Medio de nvel em tanques pela presso diferencial

Medio de nvel em tanques pela presso diferencial.

Hugo SilvaEngenharia de Produtos-Presso MecnicaWIKA do Brasil

Resumo:Nvel talvez no seja a varivel mais comum usada em aplicaes industriais, mas certamente a mais amplamente utilizada se considerarmos os recursos disponveis no mercado para realizar a medio desta grandeza. A importncia desta medio para a indstria vai alm da prpria operao do processo, tambm aplicada para fins econmicos atravs dos clculos de custo e inventrio.

Os sistemas de medio de nvel variam em complexidade desde simples rguas, controles visuais e bias at indicaes remotas, por registros e por meios de instrumentos automatizados. Entretanto, neste artigo, vamos nos limitar a medio de nvel pela aplicao da presso diferencial e presso hidrosttica em tanques.

Introduo:Na indstria de controle de processos, costuma-se definir a grandeza nvel, como sendo a determinao da posio de uma mistura entre dois meios, podendo eles ser um lquido, um slido, ou mesmo a combinao entre um lquido e um slido, um lquido e um gs ou vapor. Mas usualmente, o emprego da medio de nvel nas indstrias configurado para determinar a altura da coluna de um reservatrio, onde o meio, quase sempre, um lquido.

Em funo da evoluo tecnolgica, dos nveis de exigncias das diversas aplicaes industriais, dos requisitos e normas de segurana, como exemplo, a determinao de nvel em tanques da indstria nuclear que motivou acidentes graves. Nos ltimos anos foi desenvolvidos diversos tipos de instrumentos de medio de nvel com precises que chegam a 0,5mm.

Classificao e tipos de medio:Na maioria das literaturas tcnicas, a medio classificada como sendo direta ou indireta. Esta classificao dada pela forma como medem o nvel.

Usando amedio direta, comparamos diretamente a distncia entre o nvel do produto a ser medido e um referencial pr-definido. Neste tipo de medio podemos utilizar instrumentos de observao visual direta, como trenas, visores graduados, ou mesmo observando a posio de um flutuador (bia) como nas caixas dgua que temos em nossas residncias. J namedio indireta, a posio da superfcie do produto cujo nvel se quer medir, determinada a atravs da medida de outra grandeza fsica a ela relacionada. Nesta classificao podemos encontrar os instrumentos que medem o nvel pela presso da coluna hidrosttica de um lquido como os transmissores diferenciais com leitura remota, ou ainda, os instrumentos especficos para determinar o nvel atravs da variao do peso do equipamento que contm o produto a ser medido. Temos ainda as famosas chaves de nvel que podem ser classificadas como sendo instrumentos de medio direta e indireta devido as suas particularidades de operao.

Escolha da tecnologia:A escolha da tecnologia a ser empregada na medio de nvel, deve ser definida comeando pela exigncia metrolgica da medio do processo. Deve-se questionar qual o objetivo da medio: se uma medio operacional ou para uma transferncia de custdia. A medio operacional, normalmente requer incerteza maior que a medio para transferncia de custdia (medio usada na compra e venda de um determinado produto). Tomando com base a indstria de petrleo, um dos segmentos mais importantes nos dias atuais, onde as medies devem seguir os critrios estabelecidos pela ANP (Agncia Nacional do Petrleo), as precises requeridas so de 6 e 12mm respectivamente. No h regras que definem qual o tipo de medidor deve ser utilizado, porm qualquer escolha deve ser aprovada pela agncia. O medidor pode ser manual ou automtico, tudo vai depender da exatido e confiabilidade que se deseja alcanar. Nos tanques de Petrleo, o medidor mais usual ainda a trena, mas devido s incertezas deste tipo de medio que est sempre associada sensibilidade do operador, a migrao para medidores do tipo radar ou ultra-snicos vem sendo cada vez mais constantes.

Na medio para transferncia de custdia, comum as partes envolvidas definir uma faixa percentual de incerteza para mais ou para menos, e assim, as partes estando de acordo com o percentual pr-definido so fechados os contratos. Alm da exatido, outros parmetros devem ser estudados como:

Custos: Operacional, de compra, instalao, manuteno e calibrao. Normalmente o instrumento de maior capacidade tcnica tambm a opo mais cara para se comprar;

Calibrao: Deve-se verificar se a calibrao ser feita no local, sem a retirada do sensor e a periodicidade de calibrao;

Instalao: Onde se observa se o instrumento ser inserido ao processo ou instalado externamente. A segunda opo geralmente mais segura e simples;

Manuteno: Depende da instalao e os sistemas onde existem peas mveis normalmente requerem mais calibraes e controle dessas partes.

Presso da coluna de lquido:

Simon Stevin (1548-1620)Conceitualmente, oTeorema de Stevin, desenvolvido pelo engenheiro, fsico e matemtico que nasceu na Blgica, descreve que a presso desenvolvida por um fluido depende exclusivamente da sua altura, dando assim, uma explicao para o chamado paradoxo hidrosttico (ou presso hidrosttica, definida pelo produto do peso especfico pela gravidade e altura da coluna desse lquido, portantoP=.g.h).

Figura 1Num fluido qualquer, a presso no a mesma em todos os pontos. Porm, se um fluido homogneo estiver em repouso, ento todos os pontos numa superfcie plana horizontal estaro mesma presso.

Considerando que os pontos1e2esto no interior de um fluido de densidade definida. A diferena de nvel entre esses pontos h. Como o liquido est em equilbrio a fora resultante que atua no sistema deve ser nula, desta forma tem-se quep1.A + g.h.A - p2.A = 0, portanto, a diferena de presso entre dois pontos da massa de um lquido em equilbrio igual diferena de profundidade multiplicada pelo peso especfico do lquido, p2 p1 = g.h.

Figura 2Podemos demonstrar de uma forma muito simples, a variao de presso com a altura. Como exemplo, podemos realizar uma experincia com uma garrafa pet de refrigerante cheia de um lquido qualquer. Basta, para isso, perfurar o recipiente em dois pontos diferentes. Veremos que o jato da gua sair cada vez mais forte medida que aumentarmos a altura da coluna de lquido (ou seja, nos pontos mais baixos).

Figura 3: ExperinciaMedio de Nvel em tanques abertos e pressurizados:Pelo uso da presso diferencial, a aplicao do Teorema de Stevin, permite medir o nvel em tanques sejam eles abertos ou pressurizados, utilizando um manmetro diferencial ou transmissor de presso diferencial.

Figura 4:Manmetro e transmissor de presso diferencialPrincpio de funcionamento:

Na medio de nvel utilizando dispositivos do tipo presso diferencial, mede-se a presso da coluna lquida, desenvolvida pelo lquido confinado dentro do tanque cujo nvel se deseja medir. A medio da coluna lquida (hidrosttica) feita utilizando-se um transmissor de presso diferencial, conectando-se as tomadas do instrumento remotamente ao tanque. Como o valor da presso exercida pela coluna dado por:

Presso = Densidade do lquido x Altura da coluna lquida,

e considerando que, usualmente, a densidade do lquido conhecida, e no varia de forma substancial, o nvel (altura da coluna lquida) pode ser determinado de formaindireta, utilizando a presso diferencial. Assim, podemos refazer a equao, obtendo-se:

Nvel (altura da coluna lquida) = Presso / Densidade do lquido.Instalao:

No caso de tanques abertos para atmosfera, o manmetro ou transmissor instalado no mesmo nvel que a sua tomada de alta presso (lado H). No h necessidade de compensao de colunas de lquido nas tomadas do instrumento. Neste caso, a leitura do transmissor ser feito da seguinte maneira:

Alcance do transmissor = altura (h) x densidade relativa ()do lquido de processo(ver figura 1)

Figura 5: Medio de nvel em recipientes abertos.Para tanques pressurizados, na maioria das aplicaes o transmissor instalado no campo (ao lado do tanque) em um suporte tubular. A tomada de impulso na parte baixa do tanque conectada cmara de alta presso (lado H) do transmissor diferencial. A presso atuante na cmara de alta a soma da presso exercida sob a superfcie do lquido e a presso exercida pela coluna de lquido no fundo do tanque. A cmara de baixa presso (lado L) do transmissor diferencial conectada na tomada de impulso na parte de cima do tanque, onde se mede somente a presso exercida sob a superfcie do lquido.

Este tipo de instalao permitido, pelo uso de acessrio chamadoselo diafragma, com capilares acoplados nas tomadas de alta e baixa do transmissor diferencial que faro a ligao remota nas tomadas de impulso do tanque. Estes selos possuem umlquido de enchimentointerno que permitem a transferncia de presso exercida em seus diafragmas (membranas) at a cpsula (elemento sensor) do transmissor diferencial. Estudaremos mais sobre os selos diafragma, sua funo e caractersticas na seqncia deste artigo.

INCLUDEPICTURE "http://www.profibus.org.br/images/clip_image018_0000.gif" \* MERGEFORMATINET Figura 6: Medio de nvel em tanques fechados.Supresso de Zero:

Em caso de instrumentos onde o transmissor de presso est instalado abaixo de sua tomada de alta presso (lado H), ser necessrio se compensar as colunas de lquido aplicadas na tomada de alta do instrumento. Se esse clculo no for considerado o transmissor indicar um nvel superior ao real.

Supresso de Zero = altura (y) x densidade relativa ()do lquido de processo + altura (z) x densidade relativa do lquido de selagem do selo diafragma ().

Elevao de Zero:

Neste caso, o transmissor de presso tambm estar instalado abaixo de sua tomada de alta presso (lado H), mas existe a selagem lquida na tomada de baixa presso (lado L) do transmissor, ento ser necessrio se compensar a coluna de lquido aplicada na tomada de alta presso do instrumento e a coluna de lquido aplicada na tomada de baixa presso do instrumento.

Elevao de zero:altura mxima entre as tomadas do transmissor (d) x densidade relativa ()do lquido de selagem do selo diafragma + altura (z) x densidade relativa do lquido de processo ().

Figura 7: Medio de Nvel com Elevao de zero.Uso dos selos diafragmas:Selos diafragmas so acessrios essenciais numa medio de nvel remota atravs de transmissores de presso diferencial. Podemos definir estes acessrios como sendo uma bolacha de ao inoxidvel, onde soldamos um diafragma (membrana), capilares (tubos com pequenos dimetros internos) e neste sistema adicionamos o fluido de selagem que ser responsvel por transferir a presso gerada pelas colunas de liquido nos diafragmas dos selos at o elemento sensor dos transmissores de presso diferenciais.

O uso dos selos diafragma, embora tenha conceituao simples, requer por vezes artifcios e tcnicas apuradas. Na WIKA consideramos a fabricao e acoplamentos de selos diafragma como uma soluo individual para cada processo de um determinado cliente.

Figura 8: Selo Diafragma estudado em partes.O sistema de selagem a ser escolhido sempre deve responder os requerimentos essenciais:

O selo de proteo tem suficiente volume de trabalho para a aplicao?Qual o erro de temperatura e a variao de presso que ocorrero?O tempo de resposta aceitvel para o processo?

Respondidas estas perguntas, podemos concluir que o sistema (transmissor de presso diferencial + selo diafragma + sistema de selagem) atende aos requisitos mnimos na aplicao para medio de nvel. Entretanto ainda teremos que identificar alguns fatores para a determinao do modelo do selo diafragma e suas caractersticas em compatibilidade com o processo de medio.

Dimensionamento correto do sistema:

Como j vimos, neste quesito devemos identificar se o volume de trabalho do selo de proteo. Mas este, por si s no suficiente, se faz necessrio realizar o balanceamento dos volumes:

Volume de trabalho do selo > Volume de controle do instrumento + Variao de volume pela temperatura + Variao de volume pela compresso.Esse clculo normalmente feito pelo fabricante com o auxlio do cliente que deve lhe informar o instrumento escolhido, a presso de calibrao adequada para o nvel a ser medido no processo, as temperaturas ambiente e do meio, e claro o comprimento dos capilares.Para tanques pressurizados, sabemos que uma das dificuldades na medio do nvel est relacionada com a temperatura, quando se deseja obter a massa ou o volume do contedo. A temperatura influencia nas dimenses do tanque e no volume do fluido contido no tanque. Por isso nesta medio exigida a medio em paralelo da temperatura do tanque nos nveis alto, mdio e baixo, para as devidas compensaes e correes. A grandeza temperatura tambm pode afetar a densidade, e a composio do fluido. Estes conceitos valem para o fluido de processo a ser medido como tambm para o liquido de enchimento a ser escolhido para selagem.

Aplicao:

Devemos especificar qual o tipo de conexo ser usada para a instalao ao tanque. Essa escolha depende diretamente do tipo de indstria: se alimentcia, qumica, farmacutica, ou outras. Assim o cliente com ajuda do fabricante pode definir se ser usada uma conexo, rosqueada, flangeada, uma conexo especial para aplicaes alimentcias, farmacuticas ou para indstria de bebidas.

Na aplicao em indstria de alimentos e bebidas, muitas so as conexes sanitrias definidas por normas para garantia da medio sem contaminao, eliminao de partes mortas e limpeza que esta aplicao exige. Podemos citar entre as normas: DIN 11851, Clamp-Norm, SMS-Norm, APV-RJT-Norm. Estas atendem as diretrizes do instituto 3-A Sanitary Standards Inc. (instituio americana que prescreve os padres sanitrios). J as conexes Vari-Vent e Neumo-BioConnect, atendem aos padres da norma europia EHEDG (Grupo de Configurao de Equipamentos Higinicos da Europa).

Figura 9Materiais adequados:

A escolha dos materiais tambm fundamental para garantia de vida til dos selos diafragmas. Uma vez que os selos estaro diretamente em contato com o processo a ser medido, as partes molhadas destes devem ser especificadas de modo a garantir a compatibilidade qumica entre o material do diafragma e o fluido de processo. Para aplicaes com cidos, ou processos altamente corrosivos existem hoje no mercado uma variedade enorme de metais nobres ou derivados de plsticos para cobrir os mais agressivos meios. Existem tambm materiais especiais para aplicaes em plataformas e em atmosferas salinas como o mais recente Duplex e Superduplex.

Figura 10: Exemplos de materiais para partes molhadas dos selos diafragma.Lquidos de enchimentos adequados:

Sempre considerando a medio de nvel em tanques, mais um cuidado que devemos tomar est na escolha do fluido de enchimento a ser utilizado internamente em todo o sistema de selagem que vai desde o elemento sensor do transmissor diferencial, passado pelos capilares e por fim chegando at membrana do selo. Um exemplo de aplicao seria, por exemplo, quando se deseja encher um tanque rapidamente, neste caso, o operador do equipamento submete os tanques a presses negativas ou ento ao vcuo. Os transmissores normalmente so apropriados para isso. Entretanto, deve ser empregado um fluido de selagem tambm apropriado para medies com vcuo. Devem ser escolhidos tambm, fluidos especficos e aprovados para aplicaes sanitrias. O organismo americano FDA Food and Drug Administration, considerado como referncia entre as grandes empresas deste segmento.

Figura 11: Alguns exemplos de fluidos de enchimento.

Testes de vazamento do sistema:Os testes de vazamento so imprescindveis para garantir um sistema totalmente estanque. Especialista em aplicaes com selos diafragmas a WIKA garante esta estanqueidade, realizando testes com equipamentos especficos cujo princpio a deteco de vazamento por partculas de hlio que identificam micro vazamentos gerando vcuo interno no sistema com at 10-9 milibar abs.

Qualidade no processo de enchimento:Por fim, o processo de enchimento completa os requerimentos necessrios para a garantia de timo desempenho e vida til de um sistema de selagem, para isso, so necessrios vrios cuidados dentro do processo produtivo, que vo desde a fabricao das membranas, os processos de solda, passando pelo o sistema de evacuao por meio de bombas de vcuo, garantindo total iseno de bolhas de ar e por fim chegando at os tratamentos especiais dos fluidos de enchimento.

Na WIKA, os profissionais esto aptos a realizar consultorias para todas as aplicaes utilizando as tcnicas de selagem, ou desenvolvendo junto aos clientes selos para processos especficos e auxiliando nas respostas para todas essas variveis.

Figura 12: Transmissor de presso diferencial com selos diafragmas acoplados.

Concluso:Neste artigo, observamos um pouco do conceito da medio de nvel, suas aplicaes, variedades e tipo de medies dentro da indstria de controle de processos. Como nfase, mostramos as caractersticas e cuidados que devem ser tomados na medio de nvel inferencial, usando como referncia a presso diferencial com aplicao de transmissores de presso diferencial associados a selos diafragmas para determinao do nvel em tanques abertos e pressurizados.

Referncias bibliogrficas e leitura adicional: Zipp, Joachim; Medio da presso em tanques estreis (Artigo Tcnico WIKA);

Informao Tcnica IN 00.06; Selos de Proteo para Instrumentos; Uso, funcionamentos e tipos; WIKA 2006;

Intech, n94;Marco Antnio Ribeiro; Medio de Nvel;

Bega Egdio; Delme Gerard; Cohn Pedro; Bulgarelli Roberval; Koch Ricardo; Finkel Vitor; Instrumentao Industrial; Ed. Intercincia; IBP 2003;

Arquivo tcnico pessoal WIKA;

Controle & Instrumentao Edio 118-2006; Como escolher um medidor de nvel;

Documentos e apostilas FATEC-Sorocaba; Medio de Nvel e Colunas de Lquido;

Apresentaes Selos de Proteo- WIKA;2006-2007;

Manuais de Operao e Instalao para Selos diafragma WIKA;

Catlogos e Folhas de especificao WIKA;

Site:http://pt.wikipdia.org