Medição de Nível Contínuo, e agora?

A medição de nível contínuo é um desafio recorrente para a Instrumentação Industrial.

Vários processos industriais necessitam deste tipo específico de controle.

Para responder essa e outras perguntas sobre Medição de Nível Contínuo preparamos este texto.

Esperamos que este conteúdo sirva para você desenvolver ainda mais seus conhecimentos em instrumentação industrial.

Aqui você vai encontrar o conceito de Medição de Nível Contínuo e as principais tecnologias utilizadas.

Para quem trabalha com Instrumentação Industrial, 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.

Ter uma medição de nível confiável traz benefícios como segurança operacional, eficiência de processo, redução de perdas, dentre outros.

Para garantir todos esses benefícios gerados pelo controle de processo ideal é necessário conhecer os tipos de tecnologia existentes no mercado e suas principais características.

Existem dezenas de tecnologias e métodos para medição de nível, cada uma delas com suas qualidades e defeitos.

Neste artigo vamos falar sobre as principais e mais utilizadas.

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 foi inserida dentro do recipiente. Isto é uma forma de medição de nível.

Você vai acompanhando a continuidade do nível do produto no tanque para evitar transbordamentos ou panes decorrentes da ausência de produto.Isto é a medição de nível contínuo.

Tudo bem. Agora, em termos industriais, a escala de grandeza torna-se muito maior.

Enquanto no exemplo da jarra estamos falando de um volume em mm³ou cm³, na indústria, nosso controle é em cima de recipientes com capacidades de dezenas de m³.

E por se tratar de uma indústria, a precisão, a exatidão e a repetibilidade é de extrema importância. Sem falar na grande responsabilidade sob o processo industrial que um instrumentista tem.

Portanto, é dever de todo bom profissional de instrumentação usar o medidor de nível mais adequado para a sua operação.

Utilizando o Ultrassom 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 desse 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 tempo de viagem é uma indicação da profundidade do espaço acima do produto no tanque.

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

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

A velocidade do som é proporcional à raiz quadrada da temperatura, logo variações na temperatura modificam a velocidade de transito do sinal fazendo com que o resultado apresentado no equipamento não seja a realidade de nível no tanque.

É importante considerar o tipo de produto a ser medido, pois o fluido/produto precisar 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.

Critérios para seleção de um transmissor ultrassônico

A primeira questão que você deve avaliar é a distancia de medição.

O medidor escolhido precisa ter o alcance correspondente ao tamanho do tanque cujo nível será medido. Fatores como impurezas e poeiras podem limitar 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.

Grãos muito pequenos refletem menos energia, o que pode haver problemas no resultado 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 permite que o ar transmita o som adequadamente.

Variações de temperatura alteram a velocidade e o meio pelo qual o sinal percorre também. Seja pelo ar ou por gás.

Já as desvantagens contam com sensibilidade a espuma, bolhas e turbulências além de não ser recomendado para altas pressões e temperaturas.

Utilizando o Radar para a Medição de Nível Contínuo

Enquanto os ultrassônicos trabalham com uma alta frequência sonora, o radar trabalha com pulsos eletromagnéticos. Utilizam uma faixa de 6 a 28 GHz para fazer a medição contínua de líquidos e sólidos.

As aplicações típicas não costumam exceder 30 m 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.

Existem dois princípios básicos para a operação da medição de nível por radar.

Trata-se do Princípio da Onda Refletida (Eco) e do Princípio FMCW (Frequency-Modulation Continuous-Wave).

No princípio da onda refletida a operação se dá da mesma forma que os medidores ultrassônicos, exceto por operar na faixa de 6 a 28 GHz.

Então, com a velocidade do pulso eletromagnético sendo conhecida, o equipamento calcula o tempo que o pulso leva para sair do emissor e retornar ao receptor para encontrar a distância e indicar o nível do produto.

Já no princípio FMCW, o tempo de voo é medido pela variação da frequência de um oscilador, uma frequência fixa é enviada à superfície de medição.

O medidor do radar é exposto simultaneamente à onda enviada e à onda refletida. Então, a indicação do detector é a diferença do sinal enviado pelo sinal recebido.

Perceba que em ambos os casos, é calculado o tempo de voo do pulso eletromagnético.

A vantagem do principio FMCW é que a variável do processo está no domínio da frequência, amplitude ou tempo.

Porém, nos dois princípios, a quantidade de sinal que retorna depende de propriedades específicas relativas ao nível da superfície com espuma, agitação, dentre outros.

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 fornecem muito pouco sinal em comparação com materiais com 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 por proporcionar um sinal de retorno fraco.

Agitadores também podem causar problemas para a medição, pois sua estrutura interna pode alterar o perfil da onda de retorno.

Portanto, os radares de onda livre não são indicados para a medição de nível contínuo com incrustação, pó em suspensão, espuma e vácuo.

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 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 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.

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 entraram dificuldades mecânicas para a operação.

Utilizando os 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 capacitor como nós conhecemos.

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 de nível do tipo 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 causa falsas medições.

Utilizando a RF Admitância para a Medição de Nível Contínuo

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.

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

Conhecida a constante dielétrica do produto dentro do tanque e a distancia 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 RF Admitância são os mais indicados para a maioria das aplicações, garantia 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.

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 o Radiométrico para a Medição de Nível Contínuo

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

Os instrumentos radiométricos 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.

Radiação nada mais é do que fótons de luz. O detector recebe esses fótons e os converte em sinais elétricos, esses sinais são enviados para um indicador onde apresenta o nível de produto dentro do tanque.

Como a radiação é parcialmente absorvida por todo e qualquer corpo e que esteja no seu caminho de incidência, faz com que a quantidade de radiação apresentada no detector seja 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.

O que torna complexa a sua utilização é fato de necessitar estar em dia com a regulamentação da CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear), órgão regulador para uso de radiação ionizante.

Com isso, é necessário um corpo de profissionais capacitados e certificados e monitoramento.

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 você a manter a padronização da planta.

Isso garante a uniformidade e especialização dos operadores, além reduzir a quantidade de sobressalentes em caso de possíveis danos.

Além disso, 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 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 que a partir de agora você tenha segurança para escolher a melhor tecnologia para a Medição de Nível Contínua.

Falamos sobre suas principais tarefas no dia a dia de uma indústria.

De modo geral, a Medição de Nível é uma atividade que está no cotidiano do instrumentista industrial.

Preparamos um eBook especial sobre isso. Além do material exclusivo, temos uma postagem com tudo que você precisa saber sobre Medição de Nível.

Para finalizar, ainda ressaltamos o contexto da Automação Industrial, área que você instrumentista desempenha função primordial, na instalação, comissionamento e manutenção de equipamentos, ocupando a base da Pirâmide.

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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.
• SENAI. Automação: Fundamentos de Instrumentação.
• FRANCHI, C. L. Instrumentação de Processos Industriais: Princípios e Aplicações.
• SENAI. Programa de Certificação Pessoal de Instrumentação Básica.
• GARCIA I., ALEJANDRO R.: Desenvolvimento de transmissores de pressão diferencial baseados em sensores piezorresistivos com saída analógica de 4-20mA – São Paulo, 2014 – Dissertação de Mestrado.
• Radar Basics – Frequency-Modulated Continuous-Wave Radar (FMCW Radar)

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