Medição de Nível

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Medição de Nível
 Definição das Grandezas de 
 Medida
 Nível
 Definição
 Medição da posição de uma interface 
 entre dois meios gasosos ou líquidos
 Unidade de Engenharia Metro (m)
 Conceitos Gerais das Grandezas 
 de Medida
 Nível
 ISA 5.1 Nível
 Elemento primário LE
 Transmissor com indicação LIT
 Transmissor com registro LRT
 Controlador com indicação LIC
 Alarme baixo LSL
 Alarme alto LSH
 Chave de deteção de alto e baixo LSHL
 Elemento final de controle LV (Válvula)
 Técnicas de Medição de Nível
 Autor do Mapa 
 Conceitual: 
 Lucas Costa Souza
 Medida da altura de preenchimento de 
 um líquido ou de algum tipo de material 
 em um reservatório ou recipiente
 V = Ab * h
 V = Volume do recipiente
 Ab = Área da base
 h = Altura do recipiente
 Para um mesmo volume, projetamos a 
 área do tanque para amortecer flutuações 
 do nível
 Instrumentos de medição contínua
 Instrumentos discretos ou chaves de 
 nível (detectores)
 Medem continuamente em uma faixa de 
 0 a 100%
 Medição indireta
 Se caracterizam pela obtenção do nível de 
 fluido por meio de grandezas 
 relacionadas com o nível
 Exemplo: Pressão, tempo de propagação, 
 força de empuxo, capacitância variável e 
 isótopos radioativos
 Medidor de Nível tipo Deslocador 
 (Displacer)
 Utiliza um corpo que flutua parcialmente 
 inserido num fluido confinado em uma 
 câmara, ou tubo
 Baseia-se no Principio de Arquimedes: A medida em que o nível do fluido 
 aumenta dentro da câmara, aumenta-se, 
 também, a resultante de forças em 
 direção a emersão do dispositivo 
 deslocador
 Vantagens
 Alta precisão (0,5% do FE).
 Desvantagens
 Requer manutenção constante, visto que 
 o dispositivo deslocador recebe acumulo 
 de resíduos ao longo do tempo.
 Exemplo: Utilizado em fluidos que não 
 possuam índice de sujeira, formação de 
 espuma; ou fluidos não turbulentos
 Medidor de Nível por Pressão Diferencial
 Determina o nível de um recipiente por 
 meio da medição da pressão exercida 
 pela altura da coluna líquida (pressão 
 hidrostática) no fundo do mesmo
 Baseia-se no Teorema de Stevin: Tanques abertos
 Diferencial de pressão em relação à 
 pressão atmosférica
 Tanques fechados
 Diferencial de pressão em relação à 
 pressão da fase gasosa existente acima do 
 fluido residente no tanque
 Medidor de Nível tipo Borbulhador
 Trata-se de um tubo mergulhado no 
 líquido do qual se pretende medir o nível. 
 Injeta-se uma pequena vazão de ar ou gás 
 inerte no tubo, até este começar 
 borbulhar pelo extremo inferior
 Um indicador de pressão ligado ao tubo 
 indica, portanto, a pressão do líquido 
 junto ao extremo inferior do tubo. A 
 pressão poderá ser expressa em altura de 
 coluna líquida, indicando o valor do nível
 Como normalmente a extremidade 
 inferior do tubo de borbulhamento não se 
 encontra visível, para garantir que há 
 ocorrência de borbulhamento pode-se 
 utilizar um pequeno indicador de vazão 
 de ar
 Exemplo: Aplicação na área de extração 
 de petróleo
 Medidor Nível Capacitivo
 Consiste de uma sonda cilíndrica vertical 
 inserida no tanque do qual se deseja 
 medir o nível
 A sonda pode ser isolada ou não e serve 
 como uma das placas do capacitor. A 
 outra placa é formada, por. ex., pelas 
 paredes do vaso e o fluido comporta-se 
 como dielétrico variável.
 C = 2*pi*E0*h / 
 [ [ (1/E1) * ln(D2 / D1) ] + 
 [ (1/E2) * ln(D3 / D2) ] ]
 E0 – permissividade elétrica do vácuo (F/
 m)
 E1 – permissividade elétrica do isolante (F/
 m)
 E2 – permissividade elétrica do fluido (F/m) h – nível do tanque (m) D1 – diâmetro do eletrodo (m) D2 – diâmetro do isolante (m) D3 – diâmetro do tanque (m)
 Tanques com paredes metálicas
 Fluido condutivo
 O medidor de nível capacitivo (sonda) 
 necessita ter uma capa isolante
 A camada isolante da sonda constitui o 
 dielétrico do capacitor, enquanto que a 
 sonda, é o condutor fixo, e o fluido 
 condutivo, é o eletrodo variável
 Fluido não-condutivo
 O medidor de nível capacitivo 
 (sonda) não necessita ter uma capa 
 isolante
 Neste caso, a sonda e as paredes do 
 tanque constituem as placas do 
 capacitore o fluido, o dielétrico variável
 Tanques com diâmetros grandes
 Recomendado que o medidor de nível 
 capacitivo (sonda) tenha uma blindagem 
 metálica
 O capacitor será formado pelos dois 
 eletrodos (a sonda e a blindagem) e o 
 fluido como dielétrico variável
 Tanques com paredes não metálicas
 Oo medidor de nível capacitivo necessita 
 de uma sonda de referência (secundária), 
 além da sonda principal (ativa), ambas 
 isoladas
 Neste caso o fluido realiza a variação do 
 meio dielétrico
 Exemplo: Aplicação em meios viscosos 
 ou corrosivos
 Medidor por pesagem
 Consiste, basicamente, na instalação de 
 células de carga nas bases de sustentação 
 do silo/tanque
 Elas devem ser instaladas sob os pontos 
 de apoio da estrutura do silo/tanque, de 
 tal forma que o seu peso é aplicado sobre 
 elas
 h = P / Ab * γ
 h – nível do fluido no tanque (m) P – peso da coluna de material (N) Ab – área da base do recipiente (m2) γ - peso específico do fluido (N/m3)
 Os sistemas de medição de nível por meio 
 de pesagem exigem que:
 O tanque deve ser projetado com seção 
 transversal circular de forma a garantir 
 uma distribuição estável e equalizada do 
 peso total entre as células de carga
 O silo deve ser isolado da estrutura do 
 prédio
 Os sistemas de enchimento e 
 esvaziamento do silo sejam projetados 
 para não interferirem no sistema de 
 medição
 Seja evitada a instalação de vibradores, 
 motores e outras fontes de vibração em 
 contato direto com o silo
 Medidor de Nível por Ultrassom
 Baseia-se na medição do tempo 
 necessário para um pulso de ultrassom 
 percorrer a distância entre o sensor e o 
 material cujo nível deve ser detectado
 Quando uma onda de som encontra uma 
 mudança repentina na densidade do 
 material, parte da energia da onda será 
 refletida na forma de uma outra onda no 
 sentido oposto
 A onda sonora produz um “eco" quando 
 se atinge uma descontinuidade na 
 densidade. Esta é a base de todos os 
 dispositivos de ultrassom usados para 
 medição
 Δd = Δt * vs / 2
 vs – velocidade do som no meio (m/s). Δd – distância percorrida de ida ou de 
 volta (m)
 Δt – tempo decorrido entre a emissão e o 
 eco (s)
 Cone de ultrassom
 Possuem um ângulo total de abertura de 
 5/6º a 3 dB, assegurando uma medição 
 confiável em silos de pequeno diâmetro
 Apresentam uma Zona Morta (ou 
 distância mínima de medição), 
 especificada por cada fabricante
 Cuidados na Medição
 Em líquidos
 Nenhum objeto (tubos, barras de reforço, 
 escadas, termômetros, etc.) deve projetar-
 se para o interior do cone formado pelo 
 feixe de ultrassom
 Efeitos causados por objetos móveis 
 como agitadores podem ser eliminados 
 por meio de algoritmos implementados 
 em softwares
 O sensor deve ser instalado com um 
 desvio máximo de 2 a 3º (da horizontal)
 A formação de espuma deve ser a menor 
 possível
 O intenso movimento de ar (gás) ou vapor 
 nas proximidades do cone de ultrassom 
 deve ser evitado, pois pode provocar o 
 enfraquecimento do sinal
 Em sólidos
 A medição durante o enchimento é 
 possível somente se o feixe do ultrassom 
 não cruzar o percurso do material que 
 entra no silo
 Na maioria dos casos, o medidor deve ser 
 direcionado aolocal de saída de material
 Desvantagens
 Impróprio para ambientes agressivos, 
 com fortes ventanias, atmosfera densa e 
 poluída e com vibrações constantes pela 
 estrutura do tanque/silo
 Exemplo: Aplicações onde nenhum 
 contato físico pode ocorrer com o 
 material cujo nível é medido
 Medidor de Nível por Radar
 Os instrumentos de nível a radar medem 
 a distância entre o transmissor (localizado 
 em algum ponto elevado) e a superfície 
 de um material localizado mais abaixo, da 
 mesma maneira que os medidores 
 ultrassônicos, medindo o tempo-de-voo 
 de uma onda viajante
 A diferença fundamental entre um 
 instrumento de radare um instrumento 
 de ultrassom é o tipo de onda utilizadas: 
 ondas de rádio (eletromagnéticas por 
 natureza)
 Δd = Δt * c / 2
 c – velocidade da luz (m/s) Δd – distância percorrida de ida ou de 
 volta (m)
 Δt – tempo decorrido entre a emissão e o 
 eco (s)
 Radar por pulso
 Utiliza-se a técnica de emissão de um 
 pulso descontínuo
 A medição do nível é feita indiretamente 
 relacionando-se o tempo de propagação 
 de ida e volta do eco ou reflexão desse 
 pulso pelo radar
 Radar por frequência modulada de sinal
 Baseia-se na emissão de um sinal 
 contínuo, porém de frequência variável
 Ao ser refletido pelo superfície do fluido, o 
 sinal tem sua frequência alterada. Mede-
 se o tempo decorrido entre duas 
 frequências diferentes
 Medidor de Nível por Radar de ondas não 
 guiadas
 Antena em forma de um cone e sem guia, 
 o medidor não fica em contato com o 
 fluido
 Medidor de Nível por Radar de ondas 
 guiadas
 o medidor possui uma guia que 
 determina o foco da energia emitida e 
 refletida
 É cerca de 20 vezes mais eficiente que o 
 de ondas não guiadas
 Exemplo: Utilizada para líquidos e 
 sólidos a granel
 Medidor de Nível por Radioatividade
 Baseiam-se em uma fonte de emissão de 
 raios gama (𝛾), um detector tipo 
 câmara de ionização ou cintilação e uma 
 unidade eletrônica conversora e 
 transmissora de sinal
 A corrente elétrica no detector, produzida 
 pela passagem do raio gama é 
 diretamente proporcional a intensidade 
 da radiação emitida e inversamente 
 proporcional ao nível do produto no silo 
 ou tanque
 Quando a radiação 𝛾 passa por um 
 determinado meio, i.e., o fluido, ela é 
 atenuada, diminuindo a corrente elétrica 
 gerada no detector
 Vantagens
 A possibilidade de se medir nível de sólido 
 se não ser afetado por nenhuma 
 propriedade física ou química do meio, 
 ser robusto, uma vez que não requer 
 nenhuma manutenção praticamente
 Desvantagens
 Fontede radiação de reserva está se 
 desintegrando de modo idêntico a fonte 
 em uso
 Exemplo: Não é muito usado, 
 principalmente no Brasil
 O custo do sistema é assumido ser muito 
 alto
 O perigo considerado de usar material 
 radioativo
 Medidor de Nível por Laser
 Baseia-se no mesmo princípio dos 
 medidores por ultrassom e radar, apenas 
 que utilizando pulsos curtos de laser
 Mede o tempo de trânsito de pulsos de 
 LASER emitidos e refletidos pela 
 superfície que se deseja medir
 Um gerador de pulsos elétricos aciona um 
 diodo semicondutor LASER emitindo, 
 periodicamente, pulsos de luz 
 infravermelha, colimada pelas lentes de 
 transmissão.
 Parte do eco do sinal refletido é recebido 
 pelas lentes de recepção, e atinge um 
 fotodiodo, que gera um sinal de recepção
 Limitações dos medidores de nível por 
 Laser
 A necessidade de se ter uma superfície 
 suficientemente refletora para a luz do 
 laser produzir o ‘eco’
 A presença de poeiras ou vapores no 
 espaço entre o laser e o líquido pode 
 dispersar a luz
 Exemplo: Aplicado em medição de 
 substâncias com massa específica 
 elevada, cimentos, líquidos opacos, 
 produtos alimentícios, etc
 Medição direta
 Técnicas que medem a altura da 
 superfície do fluido diretamente em 
 relação ao fundo do recipiente Exemplo: Indicadores de nível e bóias
 Indicadores e visores de nível
 Baseiam-se no princípio dos vasos 
 comunicantes e produzem apenas uma 
 saída visual.
 Indicador de nível
 Tubo de vidro, conectado a válvulas de 
 bloqueio e estas ao reservatório
 Este indicadores possuem diâmetro e 
 comprimento padronizados, sendo esses 
 valores relacionados as temperaturas e as 
 pressões máximas que estes suportam
 Não são recomendados para sistemas 
 que contenham fluidos tóxicos e 
 inflamáveis
 Indicadores de vidro plano
 São compostos de um ou vários módulos 
 onde se fixam barras planas de vidro.
 Possuem um espelho, que é a tampa 
 frontal, fabricada em ferro nodular, aço 
 carbono ou aço inoxidável, capaz de 
 suportar altas tensões
 São capazes de operar em temperaturas e 
 pressões mais elevadas
 Representam cerca de 90% das 
 aplicações de visores de nível em plantas 
 industriais
 Exemplo: Utilizados com frequência para 
 medição local (independem de 
 alimentação)
 Não devem ser utilizados em locais onde 
 sua quebra constitua perigo, ou em 
 reservatórios onde o líquido ofereça 
 perigo ao escapar do interior do visor
 Flutuadores (ou Boias)
 Baseia-se na adição de um elemento de 
 densidade menor que o fluido a ser 
 medido. A medida em que o nível varia, o 
 elemento varia emerso no fluido.
 Vantagens
 Pode medir grandes variações de nível, da 
 ordem de até 30 m
 Desvantagens
 Sensível à agitação do líquido Possui parte móveis, passíveis de 
 deformações e oxidações
 Transdutores de nível para flutuadores (ou 
 boias)
 Podem ser desenvolvidos diretamente 
 mediante uma escala graduada (com 
 contrapeso) ou por meio de um circuito 
 elétrico dotado de um potenciômetro 
 acoplado a uma ponte de Wheatstone
 Podem associar a técnica de indicação de 
 nível com a técnica de boias
 Utilizando o princípio de magnetostrição, 
 por meio de um magneto flutuante, é 
 possível ter um transdutor para um sinal 
 em tensão
 Exemplo: São muito utilizados como 
 detectores de nível, i.e., chaves de 
 detecção de nível alto, baixo, médio
 Operam apenas em níveis fixos, pré-
 determinados, atuando um contato seco 
 quando o valor pré-ajustado for alcançado
 Detector de Nível por Vibração
 Semelhante a um diapasão, forçado a 
 vibrar em sua frequência de ressonância, 
 estimulado por um cristal piezoelétrico
 Quando o garfo é imerso em um fluido, 
 essa frequência de vibração se altera em 
 cerca de 10 a 20%
 A variação da frequência é detectada por 
 um transdutor, também piezoelétricoe 
 um circuito de malha amarrada por fase
 Exemplo: Aplicado em torres de 
 resfriamento
 Flutuador Magnético 
 Detector de Nível por Condutividade
 A medição de nível se dá por meio da 
 condutância elétrica do fluidoque, neste 
 caso, deve ser condutivo
 O fluido deve ser capaz de conduzir 
 corrente elétrica para potenciais de 
 tensão relativamente baixos, cerca de 
 20V, entre um eletrodode referênciae o 
 eletrodode controle
 No instante em que a superfície do fluido 
 tocar o eletrodo de controle do detector 
 de nível, ocorrerá condução de corrente 
 elétrica do eletrodo para a carcaça. Um 
 relé é, então, ativado, sinalizando a 
 detecção do nível no ponto
 É comum o uso de modelos com dois ou 
 mais eletrodos, de tamanhos diferentes, 
 permitindo a detecção de em pontos 
 diferentes do fluido
 Exemplo: Aplicado em medição de 
 substâncias eletricamente condutíveis
 Elementos mecânicos onde a elevação ou 
 a diminuição do nível do tanque causa 
 um deslocamento na parte mecânica do 
 dispositivo, abrindo ou fechando seu 
 contato elétrico
 Exemplo: Aplicadona detecção de 
 enchimento ou esvaziamento de tanques
 Teorema de Stevin: h = P1 - P2 / ρ * g
 h – nível do fluido no tanque (m)
 P1 – pressão da coluna de fluido (Pa)
 P2 – pressão externa ao fluido (Pa)
 g – aceleração da gravidade (m/s^2)
 ρ – massa específica do fluido (kg/m^3)
 Principio de Arquimedes:
 “Um corpo imerso em um líquido sofre a 
 ação de uma força vertical dirigida de 
 baixo para cima igual ao peso do volume 
 do líquido deslocado.”