Sensor de nível capacitivo

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO 
 INSTITUTO DE ENGENHARIA – VÁRZEA GRANDE. 
 
 
 
 
 
 
SENSOR DE NÍVEL 
 
 
 
 
 
 
KELVIN VINICIUS DA SILVA MAGALHÃES 
 
 
 
 
CUIABÁ, 2017. 
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO 
 INSTITUTO DE ENGENHARIA – VÁRZEA GRANDE. 
 
 
 
 
 
 
 
 
SENSOR DE NÍVEL 
 
 
Trabalho realizado para fins 
avaliativos da disciplina de 
Instrumentação Industrial, ministrada 
pela Professora Me. Aline Nonato. 
 
 
 
 
CUIABÁ, 2017. 
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Sumário 
RESUMO..................................................................................................................... 4 
INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 5 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................ 6 
MÉTODOS E APLICAÇÕES ....................................................................................... 8 
Medidor de nível tipo régua ou gabarito (medição direta) ........................................ 8 
Aplicações Medidor de nível tipo régua ou gabarito ............................................. 8 
Sensor de nível por princípio capacitivo (medição indireta) ................................... 11 
Aplicações do sensor de nível por princípio capacitivo ...................................... 14 
CONCLUSÃO ............................................................................................................ 17 
Bibliografia................................................................................................................. 18 
 
 
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RESUMO 
Este trabalho tem como objetivo explicar o que é um sensor de nível, qual é 
sua função e onde é aplicado. Existem 2 tipos principais de medição de nível são elas: 
indireta e direta. Neste trabalho será apresentado exemplos detalhados da medição 
direta (régua) e da medição indireta (sensor capacitivo). 
 
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INTRODUÇÃO 
O nível pode ser definido segundo Balbinot e Brusamarello como a altura de 
preenchimento de um líquido ou algum tipo de material em um reservatório ou 
recipiente. 
Como podemos controlar a quantidade de uma substância? Uma solução 
simples seria a utilização da visão, ou seja, se uma substância está em um recipiente 
conseguimos ter noção se o recipiente está vazio, cheio, meio cheio ou meio vazio; 
mas quando a aplicação exige precisão, essa solução se torna inviável. Portanto foi 
necessário desenvolver ferramentas que permitissem controlar / monitorar com 
precisão o quanto de substância há no recipiente (seja ela liquida ou sólida), e desta 
forma surgiu o sensor de nível. 
 Há diversos tipos de sensores de nível, com diferentes formas de 
funcionamentos e que utilizam os mais diversos princípios físicos. Dentro da 
classificação de sensores de nível há 2 princípios de medição principais, são eles: 
Medição de forma Direta, é a “são aquelas que se utilizam técnicas que medem 
diretamente a altura da superfície em relação ao fundo do ambiente” (ALEXANDRE 
BALBINOT, 2007). Este princípio se aplica a réguas, visores de nível e boias, podendo 
ser contínuo ou discreto” (SEIDEL, 2011). Medição de forma indireta, “são grandezas 
físicas, tais como pressão, empuxo e radiação são usados para indicar o nível 
indiretamente” (SEIDEL, 2011). E nesses 2 grupos divide-se a maior parte dos 
sensores de nível disponíveis no mercado, no trabalho será detalhado o princípio de 
funcionamento do sensor capacitivo (medição de forma indireta) e do medidor de 
régua ou gabarito (medição direta). 
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REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
O que é Nível? O nível pode ser definido segundo Balbinot e Brusamarello 
como a altura de preenchimento de um líquido ou algum tipo de material em um 
reservatório ou recipiente. A medição de nível para indústria é de extrema importância 
e com o passar do tempo foram sendo desenvolvidas ferramentas que permitissem 
medir o nível de qualquer substância. 
 Existem 2 tipos de classificações principais para o processo de medição de 
nível onde estão englobados a maior parte dos sensores do mercado, são elas: 
Medição direta: “São aquelas que se utilizam técnicas que medem diretamente a 
altura da superfície em relação ao fundo do ambiente” (ALEXANDRE BALBINOT, 
2007). “Este princípio se aplica a réguas, visores de nível e boias, podendo ser 
contínuo ou discreto” (SEIDEL, 2011), ou seja, trata-se de um processo de medição 
mecânico e visual, quase não há atuação de sensores com princípios elétricos. 
Medição indireta: “Outras grandezas físicas, tais como pressão, empuxo e radiação 
são usados para indicar o nível indiretamente” (SEIDEL, 2011). Muito utilizado na 
indústria devido há possibilidade de controle quase sem a ação humana. Geralmente 
tem um custo mais alto. 
 
 Com base nessas 2 definições, podemos classificar os sensores por medida 
direta ou indireta. Os sensores de níveis são muito uteis na medição de substâncias 
sólidas e líquidas, mas há limitações. Como mostrado na tabela abaixo onde está um 
quadro onde há alguns tipos de sensores e que tipo de substâncias eles medem: 
 
 
Figura 1: Classificação de medida de Nível parte 1. 
Fonte: (SEIDEL, 2011) 
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Figura 2: Classificação de medida de Nível parte 2 
Fonte: (SEIDEL, 2011) 
O fundamento deste trabalho é apresentar 2 sensores de nível, um do tipo 
direto e outro do tipo indireto. O escolhido do tipo direto foi o de medição de nível por 
régua ou gabarito que é aplicado apenas para líquidos; já o escolhido para sensor 
indireto, foi o sensor de nível por princípio capacitivo que pode medir sólidos e líquidos. 
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MÉTODOS E APLICAÇÕES 
Medidor de nível tipo régua ou gabarito (medição direta) 
 O medidor tipo régua ou gabarito, é um tipo sensor de nível considerado 
simples, pois tem fácil manuseio, custo baixo e não é algo que seja necessária 
manutenção, não é muito preciso, apenas indica nível alto, médio e baixo. 
 Basicamente é uma régua ou haste com graduação adequada (tamanho 
compatível) para o recipiente medido. Como funciona? A régua é introduzida no 
recipiente e retirada logo depois, verifica-se o nível pela marca que a substância deixa 
na régua, antes deve se definir quais são os valores considerado altos e baixos, 
seguindo o manual da aplicação. Segundo Hermini “A graduação da régua deve ser 
feita a uma temperatura de referência, podendo estar graduada em unidades de 
comprimento, volume ou Massa”. (HERMINI). 
 
Figura 3: Medição direta por régua ou gabarito. 
Fonte: (HERMINI). 
Aplicações Medidor de nível tipo régua ou gabarito 
1* Aplicação – Medidor de óleo de automóveis: Este método de medição pode ser 
encontrado nos medidores de óleo de motor nos automóveis. Através de uma haste 
metálica com indicação de máximo e mínimo conseguimos mensurar a quantidade de 
óleo como mostrado na figura abaixo. A leitura está indicada ao lado, caso o nível 
esteja baixo é necessário realizar a troca de óleo, caso não esteja baixo não é 
necessário fazer a troca de óleo. 
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Figura 4: Medidor de nível de óleo. 
Fonte: Disponível em http://revista.socarrao.com.br/no-socarrao/dr-socarrao/sobre-
duas-rodas-saiba-como-fazer-manutencao-da-sua-moto-da-maneira-correta 
Acessado em 30 de Agosto de 2017 
2* aplicação – Medidor de Poço Artesiano: Para medição de nível da água de um poço 
artesiano, através de uma haste (madeira) graduada devidamente ao comprimento do 
poço acoplada há um cabo e um carretel, conseguimos obter o nível do poço.A haste 
é colocada no topo e desenrolamos o carretel até que a haste toque o fundo do poço, 
depois enrolamos o carretel até retirar toda a haste do poço, e assim verificamos o 
nível que a água marcou na haste. 
 
Figura 5: Prumo 
Fonte: (HERMINI). 
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Porque utilizar um medidor por régua? Um medidor por régua tem custo baixo 
relacionado a outros sensores e medidores. 
 
 
Figura 6: Preço vareta medidora de óleo. 
Fonte: Disponível em https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-859720540-vareta-
medidora-oleo-030115611p-saveiro-gol-g1-g2-g3-g4-g5-_JM Acessado em 30 de 
agosto de 2017. 
 
É de fácil utilização como dito nos processos acima, mas tem precisão limitada. 
Para a função de medidor de óleo, ele exerce a função muito bem. Já para outras 
aplicações quem envolvam certa precisão, já se torna impraticável. Portanto, depende 
da aplicação. 
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Sensor de nível por princípio capacitivo (medição indireta) 
 O sensor capacitivo foi uma grande evolução no mercado dos sensores de 
nível. Devido a constante dielétrica que cada material isolante tem, conseguimos 
aplicar sensor capacitivo em quase todos os materiais. Mas como podemos relacionar 
um princípio capacitivo com a medição de Nível? Segundo Ogata “pode ser definido 
como sendo a variação na quantidade de líquido armazenado necessária para causar 
uma variação unitária na altura do nível de líquido”. (OGATA, 2008). Ou seja, 
basicamente a capacitância (C) representa a área do tanque. 
𝐶 = 𝑉[𝑚3]. ℎ[𝑚] 
Então tendo 2 variáveis desta fórmula conseguimos deduzir a outra variável. Como a 
capacitância será dada pelo dielétrico, e temos a altura do tanque, então podemos 
obter o volume que é o nível do tanque. 
 Nos sensores e nível por princípio capacitivo, temos alguns modelos que tem o 
mesmo fim e utilizam do mesmo princípio, mas atuam de modo diferente. Citarei 3 dos 
mais utilizados nas indústrias. 
Sensor de Nível Contínuo 
 Neste sensor utiliza-se o princípio da capacitância, uma placa é inserida no 
recipiente contendo o que deseja ser medido, a substância é o dielétrico e as paredes 
do recipiente fazem o papel da outra placa. 
 
Figura 7: Medida e nível continuo 
Fonte: (ALEXANDRE BALBINOT, 2007) 
 
 
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Sensor de Nível por Sonda Capacitiva 
 “Dois tubos concêntricos mergulhados no tanque, sendo o externo aberto e o 
interno fechado” (SEIDEL, 2011). Quanto maior o nível de liquido, maior será a 
capacitância devido ao dielétrico ar ser substituído pelo líquido. “A capacitância é 
convertida por um circuito eletrônico numa corrente elétrica, sendo este sinal indicado 
num medidor” (SEIDEL, 2011). 
 
Figura 8: Sensor capacitivo por Sonda, capacitor cilíndrico 
Fonte: (ALEXANDRE BALBINOT, 2007) 
 
Figura 9: Sistema de medição por capacitância. 
Fonte: (SEIDEL, 2011) 
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“Abaixo é mostrado um circuito elétrico equivalente onde C1 representa a 
capacitância parasita apresentadda pelo isolador da soda e é constante.As 
capacitâncias C2 e C3 representam os efeitos das constantes dielétricas das fases de 
vapor e líquido, respectivamente. O valor do resistor R deve ser muito elevado e 
representa a reistencia efetiva entre a sonda e as paredes do vaso. As condições de 
pressão e temperatura determinam o tipo de isolador da sonda enquanto que as 
condições do fluido determinam seu revestimento”. (COELHO). 
 
 
Figura 10: Circuito capacitivo. 
Fonte: (COELHO) 
Sensor de Medida por Máximo e Mínimo 
 “Sensores de níveis capacitivos também podem ser utilizados como detectores. 
São colocados em determinados pontos do recipiente, quando o nível é atingido, a 
permissividade relativa varia, mudando o estado do sensor que detecta apenas uma 
condição digitar”. (ALEXANDRE BALBINOT, 2007). 
 Esse sensor se aplica como sensor capacitivo de proximidade, pois, detecta a 
presença. 
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Figura 11: Sensor de nível capacitivo por presença 
Fonte: (ALEXANDRE BALBINOT, 2007). 
Aplicações do sensor de nível por princípio capacitivo 
1* Aplicação – Sensor Máximo e Mínimo: Como o mercado de sensores é muito amplo 
e lucrativo grandes empresas como a Siemens tem linhas especificas para medição 
de nível por capacitância, como a “linha de sensores PXC que são capazes de 
detectar a presença de materiais a uma distância de 0 a 20 mm, com conexão do 
sensor podendo ser realizada através de conector ou cabo. A alimentação pode ser 
de 10 a 65 VCC, ou 20 a 250 VCA, de acordo com o que a aplicação solicitar” 
(SENSORES). Este é um sensor do tipo detector máximo e mínimo (presença). 
 
Figura 12: Sensor PXC Siemens 
Fonte: Disponível em http://www.automatizesensores.com.br/capacitivos.html 
Acessado em 27 de agosto de 2017 
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Figura 13: Sensor PXC Siemens Aplicação 
Fonte: Disponível em http://www.automatizesensores.com.br/capacitivos.html 
Acessado em 27 de agosto de 2017 
2* Aplicação – Sensor de Nível por Sonda: Tanques de grande porte em industrias, 
reservatórios de líquidos como mostrado na figura 14. Este sensor é do tipo capacitivo 
por sonda. 
 
Figura 14: Sensor de nível por princípio capacitivo Sonda. 
Fonte: (ACOSTA). 
 
 
 
 
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3* Aplicação – Sensor de Nível capacitivo por continuidade: Sensores também 
aplicados á tanques industriais metálicos. Para que a parede do recipiente se torne 
uma das placas. 
 
 
Figura 15: Sensor de Nível por Continuidade 
Fonte: Disponível em<https://www.vega.com/es-ES/Productos/Cat%C3%A1logo-de-
productos/Medici%C3%B3n-de-nivel/Capacitivo>Acessado em 30 de Agosto de 
2017 
Qual é o melhor sensor de nível capacitivo? Depende da aplicação, sensores 
por sonda são aplicáveis onde não é possível utilizar a parede do recipiente como 
placa condutora. Já o sensor de máximo e mínimo são aplicáveis a situações onde é 
necessária q a medida seja indireta, ou seja, que não tenha contato diretamente com 
o material. O sensor de sonda também tem atuação limitada a líquidos, devido que o 
espaço entre o núcleo e a placa do capacitor cilíndrico é muito pequeno. 
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CONCLUSÃO 
 Os sensores são fundamentais para indústria, principalmente para a 
engenharia de controle e automação, a função de controlar e monitorar faz parte do 
cotidiano do profissional da área de controle e automação. 
Se tratando de sensores de nível entender como cada um funciona permite 
compreender melhor o processo e evitar possíveis falhas. Um outro ponto importante 
é saber qual sensor aplicar, o sensor mais caro nem sempre será o mais indicado para 
todas as aplicações, então deve-se realizar um estudo de caso para saber qual é o 
mais indicado, considerando as variáveis externas que podem afetar as medições. 
Um exemplo de como as variáveis externas podem afetar, é a atuação de um sensor 
de nível por princípio indutivo em um local que tenha uma variação de campo 
magnético externa alta, o campo magnético externo irá interferir as medições; outro 
exemplo também é uma aplicação que só precisa verificar se um tanque está vazio, 
para essa função qualquer sensor de nível poderia resolver, mas se tratando de algo 
simples não são necessárias soluções complexas e caras. 
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Bibliografia 
ACOSTA, S. M. Medição de Nível, UTFPR. Disponivel em: 
<http://paginapessoal.utfpr.edu.br/camaral/instrumentacao-industrial/9- 
Nivel.pdf/view>. Acesso em: 27 de Agosto de 2017. 
ALEXANDRE BALBINOT, V. J. B. Instrumentação e Fundamentos de Medidas. 
Rio de Janeiro: LTC, v. 2, 2007. 
ARAUJO, M. V. D. Sistemas de Medida e Instrumentação. UNIVERSIDADE 
FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE. [S.l.]. 
COELHO, M. S. Técnicas de medição de Nível.UNESP. [S.l.]. 
HERMINI, H. A. Sensores de Nível e Capacidade. Campinas, Unicamp. 
OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno, São Paulo, n. Pearson, p. 20-25, 
2008. 
SEIDEL, Á. R. Instrumentação aplicada. 3* edição. ed. Universidade Federal de 
Santa Maria: Colégio Técnico Industrial de Santa Maria.: [s.n.], v. 1, 2011. 
SENSORES, A. S. E. Automatize Sensores. Disponivel em: 
<http://www.automatizesensores.com.br/capacitivos.html>. Acesso em: 27 Agosto de 
2017.