Medição de Nível – Tudo para você virar um especialista no assunto

A Medição de Nível, assim como toda boa atividade que envolve Automação e Instrumentação Industrial, quando utilizada de maneira criteriosa e planejada, reduz custos, aumenta a produtividade e contribui com a qualidade e a segurança da produção em que você trabalha.

A eficiência da planta que você atua e/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:

• Por que a medição de nível é tão importante?
• O que é medição de nível?
• Como medir e controlar níveis?
• Como escolher o melhor medidor de nível?
• Quais são as vantagens e desvantagens de cada medidor de nível?

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: a redução dos custos de produção e o 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?

A medição de nível permite:

• A avaliação do estoque de tanques de armazenamento;
• O controle dos processos contínuos em que existam volumes líquidos ou sólidos, de acumulação temporária, amortecimento, mistura, resistência etc.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

Simbologia em instrumentação industrial

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.

Tratam-se de diagramas 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.

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

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:

• A variável a ser medida
• A função do dispositivo
• Modificadores

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.

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:

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:

• Funções passivas: elemento primário, orifício de restrição, poço
• Funções de informação: indicador, registrador, visor
• Funções ativas ou de saída: controlador, transmissor, chave e outros
• Funções modificadoras: alarmes ou indicação de instrumento multifunção

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:

• Letras que indicam funções passivas ou de informação
• Letras que indicam funções ativas ou saídas
• Letras que modificam a função do instrumento ou que funcionam como complemento de explicação de função

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:

• Instrumentos mais complexos, permitindo ainda as letras serem divididas em subgrupos
• No caso de um instrumento com indicação e registro da mesma variável, a letra I pode ser omitida

Letras de identificação (ISA)

Simbologia específica para medição de nível

Falamos bastante sobre Instrumentação Industrial.

Acredito que já formamos um bom entendimento sobre o tema.

Apresentaremos suas classificações, tipos e o cenário da instrumentação industrial em relação à medição de nível.

Como medir e controlar níveis?

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 em medição de nível e tipos de medidores

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.

Medição de Nível Direta

A Medição de Nível Direta pode ser feita medindo-se diretamente a distância entre o nível do produto e um referencial preestabelecido.

Trata-se de uma metodologia de medição de nível básica: você apenas compara o nível de acordo com a referência estabelecida. Não é um tipo de instrumentação voltada para a automação, pois um profissional deve verificar de tempos em tempos como anda o nível do processo de sua responsabilidade.

É um método de medição de nível arcaico, mas efetivo se estivermos diante de um processo de pouca complexidade e de pouco risco tanto para os profissionais envolvidos como para a própria produtividade da planta.

Para este tipo de medição, o mais comum é utilizar a observação visual(“olhômetro“), através de réguas, gabaritos, visores de nível, boias ou flutuadores, e até mesmo através da reflexão de ondas ultrassônicas pela superfície do produto.

Medição de Nível 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.

Os medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o nível atinge os pontos fixos desejados.

Assim, os medidores de medição de nível descontínua 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.

Medição de Nível Indireta

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

Os medidores de nível que utilizam a metodologia da medição indireta são chamadas assim porque fazem suas medições por intermédio de outras propriedades físicas além do nível.

A medição indireta se utiliza de grandezas como capacitância, pressão, empuxo e radiação.

A metodologia indireta é a melhor forma que a instrumentação industrial encontrou para enfrentar os desafios que a medição de nível impõe.

O cenário atual da instrumentação voltada para a medição de nível requer uma tecnologia que contemple todas as necessidades de produção e qualidade que o mercado demanda aos mais diversos tipos de processo.

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.

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?

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.

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 (I_T) de qualquer sistema por contato será uma fração capacitiva gerada pelo nível de produto(I_C), mais uma fração capacitiva gerada pela incrustação (i_in) e por fim somada a um atributo indesejado, a Corrente resistiva (I_R).

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.

Principais tipos de medidores de nível

A Medição de Nível tem diversos tipos de medidores. Cada um tem as suas especificidades próprias de aplicação.

Apontamos os medidores que utilizam a tecnologia RF Admitância como os melhores, pois atuam com confiabilidade nos mais diversos tipos de medição de nível.

No entanto, existem diversos tipos de medidores de nível e algum deles pode ser o mais adequado para a sua operação.

Vale a pena conhecer os principais medidores de nível disponíveis no mercado.

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)

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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.

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.

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 (Células de Carga)

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.

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

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.

Radar para Medição de Nível

Os transmissores de nível por radar empregam ondas eletromagnéticas tipicamente na faixa de 6 a 28 GHz para fazer uma medição contínua do nível de líquidos e sólidos.

A potência requerida para esse tipo de aplicação é baixa, tipicamente inferior a 0,015 mW/cm², e a aplicações típicas não excedem 30 m de faixa, o que pode ser considerado uma faixa pequena para a técnica de medição com radar. Dessa forma, para esses níveis de energia não é necessário nenhum cuidado especial para evitar danos à saúde dos operadores bem como contaminação dos produtos a serem medidos.

O sensor de nível tipo radar é montado no topo do tanque a ser medido, 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.

Radar de Onda Guiada

Os radares de onda guiada utilizam sensores com Reflectometria no Domínio do Tempo ou Time Domain Reflectometry(TDR).

O princípio de funcionamento desse tipo de sensor usado vem diretamente de uma técnica que caracteriza as propriedades elétricas distribuídas em linhas de transmissão.

O TDR lança um sinal de baixa amplitude e alta frequência pulsado em uma linha de transmissão no guia de onda e analisa sequencialmente a amplitude do sinal refletido.

A guia de onda é um tubo imerso no fluido a ser medido. Considerando a constante dielétrica característica da sonda no ar, quando o sinal entra em contato com um líquido com constante dielétrica maior que a do ar o pulso eletromagnético transmitido pela onda guiada é refletido nesse ponto de descontinuidade e s reflexões são medidas por um circuito no transmissor.

O pulso refletido viaja de volta pela sonda até um circuito dedicado em que é detectado e medido o seu tempo, sendo convertido para a amedição de nível.

Caso tenha líquido no tanque, o sinal viajará até o final da sonda e não retornará.

Instrumentos para 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.

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 RF Admitância você não terá interrupções no seu processo por alarmes falsos devido à incrustação.

A produtividade será intensamente superior, pois a planta funcionará continuamente e sem paradas não planejadas.

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.

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.

 

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.

3 características para levar em consideração

Indicação e Controle

Os indicadores de medição de nível permitem a verificação do nível “on-site” (localmente).

Os indicadores exigem que o operador interprete a medição para só a partir daí tomar as medidas adequadas. Indicadores também são usados frequentemente para ajudar na calibração dos sistemas de controle.

Os sistemas de controle automático ou sistemas em malha fechada são capazes de controlar o nível em um recipiente eletronicamente.

Um dispositivo de medição de nível, combinado com um transmissor, gera um sinal eletrônico, que é proporcional ao nível no recipiente.

O sinal é recebido por um controlador, que opera outros dispositivos (válvulas, bomba, etc.) e, por sua vez, controla a quantidade de produto que entra e sai de um recipiente.

Os recipientes controlados automaticamente também podem incluir indicadores de medição de nível.

Medição Pontual e Contínua

As chaves de nível (medição pontual) são frequentemente usadas em conjunto com transmissores de nível (medição contínua) em medições de nível para um ponto único, seja este intermediário, alto, baixo, e/ou como alarme.

No entanto, as chaves de nível também podem ser utilizadas sozinhas para indicar simplesmente um estado cheio ou vazio. Limitações de tamanho e espaço, bem como a aplicação, determinarão as característica do sistema ideal.

Os transmissores de nível (medição contínua) são geralmente uma entrada independente para o sistema de controle.

Neste tipo de medição de nível, confiabilidade e repetibilidade são características mais importantes do que a alta precisão nas leituras. A exigência de precisão varia em um intervalo de 5 a 10 mm.

Os transmissores de nível contínuo são fundamentais em praticamente todas as indústrias, incluindo química, petróleo e gás, energia, refino, papel e celulose, mineração, farmacêutica, alimentos e bebidas, dentre outras plantas de processo.

Medição com Contato e Sem Contato

Em uma medição com contato é fundamental que parte do sistema de medição tenha uma relação direta com o conteúdo do recipiente. A RF Admitância e os Radares de Onda Guiada são os dois melhores exemplos de tecnologia aplicada à Medição de Nível.

Já se tratando de medição sem contato, nenhuma parte do sistema de medição toca diretamente o conteúdo do tanque. Métodos sem contato são preferidos quando o meio a ser controlado é especialmente abrasivo ou corrosivo.

Porém, em alguns dos casos, verifica-se uma perda de precisão na medição, devido à poeira ou pó em suspensão, ecos falsos na leitura, e dificuldade de calibração em softwares complexos específicos de cada fabricante.

Em condições extremas, o mais indicado é a Radiometria.

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

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
  Para facilitar a compreensão e ajudar você a visualizar melhor as vantagens e desvantagens de cada tipo de medidor de nível apresentamos uma série de tabelas e tópicos para serem avaliados.

  Melhores tecnologias para aplicações em Nível Pontual

  • Mistura e Armazenamento de Produtos Químicos; Tanques de Mistura e Pastas Químicas: RF Admitância e Vibração (Diapasão).
  • Controle/Proteção de Bombas: RF Admitância.
  Uma boa forma de avaliar qual tipo de medidor é o mais indicado, consiste em verificar se a aplicação ocorrerá em nível pontual ou contínuo.

  Melhores tecnologias para aplicações em Nível Contínuo

  • Fluxo em canal aberto: as melhores soluções são ultrassônica e RF Admitância.
  • Estação elevatória ou poço de bombeamento: ultrassônica, RF Admitância e pressão hidrostática.
  • Tela com barras móveis ou estruturas de derivação: ultrassônica e RF Admitância.
  • Monitor de manta de lodo/clareza: ultrassônica.
  • Digestores de lodo/armazenamento de lodo: RF Admitância, radar e ultrassônica.
  • Filtração de água: RF Admitância e magnetostritiva.
  • Mistura de produtos químicos: ultrassônica e radar.
  • Armazenamento de produtos químicos secos: RFAdmitância, ultrassônica, radar e TDR.
  • Armazenamento de pasta química: RF Admitância, ultrassônica e Radar.
  • Armazenamento de produtos químicos líquidos: RF Admitância.
  • Poços de água: pressão hidrostática e RF Admitância.
  • Tanques de mistura: ultrassônica, Radar e RF Admitância.
  • Pastas químicas: RF Admitância e Radar
  Que tal avaliar o medidor de nível mais indicado através dos desafios de medição que ele irá enfrentar?

  Comparativo das principais tecnologias em medição de nível

  

  Agora vamos um a um dos medidores apontando seus prós e contras.
  Quem sabe agora você tira a sua dúvida de vez?!

  Chave e Transmissor de nível com tecnologia 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

  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
  • sem componentes móveis
  • empregada 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 (Células de Carga)

  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

  Radar de Onda Guiada

  Vantagens

  • sem componentes móveis
  • segurança de medição através da avaliação da ponta da sonda
  • medição segura também durante o enchimento

  Desvantagens

  • sensibilidade a incrustação, arraste, abrasão e choque mecânico

  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

  

  Mas afinal de contas, por que importa tanto a escolha do medidor certo?

  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.

  Com certeza ele lhe dirá que medir o nível é fundamental.

  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.

  Apesar de extremamente criativo, tais operações são assoladas por altos custos de pessoal e baixa produtividade.

  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.

  Esperamos ter ajudado você a entender um pouco mais sobre Medição de Nível!

  Você agora já 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 tecnologias de Automação e Instrumentação Industrial em seus instrumentos.

  Chegou o momento de dar um upgrade na operação em que você trabalha. Converse com o seu superior e ajude ele a 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 vocês a enfrentarem o seu problema de medição de nível mais específico.

  Esperamos que a partir de agora você tenha total segurança das tecnologias mais adequadas aos processos que envolvem incrustação, espuma, pó em suspensão e interfaces complexas.

  Esperamos que a partir de agora você tenha segurança para tratar de assuntos relacionados à Medição de Nível e também falar acerca das tecnologias mais adequadas para os desafios enfrentados nas instalações da mais diversas indústrias.

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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.

 

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