Medição de Nível

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Medição de Nível
 Medida da altura de 
 preenchimento de um líquido 
 ou de algum tipo de material 
 em um reservatório ou 
 recipiente
 Definida como a medição da 
 posição de uma interface entre 
 dois meios gasosos ou líquidos
 sempre é realizada em relação a um 
 referencial
 Métodos
 Técnicas de medição Nível
 Parâmetro crítico de processo
 Aluno: Enzo Murakami
 Matrícula: 2017072685
 Medição direta
 Indicadores e Visores de nível
 Baseiam-se no princípio dos vasos 
 comunicantes e produzem apenas uma 
 saída visual.
 Não podem ser utilizados:
 locais onde sua quebra constitua perigo
 reservatórios onde o líquido ofereça 
 perigo ao escapar do interior do visor
 Exemplos:
 Indicador de nível
 tubo de vidro conectado a válvulas de 
 bloqueio e estas ao reservatório
 possuem diâmetro e comprimento 
 padronizados
 relacionados as temperaturas e as 
 pressões máximas que estes suportam
 Não recomendados para sistemas que 
 contenham:
 fluidos tóxicos
 fluidos inflamáveis
 Indicador de vidro plano
 composto por seções de vidro plano
 composto de um ou vários módulos onde 
 se fixam barras planas de vidro. 
 Módulos são conhecidos como seções dos 
 visores
 contém um espelho, que é a tampa 
 fronta, capaz de suportar altas tensões
 Capazes de operar em:
 altas temperaturas
 pressões elevadas
 Flutuadores (ou Boias)
 Sistema que baseia-se na adição de um 
 elemento de densidade menor que o 
 fluido a ser medido. A medida que o nível 
 varia, o elemento varia emerso no fluido.
 Vantagens: pode medir grandes variações de nível
 Desvantagens:
 sensível a agitação do líquido
 partes móveis passíveis de deformações e 
 oxidações
 Para realizar a medição, utiliza-se 
 transdutores de nível desenvolvidos 
 diretamente mediante: 
 uma escala graduada com contrapeso.
 um circuito elétrico dotado de um 
 potenciômetro acoplado a uma ponte de 
 wheatstone.
 Exemplos:
 detectores de nível
 chave de detecção de nível alto, baixo e 
 médio.
 É possível associar ambas as técnicas
 utilizando o princípio de magnetostrição, 
 por meio de um magneto flutuante
 Classificação dos instrumentos de 
 medição de nível quanto a natureza de 
 medição
 Instrumentos de medição contínua
 Medem continuamente em uma faixa de 
 0 - 100%
 Instrumentos discretos ou chave de nível (
 detectores)
 Operam apenas em níveis fixos, pré-
 determinados, atuando um contato seco 
 quando o valor previamente ajustado for 
 alcançado. 
 Medição direta
 Medição por meio da altura da superfície 
 do fluido diretamente em relação ao 
 fundo do recipiente
 Mnemônicos ISA 5.1
 Elemento Primário ZE
 Transmissor com indicação ZIT
 Transmissor com registro ZRT
 Controlador com indicação ZIC
 Alarme baixo ZAL
 Alarme alto ZAH
 Chave de detecção de alto e baixo ZSHL
 Elemento final de controle ZV
 Unidade: m
 Medição indireta
 Obtenção do nível de fluido por meio de 
 grandezas relacionadas com o nível
 Pressão
 Mnemônicos ISA 5.1
 Elemento Primário PE
 Transmissor com indicação PIT
 Transmissor com registro PRT
 Controlador com indicação PIC
 Alarme baixo PAL
 Alarme alto PAH
 Chave de detecção de alto e baixo PSHL
 Elemento final de controle PV
 Unidade: N/m³
 Tempo de propagação
 Mnemônicos ISA 5.1
 Elemento Primário KE
 Transmissor com indicação KIT
 Transmissor com registro KRT
 Controlador com indicação KIC
 Alarme baixo KAL
 Alarme alto KAH
 Chave de detecção de alto e baixo KSHL
 Elemento final de controle KV
 Unidade: s
 Força de empuxo
 Mnemônicos ISA 5.1
 Elemento Primário WE
 Transmissor com indicação WIT
 Transmissor com registro WRT
 Controlador com indicação WIC
 Alarme baixo WAL
 Alarme alto WAH
 Chave de detecção de alto e baixo WSHL
 Elemento final de controle WV
 Unidade: W
 Capacitância variável
 Mnemônicos ISA 5.1
 Elemento Primário ME
 Transmissor com indicação MIT
 Transmissor com registro MRT
 Controlador com indicação MIC
 Alarme baixo MAL
 Alarme alto MAH
 Chave de detecção de alto e baixo MSHL
 Elemento final de controle MV
 Unidade: f
 Isótopos radioativos
 Mnemônicos ISA 5.1
 Elemento Primário NE
 Transmissor com indicação NIT
 Transmissor com registro NRT
 Controlador com indicação NIC
 Alarme baixo NAL
 Alarme alto NAH
 Chave de detecção de alto e baixo NSHL
 Elemento final de controle NV
 Unidade: Gy
 Recipiente regular
 V = A * h
 V: volume de líquido contido Unidade: m³
 A: área da base do recipiente Unidade: m²
 h: nível do líquido Unidade: m
 Conhecer as dimensões de um tanque é 
 importante para determinar o tempo de 
 residência ou constante de tempo 
 dominante de um processo τ = Vmax/Qmax
 Qmax: vazão máxima de entrada do 
 tanque Unidade: m³/s
 Medição indireta
 Deslocador (Displacer)
 Pressão Diferencial - Hidrostática
 Pressão Diferencial - Densidade
 Via diferença de densidade é possível 
 separar e conhecer o nível de interface da 
 mistura sem perdas e com segurança.
 P1 - P2 = g (ρ1 * h1 - ρ2 *h2)
 P1: pressão do fluido menos denso Unidade: Pa
 P2: pressão do fluido mais denso Unidade: Pa
 h1: altura do fluido menos denso Unidade: m
 h2: altura do fluido mais denso Unidade: m
 g: aceleração da gravidade Unidade: m/s²
 ρ1: massa específica do fluido menos 
 denso Unidade: kg/m³
 ρ2: massa específica do fluido mais denso Unidade: kg/m³
 Capacitivo
 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 de um capacitor. A 
 outra placa é formada, por exemplo, pelas 
 paredes do vaso e o fluido comporta-se 
 como dielétrico variável. C = (ε * A) / d C = (2 * 𝜋 * ε0 * h) / [ (1/ ε1) * ln (D2/D1) + (1/ ε1) * ln (D2/D1) ]
 ε0: permissividade elétrica do vácuo Unidade: F/m
 ε1: permissividade elétrica do isolante Unidade: F/m
 ε2: permissividade elétrica do fluido Unidade: F/m
 h: nível do tanque Unidade: m
 D1: diâmetro do eletrodo Unidade: m
 D2: diâmetro do isolante Unidade: m
 D3: diâmetro do tanque Unidade: m
 Para fluido não condutivo em tanque 
 metálico
 medidor de nível capacitivo não necessita 
 ter uma capa isolante, e os eletrodos do 
 capacitor podem estar em contato direto 
 com ele
 A sonda e as paredes do tanque 
 constituem as placas do capacitor e o 
 fluido, o dielétrico variável.
 Para fluido condutivo
 medidor de nível capacitivo necessita ter 
 uma capa isolante No caso de um tanque metálico
 camada isolante da sonda constitui o 
 dielétrico do capacitor
 a sonda é o condutor fixo
 fluido condutivo é o eletrodo variável
 Para tanques com diâmetros grandes (
 metálicos ou isolantes) e com fluido não 
 condutivo
 recomendável que a sonda tenha uma 
 blindagem metálica
 capacitor será formado pelos dois 
 eletrodos (sonda e blindagem)
 fluido como dielétrico variável
 Para tanques com parede não metálicas e 
 fluido condutivo ou não condutivo
 necessidade de uma sonda de referência 
 isolada fluido realiza a variação do meio dielétrico
 Pesagem (Célula de Carga)
 Consiste na instalação de células de carga 
 nas bases de sustentação do silo/tanque
 as células de carga modernas
 podem ter exatidão de 0,03%
 fácil calibração
 custo baixo
 Características:
 necessidade de reforço lateral reduzir efeitos das forças angulares
 devem ser imunes a esforços laterais
 Exigências:
 silo isolado da estrutura do prédio
 possíveis alterações no projeto estrutural 
 do prédio
 sistemas de enchimento e esvaziamento 
 do silo projetados para não interferirem 
 no sistema de medição
 evitar instalações de fontes de vibração 
 com contato direto com o silo
 em silos mais altos ou com vibrações 
 excessivas
 recomenda-se colocar barras 
 estabilizadoras nas laterais para absorver 
 os eventuais esforços horizontais
 Quantidade de células de carga varia em função da forma do silo
 Melhor precisão
 apoio em três células defasadas de 120º 
 em relação à projeção
 sempre que possível o silo deve ser 
 projetado com seção transversalcircular
 garantir distribuição estável e equalizada 
 do peso total entre as células de carga
 Cálculo do nível: h = P/ (A *ɣ)
 h: nível do fluido no tanque Unidade: m
 P: peso da coluna de material Unidade: N
 A: área da base do recipiente Unidade: m²
 ɣ: peso específico do fluido Unidade: N/m³
 Exemplo: medição de nível por pesagem 
 no armazenamento de leite em pó
 Ultrassom
 Medição do tempo necessário para um 
 pulso de ultrassom percorrer a distância 
 entre o sensor e o material
 Cálculo da distância percorrida: Δd = (Δt * vs)/2
 Δd: distância percorrida de ida ou de volta Unidade: m
 Δt: tempo decorrido entre a emissão e o 
 eco Unidade: s
 vs: velocidade do som no meio
 Unidade: m/s
 influenciada pela temperatura e pressão (
 efeitos algumas vezes desprezíveis)
 Funcionamento:
 o trem de pulso emitido pelo sensor é 
 refletido pela superfície do material e 
 processado pela unidade eletrônica.
 Exigência:
 diferença de densidade na interface entre 
 o líquido e o gás tem que ser grande
 Características:
 Indicado para aplicações onde nenhum 
 contato físico pode ocorrer com o 
 material cujo nível é medido
 Ondas sonoras são vibrações mecânicas e 
 de baixa frequência transdutores são do tipo piezoelétrico
 apresentam zona morta
 Exemplos: Cone de ultrassom
 Cuidados na medição
 líquidos
 objetos estáticos
 nenhum objeto deve projetar-se para o 
 iterior do cone formado pelo feixe de 
 ultrasom
 objetos móveis
 efeitos causados por objetos
 móveis como agitadores podem ser 
 eliminados
 por meio de algoritmos
 alinhamento desvio máximo de 2 a 3º (da horizontal)
 espuma
 projetar cone do ultrassom onda a 
 formação de espuma seja a menor 
 possível
 vento e vapor
 podem provocar o enfraquecimento do 
 sinal
 sólidos
 objetos estáticos
 direcionamento do medidor direcionado ao local de saída de material
 fora de recipientes fechados
 Desvantagens:
 impróprio para ambientes agressivos, 
 com fortes ventanias, atmosfera densa e 
 poluída e com vibrações constantes
 Radar
 Medem a distância entre o transmissor e a 
 superfície de um material localizado mais 
 baixo, medindo o tempo-de-voo de uma 
 onda viajante.
 princípio de medição:
 ondas de rádio (eletromagnéticas por 
 natureza)
 Δd = (Δt * c)/2
 Δd: distância percorrida de ida ou de volta Unidade: m
 Δt: tempo decorrido entre a emissão e o 
 eco Unidade: s
 c: velocidade da luz Unidade: m/s
 frequência da ordem de 3 a 30GHz (
 microondas)
 Radar por pulso
 técnica de emissão de um pulso 
 descontínuo
 medição relacionada ao tempo de 
 propagação de ida e volta do eco ou 
 reflexão desse pulso pelo radar
 a reflexão está relacionada com a 
 mudança da permissividade dielétrica (ε)
 Radar por frequência modulada de sinal
 técnica de emissão de um sinal contínuo, 
 porém de frequência variável
 medição de tempo decorrido entre duas 
 frequências diferentes
 Exemplos:
 Radar de ondas não guiadas
 antena em forma de um cone e sem guia, 
 o medidor não fica em contato com o 
 fluido
 Radar de ondas guiadas
 possui uma guia que determina o foco da 
 energia emitida e refletida
 cerca de 20x mais eficiente que as ondas 
 não guiadas
 para líquidos e sólidos a granel
 Radioatividade (sistemas radiamáticos)
 princípio de medição:
 emissão de raios gama (ɣ) normalmente césio 137
 a radiação ɣ é atenuada ao passar por um 
 determinado meio, diminuindo a corrente 
 elétrica gerada no detector
 detector formador por uma câmara 
 contendo gás inerte pressurizado, 
 alimentado por uma tensão contínua 
 negativa e um coletor de elétrons
 a corrente elétrica no detector produzida 
 pela passagem do raio gama é 
 diretamente proporcional a intensidade 
 da radiação emitida
 inversamente proporcional ao nível do 
 produto no silo ou tanque
 Vantagens:
 robusto
 não afetado por propriedade física ou 
 química do meio
 pouca manutenção
 Desvantagens:
 fonte de radiação reserva está se 
 desintegrando de modo idêntico a fonte 
 em uso
 custo alto
 perigo de utilizar material radioativo
 Exemplo:
 utilizados em medição de nível onde 
 nenhuma outra tecnologia disponível 
 pode ser aplicada
 Laser
 Medição utilizando pulsos curtos de laser
 princípio de medição:
 mede o tempo de trânsito de pulsos de 
 luz infravermelha emitidos e refletidos 
 pela superfície que se deseja medir
 Vantagens:
 Pode ser operador em praticamente 
 qualquer tipo de superfície
 bastante preciso
 Limitações:
 necessidade de uma superfície 
 suficientemente refletora para a luz do 
 laser produzir eco
 poeiras ou vapores no espaço podem 
 dispersar a luz
 Exemplo:
 utilizado normalmente em áreas de 
 fabricação de produtos para alimentos e 
 bebidas, mineração, farmacêutica, entre 
 outros.
 Condutividade
 Medição por meio da condutância elétrica 
 do fluido
 fluido condutivo
 capaz de conduzir corrente elétrica para 
 potenciais de tensão baixo, entre um 
 eletrodo de referência e o de controle
 normalmente utiliza-se dois ou mais 
 eletrodos, permitindo a detecção do nível 
 em pontos diferentes do fluido
 Vibração (garfos vibratórios)
 forçado a vibra em sua frequência de 
 ressonância, estimulado por um cristal 
 piezoelétrico
 ao ser imerso em um fluido, a frequência 
 de vibração altera
 variação detectada por um transdutor 
 piezoelétrico e um circuito de malha 
 amarrada por fase
 Flutuador magnético
 Exemplo: Reservatório de água Fases
 reservatório vazio
 contato dos sensores de nível superior e 
 inferior fechados bobina energizada aciona bomba
 reservatório enchendo
 contato do sensor inferior se abre, mas o 
 do contato superior ainda permanece 
 fechado bobina continua energizada bomba continua energizada
 reservatório cheio
 contato dos sensores de nível superior e 
 inferior abertos interrompe a bomba
 Utiliza um corpo que flutua parcialmente 
 inserido num fluido em uma câmara, ou 
 tubo.
 Exemplo:
 indicação de nível associada a medição de 
 deslocamento de um dispositivo tipo 
 deslocador, interno a uma câmara de aço 
 inoxidável. Funcionamento:
 transmissor no topo recebe como sinal de 
 entrada a força exercida pelo dispositivo 
 deslocado pela coluna de fluido que 
 preenche a câmara de aço
 Desvantagens:
 manutenção constante, visto que o 
 dispositivo deslocador recebe acumulo de 
 resíduos ao longo do tempo.
 Vantagens: alta precisão (0,5% do FE)
 Funcionamento:
 nível do fluido aumenta -> aumenta a 
 resultante de forças em direção a 
 emersão do dispositivo deslocador, 
 conforme o peso do volume de fluido 
 deslocado.
 é necessário que o corpo do deslocador 
 possua peso maior que o peso da 
 quantidade de líquido que seu volume 
 pode deslocar (líquido mais denso)
 Baseia-se no princípio 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.” Fr = P - Fe
 P = m * g
 P: peso exercido pelo deslocador Unidade: N
 m: massa do deslocador Unidade: kg
 g: aceleração da gravidade Unidade: m/s²
 Fe = A * g * [ρd * hs + ρe * (ht - hs)]
 Fe: força do empuxo Unidade: N
 A: área da base do dispostivo Unidade: m²
 g: aceleração da gravidade Unidade: m/s²
 ρd: densidade do dispositivo deslocador Unidade: kg/m³
 ρe: densidade do meio externo Unidade: kg/m³
 hs: altura do líquido deslocado Unidade: m
 ht: altura total do deslocador Unidade: m
 Fr: força resultante Unidade: N
 Determinar o nível de um recipiente por 
 meio da medição da pressão exercida 
 pela altura da coluna líquida no fundo do 
 mesmo
 Teorema de Stevin: h = (P1 - P2) / (ρ * g) 
 h: nível do fluido no tanque Unidade: m
 P1: pressão da coluna de fluido Unidade: Pa
 P2: pressão externa ao fluido Unidade: Pa
 g: aceleração da gravidade Unidade: m/s²
 ρ: massa específica do fluido Unidade: kg/m³
 Exemplos: medidor de nível tipo Borbulhador
 aplica-se em reservatórios abertos e 
 fechados
 Funcionamento:
 Injeta-se uma pequenavazão de ar ou gás 
 inerte no tubo, atéeste começar
 borbulhar pelo extremo inferior.
 O borbulhamento indica que a pressão 
 dentro do tubo é igual à pressão do 
 líquido junto ao extremo inferior do 
 mesmo.
 Utilizados em:
 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
 Exemplos: aplicação na área de extração de petróleo
 Utiliza-se um transmissor de densidade 
 com a função de medição de nível de 
 interface com alta exatidão.