Medição Indireta de Nível por Pressão Diferencial

Pessoal, vamos fazer alguns cálculos? Preparem a calculadora....... Porém, vale ressaltar a premente necessidade de conhecer os termos do Vocabulário Internacional de Metrologia do INMETRO e a Norma Internacional ISA 5.1, pois são os documentos que sanarão quaisquer dúvidas sobre termos e símbolos utilizados neste artigo. Vale a pena ler e conhecer estes documentos. 

Medimos nível para sabermos a altura do conteúdo de um reservatório. Este conteúdo pode ser sólido ou líquido. Trata-se, portanto, de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos, pois por meio desta medição torna-se possível avaliar o volume estocado de materiais em tanques de armazenamento, realizar o balanço de materiais de processos contínuos onde existam volumes líquidos ou sólidos de acumulação temporária, reações, mistura, entre outros, e realizar a segurança e o controle de alguns processos os quais o nível do produto não pode ultrapassar determinados limites. A medição de nível pode ser por régua ou gabarito, visores de nível ou flutuador acoplado à uma régua. Estes métodos são para medição direta de nível (Figuras 1 e 2). 

Fig. 1: Medição Direta - Régua ou Gabarito

Fig. 2: Medição Direta - Visor de Nível

Na impossibilidade de se utilizar este método, devemos usar a medição indireta de nível. Aí, temos uma gama de métodos: por pressão diferencial, por empuxo, por radar, por ultrassom, por eletrodos. Focaremos aqui, a medição de nível por pressão diferencial.

A pressão hidrostática de um ponto imerso em um líquido depende do peso específico e da altura em relação à referência em que se deseja saber o valor da pressão. Esta relação entre peso específico e altura foi escrita no teorema de Stevin, que postulou que o produto entre estas duas grandezas seria a pressão exercida pela coluna líquida no ponto em questão. Veja a figura 3.

Fig. 3: Teorema de Stevin - Pressão Hidrostática no ponto A

Como o reservatório é aberto para a atmosfera, podemos considerar a parcela da pressão atmosfera, adicionando-a ao valor da pressão no ponto A. Neste caso, a pressão calculada chama-se pressão absoluta, uma vez que somamos a pressão atmosfera à pressão hidrostática. No entanto, se quisemos saber apenas a pressão no ponto A devido à coluna do líquido, percebemos que esta pressão hidrostática é diretamente proporcional à altura, considerando-se a temperatura constante, uma vez que esta influencia no valor do peso específico. Assim, uma variação na altura (h) provoca uma variação proporcional na pressão (p). Com o auxílio de um transmissor de pressão diferencial, podemos calcular o nível de qualquer reservatório desde que seja possível sabermos o peso específico do líquido e a pressão estática no transmissor.

Vejamos a Figura 4 que é uma parte de um fluxograma de processo e de instrumentação, também chamado de PI&D. 

Fig. 4: Medição Indireta de Nível por Pressão Diferencial

Vemos um reservatório ou tanque que contém um líquido com determinado peso específico. Para medição de nível, utiliza-se um transmissor indicador de nível (LIT) que é um transmissor de pressão diferencial, montado no campo. Este possui, além do circuito eletrônico, um sensor capacitivo que fica em contato diretamente com o líquido do processo, com dois lados, chamados de câmara de alta (H) e de câmara de baixa (L). A variação de pressão se dá pela subtração das pressões da câmara de alta e da câmara de baixa (H - L). O transmissor faz a conversão do valor de pressão em corrente contínua, variando de 4 a 20 mA. Assim, quando o nível do reservatório for 0% (vazio), o transmissor envia um sinal de 4 mA ao restante da malha de processo, e quando o reservatório estiver cheio (nível em 100%), o transmissor envia um sinal de 20 mA. Na saída do LIT, temos um instrumento (LY) que converte o sinal de corrente elétrica (4 a 20 mA) em sinal de rede de computação (software), localizando em um controlador lógico programável (CLP), instalado em um painel auxiliar que não está na sala de controle. Este sinal de rede, entra em duas chaves de nível, localizadas no mesmo painel auxiliar do LY, que são acionadas quando o nível do reservatório atingir valores setados. A LSL é uma chave de nível baixo e a LSH é uma chave de nível alto. Neste caso, elas estão ajustadas para atuar com 10% para nível baixo e com 90% para nível alto. Estas chaves enviam informação, via rede, para dois alarmes (visuais e sonoros), que estão no sistema supervisório em uma sala de controle do processo. LAL é o alarme de nível baixo e o LAH é o alarme de nível alto. Também na sala de controle, no sistema supervisório, encontra-se um indicador de nível (LI). Neste instrumento, é possível visualizarmos remotamente o valor instantâneo do nível dentro do reservatório, em percentual (%).

Posto isso, vamos calcular a faixa nominal (FN) do transmissor indicador de nível (LIT). A faixa nominal de um instrumento é a faixa que compreende o valor inicial e o valor final da variável de processo (mensurando) a qual o instrumento está submetido. A amplitude da faixa nominal é a diferença entre o valor final e o valor inicial da faixa nominal. Vejamos os cálculos a seguir.

Eq. 1: Determinação da variação de pressão em função do nível

Eq. 2: Cálculo da faixa nominal do LIT

Eq. 3: Cálculo da altura do tanque

Eq. 4: Cálculo do valor do alarme de nível baixo em metros e em mA

Eq. 5: Cálculo do valor do alarme de nível alto em metros e em mA

Agora, houve uma solicitação para mudar a instalação do LIT. Por questões ergonômicas, o LIT ficará 1 m abaixo do tanque, conforme mostrado na Fig. 5.

Fig. 5: LIT locado abaixo do tanque

Além do desenho, o que mais muda? A altura do tanque muda? A faixa nominal do LIT muda? A indicação do LI muda? Os valores dos alarmes mudam?

E aí? O que muda?

Vamos ver. De primeira, podemos ver que a altura do tanque é a mesma, ou seja, o processo não mudou. No entanto, de acordo com o teorema de Stevin, tem líquido e tem altura, tem pressão. Assim, como o transmissor foi deslocado 1 metro abaixo do tanque, surge uma nova pressão que contribui na medição e, por conseguinte, altera o valor da faixa nominal do transmissor indicador de nível (LIT). 

Eq. 6: Determinação da variação de pressão da Fig. 5

Eq. 7: Cálculo da nova faixa nominal do LIT da Fig. 5

Eq. 8: Cálculo da altura do tanque da Fig. 5

Sem surpresa, o valor calculado da altura do tanque na Eq. 8 é igual ao valor calculado na Eq. 3, porque o tanque, o processo não mudou. A faixa nominal do LIT mudou porque a nova altura (1 m) vezes o peso específico (0,8 kgf/m³) contribuem para o surgimento de uma nova pressão (0,8 kgf/m²) que foi acrescida à pressão hidrostática do tanque. Daí, a nova faixa nominal do LIT é de 0,8 a 4,8 kgf/m². Quando o nível do tanque for 0%, há uma pressão de 0,8 kgf/m² na câmara de alta (H) do LIT. É preciso ajustar a saída do transmissor para 4 mA. Quando o nível do tanque for 100%, há uma pressão de 4,8 kgf/m² (4 kgf/m² no tanque mais 0,8 kgf/m² proveniente da coluna formada pela altura h1) na câmara de alta (H) do LIT. Então, é preciso ajustar a saída do transmissor para 20 mA. Como os novos ajustes, o transmissor indicador de nível enviará 4 a 20 mA para os outros instrumentos não sendo necessário alterar quaisquer ajustes nestes.

E se o tanque for fechado? Como serão os cálculos? Vamos estudar agora. Vejam a Fig. 6.

Fig. 6: Medição Indireta de Nível por pressão diferencial - Perna Seca

Percebam as mudanças. O Tanque mudou. Agora tem 4 metros de altura, é fechado e está pressurizado com 1,5 kgf/cm². Em função de o tanque ser fechado e pressurizado, a câmara de baixa (L) do LIT precisa ter esta pressão de referência e por isso, a mesma foi interligada na parte superior do tanque. Um detalhe importante, neste tipo de medição, não há líquido na tomada de impulso da câmara de baixa (L) do transmissor. Daí o nome PERNA SECA no desenho. Portanto, é preciso garantir que o líquido do processo não entre na câmara de baixa (L) do LIT.

Não haverá mudança alguma das equações desta malha em relação às equações da malha da Fig. 5, exceto pelos novos dados do processo. Vamos ver agora. 

Eq. 9: Determinação da variação de pressão da Fig. 6

Eq. 10: Cálculo da nova faixa nominal do LIT da Fig. 6

Eq. 11: Cálculo da altura do tanque da Fig. 6

Novamente a faixa nominal do LIT foi ajustada para atender às especificidades do processo. Com isso, quando o nível do tanque for 0%, há uma pressão de 0,8 kgf/m² na câmara de alta (H) do LIT. O transmissor já está ajustado para uma saída de 4 mA. Porém, quando o nível do tanque for 100%, há uma pressão de 4,0 kgf/m² (3,2 kgf/m² no tanque mais 0,8 kgf/m² proveniente da coluna formada pela altura h1) na câmara de alta (H) do LIT. Então, é preciso fazer novo ajuste na saída do transmissor para 20 mA. Com os novos ajustes, o transmissor indicador de nível enviará 4 a 20 mA para os outros instrumentos não sendo necessário alterar qualquer ajuste nestes. Os alarmes de nível baixo e de nível alto atuarão quando o nível atingir 0,4 m e 3,6 m, respectivamente, sendo os valores, respectivos, de saída do transmissor indicador de nível 5,6 mA e 18,4 mA.

E o que acontece se tiver líquido na câmara de baixa (L) do transmissor quando o tanque for fechado e pressurizado? Olhem a Fig. 7.

Fig. 7: Medição Indireta de Nível por pressão diferencial - Perna Molhada

Nesta última malha, novas mudanças. O peso específico mudou e há um líquido na câmara de baixa (L) do LIT, com peso específico diferente. Quando há líquido na tomada de impulso da câmara de baixa (L) do transmissor indicador de nível chamamos de PERNA MOLHADA.

Como ficarão os cálculos agora? Vamos ver.

Eq. 12: Determinação da variação de pressão da Fig. 7

Eq. 13: Cálculo da nova faixa nominal do LIT da Fig. 7

Eq. 14: Cálculo da altura do tanque da Fig. 7

Finalizando nosso estudo, novamente a faixa nominal do LIT foi ajustada para atender às mudanças do processo. E os valores da faixa nominal ficaram negativos!!!!!!?????

Não se preocupem. Os valores negativos nos informam que a pressão na câmara de baixa (L) é sempre maior do que a pressão na câmara de alta (H) do LIT em toda variação de nível do processo. Com isso, quando o nível do tanque for 0%, há uma pressão de 0,7 kgf/m² na câmara de alta (H) do LIT, enquanto a pressão na câmara de baixa (L) será de 5 kgf/m², que aliás, será fixa sempre, neste caso. O valor do diferencial de pressão será de 4,3 kgf/m² negativos e o transmissor precisa ser ajustado para uma saída de 4 mA. Já quando o nível do tanque for 100%, há uma pressão de 3,5 kgf/m² na câmara de alta (H) do LIT, enquanto na câmara de baixa (L) permanece a pressão de 5 kgf/m², gerando um diferencial de 1,5 kgf/m² negativos. Então, é preciso, novamente, fazer um ajuste na saída do transmissor para 20 mA. Com os novos ajustes, o transmissor indicador de nível enviará 4 a 20 mA para os outros instrumentos, não sendo necessário alterar qualquer ajuste nestes.

É isso. Espero que tenham gostado de mais este artigo. Tudo de bom a todos.