A medição de nível de forma indireta é uma das principais técnicas para medição de nível, devido a possibilidade de envio das informações da medição para longas distâncias através de um meio comunicação padronizado, já que a medição de nível direta é normalmente utilizada para indicação local e precisa de um operador constantemente em campo para monitorando.
Os medidores de nível indireto, além do elemento sensor,
possuem o transmissor, que é responsável pelo envio dos sinais padronizados via
comunicação, contendo as informações para o sistema de monitoramento e controle
com precisão, possibilitando a medição em tempo real, mesmo longe do processo,
auxiliando na tomada de decisão.
Em outro artigo eu relacionei alguns métodos de medição direta, o intuito desse artigo é explorar um pouco a medição de nível indireta
através da pressão.
Medição de nível por pressão
Nessa tecnologia de medição de nível indireta utilizamos do
teorema de Stevin (lei fundamental da hidrostática), que vem lá das aulas de
física ministradas no colegial.
Teorema de Stevin
O teorema diz o seguinte:
“A pressão que um fluído exerce
sobre um corpo depende exclusivamente da profundidade ao qual corpo encontra-se
submerso.”
A equação que rege o teorema de Stevin é essa:
P = pressão (N/m² ou Pa)
g = aceleração da gravidade (m/s²)
ρ = massa específica (densidade) (kg/m³)
Vamos deduzi-la passo a passo formulando
matematicamente, sabemos que a expressão da pressão é:
Sendo:
P = pressão (N/m²)
F = força (N)
A = área (m²)
E a equação da força é:
m = massa (kg)
Podemos reescrever esses termos como:
Sabemos que a densidade é uma relação
entre a massa e volume, ou seja, é a quantidade de massa que ocupa um
determinado volume conhecido
V = volume (m³)
Isso nos leva a:
O Volume é calculado a partir da área x
altura:
h = altura (m)
Eliminando o fator área que é comum no numerador e no
denominador chegamos à conclusão do Teorema de Stevin, que fica:
As unidades mais comuns utilizadas para esse tipo de medição
é mmH2O ou mmCA (Milímetros de coluna d’água) e o mH2O (Metros de coluna
d’água), devido o uso da altura do líquido como medição, como vimos no post medição de pressão.
Pontos importantes
Podemos observar alguns pontos importantes:
- A densidade que utilizamos para o cálculo é a densidade relativa, que é a razão da densidade do líquido medido em relação a densidade da água na temperatura ambiente (d = densidade relativa), lembrando que a mudança de temperatura altera a densidade do produto, dependendo do produto pode modificar significativamente;
- O resultado é um número adimensional
- A altura do líquido medido será a mesma para a altura de água, diferindo apenas pelo valor da pressão exercido no transmissor
- A pressão exercida no transmissor não depende do formato do tanque de armazenamento, mas somente da altura do líquido armazenado, temos como exemplos alguns tipos de tanques de armazenamento
Medição de nível por pressão diferencial em tanques
atmosféricos
Esse tipo de medição segue todo o roteiro apresentado até o
momento
Para esse tipo de medição utilizamos um transmissor de
pressão diferencial, com uma das tomadas abertas para atmosfera. A altura de
medição é calculada a partir do centro do diafragma da célula de pressão do
transmissor, o lado de alta (High - H) da célula fica instalado no processo e o
lado de baixa (Low - L) da célula do transmissor fica instalado na pressão
atmosférica.
A pressão diferencial entre as duas cápsulas que vai indicar
a altura correta do líquido.
O cálculo primordial fica da seguinte forma
No qual PH é a pressão na
cápsula de alta e PL é a pressão na cápsula de baixa.
Exemplo de aplicação
Vamos supor que precisamos medir o nível de um tanque de
ácido clorídrico (HCl) com concentração de 30% e estamos utilizando um
transmissor de pressão diferencial, com sinal analógico de 4 a 20 mA como meio
de transmissão.
As informações do tanque são as seguintes:
Volume = 50 m³
Altura do tanque para volume de 50 m³: 5,5 m
Tanque do tipo cilíndrico vertical
Para esse transmissor medir corretamente e enviar o sinal
ara o sistema de controle ou monitoramento, ele precisa ser configurado com o
valor mínimo e máximo de pressão que corresponderá ao valor de 0 a 100% do
nível, correlacionando o sinal 4 a 20 mA de transmissão.
Qual seria a configuração de pressão correta do transmissor
de nível considerando que o centro do transmissor está alinhado no mesmo plano
do fundo do tanque?
Para configurar corretamente o transmissor de pressão inicialmente
devemos identificar qual o valor da densidade relativa do HCl com concentração
de 30%.
Para descobrir a densidade relativa do HCl 30% podemos
utilizar diversos meios como consultar a FISPQ (Ficha de Informações de
Segurança de Produtos Químicos) do HCl 30% (essas informações normalmente estão
no item 9 – propriedades físicas e químicas), realizar testes de laboratório ou
até mesmo pegar uma tabela padronizada com os principais valores de densidade
de produtos conhecidos, no caso obtemos o valor relativo de 1,16.
Lembrando que a densidade pode ser utilizada como um
parâmetro de pureza ou concentração de um determinado material em um produto.
Como o tanque vazio não possui nenhum fluído gerando pressão
na cápsula do transmissor e o centro do transmissor e o fundo do tanque estão
no mesmo nível, a pressão mínima será considerada 0 mmH2O. A pressão máxima
deve ser calculada a partir da altura de 100% de nível do tanque convertido em
mmH2O, no caso 5,5m (5500 mm), procedemos da seguinte forma:
Como a densidade relativa é de 1,16,
substituímos na equação:
Portanto a configuração correta do range
do transmissor de nível será de:
0 a 6380 mmH2O (sinal 4 a 20 mA analógico)
Podemos perceber que quando mais denso
for o líquido, maior será a pressão necessária para ele atingir a mesma altura
que uma coluna de água e quanto menos denso, menor será a pressão.
Algumas vezes por questão de facilidade
de manutenção, posição de instalação ergonômica do tanque ou para um operador
visualizar corretamente aos valores de um processo, instalamos o transmissor de
nível um abaixo do nível de fundo do tanque, nesse caso precisamos suprimir a
pressão gerada na tomada do transmissor decorrente da altura, chamamos essa
técnica de supressão de zero.
Supressão de Zero
Nesse tipo de instalação o transmissor de
nível por pressão está abaixo do tanque que está sendo medido, na figura abaixo
temos um exemplo de tanque atmosférico em que o fluído do tanque está ligado
direto na tomada do transmissor, por meio de um tubing por exemplo.
Portanto, nesse caso, devemos considerar
a pressão exercida da altura da tomada de impulso do tanque (ponto de conexão
do transmissor) a altura da capsula de Alta do transmissor (H), essa diferença
de altura deve ser compensada na configuração do instrumento (conforme
calculamos a pressão exercida em função da densidade e da altura do fluído) e a
pressão exercida será a pressão para o nível de 0%.
Agora a pressão para o nível de 100% deve
ser a altura normal para o volume de 100% acrescido da pressão de supressão de
zero.
Vamos supor que nosso tanque de HCl (concentração
de 30%) está com um transmissor de pressão instalado abaixo do nível do tanque,
e precisamos realizar a supressão de zero no transmissor, supondo que ele
esteja 1 metro abaixo da tomada de impulso, qual a configuração correta da
pressão desse transmissor para os valores de 0 e 100% de nível?
Para definir a configuração do transmissor de pressão vamos trabalhar com a unidade mmH2O e a primeira coisa a se fazer é converter a unidade de metros para milímetros.
- Nível em 0%
Com os dados de altura
e densidade podemos calcular o valor de pressão correspondente ao nível de 0%
- Nível em 100%
Para o nível de 100%
devemos somar o valor de pressão de 0% ao cálculo da pressão correspondente a
altura de 100% de nível
A configuração correta do transmissor de
pressão seria de 1160 mmH2O à 7540 mmH2O, correspondendo 0 a 100% de nível.
Esse tipo de aplicação também serve para
transmissores em que as cápsulas não estão no mesmo nível, existe um pequeno
nível de inclinação.
Medição de nível por pressão diferencial
em tanques fechados e pressurizados
Neste tipo de medição a tomada de impulso
no fundo do tanque é conectada na câmara de alta pressão do transmissor, e a
pressão nessa câmara é a soma da pressão exercida pela altura do fluído e a
pressão de gás que está comprimindo esse fluído. Já a câmara de baixa pressão
está conectada na parte superior do tanque, onde tem apenas a pressão do gás
que está comprimindo o fluído.
Elevação de Zero
Quando o fluído de processo não pode
entrar em contato direto com as câmaras do transmissor de nível, utilizamos uma
selagem mecânica com diafragma que envia a informação da pressão das tomadas do
tanque através de um capilar até as cápsulas do transmissor. Isso é muito
utilizado em medição de fluídos corrosivos, altamente viscosos, se condensam
com facilidade ou com alta temperatura.
A elevação de zero consiste em anular a
pressão da coluna líquida na tubulação de impulso da câmara de baixa pressão do
transmissor de nível. O cálculo da pressão exercida depende novamente da
altura, no caso agora das tomadas seladas e da densidade do fluído de selagem,
no caso existem diversos tipos de fluído de selagem para as mais diversas
aplicações.
Para fins didáticos vamos supor a medição
de nível de um tanque pressurizado do mesmo HCl 30%, de densidade relativa de 1,16
e a altura máxima de medição do tanque é de 2 metros de altura, a densidade do
fluído de enchimento é 1 e as demais cotas estão na figura a seguir.
Qual seria a correta configuração do range de pressão do transmissor de nível?
- Nível 0%
Os termos PH, hH e
dH são relativos à pressão, altura e densidade da tomada de alta do
transmissor de pressão e PL, hL e dL, são
termos relativos a tomada de baixa
Temos, portanto, definido o valor de 0%
de nível com um valor pressão negativa (-2000 mmH2O).
Na verdade, a primeira impressão é que
estamos falando sobre vácuo, que é uma pressão negativa, mas no caso não
estamos falando de vácuo, mas sim que a pressão exercida na câmara de baixa
pressão do transmissor é maior que a pressão da câmara de alta e a elevação de
zero é realizada na configuração do transmissor de nível.
Agora vamos partir para o cálculo de
nível a 100% utilizando os dados dispostos
A configuração do range do transmissor de
pressão ficaria da seguinte forma
-2000 a 320 mmH2O (0 a 100% de nível)
Assim podemos concluir que dependendo do
tipo de instalação do transmissor de nível por pressão diferencial devemos
definir um cálculo para configuração correta do range do transmissor.
Prós e contras
Como prós podemos relacionar:
- Fácil configuração
- Cálculos simples de efetuar
- Funciona muito bem para produtos com densidade fixa
- Implementação mais barata que os demais transmissores de medição indireta
Como contra:
- Necessário tomada de impulso inferior nos tanques ou vasos
- Deve ser dimensionado com cautela, quanto ao fluído de enchimento do transmissor (principalmente em relação a temperatura), pressão máxima e temperatura máxima de processo
- Necessário atenção a instalação, principalmente em relação aos cálculos de supressão e elevação de zero
- Não é aconselhável utilizar em tanques que possuem interface (separação de dois produtos com densidades diferentes) ou que armazenam diferentes tipos de produtos (multipropósitos) principalmente se possuem densidades muito diferentes
Considerações finais
Para dimensionamento correto e configuração dos transmissores de nível por pressão diferencial devemos ter em mente os dados do processo que vamos medir como:
- Tipo do fluído: limpo, corrosivo, viscoso
- Densidade: densidade fixa, valor da densidade do fluído
- Pressão de trabalho: se pressurizado quanto a pressão máxima do sistema, em caso de entupimento das tomadas de impulso a célula aguenta a pressão em apenas uma das cápsulas ou situações temporárias de vácuo
- Temperatura máxima de processo: a temperatura máxima do fluído, se o fluído de enchimento da selagem suporta essa temperatura, exposição da eletrônica do transmissor
- Tipo de sinal de transmissão: analógico, digital, Wireless
- Classificação de construção do transmissor: instalação em área não classificada, instalação em área classificada (áreas classificadas são locais em instalações industriais onde existe uma probabilidade significativa de formação de atmosferas explosivas, devido à presença de substâncias inflamáveis como gases, vapores, poeiras ou fibras combustíveis), o grau de proteção dele está correto em relação a acesso mecânico, água e intempéries
Vou deixar aqui disponível um arquivo em Excel para o cálculo de configuração de range do transmissor de nível por pressão diferencial.
Espero ter contribuído um pouco em relação a esse assunto.
