RF Admitância, você já ouviu falar? Você que trabalha com Instrumentação Industrial já deve ter percebido que nos últimos 15 anos pouca coisa mudou a respeito de equipamentos voltados à Medição de Nível.
Radar de Onda Guiada, Ultrassom, Sensor Hidrostático, Pressão Diferencial, nenhum desses tipos de instrumentação industrial trouxeram alguma diferença realmente significativa para a medição de grandezas físicas como o nível.
Falou-se muito em aumento de potência, novo algoritmo, revisão de softwares, uso de materiais exóticos nos sensores, mas a verdade é que pouca coisa mudou de lá pra cá.
A grande novidade do momento realmente é a tecnologia RF Admitância.
Na postagem de hoje vamos tratar dos principais temas que envolvem esse tipo de tecnologia:
- Os principais desafios da Medição de Nível
- Como funciona a tecnologia RF Admitância?
- Qual a diferença entre um medidor de nível capacitivo e um medidor com RF Admitância?
- Vantagens e desvantagens das tecnologias de Medição de Nível
- Qual a importância de investir em Medição de Nível?
Cenário atual da Instrumentação industrial em Medição de Nível
Atualmente a Instrumentação Industrial de um modo geral apresenta 3 necessidades básicas para desenvolver sua atividade:
- Sistemas Universais
- Eletrônica Avançada
- Protocolos de Comunicação Digital
Os sistemas universais que a Instrumentação Industrial busca nada mais são do que tecnologias que possam ser aplicadas tanto em sólidos, líquidos e como também em medições com interfaces complexas, tal qual ocorre na indústria petroquímica, por exemplo.
A eletrônica avançada diz respeito a medições mais precisas e eficazes, nas quais a interferência durante os processos industriais seja a menor possível.
Além disso, os dispositivos mais comuns na medição de nível ainda são mecânicos, com muitas partes móveis.
Consequentemente, existem sempre os riscos relacionados a eminência de desgaste, quebra e mal funcionamento mecânico.
Ou seja, dor de cabeça.
As tecnologias de medição de nível mais recentes, como é o caso das eletrônicas com contato, são extremamente simples de instalar e calibrar, além de não possuírem partes móveis.
São uma verdadeira mão na roda.
Não é a toa que as tecnologias mais modernas em Automação e Instrumentação Industrial estão dedicado ao avanço da eletrônica aplicada aos mais diversos processos industriais.
Por fim, quanto aos protocolos de comunicação digital, o desafio está em trocar as ultrapassadas e instáveis malhas de segurança por um sistema wireless (sem fio), mesmo que sobreposto por um sinal analógico.
Os principais desafios da Medição de Nível
A Medição de Nível trabalha com a avaliação do estoque de reservatórios e o controle dos processos pontuais ou contínuos em que existam volumes líquidos ou sólidos, de acumulação temporária, amortecimento, mistura, resistência etc.
Durantes os processos industriais algumas intercorrências afetam a confiabilidade da medição de nível tornando-se verdadeiros desafios.
Os 4 principais desafios da Medição de Nível
- Incrustação
- Espuma
- Pó em suspensão
- Interfaces complexas
Estas intercorrências devem ser chamadas de desafios, porque não se tratam de problemas por si só, mas de eventos inerentes aos mais diversos processos industriais. São nestes desafios que você deve estar atento, sabendo que existem soluções eficientes ao seu alcance.
A incrustação nada mais é do que aquela camada de produto acumulado que recobre os tanques de armazenamento e os medidores de nível comprometendo a eficiência dos equipamentos.
A espuma gerada em boa parte dos processos contínuos também se torna um problema quando ela impede a medição precisa da grandeza pretendida.
Pó em suspensão é a poeira que está em praticamente todas as indústrias desde a mineração, siderurgia, papel e celulose, química, petroquímica e até mesmo em portos (terminais de embarque de graneleiros).
A poeira gerada por esse tipo de material interfere na confiabilidade da medição de nível realizada por aparelhos como os medidores sônicos, a laser, radares, ultrassons, capacitivos, garfos, hidrostáticos e eletromecânicos (ex: pá rotativa).
Outro desafio comum da medição de nível são as interfaces complexas.
Na indústria em geral você utiliza água para lavar o processo.
Durante a lavagem é comum surgirem solventes, lubrificantes, dentre outros componentes. Todos esses produtos vão parar em depósitos, normalmente subterrâneos, a fim de que sejam reaproveitados.
São usados sistemas de separação para distinguir as interfaces em fases reaproveitáveis e/ou descartáveis.
Para que o processo seja eficiente é necessário que a Medição de Nível esteja calibrada e livre de interferências para que a produção transcorra perfeitamente.
Além dos desafios elencados, as tecnologias existentes em instrumentação industrial para medição de nível ainda devem lidar com outras condições de processo bastante severas como abrasão, viscosidade, choque mecânico, arraste, pressão e vácuo.
Todos esses problemas afetam negativamente a produtividade da planta ao gerar alarmes falsos, transbordamentos e/ou medição errônea.
A solução mais eficiente para a medição de nível enfrentar seus desafios com incrustação, espuma, pó em suspensão e interfaces complexas é a tecnologia RF Admitância.
É a maneira mais eficiente de evitar gargalos de produção com alarmes falsos, transbordamentos e/ou medição errônea.
Os instrumentos radiométricos, aqueles que utilizam fonte radioativa para realizar a medição de nível, também são tão eficientes quanto as chaves e transmissores de nível que empregam a tecnologia RF Admitância.
Contudo, a radiometria é mais cara, especializada e requer uma maior atenção ao ser manuseada. A CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear) orienta que os medidores de nível radiométricos devem ser utilizados somente nos processos mais extremos, complicados mesmo, nos casos em que a radiometria é uma necessidade real.
Hoje, 10% de toda instrumentação industrial envolvendo medição de nível utiliza a Radiometria. É uma despesa muito alta para processos simples, nos quais a tecnologia RF-Admitância é extremamente mais eficaz em relação ao custo, precisão e manutenção.
A tecnologia RF Admitância tem um custo benefício superior a todos os instrumentos de medição de nível atualmente disponíveis no mercado.
Como funciona a tecnologia RF Admitância?
Entendendo de uma vez por todas como funciona a tecnologia RF Admitância
A RF Admitância utiliza um sinal de radiofrequência (RF) para, diante de uma incrustação ou outra interferência, indicar a real presença ou ausência de produto, nível e/ou volume que está em contato com o elemento sensor da Chave ou Transmissor de Nível.
Trata-se de uma tecnologia baseada nos princípios da Capacitância e da Impedância, mas diferentemente dos medidores capacitivos comuns com sensores de dois terminais, a tecnologia RF Admitância é imune à Corrente Resistiva causada pela incrustação, espuma, pó em suspensão e, em aplicações mais nobres, desde que exista diferença de condutividade entre as fases de 1/100, as interfaces complexas também poderão ser devidamente medidas.
Tudo isso graças a um escudo protetor (terceiro terminal no sensor) em conjunto com um algorítimo e uma eletrônica avançada capazes de medir somente a corrente capacitiva (ignorando a condutiva) que flui pelo condutor central do elemento sensor para o terra (proteção elétrica).
A Capacitância será sempre formada entre o terceiro condutor do elemento sensor e a parede do tanque ou silo. A fração resistiva da corrente de medição flui do terceiro terminal para a parede do tanque porque, a diferença de resistência sendo menor, atua nesse exato momento.
Entretanto, essa corrente não será medida e não irá provocar mudança de status na indicação do instrumento. Quando o nível real de produto no tanque subir e tocar a condutor central do sensor, irá provocar um aumento substancial da corrente capacitiva que fluirá através de um demulador e provocará mudança de status do relé, indicando assim presença real do material.
Pronto. O sistema de medição cumpriu perfeitamente com a sua função.
Trata-se de uma medição de alta confiabilidade mesmo diante dos maiores desafios da medição de nível pontual ou contínua.
Capacitância é a grandeza elétrica de um dispositivo capacitor estabelecida por meio da quantidade de energia elétrica capaz de ser armazenada em si por uma determinada tensão e pela quantidade de corrente alternada que atravessa o capacitor em uma determinada frequência.
Ou seja é uma grandeza física que armazena energia em si e assim é possível fazer aferições como é o caso da medição de nível. Para que isso ocorra é preciso de um capacitor.
Capacitor é um dispositivo capaz de armazenar energia por meio de um sistema composto por duas placas (condutores) separados por um dielétrico (isolador).
Toda vez que uma capacitância se eleva, ou seja, o nível de um tanque sobe, o produto (dielétrico) toca o elemento sensor do aparelho e assim gera uma ordem de nível. Este é funcionamento padrão de uma chave de nível capacitiva de dois terminais.
Contudo, os processos exigem mais dos aparelhos, pois os produtos envolvidos interferem na medição. Os principais problemas na medição de nível são gerados pelas incrustações, espuma em superfície e pó em suspensão.
É aí que a chave de nível de dois terminais torna-se ineficiente.
A tecnologia RF Admitância vem justamente para suprir esse problema.
Quando uma incrustação envolve o elemento sensor do medidor de nível o alarme é acionado ocasionando a parada da planta.
Quando um processo é interrompido de forma brusca significa que a produtividade está sendo comprometida, o fluxo da planta não rende tudo o que deveria.
Além das paradas não programadas e o alarme falso gerado pelo medidor, a confiabilidade da medição de nível fica prejudicada podendo gerar transbordamentos e acidentes de trabalho.
RF Admitância é a melhor tecnologia de medição de nível
Toda vez que o nível de um tanque sobe, a área de contato aumenta, consequentemente aumentando o valor da capacitância, desde que a constante dielétrica permaneça constante e a distância entre as placas do capacitor (elemento sensor e paredes do tanque).
Isso resume a fórmula que calcula a Capacitância aplicada a um sensor capacitivo.
Mas não é só isso.
No processo industrial contínuo, dificilmente ocorrem alterações significativas no conteúdo (componentes do produto processado) e também a distância entre o elemento sensor e as paredes do tanque permanecem inalteradas, pois se trata da base de todo o processo.
Por consequência, se o conteúdo do tanque pouco muda, a constante dielétrica permanece constante e a distância também, sendo assim eliminadas do cálculo da capacitância.
Portanto, a Capacitância Total gerada por qualquer produto dentro de um tanque será sempre proporcional à área de contato.
Entretanto, como um tanque é algo tridimensional, deve-se levar em consideração o seu índice volumétrico.
Dessa forma, toda vez que o nível de produto aumenta, não é somente a área de contato que se eleva, mas também o volume de dielétrico contido dentro do tanque.
Ou seja, quanto maior o nível de produto dentro do tanque, maior o volume e consequentemente maior será a Capacitância.
Imagine que o nível de determinado tanque subiu e desceu inúmeras vezes e uma incrustação se formou sobre o elemento sensor da chave de nível.
O pior trata-se de um Chapéu de Bruxa, tipo de incrustação comum em processos industriais. Consiste em uma massa com alguns bons centímetros cúbicos de volume em torno do elemento sensor.
Aceitando que a Capacitância é diretamente proporcional ao volume de produto envolvido no processo, a capacitância gerada pela incrustação é desproporcional em relação ao restante do tanque.
A incrustação está em cm3 enquanto o tanque tem m3 de produto.
Quando se utiliza um sistema puramente capacitivo, a capacitância gerada por alguns centímetros cúbicos de produto incrustado será centenas ou milhares de vezes menor do que a capacitância gerada por metros cúbicos de produto.
Portanto, 1 m3 do produto no interior do tanque vai gerar uma capacitância inúmeras vezes superior à capacitância de qualquer incrustação possível de se encontrar em um elemento sensor.
Mas algo tão pequeno em comparação com as dimensões de um tanque faz tanto estrago assim?
Se esse sistema fosse somente capacitivo, uma unidade eletrônica poderia ser instalada e calibrada para fazer a refração da sensibilidade gerada pelo produto.
Porém um outro tópico importante de um sistema de medição de nível por capacitância vem a tona.
É a Corrente total de leitura.
A Corrente total de leitura (IT) de qualquer sistema por contato será uma fração capacitiva gerada pelo nível de produto(IC), mais uma fração capacitiva gerada pela incrustação (iin) e por fim somada a um atributo indesejado, a Corrente resistiva (IR).
Nenhum instrumento até então havia sido criado para eliminar a corrente resistiva da aferição sem a necessidade de recorrer aos medidores radiométricas.
A unidade eletrônica tem um a fonte de alimentação estabilizada que alimenta independentemente o terceiro terminal e independentemente a parte ativa.
Com isso, uma vez que a fonte de alimentação é a mesma, a tensão aplicada será a mesma para os dois terminais. Se a tensão é igual, a diferença de potencial entre esses dois pontos é nula, por consequência a fuga de corrente da parte ativa para o terceiro terminal reciprocamente, sendo assim ínfimas diante da medição final.
Assim, uma barreira de potencial eletrônico que vai dificultar, mas ainda não eliminar definitivamente a fuga de corrente da parte ativa para o terra.
A inovação tecnológica que a RF Admitância apresenta reside no sistema criado para a tensão que alimenta a parte não ativa (terceiro terminal), que por sua vez é referenciada ao terra do tanque, e também a tensão que alimenta a parte ativa do elemento sensor.
Qual a diferença entre um medidor de nível capacitivo e um medidor com RF Admitância?
Composição básica de um capacitivo convencional
Composição básica de um capacitivo com RF Admitância
As chaves e transmissores de nível com tecnologia de admitância, ao trabalharem com radiofrequência (RF) e por possuírem circuito de proteção contra incrustação, são os instrumentos que têm se mostrado mais eficientes em praticamente todos os tipos de aplicação.
Para processos mais complexos, a RF Admitância só é superada pelos instrumentos radiométricos, utilizados prioritariamente em processos específicos.
Capacitivo comum de dois terminais.
O funcionamento básico dos medidores de nível capacitivos consiste em um circuito alimentado por uma tensão de 110/220 VCA e internamente existe um conversor CA/CC (transformador) que converte essa tensão em 24 VCD para alimentar as várias partes do circuito.
O circuito oscilador gera uma onda senoidal, em rádio frequência de 100KHz, sendo este conectado a um circuito ponte.
O circuito ponte contém um capacitor de ajuste de sintonia responsável pelo balanceamento da Capacitância de saída do elemento sensor do instrumento.
O circuito ponte é conectado diretamente ao elemento sensor que por sua vez é conectado a uma blindagem (plástico de engenharia) juntamente ao terra que está em um lado da medição. O final do elemento sensor tem sua própria blindagem conectada ao condulete que protege as terminações do elemento sensor.
Durante o procedimento de ajuste, a capacitância do sensor no tanque é balanceada pelo capacitor de ajuste de sintonia, e o circuito ponte permanece em equilíbrio.
No processo de ajuste, a capacitância do cabo mais a do sensor estão balanceada, e a saída para a demodulação é de 0 volts.
Quando o nível do tanque sobe, uma capacitância proporcional ao volume é gerada. Isto causa uma mudança no sinal que está sendo enviado para o demodulador, convertendo a mensagem em tensão contínua proporcional ao desbalanço.
A 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 de acordo com o objetivo específico pretendido pela instrumentação através da medição de nível.
O problema da condutividade dos produtos está relacionado aos desafios da medição de nível, pois ao se deparar com incrustação, espuma e partículas em suspensão, o alarme de nível comum acusa a existência da corrente resistiva, gerando assim alarmes falsos e uma dor de cabeça daquelas na sua planta.
É aí que entra a RF Admitância!
Medidor de nível com RF Admitância
O funcionamento dos medidores de nível por admitância levam em consideração os já mencionados princípios de operação dos capacitores comuns, mas com a tecnologia RF Admitância que faz toda a diferença.
A grande diferença que a RF Admitância está no terceiro elemento incorporado ao corpo do medidor e na unidade eletrônica de alta tecnologia que utiliza uma fonte de alimentação estabilizada para alimentar independentemente o terceiro terminal e independentemente a parte ativa do sensor.
Esse sistema implementado por um circuito de proteção contra incrustação é o que chamamos de Prædator, pois nossa tecnologia patenteada é capaz de atuar nas mais agressivas condições de processo.
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 corpo e só então para a malha de blindagem no sensor.
O condutor central e a blindagem do terceiro terminal, por estarem submetidos à mesma tensão e fase permanente, estão sempre no mesmo potencial e sem deixar que nenhuma corrente emane por meio da capacitância de isolamento do cabo.
Ou melhor, o conhecimento tecnológico altamente bem aproveitado.
Como não há diferença de potencial entre o elemento sensor e o terceiro terminal, não haverá nenhuma corrente resistiva 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 terceiro terminal 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.
Você nunca mais terá problemas com transbordamento, alarmes falsos e paradas de planta não programadas.
Onde a tecnologia RF Admitância pode ser aplicada?
Os medidores de nível que utilizam a tecnologia RF Admitância podem ser aplicados na maioria das situações de medição de nível por ponto ou contínua, não importando se o produto a ser medido é líquido, pasta ou sólido granulado.
A única contra indicação do uso da tecnologia RF Admitância reside em casos extremos de medição de nível, nos quais apenas o último recursos deve ser utilizado: a medição radiométrica.
Vantagens e desvantagens das tecnologias de Medição de Nível
Muito se falou sobre as mais diversas tecnologias de medição 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
Dentre todas essas categorias, algumas especificidades encontradas, tanto em processos pontuais como contínuos, merecem nossa total atenção na hora de escolher a tecnologia que melhor se adapte ao desafio imposto à medição de nível.
Vale muito a pena estar atento às seguintes especificidades:
- Incrustação
- Espuma
- Pó em suspensão
- Abrasão
- Choque mecânico
- Arraste
- Vácuo
- Pressão
- Variações de composição
Comparativo das principais tecnologias em medição de nível
Chave de nível com RF Admitância
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
Se você quiser saber tudo sobre a RF Admitância, não deixe de baixar o nosso e-Book gratuito sobre o assunto!
Um ponto deve ficar claro para você: qual a importância de medição de nível para os processos industriais?
Após apresentar as vantagens e desvantagens da RF Admitância e compreender para o que serve a medição de nível e o que ela faz pela produtividade da planta onde você e seus colegas trabalham diariamente, é preciso entender porque você deve investir em tecnologia de medição de nível agora mesmo.
Então vamos lá.
Qual a importância de investir em Medição de Nível?
Para concluir, propomos um exercício. Pergunte a qualquer colega seu, profissional técnico experiente que também trabalha na indústria de transformação, qual é a importância da Medição de Nível. Caso você seja um estudante, também levante essa questão para o seu professor do curso de Automação ou Instrumentação Industrial.
A medição de nível feita corretamente ao longo de um processo industrial faz toda a diferença na produtividade de uma instalação.
Para garantir a sustentabilidade ambiental e financeira da planta, é imprescindível estar equipado com instrumentos que forneçam uma medição confiável e precisa.
Abaixo apontamos as 3 principais razões para você ficar de olho na qualidade dos sistemas que você está adquirindo.
1) SEGURANÇA OPERACIONAL
Medição de Nível é uma questão de segurança. Assim como você não ousaria andar pela planta sem seu EPI (Equipamento de Proteção Individual), pois sabe o quão importante é a prevenção de acidentes, escolher o sistema de nível mais barato pode acabar custando muito caro.
O enchimento de tanques ou vasos acima de suas capacidades máximas pode causar acidentes gravíssimos, transbordamentos, e paradas de planta não programadas. Criam gargalos de produção.
No caso de acidentes envolvendo a medição de substâncias quentes, inflamáveis, corrosivas ou de alta granulometria, as consequências podem ser desastrosas.
O monitoramento eficaz do nível cria um ambiente seguro e produtivo, evitando assim todos os possíveis eventos negativos, além de adequar sua instalação às mais duras exigências regulatórias.
2) EFICIÊNCIA DE PROCESSO
Não é raro visitarmos instalações pouco modernas onde ao longo do dia diversos profissionais se deslocam para cima e para baixo com fitas métricas, trenas e réguas. Todos correndo e mensurando de forma manual o nível de diversas etapas do processo produtivo.
Não existe mistério, uma medição de nível precisa aumentar a eficiência do processo industrial. Um bom exemplo de corte de custos seria na estocagem.
Se uma operação precisa ter em estoque sempre uma quantidade de material, mas seus silos de estocagem não estão sendo utilizados na sua capacidade máxima, esta instalação invariavelmente será obrigada a comprar e manter silos de estocagem adicionais.
O uso eficiente da capacidade de armazenamento da planta pode ser atingido através do controle do nível, eliminado o custo extra de comprar e manter outras unidades de armazenamento.
É isso que entendemos como sendo um processo verdadeiramente eficiente.
3) SUPRIMENTO CONSTANTE é sinônimo de QUALIDADE
A maioria dos processos requer um suprimento constante de matéria prima ou reagentes para produzir um bem final de qualidade.
Aliar altos padrões de qualidade a elevadas taxas de produtividade é impossível se os diversos “inputs” forem entregues de forma não homogênea, em quantidades variáveis, ou se houver falta ou excesso de produto na linha de produção.
A implementação de um silo/tanque de estocagem entre a entrega e o processo age portanto como um atenuador dessas variações.
Caso o nível na unidade de armazenamento seja sempre mantido dentro de um range ideal, a quantidade/volume de matéria prima obtida através do abastecimento ser elevada ou cair sem afetar a quantidade alimentada ao processo, e portanto sem afetar a qualidade do produto final.
Você sabe qual é a importância da medição de nível em uma operação; sabe dos desafios e problemas diários que enfrenta com a sua instrumentação; e agora também já sabe como resolver isso.
Agora só depende de você. A otimização de custos em função da produtividade está fazendo todas as indústrias de pequeno, médio e grande porte aderirem aos instrumentos que utilizam a tecnologia RF Admitância em seus instrumentos.
Chegou o momento de implementar a sua operação e dar um basta nas cobranças em relação a produtividade da sua planta.
O próximo passo é buscar um fabricante que realmente esteja comprometido em ajudar você a enfrentar o seu problema de medição de nível mais específico.
Esperamos que a partir de agora você tenha total segurança da tecnologia mais adequada aos processos que envolvem incrustação, espuma, pó em suspensão e interfaces complexas.
Esperamos que a partir de agora você tenha total segurança da tecnologia mais adequada para os desafios da medição de nível em incrustação, espuma, pó em suspensão e interfaces complexas.
Obrigado pela leitura de todo esse material preparado especialmente para você que está diariamente em instalações industriais.
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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.
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