Instrumentação Industrial
Autor: Perez
Instrumentação - Nível
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AULA V
- Instrumentos de Nível
Instrumentação - Nível
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Instrumentação - Nível
Objetivos
9 Estudar Elementos e Transmissores de Nível Mais
Utilizados
9 Precisar Inventários (contidos em tanques e em vasos)
9 Em grande parte das aplicações essa medição dispensa
grande precisão.
9 Em apenas algumas aplicações, tais como níveis de
reatores, água em caldeiras, tancagem em produtos
comercializados (compra e venda) é que a precisão pode
vir a ser importante.
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Instrumentação - Nível
Indicador de Nível tipo Régua
9 Bóia que flutua na superfície do produto, transmitindo seu
movimento, através de um cabo, a um cursor que indica o
nível numa escala graduada.
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Instrumentação - Nível
Chaves de Nível Tipo Bóia
9 Bóia que flutua acompanhando o nível ou interface de dois
produtos em um tanque com diferentes densidades.
9 Montagem Lateral ou de Topo.
9 Indicação ON-OFF
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Instrumentação - Nível
Chaves de Nível Tipo Bóia
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Instrumentação - Nível
Visor de Nível (LG)
9 Principio dos vasos comunicantes.
9 Indicação Local
9 Tipos:
9Tubular
9Pouco utilizado
9Tubo de vidro com varetas metálicas
para proteção mecânica
9Pouca resistência a choques
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Instrumentação - Nível
Visor de Nível (LG)
Instrumentação - Nível
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Instrumentação - Nível
Visor de Nível (LG)
Plano
9Por reflexão (reflex) para acentuar contraste
líquido-vapor devido a diferença dos índices de
refração entre líquido e vapor (gás):
‰ Líquido (reflexão parcial) – apresenta
tonalidade escura.
‰ Vapor ou Fase Gasosa (reflexão total) –
apresenta tonalidade clara.
9Transparente – quando se deseja perceber a cor
de cada produto nas interfaces líquido- líquido.
‰ Permite a instalação de iluminadores.
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Visor de Nível (LG)
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Visor de Nível (LG)
( a ) Visor reflex
( b ) Visor transparente
1 - Parafuso tipo “U” 2 - corpo 3 - Junta de vedação 4 – Vidro 5 - Junta almofada
6– Espelho 7 - Porca
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Visor de Nível (LG)
Visor reflex
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Visor de Nível (LG)
Visor Transparente
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Instrumentação - Nível
Visor de Nível (LG)
Montagem do visor em seções
9 Recomenda-se
que
o
comprimento de um visor
não seja maior que 750 mm
ou mais que 3 seções.
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Indicador de Nível Magnético
9 Um ímã integrado a bóia permite a
visualização do nível de um tanque
ou vaso através da atração de
elementos magnéticos.
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Medidor tipo Borbulhador
9Aplicáveis na presença de líquidos corrosivos, viscosos
ou que se solidificam a temperatura ambiente (tanque
aquecido). Ex: Tanque de Enxofre em URE (Unidade de
Recuperação de Enxofre).
9O ar é injetado no tanque a uma pressão pouco superior
ao head correspondente ao nível máximo
(aproximadamente 20% acima da máxima pressão
hidrostática do tanque). A pressão de ar irá equilibrar a
coluna líquida (ρgh), acompanhando sempre suas
variações. A diferença de pressão entre a controladora de
pressão e a coluna de fluido é absorvida pelo rotâmetro.
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Medidor tipo Borbulhador
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Medidor tipo Borbulhador
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Instrumentação - Nível
Medidor tipo resistência variável
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Medidor por Empuxo
9 Também conhecidos como Displacer (Deslocamento
Variável).
9 Nesse tipo de medidor, não há praticamente movimento
físico do deslocador (que se encontra totalmente
submerso).
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Medidor por Empuxo
9 Utilizado em medição de interfaces. A medida que a
interface se desloca, o peso “aparente” do deslocador se
modifica.
E=gXA(ρ1- ρ2)+
ρ2gLA
Pap=Preal - E
onde X altura da interface, A área do deslocador, L
comprimento do deslocador e ρ1 e ρ2 densidades dos
dois fluidos que formam a interface.
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Instrumentação - Nível
Medidor por Empuxo
E = ρ gV = ρ 1 gV 1 + ρ 2 gV 2 = ρ 1 gXA + ρ 2 g (L − X )A
E = ρ 1 gXA + ρ 2 gLA − ρ 2 gXA
E = (ρ 1 − ρ 2 )gXA + ρ 2 gLA
A
Constante
L
Função apenas de X, altura da interface
X
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Medidor por Empuxo
9 Limitações:
9Fluidos Agressivos (contato direto com o fluido)
9Range de Medição até 3 metros
9O peso do deslocador deve ser suficiente para submergir na
mais alta densidade de operação.
9
Vantagens em relação a bóia:
9 Maior faixa de medição
9 Calibração mais fácil
9 Menor probabilidade de alarme falso devido a turbulências
pois o cabo está sob constante tensão mecânica
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Medidor por Empuxo
Instrumentação - Nível
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Instrumentação - Nível
Medidor de Nível por Pressão
9Principio de Funcionamento: Altura da Coluna de
Líquido Diretamente Proporcional a Pressão ρgh.
9A medição pode ser:
ƒ Com apenas o peso do líquido (Tanque Aberto)
ƒ Pelo Diferencial entre 2 tomadas (Tanque Fechado)
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Instrumentação - Nível
Medidor de Nível por Pressão
9Ajuste de Elevação do Instrumento
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Instrumentação - Nível
Medidor de Nível por Pressão
9Nível no mínimo:
Pd = PH – PL = (ρg(y+z)+ Patm) – Patm= ρg(y+z)
9Nível no máximo
Pd = PH– PL = (ρg(y+z+x)+ Patm) – Patm= ρg(y+z+x)
9 A calibração é feita em altura de água (polegadas de
água)
P = ρgh
Págua = ρ a gh
ρgh
ρ
P
=
=
= SpGr
Págua ρ a gh ρ a
Densidade
P = SpGr × Págua
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Instrumentação - Nível
Medidor de Nível por Pressão
9Exemplo: Para SpGr=0.8, x=80”, y=5” e z=10”, calcular
o range de calibração e o span do instrumento em
termos de pressão.
9Resposta: 12” ~ 76” H2O span de 64”H2O
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Instrumentação - Nível
Medidor de Nível por Pressão
9Ajuste de Supressão do Instrumento
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Instrumentação - Nível
Medidor de Nível por Pressão
9 Hipótese: Fase Vapor não condensa na tomada de
baixa
⇒ Similar ao caso anterior
9 Hipótese: Fase Vapor condensa na tomada de baixa
⇒Nível no mínimo:
Pd = PH – PL = (ρg(y+z)+ Po) – (ρg(d+z)+Po)= ρg(y-d)
⇒ Nível no máximo
Pd = PH – PL = (ρg(y+z+x)+ Po) – (ρg(d+z)+Po)=
ρg(y+x-d)
9Exemplo: Para SpGr=0.8, x=70”, y=20” e d=100”,
calcular o range de calibração e o span do instrumento
em termos de pressão.
9Resposta: range: -64” H2O @-8” H2O span:56” H2O
Instrumentação - Nível
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Instrumentação - Nível
Medidor de Nível por Pressão
Instrumentação - Nível
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Controle de Nível na Retificadora
Correção do nível em unidades de comprimento (H em metro,
por exemplo)
∆Plido = ρ real gH

∆PDensimetro = ρ real ghDensimetro
Dividindo
∆Plido
ρ real gH
=
∆PDensimetro ρ real ghDensimetro
∆Plido
H
=
∆PDensimetro hDensimetro
H=
∆Plido
∆Plido
× hDensimetro → H = k
∆PDensimetro
∆PDensimetro
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Controle de Nível na Retificadora
Correção de nível com a H em percentagem
∆ Pcalibração = d projeto × H = Paltura ⇒ 0 a 100 %
∆ PLT = d real × H
d real ↑⇒ ∆ PLT ↑
∆Pcorrigido = ∆PLT ×
d proj
d real
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Medidor ultra-sônico
9Utiliza como principio de operação a reflexão do sinal.
D=ct/2, onde c é a velocidade de propagação
9Um sinal sônico gerado pelo sensor sofre reflexão em um
obstáculo (por exemplo, a superfície de um produto no tanque)
e retorna ao tanque após decorrido um tempo.
9O termo ultra-sônico é geralmente utilizado mas operam,
normalmente, na faixa audível ou range sônico de 7,5kHz a
600kHz.
9Não entram em contato com o fluido sendo, portanto,
indicados para medição com fluidos agressivos.
9Melhores condições de operação com um meio de propagação
limpo e sem obstruções. Se for necessário medir o nível abaixo
dos obstáculos internos do vaso (agitadores, bóias), haverá erro
na medição.
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Instrumentação - Nível
Medidor ultra-sônico
9Pulse Burst Radar X Onda Contínua com Modulação em freqüência
Instrumentação - Nível
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Medidor ultra-sônico
9A medição do nível por ultra-som depende da temperatura do
meio gasoso que se propaga (já que a velocidade de
propagação da onda sobre um meio depende de sua
temperatura). Portanto, pode ser necessário o uso de
compensação de temperatura na velocidade de propagação ao
inferirmos o nível.
9Se a superfície líquida for turbulenta ou coberta com espuma,
a reflexão do sinal pode acontecer antes de incidir sobre o nível
propriamente, gerando um erro de medição.
9A presença de partículas sólidas na fase gasosa pode
prejudicar a leitura devido a dispersão do sinal em sua
trajetória.
9O medidor ultra-sônico necessita de ar ou de outro gás como
meio de transmissão. Já o radar, que veremos a seguir, se
propaga também no vácuo.
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Medidor ultra-sônico
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Instrumentação - Nível
Radar de Onda Guiada (GWR)
9Princípio de operação: utiliza o mesmo princípio do radar
convencional (ultra-sônico) com reflectometria no domínio do
tempo (TDR), diferenciando-se pelo uso de uma sonda guia de
ondas;
9Fabricantes de referência: Magnetrol, Khrone, Rosemount
9Componentes: unidade transmissora e receptora e sonda guia
de ondas;
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Instrumentação - Nível
Radar de Onda Guiada (GWR)
9 TDR – Time Domain
Reflectometry
o Utiliza pulsos
eletromagnéticos
para medir nível
ou distâncias;
o Quando um
pulso emitido
alcança uma
descontinuidade
dielétrica (criada
pela interface),
parte do pulso é
refletido;
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Instrumentação - Nível
Radar de Onda Guiada (GWR)
Instrumentação - Nível
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Instrumentação - Nível
Radar de Onda Guiada (GWR)
9O uso do guia de ondas viabiliza sinais de menor
intensidade, diminuindo assim a potência requerida e
possibilitando a alimentação pelo par de 4 a 20 mA. Como
o sinal é concentrado em torno de uma guia de ondas, a
medição é pouco afetada pela proximidade à parede e a
obstáculos dentro do tanque, turbulência e espumas. O
instrumento pode ser instalado dentro do tanque/vaso ou
utilizando câmaras externas novas ou já existentes.
Existem três tipos de guias de onda:
‰ coaxial,
‰ dupla (rígida ou flexível)
‰ simples (rígida ou flexível)
Instrumentação - Nível
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Instrumentação - Nível
Radar de Onda Guiada (GWR)
9Guia de Onda Coaxial
‰ É a guia de ondas de maior eficiência. Seu funcionamento é
semelhante ao de um cabo coaxial, confinando toda energia
eletromagnética entre a haste interior e o tubo exterior. Esta
configuração torna o GWR imune a interferências por obstáculos
próximos a sonda, além de permitir aplicações em meios com
baixos valores de constante dielétrica. Esta configuração fechada
da sonda também o torna mais sensível a erros de medição pela
formação de revestimento e acúmulo de material entre as partes
interior e exterior da sonda.
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Radar de Onda Guiada (GWR)
9Guia de Onda Dupla
9É uma guia de ondas que possui eficiência menor que a sonda
coaxial, já que não confina o sinal eletromagnético. Este tipo de
sonda apresenta menor sensibilidade que as sondas coaxiais. Sua
construção a torna menos sensível a formação de revestimento,
sendo que a formação de pontes de material entre as hastes e a
deposição sobre os espaçadores podem levar à medições
incorretas. Como o campo eletromagnético se distribui em torno
das hastes, este tipo de sonda é sensível à obstáculos localizados
muito próximos as suas hastes (100 mm).
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Instrumentação - Nível
Radar de Onda Guiada (GWR)
9Guia de Onda com Haste Simples
9O campo eletromagnético se distribui de forma diferente das
sondas anteriores. Nestas sondas, o pulso se propaga do topo
(referência de terra) para baixo com formato tetraédrico. É a que
apresenta menor eficiência devido ao espalhamento do pulso.
Estas sondas são pouco afetadas pela formação de revestimento
ou acúmulo de material (importante em unidades como o coque),
contudo são mais sensíveis a presença de obstáculos singulares
localizados em sua proximidade (menos de 450 mm).
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Instrumentação - Nível
Radar de Onda Guiada (GWR)
9Exemplos:
D=ct/2
L=E-D
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Instrumentação - Nível
Radar de Onda Guiada (GWR)
9Exemplos:
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Instrumentação - Nível
Radar de Onda Guiada (GWR)
9Características
Aumenta
Coaxial
Duplo
Simples
Coaxial
Duplo
Simples
Potência
Aumenta
sensibilidade
a obstrução
Aumenta
Coaxial
Duplo
Instrumentação - Nível
Simples
sensibilidade
a obstáculos
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Instrumentação - Nível
Radar de Onda Guiada (GWR)
9Vantagens:
ƒ Medição de níveis com líquido tóxico
ƒ Alta precisão
ƒ Tolera turbulência da superfície e espuma no líquido
9 Desvantagens
ƒ Caro
ƒ Não pode ser aplicado em medições com sólidos por
causa do sinal fraco de reflexão;
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Medidor de Vibração
9Principio de Funcionamento: Quando a interface ou nível do
produto atinge o sensor, ocorre mudança de vibração do
mesmo, atuando uma chave.
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Medidor de Capacitância
9Principio de Funcionamento: A medida que a superfície do nível for
subindo ou descendo, variamos o εr (permissividade dielétrica) do
capacitor formado entre o vaso (primeira placa) e o sensor (segunda
placa) ⇒ C= kAεr/d2 ⇒Xc=1/(wC)
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Medidor de Capacitância
9Com o nível do tanque aumentando, o valor da capacitância
aumenta progressivamente a medida que o dielétrico ar é
substituído pelo dielétrico líquido a medir.
Com contato
Sem contato
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Medidor Radioativo
Principio de Funcionamento:
9O sistema de medição por raios gamas consiste em uma
emissão de raios gamas (ondas eletromagnéticas com alto
poder de penetração) montado verticalmente na lateral do
tanque. Do outro lado do tanque teremos um câmara de
ionização que transforma a radiação Gama recebida em um
sinal elétrico de corrente contínua. Como a transmissão dos
raios é inversamente proporcional a altura do líquido do
tanque, a radiação captada pelo receptor é inversamente
proporcional ao nível do líquido do tanque, já que o material
bloquearia parte da energia emitida.
9Aplicação na Petrobras em tambores de coque
9 Requer licença legal
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Instrumentação - Nível
Medidor Radioativo
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Medidor Magneto-restritivo
9O tubo guia (1") contém um cabo condutor por onde é
injetado um pulso de corrente em intervalos fixos. A interação
do pulso de corrente com o campo magnético gerado pelo
flutuador cria uma força induzida de origem eletromagnética (F
= Bli), levando a uma torção no cabo. Esta torção gera uma
tensão localizada que se propaga a uma velocidade prédeterminada a partir do ponto do flutuador em ambas as
direções do condutor. Um elemento sensor piezo magnético,
montado juntamente com o transmissor converte esta tensão
em um sinal de pulso elétrico, permitindo captar o momento
que a torção chega ao sensor. Um microprocessador mede o
intervalo de tempo entre o pulso de corrente transmitido e o
pulso convertido a partir da propagação do esforço mecânico
de torção.
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Instrumentação - Nível
Medidor Magneto-restritivo
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Instrumentação - Nível
Tabela de comparação
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