MEDIDORES DE NÍVEL
Eloá Luis De Melo
Iana Larissa Pinto
Jéssica Franciele Pacheco Meireles
João Batista Rezende
Lorena Ribeiro Oliveira
RESUMO
Este trabalho apresenta os conceitos sobre medição de nível, bem como seus
métodos de medidas diretos e indiretos, equipamentos e seus princípios de funcionamento e aplicações.
Palavras-chave: Medição, Métodos e Equipamentos.
1 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.
2 DESENVOLVIMENTO
Nível é uma variável relacionada à altura de um conteúdo líquido ou sólido em um reservatório. Os métodos de medição de nível variam de complexos a simples, como exemplo controle automático, indicação remota, visores de leitura e outros. Através da
medição de nível é possível determinar por exemplo, a quantidade de líquido dentro de
um tanque, manter a quantidade desejada através de verificações periódicas e outros que
estão relacionados a controle e monitoramento.
Destaca-se dois métodos de medição de nível, sendo:
a) Direta: acontece diretamente através da medição entre o nível do produto e um
ponto de referência. Pode ser realizada por meio de visores de nível, bóias, flutuadores e até mesmo observação visual.
b) Indireta: é medido o nível através de grandezas físicas, como o empuxo, pressão,
propriedades elétricas relacionadas aos níveis condutivos, radioativos, ultrasônicos e outros.
2.1 MEDIÇÃO DIRETA
a) Visor de Nível
Os visores de nível tem como finalidade exclusiva à monitoração do nível de um líquido
ou da interface entre dois líquidos que não se misturam, em vasos, colunas, reatores,
tanques, submetidos ou não à pressão. Este medidor usa o principio dos vasos comunicantes, o nível é observado por um visor de vidro especial, podendo haver uma escala
graduada acompanhando o visor, a medição pode ser feita em tanques abertos e fechados.
Devido às suas características construtivas, os visores de nível apresenta fácil manutenção, baixo custo e oferece segurança na operação, assim são aplicados quase na totalidade dos casos de monitoração local de nível. Exceto em casos onde a pressão e a temperatura sejam excessivas e impeçam a sua utilização. Para atender as mais variadas
aplicações em diversos processos existem atualmente os visores do tipo tubular, de vidro plano, magnéticos e os especiais para uso em caldeiras.
FIGURA 1 Medição por Visor de Nível
FONTE: http://portuguese.alibaba.com/product-gs/uhf-magnetic-flap-level-indicator-364295784.html
b) Bóia
As bóias são utilizadas no controle e detecção de nível de líquido em tanques ou reservatórios. Seu funcionamento consiste em que a bóia fique presa a um cabo cuja extremidade encontra-se ligado a um contrapeso. O contrapeso, está fixo a um ponteiro que
indicará diretamente o nível em uma escala. É um instrumento simples, com baixo custo
e grande facilidade de instalação.
FIGURA 2 Medição por Bóia
FONTE: http://pt.slideshare.net/panelada/nivel-9677142
c) Contato de Eletrodo
Para a medição dos líquidos que conduz eletricidade, podemos utilizar o contato de eletrodo. Ao mergulhar eletrodos metálicos de comprimentos diferentes e, quando houver
condução entre eles, podemos ter a indicação de que o nível atingiu a altura do último
eletrodo alcançado pelo líquido.
FIGURA 3 Contato de Eletrodo
FONTE: http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/1102manuteno-em-eletrodo-de-ph
d) Sensor de Contato
O sistema de barreira de ar é aplicado basicamente para controle de nível mínimo e máximo, ou seja, age como chave de nível. Trata-se de um circuito eletropneumático, dotado de um sensor que, ao ser alimentado por uma pressão emite por meio desse sensor
em direção ao fluido, um fluxo de ar a uma determinada pressão (0,1 a 0,15 bar). Esse
sensor é normalmente alojado em um tubo de imersão.
Quando o sensor está inativo, o ar de alimentação escapa pelo tubo de imersão. Assim
que o fluido atinge o nível da extremidade inferior do tubo de imersão, fechando-o, parece na saída do sensor um sinal cuja pressão é proporcional à altura do fluido, até o
valor da pressão de alimentação. A pressão do sinal subsistirá enquanto o fluido mantiver a abertura fechada.
FIGURA 4 Sensor de Contato
FONTE: https://eletricistamazinho.files.wordpress.com/2010/09/instrumentacao.pdf
e) Unidade de Grade
É um mecanismo de medição por transmissão de momento de torção. Consiste em anéis
metálicos, ligados por hastes, formando um dispositivo cilíndrico vertical. As forças são
transmitidas por intermédio de um tubo torque a um relé pneumático para transmissão a
um instrumento de leitura ou a um controlador. Esse dispositivo somente pode ser usado
em medição de nível em sólidos.
2.2 MEDIÇÃO INDIRETA
a) Capacitância
A capacitância é uma grandeza elétrica que consiste em duas superfícies condutoras
isoladas entre si. O medidor de nível capacitivo mede a capacidade do capacitor formado pelo eletrodo submergido no líquido em relação as paredes do tanque. A capacidade
do conjunto depende do nível do líquido. Os Medidores de nível capacitivos se utilizam
da variação da capacitância obtida entre a sonda do medidor e a parede do vaso, que
agem como as placas do capacitor.
Esses instrumentos podem ser utilizados em varias aplicações, como, medição de líquidos condutivos e não-condutivos, com variadas densidades, além de poder operar em
condições de alta temperatura e pressão e, com a escolha correta do material da sonda,
podem operar em ambientes corrosivos. Possui fácil manutenção, porém o excesso de
material na sonda pode provocar erros na medição. Assim observar a constante dielétrica do material.
FIGURA 5 Capacitância
FONTE: www.google.com.br/imagens
b) Empuxo
A medição de nível por empuxo é baseado no princípio de Arquimedes, onde todo corpo mergulhado em um líquido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para
cima, igual ao peso do volume do líquido deslocado. É utilizado um deslocador que
diante de variações no nível do líquido é transformado em um movimento rotativo, esse
movimento é detectado pelo transmissor que envia um sinal proporcional ao nível de
fluido no tanque. O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do líquido
cujo nível está sendo medido, pois o empuxo varia com a densidade.
FIGURA 6 Empuxo
FONTE: http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/908-medidor-de-nvel-tipo-empuxo
c) Ultra-Som
Um sensor instalado no tanque ou silo emite pulsos ultra-sônicos de alta freqüência que
são refletidos pelo material que está sendo monitorado. O sensor utiliza cristais piezoelétricos de alto desempenho para gerar curtos impulsos de ultra-som, na forma de ondas
sonoras. Estes pulsos são direcionados para um alvo específico, de onde é refletida de
volta ao transdutor que atua como transmissor / receptor.
A velocidade do som é a base para a medição através da técnica de eco, usada nos dispositivos ultra-sônicos. A propagação do ultra-som depende, portanto, do meio. A presença de espuma, poeira, vapor, névoa, neblina, turbulência do líquido e bloqueio do
sinal pela presença de interferências são alguns dos fatores presentes no meio que afetam a medição de nível e que se ocorrerem, devem ser devidamente compensados ou, se
possível, eliminados.
FIGURA 7 Ultra-Som
FONTE: http://pt.slideshare.net/pedroraphael336/sensores-de-nvel
d) Radioativo
Medição do nível de radiação utiliza uma fonte que contém algum tipo de material radioativo como césio ou de cobalto localizado sobre um lado do recipiente enquanto do
outro lado contém o detector eletrônico. O conjunto é constituído por uma fonte radioativa que emite radiação e um detector que detecta a radiação atenuada e converte-o em
uma percentagem de nível real. A grande vantagem do sistema de medição radiativo é a
possibilidade de se medir nível de sólidos. É usado na indicação e controle de materiais
de manuseio extremamente difícil e corrosivo, sob pressões elevadas ou de alta viscosidade.
FIGURA 8 Radioativo
FONTE: www.google.com.br/imagens
e) Pesagem
A medição de nível por pesagem consiste na instalação de células de cargas nas bases
de sustentação do silo. Estas células podem ser instaladas sob os pontos de apoio da
estrutura do silo, de tal forma que o seu peso será aplicado nelas. Para estas aplicações é
necessário que as células de carga sejam imunes a esforços laterais. Portanto seus encostos para a carga são constituídos de apoios especiais e se diferenciam em função da
forma de silo.
FIGURA 9 Pesagem
FONTE: http://www.celuladecarga.com.br/portal/?cat=15
f) Medição por Célula d/p Cell
O instrumento detector é uma célula tipo diferencial de pressão que mede a pressão exercida por um líquido, utilizando para tal um transmissor de células de pressão diferencial. Esse transmissor irá transmitir quer um sinal pneumático, quer um sinal eletrônico
a um indicador distante.
A pressão hidrostática exerce uma força contra um diafragma de aço da câmara de pressão, sendo este equilibrado contra a pressão atmosférica da câmara de pressão inferior.
Qualquer desequilíbrio é detectado pelo transmissor que contém um amplificador que
enviará um sinal em proporção direta ao nível do tanque. Este procedimento é apropriado em tanques abertos ou fechados, porém com respiradouros, tampas contendo ventanas ou tanques não pressurizados.
FIGURA 10 Célula d/p Cell -A
FIGURA 11 Célula d/p Cell - B
FONTE: www.google.com.br/imagens
FONTE: www.google.com.br/imagens
g) Pressão Hidrostática
Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna líquida, para
medirmos indiretamente o nível, para o cálculo do nível é utilizado o Teorema de Stevin, onde: P=h.d
Medição com Elevação de Zero - Para maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento, muitas vezes o transmissor de i1P, é instalado abaixo do tanque. Outras vezes,
a falta de plataforma fixadora ao lado do tanque, obriga a instalação em um plano situado em nível inferior à tomada de alta pressão. Nos dois casos, quando o nível no tanque
for mínimo (0%), o i1P será positivo o que caracteriza a situação de elevação zero. Resolve-se o problema, atuando-se na tensão da mola de zero-elevação (caso o transmissor
a possua).
FIGURA 12 Hidrostática
FONTE: www.google.com.br/imagens
h) Medição por Caixa de Diafragma
A medição por caixa de diafragma é composta por uma simples caixa de diafragma imersa até o fundo do tanque, tendo em sua extremidade um capilar que se estende até a
parte externa do tanque, sendo conectado a um manômetro de pressão.
Na caixa de diafragma fechada a pressão hidrostática do líquido deforma a membrana
flexível de neopreme para dentro da caixa, comprimindo o líquido em seu interior que
pode ser o próprio ar ou glicerina. Assim, a pressão indicada no manômetro será proporcional à profundidade em que a caixa se encontra.
FIGURA 13 Caixa de Diafragma
Fonte : http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfm1kAG/instrumentacao?part=7
i) Medição de Nível por Borbulhamento
A medição de nível por borbulhamento é também um outro medidor de pressão hidrostática. É importante que o peso específico do líquido permaneça sempre constante.
O sistema é alimentado com um suprimento de ar ou gás com uma pressão aproximadamente 20% maior que a máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. O suprimento de alimentação é continuamente introduzido na parte superior de um tubo mergulhado no líquido em um recipiente e sai em borbulhas pela sua extremidade inferior.
Uma das pontas devidamente preparada é submersa no líquido cujo nível é fornecido ar
ou gás inerte permanente.
Esta medição se baseia no princípio de que será necessário uma pressão de ar igual á
coluna líquida existente no recipiente, para que vença este obstáculo e consiga escapar
pela extremidade inferior do tubo. A vazão de suprimento é ajustada por uma válvula de
agulha até que se observe a formação de bolhas em pequenas quantidades, havendo então, um borbulhamento sensível no líquido em medição. Na medição é necessário que se
possa saber se a pressão exercida pela coluna de líquido está sendo vencida ou não, e
isso se torna possível com o borbulhamento Isto representa um pequeno valor adicional
na pressão de ar, desprezível, desde que o borbulhamento não seja intenso. No outro
braço da tubulação é instalado um manômetro que indicará o valor da pressão devido ao
peso da coluna líquida. Com o uso de um manômetro, o nível pode ser obtido por uma
equação.
FIGURA 14 Medição por Borbulhamento
Fonte : www.google.com.br/imagens
k) Medição por Tubo em U
O sistema consiste em um simples tubo em U contendo mercúrio, é considerado o mais
simples dos manômetros, e ao mesmo tempo, um dos mais exatos, instalado no fundo de
um reservatório não pressurizado ou aberto, e considerando que o reservatório venha
sempre a conter o mesmo tipo de líquido, isto quer dizer que será sempre o mesmo peso
específico. Em vez da escala de pressão, pode ser registrada no tubo uma escala que
permita a leitura do nível do líquido diretamente neste.
FIGURA 15 Tubo em U
Fonte : https://eletricistamazinho.files.wordpress.com/2010/09/instrumentacao.pdf
l) Sensor Vibratório
Este medidor de nível tem o princípio de operar a lâmina vibratória, baseia-se no amortecimento da vibração de uma haste singela ou de duas hastes em forma de diapasão. O
amortecimento mecânico é feito por absorção de energia de vibração pela viscosidade
de um líquido ou pela resistência de sólidos granulares ou em pó que entram em contato
com as hastes. Este sensor consiste de dois osciladores piezoeléctricos fixados dentro de
um tubo gerando vibrações neste tubo à sua frequência de ressonância.
A frequência ressonante do tubo varia de acordo com a sua profundidade de imersão no
fluido ou material. Um circuito PLL é usado para acompanhar estas alterações e ajustar
a frequência aplicada ao tubo pelos osciladores piezoeléctricos. A medida do nível é
obtida em função da frequência de saída dos osciladores quando o tubo está em ressonância.
FONTE: http://velki.com.br/produtos/solidos/chave-tipo-vibratoria/
FIGURAS 16 Medição por Vibração -A
FIGURAS 17 Medição por Vibração - B
Fonte
: http://velki.com.br/produtos/solidos/chave-tipo-vibratoria/
Fonte
: www.google.com.br/imagens
3 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A medição de nível é uma medição amplamente utilizada nas aplicações industriais e
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 e gases. Sendo que cada um possui suas vantagens e desvantagens. Com o
avanço tecnológico e exigências dos processos com exatidão, são utilizados sensores
específicos e de alta precisão para detectar a variabilidade dos processos, otimização de
matéria-prima e redução de custos.
4 Bibliografia
Disponível em: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA-WsAJ/medidores-ni-vel >.
Acesso em 22 Agosto 2015;
Disponível em: <http://pt.slideshare.net/jomartg/apresentao-medidores-de-nivel>. Acesso em 22 Agosto 2015;
Disponível em: <http://www.mecatronicaatual.com.br/educacao/908-medidor-de-nveltipo-empuxo> . Acesso em 30 Agosto 2015;
Disponível em: <http://www.smar.com/newsletter/marketing/index39.html> Acesso em
30 Agosto 2015;
Disponível em: <http://www.peb.ufrj.br/cursos/eel710/SensorNivel.pdf>. Acesso em 31
Agosto 2015;
Disponível em:<http://www2.fct.unesp.br/docentes/dfqb/celso/MatematFisIII/Capacitan
cia.pdf>. .Acesso em 1 Setembro 2015;