Rogerio Dias Gimenes-Medidor de NIVEL tipo Empuxo

Rogerio Dias Gimenes-Medidor de NIVEL tipo Empuxo

10Mecatrônica Atual :: Abril/Maio 2008 instrumentação

A Rogério Dias Gimenez saiba mais

Medição de vazão com placa de orifício Mecatrônica Atual 26

Vazão DP: idéia antiga, solução moderna Mecatrônica Atual 30 medição de nível por Empuxo é um método de medição indireta e se baseia no princípio de Arquimedes, onde todo corpo mergulhado em um líquido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima, igual ao peso do volume do líquido deslocado. Esse fenômeno é conhecido como Empuxo (Figura 1).

O medidor de nível por Empuxo é constituído por um elemento flutuador (deslocador), que diante de variações no nível do líquido (o empuxo que o líquido exerce sobre o flutuador) é transformado em um movimento rotativo. Esse movimento é detectado pelo transmissor que envia um sinal proporcional ao nível de fluido no tanque.

Nível tipo Empuxo

Neste artigo é apresentado o princípio de funcionamento, vantagens e algumas aplicações desse medidor, que gera pouca manutenção e tem ótima confiabilidade

Medidor de

E = V * yl E = Empuxo

W = Peso do Corpo V = Volume submerso do corpo yl = peso específico do líquido medido

O deslocador, que é o elemento primário de medição, é formado por um peso suspenso num sistema de alavancas que determina a força vertical que o mesmo exerce. À medida que o nível sobe, o peso, parcialmente imerso, exerce menor força vertical em virtude do empuxo exercido pelo líquido deslocado.

O movimento vertical do deslocador é convertido num movimento rotatório da haste e no movimento torsional do tubo, o que permite se efetuar a medição. Como a densidade do produto em medição influi no peso resultante do deslocador quando o mesmo está submerso, a calibração desse tipo de medidor de nível, deve ser realizada sempre levando em consideração o peso específico do líquido (Figura 2).

Vantagens • Manutenção simples e pouca;

• Robustez;

11Abril/Maio 2008 :: Mecatrônica Atual instrumentação

F1. Princípio de Arquimedes

• Confiabilidade; • Boa precisão;

• Vida útil de operação longa ;

• Instalação Simples;

Aplicações • Devem ser usados apenas para líquidos relativamente não viscosos e livres de partículas sólidas. • Geralmente são empregados na medição de gases liquefeitos, condensados, tanque de líquido refrigerante (sistema de refrigeração),etc. • Uma aplicação muito comum é a medição de nível de interfaces, ou seja, tanques que contêm dois líquidos com diferentes densidades e que não se misturam, como por exemplo a água e o óleo (Figura 3). O medidor tipo Empuxo indicará o nível dessa interface, isso é comum em Torres de destilação, Torres de lavagem, decantadores, etc. • Medição de nível em vasos e tanques de pequeno porte • Medição de líquidos em temperatura de ebulição.

densado, líquido refrigerante)

Atente para as figuras 4 e 5 que ilustram outros sistemas de Medição de Nível (con-

Limitações • Aplicações para medição de sólidos e granulados em geral; • Tanques, vasos com grandes alturas de medição; • Não devem ser usados em casos de muita variação da densidade, pois devido ao deslocador do instrumento estar imerso num líquido, o mesmo fica vulnerável à mudança da densidade que irá interferir na precisão da medição;

Características • Os medidores do tipo Empuxo são utilizados apenas para líquidos livres de partículas sólidas. Eles proporcionam uma ótima performance em aplicações com ranges de até 10 metros, podendo conforme cada fabricante, atender a ranges de medição ainda maiores. • Sua faixa de medição varia de acordo com a aplicação, sendo que a faixa máxima disponível normalmente no mercado é de 0 ~ 5.0 m e a precisão varia conforme o fabricante, entre 0,5 e 2%.

F2. Desenho de um Medidor de Nível do tipo Empuxo

F3. Medição e Controle de Interface Água/Óleo

F4. Medição de Nível de Condensado num Sistema de Recuperação de Vapor

• O medidor em si consiste de um deslocador com peso conhecido e calibrado, que quando na presença do líquido a ser medido, o mesmo fica parcialmente submergido. Este deslocador está conectado por um braço a um tubo de torção, o qual, por sua vez, possui uma haste interna que transmite o movimento de giro proporcional ao torque detectado pelo deslocador ao sistema de avaliação, medição e transmissão externo localizado externamente ao tanque ou câmara de medição. • O deslocador comumente utilizado como sensor de transmissor de nível tem a forma de um cilindro oco, fabricado com materiais como aço inox 304 ou 316, monel, hastelloy, teflon sólido, etc. A escolha do material adequado é determinada principalmente pela temperatura e poder corrosivo do fluido. No interior do cilindro, se necessário, são depositados contrapesos granulados, a fim de ajustar o peso do deslocador. • Quando não existe nível de líquido no tanque onde o medidor do tipo empuxo está instalado, seu deslocador (elemento primário) que está totalmente seco terá peso resultante (peso aparente) igual ao seu peso real (W). Quando o nível de líquido atinge a posição correspondente a 50% da altura do deslocador, o seu peso aparente passa a ser o peso real (W) menos a força de empuxo (E) sofrida pelo mesmo, desse modo o peso aparente será diminuído. • A fórmula utilizada para obter o valor do Peso Aparente ( Pa=Pap ) é a seguinte:

Pap = W – E

Pap = Peso Aparente W = Peso real do deslocador E = Empuxo sofrido pelo deslocador

Devido a variação do Peso Aparente do

Deslocador, pela mudança do nível quando da medição, o sistema de medição de nível do tipo empuxo detecta essa variação de peso e a transforma em sinal de medição pneumático ou elétrico.

Instalação (mecânica)

Para conseguir uma melhor performance na medição, são necessários os seguintes cuidados na instalação: seguir cuidadosamente as instruções específicas de cada fabricante do instrumento; evitar vibração mecânica no tanque ou vaso onde se deseja

12Mecatrônica Atual :: Abril/Maio 2008 instrumentação instalar esse tipo de medidor; não variar a densidade do líquido a ser medido.

Instalação Mecânica Ideal

Montar o medidor numa câmara de medição instalada lateralmente ao tanque ou vaso como um sistema de bypass na tubulação. Essa câmara tem a função de autoconter o medidor e fazer com que a superfície do líquido a ser medido mantenha-se estável, para facilitar a manutenção do medidor (Figura 6).

Em caso do medidor estar instalado via câmara de medição em bypass, a câmara de medição deve possuir válvulas de bloqueio nas tomadas comunicantes (superior e inferior) e drenos de líquido na parte inferior e válvula de escape para gás na parte superior. O nível na câmara de medição, acompanha o nível do vaso ou tanque através do princípio de vasos comunicantes.

Métodos para Calibração do Medidor de Nível do tipo Empuxo

Peso Morto de Calibração (Calibração com Peso Morto )

Consiste em calcular o peso aparente (Pap) do deslocador, para os diversos va- lores de nível necessários para a calibração, usando as seguintes expressões :

Pap = Wreal – ( Vd . yl )

Pap = Peso Aparente Wreal = Peso real do deslocador Vd = Volume do deslocador submerso yl = Peso específico do líquido

Como o deslocador possui uma forma cilíndrica, então :

Vd = * D2 / 4 * h

D = Diâmetro do deslocador h = Altura do Deslocador submerso

Em condições limites, o deslocador totalmente submerso (nível em 100%) e o deslocador seco (nível em 0%), tem-se :

Pap 0% = Wreal – (* D2 / 4 * 0 * yl )

Pap 0% = Wreal Pap 100% = Wreal – (* D2 / 4 * Z * yl )

Z = Altura total do deslocador Os pesos aparentes, correspondentes a 25; 50 e 75% de imersão, são obtidos por média :

Pap 50% = Pap 0% + Pap 100% / 2 Pap 25% = Pap 0% + Pap 50% / 2 Pap 75% = Pap 50% + Pap 100% / 2

• Para se realizar efetivamente a calibração, confecciona-se pesos conforme os valores calculados, podendo-se também usar uma pequena caçamba, então coloca-se em seu interior areia ou qualquer outro material até atingir o peso calculado. • Este método apresenta como vantagem permitir que somente o instrumento seja desmontado do tanque, não necessitando a remoção do deslocador de medição. • Exemplo de cálculo: como calcular o peso dos padrões de calibração deste tipo de medidor para medir um líquido com peso específico de y = 1000 kgf/m3, cujo o deslocador possui as seguintes características :

Peso real “Wreal” = 1,6 kgf ; Diâmetro “D” = 7 cm Altura “Z” = 35 cm

Solução : D = 7 cm = 0,07 m Z = 35 cm = 0,35 m Wreal = 1,6 kgf yl = 1000 kgf/m3

Portanto : Pap 0% = Wreal = 1,6 kgf Pap 100% = Wreal – ( * D2 / 4 * Z ) * yl Pap 100% = 1,6 – ( * 0,07(2) / 4 * 0,35 ) * 1000 = 1,6 – 1,347 Pap 100% = 0,253 kgf

Pap 50% = ( Pap 100% + Pap 0%) / 2 = (0,253 + 1,6) / 2 Pap 50% = 0,927 kgf

Pap 25% = ( Pap 50% + Pap 0% ) / 2 = (0,927 + 1,6) / 2 Pap 25% = 1,263 kgf

Pap 75% = ( Pap 100% + Pap 50% ) / 2 = (0,253 + 0,927) / 2 Pap 75% = 0,590 kgf

O ideal no caso desta aplicação, é a confecção de pesos padrões calibrados com certificados para a execução da calibração periódica e certificação rastreada por órgãos Certificadores.

Calibração através da simulação do nível de água

Consiste em se instalar uma mangueira transparente na válvula de dreno inferior da câmara de medição do instrumento, curvando a mesma para o alto. Fechando as válvulas de bloqueio, isolando assim o instrumento do processo, basta colocar água através da mangueira e, por vasos comunicantes, o nível que o deslocador estará submetido, será o visualizado na mangueira. Supondo que o líquido de processo não seja água, uma correção será necessária, conforme a seguir :

Z 100% = ( yl / yH2O ) * Z

Onde : Z 100% = Altura corrigida para uma simulação de nível, quando o líquido de processo não é água. Z = Altura real do deslocador

Considerações finais

Para o uso adequado dos medidores do tipo Empuxo, a densidade do líquido deve ser conhecida e constante. Esses medidores promovem uma medição com alta precisão em casos onde a variação de densidade é mínima no processo e a temperatura é constante. São altamente indicados na medição de interfaces.

Rogério Diaz Gimenez é Consultor Técnico MA

F5. Medição de Nível em Tanque de Líquido Refrigerante num Sistema de Refrigeração

F6. Instalação Mecânica Ideal para o Medidor de Nível tipo Empuxo

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