Instrumentação Industrial Autor: Perez. Instrumentação - Nível 1

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1 Instrumentação Industrial Autor: Perez Instrumentação - Nível 1

2 AULA V - Instrumentos de Nível Instrumentação - Nível 2

3 Objetivos Estudar Elementos e Transmissores de Nível Mais Utilizados Precisar Inventários (contidos em tanques e em vasos) Em grande parte das aplicações essa medição dispensa grande precisão. Em apenas algumas aplicações, tais como níveis de reatores, água em caldeiras, tancagem em produtos comercializados (compra e venda) é que a precisão pode vir a ser importante. Instrumentação - Nível 3

4 Indicador de Nível tipo Régua Bóia que flutua na superfície do produto, transmitindo seu movimento, através de um cabo, a um cursor que indica o nível numa escala graduada. Instrumentação - Nível 4

5 Chaves de Nível Tipo Bóia Bóia que flutua acompanhando o nível ou interface de dois produtos em um tanque com diferentes densidades. Montagem Lateral ou de Topo. Indicação ON-OFF Instrumentação - Nível 5

6 Chaves de Nível Tipo Bóia Instrumentação - Nível 6

7 Visor de Nível (LG) Principio dos vasos comunicantes. Indicação Local Tipos: Tubular Pouco utilizado Tubo de vidro com varetas metálicas para proteção mecânica Pouca resistência a choques Instrumentação - Nível 7

8 Visor de Nível (LG) Instrumentação - Nível 8

9 Visor de Nível (LG) Plano Por reflexão (reflex) para acentuar contraste líquido-vapor devido a diferença dos índices de refração entre líquido e vapor (gás): Líquido (reflexão parcial) apresenta tonalidade escura. Vapor ou Fase Gasosa (reflexão total) apresenta tonalidade clara. Transparente quando se deseja perceber a cor de cada produto nas interfaces líquido- líquido. Permite a instalação de iluminadores. Instrumentação - Nível 9

10 Visor de Nível (LG) Instrumentação - Nível 10

11 Visor de Nível (LG) ( a ) Visor reflex ( b ) Visor transparente 1 - Parafuso tipo U 2 - corpo 3 - Junta de vedação 4 Vidro 5 - Junta almofada 6 Espelho 7 - Porca Instrumentação - Nível 11

12 Visor de Nível (LG) Visor reflex Instrumentação - Nível 12

13 Visor de Nível (LG) Visor Transparente Instrumentação - Nível 13

14 Visor de Nível (LG) Montagem do visor em seções Recomenda-se que o comprimento de um visor não seja maior que 750 mm ou mais que 3 seções. Instrumentação - Nível 14

15 Indicador de Nível Magnético Um ímã integrado a bóia permite a visualização do nível de um tanque ou vaso através da atração de elementos magnéticos. Instrumentação - Nível 15

16 Medidor tipo Borbulhador Aplicáveis na presença de líquidos corrosivos, viscosos ou que se solidificam a temperatura ambiente (tanque aquecido). Ex: Tanque de Enxofre em URE (Unidade de Recuperação de Enxofre). O ar é injetado no tanque a uma pressão pouco superior ao head correspondente ao nível máximo (aproximadamente 20% acima da máxima pressão hidrostática do tanque). A pressão de ar irá equilibrar a coluna líquida (ρgh), acompanhando sempre suas variações. A diferença de pressão entre a controladora de pressão e a coluna de fluido é absorvida pelo rotâmetro. Instrumentação - Nível 16

17 Medidor tipo Borbulhador Instrumentação - Nível 17

18 Medidor tipo Borbulhador Instrumentação - Nível 18

19 Medidor tipo resistência variável Instrumentação - Nível 19

20 Medidor por Empuxo Também conhecidos como Displacer (Deslocamento Variável). Nesse tipo de medidor, não há praticamente movimento físico do deslocador (que se encontra totalmente submerso). Instrumentação - Nível 20

21 Medidor por Empuxo Utilizado em medição de interfaces. A medida que a interface se desloca, o peso aparente do deslocador se modifica. E=gXA(ρ1- ρ2)+ ρ2gla Pap=Preal - E onde X altura da interface, A área do deslocador, L comprimento do deslocador e ρ1 e ρ2 densidades dos dois fluidos que formam a interface. Instrumentação - Nível 21

22 Medidor por Empuxo E E E = = = ρgv = ρ gxa 1 ρ gv ( ρ ρ ) gxa + ρ gla ρ gla + ρ gv = ρ gxa ρ gxa 1 + ρ g 2 ( L X ) A A Constante Função apenas de X, altura da interface X L Instrumentação - Nível 22

23 Medidor por Empuxo Limitações: Fluidos Agressivos (contato direto com o fluido) Range de Medição até 3 metros O peso do deslocador deve ser suficiente para submergir na mais alta densidade de operação. Vantagens em relação a bóia: Maior faixa de medição Calibração mais fácil Menor probabilidade de alarme falso devido a turbulências pois o cabo está sob constante tensão mecânica Instrumentação - Nível 23

24 Medidor por Empuxo Instrumentação - Nível 24

25 Medidor de Nível por Pressão Principio de Funcionamento: Altura da Coluna de Líquido Diretamente Proporcional a Pressão ρgh. A medição pode ser: Com apenas o peso do líquido (Tanque Aberto) Pelo Diferencial entre 2 tomadas (Tanque Fechado) Instrumentação - Nível 25

26 Medidor de Nível por Pressão Ajuste de Elevação do Instrumento Instrumentação - Nível 26

27 Medidor de Nível por Pressão Nível no mínimo: Pd = PH PL = (ρg(y+z)+ Patm) Patm= ρg(y+z) Nível no máximo Pd = PH PL = (ρg(y+z+x)+ Patm) Patm= ρg(y+z+x) A calibração é feita em altura de água (polegadas de água) P = ρgh P = água ρ a gh P P água = ρgh ρ gh a = ρ = SpGr ρ a Densidade P = SpGr P água Instrumentação - Nível 27

28 Medidor de Nível por Pressão Exemplo: Para SpGr=0.8, x=80, y=5 e z=10, calcular o range de calibração e o span do instrumento em termos de pressão. Resposta: 12 ~ 76 H 2 Ospande 64 H 2 O Instrumentação - Nível 28

29 Medidor de Nível por Pressão Ajuste de Supressão do Instrumento Instrumentação - Nível 29

30 Medidor de Nível por Pressão Hipótese: Fase Vapor não condensa na tomada de baixa Similar ao caso anterior Hipótese: Fase Vapor condensa na tomada de baixa Nível no mínimo: Pd = PH PL = (ρg(y+z)+ Po) (ρg(d+z)+po)= ρg(y-d) Nível no máximo Pd = PH PL = (ρg(y+z+x)+ Po) (ρg(d+z)+po)= ρg(y+x-d) Exemplo: Para SpGr=0.8, x=70, y=20 e d=100, calcular o range de calibração e o span do instrumento em termos de pressão. Resposta: range: -64 H 2 H2O span:56 H 2 O Instrumentação - Nível 30

31 Medidor de Nível por Pressão Instrumentação - Nível 31

32 Controle de Nível na Retificadora Correção do nível em unidades de comprimento (H em metro, por exemplo) Plido = ρreal gh PDensimetro = ρreal ghdensimetro Dividindo Plido ρreal gh = PDensimetro ρreal ghdensimetro Plido H = PDensimetro hdensimetro P = = lido H hdensimetro H k PDensimetro P P lido Densimetro Instrumentação - Nível 32

33 Controle de Nível na Retificadora Correção de nível com a H em percentagem P = d H = P 0 a 100% P d LT real calibração = d real P H LT projeto altura d Pcorrigido = PLT d proj real Instrumentação - Nível 33

34 Medidor ultra-sônico Utiliza como principio de operação a reflexão do sinal. D=ct/2, onde c é a velocidade de propagação Um sinal sônico gerado pelo sensor sofre reflexão em um obstáculo (por exemplo, a superfície de um produto no tanque) e retorna ao tanque após decorrido um tempo. O termo ultra-sônico é geralmente utilizado mas operam, normalmente, na faixa audível ou range sônico de 7,5kHz a 600kHz. Não entram em contato com o fluido sendo, portanto, indicados para medição com fluidos agressivos. Melhores condições de operação com um meio de propagação limpo e sem obstruções. Se for necessário medir o nível abaixo dos obstáculos internos do vaso (agitadores, bóias), haverá erro na medição. Instrumentação - Nível 34

35 Medidor ultra-sônico Pulse Burst Radar X Onda Contínua com Modulação em freqüência Instrumentação - Nível 35

36 Medidor ultra-sônico A medição do nível por ultra-som depende da temperatura do meio gasoso que se propaga (já que a velocidade de propagação da onda sobre um meio depende de sua temperatura). Portanto, pode ser necessário o uso de compensação de temperatura na velocidade de propagação ao inferirmos o nível. Se a superfície líquida for turbulenta ou coberta com espuma, a reflexão do sinal pode acontecer antes de incidir sobre o nível propriamente, gerando um erro de medição. A presença de partículas sólidas na fase gasosa pode prejudicar a leitura devido a dispersão do sinal em sua trajetória. O medidor ultra-sônico necessita de ar ou de outro gás como meio de transmissão. Já o radar, que veremos a seguir, se propaga também no vácuo. Instrumentação - Nível 36

37 Medidor ultra-sônico Instrumentação - Nível 37

38 Radar de Onda Guiada (GWR) Princípio de operação: utiliza o mesmo princípio do radar convencional (ultra-sônico) com reflectometria no domínio do tempo (TDR), diferenciando-se pelo uso de uma sonda guia de ondas; Fabricantes de referência: Magnetrol, Khrone, Rosemount Componentes: unidade transmissora e receptora e sonda guia de ondas; Instrumentação - Nível 38

39 TDR Time Domain Reflectometry o Utiliza pulsos eletromagnéticos para medir nível ou distâncias; Instrumentação - Nível Radar de Onda Guiada (GWR) o Quando um pulso emitido alcança uma descontinuidade dielétrica (criada pela interface), parte do pulso é refletido; Instrumentação - Nível 39

40 Radar de Onda Guiada (GWR) Instrumentação - Nível 40

41 Radar de Onda Guiada (GWR) O uso do guia de ondas viabiliza sinais de menor intensidade, diminuindo assim a potência requerida e possibilitando a alimentação pelo par de 4 a 20 ma. Como o sinal é concentrado em torno de uma guia de ondas, a medição é pouco afetada pela proximidade à parede e a obstáculos dentro do tanque, turbulência e espumas. O instrumento pode ser instalado dentro do tanque/vaso ou utilizando câmaras externas novas ou já existentes. Existem três tipos de guias de onda: coaxial, dupla (rígida ou flexível) simples (rígida ou flexível) Instrumentação - Nível 41

42 Guia de Onda Coaxial Instrumentação - Nível Radar de Onda Guiada (GWR) É a guia de ondas de maior eficiência. Seu funcionamento é semelhante ao de um cabo coaxial, confinando toda energia eletromagnética entre a haste interior e o tubo exterior. Esta configuração torna o GWR imune a interferências por obstáculos próximos a sonda, além de permitir aplicações em meios com baixos valores de constante dielétrica. Esta configuração fechada da sonda também o torna mais sensível a erros de medição pela formação de revestimento e acúmulo de material entre as partes interior e exterior da sonda. Instrumentação - Nível 42

43 Guia de Onda Dupla Instrumentação - Nível Radar de Onda Guiada (GWR) É uma guia de ondas que possui eficiência menor que a sonda coaxial, já que não confina o sinal eletromagnético. Este tipo de sonda apresenta menor sensibilidade que as sondas coaxiais. Sua construção a torna menos sensível a formação de revestimento, sendo que a formação de pontes de material entre as hastes e a deposição sobre os espaçadores podem levar à medições incorretas. Como o campo eletromagnético se distribui em torno das hastes, este tipo de sonda é sensível à obstáculos localizados muito próximos as suas hastes (100 mm). Instrumentação - Nível 43

44 Radar de Onda Guiada (GWR) Guia de Onda com Haste Simples O campo eletromagnético se distribui de forma diferente das sondas anteriores. Nestas sondas, o pulso se propaga do topo (referência de terra) para baixo com formato tetraédrico. É a que apresenta menor eficiência devido ao espalhamento do pulso. Estas sondas são pouco afetadas pela formação de revestimento ou acúmulo de material (importante em unidades como o coque), contudo são mais sensíveis a presença de obstáculos singulares localizados em sua proximidade (menos de 450 mm). Instrumentação - Nível 44

45 Radar de Onda Guiada (GWR) Exemplos: D=ct/2 L=E-D Instrumentação - Nível 45

46 Exemplos: Instrumentação - Nível Radar de Onda Guiada (GWR) Instrumentação - Nível 46

47 Características Instrumentação - Nível Radar de Onda Guiada (GWR) Coaxial Duplo Simples Aumenta Potência Aumenta sensibilidade a obstrução Coaxial Duplo Simples Coaxial Duplo Simples Aumenta sensibilidade a obstáculos Instrumentação - Nível 47

48 Radar de Onda Guiada (GWR) Vantagens: Medição de níveis com líquido tóxico Alta precisão Tolera turbulência da superfície e espuma no líquido Desvantagens Caro Não pode ser aplicado em medições com sólidos por causa do sinal fraco de reflexão; Instrumentação - Nível 48

49 Medidor de Vibração Principio de Funcionamento: Quando a interface ou nível do produto atinge o sensor, ocorre mudança de vibração do mesmo, atuando uma chave. Instrumentação - Nível 49

50 Medidor de Capacitância Principio de Funcionamento: A medida que a superfície do nível for subindo ou descendo, variamos o ε r (permissividade dielétrica) do capacitor formado entre o vaso (primeira placa) e o sensor (segunda placa) C= kaε r /d 2 Xc=1/(wC) Instrumentação - Nível 50

51 Medidor de Capacitância Com o nível do tanque aumentando, o valor da capacitância aumenta progressivamente a medida que o dielétrico ar é substituído pelo dielétrico líquido a medir. Com contato Sem contato Instrumentação - Nível 51

52 Medidor Radioativo Principio de Funcionamento: O sistema de medição por raios gamas consiste em uma emissão de raios gamas (ondas eletromagnéticas com alto poder de penetração) 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. Aplicação na Petrobras em tambores de coque Requer licença legal Instrumentação - Nível 52

53 Medidor Radioativo Instrumentação - Nível 53

54 Medidor Magneto-restritivo O tubo guia (1") contém um cabo condutor por onde é injetado um pulso de corrente em intervalos fixos. A interação do pulso de corrente com o campo magnético gerado pelo flutuador cria uma força induzida de origem eletromagnética (F = Bli), levando a uma torção no cabo. Esta torção gera uma tensão localizada que se propaga a uma velocidade prédeterminada a partir do ponto do flutuador em ambas as direções do condutor. Um elemento sensor piezo magnético, montado juntamente com o transmissor converte esta tensão em um sinal de pulso elétrico, permitindo captar o momento que a torção chega ao sensor. Um microprocessador mede o intervalo de tempo entre o pulso de corrente transmitido e o pulso convertido a partir da propagação do esforço mecânico de torção. Instrumentação - Nível 54

55 Medidor Magneto-restritivo Instrumentação - Nível 55

56 Tabela de comparação Instrumentação - Nível 56

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