18/05/2016

Variável nível

CARACTERÍSTICAS:

� É a altura do conteúdo de um reservatório, que poderá ser tanto de um líquido quanto de um sólido.� Os sistemas de medição de nível variam em complexidade desde simples visores para leituras locais até

indicação remota, registro ou controle automático.� O controle de processos requer medições tanto de nível de líquidos como de sólidos.� Existem dois tipos de medição:

MEDIÇÃO DIRETA

� É a medição que se faz tendo como referência a posição do plano superior da substância medida.

MEDIÇÃO INDIRETA

� É o tipo de medição onde o nível é obtido em função de outra variável.

O tipo de medição está associado ao tipo de informação que se deseja a partir do nível.

Variável nível

DETERMINAÇÃO DO VOLUME

Seja um reservatório com base possuindo área S, altura h e volume V de líquido.

ShV =

Nesse caso dá-se preferência a medidas diretas de nível.

DETERMINAÇÃO DA MASSA

Seja um reservatório contendo líquido com massa M, peso por unidade de área P, massa específica ρ e pesoespecífico γ.

ρShM =g

γρ = como masg

ShMγ

=⇒

γPh = como

g

PSM

γ

γ=⇒

g

SPM =⇒

O peso específico não intervém na medida. Nesse caso pode-se usar as medidas indiretas de nível.

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Variável nível

Medição direta: Medidor de nível tipo régua ou gabarito.

� Régua graduada com comprimento conveniente, para ser introduzida dentro do reservatórioonde se vai medir o nível.

� A medida do nível se dará através da leitura direta do comprimento marcado na régua, pelolíquido.

� Baixo custo.� Régua pode estar graduada em comprimento, volume ou massa.� A graduação vale para uma determinada temperatura de referência.

Régua Gabarito

Variável nível

Medição direta: Visores de nível.

� Utiliza-se o princípio dos vasos comunicantes.� Um tubo transparente é colocado a partir da base do reservatório até o seu ponto mais alto,

permitindo a leitura precisa do nível do líquido, mesmo para altas pressões.� Serve para monitoração do nível de líquido ou da interface entre dois líquidos que não se

misturam, em vasos, colunas, reatores, tanques, etc. submetidos ou não à pressão.� Baixo custo para baixas pressões e temperaturas.

Visores de vidro tubular:

� Entre duas válvulas de

bloqueio

� Baixas pressões (<2bar) e

temperaturas (<100oC).

� Pouco seguros.

� Não recomendado para

líquidos críticos.

Visores de vidro plano:

� Mais utilizados por serem

mais seguros.

� Montados de forma

modular (seções).

� Regiões de não

visibilidade entre seções

adjacentes.

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Variável nível

Medição direta: Boia ou flutuador.

Flutuador interno

� Através de um mecanismo de transmissão de movimento por alavanca, o movimentovertical da boia é convertido em movimento de rotação na indicação do nível.

� O centro da boia deve coincidir com a linha média do nível do líquido.

Flutuador

Variável nível

Medição direta: Boia ou flutuador.

Flutuador externo

� Colocado em uma câmara montada do lado de fora do tanque.� Através de um mecanismo de transmissão de movimento por alavanca, o movimento

vertical da boia é convertido em movimento de rotação na indicação do nível.� O flutuador interno é menos afetado por oscilações na superfície do líquido contido no

tanque, quando comparado ao flutuador externo.

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Variável nível

Medição direta: Boia ou flutuador.

Flutuador livre

� Indica a variação do nível do líquido através do movimento ascendente e descendentedo flutuador.

Variável nível

Medição indireta: Deslocador (displacer).

� Baseia no princípio de Arquimedes, ou seja, no surgimento do empuxo dirigido de baixo paracima em um corpo imerso em um fluido. O empuxo será tanto maior quanto maior for adensidade do fluído.

� O deslocador tem a forma de um cilindro oco e feito de material adequado a determinadatemperatura e poder corrosivo do fluído.

� No interior do cilindro, se necessário, são depositados contrapesos granulados, a fim deajustar o peso do deslocador.

específico peso

deslocado fluído de volume

empuxo

=

=

=

=

γ

γ

V

E

VE

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Variável nível

Medição indireta: Deslocador (displacer).

� Para uso o flutuador se movimenta no interior de uma câmara.� Pode indicar a interface entre dois fluídos não miscíveis.

Vapor

Condensado

Transmissor

pneumático

Interface entre dois

fluídos

Braço de torque

Haste do deslocador

γ1

γ2

2211

21

γγ VV

EEE

+=

+=

Variável nível

Medição indireta: Deslocador (displacer).

Transmissor

pneumático

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Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo pressão diferencial.

� Medem diferenciais de pressão que são provocados pela coluna líquida presente nosequipamentos cujo nível se deseja medir.

� Utiliza-se um transmissor de pressão diferencial cuja cápsula sensora é dividida em duascâmaras: a de alta (H) e a de baixa pressão (L).

� Este transmissor de nível mede a pressão diferencial, subtraindo-se a pressão da câmaraalta (H) da câmara baixa (L).

Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo pressão diferencial.

TANQUES ABERTOS

� O lado de alta pressão do transmissor de pressão diferencial é ligado pela tomada da parteinferior do tanque e o lado de baixa pressão é aberto para a atmosfera.

γ

γH

Posicionado na posição de

nível mais baixo do fluído

Pressão

atmosférica

Pressão atmosférica

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Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo pressão diferencial.

TANQUES ABERTOS

� Em certas situações o transmissor de pressão diferencial não pode ser colocado na posiçãoreferente ao nível mais baixo do fluído.

γ

Há um off-set

(deslocamento) na medição

que precisa ser

compensado.

Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo pressão diferencial.

TANQUES FECHADOS (PRESSURIZADOS)

� Os lados de alta e baixa pressão são conectados individualmente por tubos na parte baixa ealta do tanque, respectivamente.

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Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo pressão diferencial.

TANQUES FECHADOS COM VAPOR

� Faz-se necessário preencher a tomada de alta pressão com um líquido (normalmente água)para evitar que se forme uma coluna de condensado na mesma, o que provocaria mediçãofalsa. Neste caso, deve-se fazer a correção do efeito desta coluna.

H|L

/ /

Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo borbulhador.

� Um tubo é inserido no líquido em um tanque. Uma das extremidades é submersa no líquido,cujo nível se deseja medir, e através da ponta superior é fornecido ar ou gás inertepermanentemente.

� Será necessário uma pressão de ar igual à coluna líquida existente no vaso, para que o arvença este obstáculo e consiga escapar pela extremidade inferior do tubo, na forma debolhas.

� Na prática uma pequena quantidade adicional de pressão deve existir para que as bolhasescapem. A pressão é medida por um manômetro.

O fluxo de ar ou gás deve

ser mantido constante

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Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo capacitivo.

� Em um capacitor tem-se dois condutores (placas) separados por um material dielétrico(isolante). No dispositivo se armazenam cargas elétricas (q). A grandeza que o caracteriza éa capacitância (C). A quantidade de carga armazenada é diretamente proporcional à tensão(v) entre seus terminais.

constante. Assumindo

)()()(

)()(

C

dt

tdvC

dt

tdqti

tCvtq

==

=

� A capacitância depende da área de sobreposição e da distância entre as placas, bem comoda constante do dielétrico (K).

� Não há corrente no capacitor caso a tensão entre seus terminais seja constante no tempo.

Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo capacitivo.

� Para medição de nível são utilizados os conceitos de capacitores cilíndricos concêntricos ounão concêntricos.

Concêntrico Não concêntrico

dD

KCm

log

36,7=

Onde:

• K é a constante do

dielétrico.

• D é o diâmetro

maior e d o

diâmetro menor.

• Cm é a capacitância

por unidade de

comprimento

( )Dd

bD

KCm 22

10

4log

36,7

−=

Onde:

• b é a distância entre

os eixos centrais dos

dois cilindros.

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Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo capacitivo.

� Um capacitor pode ser formado, sendo uma das placas as paredes do tanque (caso sejametálica) e a outra uma sonda condutora inserida no fluído. Assume-se que o fluído é nãocondutor (dielétrico).

� O circuito que contém o capacitor (ponte de deflexão reativa) é excitado por uma tensão ACde alta frequência (500kHz a 1,5MHz).

Parede do tanque

(placa)

sonda

(placa)

Isolação da

sonda

Onde, para sonda não revestida:

• Kp é a constante do dielétrico fluído.

• K0 é a constante do dielétrico vapor.

• R é a resistência elétrica (parasita) entre a sonda e

tanque através do fluído. Quanto maior melhor.

• C3 é a capacitância para o dielétrico fluído.

• C2 é a capacitância para o dielétrico vapor.

• C1 é a capacitância parasita entre sonda e tanque

através do isolador da sonda.

• Ce capacitância equivalente, devida a três

capacitâncias em paralelo.

321 CCCCe ++=

Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo capacitivo.

� No caso de fluídos condutores a sonda deve ser revestida (isolada).

Revestimento

da sonda

sonda

(placa)

Onde, para sonda revestida:

• C4 é a capacitância entre sonda e vapor

(revestimento é o dielétrico).

• C5 é a capacitância entre a sonda e o fluído

(revestimento é o dielétrico).

• Nesse caso quanto menores forem C2, C3 e R,

melhor.

Circuito equivalente

53

53

42

421

CC

CC

CC

CCCCe

++

++=

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Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo capacitivo.

� O tipo de sonda e o tipo de revestimento de sonda vai depender do tipo de fluído e de vaporcontido dentro do tanque e das características do próprio tanque.

� A informação de nível aparecerá na amplitude de um certo sinal elétrico AC de saída.

� A medição de nível por capacitância também pode ser feita sem contato, através de sonda deproximidade.

� Esta sonda consiste em um disco que compõe uma das placas do capacitor. A outra placa éa própria superfície do líquido.

sonda

(placa)

superfiície

(placa)

Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo ultrassom.

� Na água, a 10ºC, a velocidade de propagação do som é de 1440 m/s, enquanto que no ar, a20ºC, é 343 m/s.

� A velocidade do som é a base para a medição através da técnica de ECO, usada nosdispositivos ultrassônicos (sendo função da temperatura e da pressão).

� Indicado para aplicações onde, por qualquer razão, nenhum contato físico pode ocorrer como material que se está medindo.

OPERAÇÃO

� Medição do tempo necessário para um trem de pulsos de ultrassom percorrer a distânciaentre o sensor e o material a ser detectado (ida e volta). O trem de pulsos retorna em funçãoda reflexão.

� O “tempo de vôo” do trem de pulsos de ultrassom pode ser determinado eletronicamente.

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Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo ultrassom.

Cone do ultrassom

Ângulo total de abertura de 5 a 6º(3dB).

Zona morta do ultrassom

Existe uma distância mínima entre otransdutor e a superfície refletora dosinal de ultrassom.

Faixa de indicação e frequência

Existem no mercado dispositivospara uma ampla faixa de distâncias aserem medidas. Também existemtransdutores que operam emfrequências de ultrassom bemdistintas (desde alguma dezenas dekHz a centenas de kHz). O ambientede operação também tem influênciana faixa de indicação.

Variável nível

Medição indireta: Medidor tipo radioativo.

Raios gama

Câmara de

ionização.

Gás inerte

(argônio)

Césio 137

Modulação de corrente em

função da intensidade do feixe)Transmissor

elétrico

Corrente

4 a 20mA

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Variável nível

Medição indireta: Medidor por pesagem.

(com dimensões e materiais conhecidos)

(dotadas com extensômetros (strain gauges) para medição de deformação)