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Medidas de nível Atualmente existe uma grande variedade de medidores de nível de líquidos, sólidos e, em alguns casos, de sólidos que se apresentem em pequenas partículas na forma granular ou de pó. Na maioria das aplicações necessita-se de apenas uma indicação grosseira do nível, de modo que a incerteza não é algo a se preocupar. Mas em sistemas de controle e automação de ensaios e processos industriais, torna-se necessário o emprego de modernas técnicas de medição de nível, cujos princípios de funcionamento serão expostos a seguir.
Medida de nível Capacitivo Condutivo Hidrostático Pressão diferencial Radiométrico Ultrassônico Eletromecânico Vibração Dispersão Térmica
Contínuo Discreto Líquidos Sólidos Líquidos Sólidos -√ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
A medida de nível pode ser discreta ou contínua. Na medição contínua, um transdutor sempre irá fornecer uma saída proporcional ao nível que se deseja medir. Já na medição discreta, o que tem-se é no máximo uma indicação de uma faixa de presença material que se deseja medir o nível. Dentro desta classificação encontram-se também as chaves de nível, que indicam se um determinado nível foi ou não atingido. As figuras a seguir apresentam medidas nível em líquidos (a) e em sólidos (b).
(a) (b) A seguir tem-se alguns esquemas simplificados de controle empregando chaves de nível.
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Visores de nível É o método mais simples para a indicação do nível. Consiste de uma janela de vidro ou outro material transparente colocado diretamente na própria parede do tanque de armazenamento, ou um tubo de vidro montado externamente ao tanque. Neste último caso, por se tratarem de vasos comunicantes, o nível no tanque e no tubo serão os mesmos, fornecendo a indicação desejada. Estes mecanismos são robustos, de baixo custo, confiáveis e de fácil manuseio e manutenção. Na montagem de peças externas são incluídas válvulas de bloqueio ou isolação, suspiro e dreno, para permitir a manutenção ou substituição. A seguir tem-se alguns modelos comerciais comumente encontrados no mercado.
Uma variante do sistema visor de nível é o chamado nível magnético, sendo particularmente adequado onde tem-se gases ou líquidos tóxicos e perigosos, proibindo o acesso à atmosfera e, também, quando o perigo de falha em materiais comumente empregados em visores de nível tradicionais, devido à fadiga e à corrosão, não puder ser tolerado. No medidor de nível magnético o fluido a ser medido fica confinado em uma câmara selada de aço inoxidável, onde uma bóia de aço ou de titânio, firmemente solidária a um ímã permanente, se movimenta livremente, atuando sobre as pastilhas magnéticas do indicador montado fora da câmara. Com uma movimentação da bóia, cada pastilha gira de 180° mostrando uma cor contrastante.
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Na figura anterior, as bandeiras acima da bóia irão mostrar a cor branca, enquanto as que estão abaixo irão mostrar a cor vermelha. Sendo assim, o mostrador apresenta uma indicação precisa e claramente definida do nível dentro da câmara. Outras cores também podem ser usadas a fim de indicar a ultrapassagem de limites.
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Sistema com bóias Medir a posição de uma bóia na superfície de um líquido por meio de um transdutor apropriado é um método bastante comum para se medir o nível de um líquido. O sistema usando um potenciômetro, mostrado na figura a seguir é muito comum e bastante conhecido para esta aplicação para monitorar o nível em tanques de combustível em veículos. Os sistemas com bóias também são muito empregados como chaves de nível. As figuras a seguir apresentam modelos comerciais para este tipo de aplicação.
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Um sistema alternativo, o qual é usado em um grande número de aplicações, consiste em transmitir o movimento de uma bóia a uma polia, através de um cabo e um contrapeso. Acoplado à polia tem-se um mecanismo para acionar um ponteiro, pena, ou um mecanismo de transmissão elétrica ou pneumática.
Este sistema de medida basicamente mecânico pode alcançar um elevado nível de exatidão, requerendo, no entanto, uma constante manutenção. O movimento da bóia não depende da densidade do fluído, porém é sensível a turbulências e espuma, causando erros na medição. A seguir tem-se modelos de registradores de nível que empregam esta técnica de medição.
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Sistema com flutuadores Os medidores de nível flutuadores têm seu princípio de funcionamento baseado na lei de Archimedes, onde um elemento com densidade maior que o líquido que se deseja medir o nível, fica parcialmente submerso no líquido e suspenso por uma mola, um dinamômetro ou uma barra de torção. À medida que o nível do líquido aumenta, o peso aparente da bóia ou flutuador diminui, fazendo atuar o mecanismo de indicação ou de transmissão. Para o uso adequado deste medidor, a densidade do líquido deve ser conhecida e constante.
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Medição por pesagem Outro método utilizado para medição volumétrica ou quando os materiais são muito corrosivos ou de difícil aplicação dos métodos convencionais, consiste na medição contínua do peso do reservatório junto com o material. O valor do peso pode ser relacionado ao nível quando são conhecidos a área ou seção transversal do reservatório e a densidade do material. O peso é medido por balanças mecânicas convencionais ou por strain gauges, colocados estrategicamente nos elementos de suporte do reservatório.
Medição da pressão hidrostática A pressão hidrostática oriunda de um fluído é diretamente proporcional à sua profundidade e, consequentemente, do nível da sua superfície. Vários instrumentos que usam este princípio estão disponíveis e são largamente empregados em indústrias, principalmente em ambientes químicos severos. No caso de tanques abertos, ou ainda quando existem tampas providas de ventanas, o nível pode ser medido através de um medidor de pressão apropriado montado na parte inferior do tanque ou suspenso, como mostrado a seguir.
O nível do líquido, h, será então relacionado com a pressão medida, P, através da seguinte expressão: h = P / ρg onde ρ é a densidade do fluído e g é a aceleração local da gravidade. Escola Federal de Engenharia de Itajubá - DON/IEE/EFEI - Prof. Bortoni
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As figuras a seguir apresentam alguns modelos de medidores hidrostáticos de nível comerciais disponíveis no mercado.
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Quando o recipiente ou tanque é totalmente selado, o nível do fluído pode ser obtido através da pressão diferencial entre as partes inferior e superior do tanque. Neste caso, o nível será relacionado à diferença de pressão, ∆P, segundo a seguinte relação. h = ∆P / ρg
O sistema com borbulhador é uma variante da medição por pressão hidrostática e consiste em um tubo, com extremidade aberta, alimentado com ar comprimido. O ar comprimido irá escapar sob a forma de bolhas, permanecendo apenas a pressão equivalente à coluna de fluído. Esta pressão é obtida através de um transdutor ou manômetro calibrado em nível, sendo levada em consideração, a densidade do fluído. A figura a seguir ilustra o exposto.
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Sensores capacitivos Os sensores capacitivos têm sido atualmente largamente empregado para a medição de nível em líquidos e sólidos na forma granular ou de pó, sendo bastante adequados para medição em condições extremas, tais como em metais líquidos (alta temperatura), gases líquidos (baixas temperaturas), líquidos corrosivos (ácidos, etc.) e processos de alta pressão. Duas versões destes medidores são usadas em função das características elétricas da substância em questão. Para substâncias não condutoras, ou seja, condutividade elétrica menor que 0,1 µmho/cm3, duas placas de metal em formato cilíndrico e concêntrico são imersas na substância, como mostrado na figura a seguir. A substância se comporta como um dielétrico entre as placas à medida que se aprofunda na substância. Para placas cilíndricas concêntricas de raios a e b (b > a) e altura total L, a profundidade da substância, h, é relacionada à capacitância pela seguinte expressão.
h=
C ⋅ ln(b / a) − 2 ⋅ π ⋅ ε o 2 ⋅ π ⋅ ε o ⋅ (ε − 1)
onde ε é a permissividade relativa da substância medida (ε>2) e εo é a permissividade do vácuo. A capacitância é medida por métodos apropriados.
h
L
a b
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No caso de substâncias condutoras, a mesma técnica é empregada, a única diferença é que as placas do capacitor são revestidas por um material isolante. A relação entre C e h na expressão anterior deve, desta forma, ser modificada a fim de considerar o efeito dielétrico do isolante. Os sensores capacitivos encontram as mais variadas aplicações, contudo, pode vir a ser impreciso se a substância a ser medida for contaminada com outros agentes que venham a modificar a sua constante dielétrica.
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Sensores por vibração Este sensor consiste de dois osciladores piezoelétricos fixados dentro de um tubo gerando vibrações neste tubo à sua frequência de ressonância. A frequência ressonante do tubo varia de acordo com a sua profundidade de imersão no fluído ou material. Um circuito PLL é usado para acompanhar estas alterações e ajustar a frequência aplicada ao tubo pelos oscilador piezoelétricos. A medida do nível é obtida em função da frequência de saída do oscilador quando o tubo está em ressonância. A figura a seguir apresenta alguns modelos comerciais deste tipo de medidor de nível.
Sensores condutivos Este tipo de sensor é particularmente aplicável à medição de nível em fluídos condutivos (condutância igual ou maior que 50µS), não corrosivos e sem partículas em suspensão. A sonda é formada por dois eletrodos cilíndricos, ou apenas um, quando a parede do reservatório for metálica. O sistema é alimentado por uma tensão de baixo valor (~10V), alternada, a fim de evitar a polarização dos eletrodos. Em medições contínuas, a sonda é colocada verticalmente e é tão profunda quanto se deseja monitorar a variação de nível. A corrente elétrica circulante é proporcional à parcela do eletrodo imersa no fluído condutivo. Em aplicações de medições pontuais, operação como chave e detecção de nível, posiciona-se a sonda horizontalmente em relação à superfície do fluído, resultando em uma corrente elétrica de amplitude constante e estável, tão logo o nível atinja a sonda.
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Sensores por dispersão térmica Os sensores de nível por dispersão térmica baseiam-se no princípio da transferência da calor, uma vez que a condutividade térmica um fluído é maior no estado líquido do que em seu estado gasoso. A sonda consiste de dois resistores termosensíveis (RTDs). Um RTD é tomado como referência e mede a temperatura do ambiente onde a sonda está imersa, enquanto o segundo é semi-aquecido a uma potência constante. Sendo assim, em um ambiente seco, existirá uma diferença de temperatura entre os dois sensores. Este sensor pode ser usado como chave de nível ou como chave de vazão. Na operação como chave, quando a sonda estiver em contato com o fluído, haverá uma absorção de calor do RTD aquecido, resultando em um efeito refrigerante fazendo com que a diferença de temperatura entre os dois RTDs diminua fornecendo uma indicação de nível. A figura a seguir ilustra o exposto.
Na operação como chave de fluxo a sonda estará permanentemente imersa no fluído. A diferença é que a troca de calor com o fluído é maior quando este está em movimento. Sendo assim, a mesma sonda poderá ser empregada, desde que o valor de seu set-point seja ajustado, controlando-se a sensibilidade do RTD que mede a temperatura ambiente. A seguir tem-se um sensor de nível por dispersão térmica, bem como sondas de fluxo que utilizam esta tecnologia.
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Sensores ultrassônicos O sistema de medição de nível por ultrassom é baseado no princípio de que a energia sonora de uma fonte ultrassônica emitida sobre uma superfície é refletida a partir desta para um detetor. Sendo assim, pode-se inferir sobre o nível de sólidos ou líquidos, medindo-se o tempo de trânsito que a onda gasta desde a sua emissão até a sua recepção. Neste caso deve ser tomado um cuidado especial em se considerar a variação da velocidade do som no ar em função da temperatura, cuja sensibilidade é da ordem de 0,607 m/s/oC. A figura a seguir apresenta esquemas de instalação em campo e medição de nível de diversos elementos.
Um outro método lança mão da variação da frequência recebida em relação à enviada para se obter o nível. Neste caso, a influência da temperatura fica praticamente anulada. A figura a seguir ilustra este método.
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Em sistemas alternativos, a fonte ultrassônica é colocada no fundo do tanque e o tempo de trânsito entre a emissão e reflexão da superfície do líquido e retorno ao fundo é medida. Tal técnica é particularmente interessante quando se deseja determinar a interface (transição) entre líquidos imiscíveis ou líquidos/precipitados. No mercado são encontrados vários modelos de medidores de nível por ultrassom. A figura a seguir apresenta alguns destes modelos.
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Sensores radiométricos Os medidores radiométricos são baseados na diminuição da penetração dos raios Gamma numa camada de líquido ou de sólido, à medida que esta camada aumenta. O sistema de medição por radiação é constituído de um emissor radioativo (a) e de um receptor de radiação (b), denominado célula de ionização.
(a)
(b)
Uma das principais vantagens deste tipo de medidor é que tanto o emissor como o receptor não precisam entrar em contato com o material a ser medido, podendo serem instalados fora do tanque, tornando possível a medição de nível em condições adversas ou extremas, tais como em altas temperaturas, líquidos inflamáveis, recipientes fechados e outros. Alguns exemplos de instalações são apresentados a seguir, tanto para líquidos (a) como para sólidos (b).
(a)
(b)
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Nesta concepção o emissor é instalado na parte superior do tanque e o receptor é instalado na parte inferior, externamente ao tanque. A fonte emite raios Gamma (γ) empregando normalmente o Cobalto (60Co; T=5,3 anos) ou o Césio (137Cs; T=33 anos). A detecção do nível é uma função da absorção dos raios Gamma pelo fluído. A radiação, I, medida pelo detetor é relacionada ao comprimento do mensurando no trajeto da onda, x, de acordo com a seguinte expressão. I = I 0 ⋅ e −µρx
Onde I0 é a intensidade da radiação emitida pela fonte, e que seria totalmente recebida pelo detetor na ausência completa de qualquer elemento intermediário. µ é o coeficiente de absorção e ρ é a densidade do elemento. Sendo assim, o nível desejado será dado por:
h=−
ln(I / I 0 ) ⋅ cos θ µ ⋅ρ
Onde θ é ângulo de inclinação formado pela direção que liga o transmissor ao receptor e a direção vertical. Uma outra configuração consiste na instalação de ambos, emissor e receptor, no nível mínimo ou nível máximo, quando o sistema começa a operar como chave de nível. A figura a seguir ilustra o exposto.
Não obstante à sua extrema flexibilidade, notadamente em relação à sua não intrusibilidade e aplicação em ambientes hostis, este método não tem alcançado grande difusão, principalmente em função dos riscos inerentes ao emprego de fontes radioativas, esbarrando em regulamentações de segurança. Escola Federal de Engenharia de Itajubá - DON/IEE/EFEI - Prof. Bortoni
