Sensores de nível

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Escola de Educação Profissional - Plínio Gilberto Kroeff
Instrumentação II
Medidores de Nível
Profº Xavier
	Giovani
Ago/2011
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Nível é uma das variáveis mais comuns e mais amplamente utilizadas em aplicações industriais. 
A medição de nível é definida como a determinação da posição de uma interface entre dois meios. 
A interface pode ser entre um líquido e um gás ou vapor, dois líquidos, ou entre um sólido e um gás.
Existe uma grande variedade de sistemas de medição de nível, cada um com suas vantagens e limitações. 
Os instrumentos de medição de nível podem ser classificados, pela forma como medem o nível, em instrumentos de medida direta e inferencial. 
Nível
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Medida Direta 
Medem diretamente a distância entre o nível do produto que se quer medir e um referencial previamente definido. 
A medição direta desta distância pode ser feita, pela observação visual direta (LG’s), através de comparação de uma escala graduada (régua).
Também pode ser feita pela determinação da posição de um detector, como um flutuador, sobre a superfície do produto que se quer medir, ou pela reflexão de ondas ultrassônicas ou eletromagnéticas (radar) pela superfície do produto.
Nível
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Medida Inferencial 
Determinam a posição da superfície livre do produto cujo nível se quer medir, através da medida de outra grandeza física a ela relacionada. 
O nível pode ser medido através da pressão numa coluna hidrostática, através do peso do equipamento que contém o produto. 
Nível
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Tipos de Medidores de Nível
1.líquidos limpos;
2.líquidos com espuma; 
E. Excelentes (sem restrição de uso).
B. Bom (com restrição de uso).
R. Regular (poucas aplicações). 
3.interface;
4.polpas;
5.sólidos;
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Visor de Nível
Os visores de nível se destinam exclusivamente à monitoração do nível de líquidos ou da interface entre dois líquidos imiscíveis em vasos, colunas, reatores ou tanques submetidos ou não a pressão. 
Devido ao seu baixo custo, são aplicados na quase totalidade dos casos de monitoração local de nível.
 
Para atender as mais variadas aplicações, existem os visores do tipo tubular, os visores de vidro plano e os visores especiais.
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Visor de Nível
Visores de vidro tubular
São normalmente fabricados com tubos de vidro reto com paredes de espessuras adequadas a cada aplicação. 
Estes tubos são fixados entre duas válvulas de bloqueio de desenho especial e protegidos por hastes ou chapas metálicas contra choques mecânicos.
 Devido as suas características construtivas, os visores de vidro tubular não suportam altas pressões e temperaturas, bem como apresentam alta probabilidade de quebra do vidro por choque externo.   
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Visor de Nível
Visores de vidro plano
Os visores de vidro plano substituíram quase que na totalidade os visores de vidro tubular, devido a falta de segurança apresentada pelos visores de vidro tubular em aplicações com pressões e/ou temperaturas elevadas.
São compostos por um ou mais módulos (recomenda-se limitar em quatro), onde se fixam barras planas de vidro. 
Estes módulos são conhecidos como secções dos visores, onde cada uma apresenta altura variando de 100 a 350 mm.
 
A principal desvantagem dos visores multisecção são as regiões de não visibilidade entre módulos adjacente.
 Os visores de vidro plano podem ser classificados em dois tipos: reflex (refletivos) ou transparentes.
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Visor de Nível
Visores de vidro tipo reflex
O visor de vidro reflex é liso na parte externa e possui ranhuras prismáticas na parte interna, no sentido longitudinal do vidro. Seu funcionamento se baseia no fato de que os raios de luz normais à face do visor atingem a superfície do prisma com um ângulo de 45º, sofrendo reflexão total, no caso da região do visor onde não existe líquido, pois o ângulo crítico 42º é ultrapassado. 
Nesta mesma condição, no caso da região do visor onde existe líquido, não ocorre a reflexão total, pois o ângulo crítico não é ultrapassado (para superfície vidro-água é 62ª). 
Os visores reflex não devem ser usados em situações que tenham fluidos corrosivos ao vidro (vapor d’água a pressão superiores a 30 bar), fluidos viscosos (devido a aderência ao vidro), em locais de pouca iluminação e na detecção de interface de dois líquidos imiscíveis.
A principal vantagem dos vidros reflex sobre o visor transparente é que suportam pressões mais elevadas, possuem menor número de juntas e são mais baratos.
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Visor de Nível
Visores de vidro tipo transparente
Utiliza dois vidros transparente, sendo um na parte posterior e o outro na parte anterior do visor. 
Os dois vidros permitem a passagem de luz e os raios incidentes são absorvidos em maior quantidade pelo líquido do que pela parte com vapor ou ar. 
Os visores transparentes podem ser utilizados em aplicação com fluidos coloridos, viscosos ou corrosivos ao vidro. 
Os visores de vidro devem ser colocados em posição que permita uma boa visibilidade ao operador e seja de fácil acesso para manutenção do vidro, das válvulas e juntas. 
Por segurança, as válvulas de bloqueio do visor devem ser dotadas de uma esfera de retenção, que previne a descarga de fluido para a atmosfera em caso de quebra do vidro. 
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Dispositivo Flutuador / Deslocador
Existem dois tipos de sensores de nível cuja operação é baseada no Princípio do Empuxo. 
Estes sensores são conhecidos como flutuador e deslocador. 
Os flutuadores apresentam peso menor que o empuxo sofrido pelo fluido, enquanto que os deslocadores possuem peso maior que o peso da quantidade de líquido que seu volume pode deslocar. 
F = P - E
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Dispositivo Flutuador / Deslocador
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Dispositivo Flutuador / Deslocador
Flutuador
 
Os medidores de nível que utilizam flutuadores como elemento sensor podem ser classificados em dois grupos básicos, em função do princípio para determinar a posição do flutuador: 
Medidor flutuador-haste – acompanha o nível do líquido transmitindo um movimento giratório para um grupo e engrenagens que movimentam o ponteiro sobre uma escala graduada em altura ou porcentagem
Medidor flutuador-cabo – seu funcionamento é baseado no deslocamento linear de um cabo, que tem uma extremidade fixada ao flutuador e a outra num dispositivo cursor que desliza sobre uma régua graduada.
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Dispositivo Flutuador / Deslocador
Para se calcular o esforço ao qual estará submetido o elemento de sustentação, basta se subtrair do peso real do deslocador o empuxo aplicado sobre ele, resultando no peso aparente do deslocador.
 
Paparente = Preal - Empuxo 
Deslocador
O deslocador, comumente utilizado como sensor de transmissor de nível tema a forma de um cilindro oco, fabricado de materiais como aço inox 304 ou 316, monel, hastelloy, teflon sólido, etc.
Quando o deslocador é especificado para ser fornecido com câmara, quatro configurações de tomadas podem ser oferecidas (base/topo, topo/lado, lado/lado e base/lado). Alguns fabricantes padronizam o comprimento e o volume do deslocador.
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Pressão Diferencial
A medição de nível por pressão diferencial utiliza a pressão de uma coluna de líquido confinada dentro do equipamento utilizando um transmissor de pressão diferencial. 
O valor da pressão exercida pela coluna de líquido é dado por
 
Pressão = Densidade do líquido x Altura da coluna líquida
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Pressão Diferencial
Neste sistema podemos encontrar várias situações para medir o nível, conforme mostradas na figura abaixo, onde:
 
1 – Nível máximo	GL – Densidade relativa do líquido do processo
2 – Nível mínimo		
Situação A
Como o tanque está aberto para a atmosfera e o transmissor no mesmo nível que sua tomada de alta pressão, o dimensionamento do transmissor é feito da seguinte maneira:
 
Alcance: X . GL
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Pressão Diferencial
1 – Nível máximo	GL – Densidade relativa do líquido do processo
2 – Nível mínimo		GS – Densidade relativa do líquido de selagemSituação B
O tanque está aberto para a atmosfera e o transmissor encontra-se abaixo do nível de sua tomada de alta pressão. Neste caso será necessário compensar as colunas de líquidos aplicadas na tomada de alta pressão (coluna Y e Z). Assim, o dimensionamento do transmissor é feito da seguinte maneira:
Alcance: X . GL
Supressão de zero: Y . GL + Z . GS
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Pressão Diferencial
1 – Nível máximo	GL – Densidade relativa do líquido do processo
2 – Nível mínimo		GS – Densidade relativa do líquido de selagem
Situação C
O tanque está fechado e o transmissor encontra-se abaixo do nível de sua tomada de alta pressão e não há selagem líquida na tomada de baixa pressão. 
Neste caso será necessário compensar as colunas de líquidos aplicadas na tomada de alta pressão (coluna Y e Z). Assim, o dimensionamento do transmissor é feito da seguinte maneira: 
Alcance: X . GL
 
Supressão de zero: Y . GL + Z . GS
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Pressão Diferencial
1 – Nível máximo	GL – Densidade relativa do líquido do processo
2 – Nível mínimo		GS – Densidade relativa do líquido de selagem
Situação D
O tanque está fechado e o transmissor encontra-se abaixo do nível de sua tomada de alta pressão e existe selagem líquida na tomada de baixa pressão. 
Neste caso será necessário compensar as colunas de líquidos aplicadas na tomada de alta pressão (coluna Y) e a coluna de líquido aplicada na tomada de baixa pressão do instrumento (coluna D). Assim, o dimensionamento do transmissor é feito da seguinte maneira: 
Alcance: X . GL
Elevação de zero: D . GS - Y . GL 
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Ultrassônico
O ultrassom é uma onda sonora (mecânica) cuja frequência de oscilação usual desses instrumentos é em torno de 26,5 kHz. Os dispositivos ultrassônicos podem ser utilizados como detecção contínua ou como chave de alarme de nível. 
O princípio de operação dos dispositivos ultrassônicos é baseado na lei física onde o ângulo de incidência é igual ao ângulo de reflexão. 
Como o funcionamento do instrumento de medição de nível por ultrassom depende da onda refletida, é importante que o transdutor seja montado perpendicularmente à superfície do produto cujo nível está sendo medido. 
A técnica de medição nível por ultrassom é de boa confiabilidade e suas principais vantagens são a inexistência de partes móveis no sistema além da capacidade de medição sem contato com o produto.
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Radar
O dispositivo tipo radar pode operar com base no tempo decorrido entre a emissão e a recepção da onda refletida (ECO), ou podem operar com base na diferença de frequência entre a onda emitida e a onda refletida. É o chamado método FMCW (Modulação Contínua de frequência de Onda).
Dispositivos que operam com base no ECO
Funciona de maneira semelhante à utilizada pelos dispositivos ultrassônicos, operando com pulsos curtos de radar com frequência de cerca de 6,0 GHz. Estes equipamentos são utilizados em medições rotineiras de nível, com precisão de ±0,05%, não sendo utilizados para operações de venda/transferência de produtos.
As principais vantagens da utilização dos dispositivos do tipo radar são: ampla faixa de aplicação, imunidade a extremos ambientais, baixa manutenção, fácil acesso e fácil calibração.
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Radar
Dispositivos que operam com base no método FMCW
 
Utilizam um sinal de alta frequência (cerca de 10 GHz) modulado linearmente em frequência. Seu funcionamento se baseia na diferença de frequência (Δf) entre o sinal emitido (f1) e o sinal refletido pela superfície do material cujo nível está sendo medido (ECO – f0).
A precisão da medida fornecida é de ± 0,5 mm, sendo por isso empregado para operação de vendas/transferência de produtos. 
Os dispositivos do tipo radar podem ser aplicados para medição de nível de líquidos (hidrocarbonetos, asfalto, GLP, produtos químicos, lama, etc) e de alguns tipos de sólidos ( minério em grão e carvão). 
Podem ser utilizados em tanques de teto fixo e teto flutuante, cilindros, esferas e silos com pressões de até 25 bar e temperatura de até 250ªC.
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Capacitivo
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Capacitivo
 Quando varia o nível no interior do vaso ocorre uma variação no valor do dielétrico, produzindo a alteração quase linear da capacitância. 
Os dispositivos do tipo capacitivos também podem ser utilizados para detectar a interface entre dois líquidos com constante dielétricas (K) diferentes.
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Pesagem
Os sistemas medidores de nível por pesagem utilizam como sensores os dispositivos denominados de células de carga, os quais são construídos a base de elementos strain-gages. 
A estrutura interna da célula de carga é constituída por vários strain-gages, distribuídos de forma a permitir vários graus de sensibilidade e linearidade.
 
São montados em tubos de torque, que se deformam por ação do peso do tanque, cujo nível se deseja medir.
As células de carga são desenhadas para aceitar somente forças verticais que representam o peso a elas aplicado, uma vez que as forças horizontais constituem o principal motivo de erros de medição neste tipo de pesagem.
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Radioativo
Funcionamento
O medidor de nível radioativo trabalha emitindo um feixe colimado de radiação de uma fonte para um detector, atravessando o recipiente. Quando o nível do produto sobe, ele bloqueia a radiação e a intensidade da radiação que atinge o detector diminui. Quando o nível desce, o detector é atingido por uma quantidade maior de radiação, então o sinal de saída, por consequência, é inversamente proporcional ao nível de produto no vaso.
Características
Não estão expostos à corrosão, abrasividade, alta pressão ou altas temperaturas.
Os detectores não empregam partes móveis.
A temperatura e a pressão do processo não tem efeito sobre a medição.
A natureza não intrusiva elimina conexões ao processo e riscos de vazamento, não sendo necessárias mudanças na estrutura geral do vaso, interna ou externamente.
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Radioativo por Ionização
Os detectores tipo câmara de ionização consistem em tubos metálicos com eletrodos preenchidos com gás inerte. 
Quando a radiação atinge os detectores, o gás se ioniza e é produzida uma corrente elétrica proporcional à radiação. 
A corrente é processada e convertida em sinal de 4- 20 mA com o protocolo HART® superposto ou em
sinal digital para o transmissor.
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Radioativo por Cintilação (Cristal Sintético)
O detector de cintilação usa um cristal sintético que produz luz visível quando atingido pela radiação. 
A quantidade de luz produzida é proporcional à radiação que atinge o detector.
 A célula fotomultiplicadora montada sobre o cristal converte a luz em corrente elétrica. 
Esse tipo de detector é aproximadamente 5x mais sensível do que o detector tipo câmara de ionização. 
A corrente é convertida pela unidade eletrônica em um sinal de 4-20 mA e o protocolo HART® superposto, ou um sinal digital para o transmissor.
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Radioativo por Cintilação (fibra ótica)
Os detectores flexíveis são formados por fibras óticas especiais com características idênticas aos detectores de cintilação. 
Apresentam as vantagens de serem extra leves e flexíveis, permitindo facilidade de instalação e transporte e, no tocante à aplicação, utilização em vasos com geometria complexa, nos quais, no passado, tornavam-se aplicações de difícil solução técnica definitiva, com a necessidade de linearização e medição por tendência.
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