INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS
MEDIÇÃO DE DENSIDADE
Introdução
A medição da densidade de líquidos fornece uma informação valiosa para a
determinação da concentração ou da composição de uma solução.
Por outro lado, a medição da vazão de Ilíquidos e gases é influenciada pela
densidade; a sua medição pode portanto ser utilizada para se efetuar as correções
necessárias.
Define-se como densidade absoluta, ou simplesmente densidade a massa contida na
unidade de volume.
Densidade relativa, para líquidos, e a razão entre a densidade absoluta do liquido e a
densidade da água, em condições especificadas.
ଶ଴
é a densidade relativa de um líquido a 20°C, em relação a água, a
Ex.: dଶ଴/ଵହ ou dଵହ
15°C.
A densidade relativa de gases é em geral considerada em relação ao ar, estando,
ambos nas mesmas condições de pressão e temperatura. O mesmo numero exprime,
aproximadamente, a relação entre o peso molecular do gás e o do ar (= 29). A
densidade relativa é um numero puro, não dependendo do sistema de unidades
adotado.
Unidades
A densidade absoluta pode ser medida em qualquer unidade de massa, dividida por
qualquer unidade de volume.
As unidades mais comuns são g/m³, g/litro, kg/m³, libras/pé cúbico e libras/galão. As
conversões podem ser feitas como segue:
1 g/m³ = 1000 g/litro = 1000 kg/m³ = 62,43 libras/pé cúbico = 8,345 libras/galão
Algumas escalas especiais são comumente utilizadas:
Escala Baumé, para líquidos menos densos que a água:
Escala Baumé, para líquidos mais densos que a água:
Escala A. P. I., para produtos de petróleo:
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Escala Quevenne, utilizada na industria de leite:
Escala Twaddell, para líquidos mais densos que a água:
Escala Brix, usada na industria açucareira – indica a porcentagem de açúcar em peso,
na água a 20°C.
Hidrômetros
O hidrômetro consiste de um flutuador com uma haste indicadora de pequeno
diâmetro no tipo (Fig.1I).
A haste pode ser graduada em qualquer
unidade, entre as citadas acima. Pelo principio
de Arquimedes, o peso do volume de líquido
deslocado pelo flutuador é igual ao peso do
próprio flutuador. Quanto maior a densidade do
líquido, menor o volume deslocado, e portanto
mais alto estará o flutuador. A leitura e feita no
ponto onde a haste atravessa a superfície do
liquido.
O hidrômetro pode ser montado em um suporte do rotâmetro, contendo opcionalmente
um termômetro para que se possa fazer a compensação de temperatura ambiente
(Fig. 2). O flutuador pode possuir uma haste
metálica no extremo inferior, que serve de núcleo
em um sistema de ponte de indutâncias, permitindo
assim que a medição seja transmitida a distancia.
Hidrômetros são dispositivos simples, precisos, sem
atrito, de indicação direta, e compatíveis com a
maioria dos líquidos corrosivos. Entretanto, efeitos
de velocidade, turbulência e viscosidade devem ser
minimizados, para que a indicação não seja
afetada. Não podem ser utilizados com fluidos
viscosos, que possam aderir ao flutuador.
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Sensores tipo Deslocamento
Nos sensores tipo deslocamento, o flutuador é completamente imerso no líquido. No
sensor ilustrado na fig.3, o flutuador é preso as
paredes de um tubo por duas correntes.
Quando a densidade aumenta, o flutuador se
move para cima, passando a suportar uma
porção maior da corrente. No equilíbrio, o
aumento do empuxo é cancelado pelo aumento
de peso da corrente.
Incluem-se também nessa categoria sensores
semelhantes aos do tipo de flutuador utilizados
na medição de nível. A força resultante (pesoempuxo) é transmitida para o exterior por
intermédio de um tubo de torque.
Da mesma maneira que os hidrômetros, os sensores tipo deslocamento também são
sensíveis a efeitos de velocidade, turbulência e viscosidade, não devendo ser
utilizados com líquidos que possam aderir ao flutuador, alterando dessa maneira o seu
peso.
Medidores de Pressão Diferencial
A pressão exercida por uma coluna liquida com altura fixa e proporcional a densidade
do liquido.
Medidores de pressão diferencial, podem ser utilizados para a medição de
densidade, de maneira semelhante a medição de nível.
A fig. 4 mostra um arranjo simples, que pode
ser utilizado quando houver possibilidade de
passar o liquido por um tanque aberto para a
atmosfera. O nível é mantido constante,
deixando-se para tanto o líquido escapar por
um ladrão. A faixa de medição se estenderá
de H.D min. a H.D max., sendo H a altura da
coluna, D min. a densidade mínima e D max.
a densidade máxima. Deve-se, portanto,
especificar um instrumento com "zero" igual a
H.D min, ("supressão" de H.D min) e um
"span" igual a H.D max -H.D min.
Exemplo
Um medidor de densidade, como descrito acima, devera ser utilizado medir a
densidade de um liquido, que pode variar de 1,0 a 1,2. Dispõe de um medidor de
pressão diferencial, que permite um ajuste de "span" de 20" Hଶ O. Qual deve ser a
altura do tanque, e qual a faixa de medição ao medidor?
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"span" = H.D max - H.D min
Portanto, 20" Hଶ O = H . 1,2 – H . 1,0 = 0,2 H portanto H = 100”
"zero" = H.D min = 100” . 1 = 100”
Faixa de medição: 100 a 120" Hଶ O
Obs.: O tanque devera ter paredes lisas, e um diâmetro suficientemente grande para
que a perda de carga devida a passagem do liquido seja tão pequena que não
influencie a medição.
Quando não se dispuser de instrumento
com a supressão necessária, pode-se
usar o arranjo da Fig. 5, em que a
supressão é obtida por intermédio de uma
coluna preenchida com um liquido de
densidade conhecida. Convém, nesse
caso, fazer com que a pressão exercida
pela coluna de referencia seja igual a
pressão exercida pelo liquido a ser
medido, quando a sua densidade se
encontrar no extremo inferior da faixa.
Outra possibilidade é a de ser usar duas
linhas de purga de ar, como mostra a fig.
6.
Esse método pode ser usado tanto com líquidos a pressão atmosférica, como a uma
pressão diferente.
Caso não seja disponível um instrumento com a supressão necessária pode-se
recorrer ao esquema ilustrado na fíg.7.
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Métodos de purga de água (ou outro liquido), podem ser utilizados, quando houver
possibilidade das tubulações pelo liquido do processo (fig. 8).
Medidores de Radiação
Um medidor de densidade do tipo de radiação emprega uma fonte radioativa de raios
gama, presa a tubulação, e um detector radioativo no lado oposto (fig. 9).
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Quando raios gama atravessam um fluido, eles são tanto mais absorvidos quanto
maior a densidade.
O detector de radiação é usualmente uma câmara de ionização, que contem um gás
pressurizado entre dois metais diferentes. Quando submetida a radiação, gera-se
uma corrente da ordem de 10⁻ଵ଴ A, que é amplificada e linearizada para se obter
indicação, registro, controle ou totalização.
Medidores de Peso, com Volume Fixo
Visto que a densidade é igual a massa (ou peso), dividida pelo volume, a densidade
pode ser medida preenchendo-se totalmente um volume conhecido com o liquido cuja
densidade se quer determinar.
Uma das formas usuais é a do tubo em "U" (fig. 10).
O tubo em "U" é ligado ao processo por conexões flexíveis. A medição de peso é feita,
geralmente, por equilíbrio de forças.
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Medição da Densidade de Gases
A medição da densidade de gases, tem duas finalidades:
a) Determinação da composição de uma mistura de gases;
b) Correção de medições de vazão.
Um dos dispositivos que podem ser utilizados encontra-se ilustrado na fig.11.
Variações na densidade do gás causam variações no empuxo do flutuador. A detecção
do empuxo pode ser feita como ilustrado na figura, ou por técnicas de equilíbrio de
forças.
Medidores de Densidade por Vibração
Medidores de densidade por vibração são constitui dos de uma lamina, que vibra no
interior de um fluido (liquido ou gás). A freqüência de vibração é relacionada com a
densidade por uma equação do seguinte tipo:
em que A, B e C são constantes
f é a freqüência (Hertz).
t é o período (segundos).
Um detector instalado próximo a lamina detecte a freqüência de oscilação. Esse sinal
e amplificado em um transmissor, e energiza uma bobina colocada junto a lamina, com
uma força mínima, para manter a oscilação na freqüência de ressonância do sistema.
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