Sensor de Nível Contínuo – Como Funciona a Medição de Nível Com Eles?

Você sabe para que serve o Sensor de Nível Contínuo? Continue lendo e entenda ainda mais!

Devido à grande diversidade de Sensores de Nível disponíveis no mercado, selecionar o correto para a sua aplicação, especificamente, pode ser difícil. Nesse post, falaremos mais sobre Sensor de Nível Contínuo.

A Medição de Nível Contínuo é um desafio recorrente para a Instrumentação Industrial. Para quem trabalha na área, uma das atividades de maior importância é o Controle de Nível em silos e tanques de processos. O Controle de Nível feito corretamente ao longo de um processo industrial, faz uma grande diferença na produtividade de uma planta.

Uma Medição de Nível confiável traz diversos benefícios  para a operação, como segurança operacional, eficiência de processo, redução de perdas, dentre outros!

Mas o que é a Medição de Nível?

Medição de Nível é a forma que se controla determinado produto ou fluido, seja ele líquido ou sólido, dentro de um recipiente específico.

Imagine uma jarra com uma escala métrica impressa na sua superfície. Conforme você vai enchendo esta jarra, é possível saber a quantidade de mililitros que foi inserido no recipiente. Isto é uma forma de Medição de Nível.

Agora, em termos industriais, a escala de grandeza torna-se muito maior!

E por se tratar de uma indústria, a precisão, a exatidão e a repetibilidade são de extrema importância. Sem falar na grande responsabilidade sob o processo industrial que um instrumentista possui. Portanto, é dever de todo bom profissional de instrumentação usar o medidor de nível mais adequado para a sua operação.

Você sabe para que serve o Sensor de Nível Contínuo? Continue lendo e entenda ainda mais!

Sensor de Nível Ultrassônico

O Sensor de Nível Ultrassônico funciona com a emissão de uma alta frequência sonora, que é 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 conhecidadeterminada. 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!

O Sensor de Nível Ultrassônico opera 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 Sensores de Nível Ultrassônicos sendo utilizados para controlar alguns processos dentro das indústrias. Porém, diversos cuidados precisam ser tomados na utilização de um desses, 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 deve 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 Sensor de Nível Ultrassônico.

Critérios para seleção de um Sensor de Nível Ultrassônico

A primeira questão que deve ser avaliada, é a distância de medição. O sensor escolhido precisa ter o alcance correspondente ao tamanho do tanque cujo nível será medido. Fatores como impurezas e poeiras podem limitar  a distância de medição do sensor.

O segundo fator para ser levado em consideração, é a composição e propriedades da superfície do produto. Uma superfície turbulenta ou com bolhas, absorverá o sinal reduzindo, consideravelmente, a refletividade. A presença de espuma também deve ser levada em consideração nas questões de reflexão de sinal.

Em sólidos, o tamanho dos grãos tem um papel fundamental. Grãos muito pequenos refletem menos energia, podendo resultar em problemas no final da medição.

O último critério para a seleção de um ultrassom, são as condições do ambiente. Pressões elevadas podem danificar, mecanicamente, o equipamento, e pressões muito baixas não permitem que o ar seja capaz de transmitir o som adequadamente. Variações de temperatura alteram a velocidade e o meio pelo qual o sinal percorre também. Seja pelo ar ou por gás.

Uma das vantagens de uso desse equipamento, é que não ocorre contato com o produto, e sem não possui partes móveis em sua composição. Já as desvantagens são: sensibilidade a espuma, bolhas e turbulências, além de não ser recomendado para altas pressões e temperaturas.

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Sensor de Nível do tipo Radar

Enquanto os Sensores de Nível Ultrassônicos trabalham com uma alta frequência sonora, o radar trabalha com pulsos eletromagnéticos. Estes utilizam uma faixa de 6 a 28 GHz para fazer a medição contínua de líquidos e sólidos. As aplicações típicas não costumam exceder 30 metros de faixa, o que pode ser considerado uma faixa pequena para a técnica de medição com radar.

Por se tratar de níveis de energia relativamente baixos, não é necessário nenhum cuidado especial para evitar danos à saúde dos operadores e/ou contaminação dos produtos medidos.

O Sensor de Nível do tipo Radar, é instalado no topo do tanque, e o cone de geração, é focado para baixo, perpendicularmente ao líquido a ser medido, fazendo com que o sinal refletido a partir da superfície, retorne diretamente ao sensor.

A refletividade pode ser analisada pelas características de condutividade e constante dielétrica do material. Logo, materiais não condutivos ou com baixa constante dielétrica, absorvem micro-ondas e oferecem muito pouco sinal em comparação com materiais que tenham elevada constante dielétrica.

Por esse motivo, podem ocorrer alguns problemas de medição com a existência de espuma e de um material de pequena constante dielétrica, causando medições incorretas, e proporcionando um sinal de retorno fraco.

Agitadores também podem causar problemas para a medição, pois a sua estrutura interna pode alterar o perfil da onda de retorno. Portanto, os Sensores de Nível tipo Radar não são indicados para a Medição de Nível contínua com incrustação, pó em suspensão, espuma e vácuo.

Sensor de Nível tipo Radar de Onda Guiada

Esse sensor emprega o princípio de reflectometria no domínio do tempo (TDR).

O princípio de funcionamento do Sensor de Nível tipo Radar de Onda Guiada vem, diretamente, de uma técnica que caracteriza as propriedades distribuídas em linhas de transmissão.

O sensor 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 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 dielétrica, maior a intensidade do sinal de reflexão e melhor será a medição de nível.

Por se tratar de um Sensor de Nível 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 ficar atento às possíveis estruturas internas dentro dos tanques. Qualquer barreira encontrada pelo pulso eletromagnético o fará retornar para o detector e informar indicação de nível medida.

Sensores de Nível Capacitivos

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 capacitor que nós conhecemos.

Capacitância é a razão do produto da constante dielétrica com a área das placas pela distância entre elas.

Capacitância

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 Sensores de Nível 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.

Sensor de Nível RF Admitância

Os sensores RF Admitância possuem tecnologia baseada nos princípios de capacitância. Basicamente, os sensores puramente capacitivos possuem dois terminais, condutor central e terra. Logo, quanto menor a distância entre esses terminais, maior é a capacitância gerada no sensor.

Diferente dos sensores RF Admitância.!

Por se tratar de uma tecnologia mais avançada, possuem um terceiro terminal, funcionando como um escudo protetor, capaz de ignorar a fuga de corrente resistiva do condutor central para o terra, causada por incrustação, espuma, pó ou poeira em suspensão.

Os Sensores de Nível RF Admitância são os mais indicados para a maioria das aplicações, garantia pois garantem a qualidade e segurança na medição de líquidos e sólidos. Sendo a única desvantagem uma medição com contato com o produto. Neste caso, pode ocorrer abrasão em contato com alguns sólidos brutos.

Sensor de Nível Radiométrico

Os Sensores de Nível Radiométricos, funcionam pela incidência de radiação ionizante em determinado momento do processo – que absorve parte dessa radiação recebida – e o resultado da absorção gera a medição indireta do nível no processo.

Eles possuem uma estrutura básica de dois elementos (fonte emissora de radiação e detector). Os isótopos mais comuns utilizados na fonte emissora são o Césio 137 (Cs-137) e o Cobalto 60 (Co-60).

A fonte de radiação é instalada no lado externo ao tanque, emitindo um feixe de radiação colimado em 45° na maioria dos casos. Ao lado diametralmente oposto, é instalado o detector que possui uma tecnologia capaz de fazer a leitura da quantidade de radiação que chega até o seu receptor.

Como a radiação é parcialmente absorvida por todo e qualquer corpo que esteja no seu caminho de incidência, faz com que a quantidade de radiação apresentada no detector sejaé inversamente proporcional ao nível de produto dentro do tanque, ou seja, quanto maior o nível de produto, menor a quantidade de radiação que chega no detector.

Uma das maiores vantagens desse tipo de medição, é que não possui contato com o produto pois a instalação é externa ao processo, não sofre influências de variação de temperatura e pressão, e ainda proporciona altíssima precisão.

O que torna complexa a sua utilização, é fato de necessitar manter-se em dia com a regulamentação da CNEN, órgão regulador para uso de radiação ionizante. Com isso, é necessário um corpo de profissionais capacitados e certificados, além de  monitoramento constante. Outra desvantagem é o custo para a solução. Fatores como tecnologia de ponta e trâmites administrativos e burocráticos tornam o processo custoso e demorado.

Agora você pode estar pensando em qual tecnologia deve utilizar para processos em que se aplica mais de uma tecnologia! Nesse caso, sugerimos a você, manter a padronização da planta.

Isso garante a uniformidade e especialização dos operadores, além de reduzir a quantidade de sobressalentes em caso de possíveis danos. Além do mais, a seleção do sensor correto de medição de nível é baseada, não somente, na escolha da tecnologia de medição, mas também nas características de aplicação e nas necessidades de instalação.

Não existe tecnologia universal que possa atender à todas as características de medição de nível!

Deve-se avaliar, não somente a capacidade de medição, mas também a robustez para o instrumento em uma determinada condição. Outras questões importantes que devem ser levadas em consideração na aquisição de um determinado instrumento são o custo para aquisição, instalação, manutenção, além de custos de treinamento.

Esperamos ter ajudado você a entender um pouco mais sobre Sensores de Nível Contínuos.

Esperamos que, a partir de agora, você tenha segurança para escolher a melhor tecnologia.

De modo geral, a Medição de Nível é uma atividade que está no cotidiano do instrumentista industrial. Temos, ainda, uma postagem com tudo que você precisa saber sobre Medição de Nível.

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Obrigado pela leitura de todo esse material e até a próxima!

FONTES

  • Mais de 35 anos de experiência em automação e controle de processos.
  • Mais de 13 mil horas de engenharia de aplicação on-site
  • Mais de 5000 soluções de instrumentação desenvolvidas