RELATÓRIO 6 - Controle de Nível - Grupo 7

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FACULDADE DE AMERICANA 
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA III 
PROF. KARINA KLOCK DA COSTA 
RELATÓRIO 6 
CONTROLE DE NÍVEL 
Grupo 7 
Aharon Somaio De Araújo 20211136 
Esthephanny Bruna Gomes Rodrigues 20211079 
Geovanna de Souza Bosso 20211092 
Wellington Rodrigo Rocha 20211095 
Americana 
2021
Laboratório de Engenharia Química III – Controle de Nível 
 
Aharon Somaio de Araújo 20211136 
Esthephanny Bruna Gomes Rodrigues 20211079 
Geovanna de Souza Bosso 20211092 
Wellington Rodrigo Rocha 20211095 
CONTROLE DE NÍVEL 
Relatório de prática experimental apresentada 
na disciplina de Laboratório de Engenharia 
Química III na Faculdade de Americana. 
Prof. Karina Klock da Costa. 
Americana 
2021
Laboratório de Engenharia Química III – Controle de Nível 
 
SUMÁRIO 
1. INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 4 
2. METODOLOGIA .................................................................................................... 5 
3. PROCEDIMENTOS, RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................ 6 
3.1 PRÁTICA 1 – MODELAGEM DA VÁLVULA ............................................. 7 
3.2 PRÁTICA 2 – CURVA DE VAZÃO X POTÊNCIA ...................................... 8 
3.3 PRÁTICA 3 – ESTABILIDADE DE ALTURA .............................................. 9 
3.4 PRÁTICA 4 – CONTROLE AUTOMATICO ............................................... 11 
4. CONCLUSÃO ....................................................................................................... 13 
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 14 
Laboratório de Engenharia Química III – Controle de Nível 
 
1. INTRODUÇÃO 
O termo “nível” pode ser dado como a medida em altura do conteúdo líquido ou sólido 
de um determinado reservatório, e o principal objetivo da medição de nível é manter o 
controle do processo produtivo, ou seja, se a medição é eficiente, o rendimento da produção 
será maior, já que não ocorrerá interrupções no processo. 
Além do que foi citado anteriormente, o controle de nível é muito importante em 
diferentes aspectos, mas um dos principais é em processos industriais até mesmo por uma 
questão de segurança, evitando assim possíveis acidentes. Os sistemas de controle de 
níveis podem ser dados em malha aberta ou fechada, onde no caso de malha aberta, é o 
operador quem define a abertura de uma válvula de controle, para que assim obtenha a 
vazão desejada. 
Já na malha fechada, o sistema em si compara eletronicamente o valor medido com o 
valor que foi desejado, podendo assim realizar algum ajuste automaticamente caso haja 
alguma discrepância entre esses valores. 
Através da equação de Bernoulli é possível verificar o comportamento de um fluido em 
escoamento, e por meio desta equação é possível evidenciar que, tomando duas regiões no 
espaço em que não há diferença de altura, a velocidade e a pressão exercida pelo fluido 
serão inversamente proporcionais. Para o caso de duas regiões no espaço que não 
apresentam diferença de altura, é dada uma equação de igualdade. Para o caso de 
igualdade, é possível notar que quanto maior for a velocidade de escoamento de um fluido, 
menor será a pressão exercida por ele e vice-versa. 
 
Laboratório de Engenharia Química III – Controle de Nível 
 
2. METODOLOGIA 
As indústrias necessitam de controles dentro das operações unitárias que fazem parte 
dos processos industriais. 
Uma variável que é de importe controle dentro das indústrias é o nível em tanque de 
armazenamento bem como a entrada e saída dos fluídos nele presente. 
O controle dele torna-se importante, pois melhora o processo produtivo, diminui 
custos, aumenta a segurança no processo produtivo bem como reduz os perigos ambientais 
em função de vazamentos. 
Para o experimento realizado foi utilizada a planta XL35 a qual foi projetada para 
auxiliar no ensino de disciplinas como modelos dinâmicos, instrumentação, sistemas de 
controle e controle de processos, que são utilizados nos cursos de tecnologia, processos e 
engenharia, foi utilizado a equação de Bernoulli para a verificação de entrada e saída da 
vazão e como fluido utilizou-se água em temperatura ambiente. Algumas atividades práticas 
relacionadas ao controle de processos e instrumentação podem ser realizadas, mais 
especificamente na área de controle de nível e pressão. 
 
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3. PROCEDIMENTOS, RESULTADOS E DISCUSSÕES 
Para dar início ao experimento realizado, utilizamos uma bancada para estudo de 
controle de nível, pressão e vazão disponibilizada pelo no laboratório da faculdade. 
Para familiarizar-se com o equipamento seguimosalgumas das instruções abaixo 
 • Colocamos a chave Liga/Desliga totalmente à esquerda na posição desligado; 
• Conectamos a planta a uma tomada. 
• Posicionamos a chave Interno/Externo em Externo; 
• Abrimos a válvula superior; 
• Ligamos a planta, os controladores acenderam indicando o nível e a pressão na 
bomba nos displays vermelhos. 
• Colocamos o Controlador em modo Manual: pressionando a tecla MODE o display 
verde passou a mostrar a MV precedida da letra H; e com um simples toque na tecla  o 
controlador entra em modo Manual, o led MAN acendeu-se e o último dígito passou a piscar, 
indicando que o controlador está em modo manual; a tensão de controle aplicada ao 
conjunto motobomba é o valor de MV (em % do valor máximo) constante indicado no 
display; pressionamos as teclas e ajustamos a tensão de controle para uma tensão 
desejada e, pressionando a tecla MODE em qualquer instante o controlador volta ao modo 
AUTO apagando o led MAN. 
• Ajustamos a velocidade da bomba pelas teclas, para por exemplo, 30%; 
• Passamos a chave Interno/Externo para Interno e a bomba é acionada pelo 
controlador com 30%. 
3.1 PRÁTICA 1 – MODELAGEM DA VÁLVULA 
Para este experimento os controladores de nível e pressão exemplificados 
anteriormente não foram utilizados.Com a válvula de saída fechada o reservatório superior 
foi cheio com água limpa até 190 mm, para encher tal reservatório apenas colocamos a 
chave de seleção na posição interno e a bomba foi ligada enchendo o reservatório, com 
velocidade configurada anteriormente, essa velocidade não altera em nada nesta parte do 
experimento, assim que o reservatório foi cheio voltamos a chave de seleção para a posição 
externo desligando a bomba. 
Com o reservatório cheio, abrimos a válvula de saída e registramos o nível com o 
tempo, ou seja, a cada 20 mm que a água ia descendo anotávamos o tempo em segundos, 
conforme tabela 1, este processo foi realizado em triplicada. 
 
 
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Tabela 1 - Resultado experimental do esvaziamento 
Prática 1 Duplicata Triplicata Média 
Tempo (s) h(mm) Tempo (s) h(mm) Tempo (s) h(mm) Tempo (s) h(mm) 
0,00 190 0,00 190 0,00 190 0,00 190 
13,25 170 10,98 170 14,05 170 12,76 170 
12,55 150 16,13 150 11,48 150 13,39 150 
13,99 130 14,36 130 14,76 130 14,37 130 
15,07 110 15,13 110 14,80 110 15,00 110 
15,64 90 15,80 90 14,03 90 15,16 90 
16,88 70 17,33 70 18,50 70 17,57 70 
18,88 50 19,48 50 16,60 50 18,32 50 
20,93 30 21,79 30 22,69 30 21,80 30 
27,76 10 34,29 10 21,07 10 27,71 10 
Fonte: Autoria própria 
Com o auxílio da ferramenta EXCEL, foi montado um gráfico e por meio de uma 
regressão dos pontos ajustamos para uma parábola, utilizando um polinômio do 2º grau, 
como mostra o gráfico abaixo. 
Gráfico 1 - Regressão polinomial 
 
Fonte: Autoria própria 
 
 
 
 
 
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3.2 PRÁTICA 2 – CURVA DE VAZÃO X POTÊNCIA 
Para esta etapa experimental iniciamos medindo as dimensões do reservatório, L₁ e 
L₂, em seguida calculamos a áreatotal do reservatório, para então multiplicarmos a área 
pela altura e assim encontrarmos o volume do reservatório. 
Com a válvula de saída fechada, com o reservatório inferior cheio de água limpa e 
com a chave na posição de nível externo, ajustamos o controle de velocidade utilizando as 
teclas do painel, ajustamos o sinal de controle em 10% em seguida mudamos a posição da 
chave para nível interno e cronometramos o tempo necessário para que o reservatório 
superior atinja o nível definido, para este caso enchemos o reservatório superior com 80 mm 
inicialmente, e cronometramos o tempo de subida até que o volume de água atinja 100 mm 
marcados na régua. Repetimos este procedimento para os demais sinais de controle até 
100%, de 10 em 10%, fizemos esse procedimento em triplicata conforme tabela 2. 
Tabela 2 - Curva do conjunto moto-bomba 
L₁ = 110 mm L₂ = 200 mm A = 2200 mm² 
 
Sinal de 
controle (%) 
 Prática 1 Duplicata Triplicata 
 Δt (s) Δt (s) Δt (s) 
0 0,00 0,00 0,00 
10 39,82 39,90 42,63 
20 24,59 24,10 22,90 
30 17,40 16,93 17,65 
40 14,82 14,16 14,03 
50 12,78 13,62 13,72 
60 10,38 12,05 11,21 
70 9,12 9,09 8,75 
80 8,52 8,30 8,57 
90 8,65 7,76 7,96 
100 7,68 8,48 8,49 
Fonte: Autoria própria 
Calculamos o volume cronometrado e a vazão em cada um dos pontos ensaiados 
através das equações abaixo: 
 Vol.= Δh * L1 * L2 e Q = Vol./ Δt 
Em seguida construímos um gráfico com o Sinal de Controle (%) no eixo X e a vazão 
(L/min) no eixo Y, para isso foi feito uma média com os valores da variação de tempo e 
convertido o valor da vazão de mm³/s para L/min. 
 
 
 
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Tabela 3 - Curva do conjunto moto-bomba. 
Sinal de 
controle (%) 
Média 
Δt (s) Δh (mm) Volume (mm³) Vazão (L/min) 
0 0,00 0,00 0 0,00 
10 40,78 20,00 440000 0,65 
20 23,86 20,00 440000 1,11 
30 17,33 20,00 440000 1,52 
40 14,34 20,00 440000 1,84 
50 13,37 20,00 440000 1,97 
60 11,21 20,00 440000 2,35 
70 8,99 20,00 440000 2,94 
80 8,46 20,00 440000 3,12 
90 8,12 20,00 440000 3,25 
100 8,22 20,00 440000 3,21 
Fonte: Autoria própria 
Gráfico 2 - Curva do conjunto moto-bomba. 
 
Fonte: Autoria própria 
Foi possível assim verificarmos um crescimento linear da vazão da bomba em função 
do sinal de controle, além de compreendermos que o comportamento é influenciado pela 
rede hidráulica e mudanças no fechamento ou abertura das válvulas provocam alterações 
no comportamento do sistema. 
3.3 PRÁTICA 3 – ESTABILIDADE DE ALTURA 
Para esta etapa verificaremos a altura em que o volume se estabiliza de acordo com a 
velocidade então começamos com a válvula de saída fechada, com o reservatório inferior 
cheio de água limpa e com a chave na posição de nível externo, ajustamos o sinal de 
controle utilizando as teclas do painel para 20% inicialmente. 
Laboratório de Engenharia Química III – Controle de Nível 
 
Para dar início enchemos o reservatório superior até aproximadamente a metade do 
volume, abrimos a válvula de saída e colocamos a chave na posição de nível interno, 
acionando a bomba, com as duas correntes abertas observamos o comportamento da vazão 
até que o nível de água atinja regime permanente, ou seja, observamos em um período de 
10 minutos o volume em que houve uma estabilidade na altura da água. Repetimos esse 
procedimento para os sinais de controle em 25% e 30%. Após feita esta observação anotou-
se a altura de estabilidade, conforme tabela 4. 
Tabela 4 - Controle de Nível em Malha Aberta. 
Sinal de 
controle (%) 
h (mm) 
20 38,0 
25 70,0 
30 97,0 
 Fonte: Autoria própria 
Foi construído um gráfico relacionando o nível H de regime permanente com o sinal 
de controle U%. 
 Gráfico 3 - Curva H versus U%. 
 
 Fonte: Autoria própria 
 Observando o gráfico 3, é possível afirmar que a o comportamento permanece linear 
quando relacionamos o nível H de regime permanente com o sinal de controle U%. 
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 Gráfico 4 – Nível H x Vazão Q. 
 
 Fonte: Autoria própria 
 No gráfico 4, relacionando o nível x vazão, é possível afirmar que a relação não se 
torna linear, já que vários pontos estão fora da curva, indicando assim um resultado muito 
discrepante. 
3.4 PRÁTICA 4 –CONTROLE AUTOMATICO 
Nesta etapa o controlador foi configurado para operar em modo Automático, ou seja, 
em malha fechada, começamos com a válvula de saída fechada, com o reservatório 
superior completo até aproximadamente na metade com água limpa e com a chave na 
posição de nível externo, lembrando sempre se posicionar o volume inicial de água igual. 
Definimos uma altura no nível do reservatório e aplicamos no painel de controle em 
Set Point, utilizamos uma altura padrão de 175 mm, então variamos os parâmetros P, I e D 
observando a evolução do nível até atingir regime permanente, anotando as observações e 
como a vazão está se comportando além de observarmos se a configuração escolhida entre 
P, I e D conseguem atingir o valor da alturadeterminado. Abaixo temos a tabela das 
configurações escolhidas e como a bomba se comportou. 
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Tabela 5 - Controle Proporcional de Nível 
P I D OBSERVAÇÃO 
010,1 000,0 0000 Vazão oscilou muito e não atingiu o valor determinado da altura 
020,1 000,0 0000 Vazão oscilou menos, mas ainda não atingiu o valor determinado da altura 
008,1 000,0 0000 Vazão oscilou muito e não atingiu o valor determinado da altura 
004,1 000,0 0000 Chegou no valor determinado da altura, mas não estabilizou 
002,5 000,0 0000 A oscilação foi mínima e atingiu o valor determinado 
001,5 000,0 0000 Chegou próximo do valor, mas não estabilizou a vazão 
002,5 002,5 0000 Estabilizou no valor determinado, mas oscilou muito a vazão 
002,5 003,0 0000 Chegou próximo do valor, mas não estabilizou a vazão 
002,5 001,5 0000 Chegou no valor determinado e a oscilação foi mínima 
002,5 001,5 010,0 Vazão oscilou muito e não atingiu o valor determinado da altura 
002,5 001,5 0100 
Vazão oscilou muito ao ponto de a água ficar agitada, tendo que desligar a 
bomba e não chegou no valor de altura determinado, como a água estava 
muito agitada o volume marcado no painel de controle não estava marcando 
corretamente o valor da altura 
002,5 001,5 0015 
002,5 001,5 0035 
002,5 001,5 0040 
002,5 001,5 0030 
002,5 001,5 0025 
002,5 001,5 0028 
002,5 001,5 0038 Vazão oscilou muito e não atingiu o valor determinado da altura 
002,5 001,5 0037 Chegou próximo do valor, mas não estabilizou a vazão 
002,5 001,5 0034 Vazão oscilou muito e não atingiu o valor determinado da altura 
002,5 002,0 0036 Variou menos a altura, porém não chegou no valor determinado 
002,0 001,5 0036 
Vazão oscilou muito e não atingiu o valor determinado da altura 002,3 001,5 0036 
002,5 001,0 0036 
002,5 001,5 0001 Houve melhora na oscilação da vazão e chegou próximo ao valor determinado 
 Fonte: Autoria própria 
 
Após várias tentativas, alterando os parâmetros de controle PID (Parcial, Integral e 
Derivativo), encontramos os valores ideias para que o equipamento estabilize o leito à altura 
de 175 mm, que foram 002,5 para grandeza Proporcional, 001,5 para a Integral e 0001 para 
a Derivativa, conforme tabela 5. 
 
 
 
 
 
 
Laboratório de Engenharia Química III – Controle de Nível 
 
4 CONCLUSÃO 
Neste trabalho foi proposto um procedimento experimental para a obtenção de um 
modelo matemático que descreve o desempenho do tanque de armazenamento. 
O modelo proposto é baseado na aplicação da equação de Bernoulli, e os cuidados 
utilizados limitam a aplicabilidade do modelo. 
Observe que quando o nível for inferior a um determinado valor, o modelo teórico 
perderá a conformidade. Nessa área, as mudançasnas condições de fluxo e nos fatores 
que devem ser considerados na aplicação da teoria devem ser revisadas. 
No entanto, pode-se considerar que este modelo matemático é suficiente para o 
estudo da teoria de controle de processos aplicada ao controle horizontal. 
Através deste experimento foi possível então compreender o funcionamento do circuito 
de controle de nível. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Laboratório de Engenharia Química III – Controle de Nível 
 
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
https://www.preparaenem.com/fisica/equacao-bernoulli.htm > Acesso em Maio de 
2021. 
AMARAL, M.M.; CARDOSO, M.P.S. Projeto Utilizando Matlab/Simulink® Controle 
De Nível De Um Tanque, Ilhéus – BA, 2018. 
https://instrumentacaoecontrole.com.br/conceitos-medicao-de-nivel/ > Acesso em 
Maio de 2021. 
Apostila bancada para estudo de controle de nível, pressão e vazão Modelo xl35.1 – 
Disponibilizada pela professor Karina.