Medição de Nível

Introdução

A medição de nível, embora muito simples em seus conceitos, requer na prática artifícios e técnicas avançadas, principalmente para fins operacionais e de custos (transferências fiscais, inventários). É uma medição amplamente utilizada nas mais diversas aplicações industriais.

Existe uma variedade de sistemas de medição de nível envolvendo líquidos, sólidos, vapor, gases; sendo que cada um possui suas vantagens e desvantagens.

Podemos ter interfaces entre líquidos e sólidos, entre líquido e gás ou vapor, mais de um líquido, ou mesmo entre um sólido e um gás. Podem variar em complexidade desde simples visores para leituras locais até indicação remota, registro ou controle automático. Com o avanço tecnológico e exigências dos processos com exatidão, variabilidade dos processos, otimização de matéria-prima, existem hoje no mercado equipamentos com alta exatidão e performance. Veremos alguns detalhes a seguir.

Definição

A maneira mais simples de definição de nível é dizer que nível é a altura do conteúdo de um reservatório ou tanque de armazenamento, através do qual torna-se possível basicamente avaliar o volume estocado de produto, determinando e controlando a quantidade de material em processo físico e/ou químico, levando ainda em conta a segurança, onde o nível do produto não pode ultrapassar determinados limites. Além disso, existe a condição de monitoração e controle visando o controle operacional e/ou de custo e a proteção ambiental.

Métodos de medição

Os três tipos básicos de medição de nível são:

a) direto
b) indireto
c) descontínuo

A medição direta pode ser feita medido-se diretamente a distância entre o nível do produto e um referencial previamente definido. Neste tipo de medição podemos utilizar a observação visual, como por exemplo, réguas, gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador, ou até mesmo através da reflexão de ondas ultra-sônicas pela superfície do produto.

Na medição indireta, o nível é medido indiretamente em função de grandezas físicas a ele relacionadas, como por exemplo, pressão (manômetros de tubo em U, níveis de borbulhador, níveis de diafragma, células de pressão diferencial,etc), empuxo (níveis de deslocador) e propriedades elétricas(níveis capacitivos, detector de nível condutivo, níveis radioativos, níveis ultra-sônicos, detector de nível de lâminas vibrantes,etc).

Na medição descontínua, tem-se apenas a indicação apenas quando o nível atinge certos pontos especificados, como por exemplo, condições de alarmes de nível alto ou baixo.

Na prática a preferência é pelas medições diretas, pois o peso específico do líquido varia com o tempo.

Vamos comentar a seguir um método indireto, através da medição de pressão e posteriormente uma aplicação de medição de nível de interface com transmissor de densidade.

Medição de nível com transmissor de pressão diferencial

Neste tipo de medição utiliza-se a pressão exercida pela altura da coluna líquida(hidrostática), para indiretamente obter-se o nível, como mostra abaixo o Teorema de Stevin. Este tipo de medição é utilizado quando a densidade do líquido é conhecida e não varia substancialmente no processo:

P = h * δ

Onde:
P = Pressão em mm H2O ou polegada H2O
h = nível em mm ou em polegadas
d = densidade relativa do líquido na temperatura ambiente.

Figura 1 - Pressão exercida pela altura da coluna líquida(hidrostática)

Essa técnica permite que a medição seja feita independente do formato do tanque, seja ele aberto ou pressurizado. Normalmente os transmissores de pressão utilizados são instalados no campo e as tomadas de pressão Hi e Low são conectadas diretamente ao tanque. Neste tipo de medição deve-se analisar cuidadosamente os cálculos, ajustes e calibrações, o efeito das colunas liquidas nas tomadas do transmissor. Outro detalhe é se o tanque é aberto ou fechado.

Considere a figura 2, onde temos o esquema de medição de nível para tanques fechados. Neste tipo de medição, a tubulação de impulso da parte de baixo do tanque é conectada à câmara de alta pressão (Hi) do transmissor. A pressão na câmara Hi é a soma da pressão exercida sob a superfície do líquido e a pressão exercida pela coluna de líquido no fundo do reservatório. A câmara de baixa pressão (Low) do transmissor de nível, é conectada na tubulação de impulso da parte de cima do tanque onde mede somente a pressão exercida sob a superfície do líquido.

Figura 2 – Medição indireta utilizando transmissor de pressão diferencial em tanques fechados

Figura 3 – Medição indireta utilizando transmissor de pressão diferencial em tanques abertos

No caso da figura 3, temos os tanques abertos. Na situação onde o transmissor está instalado no mesmo nível que sua tomada de alta, não há necessidade de compensação da coluna de líquido na tomada do transmissor, o que é requisitado onde se tem o transmissor a um nível inferior, que muitas vezes é n prática a maneira preferencial por facilitar acesso, visualização e manutenção. Neste caso, uma coluna líquida se forma com a altura do líquido dentro da tomada de impulso e o transmissor indicará um nível superior ao real. Isto deve ser considerado. É o que chamamos de Supressão de Zero.

Ainda de acordo com a figura 2, onde se pode ter o tanque fechado e o transmissor de pressão diferencial localizado abaixo de sua tomada Hi e não há selagem líquida na tomada de Low, é necessária a compensação da coluna de liquido aplicada na tomada Hi, fazendo-se a Supressão de Zero. No caso onde existe a selagem liquida na tomada de pressão baixa(low), é necessária a compensação da coluna de liquido aplicada na tomada Hi e na tomada Low. É o que chamamos de Elevação de Zero. Na prática a selagem pode ser necessária quando o fluído do processo possuir alta viscosidade, ou quando se condensa nas tubulações de impulso, ou ainda no caso do fluído ser corrosivo.

Para uma medição com alta precisão, onde a densidade de um líquido varia com a temperatura, a densidade deve ser compensada em relação à temperatura atual do líquido. Este é o caso de medições de nível em tanques hidrostáticos(HTG- Hydrostatic Tank Gauging), onde pode-se prover informações precisas do nível, massa, densidade e volume do conteúdo de um tanque.

Os transmissores de pressão diferencial são os mais utilizados em medições HTG.

Veja na figura 4 exemplo de transmissor de nível.

Figura 4 – Transmissor LD301L – Medição de Nível

Medição de nível de interface com a série DT SMAR

Uma aplicação interessante na área de extração de petróleo é a medição de nível de interface, onde basicamente na extração se tem um separador de óleo e água. O objetivo é que via diferença de densidade se consiga separar e conhecer o nível de interface da mistura, sem perdas e com segurança. Neste tipo de aplicação é utilizado o transmissor de densidade SMAR, com a função de medição de nível de interface com alta exatidão.

Figura 5 – Medição de nível de interface com o DT, Touché SMAR

Figura 6 – Instalação típica de medição de nível de interface com o DT, SMAR

Figura 7– Tanque separador Vertical

Figura 8– Tanque separador horizontal

A série DT(DT301-HART/4-20mA, DT302-Foundation Fieldbus, DT303-Profibus PA) é aplicável à medição de nível de interface de líquidos com densidades diferentes, além dos processos convencionais de medição de densidade e concentração.

Funcionamento básico do Transmissor de densidade Série DT-SMAR utilizado também em medições de nível de interface:

Figura 9– Princípio básico de pressão hidrostática

Para mais detalhes, consulte: https://www.smar.com.br/pt/categoria/linha-dt300-series. A série DT está disponível nas tecnologias HART/4-20mA, Foundation fieldbus e Profibus-PA.

Medição de Níveis com Radares de Onda Guiada

A tecnologia de medição de nível por pressão hidrostática ainda é a mais utilizada no mundo. Mas, como se sabe, ela depende da densidade. Se há mudança de temperatura ou composição do produto, o famoso trio p.g.h varia também, devido a ela.

Um transmissor de nível por onda guiada possui tecnologia baseada no princípio da Reflectometria no Domínio do Tempo (TDR), muito utilizado para medição de constantes dielétricas de líquidos, detecção de fissuras em grandes estruturas na construção civil, medição de concentração de soluções e umidade do solo na agricultura e, entre outras aplicações, para medição direta de níveis em processos industriais.

Através de um gerador de radiofreqüência localizado no interior do equipamento, pulsos eletromagnéticos são emitidos através de uma sonda em contato com o processo cujo nível deseja-se medir.

As ondas, ao entrarem em um meio com constante dielétrica diferente, retornam pela sonda graças à mudança da impedância desse meio. Este parâmetro é diretamente relacionado com a constante dielétrica do processo, sendo, portanto, fator decisivo na qualidade da reflexão da onda.

Com um software dedicado, um Transmissor de Nível por Onda Guiada calcula continuamente o tempo de reflexão das ondas, dadas as condições geométricas da aplicação (como formato do tanque e zonas de utilização da sonda).

Figura 10 – Tanque de evaporação na Usina Vale do Rosário, em São Paulo, com transmissor Radar RD400.

Estima-se um mercado de mais de 500 milhões de dólares para 2013. Os radares tiveram até ano passado uma taxa média de crescimento de mais de 10% ao ano, durante 5 anos. Se formos comparar com a tecnologia de medição de nível mais consagrada do mercado de automação, que é a por pressão hidrostática, os radares estão 2% acima em termos de taxa de crescimento.

Figura 11 – RD400 – Transmissor de nível por onda guiada

Hoje, podemos afirmar que os radares de onda guiada já entraram na fase de maturidade na curva de ciclo de vida do produto aqui no Brasil. Nessa fase, o mercado em sua grande maioria conhece bem a tecnologia, e os players competem mais com seus preços e algumas novidades tecnológicas.

Figura 12- Com um Radar de Ondas Guiadas, as ondas propagam-se ao redor da sonda imersa no processo, sem ser afetada por espumas ou vapores.

Figura 13- Exemplo de sinal na haste do Radar RD400

Princípio de funcionamento

O RD400 utiliza a tecnologia de Reflectometria pelo Domínio do Tempo (TDR), princípio largamente utilizado nas áreas de construção civil, telecomunicação, agricultura, entre outros, e recentemente na medição de níveis em processo industriais.

Tal princípio baseia-se na premissa de que ondas eletromagnéticas, guiadas em um determinado meio (no caso do RD400, suas sondas), sofrem reflexão ao encontrarem outro meio com diferente constante dielétrica, devido à mudança de impedância ocorrida.

O RD400 depende primordialmente da constante dielétrica do meio cujo nível se quer medir. Para meios com a presença de umidade, a reflexão das ondas melhora significativamente devido à grande constante dielétrica da água.

Elementos como poeira, obstáculos internos ao tanque (chaves de nível, filtros, etc.), bolhas na superfície, entre outros, são na maioria das vezes ignorados pelo equipamento, já que as ondas são guiadas por sondas, sem perda de potência.

Para cada tipo de processo, haverá a necessidade de um tipo diferente de sonda, que pode ser uma haste simples ou dupla, um cabo simples ou duplo ou ainda um terminal coaxial. O que vai determinar qual será essa sonda são parâmetros como a altura do tanque, a instalação ou não do RD400 em vaso comunicante ao reservatório, a constante dielétrica do processo, entre outros.

Características

• Tecnologia de medição de nível baseada no princípio TDR (Time Domain Reflectometry)
• Independe de variações de densidade e/ou temperatura
• Medições não afetadas por viscosidade, gravidade, gases no interior dos reservatórios e turbulência no processo
• Fácil instalação e manutenção
• Exatidão de ±7 mm
• Excelente repetibilidade
• Configuração remota via configurador HART^® ou por ajuste local
• Cálculo de volume por linearização de tanques irregulares 

Tipos de Sonda

* Sondas para medição acima de 14m (até 30m) estão disponíveis sob consulta

Figura 14-Tipos de Sondas

O RD400 - Transmissor de Nível por Onda Guiadautiliza sondas do tipo coaxial, flexível simples, flexível dupla, rígida simples e rígida dupla, permitindo maior flexibilidade ao usuário, dependendo das caracte­rísticas de aplicação.

• Haste Simples: para faixa de medição de até 8m,com processo de alta constante dielétrica (forte presença de água); instalações em vasos comunicantes; instalações alimentícias polida e com conexão tri-clamp;
• Haste Dupla: para faixa de medição de até 8m com processo cuja constante dielétrica é relativamente baixa, como produtos com pouca presença de água (exemplo: grãos constantemente úmidos).
• Cabo Simples: para faixa de medição maiores, em processo de alta constante dielétrica (forte presença de água) e situações de turbulência que exijam maior flexibilidade a esforços mecânicos da sonda.
• Cabo Duplo: para faixa de mediçoes maiores, em processo cuja constante dielétrica seja relativamente baixa.
• Coaxial: para faixa de medição de até 3m, em processos líquidos de constante dielétrica muito baixa, presença de vapor, além de superfícies com alta turbulência e presença de bolhas ou espuma.

Para mais detalhes consulte: https://www.smar.com.br/pt/noticia/rd400-fase-final-de-testes-946. O RD400 está disponível nas tecnologias HART/4-20mA e Profibus-PA.

Transmissor de Nível de Inserção

Este é um modelo exclusivo Smar, onde se permite a medição de nível de líquido em tanques abertos, tanques fechados não pressurizados, canais, poços etc. Este transmissor possui uma sonda rígida que fica imersa no fluido de processo e mede a coluna de líquido. De simples e rápida instalação e alta exatidão, este modelo representa uma vantagem competitiva em relação a muitos modelos no mercado pela sua relação custo/benefício.

Figura 15-Transmissor de Nível – Modelo de Inserção

Figura 16-Transmissor de Nível – Modelo de Inserção – Desenho dimensional

Figura 17-Transmissor de Nível – Modelo de Inserção – Exemplo de sucesso na Proluminas Lubrificantes

O Transmissor de nível por inserção está disponível nas tecnologias HART/4-20mA, Foundation fieldbus e Profibus-PA.

Conclusão

A medição de nível é uma medição amplamente utilizada nas aplicações industriais, com grande importância, muito simples em seus conceitos, mas que na prática requer artifícios e técnicas avançadas.

Existe uma variedade de sistemas de medição de nível envolvendo líquidos, sólidos, vapor, gases; sendo que cada um possui suas vantagens e desvantagens. Com o avanço tecnológico e exigências dos processos com exatidão, variabilidade dos processos, otimização de matéria-prima, existem hoje no mercado equipamentos com alta exatidão e performance.

Vimos três exemplos de medição indireta, uma com transmissor de pressão diferencial e manométrico (Série LD SMAR) e outra para medição de nível de interface com um transmissor de densidade (Série DT SMAR).

Complementamos mostrando o transmissor de nível por onda guiada e o modelo de inserçao, com suas vantagens em termos de aplicações.

Autor

• César Cassiolato

Referências

• https://www.smar.com.br/pt
• Application Notes – Série DT– Transmissores de Densidade SMAR
• Application Notes – Série RD400– Transmissores de Nível por onda guiada SMAR
• Material de treinamento em transmissores de pressão SMAR – César Cassiolato
• Material de treinamento em transmissores de densidade SMAR – Evaristo Orellana Alves
• Material de treinamento em transmissores de transmissores de nível por onda guiada SMAR – Marcus Vínicius
• Radar RD400: https://www.smar.com.br/pt/transmissor-de-nivel
• CASSIOLATO, César – Medição de nível & nível de interface, Revista Controle & Instrumentação, Edição nº 110, 2005
• SILVA, Marcus Vinicius M., SOMMAGIO, Davi, Medição de Níveis em Evaporadores com Radares de Onda Guiada, Revista Mecatrônica Atual, Edição 45, 2010
• CASSIOLATO, César – Medição de nível, Revista Mecatrônica Atual, Edição 51, 2011