GUIA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL PARA SILOS E TANQUES INDUSTRIAIS

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SILOS E TANQUES INDUSTRIAIS Tudo que você precisa saber para ser um especialista no assunto.

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Este eBook é pra mim?

Guia Definitivo de Medição de Nível GUIA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL PARA SILOS E TANQUES INDUSTRIAIS

Manter um controle adequado dos processos produtivos 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. A eficiência da planta que você atua depende da qualidade da instrumentação, da confiabilidade dos equipamentos e do suporte dos melhores fornecedores. Se você é um profissional ou estudante da área de Instrumentação ou Automação Industrial e tem que lidar com processos de medição de nível, esse eBook é pra você. 22

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SUMÁRIO CAPÍTULO I

POR QUE A MEDIÇÃO DE NÍVEL É TÃO IMPORTANTE?.................................................................... 8

Eficiência e Redução de custos na medição de nível...................................................................................................8 Segurança do trabalho na medição de nível.................................................................................................................9

CAPÍTULO II

O QUE É MEDIÇÃO DE NÍVEL?........................................................................................................ 10

Nível............................................................................................................................................................................... 10 Automação, controle e medição de nível................................................................................................................... 10 Automação de Processos........................................................................................................................................... 11 Automação de Processos Contínuos......................................................................................................................... 11 Automação de processos de manufatura.................................................................................................................. 12 Fundamentos da Instrumentação Industrial.............................................................................................................. 12 Como funciona um instrumento?................................................................................................................................ 13 Controle de Processos................................................................................................................................................. 13 Tipos de Controle......................................................................................................................................................... 14 Malha a berta................................................................................................................................................................ 15 Malha Fechada............................................................................................................................................................. 15 Etapas e conceitos fundamentais no controle de processos .................................................................................. 15 Termos específicos mais usados em controle de processo.................................................................................... 15

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Simbologia em instrumentação industrial........................................................................................................17 Identificação de instrumentação.......................................................................................................................19 Simbologia específica para medição de nível..................................................................................................22 CAPÍTULO III

AGORA PASSAREMOS PARA O QUE INTERESSA: A MEDIÇÃO DE NÍVEL....................................... 23

Classificação em medição de nível e tipos de medidores........................................................................................ 23 Medição de Nível Direta............................................................................................................................................... 23 Medição de Nível Descontínua.................................................................................................................................... 24 Medição de Nível Indireta............................................................................................................................................ 25 Cenário Atual da Instrumentação Industrial em Medição de Nível.......................................................................... 25 Os principais desafios da Medição de Nível.............................................................................................................. 26

Como funciona a tecnologia RF Admitância?..................................................................................................28

Entendendo de uma vez por todas como funciona a Tecnologia RF Admitância................................................... 28 Afinal de contas, o que isso tem a ver com a Tecnologia RF Admitância?.............................................................. 30 Qual a diferença entre um medidor de nível capacitivo e um medidor com RF Admitância?................................ 32 Composição básica de um capacitivo convencional................................................................................................ 32 Composição básica de um capacitivo com RF Admitância...................................................................................... 32

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Capacitivo comum de dois terminais......................................................................................................................... 32 Medidor de nível com RF Admitância......................................................................................................................... 33 Onde a tecnologia RF Admitância pode ser aplicada?.............................................................................................. 35 Principais tipos de medidores de nível....................................................................................................................... 35 Medidor de Nível por Empuxo..................................................................................................................................... 35 Deslocador (Displacer)................................................................................................................................................ 36 Tubo de Torque............................................................................................................................................................. 38 Faixa de Medição e Precisão dos Tubos de Torque............................................................................................................... 39

Medidor de Nível por Pressão Diferencial........................................................................................................39 Condição de tanque aberto................................................................................................................................39 Condição de tanque fechado.............................................................................................................................40 Condição de tanque fechado com vapor..........................................................................................................40 Medição de Nível com Transmissor de Pressão Diferencial..........................................................................41 Material Piezoelétrico.........................................................................................................................................43

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Detector Contínuo de Nível................................................................................................................................44 Medidor de Nível por Radiação..........................................................................................................................44 Medição de Nível por Pesagem (Células de Carga)........................................................................................45 Medição de nível por pesagem..........................................................................................................................46 Radar para Medição de Nível.............................................................................................................................47 Radar de Onda Guiada........................................................................................................................................47 Instrumentos para Medição de Nível de Sólidos.............................................................................................48 Como escolher o melhor medidor de nível?.....................................................................................................49 Sistemas de medição de nível mais utilizados................................................................................................49 Instrumentos para Alarme e Intertravamento..................................................................................................50 6

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Chaves de Nível...................................................................................................................................................50

Chave de Nível por vibração........................................................................................................................................ 50

3 características para levar em consideração..................................................................................................51 Medição Pontual e Contínua..............................................................................................................................51 Medição com Contato e Sem Contato...............................................................................................................52

Vantagens e Desvantagens de cada medidor de nível.............................................................................................. 53 Comparativo das principais tecnologias em medição de nível................................................................................. 55 Prós e contras dos medidores.................................................................................................................................... 56

Fontes...................................................................................................................................................................60

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CAPÍTULO I

POR QUE A MEDIÇÃO DE NÍVEL É TÃO IMPORTANTE?

A indústria tem aumentado a demanda de controle de processos. 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: redução dos custos de produção e 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.

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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.

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CAPÍTULO II

O QUE É MEDIÇÃO DE NÍVEL?

Nível é a medida em altura do conteúdo líquido ou sólido de um reservatório. 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 proces- 10

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sos completamente automatizados.

É por esses dois segmentos que damos início ao nosso estudo.

A automação industrial, mais precisamente a instrumentação industrial, Automação de Processos quando utilizada com critério e de forma planejada, reduz drasticamente os custos, aumenta a produtividade e contribui com a qualidade e a segurança Nos tópicos anteriores falamos bastante a respeito de processo, mas não na produção. definimos o conceito para o âmbito da automação industrial. 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.

Processo é uma operação ou uma série de operações realizadas por um determinado conjunto de equipamentos, onde varia, pelo menos, uma característica física ou química de um material para obtenção de um produto final.

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.

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.

A automação é classificada de acordo com suas diversas áreas. Além da Automação de Processos Contínuos automação industrial, temos a automação bancária, comercial, agrícola, predial, de comunicações e de transportes. O processo contínuo é aquele que operam ininterruptamente grande quantidade de produtos e materiais nas mais diversas formas sem manipulação No nosso Guia focaremos na medição de nível, instrumentação inserida direta. São processos caracterizados por tubulações, tanques, trocadores no contexto da automação industrial. Mas para chegarmos lá é preciso en- de calor, misturadores, reatores, entre outros. tender os segmentos que a automação industrial percorre até chegarmos propriamente na medição de nível. As indústrias química, petroquímica, alimentícia e de papel e celulose, são algumas áreas que os processos contínuos atuam. A automação de processos contínuos e de processos de manufatura são 11 as duas vertentes da automação industrial.

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Um processo pode ser controlado por meio da medição de variáveis que re• Sensores: responsáveis pela medição de desempenho do sistema presentam o estado desejado e pelo ajuste automático de outras variáveis, de automação ou uma propriedade particular de algum de seus elementos. de maneira a se conseguir o valor que se deseja para a variável controlada. Exemplos: sensores de posição e óticos; As condições ambientais devem sempre ser incluídas na relação de variá• Controle: a informação dos sensores é usada para controlar o veis de processo. sequenciamento de uma determinada operação. Os robôs são bons exemplos, pois o controle de suas posições é determinado por informações de As variáveis de processo são as grandezas físicas que afetam o desempe- sensores e por uma rotina de sequenciamento, acionando-se um conjunto nho de um processo e podem mudar de valor espontaneamente em virtude de motores. Softwares de controle são conjuntos de instruções organizade condições internas ou externas. Por essa razão, essas variáveis típicas dos de forma sequencial na execução de tarefas programadas; de processos contínuos necessitam de controle. • Acionamento: provê o sistema de energia para atingir determinado As principais variáveis medidas e controladas nos processos contínuos objetivo. É o caso dos motores elétricos, servoválvulas, pistões hidráulicos são: pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade e etc. umidade.

Automação de processos de manufatura

NÃO CONFUNDA AUTOMAÇÃO COM MECANIZAÇÃO A mecanização é um processo que consiste no uso de máquinas para realizar um trabalho repetitivo, substituindo, assim, o desgaste laboral do homem.

A automação de processos de manufatura são aquelas em que o produto é manipulado direta ou indiretamente, ao contrário do ocorre nos processos contínuos.

Já na automação o esforço é transferido ao trabalho realizado por meio de máquinas controladas automaticamente, capazes de se regularem sozinhas, como robôs, máquinas de Comando Numérico Computadorizado (CNC) e sistemas integrados de desenho e manufatura (CAD/CAM).

Nos processos de manufatura identificamos máquinas e sistemas sequenciais característicos da indústria automobilística, eletroeletrônica, alimentícia, farmacêutica, etc.

Fundamentos da Instrumentação Industrial

O FUNCIONAMENTO BÁSICO DE UM PROCESSO DE MANUFATURA RE- A instrumentação industrial é a ciência que estuda, desenvolve e aplica QUER OS SEGUINTES COMPONENTES: instrumentos de medição e controle de processos na indústria. É empregada tanto em processos usuais como a medição de nível em indústrias 12

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sucroalcooleiras quanto em processos críticos como reatores nucleares. A obtenção de medidas precisas e com o menor custo possível depende do O sensor é o elemento de destaque para o processo de medição. A função instrumento empregado, da qualificação do usuário e do tratamento mate- do sensor é converter o sinal da variável física em um sinal da variável de mático que as medições sofrem. saída apropriado. 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.

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 Controle de nível em líquidos

O líquido adentra ao tanque com uma vazão, Q in; e sai com uma vazão Qout. O líquido no tanque apresenta um nível h. A vazão de saída varia de acordo com o nível do tanque de forma quadrática. Assim, quanto maior for o nível do tanque maior será a vazão de saída do tanque. Dessa forma, se Qout > Qin o tanque irá esvaziar, e se Qout < Qin o tanque irá transbordar. Imagine que se deseja manter o nível em um valor desejado H independentemente da vazão de entrada Qin. Para atingir esse objetivo é necessária a utilização de alguma forma de controle nesse processo.

Modelo simplificado de um instrumento Medida

Q

in

M Variável de medição física

Sensor

Sinal da variável

h

H

Processo

Display

Q

out

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A função fundamental do controle de processos é manter uma determinada variável em um valor desejado mesmo quando ela for submetida a perturbações externas. 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.

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. Controle manual Q

Para controlar o nível e mantê-lo em um valor igual a H é necessário que o responsável técnico tenha um instrumento que meça o nível (variável de processo) atual do reservatório; no caso, é empregado um visor de nível. Também deve ser utilizada uma válvula para controlar o nível através da alteração da vazão de saída (variável manipulada).

in

Controle automático Q

Os principais dispositivos do controle automático são os sensores, os atuadores e o controlador. Os sensores servem para medir o valor do nível e convertê-lo em sinal proporcional (S). Esse sinal é enviado a um controlador que faz leitura da informação e fornece um sinal u para o atuador alterar a abertura da válvula.

in

Sensor S

Controlador

H

h

H out

Q

h

H

Válvula

Atuador

out

Q

Válvula

Tipos de Controle

Quando se fala em controle, deve-se, necessariamente, subentender a meAinda temos o controle de processo manual. É um sistema mais rudimen- dição de uma variável qualquer do processo e a sua atuação no sentido de tar, lento e trabalhoso. Basicamente consiste em uma pessoa observando mantê-la constante; isto é, a informação recebida pelo controlador é com- 14 o valor atual do nível e fazendo a comparação com o valor desejado.

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parada com um valor preestabelecido (set point). Verifica-se a diferença entre ambos e age-se para diminuir ao máximo essa diferença. Trata-se da forma de controle usualmente mais empregada. Consiste na medição da variável de processo, passando pela aferição do set point (vaEssa sequência de operações caracterizam a chamada malha de controle, lor desejado) e ao fim alcançando um erro. O sinal de erro é transmitido a dividida em controles de malha aberta e malha fechada. um controlador que faz a correção. Malha Aberta

Etapas e conceitos fundamentais no controle de processos

O controle com malha aberta tem a ação de controle independente da saí- Grande parte dos sistemas de controle realiza as seguintes etapas: da. Ou seja, a saída não tem efeito na ação de controle. • Medição de um estado ou condição de um processo; • Um controlador calcula uma ação com base em um valor medido Configuração de controle em malha aberta de acordo com um valor desejado; • Um sinal de saída resultante dos cálculos do controlador é utilizado Entrada Saída Planta ou para manipular uma ação do processo na forma de um atuador; Controlador Processo • O processo reage ao sinal aplicado, mudando o seu estado ou condição. Nessa espécie de controle não existe elemento de realimentação, a saída TERMOS ESPECÍFICOS MAIS USADOS EM CONTROLE DE PROCESSO nem ao menos é medida ou comparada com uma entrada para efetuar a ação de controle. Faixa de Medida (range) é conjunto de valores da variável de medida compreendido dentro do limite superior e inferior ou de transmissão do instruÉ o contrário do controle em malha fechada. mento. Malha Fechada

Alcance (span) é diferença algébrica entre o valor superior e inferior da faixa de medida do instrumento.

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 conVariável de Processo (PV) é a variável a ser controlada em um processo. 15 trolada.

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Trata-se de uma condição do processo que pode alterar a produção de al- percorre toda a escala no sentido ascendente e descendente. É expressa guma maneira. Exemplos para variáveis de processo: pressão, vazão, nível, em porcentagem do span. temperatura, densidade etc. Repetibilidade é a máxima diferença entre diversas medidas de um mesmo Variável Manipulada (MV) é a grandeza modificada com o intuito de man- valor variável, adotando sempre o mesmo sentido de variação. Expressa-se ter a variável de processo desejado (set point). em porcentagem do span. Set point (SP) é o valor a ser mantido para a variável de processo.

Linearidade é a característica desejada na variável tanto em relação à entrada quando à saída de determinado instrumento.

Carga é uma espécie de perturbação que acontece em decorrência da variação em variável secundária que altera a variável do processo. Sensibilidade (ganho) é a medida da resposta do instrumento, expressa como variação na saída sobre variação na entrada. É o valor resultante do Perturbações são alterações inerentes a qualquer processo. Existem dois span de saída dividido pelo span de entrada. tipos de perturbações: carga e set point. Resolução é a menor diferença substancialmente percebida entre indicaErro (offset) é a diferença existente entre a variável de processo e o set ções de um dispositivo mostrador. point, podendo ser positiva ou negativa. Vale ressaltar que a redução ou a extinção do erro é o propósito fundamental de um sistema de controle. Ajuste é uma operação destinada a fazer com que um instrumento de medição tenha desempenho compatível com a sua utilização. Exatidão é o maior valor de erro estático que um instrumento pode alcançar no período de sua faixa de trabalho. Consiste no grau de concordância en- Calibração é um conjunto de operações que estabelece, sob condições estre o resultado de uma medição e o valor verdadeiro do mensurando. pecíficas, a relação entre os valores indicados por um instrumento, ou sistema de medição, ou valores representados por uma medida materializada, Zona morta é a variação máxima que a variável pode ter sem provocar alte- ou material de referência com os valores correspondentes às grandezas rações na indicação ou no sinal de saída de um instrumento ou em valores estabelecidas por padrões. absolutos do seu range. Incerteza de medição é um parâmetro que expressa o intervalo no qual esHisterese é a diferença máxima apresentada por um instrumento para um tão os valores que poderão ser razoavelmente atribuídos ao mensurando 16 mesmo valor, em qualquer ponto da faixa de trabalho, quando a variável dentro de uma probabilidade específica. A incerteza de medição também

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é caracterizada pela indicação quantitativa da qualidade dos resultados da medição, sem a qual estes não poderiam ser comparados com os valores de referência especificados ou com um padrão. Deve-se levar em consideração que o resultado de uma medição é somente uma estimativa do valor do mensurando. Dessa forma, a expressão que representará o valor de tal mensurando deverá incluir a incerteza de medição. Padrão é a medida materializada, instrumento de medição, material de referência ou sistema de medição destinados a definir, realizar, conservar ou reproduzir uma unidade ou um ou mais valores de uma grandeza para servir como referência.

Simbologia em instrumentação industrial Diagrama P&I

FIC 123

SP

TIC 123

TY 123 FT 123

YIC 123 TT 123

Erro combinado é o desvio máximo entre a reta de referência e a curva de medição, incluindo os efeitos de não linearidade, histerese e repetibilidade. É expresso em porcentagem do sinal de saída nominal. As etapas de um processo químico de transformação devem ser controladas para se obter o produto final desejado. Cada uma das etapas do proPara conhecer ainda mais sobre os termos e jar- cesso é monitorada por instrumentos.

gões específicos da Instrumentação Industrial e da Medição de Nível é importante conhecer também sobre a Simbologia e a Identificação utilizadas na atividade.

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 medi17 da utilizados, tipos de controle, esquemas de controle e, principalmente, a

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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.

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

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.

Simbologia da localização de dispositivos

Campo

Auxiliar

Tipos de CPLs

b

a = tipos b = localização

Também temos os sinais empregados na simbologia P&I.

Localização

Sala de controle

a

Não acessível

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Todo instrumento ou função programada deve ser identificado por um conjunto de letras (identificação funcional) e um conjunto de algarismos (malha ou função programada).

Suprimento ou impulso

Às vezes é necessário completar a identificação do instrumento com um sufixo.

Sinal pneumático

Sinal elétrico

Sinal hidráulico

Tubo capilar

Sinal eletromagnético ou sônico guiado

Sinal eletromagnético ou sônico não guiado

Ligação por software

Ligação mecânica

Letra correspondente

Letra correspondente

Sinal binário pneumático

Sinal binário elétrico

Variável

Variável

Identificação de instrumentação

Identificação de instumento: LETRA NÚMERO

Identificação funcional

000

000

Área da atividade

nº sequencial

Identificação de malha de controle

A S U F I X O

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 dia- 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 gramas e malhas de controle de projetos de instrumentação. 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. As letras de identificação na simbologia ISA determinam: • • •

A variável a ser medida A função do dispositivo Modificadores

Mas fique alerta:

A letra usada para o controle de nível é L, pois a classificação é a partir da língua inglesa na qual Nível é Level.

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Dessa maneira, a primeira letra da identificação funcional é selecionada de como complemento de explicação de função acordo com a variável medida e não com a variável manipulada. A variável manipulada é a variável controlada pela variável medida; logo, uma válvula A identificação funcional deve ser composta por no máximo 3 letras. A de controle comandada por um controlador de nível, que altera a vazão quarta letra só será admitida em caso de extrema necessidade, como são para controlar o nível, é identificada com LV, e não como FV. os seguintes casos: 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

• 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 Primeira letra Variável medida

Letras sucessivas Letra de Função de modificação leitura passiva

A

Analisador

Alarme

B

Queimador (chama)

Balão de pressão

C

Condutibilidade

D

Densidade ou peso específico

E

Tensão (fem)

F

Vazão

G

Medida dimensional

H

Comando manual

I

Corrente elétrica

J

Potência

Função de saída

Letra de modificação

Alarme

Controlador Diferencial Elemento primário

Visor Entrada manual

Alto Indicador

Varredura

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Simbologia específica para medição de nível

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CAPÍTULO III

AGORA PASSAREMOS PARA O QUE INTERESSA: A MEDIÇÃO DE NÍVEL.

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. 3 MÉTODOS BÁSICOS PARA A MEDIÇÃO DE NÍVEL

Apresentaremos suas classificações, tipos e o cenário da instrumentação industrial em relação à medição de nível. • Método de Medição Direta é a medição que se faz tendo como referência a posição do plano superior da substância medida. Como medir e controlar níveis? Chegou o momento de adentrar ao tema medição de nível. • Método de Medição Descontínua está voltado para a medição que indica apenas quando o nível atinge certos pontos preestabelecidos, como por Vimos que nível é uma importante variável na indústria não somente para a exemplo, condições de alarmes de nível alto ou baixo. operação do próprio processo, mas também para fins de cálculo de custo e de inventário. • Método da Medição Indireta é o tipo de medição que se faz para determinar o nível em função de uma segunda variável. Mas como realmente se dá a medição e controle de nível?

Medição de Nível Direta

Os sistemas de medição de nível variam em complexidade desde simples visores para leituras locais até indicação remota, registro ou controle auto- A Medição de Nível Direta pode ser feita medindo-se diretamente a distânmático. cia entre o nível do produto e um referencial preestabelecido. Por essa razão é importante entendermos quais são os tipos de medidores

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Trata-se de uma metodologia de medição de nível básica: você apenas o sinal de saída em função dessa informação. 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.

Se o seu processo envolver algum nível de complexidade ou risco, esqueça a medição direta!

H

A L

Medidor de nível descontínuo por condutividade elétrica

Medidor de nível descontínuo com interruptores acoplados em boias

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

Medição de Nível Descontínua

Assim, os medidores de medição de nível descontínua podem ligar uma bomba, acionar um alarme ou desencadear uma sequência de operações Os medidores de nível que utilizam o método de medição descontínua de automáticas quando o nível atinge um ponto fixo cujo valor pode ser prenível são compostos por duas partes principais: um detector de nível e um viamente ajustado. 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

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

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 Os medidores de nível que utilizam a metodologia da medição indireta são possível. chamadas assim porque fazem suas medições por intermédio de outras propriedades físicas além do nível. Além disso, os dispositivos mais comuns na medição de nível ainda são mecânicos, com muitas partes móveis. A medição indireta se utiliza de grandezas como capacitância, pressão, empuxo e radiação. Consequentemente, existem sempre os riscos relacionados a eminência de desgaste, quebra e mal funcionamento mecânico. A metodologia indireta é a melhor forma que a instrumentação industrial encontrou para enfrentar os desafios que a medição de nível impõe. Ou seja, dor de cabeça. 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

Tudo que a gente NÃO quer na nossa planta. 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. Atualmente a Instrumentação Industrial de um modo geral apresenta 3 necessidades básicas para desenvolver sua atividade: Não é a toa que as tecnologias mais modernas em Automação e Instrumentação Industrial estão dedicado ao avanço da eletrônica aplicada aos • Sistemas Universais mais diversos processos industriais. • Eletrônica Avançada 25 • Protocolos de Comunicação Digital

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Por fim, quanto aos protocolos de comunicação digital, o desafio está em prometendo a eficiência dos equipamentos. trocar as ultrapassadas e instáveis malhas de segurança por um sistema wireless (sem fio), mesmo que sobreposto por um sinal analógico. A espuma gerada em boa parte dos processos contínuos também se torna um problema quando ela impede a medição precisa da grandeza pretendida. Os principais desafios da Medição de Nível A Medição de Nível trabalha com a avaliação do estoque de reservatórios e Pó em suspensão é a poeira que está em praticamente todas as indústrias o controle dos processos pontuais ou contínuos em que existam volumes desde a mineração, siderurgia, papel e celulose, química, petroquímica e líquidos ou sólidos, de acumulação temporária, amortecimento, mistura, até mesmo em portos (terminais de embarque de graneleiros). resistência etc. A poeira gerada por esse tipo de material interfere na confiabilidade da meDurantes os processos industriais algumas intercorrências afetam a con- dição de nível realizada por aparelhos como os medidores sônicos, a laser, radares, ultrassons, capacitivos, garfos, hidrostáticos e eletromecânicos (ex: fiabilidade da medição de nível tornando-se verdadeiros desafios. pá rotativa). OS 4 PRINCIPAIS DESAFIOS DA MEDIÇÃO DE NÍVEL

Outro desafio comum da medição de nível são as interfaces complexas.

• • • •

Na indústria em geral você utiliza água para lavar o processo.

Incrustação Espuma Pó em suspensão Interfaces complexas

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.

Estas intercorrências devem ser chamadas de desafios, porque não se tratam de problemas por si só, mas de eventos inerentes aos mais diversos São usados sistemas de separação para distinguir as interfaces em fases processos industriais. São nestes desafios que você deve estar atento, sa- reaproveitáveis e/ou descartáveis. bendo que existem soluções eficientes ao seu alcance. Para que o processo seja eficiente é necessário que a Medição de Nível A incrustação nada mais é do que aquela camada de produto acumulado esteja calibrada e livre de interferências para que a produção transcorra 26 que recobre os tanques de armazenamento e os medidores de nível com- perfeitamente.

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A falha de um medidor de nível em um processo pode ser catastrófica!

ção 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.

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.

Você não vai usar um avião supersônico para atravessar a rua, não é mesmo?

Todos esses problemas afetam negativamente a produtividade da planta Hoje, 10% de toda instrumentação industrial envolvendo medição de nível utiliza a Radiometria. É uma despesa muito alta para processos simples, ao gerar alarmes falsos, transbordamentos e/ou medição errônea. nos quais a tecnologia RF Admitância é extremamente mais eficaz em relação ao custo, precisão e manutenção.

Mas qual é a solução para os problemas na Medição de Nível?

A tecnologia RF Admitância tem um custo benefício superior a todos os instrumentos de medição de nível atualmente disponíveis no mercado.

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 aten-

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Como funciona a tecnologia RF Admitância?

que subir e tocar a condutor central do sensor, irá provocar um aumento substancial da corrente capacitiva que fluirá através de um demulador e ENTENDENDO DE UMA VEZ POR TODAS COMO FUNCIONA A TECNOLO- provocará mudança de status do relé, indicando assim presença real do material. GIA RF ADMITÂNCIA A RF Admitância utiliza um sinal de radiofrequência (RF) para, diante de Pronto. O sistema de medição cumpriu perfeitamente com a sua função. uma incrustação ou outra interferência, indicar a real presença ou ausência de produto, nível e/ou volume que está em contato com o elemento sensor Trata-se de uma medição de alta confiabilidade mesmo diante dos maiores desafios da medição de nível pontual ou contínua. da Chave ou Transmissor de Nível. Trata-se de uma tecnologia baseada nos princípios da Capacitância e da Impedância, mas diferentemente dos medidores capacitivos comuns com sensores de dois terminais, a tecnologia RF Admitância é imune à Corrente Resistiva causada pela incrustação, espuma, pó em suspensão e, em aplicações mais nobres, desde que exista diferença de condutividade entre as fases de 1/100, as interfaces complexas também poderão ser devidamente medidas.

Ainda não ficou claro? Para entender como funciona a tecnologia RF Admitância é preciso relembrar dois conceitos muito simples: Capacitância e capacitor.

Capacitância é a grandeza elétrica de um dispositivo capacitor estabeleTudo isso graças a um escudo protetor (terceiro terminal no sensor) em cida por meio da quantidade de energia elétrica capaz de ser armazenada conjunto com um algorítimo e uma eletrônica avançada capazes de medir em si por uma determinada tensão e pela quantidade de corrente alternada somente a corrente capacitiva (ignorando a condutiva) que flui pelo condu- que atravessa o capacitor em uma determinada frequência. tor central do elemento sensor para o terra (proteção elétrica). Ou seja é uma grandeza física que armazena energia em si e assim é possíA Capacitância será sempre formada entre o terceiro condutor do elemento vel fazer aferições como é o caso da medição de nível. Para que isso ocorra sensor e a parede do tanque ou silo. A fração resistiva da corrente de medi- é preciso de um capacitor. ção flui do terceiro terminal para a parede do tanque porque, a diferença de resistência sendo menor, atua nesse exato momento. Capacitor é um dispositivo capaz de armazenar energia por meio de um sistema composto por duas placas (condutores) separados por um dieléEntretanto, essa corrente não será medida e não irá provocar mudança de trico (isolador). 28 status na indicação do instrumento. Quando o nível real de produto no tan-

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QUAL É A UNIDADE DE MEDIDA DA CAPACITÂNCIA? A unidade de medida de um capacitor é o farad (F). Um capacitor 1F é capaz de armazenar a carga de 1 coulomb (1C) quando conectado a uma fonte de 1V (volt).

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.

Gargalo de produção é o nome dado aos contratempos que prejudicam processos produtivos de uma determinada planta. Eles comprometem a qualidade dos produtos e afetam a produtividade da indústria. Um gargalo pode surgir em qualquer etapa de um processos industrial, resultando na redução do desempenho da equipe e impactando negativamente os resultados do setor ou até mesmo da empresa como um todo.

As paradas de planta não programadas são extremamente danosas aos processos de uma indústria, acarretando gargalos de produção.

Contudo, os processos exigem mais dos aparelhos, pois os produtos envol- Quando um processo é interrompido de forma brusca significa que a providos interferem na medição. Os principais problemas na medição de nível dutividade está sendo comprometida, o fluxo da planta não rende tudo o são gerados pelas incrustações, espuma em superfície e pó em suspensão. que deveria. É aí que a chave de nível de dois terminais torna-se ineficiente.

O que acontece quando uma incrustação recobre o elemento sensor do instrumento de medição de nível? A tecnologia RF Admitância vem justamente para suprir esse problema.

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).

Quando uma incrustação envolve o elemento sensor do medidor de nível o alarme é acionado ocasionando a parada da planta. Isso resume a fórmula que calcula a Capacitância aplicada a um sensor capacitivo.

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deração 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.

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.

Ou seja, quanto maior o nível de produto dentro do tanque, maior o volume e consequentemente maior será a Capacitância.

Afinal de contas, o que isso tem a ver com a Tecnologia RF Admitância? 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.

Por consequência, se o conteúdo do tanque pouco muda, a constante dielétrica permanece constante e a distância também, sendo assim eliminadas O pior, trata-se de um Chapéu de Bruxa, tipo de incrustação comum em prodo cálculo da capacitância. cessos industriais. Consiste em uma massa com alguns bons centímetros cúbicos de volume em torno do elemento sensor. Portanto, a Capacitância Total gerada por qualquer produto dentro de um tanque será sempre proporcional à área de contato. 30 Entretanto, como um tanque é algo tridimensional, deve-se levar em consi-

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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. Ilustração Chapéu de Bruxa

É a Corrente total de leitura.

Aceitando que a Capacitância é diretamente proporcional ao volume de A Corrente total de leitura (IT) de qualquer sistema por contato será uma fraproduto envolvido no processo, a capacitância gerada pela incrustação é ção capacitiva gerada pelo nível de produto(IC), mais uma fração capacitiva desproporcional em relação ao restante do tanque. gerada pela incrustação (iin) e por fim somada a um atributo indesejado, a Corrente resistiva (IR). 3 3 A incrustação está em cm enquanto o tanque tem m de produto. Nenhum instrumento até então havia sido criado para eliminar a corrente Quando se utiliza um sistema puramente capacitivo, a capacitância gerada resistiva da aferição sem a necessidade de recorrer aos medidores radiopor alguns centímetros cúbicos de produto incrustado será centenas ou métricas. milhares de vezes menor do que a capacitância gerada por metros cúbicos de produto. A unidade eletrônica tem um a fonte de alimentação estabilizada que alimenta independentemente o terceiro terminal e independentemente a parte ativa. 3 6 3

A proporção é de 1m para 10 cm .

Com isso, uma vez que a fonte de alimentação é a mesma, a tensão aplicaPortanto, 1 m3 do produto no interior do tanque vai gerar uma capacitância da será a mesma para os dois terminais. Se a tensão é igual, a diferença de inúmeras vezes superior à capacitância de qualquer incrustação possível potencial entre esses dois pontos é nula, por consequência a fuga de cor31 de se encontrar em um elemento sensor. rente da parte ativa para o terceiro terminal reciprocamente, sendo assim

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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 Elemento sensor de dois terminais, sendo eles um terra e outro a parte ativa, parcial ou totalmente revestida por um plástico de engenharia.

Composição básica de um capacitivo com RF Admitância Elemento sensor de três terminais, sendo eles um terra, um escudo ativo (terceiro terminal) e uma parte ativa, parcial ou totalmente revestida por um plástico de engenharia.

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.

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ainda maior se o produto for condutivo. O circuito ponte contém um capacitor de ajuste de sintonia responsável pelo balanceamento da Capacitância de saída do elemento sensor do ins- O problema da condutividade dos produtos está relacionado aos desafios da medição de nível, pois ao se deparar com incrustação, espuma e partítrumento. culas em suspensão, o alarme de nível comum acusa a existência da corO circuito ponte é conectado diretamente ao elemento sensor que por sua rente resistiva, gerando assim alarmes falsos e uma dor de cabeça daquevez é conectado a uma blindagem (plástico de engenharia) juntamente ao las na sua planta. 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 É aí que entra a RF Admitância! elemento sensor. Medidor de nível com RF Admitância

Durante o procedimento de ajuste, a capacitância do sensor no tanque é balanceada pelo capacitor de ajuste de sintonia, e o circuito ponte permaO funcionamento dos medidores de nível por admitância levam em connece em equilíbrio. sideração os já mencionados princípios de operação dos capacitores comuns, mas com a tecnologia RF Admitância que faz toda a diferença. 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.

Simplificando a teoria básica, o funcionamento dos medidores de nível por admitância se dá pela seguinte maneira: a Capacitância (nível do tanque) sobe e sobe até tocar o elemento sensor e assim um alarme de nível ser acionado, dando início a alguma operação própria do processo (desligamento, alarme etc.).

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 A grande diferença que a RF Admitância está no terceiro elemento incoratravés da medição de nível. porado ao corpo do medidor e na unidade eletrônica de alta tecnologia que utiliza uma fonte de alimentação estabilizada para alimentar independenEsse sistema seria perfeito se não apresentasse falhas temente o terceiro terminal e independentemente a parte ativa do sensor.

diante de desafios como as incrustações. O problema é

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gência específica do processo.

Esse sistema implementado por um circuito de proteção contra incrustação é o que chamamos de Prædator, pois nossa tecnologia patenteada é A eletrônica medirá somente a corrente que flui pelo fio central do elemencapaz de atuar nas mais agressivas condições de processo. to sensor para o terra, e isso somente ocorrerá quando o material tocar o elemento sensor. Trata-se de um dispositivo amplificador com ganho “1”. Sua saída de tensão e fase são idênticas à entrada, mas com baixa impedância. Haverá uma corrente fluindo do terceiro terminal para a parede do tanque porque a diferença de potencial existirá nesse momento. A saída é conectada à blindagem do corpo e só então para a malha de blindagem no sensor. Entretanto, essa corrente não será medida e não irá provocar mudança de status na saída do instrumento. O condutor central e a blindagem do terceiro terminal, por estarem submetidos à mesma tensão e fase permanente, estão sempre no mesmo potenQuando o nível do tanque subir e tocar a haste central do sensor, irá provocial e sem deixar que nenhuma corrente emane por meio da capacitância car uma corrente que fluirá através do demulador e provocada mudança de de isolamento do cabo. status do relé, indicando assim presença do material.

É aí que a “mágica” acontece. Ou melhor, o conhecimento tecnológico altamente bem aproveitado.

Agora é a vez de você profissional de instrumentação finalmente sorrir!

Como não há diferença de potencial entre o elemento sensor e o terceiro Você nunca mais terá problemas com transbordamento, alarmes falsos e terminal, não haverá nenhuma corrente resistiva fluindo através do circuito paradas de planta não programadas. eletrônico devido à incrustação existente no sensor.

É uma medição “limpa”, livre para medir apenas o que você realmente precisa para manter sua instrumentação de acordo com a exi-

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MEDIÇÃO DIRETA

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.

MEDIÇÃO INDIRETA

Réguas ou Gabaritos

Capacitiva

Visores de Nível

RF - Admitância

Bóia ou Flutuador

Radar (onda livre e guiada) Displace (empuxo)

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.

Pressão diferencial (diafragma) Borbulhador

Principais tipos de medidores de nível

Ultrassônico

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

Por pesagem Por raio gama

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.

Por Vibração

Medidor de Nível por Empuxo

Este medidor de nível é composto por um detector que utiliza o seguinte Vale a pena conhecer os principais medidores de nível disponíveis no mer- princípio de Arquimedes: cado. “Um corpo imerso em um líquido sofre a ação de uma força vertical dirigi35 da de baixo para cima igual ao peso do volume do líquido deslocado.”

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A esta força exercida pelo fluido no corpo nele submerso é empregado o A escolha do material adequado é determinada principalmente pela tempenome de empuxo. Quanto maior for a densidade do líquido, maior será o ratura e poder corrosivo do fluido. seu empuxo. A água salgada, por exemplo, é mais densa que a água doce dos rios, por isso é mais fácil nadar no mar. Quando necessário, no interior do cilindro são depositados contrapesos granulados no intuito de normalizar o peso do deslocador.

Deslocador (Displacer)

O deslocador comumente utilizado como sensor de transmissores de nível tem a forma de um cilindro oco.

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 Pode ser fabricado em materiais como aço inox 304 ou 316, monel, has- dentro de um compartimento denominado câmara, dependendo das características dinâmicas do processo, propriedades físicas do líquido e facilida- 36 telloy, tefflon sólido, etc. de de manutenção desejada.

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1

2

1 - Braço de torque 2 - Câmara superior 3 - Haste de deslocador

3

4 - Conexão flangeada para fixação no equipamento

4

5 – Conversor 6 - Câmara inferior 7 - Nível no interior do equipamento 8 - Conexão flangeada para fixação no equipamento

5 P1

7

6 P2

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.

8

D D D

Conexão TB

Conexão TL

D

Conexão LL

Conexão LB

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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

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.

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, incoA extremidade livre da haste é ligada ao sistema de transmissão que pode nel, monel e outros. A espessura da parede do tubo de torque é tipicamente ser pneumático ou elétrico. 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 + 38

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FAIXA DE MEDIÇÃO E PRECISÃO DOS TUBOS DE TORQUE

CONDIÇÃO DE TANQUE ABERTO

Sua faixa de medição varia de acordo com a aplicação sendo que a faixa O lado de alta pressão do transmissor de pressão diferencial é ligado pela máxima disponível normalmente no mercado é de 0 ~ 5.000mm sendo que tomada da parte inferior do tanque e o lado de baixa pressão é aberto para a atmosfera. a precisão varia conforme o fabricante, entre 0,5 e 2%. 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 Como o próprio nome já remete, estes instrumentos medem diferenciais de medidor de pressão pode ser usado em vez do transmissor de pressão pressão que são provocados pela coluna líquida presente nos equipamen- diferencial. tos cujo nível se deseja medir. O transmissor de pressão diferencial é usualmente montado em uma posiOs instrumentos funcionando, segundo este princípio, são em geral trans- ção que corresponde o nível baixo de medição. missores, por essa razão é que vamos tratar especificamente desta espécie de instrumento. MEDIDOR DE NÍVEL POR PRESSÃO DIFERENCIAL

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).

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CONDIÇÃO DE TANQUE FECHADO

CONDIÇÃO DE TANQUE FECHADO COM VAPOR

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.

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.

Tomada de pressão

Tubo com líquido

H max.

H h

H min.

H L Dreno

Tubo de medição

H L 40

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MEDIÇÃO DE NÍVEL COM TRANSMISSOR DE PRESSÃO DIFERENCIAL

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 tamA medição com borbulhador serve para detectar o nível de qualquer tipo de bém plásticos (PVC), teflon etc. líquido, seja ele viscoso, corrosivo etc. Erros de Calibração Neste método é necessário um suprimento de ar ou gás e uma pressão um pouco superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. O erro neste tipo de medição normalmente ocorre no elemento receptor. Ajusta-se o valor, normalmente para algo em torno de 10% a mais do que a O sistema não introduz erros consideráveis desde que convenientemente pressão hidrostática. montado e regulado. O sistema do borbulhador engloba uma válvula agulha, um recipiente com

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Recomendações para seleção

nível por ondulação da superfície sejam mínimas e onde é possível instalar quebra-ondas.

O método do borbulhamento tal como descrito não é indicado para vasos A extremidade do tubo imersa no líquido deve ter um corte em ângulo ou sob pressão, visto que uma variação na pressão do vaso irá afetar a leitura, um chanfro triangular com a finalidade de formar bolhas pequenas, garansomando-se à coluna de líquido. Isto faz com que o instrumento receptor tindo uma pressão no interior do tubo o mais estável possível. acuse nível maior que o realmente existente nos vasos.

Medidor de Nível por Ultrassom

Sob vácuo ocorre o mesmo. Nestes casos deve-se usar um instrumento de pressão diferencial onde uma das tomadas é ligada ao topo do equipamen- O famoso ultrassom é uma onda sonora (mecânica), cuja frequência de osto. cilação que passa de 20 kHz. É uma frequência sonora maior do que aquela sensível pelo ouvido humano. 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

0 Hz

Infrassom

16

Frequências audíveis Hz

Ultrassom

20.000 Hz

42

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A geração do ultrassom ocorre quando uma força externa excita as molé- Inversamente, quando se aplica uma força em um material piezelétrico, reculas de um meio elástico. Esta excitação é transferida de molécula a mo- sulta o aparecimento de uma tensão no seu terminal elétrico. Nesta modalécula do meio com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia lidade, o material piezelétrico é usado como receptor de ultrassom. das moléculas. Pela sua estabilidade, o quartzo cultivado é um dos materiais mais recoA propagação do ultrassom depende do meio, se este é se apresenta de mendados para fabricação do sensor transdutor. forma sólida, líquida ou gases e sua componente longitudinal da onda propaga-se à velocidade característica do material, isto é, é função exclusiva- A excitação destes transdutores pode ser realizada de três maneiras: mente deste. • Pulso: a excitação de pulso consiste em excitar o transdutor com Na água, por exemplo, a 10ºC, a velocidade de propagação do som é de pulsos que podem atingir uma tensão acima de 500V e com a duração 1440 m/s; enquanto isso, no ar, a 20ºC, a velocidade de propagação é de de alguns nanosegundos. A frequência de repetição dos pulsos é da 343 m/s. ordem de 300 a 1000 kHz. • Onda Contínua: como o nome indica, na excitação por onda conA velocidade do som é a base para a medição através da técnica de ECO, tínua o transdutor é excitado por uma onda senoidal (às vezes, onda usada nos transmissores de nível ultrassônicos, sendo função da temperaquadrada) ininterruptamente. tura e da pressão, isto levando em consideração que os efeitos originados • Trens de onda: pode ser produzido por um gerador de ondas senoipor esta última são desprezíveis. dais que é ligado por um tempo e, em seguida, desligado, repetindo-se o processo periodicamente. Geração do ultrassom

Material Piezoelétrico

As ondas de ultrassom são geradas pela excitação elétrica de materiais piezelétricos. 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 A característica marcante desses materiais é a produção de um desloca- incidência (r). mento quando aplicamos uma tensão. Assim sendo, eles podem ser usados como geradores de ultrassom, compondo, portanto, os transmissores Princípio de reflexão de ondas 43 de nível ultrassônicos. Quando uma onda ultrassônica, que se propaga em um meio, incide sobre

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a interface de duas substâncias de densidades diferentes, faz surgir duas ondas emergentes: uma onda ultrassônica proveniente da reflexão nessa O tipo de instalação A prevê dois transdutores, um para emissão e outro interface (onda refletida) e outra proveniente da mudança de meio de pro- para recepção, montados em receptáculos distintos. Neste caso, a onda é pagação, denominada onda refratada. 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 mediOs instrumentos do tipo ultrassônico utilizam o princípio de operação con- ção contínua do nível de líquido se faz de uma maneira indireta, uma vez centrado na reflexão da onda gerada pelo transdutor, quando encontra a que todo o percurso da onda é realizado no meio ar. 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 Em B o transdutor gera um trem de pulsos (burst) ultra-sônico e, enquanto que retorna àquele transdutor depois de refletir-se na interface. 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 No detector contínuo de nível uma onda é emitida e o tempo necessário do eco. A montagem da unidade emissão/recepção no meio gasoso traz a para retornar é permite a indicação de profundidade. Este sistema (SONAR) vantagem de se evitar o contato com o fluido do processo; em contrapartimede o tempo necessário para uma onda ultrassônica ir da superfície do da, apresenta a desvantagem de transferir para o meio gasoso uma parcela maior de sua energia. líquido, refletir-se e depois retornar.

Detector Contínuo de Nível

O transdutor pode ser montado no topo do equipamento ou imerso no meio 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 líquido, cujo nível se deseja medir. de eco ultra-sônico indica diretamente o nível do produto. A

B

A unidade pode ainda ser montada externamente ao vaso (situação D), apresentando a vantagem adicional da não necessidade, de vazar o equipamento.

C

D

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. 44

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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 A intensidade da fonte, que é medida em Ci (Curie), é calculada consideranuma câmara contendo gás inerte (ex: Argônio) pressurizado, alimentado do a distância da mesma ao detetor, a espessura e o material da parede, e por uma tensão contínua negativa (-15 VDC) e um coletor de elétrons. o produto. A corrente elétrica, produzida pela passagem do raio gama é diretamente Já o comprimento do detetor considera o alcance de medição desejada. 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.

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Medição de Nível por Pesagem (Células de Carga)

Medição de nível por pesagem

A medição de nível por pesagem consiste basicamente na instalação de A expressão para obter o valor do nível do tanque leva em consideração a células de cargas nas bases de sustentação do silo cujo nível se deseja densidade preestabelecida do produto. medir. Trata-se de um método de medição de nível indireta que pode ser empregado para sólidos e líquidos.

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.

W

Células de carga

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 dimen- 46

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sões calculadas para apresentar uma deformação elástica e linear quando das por tração. O silo deve ser suspenso por uma única célula, o que acaba submetido a uma força. eliminando o problema de distribuição de carga. O papel das fitas extensiométricas é detectar a deformação obtida através da variação de sua resistência elétrica.

Radar para Medição de Nível

Os transmissores de nível por radar empregam ondas eletromagnéticas tiAs células de carga podem ser instaladas sob os pontos de apoio da estru- picamente na faixa de 6 a 28 GHz para fazer uma medição contínua do tura do silo, de tal maneira que o seu peso é nelas aplicado. nível de líquidos e sólidos. É necessário que as células de carga sejam imunes a esforços laterais. A potência requerida para esse tipo de aplicação é baixa, tipicamente infePara isto seus encostos para a carga são constituídos de apoios especiais rior a 0,015 mW/cm2, e a aplicações típicas não excedem 30 m de faixa, o do tipo côncavo ou esférico. que pode ser considerado uma faixa pequena para a técnica de medição com radar. Dessa forma, para esses níveis de energia não é necessário Instalação nenhum cuidado especial para evitar danos à saúde dos operadores bem como contaminação dos produtos a serem medidos. 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 dis- O sensor de nível tipo radar é montado no topo do tanque a ser medido, e postas defasadas de 120º em relação à projeção do seu centro de simetria. 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 Sempre que possível o silo deve ser projetado com seção transversal circu- diretamente ao sensor. lar de forma a garantir uma distribuição estável e equalizada do peso total entre as três células de carga.

Radar de Onda Guiada

Em algumas instalações existem silos apoiados em uma ou duas células de carga sendo os outros apoios fixos; esta solução não é recomendada Os radares de onda guiada utilizam sensores com Reflectometria no Domídevido à imprecisão provocada pela distribuição desigual do peso entre os nio do Tempo ou Time Domain Reflectometry(TDR). apoios. O princípio de funcionamento desse tipo de sensor usado vem diretamente Nos silos pequenos é possível utilizar células de carga que são deforma- de uma técnica que caracteriza as propriedades elétricas distribuídas em 47 linhas de transmissão.

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O TDR lança um sinal de baixa amplitude e alta frequência pulsado em uma nais não se aplicam. linha de transmissão no guia de onda e analisa sequencialmente a amplituNo mercado é possível encontrar diversos modelos de dispositivos eletrode do sinal refletido. mecânicos, eletrônicos, sônicos ou nucleares capazes de atender às mais A guia de onda é um tubo imerso no fluido a ser medido. Considerando a diferentes necessidades. 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 Geralmente é exigido o controle do volume ou massa de sólidos armazenaeletromagnético transmitido pela onda guiada é refletido nesse ponto de dos em silos, depósitos de compensação e sistemas de dosagem. descontinuidade e s reflexões são medidas por um circuito no transmissor. Uma boa parte dos medidores mostrados ao longo desta publicação têm O pulso refletido viaja de volta pela sonda até um circuito dedicado em que aplicação quase que universal e obtém ótimos resultados. é detectado e medido o seu tempo, sendo convertido para a amedição de Contudo, a desvantagem se dá no custo elevado em relação aos disposinível. tivos mais simples, menos precisos, mas desde que estes instrumentos Caso tenha líquido no tanque, o sinal viajará até o final da sonda e não re- mais baratos atendam plenamente aos requisitos do processo e às condições físicas para a sua instalação. tornará.

Instrumentos para Medição de Nível de Sólidos

É o barato que pode sair caro.

A medição de nível é algo extremamente necessário para atender as de- Muitas empresas pensam a curto prazo e não enxergam os prejuízos de mandas que a indústria exige atualmente. instrumentos de medição de nível que interrompem incessantemente os processos por motivos que podem ser evitados com o uso do medidor cerO crescente surgimento de mais e mais plantas com processos que reque- to. rem o manejo de materiais sólidos granulados (pó e grãos) exige o uso de tecnologias superiores às convencionais. Por exemplo, se você usar uma chave de nível com tecnologia RF Admitância você não terá interrupções no seu processo por alarmes falsos devido A medição de nível de sólidos necessita de uma melhor monitoração e/ou à incrustação. controle imposta aos fabricantes de instrumentos no intuito de implemen48 tar as técnicas de medição dessa variável onde as tecnologias convencio-

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A produtividade será intensamente superior, pois a planta funcionará conti- vapores e também o perfil de carga e descarga. nuamente e sem paradas não planejadas.

Ao escolher o melhor instrumento para a utilizar em sua planta é importantíssimo saber do funcionamento e das limitações que cada aparelhos tem.

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 Você também deve prestar atenção em outros fatores envolvidos no pro- sistema de pesagem, o sistema radioativos, ultrassônicos, todos já abordacesso, como: material estocado; geometria e estrutura do silo; precisão dos ao longo do texto. requerida; custo; etc.

Como escolher o melhor medidor de nível?

Instrumentos para Alarme e Intertravamento

O objetivo fundamental da medição de nível está ligado à monitoração e/ou A escolha do tipo de medidor de nível que você vai usar deve levar em con- controle da quantidade de fluidos estocados em silos e tanques. sideração a especificidade do sensor. A medição envolvendo sólidos deve levar em consideração que os procesEle deve ser escolhido de acordo com suas características químicas e fí- sos geralmente são dinâmicos e assim ocasionam periódicas cargas e sicas, o estado da matéria, as interferências das variáveis temperatura e descargas. pressão e principalmente o local da instalação. Toda essa movimentação recorrente demanda os uso de medidores de níPor exemplo, se a opção melhor for a medição por pressão diferencial de- vel ponterais. Esse tipo de instrumentação é chamada de chave de nível. ve-se recorrer as mesmas recomendações sugeridas para os medidores de pressão de líquidos. As chaves de nível são feitas tendo como saída pontos específicos de nível de um elemento, como nível baixo, médio, alto, entre outros. Seu objeti- 49 Se o fluido for sólido granulado é importante verificar a geração de poeira, vo é acusar uma condição extrema ocorrida no armazenamento do fluido.

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Dessa forma, serve para evitar tanto o excesso como a falta de material Para realizarem esta tarefa, as chaves são compostas basicamente de no reservatório, assim, respectivamente, controlando a ocorrência de trans- duas partes: um detector de nível e um circuito de saída. bordo e o trabalho em vazio. 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 Chaves de Nível de saída da chave em função da informação transmitida pelo detector. As chaves de nível são instrumentos de medição feitos para atuar em determinados pontos fixos de nível. Chave de Nível por vibração 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.

São instrumentos que acionam sinais durante do processo para interferir de alguma maneira. As chaves de nível são capazes de dar como saída somente um dentre dois estados: energizado e desenergizado.

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A chave de nível com lâmina vibratória atua sob o princípio do amorteci- 3 características mento da vibração de uma haste singela ou de duas hastes em forma de diapasão. Indicação e Controle

para levar em consideração

O amortecimento mecânico acontece pela absorção de energia de vibração Os indicadores de medição de nível permitem a verificação do nível “on-sipela viscosidade de um líquido ou pela resistência de sólidos granulares ou te” (localmente). em pó que entram em contato com uma ou mais hastes. Os indicadores exigem que o operador interprete a medição para só a parA chave de nível por vibração consiste em um garfo simétrico com duas tir daí tomar as medidas adequadas. Indicadores também são usados freextremidades. Na base do garfo há uma fina membrana com conexão a quentemente para ajudar na calibração dos sistemas de controle. 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 Os sistemas de controle automático ou sistemas em malha fechada são da membrana através de um cristal piezoelétrico. capazes de controlar o nível em um recipiente eletronicamente. 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.

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.

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. Os recipientes controlados automaticamente também podem incluir indiSó é preciso ter cuidado com os cantos onde possam haver acúmulo de cadores de medição de nível. material e do mesmo modo com as áreas em que ocorre a queda de material para a alimentação do reservatório.

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 51 alarme.

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No entanto, as chaves de nível também podem ser utilizadas sozinhas para indicar simplesmente um estado cheio ou vazio. Limitações de tamanho e Porém, em alguns dos casos, verifica-se uma perda de precisão na mediespaço, bem como a aplicação, determinarão as característica do sistema ção, devido à poeira ou pó em suspensão, ecos falsos na leitura, e dificuldade de calibração em softwares complexos específicos de cada fabricante. ideal. Os transmissores de nível (medição contínua) são geralmente uma entrada Em condições extremas, o mais indicado é a Radiometria. independente para o sistema de controle.

Vantagens e Desvantagens de cada medidor de nível

Neste tipo de medição de nível, confiabilidade e repetibilidade são características mais importantes do que a alta precisão nas leituras. A exigência Muito se falou sobre os mais diversos tipos de medidores de nível. Chegou de precisão varia em um intervalo de 5 a 10 mm. a hora de apresentar os prós e contras de cada um dos principais instrumentos de medição de nível. Os transmissores de nível contínuo são fundamentais em praticamente todas as indústrias, incluindo química, petróleo e gás, energia, refino, papel e Os principais aspectos a serem considerados na escolha do medidor de celulose, mineração, farmacêutica, alimentos e bebidas, dentre outras plan- nível são: tas de processo. • densidade e viscosidade • composição química Medição com Contato e Sem Contato • agitação no processo • vapores e poeiras Em uma medição com contato é fundamental que parte do sistema de me• acúmulo de material dição tenha uma relação direta com o conteúdo do recipiente. A RF Admitância e os Radares de Onda Guiada são os dois melhores exemplos de Dentre todas essas categorias, algumas especificidades encontradas, tantecnologia aplicada à Medição de Nível. to em processos pontuais como contínuos, merecem nossa total atenção Já se tratando de medição sem contato, nenhuma parte do sistema de me- na hora de escolher a tecnologia que melhor se adapte ao desafio imposto dição toca diretamente o conteúdo do tanque. Métodos sem contato são à medição de nível. preferidos quando o meio a ser controlado é especialmente abrasivo ou corrosivo. 52

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Vale muito a pena estar atento às seguintes especificidades: • • • • • • • • •

Incrustação Espuma Pó em suspensão Abrasão Choque mecânico Arraste Vácuo Pressão Variações de composição

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 Para facilitar a compreensão e ajudar você a a aplicação ocorrerá em nível pontual ou convisualizar melhor as vantagens e desvantatínuo. gens de cada tipo de medidor de nível apresentamos uma série de tabelas e tópicos para MELHORES TECNOLOGIAS PARA APLICAÇÕES EM NÍVEL CONTÍNUO serem avaliados. • 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 53 e RF Admitância.

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•

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.

Que tal avaliar o medidor de nível mais indicado através dos desafios de medição que ele irá enfrentar?

• Armazenamento de produtos químicos secos: RF Admitância, 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.

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DESAFIOS DA MEDIÇÃO DE NÍVEL TECNOLOGIA INCRUSTAÇÃO

PÓ EM SUSPENSÃO

ESPUMA

ABRASÃO

*

RF - ADMITÂNCIA

CHOQUE MECÂNICO

ARRASTE

VÁCUO

*

PRESSÃO

VARIAÇÕES DE COMPOSIÇÃO

*

HIDROSTÁTICO ELETROMECÂNICO CAPACITIVO INDUTIVO LASER RADIOMÉTRICO

*

PRESSÃO CÉLULA DE CARGA RADAR DE ONDA LIVRE RADAR DE ONDA GUIADA ULTRASSOM

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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

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•

falsa medição devido a incrustação

•

contato com o produto

BORBULHADOR 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

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

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• 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. 58

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

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 A medição de nível feita corretamente ao longo de um processo industrial diversos profissionais se deslocam para cima e para baixo com fitas méfaz toda a diferença na produtividade de uma instalação. tricas, trenas e réguas. Todos correndo e mensurando de forma manual o nível de diversas etapas do processo produtivo. 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.

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

1) SEGURANÇA OPERACIONAL Não existe mistério, uma medição de nível precisa aumentar a eficiência Medição de Nível é uma questão de segurança. Assim como você não oudo processo industrial. Um bom exemplo de corte de custos seria na estosaria andar pela planta sem seu EPI (Equipamento de Proteção Individual), cagem. pois sabe o quão importante é a prevenção de acidentes, escolher o sistema de nível mais barato pode acabar custando muito caro. Se uma operação precisa ter em estoque sempre uma quantidade de material, mas seus silos de estocagem não estão sendo utilizados na sua capaO enchimento de tanques ou vasos acima de suas capacidades máximas cidade máxima, esta instalação invariavelmente será obrigada a comprar e pode causar acidentes gravíssimos, transbordamentos, e paradas de planmanter silos de estocagem adicionais. ta não programadas. Criam gargalos de produção. O uso eficiente da capacidade de armazenamento da planta pode ser atinNo caso de acidentes envolvendo a medição de substâncias quentes, inflagido através do controle do nível, eliminado o custo extra de comprar e máveis, corrosivas ou de alta granulometria, as consequências podem ser manter outras unidades de armazenamento. desastrosas.

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É isso que entendemos como sendo um processo verdadeiramente efi- vidade está fazendo todas as indústrias de pequeno, médio e grande porte ciente. aderirem aos instrumentos que utilizam tecnologias de Automação e Instrumentação Industrial em seus instrumentos. 3) SUPRIMENTO CONSTANTE é sinônimo de QUALIDADE A maioria dos processos requer um suprimento constante de matéria pri- Chegou o momento de dar um upgrade na operação em que você trabalha. ma ou reagentes para produzir um bem final de qualidade. Converse com o seu superior e ajude ele a dar um basta nas cobranças em relação a produtividade da sua planta. Aliar altos padrões de qualidade a elevadas taxas de produtividade é impossível se os diversos “inputs” forem entregues de forma não homogênea, O próximo passo é buscar um fabricante que realmente esteja compromeem quantidades variáveis, ou se houver falta ou excesso de produto na tido em ajudar vocês a enfrentarem o seu problema de medição de nível linha de produção. mais específico. A implementação de um silo/tanque de estocagem entre a entrega e o pro- Esperamos que a partir de agora você tenha total segurança das tecnolocesso age portanto como um atenuador dessas variações. gias mais adequadas aos processos que envolvem incrustação, espuma, pó em suspensão e interfaces complexas. Caso o nível na unidade de armazenamento seja sempre mantido dentro de um range ideal, a quantidade/volume de matéria prima obtida através do Esperamos que a partir de agora você tenha segurança para tratar de asabastecimento ser elevada ou cair sem afetar a quantidade alimentada ao suntos relacionados à Medição de Nível e também falar acerca das tecnoprocesso, e portanto sem afetar a qualidade do produto final. logias mais adequadas para os desafios enfrentados nas instalações da mais diversas indústrias.

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 produti-

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FONTES 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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