entre as placas do condutor central e terra (haste do sensor e parede do tanque respectivamente), a única variável a ser controlada nesse processo é a área de contato das placas. Essa área de contato aumenta ou diminui com a variação de produto dentro do tanque.

Considerando que a variação de produto dentro do tanque é em escala volumétrica, logo a capacitância gerada pelo aumento da área de contato é originada de m³ de produto. 

Mesmo que haja acúmulo de produto ou incrustação sobre o sensor, esta não será considerada, pois a ordem de capacitância gerada será de cm³, ou seja, 1.000.000 de vezes menor que a capacitância gerada pelo volume de produto no tanque.

Os transmissores com a tecnologia RF-Admitância são os mais indicados para a maioria dos processos contínuos e só são superados por Equipamentos Radiométricos, que possuem aplicações específicas.

Utilizando Equipamentos Radiométricos para a Medição de Nível Contínuo

Os equipamentos radiométricos funcionam pela incidência de radiação em determinado momento do processo, que absorve parte dessa radiação recebida e o resultado da absorção gera a medição indireta do nível no processo. Estes equipamentos possuem uma estrutura básica de dois elementos (fonte emissora de radiação e detector).

Até pouco tempo atrás, a emissão dos raios gama na indústria vinha do isótopo Césio-137 (Cs-137). Os instrumentos de Medição de Nível mais modernos, entretanto, já contam com o Cobalto-60, além do isótopo Césio-137.

A Medição de Nível ou Densidade utilizando fontes radioativas é aplicada em processos complexos onde instrumentos convencionais não são compatíveis com as características do processo, como em ambientes adversos.

Um detector de cintilação (cristal de cintilação + tubo fotomultiplicador), é utilizado para monitorar a radiação emitida pela fonte. Uma vez que a distância entre a fonte radioativa e o detector é fixada, a atenuação da radiação que chega ao detector é proporcional à variação de densidade, que, por sua vez, é proporcional à variação do nível do reservatório.

A blindagem de fontes dos Equipamentos Radiométricos mais modernos é menor, resultando em custos mais baixos de aquisição e de transporte, tanto para a blindagem quanto para a própria fonte.

Vale lembrar que existe um campo de radiação fraco em torno da fonte, e essa exposição à radiação é mínima. É menor que a radiação que somos expostos quando usamos os nossos celulares.

As maiores vantagens desses tipos de medidores é que eles não estão em contato com o produto, a instalação é externa ao processo, não sofrem influências de variação de temperatura e pressão e ainda proporciona altíssima precisão.

O que torna complexa a sua utilização é o fato de necessitar estar em dia com a regulamentação da CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear), órgão regulador para uso de radiação no nosso país. Com isso, é necessário um corpo de profissionais capacitados e certificados, além de monitoramento.

Esperamos ter ajudado você a entender um pouco mais sobre Medição de Nível Contínuo e os principais medidores utilizados para manter o controle dos processos. Para você saber mais sobre as tecnologias ideais para a Medição de Nível, confira o nosso eBook gratuito clicando aqui.

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