Aula 6 - Sensores e Analisadores Nível PDF

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ - UNIFEI Instituto de Recursos Naturais AULA 6 - Sensores e analisadores NÍVEL Disciplina:EQI108 - FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTAÇÃO PARA ENGENHARIA QUÍMICA Professora: Drª. Leticia Fabri Turetta Itajub...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ - UNIFEI Instituto de Recursos Naturais AULA 6 - Sensores e analisadores NÍVEL Disciplina:EQI108 - FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTAÇÃO PARA ENGENHARIA QUÍMICA Professora: Drª. Leticia Fabri Turetta Itajubá - MG 2025  OBJETIVO DA AULA Compreender a diferença entre os tipos de sensores e analisadores de nível. Compreender o funcionamento dos equipamentos.  BIBLIOGRAFIA CAPÍTULO 13 BALBINOT A; BRUSAMARELLO V. Instrumentação e Bibliografia Fundamentos de Medidas. 3ª ed., Rio de Janeiro: LTC, 2011. V. 2. Base  Introdução Nível é a altura do conteúdo de um reservatório. O conteúdo pode ser sólido ou líquido.  Aplicação Através da determinação de nível de um reservatório temos condições: a) Avaliar o estoque de tanques de armazenamento. b) Controle de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, amortecimento, mistura, residência, etc. c) Segurança de alguns processos onde o nível do produto não pode ultrapassar uma determinada faixa. d) Realizar o balanço de materiais de processos onde existam volumes líquidos ou sólidos em reações, misturas etc.;  Aplicação A medição do nível é importante para processos relacionados com: ü A proteção ambiental ü Segurança de uma fábrica ü Controle de inventário no processo de armazenamento ou de tanques para: ▫ Identificação estoque de material; ▫ Prevenção de transbordamento; ▫ Prevenção da sobrecarga para os agitadores; ▫ Controle do enchimento e esvaziamento de tanque operados em bateladas; ▫ Operação ótima do nível.  Critérios de seleção Sensores de nível por Contato ou Sem contato Contato Sem contato Métodos de contato envolvem Métodos Sem contato medem o contato físico entre o dispositivo nível sem contato com o meio. e os meios de comunicação. Métodos sem contato são a melhor escolha para manutenção de meios corrosivos.  Critérios de seleção Meios Refere-se ao tipo de material que o sensor precisa medir. Sensores de nível pode ser responsável por medir uma grande variedade de meios em sistemas de nível de fluidos. Critérios de Seleção grande variedade de meios em sistemas de nível de fluidos em muitas indústrias. Os dois tipos gerais de meios incluem materiais líquidos e sólidos. Líquidos Sólidos Água (quente ou frio, limpo ou sujo, doce Sólidos a granel ou salgada) Pós Gasolina (combustíveis ou Diesel) Fluido hidráulico Fluidos altamente viscosos ou gomosos  Classificação Sensores de nível estão disponíveis com várias tecnologias de diferentes modos de medidas. As escolhas incluem: Métodos Diretos Régua ou gabarito; Visores de nível; Boia ou flutuador Métodos indiretos Medição tipo deslocador Medição tipo hidrostático; Medição por pesagem; Medição tipo capacitativo; Medição por condutividade; Medição por ultrassom; Medição por vibração; Medição por radar; Medição por radiação; Medição por magnetostritivos; Medição por laser.  Classificação Sensores de nível estão disponíveis com várias tecnologias de diferentes modos de medidas. As escolhas incluem: Métodos Diretos Régua ou gabarito; Visores de nível; Boia ou flutuador. Métodos indiretos Medição tipo deslocador Medição tipo hidrostático; Medição por pesagem; É a medição que Medição tipo capacitativo; tomamos como Medição por condutividade; referência em relação a Medição por ultrassom; posição do Medição por vibração; Medição por radar; plano superior da Medição por radiação; substância medida. Medição por magnetostritivos; Medição por laser.  Métodos Diretos Régua ou gabarito Consiste em uma régua graduada que tem um comprimento conveniente para ser introduzida no reservatório a ser medido. A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento molhado na régua pelo líquido.  Métodos Diretos Visores de nível Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes. Quando se tem um único líquido contido em um recipiente, conclui- se que a altura alcançada por esse líquido é a mesma em qualquer que seja a forma do recipiente. Os visores de nível se destinam: Monitoramento do nível de líquido Monitoramento da interface entre dois líquidos imiscíveis, em vasos, colunas, reatores, tanques, etc. submetidos ou não à pressão  Métodos Diretos Visores de nível Devido às suas características construtivas, os visores de nível são de fácil manutenção e construídos de maneira a oferecer segurança na operação. Tipo de visores: Tubular Vidro plano  Métodos Diretos Visores de nível Tipo de visores: Tubular, Vidro plano Visores de Vidro Tubular Estes visores são normalmente fabricados com tubos de vidro retos com paredes de espessuras adequada a cada aplicação. O comprimento e o diâmetro do tubo irão depender das condições a que estará submetido o visor, porém convêm observar que os mesmos não suportam altas pressões e temperaturas.  Métodos Diretos Visores de nível Tipo de visores: Tubular Vidro plano Visores de Vidro Tubular Não recomendado para: Líquidos tóxicos, inflamáveis ou corrosivos. Recomenda-se que o comprimento do tubo não exceda os 750 mm. Caso seja necessário cobrir faixas de variação de nív el ma iores, de v a ria çã o de nív el maiores, recomenda-se usar dois ou mais visores com sobreposição de faixas visíveis.  Métodos Diretos Tipo de visores: Visores de nível Tubular, Vidro plano Visores de Vidro Plano Atualmente, os visores planos representam cerca de 90% das aplicações de visores de nível em plantas industriais. São compostos de um ou vários módulos onde se fixam barras planas de vidro. Estes módulos são conhecidos como seções dos visores. Problemas Interface Temperatura  Métodos Diretos Visores de nível Tipo de visores: Tubular, Vidro plano Visores de Vidro Plano Interface Temperatura Quando o líquido no interior do recipiente é mais quente do que o líquido no medidor, fazendo com que as densidades sejam diferentes. A única maneira de garantir a adequada indicação de nível de duas partes de interface líquida em um visor de vidro é manter as duas portas (bicos) submersas. Isto é frequentemente observado em indicadores de nível de caldeira, onde a água no interior do visor de vidro esfria substancialmente em relação a temperatura no interior do tambor da caldeira.  Métodos Diretos Visores de nível Vantagens Desvantagens Aplica-se apenas para a indicação local de Simplicidade extrema; fluidos não transparentes; Baixo custo; Dependendo da geometria do sistema, os Leitura direta; visores podem assumir tamanhos muito Alta confiabilidade. grandes e pouco práticos para manuseio. Quando de vidros, são frágeis e podem quebrar se mal manipulados; Limitados a material não tóxico, pressão de 100 kPa (15 psi) e temperatura de 100ºC; Não servem para a indicação remota, nem para transmissão, sequer para o controle. Aplicações com transmissão tornam o sistema complicado e caro.  Métodos Diretos Boia ou flutuador Consiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um contrapeso. No contrapeso está fixo um ponteiro que indicará diretamente o nível em uma escala. Esta medição é normalmente encontrada em tanques abertos.  Métodos Diretos Boia ou flutuador Bóia magnética Os transmissores de nível tipo bóia magnética são instrumentos projetados para fornecerem indicação do nível de: ▫ forma contínua ▫ precisa ▫ econômica A variedade de materiais nas quais pode ser construído permite a sua utilização para a medição dos mais diversos líquidos de aplicação industrial, mesmo em severas condições de vapor e/ou névoa. A indicação contínua de nível é obtida através de um sensor linear (utilizando-se de sensores magnéticos) e resistores de precisão hermeticamente selados no interior da haste.  Métodos Diretos Boia ou flutuador Bóia magnética  Métodos Diretos Boia ou flutuador Flutuador A maioria dos detectores de tipo flutuante utiliza o princípio da perda de peso, de um corpo flutuante para indicar o nível do fluido. O flutuador é selecionado de tal modo que é mais leve do que o fluido. À medida que o nível do fluido aumenta o flutuador sobe. Isto é detectado pela montagem electrónica para indicar o nível.  Métodos Diretos Boia ou flutuador Vantagens Desvantagens Técnicas simples e Sujeitos ao desgaste, a comprovada corrosão, falha mecânica Altura do tanque ilimitado Ficar travado devido ao entupimento, deposição e/ou acumulação de material. Uma melhor precisão (dependendo do tipo de flutuador) Baixo custo capital e de manutenção  Classificação Sensores de nível estão disponíveis com várias tecnologias de diferentes modos de medidas. As escolhas incluem: Métodos Diretos Régua ou gabarito; Visores de nível; Boia ou flutuador Métodos indiretos Medição tipo deslocador; Medição tipo hidrostático; Medição por pesagem; Medição tipo capacitativo; Medição por condutividade; Neste tipo de medição são Medição por ultrassom; usadas propriedades físicas Medição por vibração; ao nível como : Medição por radar; pressão, empuxo , radiação Medição por radiação; e propriedades elétricas. Medição por magnetostritivos; Medição por laser.  Métodos Indiretos Tipos de Medição Indireta de Nível Pressão Elétricos ▫ Medição tipo deslocador; ▫ Medição tipo capacitativo; ▫ Medição tipo hidrostático; ▫ Medição por condutividade; ▫ Medição por pesagem; ▫ Medição por ultrassom; ▫ Medição por vibração; ▫ Medição por radar; ▫ Medição por radiação; ▫ Medição por magnetostritivos; ▫ Medição por laser.  Métodos Indiretos Conceitos x Revisão Pressão Empuxo A pressão é muitas vezes usado Empuxo é um método indireto como um método ind i r e t o d e utilizado para medir níveis de líquidos. medir níveis de líquidos. O nível é determinado utilizando a A pressão aumenta com o flutuação de um objeto parcialmente aumento da profundidade em um imerso num líquido. O empuxo FB ou fluido. força ascendente sobre um corpo de A pressão diferencial é um líquido pode ser calculada a partir determinada pela equação: da equação: Onde Aréa = área da seção transversal do objeto h=profundidade de imersão do objeto.  Métodos Indiretos Conceitos x Revisão Empuxo O nível de líquido é então calculado a partir do peso de um corpo de um Empuxo é um método indireto líquido WL, que é igual ao seu peso no utilizado para medir níveis de líquidos. ar (WA- B), a partir do qual se O nível é determinado utilizando a obtenha h flutuação de um objeto parcialmente imerso num líquido. O empuxo FB ou força ascendente sobre um corpo de um líquido pode ser calculada a partir da equação: Onde Aréa = área da seção transversal do objeto h=profundidade de imersão do objeto.  Métodos Indiretos Conceitos x Revisão Força de Impulsão ou empuxo Força de empuxo é igual ao peso do volume de fluido deslocado. No caso de um instrumento de nível à base da imersão de um de slo cado r, ge ral m e n t e s i g n i f i c a q u e é relacionado através do volume do elemento de deslocamento volumétrico submerso no líquido. Basta calcular o volume do corpo imerso.  Métodos Indiretos Conceitos x Revisão Força de Impulsão ou empuxo Basta calcular o volume do corpo imerso.  Métodos Indiretos Medição tipo deslocador A utilização de um corpo no interior de uma câmara que contenha um líquido de modo que uma força vertical resultante seja a diferença entre o peso e a força de empuxo medida é denominado método do deslocador Princípio de Arquimedes “Todo corpo mergulhado em um fluido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima igual ao peso do fluido deslocado” F resultante = F peso - F empuxo  Métodos Indiretos Medição tipo deslocador Vantagens Desvantagens Elevada precisão Manutenção constante Pois o volume do corpo do flutuador afeta a força resultante, de modo que é comum que resíduos fiquem depositados sobre ele.  Métodos Indiretos Medição tipo hidrostático Uma coluna vertical de fluido exerce uma pressão devido ao peso da coluna. A relação entre a altura da coluna, e a pressão do fluido na parte inferior da coluna é constante para qualquer fluido específico (densidade), independentemente da largura ou forma densidade, independentemente da largura ou forma do reservatório. Atenção Tanque aberto Tanque fechado = ∙ ∙ ℎ + Tanque suspenssão (elevação) Tanque com borbulhador  Métodos Indiretos Medição tipo hidrostático Tanque aberto = ∙ ∙ ℎ +  Métodos Indiretos Medição tipo hidrostático Tanque fechado Quando o sistema de medir nível é um tanque fechado contendo vapor, deve-se: ▫ Preencher a canexão da tomada de alta pressão com água para evitar a condensação na tubulação, o que provocaria erros de medição.  Métodos Indiretos Medição tipo hidrostático Tanque em suspensão Situação de utilização 1 - Para maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento, muitas vezes o transmissor é instalado abaixo do tanque. 2 - A falta de plataforma fixadora em torno de um tanque elevado resulta na instalação de um instrumento em um plano situado em nível inferior à base do tanque. 3 - Erros de zero podem ocorrer na medida de pressão para determinaro nível. A suspensão ocorre quando o zero do medidor está abaixo do zero real da grandeza. 4 - Quando o fluido do processo possuir: alta viscosidade; fluído se condensa nas tubulações de impulso; fluído ser corrosivo.  Métodos Indiretos Medição tipo hidrostático Tanque em suspensão Em todos os casos, uma coluna líquida se formará com a altura do líquido dentro da tomada de impulso, se o problema não for contornado, o transmissor indicaria um nível superior ao real.  Métodos Indiretos Medição tipo hidrostático Tanque em suspensão A seguir apresentaremos um exemplo de cálculo de pressão para este tipo de montagem  Métodos Indiretos Medição tipo hidrostático Tanque com borbulhador Este sistema é indicado para medir fluidos corrosivos, uma vez que não haverá contato do medidor com o fluido O sistema é composto por: um medidor de pressão uma válvula um suprimento de ar O suprimento de ar deve ter a pressão 20% maior que a pressão produzidda pela coluna quando o reservatório estiver cheio.  Métodos Indiretos Medição tipo hidrostático Vantagens Desvantagens Econômico Não é possível medir nível de sólidos Fácil de instalar Apenas fluido limpo pode ser medido Verificação Online Variação de densidade dá erro Manutenção possível  Métodos Indiretos Medição por pesagem Se detecta o nível de material mediante o peso. Pode ser utilizada por materiais líquidos ou sólidos.  Métodos Indiretos Medição tipo capacitativo O medidor de nível capacitivo mede a capacitância entre o eletrodo submergido (sonda capacitiva) em relação as paredes do tanque. A capacitância é uma grandeza elétrica que existe entre 2 superfícies condutoras isoladas entre si. Utiliza-se da mudança da capacitância causada pela variação do nível do material entre a sonda (+) e a parede do reservatório (-).  Métodos Indiretos Medição tipo capacitativo A capacitância de um sistemas pode ser definido por: d = diâmetros L = nível do reservatório ε = constância dielétrica C = capacitância  Métodos Indiretos Medição tipo capacitativo Meio pode ser ou não condutor  Métodos Indiretos Medição tipo capacitativo  Métodos Indiretos Medição tipo capacitativo Vantagens Aplicação Longa duração e baixa necessidade de Monitoramento contínuo do nível de manutenção através da construção tanques, reservatórios ou silos. mecânica robusta. Vários tipos de líquidos condutivos ou Não possui partes móveis. não, tais como água, óleo, sólidos, meios pastosos, corrosivos entre outros. Estrutura compacta e resistente. Sólidos como pós e granulados com Instalação simples e econômica. constante dielétrica relativa > 2. Opera em temperaturas e pressões altas.  Métodos Indiretos Medição por condutividade A medição de nível é realizada indiretamente ao se medir a condutância elétrica do material. O material tem que ser capaz de conduzir corrente com uma fonte de tensão relativamente baixa (abaixo de 20 V). Utiliza-se dois ou mais eletrodos.  Métodos Indiretos Medição por condutividade Vantagens Desvantagens Simples e barato. Só consegue dectar níveis pontuais. Muito útil para controle de nível (alto OBS: É possível implementar vários em e/ou baixo). diferentes alturas Restrita a meios condutores.  Métodos Indiretos Medição por vibração Esse tipo de detecção é feito por meio de detectores que funcionan como chaves. Esses detectores são construídos em forma de um garfo preso por uma membrana que faz parte do sistema. O sistema é forçado a vibrar em sua frequência de ressonância quando estimulado por um cristal.  Métodos Indiretos Medição por vibração Quando o material cobre o sensor as vibrações se amortecem, o que produz a ativação de um interruptor. A atenuação das oscilações indica se o sólido/ líquido tiver atingido o nível medido. As oscilações são estimulados e detectada por meios electrónicos.  Métodos Indiretos Medição por vibração  Métodos Indiretos Medição por vibração  Métodos Indiretos Medição por vibração Vantagens Desvantagens Robusto, por ter partes móveis. Para sólidos há a necessidade de 2 cristais. Pode ser mudado de lugar, perante Variação de vibração em caso das tiras calibração. ficarem cobertas. Tamanho reduzido. Há maior probabilidade de alarme falso provocado pela turbulência. Pode ser usada para líquidos e sólidos.  Métodos Indiretos USO DE RADIAÇÃO Estas frequências incluem: A radiação em diferentes ▫ Radares; frequências pode ser usada ▫ Ultrassom (micro-ondas); para medição de nível. ▫ Laser (luz infravermelha); ▫ Radiatividade (raios alfa, beta e gama)  Métodos Indiretos Medição por ultrassom Utilizado na medição contínua e precisa do nível de produtos líquidos ou sólidos armazenados em tanques, reservatórios ou silos. Baseia-se na emissão de pulsos ultrassônicos de alta frequência por um sensor instalado no tanque/silo que são refletidos pelo material que está sendo monitorado.  Métodos Indiretos Medição por ultrassom d =(v*t)/2 d=distância medida t=tempo do sinal e o eco v= velocidade do sinal  Métodos Indiretos Medição por ultrassom  Métodos Indiretos Medição por ultrassom Vantagens Desvantagens Baixo custo. Se o silo é alimentado pneumaticamente, a poeira pode impedir um sinal de retorno para o sensor. Não-contato. Tanque pode impedir um sinal de Altamente viável para a medição de retorno para o sensor. sólidos. Materiais de alta temperatura também Pode ser utilizado sem quaisquer vai mudar a velocidade de transmissão → problemas de precisão. restrições abertos ou fechado. O eco material tb apresenta um desafio; superfícies inclinadas pode causar reflexo indireto levando a fraca e / ou ecos de divisão.  Métodos Indiretos Medição por radar O termo radar vem da abreviação de detecção de rádio. Originalmente criado para aplicações militares com a intenção de detectar aeronáves em 1930. O radar trasnmite uma onda eletromagnética.  Métodos Indiretos Medição por radar O sinal de radar é emitido por uma antena, que reflete na superfície do produto, e retorna novamente depois de um intervalo de tempo que é proporcional a distância entre a antena e a superfície do produto. A sinal é gerado por um: ▫ Radar por frequência modulada - Sistema chamado FMCW ( Frequency Modulated Continuous Wave ). ▫ Radar por pulso de sinal.  Métodos Indiretos Medição por radar  Métodos Indiretos Medição por radar Vantagens Desvantagens Pode medir nível de líquidos complexos (tóxicos, É a técnica de medição de nível mais cara; perigosos, sanitários); Não pode ser usado em aplicação com Não requer licença legal (como o radiativo); sólido, por causa do sinal fraco de reflexão; É uma medição sem contato; Apresenta alta precisão, na faixa de 1,5 a 60 m; Possui menor número de aplicações que o sistema com radiação nuclear. A antena pode ser colocada externamente, totalmente isolada do processo; A operação é verificável através do monitor; Nenhuma recalibração é requerida quando se altera as condições de processo, pois a mudança do líquido não afeta a velocidade, frequência e processamento do sinal; A operação do sistema pode tolerar revestimento do sensor, turbulência da superfície e espuma no líquido (melhor que laser e ultrassom).  Métodos Indiretos Medição por radiação Utiliza uma fonte que contém O conjunto é constituído por uma algum tipo de material radioativo fonte radioativa que emite radiação como césio ou de cobalto e um detector que detecta a radiação localizado sobre um lado do atenuada e converte-o em uma recipiente enquanto do utro lado percentagem de nível contém o detector eletrônico. A radiação gama tem transmissibilidade muito menor através do material que o ar, assim atenuação indica a sua presença entre a fonte e o detector.  Métodos Indiretos Medição por radiação Vantagens Aplicação Baixo Custo de Manutenção. Para fluidos de processo altamente corrosivos ou tóxicos onde penetrações para o vaso deve ser minimizado e onde Alta Confiabilidade. os requisitos de tubulação fazem medição impraticável. Técnica não invasiva. Em processos onde as condições Nenhuma exposição à corrosão, a alta internas do reservatório são muito pressão, ou condições abrasivas ou a violentas para qualquer instrumento processo de alta temperaturas. resistir (por exemplo, unidade de coquefacção retardada na indústria de refino de petróleo). Sem partes móveis. Detectores sem partes móveis evitam problemas de desgaste, corrosão ou falhas mecânicas no processo. Tecnologia comprovada. Medidas por radiações nucleares provaram ser viável ao longo do tempo em milhares de aplicações.  Métodos Indiretos Medição por Ópticos-laser Os sensores óticos usam a luz visível, infravermelho ou laser para detectar o nível de fluido. Baseiam-se na habilidades do material para transmissão da luz, reflexão ou de refracção. Podem ser utilizados na detecção de nível por contato ou sem contato com o fluido.  Métodos Indiretos Medição por Ópticos-laser Coloca-se um emissor laser num dos lados do recipiente de modo que o raio atinja a superfície em ângulo,sendo então refletido para umdetector. Variações no nível da superfície alterarão o ângulo de reflexão estabelecendo-se assim uma relação com o nível. Operam segundo o princípio dos medidores por ultra-som  Métodos Indiretos Medição por Ópticos-laser RESTRIÇÕES Pouco usados, talvez o fator mais limitativo, com medição a laser é a necessidade de se ter uma superfície suficientemente refletora para a luz do laser penetrar. Muitos fluidos não refletem o suficiente para que este seja uma técnica de medição prática, Na presença de poeira ou de vapores de espessura no espaço entre o laser e o líquido vai dispersar a luz, o líquido vai dispersar a luz, o enfraquecimento do sinal de luz e tornar o nível mais difícil de detectar.  Métodos Indiretos Medição por Ópticos-laser Vantagens Desvantagens Taxas de atualização muito rápida. Baixo desempenho em aplicações com ambiente de muito pó onde ou onde o laser não penetra na superfície. O feixe do laser é extremamente estreita, que a torna ideal para aplicações estreitas.  Métodos Indiretos Medição por magnetostritivos Magnetostrição é uma propriedade que alguns materiais ferromagnéticos apressentam de contrair-se ou expandir-se quando imersos em um campo magnético.  Métodos Indiretos Medição por magnetostritivos Os sensores de nível magnetostritivos têm um ou mais flutuadores, e em seu interior encontram-se ímãs permanentes. A medição de nível consiste na medição da distância entre a boia (com um ímã) e um ponto de referência (o cabeçote do instrumento).  Métodos Indiretos Medição por magnetostritivos Vantagens Desvantagens Velocidade do sinal e conecida e Não indicado para aplicação em sistemas constante. com sólidos. Depende do desempenho e manutenção Não é afetada por oscilações de dos flutuadores. temperatura e pressão. Não é afetado por resíduos. Não é afetado pelo eco.  Dica de vídeo https://www.youtube.com/watch?v=4wZTbAvr3Ks  Game www.kahoot.it Vamos jogar! Obrigada!