Rogerio Dias Gimenes Medidor Nivel Hidrostatico Submersivel Ma15 April2004

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Instrumentação Atual Medidor de nível tipo hidrostático submersível Rogério Dias Gimenes* Este artigo visa destacar as aplicações viáveis do medidor de nível tipo hidrostático submersível, bem como descrever suas características construtivas, princípio de funcionamento, revelando sua simplicidade e importância num sistema de medição e controle de nível. O nível é a medida do conteúdo sólido ou liquido dentro de um tanque ou reservatório. Esse nível é uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos industriais, pois através de sua medição torna-se possível: - avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento; - o balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, reações, mistura, etc; - aumentar a segurança e o controle de alguns processos onde o nível do produto não possa ultrapassar determinados limites; - controlar e diminuir as perdas e os erros de totalização, etc. A medição de nível é muito importante nos processos industriais de variados segmentos da indústria. Em muitos processos, ela é crucial no controle de funcionamento de outros equipamentos, tais como bombas, resistências de aquecimento, reatores químicos, etc. Em muitos sistemas essa medição também faz parte dos alarmes de segurança. Há segmentos da indústria em que a medição do nível é a mais requisitada em termos financeiros como, por exemplo, nas indústrias de cimento, onde o nível do silo de cimento “pronto” é fundamental para que a empresa fabricante assuma uma responsabilidade de entrega imediata de cimento em grandes quantias para seus clientes. Ou seja, para que a empresa possa planejar as vendas e cumprir todas as condições de fornecimento negociadas. Na indústria química de um modo geral, os medidores de nível estão sempre trabalhando em conjunto com os medidores de vazão, já que após cada enchimento de um tanque haverá uma totalização de vazão. É através de um medidor de nível que se tem certeza se o enchimento totalizado pelo medidor de vazão está correto ou não. Em uma caldeira aquatubular de geração de vapor superaquecido, a medição do nível do tubulão superior é sempre realizada como padrão, seguindo exigências de normas técnicas e de segurança. Através de dois medidores de nível em redundância, ou seja, dois instrumentos que executam a mesma tarefa, mede-se o nível do tubulão superior da caldeira, para que o controlador do nível possa manter o mesmo em “50%”. Dessa forma, promove-se a eficácia do processo de produção de vapor superaquecido, mantendo-se assim, a segurança do equipamento, das instalações e das pessoas onde a caldeira encontra-se instalada. Esta é uma condição onde o medidor realiza uma função de medição para manter o processo funcionando otimizado e, ao mesmo tempo, em condições de segurança. Nos dias de hoje, mesmo com o avanço da tecnologia e uma grande variedade de princípios e tipos de medidores de nível, é preciso levar em consideração uma série de fatores para a correta especificação de um medidor, de modo que ele realmente cumpra as demandas do processo. Muitos princípios de medição de nível se restringem a apenas alguns tipos de aplicações mais simples, deixando muito a desejar em processos que requerem maior complexidade. Outros princípios são mais versáteis, todavia possuem um custo mais elevado como, por exemplo, os medidores utilizados em processos de transferência de custódia. Um dos princípios de medição de nível mais utilizado ainda é o “princípio hidrostático”. Ele funciona muito bem, atende todas as necessidades do processo e tem uma durabilidade muito boa, desde que tenha sido especificado e aplicado de acordo com o processo em questão. Esse princípio hidrostático é utilizado como referência e continua sendo desenvolvido por muitos fabricantes para aplicações diversas, incluindo as aplicações mais complexas, entre elas, a medição de nível de esgoto em canais, realizada através do medidor de nível hidrostático submersível. O medidor de nível tipo hidrostático submersível, continua sendo especificado para os mais diversificados processos, além de ser considerado como único medidor com funcionabilidade adequada atendendo aos requisitos solicitados por algumas aplicações. Ele é o medidor de nível mais indicado para as aplicações dentro da área de tratamento de água, esgotos e efluentes industriais. MEDIDOR DE NÍVEL HIDROSTÁTICO SUBMERSÍVEL Funcionamento A medição de nível por pressão hidrostática está baseada no teorema de Stevin, que relaciona o nível de um reservatório, poço ou tanque, com a pressão hidrostática gerada pela coluna líquida do conteúdo líquido de um reservatório. Para isso, é preciso que a densidade do produto a ser medida seja fixa, pois uma variação maior na densidade promoverá uma medição errada. A pressão hidrostática da coluna do líquido atua no diafragma e é transmitida por meio de uma célula resistiva Mecatrônica Atual nº15 - Abril - 2004 39 Atual Instrumentação de medição para o circuito de avaliação e conversão de sinal. Ambos estão encapsulados pelo invólucro de aço inox do sensor hidrostático submersível. O circuito de avaliação e conversão de sinal converte a medição de nível realizada pelo conjunto sensor para um sinal proporcional à pressão hidrostática que, neste caso, vem a ser o nível em sinal padrão de 4 - 20 mA. As variações de pressão na superfície do líquido são compensadas por um tubo de ar (tubo capilar) que comunica o sensor com a atmosfera. Esse tubo está conectado mecanicamente ao sensor diafragma, está livre na atmosfera e disponível em local apropriado para respiro. As características principais do medidor hidrostático submersível são as seguintes: - precisão melhor que 0,2%*; - alta robustez; - estabilidade ao longo do tempo, melhor que 0,1% do span ao ano*; - amplo range de medição, desde 0,1 bar (1 mcA) até 20 bar (200 mcA)*; Ele também apresenta muitas vantagens, tais como: - aprovação para indústria alimentícia (água potável); - célula de medição cerâmica (o que garante alta estabilidade e alta precisão)*; - opção de medição de nível e temperatura ao mesmo tempo*; - longa vida útil de trabalho; - operação e configuração muito simples. Somente alguns fornecedores possuem as características para este medidor marcadas com *. F.1 Construção do sensor de nível hidrostático submersível. fina malha de metal e uma capa protetora. Nas figuras 2 e 3 é possível visualizar instalações típicas de um sensor de nível tipo hidrostático submersível, ambas instalações com cabo esticado e ajustado pelo suporte tipo grampo, geralmente utilizado nessas aplicações, juntamente com a unidade eletrônica remota. A unidade eletrônica da figura 2, além de indicar o nível medido, também o trans- Características de Construção A construção do sensor de nível hidrostático submersível (figura 1) faz dele um sensor robusto, altamente resistente a choques mecânicos, à corrosão e sobrecargas de pressão, etc. O núcleo do sensor hidrostático, neste caso, possui uma célula resistiva de medição encapsulada, montada num tubo de aço inoxidável. Possui também um diafragma em aço inoxidável que é protegido por uma 40 Mecatrônica Atual nº15 - Abril - 2004 F.2 Instalação do medidor. mite em sinal padrão de 4 - 20 mA, enquanto que a unidade eletrônica da figura 3 apenas transmite o sinal padrão de 4 - 20 mA. Na figura 2, antes que ocorra a indicação do nível e a transmissão do mesmo, estas unidades alimentarão o sensor com a tensão necessária e promoverão a amplificação e conversão do sinal de medição para 4 - 20 mA, como também para sinal digital para a indicação no display. O essencial na aplicação deste medidor de nível é especificar o comprimento do cabo, que já vem acoplado ao sensor. Esse cabo deve ter, no mínimo, o comprimento total do range de medição do reservatório ou tanque, mais o comprimento que vai do final do range (o ponto de 100% do nível) até o ponto onde a unidade eletrônica/transmissor estará instalada. Dessa forma, tanto o sensor quanto o cabo devem possuir classificação de tempo IP 68, o que permite que o conjunto sensor/cabo seja apropriado para aplicação submersível, que no caso deste medidor é essencial. Na figura 3, a instalação do medidor de nível hidrostático está um pouco mais detalhada, utiliza um tubo de calma ou tubo guia, que serve de proteção para o sensor e também um peso adicional acoplado ao sensor no fundo do poço. As figuras 4 a 6 mostram os acessórios mais utilizados pelo medidor de nível tipo hidrostático submersível. Para a instalação mecânica do sensor, geralmente é necessária a utilização de um “grampo clamp” de fixação junto ao cabo, para mantê-lo sempre fixado e esticado entre o sensor e o transmissor. Em casos de instalação do sensor em locais onde a superfície do líquido é agitada, torna-se obrigatório o uso de um fixador de sensor no fundo do reservatório, para evitar erros de medição ou choques mecânicos desse sensor com as paredes do reservatório ou dele com outros objetos dentro do reservatório, já que, se esses choques forem constantes, podem comprometer o funcionamento do sensor ou danificá-lo permanentemente. Quando não for possível a fixação do sensor no fundo do tanque ou reser- Instrumentação Atual F.4 Caixa de terminais para ligação dos cabos. F.5 Grampo clamp para fixação e esticamento do cabo. F.3 Instalação do medidor. vatório, recomenda-se o emprego de um tubo de calma (figura 3). Esse sensor será colocado no interior desse tubo que estará se comunicando com o tanque, permitindo que a medição do nível seja realizada sem nenhuma restrição. Nas aplicações em canais de esgoto, efluentes industriais e em demais líquidos com sólidos em suspensão, é usual a instalação mecânica de um sensor no interior de um tubo de proteção vazado, confeccionado em materiais resistentes como material metálico ou plástico. Este funciona como um tubo de calma e, ao mesmo tempo, como proteção do sensor e do cabo no interior do reservatório, contra partículas sólidas que possam entrar em choque com o sensor e o cabo, danificando-os. Um fato bastante corriqueiro, também em reservatórios, canais e poços em estações de tratamento de esgoto, é a presença de ratos, que muitas vezes danificam os cabos, roendo os mesmos. No entanto, se o sensor hidrostático for utilizado com este tubo de proteção vazado, o sensor estará bem protegido mecanicamente contra ocorrências que possam danificá-lo. Dessa forma, devem-se então tomar os cuidados necessários tanto para a instalação mecânica do sensor quanto para a instalação elétrica, a fim de aumentar a vida útil do conjunto medidor (sensor + unidade eletrônica/transmissor), como também evitar paradas do mesmo para manutenção corretiva. A pressão hidrostática máxima do F.6 Conexão mecânica roscável com fixador e esticador do cabo acoplado. nível é calculada de acordo com o range de medição, conforme fórmula a seguir: P = d . g. h. 0,00001 Onde: P = pressão hidrostática em bar d = densidade do líquido a ser medido (na temperatura de medição) g = aceleração da gravidade (9,81 m/s2) h = altura máxima da coluna do líquido a ser medido 0,00001 = fator de cálculo para conversão de pascal para bar Mecatrônica Atual nº15 - Abril - 2004 41 Atual Instrumentação Nota Informações necessárias para a seleção correta do medidor de nível hidrostático: - densidade relativa do líquido a ser medido; - tipo de instalação (poço, vaso, tanque, etc); - range de medição (altura de medição máxima e mínima - comprimento total da coluna de medição); - material de construção para o sensor, cabo e conexões mecânicas ou haste; - conversor eletrônico - analisar as necessidades para a especificação dos recursos, tais como: tipos de saída, comunicação, tipo de isolamento, alimentação, etc.; - tipo de conexão mecânica - flange ou rosca, tipos e diâmetros da flange ou rosca, (haste rígida ou cabo); - temperatura do líquido a ser medido; - certificação elétrica - classificação da área, calibração, etc. Exemplos: 1) Medição de Nível em tanque de armazenagem. Líquido - óleo vegetal Densidade - 910 kg/m3 Nível máximo da coluna do tanque - 12 m P = 910 . 9,81 . 12 . 0,00001 P = 1,071 bar / 10,70 mcA 2) Medição de Nível em poço de drenagem. Líquido - água pluvial (água de chuva) Densidade - 997 kg/m3 Nível máximo da coluna do poço 30 m P = 997 . 9,81 . 30 . 0,00001 P = 2,93 bar / 29,30 mcA 3) Medição de Nível em tanque de estoque. Líquido - shampoo Densidade - 1.200 kg/m3 Nível máximo da coluna do tanque -3m P = 1200 . 9,81 . 3 . 0,00001 P = 0,35 bar / 3,5 mcA Aplicações O medidor de nível hidrostático submersível é aplicado, na maioria das vezes, em áreas de tratamento de água, esgoto e efluentes. Entretanto, ele é um instrumento bastante versátil, que pode ser utilizado em inúmeras aplicações de medição de nível, com resultados satisfatórios. Dentre 42 Mecatrônica Atual nº15 - Abril - 2004 F.7 Instalação eletromecânica típica. essas aplicações, podemos mencionar as seguintes: - poços profundos de drenagem (usinas hidrelétricas, termoelétricas, estações de águas pluviais, efluentes, etc); - poços de armazenagem de água potável; - poços de separação (estações de efluentes, esgotos, indústrias, etc); - poços artesianos; - represas elevatórias; - tanques de estocagem e armazenamento (indústria alimentícia, farmacêutica, química em geral, etc); - reservatórios de efluentes; - controle de bombeamento; - reservatórios de produtos para controle ambiental; - controle de secagem; - controle de inundação; - represas de usinas hidrelétricas; - controle de transbordo; - canais abertos. Na figura 7 visualiza-se uma instalação eletromecânica, típica do medidor de nível tipo hidrostático submersível num poço, onde no invólucro do sensor de nível, existe também um sensor de temperatura, possibilitando a medição de nível e de temperatura simultaneamente. Esses dois sensores estão ligados a uma unidade eletrônica, que envia os dois sinais de 4 - 20 mA proporcionais para uma unidade de controle separada. Nas figuras 7 e 8, é possível observar que a conexão mecânica, também funciona como um “grampo clamp” para a fixação e esticamento Instrumentação F.8 Instalação típica. F.9 Aplicação típica em tanque esférico de armazenamento de água. do cabo, dispensando a utilização de um grampo auxiliar. Ambas figuras mostram aplicações semelhantes, praticamente idênticas em poços de água. A figura 9 ilustra uma aplicação típica em tanque de armazenamento de água esférico, uma aplicação onde o medidor de nível hidrostático é bastante utilizado devido a sua precisão. As figuras 10 e 11 exibem uma aplicação de controle de bombeamento e outra de medição de nível de rio, respectivamente. Nessas duas aplicações, o medidor de nível está instalado com a unidade eletrônica remota, que está ligada diretamente na conexão elétrica física de um sistema de controle. A unidade eletrônica deste tipo de medidor de nível, geralmente está ligada a sistemas de controle, como SDCD, PLC, SCADA, etc. Dessa forma, esta variável tão importante também pode ser monitorada à distância por operadores, da sala de operação e pela gerência, através do sistema de gerenciamento. Esses sistemas também permitem manipulações automáticas de processo e manobras de segurança. Muitas vezes, a própria unidade eletrônica de campo do medidor, está ajustada para ligar e desligar automaticamente uma ou duas bombas em determinado momento, ou até mesmo abrir ou fechar uma válvula. Há casos ainda, em que essas funções estão todas programadas para o próprio sistema de controle centralizado de uma indústria, sendo executado de acordo com o status do nível, em um determinado momento. Às vezes, com a ampliação da capacidade da planta ou mesmo por necessidade de mudança de set point ou dos alarmes de segurança, torna-se necessário também, a mudança de todos os parâmetros configurados no medidor e no sistema de controle. Alguns fabricantes permitem que mesmo este instrumento simples, seja configurado remotamente, sem a necessidade do técnico ter que ir ao campo para configurar ou parametrizar o instrumento. Alguns fabricantes deste tipo de instrumento possibilitam que o mesmo seja completamente inteligente, no caso do mesmo possuir acesso da calibração e ajustes via protocolo HART ou mesmo via outro protocolo de calibração ou comunicação específico. Dentre todas as características e benefícios deste medidor de nível, o seu custo- benefício, sua simplicidade e sua robustez, são os fatores que mais chamam a atenção. O seu custo é baixo em relação a muitas tecnologias. Seu benefício é bastante razoável, pois praticamente não requer manutenção, a não ser inspeção periódica, dependendo do processo onde se encontra instalado. Seu consumo de energia é baixo, sua vida útil de operação é longa. Sua simplicidade é outra razão para comentários a seu favor, uma vez que ele requer apenas ajuste de zero e span, e mais nada. Quanto a sua robustez, ele demonstra muita resistência a choques mecânicos, a materiais corrosivos, enfim, sua vida útil de trabalho pode ser muito longa, Atual F.10 Aplicação de controle de bombeamento. F.11 Medição de nível de rio. mesmo em instalações onde ocorrem fatores indesejados no interior do tanque, poço ou onde quer que o sensor esteja. Este medidor de nível confirma sua precisão, sua “repetibilidade”, sua integração em qualquer que seja a aplicação desde que haja o dimensionamento correto do mesmo. Na verdade, seu princípio de funcionamento, suas características gerais e sua simplicidade, fazem dele, um medidor sem igual, único na sua concepção, ideal para um vasto campo de aplicações, com um número razoável de vantagens, o que o torna um equipamento versátil e de performance surpreendente. Bibliografia - Catálogos e Manuais de Medidores de Nível tipo Hidrostático (série waterpilot FMX). Endress + Hauser, 2003. - Gally, Marcos; Barreto, Alexandre; Teixeira, Paulo Frade, Artigo sobre Medição de Nível. SENAI-Santos,1999. - Medição de nível - SENAI-Santos,1996. *Rogério Dias Gimenes - Vendas e Aplica- ções, Endress + Hauser. Mecatrônica Atual nº15 - Abril - 2004 43