Sensor de Nível

Introdução:

Medir a variável nível em processos industriais é quantificar referenciais por meio de monitoramento e controles de volumes de estocagem em tanques ou recipientes de armazenamento.

 A medição de nível, embora tenha conceituação simples, requer por vezes artifícios e técnicas apuradas. O nível é uma variável importante na indústria não somente para a operação do próprio processo, mas também para fins de cálculo de custo e de inventário.  Os sistemas de medição de nível variam em complexidade desde simples visores para leituras locais até indicação remota, registro ou controle automático. Na indústria se requer medições tanto de nível de líquidos como de sólidos. Para facilitar a compreensão costuma-se definir nível, como sendo a altura do conteúdo de um reservatório, que poderá ser um líquido ou um sólido. Através da medição do nível nas indústrias torna-se possível: 

Avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento.

Balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, reações, mistura, etc.

Segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode ultrapassar determinados limites.

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Medição de Nível de Sólidos

É necessário medir o nível dos sólidos, geralmente em forma de pó ou grãos, em silos, alto-fornos etc., pelos mesmos motivos da medição de nível dos líquidos.

Esta medição é comumente feita por dispositivos eletromecânicos, onde é colocada uma sonda sobre a carga ou conteúdo. O cabo da sonda movimenta um transdutor eletromecânico, que envia um sinal para um indicador, cuja escala é graduada para nível. Essa técnica apesar de simples tem como desvantagem a grande incidência de manutenção tornando-a inviável em muitos casos.

Outros medidores como os radioativos, capacitivos, ultrassônicos, radares e sistemas de pesagem com células de carga podem ser utilizados com bastante eficiência e precisão apesar de possuírem em alguns casos o custo elevado.

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Métodos de Medição de Nível de Líquido

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A medida do nível de um reservatório contendo líquido ou sólido, é efetuada a fim de manter esta variável em um valor fixo ou entre dois valores determinados, ou ainda para determinar a quantidade (volume ou massa) do fluido em questão. Existem três métodos de medição que são usados nos processos em geral. 

Os três tipos básicos de medição de nível são:

a) direto

b) indireto

d) descontínuo

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É a medição que tomamos como referência a posição do plano superior da substância medida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador.

A tabela abaixo agrupa alguns dos tipos de sistemas de medição de nível bastante conhecidos e aplicados nas indústrias.

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Medição por régua ou gabarito

Consiste em uma régua graduada a qual tem um comprimento conveniente para ser introduzida dentro do reservatório a ser medido.

É a medição que tomamos como referência à posição do plano superior da substância medida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas

(figura 1) ou gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador.

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Figura 1 – Medição direta de nível através de régua 

A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento molhado na régua pelo líquido.

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Medição por visores de nível

Consistem em uma janela de vidro de alta resistência a impacto, elevadas temperaturas e pressão (560 graus C e 220atm quando revestidas de protetores de mica e tubo metálico), bem como ação de ácidos. É transparente e pode ser montada diretamente na parede do reservatório ou em tubo externo podendo ou não ter uma escala de medição. No tipo de montagem externa ao tanque, são dotados de válvula de bloqueio, suspiro e dreno para permitir manutenção ou substituição.

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Figura 2 - Visor de nível de simples indicação (máximo e mínimo) usado em máquinas hidráulicas.

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Figura 3 - Visor de nível com escala graduada.Usado em caldeiras, reservatórios químicos.

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Medição de nível por bóias ou flutuadores

O sistema de controle de nível por bóia baseia-se na mudança de altura de um flutuador colocado na superfície do liquido.Seu movimento pode transmitir uma informação contínua que possibilita o conhecimento da altura efetiva em unidades de comprimento ocupado pelo fluido dentro do recipiente ou uma informação discreta controlando limites máximos e mínimos por meios mecânicos ou elétricos, servindo nesse caso como uma chave de nível (chave-bóia), que bloqueia a admissão do fluido quando atinge seu limite máximo e libera-o quando atinge o limite mínimo.

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Figura 4 - Medição de nível continua com flutuador de bola.

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�As figuras abaixo apresentam um sistema para suprimentos de água com um reservatório superior e um inferior, dotado de controle elétrico.

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Figura 5 - Circuito aberto circuito fechado

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Medida indireta

É obtida por meio de grandezas físicas como pressão, propriedades elétricas, radiação, empuxo, etc.

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Medição de nível por pressão hidrostática (pressão diferencial)

Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela altura da coluna líquida, para medirmos indiretamente o nível, como mostra abaixo o Teorema de Stevin:

P = H . δ

Onde:

P = Pressão em mm H2O ou polegada H2O

h = nível em mm ou em polegadas

δ = densidade relativa do líquido na temperatura ambiente.

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Figura 6 - Essa técnica permite que a medição seja feita independente do formato do tanque seja ele aberto ou pressurizado.

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Medição de nível com borbulhador

Com o sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância.

Neste sistema necessitamos de um suprimento de ar ou gás e uma pressão ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este valor normalmente é ajustado para aproximadamente 20% a mais que a máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. O sistema borbulhador engloba uma válvula agulha, um recipiente com líquido na qual o ar ou gás passará pelo mesmo e um indicador de pressão.

Ajustamos a vazão de ar ou gás até que se observe a formação de bolhas em pequenas quantidades. Um tubo levará esta vazão de ar ou gás até o fundo do vaso a qual queremos medir seu nível, teremos então um borbulhamento bem sensível de ar ou gás no líquido o qual queremos medir o nível .Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, instalamos um indicador de pressão que indicará um valor equivalente a pressão devido ao peso da coluna líquida . Nota-se que teremos condições de instalar o medidor a distância.

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Medição por capacitância (sensor capacitivo)

A medição de nível por meio de capacitância é um sistema de medição com larga aplicação.Com esse sistema é possível efetuar a medição contínua do nível de líquidos e sólidos, tendo seu princípio de funcionamento baseado no funcionamento de um capacitor cilíndrico.

Um capacitor cilíndrico consiste em dois cilindros concêntricos de comprimento L cujo cilindro maior (externo) é uma casca de raio B e o menor (interno), um sólido de raio A.

O espaço existente entre os cilindros concêntricos é ocupado por uma substância conhecida como dielétrico, que pode ser o próprio ar ou vácuo, um fluido líquido qualquer ou mesmo um sólido.

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Figura 7 – sensor capacitivo

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O sensor capacitivo pode ser montado na forma de uma sonda que é montada na parte superior de um reservatório, voltada para dentro e imersa no fluido que ali esteja estocado, ou ainda uma simples haste cilíndrica metálica de raio A, sendo que o cilindro externo será o próprio tanque metálico de estocagem.

Para qualquer nível H de substância armazenada, o recipiente comporta-se como dois capacitores cilíndricos ligados em paralelo; portanto, sua capacidade equivalente será obtida por: Ca = Cb + Cc

Sonda capacitiva cilíndrica.O próprio casco do tanque cumpre o papel de casca cilíndrica, sendo o fluido e o ar o dielétrico.

À medida que o nível do tanque for aumentando, o valor da capacitância aumenta progressivamente à medida que o dielétrico ar é substituído pelo dielétrico líquido a medir.A medição de nível por capacitância admite ainda uma segunda variante em termos de sonda capacitiva.Pode-se usar também o princípio do capacitor de placas paralelas.

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Medição de nível por radiação

Os medidores que utilizam radiações nucleares se distinguem pelo fato de serem completamente isentos do contato com os produtos que estão sendo medidos. Além disso, dispensando sondas ou outras técnicas que mantém contato com sólidos ou líquidos tornando-se possível, em qualquer momento, realizar a manutenção desses medidores, sem a interferência ou mesmo a paralisação do processo.

Dessa forma os medidores que utilizam radiações podem ser usados para indicação e controle de materiais de manuseio extremamente difícil e corrosivo, abrasivo, muito quente, sob pressões elevadas ou de alta viscosidade.

O sistema de medição por raios gamas consiste em uma emissão de raios gamas montado verticalmente na lateral do tanque do outro lado do tanque teremos um câmara de ionização que transforma a radiação Gama recebida em um sinal elétrico de corrente contínua. Como a transmissão dos raios é inversamente proporcional a altura do líquido do tanque, a radiação captada pelo receptor é inversamente proporcional ao nível do líquido do tanque, já que o material bloquearia parte da energia emitida.

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Algumas aplicações de sensor de radiação:

-tanques agitados

-autoclaves

-reatores de altas e baixas pressões

-vaporizadores com vácuo

-tanques com produtos quentes

-canos

-tanques de abastecimento

-reatores de leito fluidizado

Vantagens:

-medição independente da pressão, temperatura, propriedades físicas e químicas do produto;

-medição de nível contínua, e não existe contato com o produto a ser medido;

-uso de fontes de radiação em forma laminar, que permitem a linearização do sinal de medida;

-compensação imediata quando a radiação se desintegra;

-elevada exatidão em situações em que outros medidores de nível falham;

-pode ser usado para medições em condições mais adversas, por exemplo, com produtos altamente viscosos e corrosivos, ou altas pressões e temperaturas;

Desvantagem:

-só pode ser usado em último recurso, quando for impossível aplicar outro método de medição.Este aparelho é extremamente caro.

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Medição por empuxo (sensor strain-gauge)

Neste sistema, um elemento (flutuador) com densidade maior que o líquido cujo nível se deseja medir é suspenso por uma mola, um dinamômetro, ou uma barra de torção. À medida que o nível do líquido aumenta o peso aparente do flutuador, diminui, fazendo atuar o mecanismo de indicação ou transmissão. Entretanto, para o uso adequado desse medidor, a densidade do líquido deve conhecida e constante.

Este mecanismo pode ser instrumentado com strain-gauge colados sobre um eixo de torção fixo ou uma haste de flexão. Essa concepção permite alta precisão na medida, pois o sinal elétrico enviado pelo strain-gauge devido a micro deformação causada pela força de empuxo, podendo ser convertido eletronicamente já em distância linear equivalente (nível h), sendo apresentada em um indicador com display digital.

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 Figura 8 – Sistema instrumentado com strain-gauge

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Medição de nível por ultra-som

O ultra-som é uma onda sonora, cuja freqüência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido humano, isto é, acima de 20 Khz.

A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico, esta excitação é transferida de molécula a molécula do meio, com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das moléculas. A propagação do ultra-som depende, portanto, do meio (sólido, líquido ou gasoso).

Assim sendo, a velocidade do som é a base para a medição através da técnica de eco, usada nos dispositivos ultra-sônicos.

As ondas de ultra-som são geradas e captadas pela excitação elétrica de materiais piezo elétrico.

A característica marcante dos materiais piezo elétricos é produção de uma freqüência quando aplicamos uma tensão elétrica. Assim sendo, eles podem ser usados como gerador de ultra-som, compondo, portanto, os transmissores.

Inversamente, quando se aplica uma força em uma material piezo elétrico, ou seja quando ele recebe um sinal de freqüência, resulta o aparecimento de uma tensão elétrica no seu terminal. Nesta modalidade, o material piezo elétrico é usado como receptor do ultra-som.

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�Figura 10 – medição por ultra-som

Os dispositivos do tipo ultra-sônico podem ser usados tanto na detecção contínua de nível como na descontínua.

Os dispositivos destinados a detecção contínua de nível caracterizam-se, principalmente, pelo tipo de instalação, ou seja, os transdutores podem encontrar-se totalmente submersos no produto, ou instalados no topo do equipamento sem contato com o produto.

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Medição de nível por radar

Possuem uma antena cônica que emite impulsos eletromagnéticos de alta frequencia à superfície a ser detectada. A distância entre a antena e a superfície a ser medida será então calculada em função do tempo de atraso entre a emissão e a recepção do sinal.

Essa técnica pode ser aplicada com sucesso na medição de nível de líquidos e sólidos em geral. A grande vantagem deste tipo de medidor em relação ao ultrassônico é a imunidade à efeitos provocados por gases, pó, e espuma entre a superfície e o detector, porém possuem um custo relativo alto.

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Medição de nível descontínua

            Estes medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o nível atinge certos pontos desejados como, por exemplo, em sistemas de alarme e segurança de nível alto ou baixo. Nos líquidos que conduzem eletricidade, podemos mergulhar eletrodos metálicos de comprimento diferente. Quando houver condução entre os eletrodos teremos a indicação de que o nível atingiu a altura do último eletrodo alcançado pelo líquido. Diversas técnicas podem ser utilizadas para medição descontínua, desde simples bóia acoplada (figura 11) a contatos elétricos e sensores eletrônicos do tipo capacitivo ou ultra-sônico, onde se diferenciam entre si pela sensibilidade, tipo de fluido, características operacionais instalação e custo.  

Figura 11 – Medidor descontinua de nível por bóia

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Figura 12 – Medidor descontinua de nível baseado em eletrodos imersos na água

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O funcionamento do medidor descontinuo mostrado na figura 4 é simples.  Uma vez que é conhecido o valor da tensão na fonte (V) e os valores das resistências em série com esta fonte, à medida que o nível do líquido for atingindo os eletrodos alocados dentro do tanque ocorrerá uma mudança na corrente fornecida pela fonte ( I = V / S R ). Por exemplo, para um tanque com 4 eletrodos imersos (Figura 4) e considerando a resistência elétrica do líquido desprezível, quando o tanque estiver vazio a corrente fornecida pela fonte será V / 4R. Quando o tanque começar a encher e o nível do líquido atingir o segundo eletrodo a corrente I será V / 3R, porque como a resistência do líquido é bem menor do que R a corrente irá circular pelas 3 primeiras resistências e depois circulará pelo líquido deixando de fora a última resistência. Seguindo este raciocínio, quando o nível alcançar o terceiro eletrodo a corrente será V / 2R. E quando atingir o último eletrodo a corrente será V / R, uma vez que apenas uma resistência está presente no caminho da corrente. Através deste método se estabelece uma relação direta entre nível e corrente, então para se medir o nível de um tanque neste sistema, basta inserir um amperímetro ou outro transdutor de corrente.

É importante lembrar que para se conseguir uma maior precisão neste método é necessário um número elevado de eletrodos dentro do tanque, uma vez que mudanças de nível entre os eletrodos não são percebidas. Conseqüentemente para se poder medir qualquer mudança de nível, seria necessário utilizar um número infinito de eletrodos, o que se torna impossível na prática. Entretanto este método se torna bastante útil quando se precisa medir o nível de uma planta, onde não é necessária muita precisão, de forma simples e barata. Devido estas vantagens escolheu-se este método para ser utilizado na planta do projeto. O sensor descontínuo utilizado no projeto será descrito na próxima seção.

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Pode ser usado como sensor de nível

 Reed-switches

O que são os reed-switches?

 - São dispositivos que funcionam como interruptores ( liga[1]/desliga[0] ), acionados por campos magnéticos produzidos por ímãs ou eletros-ímã dele aproximados.

- O reed-switch é composto de uma cápsula de vidro e de duas lâminas de um material ferromagnético (ligas de níquel e ferro). As duas lâminas são colocadas muito próximas, sem que haja contato entre elas, com uma extremidade afixada no vidro e mergulhada num gás inerte, para não sofrerem oxidação ou deformação mecânica (para durarem mais).

- Para acionar o reed-switch, isto é, para haver contato elétrico entre as lâminas, é necessário induzir a magnetização delas, fazendo com que elas se atraiam magneticamente. Basta aproximar um pequeno ímã do reed-switch, como mostra a figura a baixo.

- São usados para acionar, magneticamente, dispositivos eletro-eletrônicos como alarmes, trancas elétricas, portas, circuitos eletrônicos de partida,...

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O manuseio e soldagem do reed-switch devem ser cuidadosos, pois, a dilatação térmica e a torção mecânica dos conectores podem trincar ou quebrar a cápsula de vidro, o inutilizado completamente!

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Exemplos de utilização de um reed-switch:

- Num Laboratório Didático no Ensino de Física:

Um reed-switch pode ser utilizado como um sensor de aproximação ou de afastamento de um móvel de um determinado ponto, já que o seu acionamento ocorre a pequenas distâncias de um ímã.

Um ou vários reed-switches podem ser usados para indicar a passagem de um móvel por um determinado ponto ou por vários pontos do trajeto seguido pelo móvel, desde que exista um pequeno ímã fixo neste móvel.

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Exercícios

 Complete as lacunas

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01.) O reed-switch é um dispositivo que altera o seu estado lógico, de , na presença ou ausência de um campo magnético(ímã).

02.) O sensor reed-switch deve ser conectado a uma porta  da entrada de joystick da placa de som de um PC.��03.) O sensor reed-switch altera seu estado lógico de "0" para "1" quando dele aproximamos um .��04.) O sensor reed-switch deve ser manuseado e conectado ao computador com muito cuidado, pois seu invólucro é feito de.

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05.) Os sensores capacitivos estão diretamente ligados à do material.

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Respostas

01.) O reed-switch é um dispositivo que altera o seu estado lógico, de "0" para "1", na presença ou ausência de um campo magnético(ímã).��02.) O sensor reed-switch deve ser conectado a uma porta digital da entrada de joystick da placa de som de um PC.��03.) O sensor reed-switch altera seu estado lógico de "0" para "1" quando dele aproximamos um ímã.��04.) O sensor reed-switch deve ser manuseado e conectado ao computador com muito cuidado, pois seu invólucro é feito de vidro.

05.) Os sensores capacitivos estão diretamente ligados à constante dielétrica do material

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Conclusão

Os sistemas de medição de nível são altamente aplicados na indústria fortalecendo a aplicação da automação e tornando o processo produtivo preciso e mais seguro, envolvendo o uso de sensores ou sistemas mecânicos para medir níveis de líquidos e sólidos desde situações simples até as mais adversas. Estes sistemas possuem ainda diferentes características, determinando assim suas variadas situações de aplicação.

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Bibliografia

Disponível no site:

http://www.if.ufrgs.br/mpef/mef004/20061/Cesar/SENSORES-Reed-switch.html, acesso em 18/11/2010 às 10h30min.

Disponível no site: http://vinicius.brasil.vilabol.uol.com.br/eletronica/sensornivel/sensornivel.htm, acesso em 15/11/2010 às 20h10 min.

Disponível no site:

http://www.demar.eel.usp.br/eletronica/2009/Sensores_capacitivos.pdf, acesso em 18/11/2010 às 10h50min.

Disponível no site:

http://en.wikipedia.org/wiki/Level_sensor, acesso em 18/11/2010 às 11h30min.

Imagens disponíveis no site:

http://hermes.ucs.br/, acesso em 18/11/2010 às 22h40min.

Apostilas e livros utilizados:

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL - conceitos, aplicações, análises.

CONTROLE AUTOMÁTICO DE PROCESSOS INDUSTRIAIS. 2ª edição.

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Alunos:

Fábio Nogueira Gomes

Hugo Soares

Weydster Douglas