4 - Nível

Instrumentação - Nível 1

Instrumentação IndustrialAutor: Perez


AULA IV- Instrumentos de Nível


Instrumentação - NívelObjetivos

� Estudar Elementos e Transmissores de Nível Mais Utilizados

� Precisar Inventários (contidos em tanques e em vasos)

� Em grande parte das aplicações essa medição dispensa maior acurácia.

� Em apenas algumas aplicações, tais como níveis de reatores, água em caldeiras, tancagem em produtos comercializados (compra e venda) é que a precisão pode vir a ser importante.


Instrumentação - NívelIndicador de Nível tipo Régua

� Bóia que flutua na superfície do produto, transmitin do seu movimento, através de um cabo, a um cursor que indica o nível numa escala graduada.


Instrumentação - NívelChaves de Nível Tipo Bóia

� Bóia que flutua acompanhando o nível ou interface d e dois produtos em um tanque com diferentes densidades.

� Montagem Lateral ou de Topo.

� Indicação ON-OFF


Instrumentação - NívelChaves de Nível Tipo Bóia


Instrumentação - NívelVisor de Nível (LG)

� Principio dos vasos comunicantes.

� Indicação Local

� Tipos: TUBULAR e PLANO (por Reflexão e Transparente)

Tubular�Pouco utilizado

�Comprimento menor que 760mm

�Tubo de vidro com varetas metálicas para proteção mecânica

�Pouca resistência a choques

�Recomendado apenas em vasos não pressurizados, a temperatura ambiente e com produtos não inflamáveis nem corrosivos nem tóxicos.



Plano

�Por reflexão (reflex) para acentuar contraste líquido-vapor devido a diferença dos índices de refração entre líquido e vapor (gás):

� Líquido (reflexão parcial) –apresenta tonalidade escura.

� Vapor ou Fase Gasosa (reflexão total) – apresenta tonalidade clara.

� Os visores de nível devem ser do tipo reflexivo, quando utilizados em aplicações com fluidos transparentes, limpos e não viscosos.



Visor reflex



�Transparente – quando se deseja perceber a cor de cada produto na s interfaces líquido- líquido. Também pode ser usado nas interfac es líquido-vapor.

� Permite a instalação de iluminadores para interface líquido-líquido.

�Uso preferencial em relação ao tipo reflex.



�Os visores de nível tipo transparente devem ser uti lizados nas seguintes aplicações:

a) produtos escuros;

b) interface de líquidos de coloração distinta;

c) quando se faz necessário o uso de sistema de lav agem para o visor (“flushing”).



Montagem do visor em seções

� Recomenda-se que o comprimento de uma seção não seja maior que 750 mm. O visor não deve possuir mais que 4 seções (abaixo de 200oC) ou 3 seções (acima de 200oC).

� Para visores de maior comprimento, recomenda-se o uso de “ overlap ”com pelo menos 50mm da parte visível entre as duas seções.

� Válvulas de bloqueio com a mesma classe de pressão do equipamento.


Instrumentação - NívelVisor de Nível (LG) com produto de ponto de fluidez

acima da temperatura ambiente

� Purgar continuamente as tomadas do visor de nível para limpeza e de modo a evitar endurecimento do fluido. A tomada inferior deve ser purgada com óleo de lavagem. A tomada superior deve ser purgada com gás combustível; Em algu mas situações, pode ser óleo de lavagem também.

� Prever ponto para injeção com vapor de baixa ou média em ambas as tomadas para limpeza ocasional do visor de n ível;

� Prever visor com iluminação de modo a facilitar visuali zação quando sujo;


LG LG


Instrumentação - NívelIndicador de Nível Magnético (LG)

� Um ímã integrado a bóia permite a visualização do nível de um tanque ou vaso através da atração de elementos magnéticos.

� Temperatura até 500 oC

� Os primeiros indicadores apresentavam problemas de obstrução no movimento das bandeirolas. Isso foi resolvido com o uso de encapsulamento hermeticamente fechado.


Instrumentação - NívelMedidor tipo Borbulhador

�Aplicáveis na presença de líquidos corrosivos, viscoso s ou que se solidificam a temperatura ambiente (tanque aqu ecido). Ex: Tanque de Enxofre em URE (Unidade de Recuperação de Enxofre).

�O ar é injetado no tanque a uma pressão pouco superior ao head correspondente ao nível máximo (aproximadamente 20% acima da máxima pressão hidrostática do tanque). A p ressão de ar irá equilibrar a coluna líquida ( ρgh), acompanhando sempre suas variações. A diferença de pressão entre a controla dora de pressão e a coluna de fluido é absorvida pelo rotâmetro .


Instrumentação - NívelMedidor tipo Borbulhador


Instrumentação - Nível Medidor tipo resistência variável


Instrumentação - NívelMedidor por Empuxo

� Também conhecidos como Displacer (Deslocador).

� Nesse tipo de medidor, não há praticamente movimento físico do deslocador (que se encontra totalmente submerso).

� O peso aparente do deslocador varia com a interface.

� Mais utilizado em medição de interfaces líquido-líquido embora possa medir interface líquido-vapor



( )

( ) gLAgXAE

gXAgLAgXAE

AXLggXAgVgVgVE

221

221

212211

ρρρρρρ

ρρρρρ

+−=−+=

−+=+==

Constante

Função apenas de X, altura da interface

A

L

XPap=Preal - E

1ρ

2ρ



� Limitações:

�Fluidos Agressivos (contato direto com o fluido)

�Aplicações com possibilidades de emperramento do de slocador

�O peso do deslocador deve ser suficiente para subme rgir na mais alta densidade de operação.

�O comprimento do deslocador nunca pode ser menor qu e o nível a ser medido.

� Vantagens em relação a bóia:

� Maior faixa de medição

� Menor probabilidade de alarme falso devido a turbul ências pois o cabo está sob constante tensão mecânica

� Desvantagens:

�Variações de indicação com a densidade do produto



� Para ranges maiores que 1200 mm, o “ displacer” deve ser instalado internamente ao vaso, prevendo facilidade s de isolar oinstrumento para manutenção.

� Para ranges menores que 1200mm, o “ displacer” deve ser instalado em uma câmara externa ao vaso, com válvul as de bloqueio e conexões para dreno e vent.



� Calibração:

�Para fluidos com densidade menor que a da água: a altura total é multiplicada pela densidade de produto. O resultado é a altura de água para ajuste do span;

�Para fluidos com densidade um pouco maior que a da água: a altura total é dividida pela densidade do pro duto. O resultado é transformado em sinal de 0 a 100% do transmissor e aferido este ponto como span;

�Para fluidos com densidade bem maior que a da água: o deslocador é retirado e substituído por um peso padrão que é calculado em função do peso aparente do displacer;


Instrumentação - NívelMedidor de Nível por Pressão

�Principio de Funcionamento: Altura da Coluna de Líqui do Diretamente Proporcional a Pressão ρρρρghghghgh....

�A medição pode ser:

� Com apenas o peso do líquido (Tanque Aberto)

� Pelo Diferencial entre 2 tomadas (Tanque Fechado)


�Ajuste de Supressão do zero



�Nível no mínimo:

Pd = PH – PL = ((((ρρρρg(y+z)+ g(y+z)+ g(y+z)+ g(y+z)+ PatmPatmPatmPatm) ) ) ) –––– PatmPatmPatmPatm= = = = ρρρρg(y+z)g(y+z)g(y+z)g(y+z)�Nível no máximo

Pd = PH– PL = ((((ρρρρg(y+z+x)+ g(y+z+x)+ g(y+z+x)+ g(y+z+x)+ PatmPatmPatmPatm) ) ) ) –––– PatmPatmPatmPatm= = = = ρρρρg(y+z+x)g(y+z+x)g(y+z+x)g(y+z+x)� A calibração é feita em altura de água (polegadas de á gua)


ghP

ghP

aágua ρρ=

=

SpGrgh

gh

P

P

aaágua

===ρρ

ρρ

águaPSpGrP ×=

Densidade

onde P água seria, numericamente, a altura h



�Exemplo: Para SpGr=0.8, x=80”, y=5” e z=10”, calcular o range de calibração e o span do instrumento em termos de pressão.

�Resposta: 12” ~ 76” H 2O span de 64”H 2O



�Ajuste de Elevação do zero



� Hipótese: Fase Vapor não condensa na tomada de baixa ⇒⇒⇒⇒ Similar ao caso anterior

� Hipótese: Fase Vapor condensa na tomada de baixa

⇒⇒⇒⇒Nível no mínimo:

Pd = PH – PL = ((((ρρρρg(y+z)+ g(y+z)+ g(y+z)+ g(y+z)+ PoPoPoPo) ) ) ) –––– ((((ρρρρg(d+z)+g(d+z)+g(d+z)+g(d+z)+PoPoPoPo)= )= )= )= ρρρρg(yg(yg(yg(y----d)d)d)d)⇒⇒⇒⇒ Nível no máximo

Pd = PH – PL = ((((ρρρρg(y+z+x)+ g(y+z+x)+ g(y+z+x)+ g(y+z+x)+ PoPoPoPo) ) ) ) –––– ((((ρρρρg(d+z)+g(d+z)+g(d+z)+g(d+z)+PoPoPoPo)= )= )= )= ρρρρg(y+xg(y+xg(y+xg(y+x----d)d)d)d)

�Exemplo: Para SpGr=0.8, x=70”, y=20” e d=100”, calcular o range de calibração e o span do instrumento em termos de pressão.

�Resposta: range: -64” H 2O @-8” H2O span:56” H 2O


Correção do nível em unidades de comprimento (H em metro, por exemplo)

lido real

Densimetro real Densimetro

lido real


lido

Densimetro Densimetro

lido lidoDensimetro

Densimetro Densimetro

P gH

P gh

Dividindo

P gH

P gh

P H

P h

P PH h H k

P P

ρρ

ρρ

∆ =∆ =

∆ =∆

∆ =∆

∆ ∆= × → =∆ ∆



Correção de nível com a H em percentagem( )

( ) ( )

( ) ( ) 1

%

100

% %

100 100

100% %

lido real


real

Densimetroreal

Densimetro

Densimetrolido real

Densimetro

lido lidDensimetro

Densimetro

HP g L

P gh

Substituindo

P

gh

H HPP g L g L

gh

P PH h H k

P L

ρ

ρρ

ρ

ρ

∆ =∆ =

∆=

∆∆ = =

∆ ∆= × → =∆

o

DensimetroP∆



MediMediçção de Não de Níível por pressão com misturas lvel por pressão com misturas lííquidas que quidas que não possuem densidade bem caracterizadanão possuem densidade bem caracterizada

�Para serviços de indicação, controle e intertravamento por nível baixo, considerar a densidade do fluido mais pesado presente na mistura na calibração do instrumento. Neste caso, sempre que a mistura apresentar uma densidade menor, a leitura do instrumento indicará menos nível do que a leitura real.

�Para serviços de proteção contra nível alto no equipamento, adotar, para calibração, a densidade do fluido mais leve. Neste caso, sempre que a mistura apresentar uma densidade maior, a leitura do instrumento indicará mais nível do que a leitura real.



Instrumentação - NívelMedidor ultra-sônico

�Utiliza como principio de operação a reflexão do sinal .

D=ct/2, onde c é a velocidade de propagação

�Um sinal sônico gerado pelo sensor sofre reflexão em um obstáculo (por exemplo, a superfície de um produto no tanque) e retorna ao tanque após decorrido um tempo.

�O termo ultra-sônico é geralmente utilizado mas operam, normalmente, na faixa audível ou range sônico de 7,5k Hz a 600kHz. Valor típico: 40 kHz (comprimento de onda 12 0 km)



�Não entram em contato com o fluido sendo, portanto, indicados para medição com fluidos agressivos.

�Melhores condições de operação com um meio de propagaç ão limpo e sem obstruções. Se for necessário medir o nível abaixo dos obstáculos internos do vaso (agitadores, bóias), haverá erro na medição.



�A medição do nível por ultra-som depende da temperatu ra do meio gasoso que se propaga (já que a velocidade de pro pagação da onda sobre um meio depende de sua temperatura). Po rtanto, pode ser necessário o uso de compensação de temperatura na velocidade de propagação ao inferirmos o nível.

�Se a superfície líquida for turbulenta ou coberta com espuma, a reflexão do sinal pode acontecer antes de incidir sobre o nível propriamente, gerando um erro de medição.

�A presença de partículas sólidas na fase gasosa pode prejudicar a leitura devido a dispersão do sinal em sua trajetória.

�O medidor ultra-sônico necessita de ar ou de outro gás como meio de transmissão. Já o radar, que veremos a seguir, se propaga também no vácuo.

�Medição em trem de pulsos (“ burst ”) ou sinal contínuo.


Instrumentação - NívelRadar de Onda Guiada (GWR)

�Princípio de operação: utiliza o mesmo princípio do radar convencional (ultra-sônico) com reflectometria no domínio do temp o (TDR), diferenciando-se pelo uso de uma sonda guia de onda s;

�O uso da sonda (antena) possibilita uma menor potên cia de alimentação (0,015 mW por cm2), permitindo que alimentação e si nal de 4-20 mA sejam realizados no mesmo par de fios;

� Freqüência típica: 10 GHz (comprimento de onda de 3 0 mm)

�Fabricantes de referência: Magnetrol, Khrone, Rosem ount

�Componentes: unidade transmissora e receptora e son da guia de ondas;



� TDR – Time DomainReflectometry

o Utiliza pulsos eletromagnéticos para medir nível ou distâncias;

o Quando um pulso emitido alcança uma descontinuidade dielétrica (criada pela interface), parte do pulso é refletido;

o Mesmo princípio utilizado no ultra-sônico



�Pulsos gerados

�Pulsos Refletidos

�Tempo convertido em distância

�Quando o sinal é transmitido para baixo até a superfície do produto e érefletido de volta para a unidade transmissora com uma freqüência ligeiramente diferente da original, os sinais de transmissão e recepção se confundem, gerando um novo sinal de freqüência proporcional a diferença entre as freqüências. Essa diferença éproporcional à distância até a superfície.



�O uso do guia de ondas viabiliza sinais de menor int ensidade, diminuindo assim a potência requerida e possibilitan do a alimentação pelo par de 4 a 20 mA.

�Como o sinal é concentrado em torno de uma guia de on das, a medição é pouco afetada pela proximidade à parede e a obstáculos dentro do tanque, turbulência e espumas.

�Existem três tipos de guias de onda:

� Coaxial,

� Dupla (rígida ou flexível)

� Simples (rígida ou flexível)



�Guia de Onda Coaxial� É a guia de ondas de maior eficiência. Seu funcionam ento é semelhante ao de um cabo coaxial, confinando toda energia eletrom agnética entre a haste interior e o tubo exterior.

� Esta configuração torna o GWR imune a interferência s por obstáculos próximos a sonda, além de permitir aplicações em me ios com baixos valores de constante dielétrica.

� Esta configuração fechada da sonda também o torna m ais sensível a erros de medição pela formação de revestimento e acúmulo de material entre as partes interior e exterior da sonda.



�Guia de Onda Dupla� É uma guia de ondas que possui eficiência menor que a sonda coaxial, jáque não confina o sinal eletromagnético.

� Sua construção a torna menos sensível a formação de revestimento, sendo que a formação de pontes de material entre as hastes e a deposição sobre os espaçadores podem levar à medições incorret as.

� Como o campo eletromagnético se distribui em torno das hastes, este tipo de sonda é sensível à obstáculos localizados mui to próximos as suas hastes (100 mm).



�Guia de Onda com Haste Simples�O campo eletromagnético se distribui de forma difer ente das sondas anteriores. Nestas sondas, o pulso se propaga do to po (referência de terra) para baixo com formato tetraédrico.

� É a que apresenta menor eficiência devido ao espalha mento do pulso.

� Estas sondas são pouco afetadas pela formação de re vestimento ou acúmulo de material (importante em unidades como o coque), contudo são mais sensíveis a presença de obstáculos singulares localizados em sua proximidade (menos de 450 mm).



�Exemplos:

D=ct/2

L=E-D



�Exemplos:



�Características

Aumenta

PotênciaCoaxial Duplo Simples

Aumenta

sensibilidade

a obstrução Coaxial Duplo Simples

Aumenta

sensibilidade

a obstáculos

(anteparo)

Coaxial Duplo Simples



�Vantagens:

� Medição de níveis com líquido tóxico

� Alta precisão

� Tolera turbulência da superfície e espuma no líquido (melhor que o ultrasom)

�Não requer recalibração na mudança das condições de processo

� Desvantagens

� Caro

� Não pode ser aplicado em medições com sólidos por causa do sinal fraco de reflexão;



Range de aplicação: A aplicabilidade do GWR é extrema mente dependente da sonda escolhida. Alguns parâmetros gené ricos são apresentados a seguir:

�Temperatura: Até 400 oC;

�Pressão: Até 5000 psig;

�Viscosidade: Até 10000 cP;

�Constante dielétrica: 1 a 100;

� Range de Medição: até 60 m (sonda flexível) e 6 m (s onda rígida);

�Resolução: 3 mm;

�Acurácia: 3 mm ou 1 % do comprimento da sonda (o que for maior);



Range de Aplicação Pressão X Temperatura (Fonte Rosemo unt)


Instrumentação - NívelMedidor de Vibração

�Principio de Funcionamento: Quando a interface ou nív el do produto atinge o sensor, ocorre mudança de vibração do mesmo, atuando uma chave.


Instrumentação - NívelMedidor de Capacitância

� Principio de Funcionamento: A medida que a superfície do nível for subindo ou descendo, variamos o εr (permissividade dielétrica) do capacitor formado entre o vaso (primeira placa) e o sensor (segunda placa)

�Xc=1/(wC) – alteração da reatância capacitiva

�Dielétrico: Isolante entre as duas placas

�ε0:permissividade eletrostática do vácuo

�εr:constante dielétrica ou permissividade relativa do material do dielétrico

�εs:permissividade do material do dielétrico

00

, Sr r

AC

d

εε ε εε

= =



� Em caso de Vasos irregulares (horizontal com calota esférica, por exemplo), recomenda-se um cabo paralelo à sonda como elemento de referência (segunda placa).



�Com o nível do tanque aumentando, o valor da capacit ância aumenta progressivamente a medida que o dielétrico ar ésubstituído pelo dielétrico líquido a medir.

�Vantagens: Boa acurácia, facilidade de montagem

�Desvantagem: Sensível a variações da constante diel étrica


Instrumentação - NívelMedidor Radioativo

Principio de Funcionamento:

�O sistema de medição por raios gamas consiste em uma emissão de raios gamas (ondas eletromagnéticas com a lto poder de penetração) montado verticalmente na lateral do tanque. Do outro lado do tanque teremos um câmara de ionização que transforma a radiação Gama recebida em um sinal elétrico de corrente contínua.

�Como a transmissão dos raios é inversamente proporcional a altura do líquido do tanque, a radiação captada pelo receptor éinversamente proporcional ao nível do líquido do tanqu e, jáque o material bloquearia parte da energia emitida.

�Aplicação na Petrobras em tambores de coque (medição d e sólidos)

� Requer licença legal



Principio de Funcionamento: �Estes medidores de níveis, instrumentos radioativos, s e encontram no 4º e 6º piso, por exemplo, o que significa em termos de nível 50 a 70%. �Nesta área, existe um isolamento, na qual o pessoal que vai ter acesso, tem como obrigatoriedade o curso de radioproteção, e para transpor a área isolada, tem a necessidade de um medidor de radiação, (dosímetro), �Estas pessoas também são monitoradas pelo setor médic o quanto a dosagem da radiação. �Para a hora do descoqueamento, feito pelo topo, não existe nenhuma proteção nem procedimento especifico.


Instrumentação - NívelMedidor Magneto-restritivo

�O tubo guia contém um cabo condutor por onde é injetado um pulso de corrente em intervalos fixos.

�A interação do pulso de corrente com o campo magnético gerado pelo flutuador cria uma força induzida de origem eletromagnética (F = Bli), levando a uma torção no c abo.

� Esta torção gera uma tensão mecânica localizada que se propaga a uma velocidade pré-determinada a partir do p onto do flutuador em ambas as direções do condutor.

� Um elemento sensor piezo magnético, montado juntamen te com o transmissor converte esta tensão em um sinal de pulso elétrico, permitindo captar o momento que a torção ch ega ao sensor.

� Um microprocessador mede o intervalo de tempo entre o pulso de corrente transmitido e o pulso convertido a p artir da propagação do esforço mecânico de torção.



�Cada flutuador é fabricado para uma determinada densida de, e sua sensibilidade de detecção de diferença de densidade é, segundo o fabricante, de 0,03.

Potencial utilização:

�Dessalgadoras e serviços de interfaces em geral.

�Segundo o fabricante, a utilização de dois flutuadore s, calibrados com densidades distintas em um único tubo guia, ou em tubos guias independentes, permite observar uma região de emulsão.

�Exemplo: em uma dessalgadora, estabelecendo-se a den sidade da água em 1,10 e a do óleo em 0,94, pode-se calibrar o flutuador do óleo para operar a uma densidade de 0,97. A diferença entre as cotas dos dois flutuadores indicará uma região de maior emul são na dessalgadora. Imprecisões de densidade levarão o flu tuador a mergulhar mais ou menos na emulsão

�Fabricante de referência: K-TEK


Instrumentação - Nível

�A conexão inferior não deve ser locada no fundo do eq uipamento, especialmente quando se tratar de fluídos sujos.

�A princípio o “stand pipe” não deve ser utilizado .

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