resumo aulas de instrumentação

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Instrumentação - 2011
Instrumentação – aula 5
Medição de Nível
Instrumentação - 2011
Medição de Nível
• A medição de nível é definida coma a determinação da 
posição de uma interface entre dois meios.
• A posição desta interface é dada em unidades usuais de 
comprimento como m, cm, mm, ft, in, em relação a uma 
linha de base ou referência;
• Usualmente a interface que se quer medir é entre um 
líquido e um gás ou vapor, mas também poderá ser 
entre dois liquidos, sólido e líquido ou sólido e gás;
Instrumentação - 2011
A medição de nível e seu controle é essencial na 
indústria de processos sendo suas funções básicas:
• Controle do volume de material dentro da capacidade 
dos tanques e equipamentos de processo (evitando 
transbordamentos);
• Determinação de quantidade de materiais para controle 
de estoques;
• Determinação de quantidade de materiais para 
realização de transações comerciais ( transferência de 
custódia);
• Assegurar funcionamento adequado de determinados 
equipamentos de processo.
Medição de Nível
Tipos de Medição de Nível
•Medição Direta
É a medi ção que se faz tendo como referência 
a posi ção do plano superior da substância medida.
•Medição Indireta ou Inferencial
É o tipo de medi ção que se faz para determinar 
o n ível em fun ção de uma segunda vari ável.
Tipos de Medição de Nível
•Medição Discreta (Chaves de nível)
É a medi ção que se faz apenas para saber se o 
nível dentro do equipamento est á acima ou abaixo de 
um valor pr é-estabelecido.
•Medição Contínua
É aquela em que se quer conhecer o valor do 
nível da interface continuamente.
Discreta
Contínua
Podem ser utilizados com 
diversos materiais como:
- Água, 
- Produtos químicos,
- Combustíveis,
- Alimentícios, 
- Inflamáveis, 
- Outros.
Chave de nível tipo bóia lateral
• Bóia Lateral
São instrumentos utilizados no 
controle e detecção de nível de líquidos 
em tanques ou reservatórios que 
requerem posição de montagem 
lateral, seja por:
- falta de espaço 
- devido ao tanque ser muito alto. 
Apresentam fácil instalação, não 
necessitando de alimentação elétrica. 
Dispondo de várias opções de conexões 
ao processo, versões para áreas 
classificadas, e utilizáveis em uma 
ampla faixa de temperatura/pressão, 
estes instrumentos são soluções de 
grande versatilidade e confiabilidade. 
Chave de nível tipo bóia pêra
• Bóia Pêra
Representam os mais simples 
instrumentos para o controle e detecção de 
nível de líquidos. 
Aliam baixo custo e grande facilidade de 
instalação. 
Seu microcontato não utiliza mercúrio e 
o diferencial pode ser ajustado através de um 
pequeno contrapeso. 
Entre as aplicações típicas 
encontram-se:
-tanques e fossas de efluentes
-dejetos industriais ou água, 
-controle de bombas, 
-locais de difícil acesso à montagem de outros 
tipos de sensores de nível
- etc. 
Aplicações das chaves condutivas
� Alarme de nível alto/intermediário/baixo 
em tanques ou poços artesianos,
� controle de dispositivos como 
bombas/válvulas
� controle de nível em caldeiras ou vasos de 
pressão são aplicações típicas.
Chave de nível por condutividade
• Condutivo
Desenvolvidos para aplicações 
que envolvem o 
controle/detecção de nível de 
líquidos condutivos em:
- tanques, 
- reservatórios, 
- poços profundos 
- ou locais remotos (via LP), 
São de fácil instalação, não 
apresentam partes móveis e 
portanto, praticamente não 
necessitam de manutenção 
constante. 
Disponíveis em duas versões: 
- haste rígida 
- e flexível. 
Apresentando fácil instalação, 
operação e calibração, não são 
afetados pela presença de 
espuma, gases/vapores, mistura 
de líquidos no processo ou 
variações de determinadas 
características do fluido como 
viscosidade, constante dielétrica 
ou condutividade. 
instrumento ideal quando se 
deseja uma solução de eficiência 
comprovada e baixo custo. 
Chave de nível tipo bóia magnética
Instrumentos para medição e 
controle/detecção de nível de líquido em 
tanques ou reservatórios contendo 
materiais como:
- água,
- produtos químicos
- alimentícios
- combustíveis
- inflamáveis
- outros. 
Estas chaves de nível 
são ideais para silos que 
armazenam diferentes 
materiais. Além disso 
permitem ajustar a 
sensibilidade para melhor 
performance.
Chave de nível tipo pá rotativa
• Pá Rotativa 
São instrumentos eletromecânicos 
robustos:
- de baixo custo, 
- de rápida e fácil instalação 
- foram projetados para o controle de nível 
em silos contendo materiais como :
- granulados, 
- pós em geral(cimento, cal, farinha, etc.), 
- minérios, 
- areia, 
- cavaco de madeira,
- entre outros. 
Chave de nível vibratória
• Vibratório
Desenvolvidos para o 
controle/detecção de nível de 
materiais sólidos ou líquidos em 
tanques/silos, 
Podem ser instalados tanto no topo 
como na lateral. 
Apresentam as seguintes vantagens 
:
- não possuem partes móveis,
- robustez, 
- facilidade de instalação e calibração, 
- praticamente não dependerem das 
condições do material como:
- constante dielétrica, 
- umidade, 
- etc. 
Sensor de Nível para líquidos
• Detecta o nível de líquidos em 
reservatórios.
• Funciona através do movimento
do flutuador que gera um sinal 
magnético. Este sinal é transmitido a 
um sensor magnético. O sinal
de saída é um contato N.A. ou N.F., 
dependendo da posição em que for 
instalado, que pode acionar
um contador auxiliar, um relé ou um 
CLP.
Sensor de Nível para líquidos
LA16M-40
•Baixo Custo 
•Compacto 
•Funcionamento NA/NF 
Aplicações
Reservatórios de Água 
•Produtos Químicos 
•Tanques de Lubrificantes 
•Ligação Automática de Bombas 
•Destiladores 
Funcionamento
Além disso, podem ser 
utilizados para a medição de 
sólidos em líquidos. 
São indicados onde a 
presença de gases, vapores, 
poeira ou espuma é crítica, 
em silos/tanques de alturas 
elevadas ou ainda em locais 
onde os medidores ultra-
sônicos não possam ser 
aplicados.
Medidor semicontínuo
•Yo-Yo
São sistemas eletromecânicos 
robustos para a medição de 
nível em:
- silos, 
- tanques 
- ou reservatórios 
Contendo materiais como : 
- grãos, 
- areia, 
- pós em geral, 
- plásticos, 
- minérios,
- óleos, 
- produtos químicos, 
- entre outros. 
Discreta
Contínua
Instrumentação - 2011
Os métodos de medição de nível podem ser 
classificados como diretos, interferenciais e 
outros;
Diretos: indicadores visuais, flutuadores, 
medidores por condutividade;
Interferenciais: deslocamento, pressão 
estática, radiação, capacitância elétrica, 
ultrassom, detetores tipo fita, pá rotativa, 
indicadores visuais em reaquecedores,
pesagem (não é propriamente medição de nível 
mas muitas vezes é usada alternativamente a 
esta).
Métodos de Medição
Tipos de Medição de Nível
Medição direta:
• Visor de vidro
• Níveis de flutuador
Instrumentação - 2011
• Basicamente existem dois tipos de visores de nível, os 
visores de vidro tubular e os visores de vidro plano;
• Os visores de vidro tubular são normalmente fabricados 
de tubos de vidro reto, fixados entre duas válvulas de 
bloqueio; 
• Devido a limitações de resistência e segurança não são 
recomendados para pressões acima de dois bar nem 
para fluídos tóxicos, inflamáveis ou corrosivos;
• O comprimento do tubo de vidro não deve exceder 750 
mm, devendo-se utilizar tantos visores quantos forem 
necessários para cobrir a faixa de medição de nível
Visores de vidro tubular
Instrumentação - 2011
• Os visores de nível de vidro plano substituíram quase a 
totalidade dos de vidro tubular em aplicações de 
processo;
• Tem construção muito mais robusta que os visores 
tubulares, sendo montados em seções de até 350 mm, 
um mesmo visor pode ter várias seções; 
• As partes principais do visor são:
Visor de vidro: (borossilicato temperado);
Corpo do visor: (aço carbono ou aço inoxidável);
Espelho: tampa frontal (ferro fundido nodular);
Parafusos e porcas: (aço carbono);
Juntas de vedação: papelão hidráulico.
Visores de vidro plano
Visores de vidro
Flutuadores 
• Muitos tipos de mecanismos com 
flutuadores são possíveis,todos possuem 
o princípio de uma bóia que flutua na 
superfície do líquido, e muda de posição 
quando o nível varia 
Flutuador tipo fita (régua externa)
• São indicadores de nível com 
flutuadores que são parcialmente 
submersos no líquido e cuja 
submergência é mantida constante por 
contrapesos ou molas. Assim sendo, o 
flutuador acompanha a variação da 
superfície do líquido, subindo e 
descendo com ela. Usamos este 
fenômeno para medição de nível.
• Indicado para trabalhar com produtos 
líquidos. 
• Não necessita de alimentação elétrica e 
proporciona fácil visualização do nível 
ou volume do material no interior do 
tanque através de uma escala graduada 
(instalada externamente) que é
percorrida por um indicador à medida 
que ocorre variação do líquido. 
Flutuador tipo fita (régua externa)
Flutuador com transmissão por cabo
• E um tipo de instrumento utilizado 
para tanques pressurizados, para 
medida de nível de gases 
liquefeitos como amônia, propano, 
etc...É também muito utilizado para 
medida de nível de líquidos 
corrosivos, pois o tubo pode ser 
confeccionado de material 
resistente a corrosão. 
• Um tubo de material resistente não 
magnético é colocado dentro do 
reservatório, e por dentro do tubo 
instala-se um cabo com um imã na 
ponta. Por fora do tubo existe uma 
bóia com imas em seu interior, que 
acompanha o nível do fluído, 
fazendo com que o cabo se mova e 
indique o valor do nível.
Tipos de Medição de Nível
Medição Indireta:
• Pressão
Níveis de borbulhador
Níveis de diafragma
Células de pressão diferencial(DPC)
• Impulsão
Níveis de deslocador
• Outros
Níveis capacitivos
Níveis radioativos
Níveis ultrasonicos
Detector de nível de lâminas vibrantes
Tipos de Medição de Nível
Medição Indireta:
• Pressão
Níveis de borbulhador
Níveis de diafragma
Células de pressão diferencial(DPC)
• Impulsão
Níveis de deslocador
• Outros
Níveis capacitivos
Níveis radioativos
Níveis ultrasonicos
Detector de nível de lâminas vibrantes
Medida de nível por borbulhamento
• Quando um tubo é
mergulhado em um 
tanque com líquido e 
um gás (usualmente ar 
ou nitrogênio) é forçado 
a passar através deste 
tubo e sair na 
extremidade submersa, 
a pressão do gás será
correspondente a altura 
da coluna de líquido 
Medidores com caixa de diafragma
• Este método também 
utiliza a pressão 
estática para medida de 
nível.
1- tubulação contendo ar 
comprimido ou óleo.
2- caixa metálica com 
tampa de neoprene, 
teflon ou borracha.
3- manômetro calibrado 
em nível ou 
instrumento 
transmissor de pressão 
eletrônico .
1
2
3
Medidores de nível por pressão diferencial
• As pressões alta e baixa são sentidas nos dois 
diafragmas metálicos e, através do movimento 
da barra pivotada a leitura do nível será
transmitida. 
• O sinal de saída será de 3-15 psi se o 
transmissor for pneumático e de 4-20 mA se o 
transmissor for eletrônico.
• O sinal de saída é proporcional ao valor do 
nível, a sua conversão será feita em um 
aparelho indicador em uma escala apropriada. 
Tanques abertos
Medidor tipo pressão diferencial
• No tanque fechado, se a 
pressão do tanque é
diferente da pressão 
atmosférica, os lados de 
baixa e alta pressão são 
conectados 
individualmente por tubos 
nas partes alta e baixa do 
tanque respectivamente 
para obter pressão 
diferencial proporcional 
ao nível do líquido
Transmissor de pressão diferencial capacitivo
• É o sensor mais utilizado em transmissores de pressã o. Nele 
um eletrodo móvel se move entre dois eletrodos fixo s. 
• Entre os eletrodos fixos e o móvel existe um líquid o de 
enchimento (glicerina ou fluor-oil) que funciona co mo um 
dielétrico. As pressões que definem um dado diferen cial são 
aplicadas através das conexões de entrada do instru mento a 
duas câmaras situadas em lados opostos, estanques e ntre si e 
separadas por um elemento sensível (diafragma).
• Estas pressões atuando sobre o elemento com uma sup erfície 
determinada produzem forças de mesma direção e sent idos 
opostos, fazendo originar uma resultante.
• Esta força resultante, no caso do transmissor tipo célula 
capacitiva, provoca uma variação na relação das cap acitâncias 
C1 e C2. Esta variação, proporcional à pressão difer encial é
convertida, amplificada proporcionando um sinal de saída em 
corrente na saída do transmissor (normalmente 4 – 20 mA).
Transmissor de pressão diferencial capacitivo
Princípio da transmissão pneumática
B=bocal
A=palheta
C=orifício
Transmissor pneumático
• O dispositivo que aciona a palheta é sempre um dos 
aparelhos de tomada de impulso (tubo de Bourdon, 
termômetro, etc...).
Transmissor pneumático
• O dispositivo que faz com que o sinal de saída seja proporcional ao 
sinal de entrada é o chamado fole proporcional
Pressão diferencial com transmissão pneumática
Tipos de Medição de Nível
Medição Indireta:
• Pressão
Níveis de borbulhador
Níveis de diafragma
Células de pressão diferencial(DPC)
• Impulsão
Níveis de deslocador
• Outros
Níveis capacitivos
Níveis radioativos
Níveis ultrasonicos
Detector de nível de lâminas vibrantes
Medidor de tubo de torque
• Pelo Princípio de Arquimedes, “Todo o 
corpo mergulhado em um fluido sofre a 
ação de uma força vertical dirigida de 
baixo para cima igual ao peso do volume 
do fluído deslocado”. A esta força exercida 
pelo fluído do corpo nele submerso ou 
flutuante chamamos de empuxo. 
E = V x γ
Unidade de tubo de torque
Unidade de tubo de torque
Tipos de Medição de Nível
Medição Indireta:
• Pressão
Níveis de borbulhador
Níveis de diafragma
Células de pressão diferencial(DPC)
• Impulsão
Níveis de deslocador
• Outros
Níveis capacitivos
Níveis radioativos
Níveis ultrasonicos
Pesagem
Medidores de nível capacitivos
• Uma capacitância elétrica 
(capacidade de armazenar energia 
elétrica) existe entre dois condutores 
separados por uma distância “d”.
• O primeiro condutor pode ser a 
parede do reservatório (primeira 
placa) e o segundo pode ser um 
eletrodo inserido no tanque (segunda 
placa).
• Os dois eletrodos possuem uma 
área A, normal uma a outra. Entre os 
condutores existe um meio isolante 
que no caso de medição de nível 
consiste no material não condutor 
envolvido na medição de nível.
• A quantidade de capacitância 
é determinada não somente 
pela área e distância entre os 
condutores, mas também 
pelas características elétricas 
(constante dielétrica relativa K) 
do material isolante. 
• O valor de K afeta a 
capacidade de 
armazenamento do sistema. 
Quanto maior K, mais carga 
pode ser armazenada.
• Ar seco possui K igual a 1.0. 
Líquidos e sólidos possuem 
valores de K 
consideravelmente maiores.
Medidores de nível capacitivos
• Para aplicar esta fórmula em um sistema de 
medida de nível, devemos assumir que o 
material do processo é isolante, o que, é
claro, nem sempre é verdadeiro.
• Quando o líquido é um isolante, uma sonda 
condutiva, não revestida é inserida em um 
tanque para agir como um dos condutores 
do capacitor. A parede metálica do tanque 
atua como a outra. Se o tanque é não 
metálico uma outra placa metálica deve ser 
inserida no tanque para funcionar como a 
outra placa 
Medidores de nível capacitivos
• Quando o material do processo é condutivo, a 
sonda é recoberta por um revestimento isolante 
de Teflon ou Kynar. A sonda isolada age como 
um dos pratos do capacitor e o material 
condutor do processo age como o outro. O 
último por ser condutor conecta-se 
eletricamente ao tanque metálico aterrado.
• O meio isolante ou dielétrico neste caso é o 
revestimento da sonda. 
• A medida que o nível do material condutivo do 
processo varia, uma mudança proporcional na 
capacitância ocorre pela variação da área da 
outra placa (nível do líquido)
Medidores de nível capacitivos
• Vantagens:
• Medidores de capacitância são capazes de 
operar em condições extremas de temperatura 
e pressão. Funcionam bem para materiais que 
não tendem a se depositar sobre o eletrodo 
formando uma capa.
• Desvantagens: 
• Medidores de nível capacitivossão 
intrusivos. Possuem problema com materiais 
que variam a constante dielétrica e aqueles que 
tendem a se depositar no eletrodo causando 
erros na medida.
Medidores de nível capacitivos
Medidores de nível utilizando radioisótopos
• A radiação gama é uma radiação emitida pelo núcleo atômico. É
uma radiação bastante penetrante e conforme sua energia é capaz 
de atravessar grandes espessuras, por isto pode ser utilizada para 
medições de nível de líquidos e sólidos. 
• A absorção de raios gama é relacionada com a densidade e a 
espessura do material colocado entre a fonte radioativa e o 
detector. Entre a fonte e o detector pode variar a espessura da 
camada de material líquido ou sólido (nível).
• O detector é um contador Geiger que converte a radiação recebida 
em uma corrente elétrica. A corrente é função do número de pulsos 
por segundo produzido pelo contador e a radiação que passa é
inversamente proporcional a espessura e a densidade do material.
Medidores de nível utilizando radioisótopos
Vantagens
• Completamente isentos do contato com os produtos 
que estão sendo medidos dispensando sondas ou 
outras técnicas que mantém contato com sólidos ou 
líquidos é possível, em qualquer momento, realizar a 
manutenção desses medidores, sem a interferência 
ou mesmo a paralisação do processo;
• Não intrusivos; 
• Podem ser usados para indicação e controle de 
materiais de manuseio extremamente difíceis e 
corrosivos, abrasivos, muito quentes, sob pressões 
elevadas ou de alta viscosidade.
Medidores de nível utilizando radioisótopos
• Uma aplicação típica deste tipo de medidor na indústria de 
alimentos é o controle de nível de bebidas enlatadas em latinhas 
de alumínio. As latinhas colocadas em uma correia transportadora 
interceptam o feixe de radiação entre o emissor e o receptor. Se o 
nível de líquido estiver muito baixo ou alto em relação ao aceitável, 
isto será detectado pela atenuação da radiação recebida. 
Fonte 
radioativa
Detector
Cesto dos 
rejeitos
Medida de nível utilizando ultra-som
• Uma onda sonora do tipo ultra-som de alta freqüência é
emitida da base de um transdutor.
• A onda sonora se propaga no ar até atingir um anteparo 
ou a parte superior do fluído. 
• Parte desta energia acústica retorna para o transdutor 
em forma de um eco após um certo intervalo de tempo. 
Medindo-se este intervalo de tempo e conhecendo-se a 
velocidade do sim no ar pode-se calcular a distância 
entre o transdutor e o anteparo segundo a seguinte 
equação :
2
0C
d
ττττ×=
Medidor de nível por ultra-som
• onde: C0 é a velocidade do 
som no ar (m/s) e ττττ é o 
decorrido tempo entre a 
emissão e a recepção do 
eco (s). 
• A velocidade do som no ar é
uma função da temperatura, 
pressão barométrica, 
umidade relativa e 
viscosidade do ar. Destas 
variações a mais 
significativa é a devido 
temperatura que deverá ser 
corrigida.
Medidor de nível por ultra-som
Versões : compacta e remota.
Os medidores ultra-sônicos podem ser 
utilizados nos mais variados materiais 
como:
- água, 
- efluentes, 
- líquidos inflamáveis ou corrosivos
e sólidos como :
- granulados, 
- pós (cal, cimento, farinha),
- chips de plástico, 
- cavaco de madeira,
Medidor de nível por ultrassom
• Ultra-sônico 
Utilizados na medição e 
controle de nível de materiais 
líquidos ou sólidos, apresentam 
excelentes precisão e 
performance, além de não existir 
contato físico entre o sensor e o 
meio medido. 
Possibilita o monitoramento 
de até 8 silos/tanques iguais 
simultaneamente utilizando 1 
controlador e 8 sensores. 
O excelente ângulo de 
incidência permite seu uso em 
aplicações críticas como 
silos/tanques de pequeno 
diâmetro ou com presença de 
gases/vapores ou pó. 
Fonte: Instrumentação Industrial - Bega, et all - Editora Interciência
E-excelente; B-bom; R-regular
1-liqudos limpos; 2-líquidos com espuma; 3-interface; 4-polpas; 5-sólidos
BR---BR---BR---Pesagem
----------B----Pás rotativas
BB-RBRR-RRBBRREEletromecânico
B-RBBR-RRRB-RBBCapacitivo
RB-BE-----RB-BERadar
BR-RB-----BB-RBUltrassônico
--RRE--RRE--RREPressão dif.
--B-E-------B-EDeslocador
-RR-B-RR-B-RR-EFlutuador
543215432154321
Transmissão/ControleIndicaçãoPonto Fixo
Medição ContínuaChave de NívelTipo de Instrumento
SELEÇÃO DE INTRUMENTO DE NÍVEL
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