O sensor de nível vem sendo utilizado cada vez mais em processos industriais. Isto porque a necessidade de sistemas de medição de nível precisos e confiáveis cresce cada vez mais demando por sistemas avançados de processamento automatizado, controle de processo mais rigoroso e requisitos regulamentares rigorosos.
Ao melhorar a precisão da medição de nível, a variabilidade nos processos químicos pode ser reduzida, o que, por sua vez, ajuda a melhorar a qualidade do produto e a reduzir custos e desperdícios.
As normas e regulamentos estabelecidos para registros eletrônicos são mais rigorosos em termos de relatórios eletrônicos, precisão e confiabilidade e esses requisitos são mais facilmente atendidos quando utilizamos diferentes tipos de sensor de nível.
1 – Tecnologia de Medição de Nível em Transição
O visor de vidro é a mais antiga e a mais simples tecnologia de medição de nível usada em ambientes industriais. No entanto, o visor está sujeito a muitas limitações, pois aqui a medição é feita manualmente.
Além disso o material usado para construir o visor pode falhar catastroficamente, resultando em perigo para as pessoas, riscos ambientais e/ou até incêndios/explosões. Caso existam vedações, elas também podem causar acúmulo ou vazamento, obstruindo a linha de visão.
Não há dúvida de que em qualquer instalação, o visor é facilmente o elo mais fraco e precisa ser substituído por métodos avançados como por exemplo o sensor de nível.
Alguns dos outros métodos de medição de nível são baseados em uma gravidade específica, que é uma propriedade física comumente usada para detectar a superfície plana.
Esses dispositivos consistem em um flutuador simples, cuja gravidade específica está entre a do fluido do processo e o vapor do espaço livre que flutua na superfície de acordo com a subida e descida. A medição do nível é então baseada em medições da cabeça hidrostática.
Em cenários que envolvem princípios físicos mais sofisticados, são usadas tecnologias mais avançadas que aplicam computadores para executar cálculos. Em tais tecnologias, os dados são transmitidos em um formato que pode ser lido pelo sensor de nível e transmitido para o sistema de controle.
Os vários formatos dos sinais de saída do sensor de nível são voltagens analógicas, loops de corrente e sinais digitais. Embora a configuração e o registro de tensões analógicas seja simples, elas são afetadas por sérios problemas de interferência e ruído.
Sendo assim, os loops de corrente de 4 a 20 mA são a forma mais antiga e mais simples de comunicação para o sensor de nível e também o mecanismo de saída mais comumente utilizado na indústria pois sinais via loops de corrente podem ser transportados por distâncias maiores com degradação mínima.
Formatos mais poderosos ainda de sinais digitais são baseado em protocolos como Hart, Honeywell DE, Foundation Fieldbus, Profibus e RS232. No entanto, protocolos mais antigos, como o RS232, são eficazes apenas para curtas distâncias.
A indústria voltada para automação industrial vem ainda lançando nos últimos tempos alguns tipos de sensor de nível caracterizados por recursos sem fio que permitem a transmissão de sinais por longas distâncias sem qualquer degradação.
Formatos de codificação digital mais avançados exigidos por tecnologias modernas como ultrassom, laser e radar podem exigir inteligência digital para a formatação dos códigos.
Tais requisitos avançados, juntamente com a necessidade de sofisticados esquemas de calibração digital e capacidades de comunicação, abriram caminho para uma nova tendência que incorpora computadores baseados em microprocessadores em quase todos os tipos modernos de sensor de nível (Figura 1).
Figura 1 – Tipos de sensor de nível
2 – Tecnologias de Detecção de Nível
Em todos os cenários com os quais este artigo lida, a densidade do vapor presente no espaço de topo é considerada como um valor insignificante comparado ao fluido do processo.
Outra suposição é que existe apenas um único fluido de processo uniforme no tanque. Algumas das tecnologias descritas abaixo podem ser usadas em aplicações multiníveis nas quais um único tanque é compartilhado por dois ou mais fluidos imiscíveis.
2.1 – Medidores de Nível de Vidro
Medidores de vidro, que vêm sendo usados há mais de 2 séculos estão disponíveis em vários modelos, tanto em formas blindadas quanto não blindadas. Eles são o mais simples dos métodos disponíveis para medição de nível de líquido.
A clara visibilidade proporcionada pelo seu design é a sua maior vantagem, enquanto a fragilidade do vidro que pode resultar em derrames ou comprometer a segurança do pessoal é a desvantagem.
2.2 – Sensor de Nível Flutuador
O princípio por trás do funcionamento dos flutuadores é a colocação de um objeto flutuante, com gravidade específica entre o fluido do processo e o vapor do espaço livre, no tanque e a fixação de um dispositivo mecânico para registrar sua posição.
O flutuador fica no topo do fluido do processo, mas afunda na parte inferior do espaço da cabeça. Mesmo que a superfície de um líquido possa ser localizada pelo flutuador, a leitura do flutuador ainda representa um problema.
Componentes mecânicos, como polias, fitas, cabos e engrenagens foram usados nos primeiros sistemas de flutuação para registrar o nível.
Atualmente, os flutuadores equipados com ímãs são mais populares. A medição de nível fornecida pelos sistemas de flutuação é enviada no formato analógico ou digital através de uma rede de múltiplos comutadores e resistores reed.
2.3 – Sensor de Nível Hidrostático
Bubblers, transmissores de pressão diferencial e deslocadores são diferentes tipos de sensor de nível hidrostático. O ponto fraco aqui é que mudanças na temperatura causam uma mudança no líquido e na gravidade específica deste.
Similarmente, mudanças na pressão também afetam a gravidade específica do vapor que está presente sobre o líquido. Como resultado dessas mudanças, a precisão da medição é reduzida.
Os Deslocadores são baseados no princípio de Arquimedes. A Figura 2 mostra o deslocador que é uma coluna de material sólido colocada no tanque.
Figura 2 – Sensor de nível do tipo Deslocador
A densidade do deslocador é sempre maior que a do fluido do processo, de modo que ele se estende do nível mais baixo do tanque até o nível mais alto que precisa ser medido.
A coluna de fluido dentro do deslocador se desloca à medida que há um aumento no fluido do processo sendo o volume deslocado é igual ao produto da área da seção transversal da coluna pelo nível do fluido do processo no corpo imerso.
Uma força de empuxo, cuja magnitude é igual ao produto do volume deslocado e da densidade do fluido do processo, exerce um impulso para cima sobre o deslocador, o que reduz a força necessária para suportá-lo contra a força gravitacional.
Essa mudança é monitorada por um sensor de nível (conjunto de transdutor e transmissor) que traduz a mudança de força para nível.
A figura 3 mostra um sensor de nível do tipo Bubbler ou Borbulador.
Figura 3 – Sensor de Nível Bubbler
O método Bubbler ou borbulhador é usado em tanques que funcionam sob pressão atmosférica. Um gás de purga é transportado em um tubo de imersão com sua extremidade aberta perto da abertura do vaso no tanque.
O gás de purga é geralmente ar, mas em alguns casos onde há perigo de uma reação oxidativa com o fluido do processo ou contaminação, o nitrogênio seco é usado.
Devido ao fluxo de gás através da saída do tubo de imersão, a pressão do tubo sobe até que ela seja maior do que a pressão hidrostática gerada pelo nível do líquido na saída.
O produto da densidade do fluido do processo e profundidade da extremidade do tubo de imersão até a superfície é igual à pressão, que é monitorada por um transdutor de pressão conectado ao tubo.
A figura 4 mostra um sensor de nível por pressão diferencial.
Figura 4 – Sensor de nível por pressão diferencial
Nesse tipo de sensor de nível, a diferença entre a pressão total na parte inferior do tanque e a pressão no topo é o indicativo do nível. Semelhante ao método do borbulhador, o produto da densidade do fluido e a altura do fluido no recipiente dá a diferença de pressão hidrostática.
A pressão atmosférica é considerada como referência e para manter a equivalência da pressão atmosférica, um respiro é instalado no topo.
Ao contrário do borbulhador, os sensor de nível diferencial (DP) pode ser usads em tanques simplesmente conectando a porta de referência a uma porta no recipiente, acima do nível máximo de enchimento.
A necessidade de purgas líquidas ou borbulhadores depende das condições físicas do processo e/ou da localização do transmissor em relação às conexões do processo.
2.4 – Células de Carga como Sensor de Nível
Um dispositivo mecânico com um ou mais sensores para detectar pequenas distorções quando uma força é aplicada sobre ele é chamado de célula de carga. A ligeira flexão do dispositivo devido a uma força na célula de carga produz uma alteração no sinal de saída (sinal analógico).
As células de carga são calibradas para fazer medições que vão de gramas a toneladas e devem ser instaladas na estrutura de suporte do tanque onde se deseja medir o nível.
A força na célula de carga aumenta à medida que o nível de fluido ou material do processo aumenta dentro do tanque. Assim, a saída conhecida da célula de carga pode ser convertida em nível, conhecendo-se a geometria do tanque e a gravidade específica do fluido ou densidade do material.
Figura 5- Sensor de nível por célula de carga
Embora as células de carga sejam amplamente utilizadas em muitas aplicações devido à sua operação sem contato, o custo e a necessidade de projetar a estrutura de suporte do tanque e a tubulação de conexão de acordo com os requisitos da célula de carga podem acabar sendo oneroso.
Lembre-se que além de medir o nível ou o peso do produto, será medido também o peso de todo o tanque e estrutura envolvida exigindo assim células de carga que suportem grandes pesos e alta precisão (que geralmente custam mais).
2.5 – Medidores de Nível Magnético
Os Medidores de nível magnético são os substitutos adequados para os medidores de vidro. Embora os magnéticos sejam semelhantes aos dispositivos de flutuação, a comunicação do nível da superfície do líquido ocorre magneticamente.
O flutuador, neste caso, é um conjunto de ímãs permanentes fortes, que se movem em uma coluna auxiliar que é conectada a uma embarcação por duas conexões de processo.
O flutuador é confinado lateralmente pela coluna, permanecendo próximo à parede lateral da câmara. A posição do flutuador move-se para cima e para baixo de acordo com o nível do fluido, que é indicado por um ônibus magnetizado ou um gráfico de barras que se move junto, mostrando a posição do flutuador e indicando o nível.
Para que esta tecnologia funcione, as paredes da câmara e a coluna auxiliar devem ser feitas de materiais não magnéticos. Os projetos de flutuação fornecidos pela maioria dos fabricantes são otimizados para uma grande seleção de materiais flutuantes e a gravidade específica do fluido que é medido, seja ele propano, óleo, ácido, água, butano ou interfaces entre dois fluidos.
A figura 5 mostra medidores de nível magnético.
Figura 6 – Sensor de nível magnético
O sensor de nível magnético é bastante preciso e capaz de suportar altas pressões, altas temperaturas e fluidos corrosivos. Geralmente, utilizando este conceito são projetadas câmaras mais dimensionadas e flutuadores de alta flutuabilidade.
Materiais plásticos como o Kynar ou ligas especiais como o Hastealloy C-276 podem ser usados para fazer as conexões de processo, flanges e câmaras. Condições extremas como revestimento de vapor para asfalto líquido, temperatura para nitrogênio líquido e refrigerantes ou câmaras superdimensionadas para aplicações intermitentes exigem configurações especiais de câmaras mas que ainda assim este tipo de sensor de nível atende perfeitamente.
Ao projetar aplicações de alta temperatura, alta pressão, fluido corrosivo e baixa gravidade específica, metais e ligas como Incoloy e Monel podem ser usados. Além disso, esses medidores podem ser equipados com radares de onda guiada e transmissores magnetostritivos para facilitar a conversão da indicação local para saídas de 4 a 20 mA e a correspondente comunicação digital que pode ser enviada para um sistema de controle ou controlador.
2.6 – Sensor de Nível por Capacitância
O sensor de nível por capacitância baseia-se na diferença das constantes dielétricas (ᶓ) dos fluidos do processo e do ar. A constante dielétrica dos óleos varia de 1,8 a 5, enquanto que para glicol puro é de 37. E para soluções aquosas, varia de 50 a 80.
O princípio operacional básico baseia-se na variação da capacitância, que é baseada na variação do nível do líquido. A mudança na capacitância é induzida por uma haste isolada acoplada ao transmissor e ao fluido do processo ou por uma haste não isolada acoplada ao transmissor e à sonda de referência ou ao tanque.
Há um aumento proporcional na capacitância à medida que o nível do fluido sobe e preenche o espaço entre as placas. Usando uma ponte de capacitância, a capacitância geral é medida, o que fornece uma medição de nível contínua.
Transmissores de capacitância são ilustrados na Figura 7.
Figura 7 – Sensor de nível por capacitancia
3 – Tecnologias Modernas de Sensor de Nível
As medições por tempo de voo são aplicadas como técnicas atuais de medição de nível de líquido. Nesses tipos de sensor de nível, a distância entre o nível do líquido e um ponto de referência em um sensor ou transmissor colocado próximo ao topo do tanque é medida.
Uma onda de pulso em um ponto de referência é gerada pelo sistema que é transmitido através do condutor ou do espaço de vapor. Esta onda é então refletida da superfície do líquido e retransmitida para um captador no ponto de referência.
O tempo total de viagem é medido pelo circuito eletrônico de temporização. A distância até a superfície do líquido é obtida pela divisão do tempo de percurso em duas vezes a velocidade da onda.
A principal diferença em todas essas tecnologias é o tipo de pulso usado para medição. Tecnologias como microondas, sensor ultrassônico e luz são extremamente eficazes para essas medições.
3.1 – Sensor de Nível Magnetostritivo
Os benefícios de usar um ímã para restringir o flutuador a fim de determinar o nível do líquido é uma excelente solução e muito eficaz. Além disso, a magnetostrição é uma tecnologia estabelecida que permite o registro preciso da localização do flutuador.
Os transmissores magnetostritivos podem ser usados para substituir os elos mecânicos a fim de determinar a velocidade de uma onda de torção usando um fio para localizar o flutuador e relatar sua posição.
O flutuador em um sensor de nível magnetostritivo (Figura 8) contém uma série de ímãs permanentes.
Figura 8 – Sensor de nível magnetostritivo
Neste sensor de nível, um fio de sensor é conectado a um sensor piezocerâmico e, na extremidade oposta de um tubo sensor, é fixado um dispositivo de tensão. Existem duas maneiras de posicionar o tubo sensor: um é através de um orifício no centro do flutuador e outro é colocado ao lado do flutuador, fora de uma câmara flutuante não magnética.
Um pulso de corrente curto é enviado pelo transmissor através do fio do sensor de nível para localizar o flutuador, que estabelece um campo magnético em todo o seu comprimento. Um circuito de temporização é ligado ao mesmo tempo.
Este campo magnético interage instantaneamente com o campo magnético criado pelos ímans flutuantes, resultando na criação de uma força de torção no fio quando a corrente flui através dele.
Esta torção é transmitida ao sensor piezocerâmico a uma determinada velocidade. Um sinal elétrico é produzido pelo sensor de nível quando detecta a onda tensional. Este sinal sugere o circuito de temporização da chegada da onda e, portanto, o circuito do temporizador é interrompido. O intervalo de tempo entre o início do pulso de corrente e a chegada da onda é medido pelo circuito de temporização.
O local da flutuação pode ser determinado com precisão com base nessas informações e o transmissor apresenta essas informações como um sinal de nível. A principal vantagem deste sensor de nível é que a velocidade do sinal é conhecida e é constante com variáveis de processo como pressão e temperatura.
Além disso, o sinal não é afetado pela divergência do feixe, nem por ecos falsos e espuma. Outra vantagem é a ausência de muitas partes móveis, sendo o flutuador o único componente móvel.
3.2 – Sensor de Nível Ultrassônico
A Figura 9 mostra como funciona o sensor de nível ultrassônico:
sensor de nível ultrassonico
O sensor de nível ultrassônico é capaz de medir a distância entre o transdutor e a superfície com base no tempo gasto pelo pulso de ultrassom para se deslocar da do transdutor até o fluido e retornar.
A frequência operacional sensor de nível é de dezenas de kilohertz e os tempos de viagem são de aproximadamente 6 ms/m. A composição da mistura de gases no meio de medição e a temperatura afetam a velocidade do som (340 m/s no ar a 15°C). Sendo assim, mesmo que o sensor compense a temperatura, ele é limitado a medições atmosféricas em nitrogênio ou ar.
3.3 – Sensor de Nível Laser
O sensor de nível laser foi projetado para medições de nível de substâncias abrasivas, líquidos opacos e sólidos a granel. O princípio operacional é similar ao sensor de nível ultrassônico, mas esses sensores medem a velocidade da luz para obter o nível, em vez de usar a velocidade do som (Figura 10).
Figura 10 – Sensor de nível a laser
Um pulso curto é transmitido pelo sensor a laser colocado no topo do recipiente até a superfície líquida do processo localizada abaixo; esse pulso é então refletido de volta para o detector.
O tempo de voo do sinal é medido por um circuito de temporização para calcular a distância. Uma vez que os lasers são virtualmente beamless e desprovidos de ecos falsos, eles podem ser direcionados através de espaços tão pequenos quanto 2 polegadas. Outra vantagem é que os lasers oferecem medições precisas, mesmo em vapor e espuma.
Aplicações que utilizam vasos com várias obstruções podem usar transmissores a laser para medições precisas a distâncias de 1500 pés. Os lasers devem ser combinados com visores especializados para isolar o transmissor do processo em aplicações de alta temperatura ou alta pressão, como vasos de reatores. As janelas de vidro devem permitir a passagem do laser com atenuação e difusão mínimas, além de conter as condições do processo.
3.4 – Sensor de Nível por Radar
Em sistemas de radar de ar, o feixe de microondas é direcionado para baixo a partir de uma antena com haste colocada no topo do tanque. A superfície do fluido reflete o sinal de volta para a antena, e a distância é calculada pelo circuito de temporização que mede o tempo de ida e volta (TOP).
Na tecnologia de radar, o fator crítico é a constante dielétrica do líquido, porque a quantidade de energia refletida nas freqüências de microondas varia com a constante dielétrica do fluido. Se o Er estiver baixo, o líquido permitirá que a maior parte da energia do radar passe. Para altos valores de Er, a reflexão sobre a mudança em Er é alta.
Outro tipo de transmissores são os transmissores de radar de onda guiada (GWR) (Figura 10), que fornecem medições altamente precisas e confiáveis.
Nesses transmissores, uma antena de cabo flexível ou uma sonda rígida canaliza o microondas da parte superior do recipiente até o nível do líquido e depois de volta ao transmissor. A mudança de um Er mais baixo para um mais alto faz com que a onda seja refletida.
A eficiência deste método é 20 vezes maior que a do radar aéreo, já que a transmissão guiada permite um caminho focalizado para a energia. Líquidos com valores Er de 1,4 e menor podem ser medidos por este método. Além disso, esses sistemas permitem a instalação vertical e horizontal, dobrando a guia até o ângulo de 90°.
Figura 11 – Sensor de nível por radar
A maioria das vantagens das técnicas acima mencionadas, incluindo ultra-som, laser e radar, e algumas limitações estão presentes nos transmissores GWR. A composição, pressão e temperatura do gás do espaço de vapor afeta a velocidade do radar.
Pode até trabalhar em um vácuo sem calibração. Mesmo camadas de espuma podem ser medidas usando GWR. Problemas como propagação de feixes ou ecos falsos das paredes e estruturas dos tanques podem ser evitados confinando-se a onda de forma que ela siga uma sonda ou um cabo.
4 – Conclusão
Os fatores que impulsionam o mercado baseiam-se nas tendências de várias tecnologias de medição. O uso de sofisticados eletrônicos digitais está aumentando a utilidade da medição de nível e outros sensores.
Sensor de nível mair moderno produz um resultado bem mais confiável, apresentando facilidade de instalação e menor custo alem de geralmente permitirem diferentes configurações. A medição de nível pode ser integrada aos sistemas de controle existentes graças à comunicação que todos eles apresentam podendo inslusive interligrar as medições em Cloud Computing a fim de disponibilizar as informações via WEB e Mobile.
Os modernos sistemas de medição de nível fazem uso de vários materiais e ligas para sobreviver em ambientes agressivos como ácidos, óleos ou alta pressão e temperatura. O uso de novos materiais permite que eles atendam a requisitos especializados, por exemplo, montagens feitas de material revestido com PTFE podem ser usadas em aplicações corrosivas; e o aço inoxidável 316 polido eletricamente segue os requisitos de limpeza.
Os transmissores de contato podem ser usados em uma variedade de aplicações usando sondas feitas desses materiais especiais.
