Medição de Nível
César Cassiolato
Diretor de Marketing, Qualidade , Assistência Técnica e Instalações Industriais
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Introdução
A medição de nível, embora muito simples em seus conceitos, requer na prática
artifícios e técnicas avançadas, principalmente para fins operacionais e de custos
(transferências fiscais, inventários). É uma medição amplamente utilizada nas mais
diversas aplicações industriais.
Existe uma variedade de sistemas de medição de nível envolvendo líquidos, sólidos,
vapor, gases; sendo que cada um possui suas vantagens e desvantagens.
Podemos ter interfaces entre líquidos e sólidos, entre liquido e gás ou vapor, mais
de um liquido, ou mesmo entre um sólido e um gás. Podem variar em
complexidade desde simples visores para leituras locais até indicação remota,
registro ou controle automático. Com o avanço tecnológico e exigências dos
processos com exatidão, variabilidade dos processos, otimização de matéria-prima,
existem hoje no mercado equipamentos com alta exatidão e performance. Veremos
alguns detalhes a seguir.
Definição
A maneira mais simples de definição de nível é dizer que nível é a altura do
conteúdo de um reservatório ou tanque de armazenamento, através do qual tornase possível basicamente avaliar o volume estocado de produto, determinando e
controlando a quantidade de material em processo físico e/ou químico, levando
ainda em conta a segurança, onde o nível do produto não pode ultrapassar
determinados limites. Além disso, existe a condição de monitoração e controle
visando controle operacional e/ou de custo e proteção ambiental.
Métodos de medição
Os três tipos básicos de medição de nível são:
a) direto
b) indireto
c) descontínuo
A medição direta pode ser feita medido-se diretamente a distância entre o nível do
produto e um referencial previamente definido. Neste tipo de medição podemos
utilizar a observação visual, como por exemplo, réguas, gabaritos, visores de nível,
bóia ou flutuador, ou até mesmo através da reflexão de ondas ultra-sônicas pela
superfície do produto.
Na medição indireta, o nível é medido indiretamente em função de grandezas
físicas a ele relacionadas, como por exemplo, pressão (manômetros de tubo em U,
níveis de borbulhador, níveis de diafragma, células de pressão diferencial,etc),
empuxo (níveis de deslocador) e propriedades elétricas(níveis capacitivos, detector
de nível condutivo, níveis radioativos, níveis ultra-sônicos, detector de nível de
lâminas vibrantes,etc).
Na medição descontinua, tem-se apenas a indicação apenas quando o nível atinge
certos pontos especificados, como por exemplo, condições de alarmes de nível alto
ou baixo.
Na prática a preferência é pelas medições diretas, pois o peso específico do líquido
varia com o tempo.
Vamos comentar a seguir um método indireto, através da medição de pressão e
posteriormente uma aplicação de medição de nível de interface com transmissor de
densidade.
Medição de nível com transmissor de pressão diferencial
Neste tipo de medição utiliza-se a pressão exercida pela altura da coluna
líquida(hidrostática), para indiretamente obter-se o nível, como mostra abaixo o
Teorema de Stevin. Este tipo de medição é utilizado quando a densidade do líquido
é conhecida e não varia substancialmente no processo:
P=h*?
Onde:
P = Pressão em mm H2O ou polegada H2O
h = nível em mm ou em polegadas
d = densidade relativa do líquido na temperatura ambiente.
Figura 1 - Pressão exercida pela altura da coluna líquida(hidrostática)
Essa técnica permite que a medição seja feita independente do formato do tanque,
seja ele aberto ou pressurizado.Normalmente os transmissores de pressão
utilizados são instalados no campo e as tomadas de pressão Hi e Low são
conectadas diretamente ao tanque.Neste tipo de medição deve-se analisar
cuidadosamente os cálculos, ajustes e calibrações, o efeito das colunas liquidas nas
tomadas do transmissor.Outro detalhe é se o tanque é aberto ou fechado.
Considere a figura 2, onde temos o esquema de medição de nível para tanques
fechados. Neste tipo de medição, a tubulação de impulso da parte de baixo do
tanque é conectada à câmara de alta pressão (Hi) do transmissor. A pressão na
câmara Hi é a soma da pressão exercida sob a superfície do líquido e a pressão
exercida pela coluna de líquido no fundo do reservatório. A câmara de baixa
pressão (Low) do transmissor de nível, é conectada na tubulação de impulso da
parte de cima do tanque onde mede somente a pressão exercida sob a superfície
do liquido.
Figura 2 - Medição indireta utilizando transmissor de pressão diferencial em
tanques fechados
Figura 3 - Medição indireta utilizando transmissor de pressão diferencial em
tanques abertos
No caso da figura 3, temos os tanques abertos. Na situação onde o transmissor
está instalado no mesmo nível que sua tomada de alta, não há necessidade de
compensação da coluna de líquido na tomada do transmissor, o que é requisitado
onde se tem o transmissor a um nível inferior, que muitas vezes é n prática a
maneira preferencial por facilitar acesso, visualização e manutenção.Neste caso,
uma coluna líquida se forma com a altura do líquido dentro da tomada de impulso e
o transmissor indicará um nível superior ao real.Isto deve ser considerado. É o que
chamamos de Supressão de Zero.
Ainda de acordo com a figura 2, onde se pode ter o tanque fechado e o transmissor
de pressão diferencial localizado abaixo de sua tomada Hi e não há selagem liquida
na tomada de Low, é necessária a compensação da coluna de liquido aplicada na
tomada Hi, fazendo-se a Supressão de Zero. No caso onde existe a selagem liquida
na tomada de pressão baixa(low), é necessária a compensação da coluna de liquido
aplicada na tomada Hi e na tomada Low.É o que chamamos de Elevação de Zero.
Na prática a selagem pode ser necessária quando o fluído do processo possuir alta
viscosidade, ou quando se condensa nas tubulações de impulso, ou ainda no caso
do fluído ser corrosivo.
Para uma medição com alta precisão, onde a densidade de um líquido varia com a
temperatura, a densidade deve ser compensada em relação à temperatura atual do
líquido. Este é o caso de medições de nível em tanques hidrostáticos(HTGHydrostatic Tank Gauging), onde pode-se prover informações precisas do nível,
massa, densidade e volume do conteúdo de um tanque.
Os transmissores de pressão diferencial são os mais utilizados em medições HTG.
Estes exemplos de medições de nível podem ser feitos utilizando-se a série LD de
transmissores SMAR (LD301-HART/4-20mA, LD302-Foundation Fieldbus, LD303Profibus PA) que também é aplicável à medição de pressão diferencial,
manométrica, absoluta, de alta pressão estática, assim como vazão.
Veja na figura 4 exemplo de transmissor de nível.
Figura 4 - Transmissor LD301L - Medição de Nível
Para mais detalhes, consulte:
http://www.smar.com/Brasil2/products/LD300Series.asp
Medição de nível de interface com a série DT SMAR
Uma aplicação interessante na área de extração de petróleo é a medição de nível
de interface, onde basicamente na extração se tem um separador de óleo e água.O
objetivo é que via diferença de densidade se consiga separar e conhecer o nível de
interface da mistura, sem perdas e com segurança.Neste tipo de aplicação é
utilizado o transmissor de densidade SMAR, com a função de medição de nível de
interface com alta exatidão.
Figura 5 - Medição de nível de interface com o DT, Touché SMAR
Figura 6 - Instalação típica de medição de nível de interface com o DT, SMAR
Figura 7- Tanque separador Vertical
Figura 8- Tanque separador horizontal
A série DT(DT301-HART/4-20mA, DT302-Foundation Fieldbus, DT303-Profibus PA)
é aplicável à medição de nível de interface de líquidos com densidades diferentes,
além dos processo convencionais de medição de densidade e concentração.
Funcionamento básico do Transmissor de densidade Série DT-SMAR utilizado
também em medições de nível de interface
Figura 9- Princípio básico de pressão hidrostática
Para mais detalhes, consulte:
http://www.smar.com/Brasil2/products/DT300Series.asp
Medição de Níveis com Radares de Onda Guiada
A tecnologia de medição de nível por pressão hidrostática ainda é a mais utilizada
no mundo. Mas, como se sabe, ela depende da densidade. Se há mudança de
temperatura ou composição do produto, o famoso trio p.g.h varia também, devido
a ela.
Neste sentido, a SMAR desenvolveu o RD400, um transmissor de nível por onda
guiada. Ele possui tecnologia baseada no princípio da Reflectometria no Domínio do
Tempo (TDR), muito utilizado para medição de constantes dielétricas de líquidos,
detecção de fissuras em grandes estruturas na construção civil, medição de
concentração de soluções e umidade do solo na agricultura e, entre outras
aplicações, para medição direta de níveis em processos industriais.
Através de um gerador de radiofreqüência localizado no interior do equipamento,
pulsos eletromagnéticos são emitidos através de uma sonda em contato com o
processo cujo nível deseja-se medir.
As ondas, ao entrarem em um meio com constante dielétrica diferente, retornam
pela sonda graças à mudança da impedância desse meio. Este parâmetro é
diretamente relacionado com a constante dielétrica do processo, sendo, portanto,
fator decisivo na qualidade da reflexão da onda.
Com um software dedicado,
o RD400 - Transmissor de
Nível por Onda Guiada
calcula continuamente o
tempo de reflexão das
ondas, dadas as condições
geométricas da aplicação
(como formato do tanque e
zonas de utilização da
sonda).
Figura 10 - Tanque de
evaporação na Usina Vale do
Rosário, em São Paulo.
Segundo a ARC (o estudo
completo você acha em
www.arcweb.com), o
mercado de radares no
mundo movimentou em
2007 algo em torno de USD
300 milhões. Para 2010, a
previsão é de 375 mihões. E
até 2012, estimam-se 400
milhões de dólares.
Os radares tiveram até ano
passado uma taxa média de
crescimento de mais de 10% ao ano, durante 5 anos. Se formos comparar com a
tecnologia de medição de nível mais consagrada do mercado de automação, que é
a por pressão hidrostática, os radares estão 2% acima em termos de taxa de
crescimento.
Figura 11 - RD400 - Transmissor de nível por onda guiada
Hoje, podemos afirmar que os radares de onda guiada já entraram na fase de
maturidade na curva de ciclo de vida do produto aqui no Brasil. Nessa fase, o
mercado em sua grande maioria conhece bem a tecnologia, e os players competem
mais com seus preços e algumas novidades tecnológicas.
Figura 12- Com um Radar de Ondas Guiadas, as ondas propagam-se ao redor da
sonda imersa no processo, sem ser afetada por espumas ou vapores.
Figura 13- Exemplo de sinal na haste do Radar RD400
Princípio de funcionamento
O RD400 utiliza a tecnologia de Reflectometria pelo Domínio do Tempo (TDR),
princípio largamente utilizado nas áreas de construção civil, telecomunicação,
agricultura, entre outros, e recentemente na medição de níveis em processo
industriais.
Tal princípio baseia-se na premissa de que ondas eletromagnéticas, guiadas em um
determinado meio (no caso do RD400, suas sondas), sofrem reflexão ao
encontrarem outro meio com diferente constante dielétrica, devido à mudança de
impedância ocorrida.
O RD400 depende primordialmente da constante dielétrica do meio cujo nível se
quer medir. Para meios com a presença de umidade, a reflexão das ondas melhora
significativamente devido à grande constante dielétrica da água.
Elementos como poeira, obstáculos internos ao tanque (chaves de nível, filtros,
etc.), bolhas na superfície, entre outros, são na maioria das vezes ignorados pelo
equipamento, já que as ondas são guiadas por sondas, sem perda de potência.
Para cada tipo de processo, haverá a necessidade de um tipo diferente de sonda,
que pode ser uma haste simples ou dupla, um cabo simples ou duplo ou ainda um
terminal coaxial. O que vai determinar qual será essa sonda são parâmetros como
a altura do tanque, a instalação ou não do RD400 em vaso comunicante ao
reservatório, a constante dielétrica do processo, entre outros.
Características
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Tecnologia de medição de nível baseada no princípio TDR (Time Domain
Reflectometry)
Independe de variações de densidade e/ou temperatura
Medições não afetadas por viscosidade, gravidade, gases no interior dos
reservatórios e turbulência no processo
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Fácil instalação e manutenção
Exatidão de ±7 mm
Excelente repetibilidade
Configuração remota via configurador HART® ou por ajuste local
Cálculo de volume por linearização de tanques irregulares
Tipos de Sonda
* Sondas para medição acima de 14m (até 30m) estão disponíveis sob
consulta
Figura 14-Tipos de Sondas
O RD400 - Transmissor de Nível por Onda Guiada utiliza sondas do tipo
coaxial, flexível simples, flexível dupla, rígida simples e rígida dupla, permitindo
maior flexibilidade ao usuário, dependendo das características de aplicação.
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Haste Simples: para faixa de medição de até 8m,com processo de alta
constante dielétrica (forte presença de água); instalações em vasos
comunicantes; instalações alimentícias polida e com conexão tri-clamp;
Haste Dupla: para faixa de medição de até 8m com processo cuja constante
dielétrica é relativamente baixa, como produtos com pouca presença de água
(exemplo: grãos constantemente úmidos).
Cabo Simples: para faixa de medição maiores, em processo de alta
constante dielétrica (forte presença de água) e situações de turbulência que
exijam maior flexibilidade a esforços mecânicos da sonda.
Cabo Duplo: para faixa de medição maiores, em processo cuja constante
dielétrica seja relativamente baixa.
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Coaxial: para faixa de medição de até 3m, em processos líquidos de
constante dielétrica muito baixa, presença de vapor, além de superfícies com
alta turbulência e presença de bolhas ou espuma.
Para mais detalhes consulte: http://www.smar.com/brasil2/products/rd400.asp
Conclusão
A medição de nível é uma medição amplamente utilizada nas aplicações industriais,
com grande importância, muito simples em seus conceitos, mas que na prática
requer artifícios e técnicas avançadas.
Existe uma variedade de sistemas de medição de nível envolvendo líquidos, sólidos,
vapor, gases; sendo que cada um possui suas vantagens e desvantagens. Com o
avanço tecnológico e exigências dos processos com exatidão, variabilidade dos
processos, otimização de matéria-prima, existem hoje no mercado equipamentos
com alta exatidão e performance.
Vimos dois exemplos de medição indireta, uma com transmissor de pressão
diferencial (Série LD SMAR) e outra para medição de nível de interface com um
transmissor de densidade (Série DT SMAR).
Complementamos mostrando o transmissor de nível por onda guiada, o RD400,
com suas vantagens em termos de aplicações.
Nota: a Série LD, DT e RD da SMAR são protegidas por patentes.
Referências
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www.smar.com.br
Application Notes - Série DT - Transmissores de Densidade SMAR
Application Notes - Série RD400 - Transmissores de Nível por onda guiada
SMAR
Material de treinamento em transmissores de pressão SMAR - César
Cassiolato
Material de treinamento em transmissores de densidade SMAR - Evaristo
Orellana Alves
Material de treinamento em transmissores de transmissores de nível por onda
guiada SMAR - Marcus Vínicius
Blog do Radar RD400: http://www.smar.com/blog_nivel/
CASSIOLATO, César - Medição de nível & nível de interface, Revista Controle
& Instrumentação, Edição nº 110, 2005
SILVA, Marcus Vinicius M., SOMMAGIO, Davi, Medição de Níveis em
Evaporadores com Radares de Onda Guiada, Revista Mecatrônica Atual,
Edição 45, 2010.