INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS MEDIÇÃO DE DENSIDADE Introdução A medição da densidade de líquidos fornece uma informação valiosa para a determinação da concentração ou da composição de uma solução. Por outro lado, a medição da vazão de Ilíquidos e gases é influenciada pela densidade; a sua medição pode portanto ser utilizada para se efetuar as correções necessárias. Define-se como densidade absoluta, ou simplesmente densidade a massa contida na unidade de volume. Densidade relativa, para líquidos, e a razão entre a densidade absoluta do liquido e a densidade da água, em condições especificadas. Ex.: d / ou d é a densidade relativa de um líquido a 20 C, em relação a água, a 15 C. A densidade relativa de gases é em geral considerada em relação ao ar, estando, ambos nas mesmas condições de pressão e temperatura. O mesmo numero exprime, aproximadamente, a relação entre o peso molecular do gás e o do ar (= 29). A densidade relativa é um numero puro, não dependendo do sistema de unidades adotado. Unidades A densidade absoluta pode ser medida em qualquer unidade de massa, dividida por qualquer unidade de volume. As unidades mais comuns são g/m³, g/litro, kg/m³, libras/pé cúbico e libras/galão. As conversões podem ser feitas como segue: 1 g/m³ = 1000 g/litro = 1000 kg/m³ = 62,43 libras/pé cúbico = 8,345 libras/galão Algumas escalas especiais são comumente utilizadas: Escala Baumé, para líquidos menos densos que a água: Escala Baumé, para líquidos mais densos que a água: Escala A. P. I., para produtos de petróleo: 1
Escala Quevenne, utilizada na industria de leite: Escala Twaddell, para líquidos mais densos que a água: Escala Brix, usada na industria açucareira indica a porcentagem de açúcar em peso, na água a 20 C. Hidrômetros O hidrômetro consiste de um flutuador com uma haste indicadora de pequeno diâmetro no tipo (Fig.1I). A haste pode ser graduada em qualquer unidade, entre as citadas acima. Pelo principio de Arquimedes, o peso do volume de líquido deslocado pelo flutuador é igual ao peso do próprio flutuador. Quanto maior a densidade do líquido, menor o volume deslocado, e portanto mais alto estará o flutuador. A leitura e feita no ponto onde a haste atravessa a superfície do liquido. O hidrômetro pode ser montado em um suporte do rotâmetro, contendo opcionalmente um termômetro para que se possa fazer a compensação de temperatura ambiente (Fig. 2). O flutuador pode possuir uma haste metálica no extremo inferior, que serve de núcleo em um sistema de ponte de indutâncias, permitindo assim que a medição seja transmitida a distancia. Hidrômetros são dispositivos simples, precisos, sem atrito, de indicação direta, e compatíveis com a maioria dos líquidos corrosivos. Entretanto, efeitos de velocidade, turbulência e viscosidade devem ser minimizados, para que a indicação não seja afetada. Não podem ser utilizados com fluidos viscosos, que possam aderir ao flutuador. 2
Sensores tipo Deslocamento Nos sensores tipo deslocamento, o flutuador é completamente imerso no líquido. No sensor ilustrado na fig.3, o flutuador é preso as paredes de um tubo por duas correntes. Quando a densidade aumenta, o flutuador se move para cima, passando a suportar uma porção maior da corrente. No equilíbrio, o aumento do empuxo é cancelado pelo aumento de peso da corrente. Incluem-se também nessa categoria sensores semelhantes aos do tipo de flutuador utilizados na medição de nível. A força resultante (pesoempuxo) é transmitida para o exterior por intermédio de um tubo de torque. Da mesma maneira que os hidrômetros, os sensores tipo deslocamento também são sensíveis a efeitos de velocidade, turbulência e viscosidade, não devendo ser utilizados com líquidos que possam aderir ao flutuador, alterando dessa maneira o seu peso. Medidores de Pressão Diferencial A pressão exercida por uma coluna liquida com altura fixa e proporcional a densidade do liquido. Medidores de pressão diferencial, podem ser utilizados para a medição de densidade, de maneira semelhante a medição de nível. A fig. 4 mostra um arranjo simples, que pode ser utilizado quando houver possibilidade de passar o liquido por um tanque aberto para a atmosfera. O nível é mantido constante, deixando-se para tanto o líquido escapar por um ladrão. A faixa de medição se estenderá de H.D min. a H.D max., sendo H a altura da coluna, D min. a densidade mínima e D max. a densidade máxima. Deve-se, portanto, especificar um instrumento com "zero" igual a H.D min, ("supressão" de H.D min) e um "span" igual a H.D max -H.D min. Exemplo Um medidor de densidade, como descrito acima, devera ser utilizado medir a densidade de um liquido, que pode variar de 1,0 a 1,2. Dispõe de um medidor de pressão diferencial, que permite um ajuste de "span" de 20" H O. Qual deve ser a altura do tanque, e qual a faixa de medição ao medidor? 3
"span" = H.D max - H.D min Portanto, 20" H O = H. 1,2 H. 1,0 = 0,2 H portanto H = 100 "zero" = H.D min = 100. 1 = 100 Faixa de medição: 100 a 120" H O Obs.: O tanque devera ter paredes lisas, e um diâmetro suficientemente grande para que a perda de carga devida a passagem do liquido seja tão pequena que não influencie a medição. Quando não se dispuser de instrumento com a supressão necessária, pode-se usar o arranjo da Fig. 5, em que a supressão é obtida por intermédio de uma coluna preenchida com um liquido de densidade conhecida. Convém, nesse caso, fazer com que a pressão exercida pela coluna de referencia seja igual a pressão exercida pelo liquido a ser medido, quando a sua densidade se encontrar no extremo inferior da faixa. Outra possibilidade é a de ser usar duas linhas de purga de ar, como mostra a fig. 6. Esse método pode ser usado tanto com líquidos a pressão atmosférica, como a uma pressão diferente. Caso não seja disponível um instrumento com a supressão necessária pode-se recorrer ao esquema ilustrado na fíg.7. 4
Métodos de purga de água (ou outro liquido), podem ser utilizados, quando houver possibilidade das tubulações pelo liquido do processo (fig. 8). Medidores de Radiação Um medidor de densidade do tipo de radiação emprega uma fonte radioativa de raios gama, presa a tubulação, e um detector radioativo no lado oposto (fig. 9). 5
Quando raios gama atravessam um fluido, eles são tanto mais absorvidos quanto maior a densidade. O detector de radiação é usualmente uma câmara de ionização, que contem um gás pressurizado entre dois metais diferentes. Quando submetida a radiação, gera-se uma corrente da ordem de 10 A, que é amplificada e linearizada para se obter indicação, registro, controle ou totalização. Medidores de Peso, com Volume Fixo Visto que a densidade é igual a massa (ou peso), dividida pelo volume, a densidade pode ser medida preenchendo-se totalmente um volume conhecido com o liquido cuja densidade se quer determinar. Uma das formas usuais é a do tubo em "U" (fig. 10). O tubo em "U" é ligado ao processo por conexões flexíveis. A medição de peso é feita, geralmente, por equilíbrio de forças. 6
Medição da Densidade de Gases A medição da densidade de gases, tem duas finalidades: a) Determinação da composição de uma mistura de gases; b) Correção de medições de vazão. Um dos dispositivos que podem ser utilizados encontra-se ilustrado na fig.11. Variações na densidade do gás causam variações no empuxo do flutuador. A detecção do empuxo pode ser feita como ilustrado na figura, ou por técnicas de equilíbrio de forças. Medidores de Densidade por Vibração Medidores de densidade por vibração são constitui dos de uma lamina, que vibra no interior de um fluido (liquido ou gás). A freqüência de vibração é relacionada com a densidade por uma equação do seguinte tipo: em que A, B e C são constantes f é a freqüência (Hertz). t é o período (segundos). Um detector instalado próximo a lamina detecte a freqüência de oscilação. Esse sinal e amplificado em um transmissor, e energiza uma bobina colocada junto a lamina, com uma força mínima, para manter a oscilação na freqüência de ressonância do sistema. 7