INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS
MEDIÇÃO DE NÍVEL
Introdução
A medição de nível .engloba, também, a medição do volume e do peso de líquidos e
sólidos contidos em recipientes.
Basicamente, a medição de nível pode ser feita por métodos diretos, que incluem a
observação visual direta através de bastões graduados, ou visores de vidro; o uso de
boias na superfície do liquido; o contato de eletrodos; a interrupção de fachos de luz e
consequente detecção por células fotoelétricas; a reflexão ou absorção de radiações.
Por outro lado, constituem métodos indiretos aqueles em que o nível é determinado
através de outra grandeza relacionada com o mesmo, como, p.ex., a pressão
hidrostática exercida pelo liquido, e pela força (empuxo) exercida pelo liquido sobre um
flutuador parcialmente imerso.
Observe-se que a medição do nível por boia ou dispositivo semelhante permite a
determinação precisa do volume do liquido contido num tanque.Se a área do tanque
for constante (tanque vertical), o volume será:
em que V = volume (m³)
A = área (m²)
h = nível (m)
A massa (ou o peso) poderá ser determinada somente se a densidade for conhecida:
Em que m = massa (kg)
d = densidade (kg/m³)
V = volume (m³)
A = área (m²)
h = nível (m)
Por outro lado, considerando-se ainda tanque vertical a medição da pressão
hidrostática permite determinar a massa (ou, a rigor, o peso) sem se conhecer a
densidade.
em que p = pressão (mHଶ O)
d = densidade (g/cm³)
h = nível (m)
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Combinando as equações (2) e (3) vem:
Note-se que a densidade não aparece na equação (5).
O volume pode ser determinado somente se a densidade for conhecida,
utilizando-se a equação (2).
Resumindo: Se o objetivo da medição for o de conhecer-se o volume, dar-sea preferência a medição com boia ou similar; se o objetivo for a determinação
da massa, o método de pressão hidrostática é mais adequado.
Visores de Vidro
O tipo mais elementar de visor de
vidro, utilizado para a medição de
nível em tanques abertos, emprega
um tubo de vidro ligado
simplesmente ao fundo do tanque
(Fig.1). Pelo principio dos vasos
comunicantes, o nível será igual ao
do tanque. Uma escala graduada ao
lado do tubo permite a determinação
precisa do nível.
No caso de tanques fechados, o tubo
será ligado ao tanque em ambas as
extremidades (fig. 2). Geralmente
incluem-se válvulas de isolação, para
permitir a retirada do tubo para a
limpeza ou substituição. E freqüente
também o uso de válvulas de retenção
(que só deixam passar o liquido em
um sentido), com o fim de evitar o
vazamento do liquido do tanque, no
caso de quebra do tubo.
2
Boias
Boias podem ser utilizadas para medição de nível, para tanto, o movimento das
mesmas é transmitido para o exterior por cabos ou fitas de metal (Fig. 3), ou através
de eixos que atravessam a parede do tanque. Incluem-se também nessa categoria as
“válvulas de boia” utilizadas em caixas d’água.
A boia pode ser acoplada a uma ampola de mercúrio ou um micro-interruptor, para o
controle liga-desliga ou para alarme.
O movimento da boia é independente da densidade do liquido. Entretanto, turbulência
ou existência de espuma na superfície do liquido podem causar erros na medição.
Manômetros
A medição de pressão hidrostática, e,
indiretamente, do nível contido em um
tanque, pode ser feita ligando-se um
manômetro ao fundo do tanque (Fig. 4).
A faixa de medição do manômetro será
de “0” ate a pressão exercida pelo
liquido quando o tanque estiver cheio.
A unidade de medida mais apropriada para esse tipo de medição é o cm (ou polegada)
de coluna d’água. Se o liquido contido no tanque for água, a temperatura ambiente, a
indicação do instrumento é igual ao nível do tanque. Se, se tratar de água a uma
temperatura diferente do ambiente, ou de um outro liquido, a pressão hidrostática é
dada por:
p=D.h
(6)
em que: p = pressão, em cm (ou polegada) Hଶ O
D = densidade relativa do liquido, em relação a água a temperatura
ambiente
h = nível, em cm (ou polegada)
Obs.: em geral considera-se a densidade da água como sendo igual a 1 g/cm³,
podendo-se, então, usar no cálculo a densidade absoluta do liquido, em g/cm³.
Exemplo:
Deseja-se medir o nível de um tanque contendo álcool etílico puro, a 35°C. O
nível máximo é de 2m. Qual deve ser a faixa de medição do instrumento, o qual
será calibrado com uma coluna d'água a 20°C?
a) Cálculo rigoroso:
Densidade do álcool etílico, a 35°C: 0,78641
Densidade da água, a 20°C: 0,9982343
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Densidade relativa:
0,7864I / 0,9982343 = 0,78780
Pressão = 200 cm x 0, 78780 = 157,56 cm Hଶ O
b) Calculo aproximado:
Pressão = 200 cm x 0,78641 = 157,28 cm Hଶ O
Em muitos casos, torna-se necessário
instalar o manômetro abaixo do fundo do
tanque (Fig. 5).Nesse caso, quando o
tanque estiver vazio, o tubo de ligação
ainda estará cheio de liquido. Nessas
condições, o manômetro devera indicar "0"
ao ser submetido a pressão da altura h'. A
faixa de medição se estenderá desde D.h’,
ate D.h’ + D,h. O manômetro deverá ter
supressão igual a D.h’.
Ao se medir o nível de tanques fechados pressurizados, é frequente utilizar
manômetros de pressão diferencial, ligados ao fundo e ao topo do tanque
(Fig.6).
Caso haja vapores condensáveis, a coluna
externa, ligada ao lado da “baixa pressão"
do medidor, e em geral preenchida com
um liquido, antes de se colocar o
instrumento em operação.
Uma câmara de selagem pode ser usada
para o preenchimento, servindo também
para absorver eventuais flutuações na
altura da coluna. Se a coluna, com altura
H’ estiver cheia de um liquido com
densidade D’, e sendo p a pressão do gás
vapor existente no topo do tanque,
teremos:
a) Tanque vazio: Alta pressão: p
Baixa pressão: p + D' . h'
Diferença: ∆p = p – (p + D’h') = - D'h'
b) Tanque cheio: Alta pressão: p + D . h
Baixa pressão: p + D'h'
Diferença: ∆p = (p+ D. h) - ( p+ D'h') = D.h - D'h'
A faixa de medição se estende de -D'h' a Dh - D'h'. Diz -se que o manômetro tem uma
elevação igual a D'h',
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No caso de líquidos corrosivos, viscosos, ou sanitários, a tomada de alta pressão
pode ser feita através de um selo de diafragma, aço piado diretamente ao
instrumento, ou através de um capilar, Tratando-se de tanque fechado, a tomada de
baixa pressão pode ser ligada ao topo do tanque por um tubo comum ou por um
capilar ligado a um segundo selo de diafragma. A calibração de instrumentos desse
tipo deve ser feita, de preferência, com os selos de diafragma colocados a mesma
altura, em relação ao instrumento, como no local onde serão instalados. Caso isso nao
seja possível, deverão ser tomadas em consideração eventuais colunas liquidas
formadas peio liquido de selagem, dentro dos capilares.
Sistemas de purga
O uso de sistema de purga permite a determinação do nível de líquido viscosos ou
corrosivos, bem como de quaisquer líquidos a distancia. (f i g. 7).
Para tanto, necessita-se um
suprimento de ar ou de gás, a
uma pressão ligeiramente
maior que a máxima pressão
exercida pelo liquido. O
borbulhador inclui uma
válvula de agulha, um
recipiente com água, pelo
qual devera passar, o ar ou
gás, tubo que e mergulhado
no tanque. Ajusta-se a vazão
do ar ou e um gás até que se
observe a formação de
bolhas em pequena
quantidade no borbulhador.
Nessas condições o ar ou gás escapa lentamente pelo líquido cujo nível se quer
medir. A pressão no manômetro é igual a pressão da coluna liquida.
Note-se que o manômetro pode ser colocado a distância.
Notas:
1. A extremidade do tubo que é colocado no tanque deve ser chanfrada ou
serrilhada, para possibilitar a formação de bolhas pequenas.
2. O conjunto do recipiente com água e da válvula de agulha, encontrado
comercialmente com o nome de "borbulhador ", pode ser substituído por um
rotâmetro, também equipado com válvula de agulha.
3. Caso haja variações grandes de nível, convém utilizar-se um regulador de
vazão na linha de ar ou gás, que consiste em uma restrição e um controlador
de pressão diferencial, que mantém constante a pressão diferencial entre os
dois lados da restrição, mantendo assim a vazão constante.
4. A purga pode também ser feita com um liquido ( água, p.ex. ) ( f i g. 8). A
vazão é medida com um rotâmetro. Afim de manter todo o sistema livre de
impurezas, pode se fazer com que o liquido passe dentro da câmara de
medição do instrumento.
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Flutuadores
A fig. 9 mostra, esquematicamente, o funcionamento de um medidor de nível com
flutuador. O flutuador é parcialmente
imerso no liquido. Mede-se a força
exercida pelo liquido sobre o flutuador
(empuxo). Note-se que, ao contrario do
sistema de boia, o flutuador
praticamente não se move. A
transmissão da força para o exterior do
tanque é feita com um tubo de torque
apropriado, para evitar problemas de
selagem.
O flutuador pode ser montado:
a) Pelo topo do tanque;
b) Pelo lado do tanque;
c) Em um tubo vertical, ligado ao
tanque pelas extremidades superior e inferior.
Flutuadores, na forma de cilindros verticais, podem ser fornecidos com comprimentos
desde 14" (36 cm) a 120" (305 cm).
Sistemas Eletrônicos
No sistema eletrônico por condução
(Fig. 10) são colocados um ou mais
eletrodos no interior do condutor de
eletricidade; o circuito se fecha
através da parede do tanque, ou por
intermédio de outro eletrodo. Utilizase um amplificador eletrônico para
amplificar a corrente resultante, e
acionar lâmpadas de indicação,
sistemas de alarme ou controle. Uma
das variantes desse sistema é
utilizada para medir o nível de vidro
fluido.
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O sistema eletrônico capacitivo pode ser
utilizado tanto com líquidos dielétricos
como com líquido condutores. No caso de
líquidos dielétricos, (Fig. 11) o capacitor é
composto de uma haste colocada no
interior de um tubo cilíndrico de metal; a
capacitância varia de acordo com o nível
do liquido. Para os líquidos condutores,
usa-se uma só haste recoberta de material
isolante, que constitui um dos eletrodos; o
segundo eletrodo e constituído pelo
próprio liquido.
Sistemas de Radiação
Nos sistemas de radiação, uma fonte radioativa de raios gama e fixada a parede do
tanque, e um detector é fixado a
parede oposta (Fig.12). A
intensidade da radiação detectada é
afetada quando um líquido (ou
solido) é interposto entre a fonte e o
detector. Assim, pode-se obter um
sinal elétrico quando o nível
ultrapassar um valor prefixado.
Caso se deseje indicação continua
do nível, a fonte e o detector pode,
ser movidos em conjunto por um
servo-motor, subindo e descendo
em correspondância com as
variações do nível.
Medição de Nível de Sólidos
Entre os métodos já citados anteriormente, os sistemas capacitivo e de radiação se
prestam, também, para a determinação do nível
de sólidos. Frequentemente deseja-se somente
uma indicação de que o nível chegou a um certo
valor. Pode-se utilizar para tanto um diafragma
que atua um micro-interruptor quando o nível
desejado é alcançado (Fig. 13). Outro sistema e
composto por um motor montado fora do tanque,
o qual, através de um eixo que atravessa a
parede do tanque, faz girar um sistema de
palhetas. Quando o nível alcança as palhetas, o
movimento das mesmas é travado, e o motor
sofre uma rotação que aciona um microinterruptor.
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Medição de Peso
Frequentemente a medição de nível constitui um método indireto para a determinação
do peso do conteúdo de um reservatório. Nesses casos, bem como naqueles em que
a corrosividade do conteúdo não permite o uso dos métodos convencionais de
medição de nível, pode-se medir o peso, e relacioná-lo, se necessário, com nível.
Para tanto, pode-se usar um dos métodos seguintes:
a) Balanças convencionais;
b) Medidores tipo "strain-gage", em que resistências elétricas são fixadas em
elementos elásticos, que suportam o peso do tanque. A. compressão do
elemento elástico causa uma diminuição do comprimento das resistências bem
como aumento de sua secção); a variação de resistência resultante pode ser
utilizada para a determinação do peso;
c) Medidores tipo "carga volumétrica" em que um elemento elástico é preenchido
com mercúrio, e ligado por um capilar ao instrumento. A compressão do
elemento elástico causa uma variação no volume do mercúrio, que é
transmitida a um "bourdon", o qual movimenta o ponteiro ou a pena.
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