INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS MEDIÇÃO DE NÍVEL Introdução A medição de nível.engloba, também, a medição do volume e do peso de líquidos e sólidos contidos em recipientes. Basicamente, a medição de nível pode ser feita por métodos diretos, que incluem a observação visual direta através de bastões graduados, ou visores de vidro; o uso de boias na superfície do liquido; o contato de eletrodos; a interrupção de fachos de luz e consequente detecção por células fotoelétricas; a reflexão ou absorção de radiações. Por outro lado, constituem métodos indiretos aqueles em que o nível é determinado através de outra grandeza relacionada com o mesmo, como, p.ex., a pressão hidrostática exercida pelo liquido, e pela força (empuxo) exercida pelo liquido sobre um flutuador parcialmente imerso. Observe-se que a medição do nível por boia ou dispositivo semelhante permite a determinação precisa do volume do liquido contido num tanque.se a área do tanque for constante (tanque vertical), o volume será: em que V = volume (m³) A = área (m²) h = nível (m) A massa (ou o peso) poderá ser determinada somente se a densidade for conhecida: Em que m = massa (kg) d = densidade (kg/m³) V = volume (m³) A = área (m²) h = nível (m) Por outro lado, considerando-se ainda tanque vertical a medição da pressão hidrostática permite determinar a massa (ou, a rigor, o peso) sem se conhecer a densidade. em que p = pressão (mh O) d = densidade (g/cm³) h = nível (m) 1
Combinando as equações (2) e (3) vem: Note-se que a densidade não aparece na equação (5). O volume pode ser determinado somente se a densidade for conhecida, utilizando-se a equação (2). Resumindo: Se o objetivo da medição for o de conhecer-se o volume, dar-sea preferência a medição com boia ou similar; se o objetivo for a determinação da massa, o método de pressão hidrostática é mais adequado. Visores de Vidro O tipo mais elementar de visor de vidro, utilizado para a medição de nível em tanques abertos, emprega um tubo de vidro ligado simplesmente ao fundo do tanque (Fig.1). Pelo principio dos vasos comunicantes, o nível será igual ao do tanque. Uma escala graduada ao lado do tubo permite a determinação precisa do nível. No caso de tanques fechados, o tubo será ligado ao tanque em ambas as extremidades (fig. 2). Geralmente incluem-se válvulas de isolação, para permitir a retirada do tubo para a limpeza ou substituição. E freqüente também o uso de válvulas de retenção (que só deixam passar o liquido em um sentido), com o fim de evitar o vazamento do liquido do tanque, no caso de quebra do tubo. 2
Boias Boias podem ser utilizadas para medição de nível, para tanto, o movimento das mesmas é transmitido para o exterior por cabos ou fitas de metal (Fig. 3), ou através de eixos que atravessam a parede do tanque. Incluem-se também nessa categoria as válvulas de boia utilizadas em caixas d água. A boia pode ser acoplada a uma ampola de mercúrio ou um micro-interruptor, para o controle liga-desliga ou para alarme. O movimento da boia é independente da densidade do liquido. Entretanto, turbulência ou existência de espuma na superfície do liquido podem causar erros na medição. Manômetros A medição de pressão hidrostática, e, indiretamente, do nível contido em um tanque, pode ser feita ligando-se um manômetro ao fundo do tanque (Fig. 4). A faixa de medição do manômetro será de 0 ate a pressão exercida pelo liquido quando o tanque estiver cheio. A unidade de medida mais apropriada para esse tipo de medição é o cm (ou polegada) de coluna d água. Se o liquido contido no tanque for água, a temperatura ambiente, a indicação do instrumento é igual ao nível do tanque. Se, se tratar de água a uma temperatura diferente do ambiente, ou de um outro liquido, a pressão hidrostática é dada por: p = D. h (6) em que: p = pressão, em cm (ou polegada) H O D = densidade relativa do liquido, em relação a água a temperatura ambiente h = nível, em cm (ou polegada) Obs.: em geral considera-se a densidade da água como sendo igual a 1 g/cm³, podendo-se, então, usar no cálculo a densidade absoluta do liquido, em g/cm³. Exemplo: Deseja-se medir o nível de um tanque contendo álcool etílico puro, a 35 C. O nível máximo é de 2m. Qual deve ser a faixa de medição do instrumento, o qual será calibrado com uma coluna d'água a 20 C? a) Cálculo rigoroso: Densidade do álcool etílico, a 35 C: 0,78641 Densidade da água, a 20 C: 0,9982343 3
Densidade relativa: 0,7864I / 0,9982343 = 0,78780 Pressão = 200 cm x 0, 78780 = 157,56 cm H O b) Calculo aproximado: Pressão = 200 cm x 0,78641 = 157,28 cm H O Em muitos casos, torna-se necessário instalar o manômetro abaixo do fundo do tanque (Fig. 5).Nesse caso, quando o tanque estiver vazio, o tubo de ligação ainda estará cheio de liquido. Nessas condições, o manômetro devera indicar "0" ao ser submetido a pressão da altura h'. A faixa de medição se estenderá desde D.h, ate D.h + D,h. O manômetro deverá ter supressão igual a D.h. Ao se medir o nível de tanques fechados pressurizados, é frequente utilizar manômetros de pressão diferencial, ligados ao fundo e ao topo do tanque (Fig.6). Caso haja vapores condensáveis, a coluna externa, ligada ao lado da baixa pressão" do medidor, e em geral preenchida com um liquido, antes de se colocar o instrumento em operação. Uma câmara de selagem pode ser usada para o preenchimento, servindo também para absorver eventuais flutuações na altura da coluna. Se a coluna, com altura H estiver cheia de um liquido com densidade D, e sendo p a pressão do gás vapor existente no topo do tanque, teremos: a) Tanque vazio: Alta pressão: p Baixa pressão: p + D'. h' Diferença: p = p (p + D h') = - D'h' b) Tanque cheio: Alta pressão: p + D. h Baixa pressão: p + D'h' Diferença: p = (p+ D. h) - ( p+ D'h') = D.h - D'h' A faixa de medição se estende de -D'h' a Dh - D'h'. Diz -se que o manômetro tem uma elevação igual a D'h', 4
No caso de líquidos corrosivos, viscosos, ou sanitários, a tomada de alta pressão pode ser feita através de um selo de diafragma, aço piado diretamente ao instrumento, ou através de um capilar, Tratando-se de tanque fechado, a tomada de baixa pressão pode ser ligada ao topo do tanque por um tubo comum ou por um capilar ligado a um segundo selo de diafragma. A calibração de instrumentos desse tipo deve ser feita, de preferência, com os selos de diafragma colocados a mesma altura, em relação ao instrumento, como no local onde serão instalados. Caso isso nao seja possível, deverão ser tomadas em consideração eventuais colunas liquidas formadas peio liquido de selagem, dentro dos capilares. Sistemas de purga O uso de sistema de purga permite a determinação do nível de líquido viscosos ou corrosivos, bem como de quaisquer líquidos a distancia. (f i g. 7). Para tanto, necessita-se um suprimento de ar ou de gás, a uma pressão ligeiramente maior que a máxima pressão exercida pelo liquido. O borbulhador inclui uma válvula de agulha, um recipiente com água, pelo qual devera passar, o ar ou gás, tubo que e mergulhado no tanque. Ajusta-se a vazão do ar ou e um gás até que se observe a formação de bolhas em pequena quantidade no borbulhador. Nessas condições o ar ou gás escapa lentamente pelo líquido cujo nível se quer medir. A pressão no manômetro é igual a pressão da coluna liquida. Note-se que o manômetro pode ser colocado a distância. Notas: 1. A extremidade do tubo que é colocado no tanque deve ser chanfrada ou serrilhada, para possibilitar a formação de bolhas pequenas. 2. O conjunto do recipiente com água e da válvula de agulha, encontrado comercialmente com o nome de "borbulhador ", pode ser substituído por um rotâmetro, também equipado com válvula de agulha. 3. Caso haja variações grandes de nível, convém utilizar-se um regulador de vazão na linha de ar ou gás, que consiste em uma restrição e um controlador de pressão diferencial, que mantém constante a pressão diferencial entre os dois lados da restrição, mantendo assim a vazão constante. 4. A purga pode também ser feita com um liquido ( água, p.ex. ) ( f i g. 8). A vazão é medida com um rotâmetro. Afim de manter todo o sistema livre de impurezas, pode se fazer com que o liquido passe dentro da câmara de medição do instrumento. 5
Flutuadores A fig. 9 mostra, esquematicamente, o funcionamento de um medidor de nível com flutuador. O flutuador é parcialmente imerso no liquido. Mede-se a força exercida pelo liquido sobre o flutuador (empuxo). Note-se que, ao contrario do sistema de boia, o flutuador praticamente não se move. A transmissão da força para o exterior do tanque é feita com um tubo de torque apropriado, para evitar problemas de selagem. O flutuador pode ser montado: a) Pelo topo do tanque; b) Pelo lado do tanque; c) Em um tubo vertical, ligado ao tanque pelas extremidades superior e inferior. Flutuadores, na forma de cilindros verticais, podem ser fornecidos com comprimentos desde 14" (36 cm) a 120" (305 cm). Sistemas Eletrônicos No sistema eletrônico por condução (Fig. 10) são colocados um ou mais eletrodos no interior do condutor de eletricidade; o circuito se fecha através da parede do tanque, ou por intermédio de outro eletrodo. Utilizase um amplificador eletrônico para amplificar a corrente resultante, e acionar lâmpadas de indicação, sistemas de alarme ou controle. Uma das variantes desse sistema é utilizada para medir o nível de vidro fluido. 6
O sistema eletrônico capacitivo pode ser utilizado tanto com líquidos dielétricos como com líquido condutores. No caso de líquidos dielétricos, (Fig. 11) o capacitor é composto de uma haste colocada no interior de um tubo cilíndrico de metal; a capacitância varia de acordo com o nível do liquido. Para os líquidos condutores, usa-se uma só haste recoberta de material isolante, que constitui um dos eletrodos; o segundo eletrodo e constituído pelo próprio liquido. Sistemas de Radiação Nos sistemas de radiação, uma fonte radioativa de raios gama e fixada a parede do tanque, e um detector é fixado a parede oposta (Fig.12). A intensidade da radiação detectada é afetada quando um líquido (ou solido) é interposto entre a fonte e o detector. Assim, pode-se obter um sinal elétrico quando o nível ultrapassar um valor prefixado. Caso se deseje indicação continua do nível, a fonte e o detector pode, ser movidos em conjunto por um servo-motor, subindo e descendo em correspondância com as variações do nível. Medição de Nível de Sólidos Entre os métodos já citados anteriormente, os sistemas capacitivo e de radiação se prestam, também, para a determinação do nível de sólidos. Frequentemente deseja-se somente uma indicação de que o nível chegou a um certo valor. Pode-se utilizar para tanto um diafragma que atua um micro-interruptor quando o nível desejado é alcançado (Fig. 13). Outro sistema e composto por um motor montado fora do tanque, o qual, através de um eixo que atravessa a parede do tanque, faz girar um sistema de palhetas. Quando o nível alcança as palhetas, o movimento das mesmas é travado, e o motor sofre uma rotação que aciona um microinterruptor. 7
Medição de Peso Frequentemente a medição de nível constitui um método indireto para a determinação do peso do conteúdo de um reservatório. Nesses casos, bem como naqueles em que a corrosividade do conteúdo não permite o uso dos métodos convencionais de medição de nível, pode-se medir o peso, e relacioná-lo, se necessário, com nível. Para tanto, pode-se usar um dos métodos seguintes: a) Balanças convencionais; b) Medidores tipo "strain-gage", em que resistências elétricas são fixadas em elementos elásticos, que suportam o peso do tanque. A. compressão do elemento elástico causa uma diminuição do comprimento das resistências bem como aumento de sua secção); a variação de resistência resultante pode ser utilizada para a determinação do peso; c) Medidores tipo "carga volumétrica" em que um elemento elástico é preenchido com mercúrio, e ligado por um capilar ao instrumento. A compressão do elemento elástico causa uma variação no volume do mercúrio, que é transmitida a um "bourdon", o qual movimenta o ponteiro ou a pena. 8