MEDIDOR DE NÍVEL ULTRA-SONICO
Tatiana dos Reis Silva1, Cleber Luis Mendes Madruga1, José Ricardo Abalde Guede2
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Univap/FEAU, e-mail: [email protected]
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Univap/IP&D, e-mail: [email protected]
Resumo- Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um medidor de nível para tanques que funciona
através de medição indireta. Para tal, foi utilizado um trem de pulsos para excitar um dispositivo transdutor
piezo elétrico sendo que este propaga o referido trem de pulsos sobre a superfície com a finalidade de se
obter valores precisos para a medição de nível do(s) produto(s) contido(s) no interior do tanque. Aplicação
do medidor será para medição/distinção de fluídos em tanques com misturas de petróleo e água, obtendo
valores com alta confiabilidade, indicando esses valores em um sistema de supervisão sendo que a
transmissão dos dados será feita através de um CLP (Controlador Lógico Programável).
Palavras-chave: Instrumentação, Ultra-som, Aquisição de Dados, Sistema de Supervisão e Controle.
Área do Conhecimento: Engenharia.
Introdução
Metodologia
Os principais métodos utilizados para realizar
medidas de nível utilizam os seguintes princípios:
observação visual, utilização de flutuadores,
medição de deslocamentos, medição de pressão,
utilização
de
termistores,
medição
de
capacitâncias, utilização de ultra-som e medição
de resistividade elétrica
Para desenvolvimento deste trabalho tomamos
como base uma instalação industrial de
armazenamento e transporte de petróleo. Estas
possuem parques de armazenamento compostos
por tanques sendo que medição utilizada
atualmente é através de medição direta na qual
tomamos como referência a posição do plano
superior da substância medida. Nesse tipo de
medição podemos utilizar réguas ou gabaritos,
visores de nível, bóia ou flutuador. Porém podem
ocorrer erros na marcação da medição devido ao
método ser mecânico, ou seja, o fluído, o qual se
quer medir o nível, fica em contado com o
equipamento medidor, fazendo com que seja
necessária a intervenção humana através de
manutenção no sistema, visando restabelecer o
confiabilidade da medição.
Os transmissores de nível ultra-sônicos são
dispositivos transdutores utilizados para a medição
de nível de líquidos. Baseados no princípio ultrasônico, sem contato com o meio, a medição de
nível que utiliza esta tecnologia é especialmente
indicada para aplicações onde por qualquer razão,
nenhum contato físico pode ocorrer com o material
que se está medindo. Entre estas razões podemos
incluir o ataque químico do meio contra o
instrumento
(ácidos),
contaminação
(esgotos/efluentes) ou partículas que possam
aderir ao equipamento (materiais aderentes).
O método ultra-sônico para medida de níveis
ou deslocamentos utiliza um circuito eletrônico que
fornece um trem de pulsos para excitar um
transdutor piezo elétrico o qual gera um frente de
onda de pressão acústica que se propaga no ar
até atingir um anteparo plano ou a parte superior
do fluido. Parte da energia acústica retorna para o
transdutor em forma de um eco após um certo
intervalo de tempo. Medindo-se este intervalo de
tempo e conhecendo a velocidade do som no ar
pode-se calcular a distância entre o transdutor e o
anteparo, conforme descrito na figura 1.
Figura 1 – Distancia transdutor/anteparo
Sendo C0 = velocidade do som no ar (m/s), τ =
(tr1- tr2), tr1: inicio da transmissão (s) e tr2: recepção
do eco (s).
A velocidade do som no ar é uma função da
o
temperatura T ( C), pressão barométrica, umidade
relativa e viscosidade do ar. Destas variações as
mais significativas são as devidas à temperatura
que podem ser expressas conforme abaixo
Figura 2 – Velocidade do som no ar
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Assim compensando devidamente as variações
com a temperatura é possível medir nível de
líquidos ou deslocamentos de anteparos com este
método.
transdutor. Os valores baseiam-se nos medidores
com ângulo de abertura de 5º.
Figura 3 – Medição de deslocamentos pelo
método ultra-sônico.
O transdutor piezo elétrico para uso no ar,
fisicamente é um cristal piezo elétrico de PZT
alojado num receptáculo e apoiado num material
adequado para fornecer amortecimento posterior
de forma a absorver ou refletir a energia na parte
traseira deste e um material para acoplamento
acústico anterior com impedância acústica
específica para acoplamento com o ar. Na figura a
seguir verifica-se a aplicação deste método para
medição de nível de fluidos.
Figura 4 – Medida de nível (método ultrasônico)
Os transdutores possuem um ângulo total de
abertura de modo a assegurar uma medição
confiável em silos de pequeno diâmetro cujas
paredes apresentam irregularidades bem como
em processos cujos tanques possuem vários
objetos que entram na área do feixe do ultra-som.
Além disso, devido ao grau do ângulo de abertura
(o sinal de ultra som emitido apresenta excelente
foco) consegue-se uma grande capacidade de
penetrar através de gases, vapores e espuma. A
figura a seguir mostra os valores dos raios
formados pelo cone de ultra som considerando
determinadas distâncias a partir da face do
Figura – 5 - Valores dos raios formados pelo cone
de ultra som.
A faixa de medição dos medidores ultra-sônicos
depende das condições do ambiente (por
exemplo, se o tanque é fechado ou aberto).
Existem alguns fatores que podem influenciar na
medição, como espuma, vapor, etc., que reduzem
a faixa nominal de medição do transmissor ultrasônico. Com isso devem ser utilizados os que
oferecem soluções para medição de nível
envolvendo vários tipos de transdutores que
operam em diferentes freqüências: tudo para
equacionar o grande número de aplicações de
medição de nível de líquidos, tais como: distância
mínima de medição (Xm) - é a menor distância
onde a medição pelo instrumento é possível
(também chamada de zona morta). Este valor
pode ser adequado para evitar, em certos casos, a
possibilidade de interferências provenientes de
objetos fixos que possam estar penetrando na
área do cone de ultra-som; distância máxima de
medição (XM): é a maior distância possível de ser
medida pelo instrumento sob condições ideais. A
distância máxima da aplicação específica jamais
pode ser maior que XM.
A zona afastada é utilizada visando desprezar
leituras de nível/volume incorretas e ações da
saída (corrente, relê) abaixo de um valor de nível
prefixado. Deve-se considerar a zona afastada da
faixa de medição em casos como tanques
contendo serpentinas internas de aquecimento ou
outros objetos (lama, cone do silo, etc.) que
possam afetar a medição.
Resultados
Como em qualquer aplicação, para se obter um
bom resultado deve ser realizada uma análise
criteriosa no local da instalação com relação não
somente à localização do sensor no processo,
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mas também com relação a outros fatores
impactantes, que irão minimizar os problemas
potenciais da aplicação, tais como: tanques com
estruturas internas, sensor localizado próximo ao
ponto de descarga do produto no tanque,
presença de alguns tipos específicos de
agitadores, distância mínima exigida pelo sensor
em relação ao processo, tanques com formato
cônico ou abaulado, etc. Em todos os casos, o
sensor ultra-sônico deve ser posicionado
verticalmente no topo do tanque, conforme
exemplo a seguir.
Para selecionar o sensor mais apropriado à
aplicação levamos em consideração alguns
parâmetros do processo que são indispensáveis,
tais como: altura/distância do processo, faixa
(zona morta) exigida pelo sensor, temperatura de
operação, pressão de operação, presença de
sólidos em suspensão no meio, vapores existentes
na superfície do material em medição,
compatibilidade química do processo com o
material construtivo do sensor
Discussão
Uma vez que os medidores ultra-sônicos têm
como principal característica a ausência de
contato físico com o processo, os sensores podem
ser utilizados em um vasto campo de aplicações
desde processos com ambientes insalubres e
agressivos até aqueles com produtos incrustantes
ou com sólidos em suspensão. Alguns exemplos
de aplicações em medição de nível de processos
são apresentados a seguir: indústrias químicas
(ácidos, solventes e bases); indústrias alimentícias
(sucos, bebidas, misturas, grãos, farinhas);
indústria siderúrgica (tanques de água de
resfriamento de fornos, tanques de armazenagem
de produtos químicos); indústrias de papel e
celulose (medição em tanques de armazenagem
de celulose em tratamento, nas estações de
tratamento etc); tratamento de água e esgoto
(estações de tratamento de água, produtos
químicos, lama, esgoto, controle de bombas);
indústrias farmacêuticas (vacina, água destilada,
pastas, líquidos assépticos, reagentes químicos);
silos em geral (fertilizantes, plásticos granulados,
minérios, grãos); monitoração ambiental (nível de
rios, canais, piscinões, represas, lagos. Uma
aplicação comum a todos que também pode ser
citada é a medição de nível na fase de
carregamento de caminhões.
Conclusão
Figura – 6 – Disposição de instalação do sensor
ultra-sônico.
Figura – 7 – Tipos de sensores ultra-som
Os medidores de nível representam uma
grande solução para aplicações onde só é
possível a medição sem contato com o produto.
Os instrumentos utilizam a tecnologia do ultra-som
para a realização da medição, o que os tornam um
versátil para a medição e controle de
nível/distância. São soluções de baixo custo e de
alta confiabilidade para qualquer processo onde a
medição sem contato for necessária. Nas áreas
onde as aplicações usualmente trazem o
inconveniente da impregnação de sólidos, os
medidores por ultra-som por não entrarem em
contato com o produto, são realmente uma
excelente solução, ao contrário de tecnologias
convencionais que apresentam problemas de
falhas de indicação ou controle do nível.
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Outros exemplos de aplicações são: controle
de limpeza em gradeamento, onde a medição é
feita a montante e a jusante da grade e é enviado
um sinal de controle proporcional à diferença dos
níveis, controle de velocidade e altura do produto
em esteiras transportadoras, controle de nível em
sistemas de irrigação em lavouras, controle de
bobinas em processos têxteis e controle de nível
em sistemas de carregamento de caminhões são
alguns entre outros inúmeros exemplos que
podemos apresentar.
Referências
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infra-estrutura física, cabeamento, protocolos de
comunicação, Barreto Engenharia LTDA, apostila
2008.
- Bolton W, Instrumentation and Measurement
Pocket Book, Newnes, 1996.
- Dally, J. W., Riley W. F. & Mc Connell K. G.,
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John Wiley, 1984.
- ELONKA, STEPHE M. – PARSONS, ALONZO R.
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- FIALHO, ARIVELTO B. Instrumentação Industrial
Conceitos, Aplicações e Análises - Editora Érica –
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- IN CONTROL S/A. Manual Transmissor de Nível
Modelo ITS-1000, 1998.
- INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA,
AUTOMAÇÃO
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E
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRUIAL – ENG.
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http://www.ime.eb.br/~aecc/Automacao/index.html.
Acessado em 01 fev 2009.
- METALTEX
http://www.metaltex.com.br/classe.asp?classe=Aut
omação. Acesso em 28 abr. 2009.
- TORREIRA, RAUL P. Instrumentos de Medição
Elétrica - Editora Hemus - ed. 1988.
- UNISANTA, FACULDADE DE ENG. MECÂNICA
http://cursos.unisanta.br/mecanica/ciclo10/1088apostila.html. Acessado em 14 abr. 2009.
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