sexta-feira, 11 de novembro de 2016

Medindo o nível de líquidos com Transmissores Hidrostáticos

A medição de nível de líquidos usando um sensor de transmissor de nível hidrostático é cada vez mais comum especialmente para sistemas de vigilâncias de represas e reservatórios. esse artigo é um resmo do que hoje pode ser feito em termos de especificação e instalação de sensores desse tipo para as mais variadas aplicações.


A importância da medição hidrostática

A medição de nível tem visto mudanças consideráveis nas últimas décadas - desde medições de nível puramente mecânicas até sensores eletrônicos complexos usando vários princípios de medição atuando conjuntamente para uma precisão extrema. O grande número de tecnologias diferentes para medir o nível (cito algumas como hidrostática, magnetoresistivity, radar, ultra-som, óptico e etc) oferece hoje ao usuário a possibilidade de escolher a tecnologia de sensor mais adequada para sua aplicação individual.

Mas como já disse em outros artigos, a confiabilidade está sempre em coisas que são utilizadas com muita frequência. Quando me perguntaram porque eu comprei um celular que já estava obsoleto e que todos já tiveram o Galaxy I da Samsung eu respondi simplesmente porque todos os erros grandes já tinham sido superados nesse ultimo aparelho da linha. Tecnologias novas são muito sujeitas a falhas e em mercados mais conservadores onde se precisa de confiabilidade como na indústria a robustez vale muito mais do que a tecnologia.

Na medição contínua do nível, a pressão hidrostática (pressão da coluna do líquido) é o princípio de medição mais usado por sua robustez e confiabilidade.

O princípio de medição

Os sensores de pressão hidrostática são utilizados para a medição do nível o que chamamos de coluna de liquido. A medição da pressão hidrostática é adequada para medição de nível devido ao efeito hidrostático de fluidos que não fluem, ou seja, fluidos que estão armazenados sem muitas perturbações significativas. Este princípio físico descreve o efeito da força de peso de um líquido estacionário, geralmente descrita como "pressão hidrostática".

Independentemente da forma e do volume de um recipiente, a pressão hidrostática no ponto de medição de um tanque ou recipiente é proporcional apenas à altura de enchimento.


A variação do volume ou peso de um líquido com alteração de altura, a pressão hidrostática no ponto de medição é apenas proporcional à altura de enchimento absoluta e não à quantidade de enchimento. Essa característica transmite uma grande robustez na medição do nível do liquido.

Um líquido estático gera, através da sua densidade específica e gravidade, uma força peso proporcionalmente correspondente com a altura de enchimento. Consequentemente, a pressão hidrostática representa uma medida direta do nível de enchimento ou do grau de enchimento de um tanque ou recipiente.

Medição em reservatórios abertos para atmosfera

Na medição do nível hidrostático em reservatórios abertos também conhecidos na literatura inglesa como recipientes abertos ou ventilados (em que o ar que completa o reservatório está livre de qualquer sob ou sub pressão), ocorre uma compensação de pressão contínua do ar ambiente com a fase gasosa acima do líquido. Assim, a pressão ambiente que atua sobre o meio como uma "força" adicional sempre se assemelha à pressão ambiente que atua sobre todo o sistema, incluindo o sensor de nível.

O instrumento em si, o sensor de pressão, trata-se de uma célula de medição de pressão relativa comparando a um lado a  pressão ambiente na superfície do líquido com pressão correspondente a uma determinada altura de liquido.


O valor efetivamente medido pelo liquido seira dado pela relação:

h = p / (pho  * g)

p = pressão hidrostática do liquido [bar (msi)]pho = densidade do liquido [kg/m³] 
g = aceleração da gravidade média para a  [m/s²]
h = altura da coluna de liquido [m]
 

Tipos de sensores de nível hidrostáticos 

Existem basicamente três subtipos de sensores de medição hidrostática: tipo transmissores de pressão convencionais, transmissores de pressão de processo e transmissores de pressão submersíveis, disponíveis em variantes de pressão relativa, absoluta e diferencial.

Os transmissores de pressão convencionais são os mais utilizados, devido à sua ampla utilização em várias indústrias, principalmente sem a necessidade de requisitos especiais sobre a tecnologia de medição (como escalabilidade da faixa de medição ou linearização integrada do tanque). Em termos práticos, um sensor de pressão absoluta instalado em uma posição inferior de um tanque tem precisão suficiente para com 2 amostras do tanque cheio e vazio traçar uma linearização entre os valores apresentados pelo sensor em termos de pressão e a altura equivalente do liquido do tanque com uma relação satisfatória.

O melhor desses sensores é sua robustez e sua relação preço/desempenho. São simples de instalar e operar, rápidos e disponíveis com uma faixa de precisão grande o que não necessariamente vai se refletir numa boa utilização para medição do nível. Outra vantagem a se destacar é que para um sistema hidráulico por exemplo onde se usa diversos sensores de pressão utilizar um sensor de pressão este representa mais um elemento entre iguais podendo em certos casos ser intercambiável com outros do mesmo sistema . 

Os transmissores de pressão de processo, no entanto, são utilizados principalmente em aplicações com exigências especiais na tecnologia de medição (como sinais de barramento, escalabilidade da faixa de medição, linearização integrada do tanque, etc.). Trata-se de um sensor integrado com um modulo de pré-processamento isso facilita a integração desse sensor com sistemas DCS limitados em processamento ou onde não quer se exigir lógicas de processamento complexa, geralmente bem mais caros e ainda mais robustos.

Os sensores submersíveis são aqueles que ficam instalados diretamente no líquidos, geralmente utilizados para água. o sensor piezoelétrico instalado dentro de um sonda que é lançada no liquido ao qual se quer medir onde um lado fica exposto a pressão do liquido e o outro lado é equalizado através de um pequeno tubo de plástico que segue junto com o os cabos de interligação para a parte de cima do liquido.

Vantagens, desvantagens e limitações dos sensores hidrostáticos

Claro que mesmo com o já tratado exitem certas limitações e desvantagens consideráveis que devem ser levadas em consideração na escolha do sensor, especialmente nas fases de especificação do sistema de medição que vai ser utilizado.

Vantagens:

  • REPETITIVIDADE - A maior vantagem sem dúvida é ter um princípio de medição comprovado e estabelecido e confiável.
  • ROBUSTEZ - Processo de medição robusto, não influenciado por fatores perturbadores como poeira, espuma, vapor, acumulação, contaminantes, etc.
  • CONFIABILIDADE - Medição confiável não afetada por muitas características físicas como condutividade, coeficiente dielétrico ou viscosidade
  • SIMPLICIDADE - Instalação e operação simples de transmissores de pressão submersíveis e sensores de pressão convencionais sem necessidade de calibração ou ajuste
  • MEDIÇÃO DIRETA - Contato direto com o meio
  • DIVERSAS SOLUÇÕES - Numerosas variações de projeto alternativas e tecnologias de sensores para quase todas as aplicações

Desvantagens

  • Perde precisão quando o sensor está submetido a líquidos que variam de densidade como água de esgoto sanitário, líquidos aquecidos.
  • Também não pode ser usado em líquidos com partículas
  • Muitas vezes sua precisão em pequenos tanques pode sofrer consideravelmente especialmente me líquidos com pouca viscosidade.
  • Quando submetido a turbulências no liquido em medição pode apresentar problemas de leitura.
  • Influência da temperatura do liquido: a variação da temperatura de certos líquidos pode afetar consideravelmente a precisão do medidor hidrostático por pressão. 

Boas práticas para projeto e instalação de sensores hidrostáticos

A seleção de um sensor de nível complicada porque envolve especificar um sensor que atenda como uma medição indireta do valor de pressão para outra finalidade. A grande popularidade dos sensores hidrostáticos reside na sua aplicação simples, uma baixa suscetibilidade a problemas desde a instalação até à sua operação contínua, sua alta tolerância a distúrbios além da sua fácil adequação da tecnologia para quase todas as condições de aplicação. 

A influência da temperatura, especialmente a sua influência na densidade do meio específico, deve ser incorporada ao processo de correção da pressão. Uma variação positiva da temperatura de um dado processo pode conduzir a uma menor densidade do meio e um nível correspondentemente crescente, no entanto, nem sempre na mesma proporção que o aumento da pressão hidrostática tornando o sensor pouco preciso para situação onde ocorre esse tipo de fenômeno. É imprescindível conhecer a densidade do líquido e sua relação com a temperatura e as variações de temperatura as quais o liquido está submetido. Se o processo tiver uma forte mudança ou uma densidade desconhecida, isso normalmente seria compensado por sensores adicionais. Deste modo, estão disponíveis vários sensores de pressão com sensores de temperatura adicionais, que permitem medir a temperatura do meio para a compensação da densidade.

O meio e as suas características, em particular a sua viscosidade e teor de sólidos, decidirão entre utilizar um sensor de pressão com um desenho tradicional com orifício de pressão ou um com um diafragma de descarga. Pessoalmente não me lembro de ter visto sensores operados com diafragma, para 90% das aplicações um orifício é mais que o necessário. Em certas situações como a medição de reservatórios de óleo é recomendável instalar o sensor levemente acima do minimo do tanque, desta forma a precipitação de impurezas não é nem contabilizada nem provoca obstrução do orifício de medição. 

É importante atentar às características do meio a ser medido na escolha de um transmissor de pressão convencional, só então a medição da pressão hidrostática pode ser utilizada de forma confiável, mesmo sob as condições mais severas. Os transmissores de pressão submersíveis, como uma variante de projeto específica de um transmissor de pressão, são usados ​​em meios contaminados, tais como águas residuais, bem como em meios limpos, como combustível ou água subterrânea. Para tanto, são utilizadas tanto as variantes do produto de descarga como as variantes com grandes e alargadas portas de pressão, de modo a garantir uma elevada fiabilidade na medição do nível na aplicação submersa.

Outro aspecto importante é a posição onde o sensor será instalado, normalmente não se armazena líquidos apenas por armazenar, geralmente os tanques e reservatórios possuem locais de entrada e saída. O sensor devem ser instalado o mais distantes possível de moro a não sofrer influências da circulação do liquido dentro do tanque.

Na medição da pressão diferencial com transmissores de processo a posição de montagem é uma fonte comum de imprecisões na medição de nível. Os pontos de medição do meio e da fase gasosa são tipicamente ligados à célula de medição diferencial do transmissor por capilares cheios de óleo. A diferença de altura destes pontos de medição para o transmissor de pressão diferencial conduz a uma pressão hidrostática adicional dentro dos capilares. Este efeito gera uma sobre ou subpressão adicional a medição da pressão hidrostática, o que acaba por distorcer a medição. A imprecisão resultante da medição deve ser corrigida dentro da instalação por uma correção de posição e configuração adequada do transmissor de pressão diferencial, de modo que uma compensação totalmente automática deste fator de perturbação pode ser feita. Além disso, recomenda-se fortemente posicionar o transmissor abaixo da altura do ponto de medição de nível, a fim de eliminar qualquer pressão hidrostática negativa ou pressão insuficiente da medição de nível.



Experiências e Boas práticas

A maior parte dos sensores hidrostáticos são de saída 4-20mA ou que equivalha. De fato, não se sabe os valores de pressão efetivamente fornecidos pelo líquido em suas mais variadas posições. A primeira vez que me deparei com um problema desses foi quando o sensor foi instalado em um tanque de uma unidade hidráulica para medição do nível e seu indicados mostrava o valor em "bar" e a unidade já estava completamente cheia de óleo.

Trava-se de 4 tranques iguais e em cada um o sensor de nível indicava valores diferentes de pressão para a mesma coluna de 1,2 m de óleo.

A solução foi fazer variar o nível no reservatório dentro da faixa operacional, cerca de 20 cm, e a partir destas duas tomadas de pressão a 1,2 m e a 1,4 m realizar uma escalização do valor de pressão para cada sensor.



A segunda experiência que tive com esse tipo de medição foi mais complexa e teve ter um tratamento maior dos dados. Consistia em um sistema de medição para o nível de um tanque extremamente grande ocupado por água de qualidade variável e exposto diretamente ao tempo (sol) com uma fina camada de óleo. A variação do nível do taque era de em torno de 100 m.

O sensor utilizado foi do tipo sonda dimensionando propriamente para esta variação de 100 m em um sinal de 4-20mA e instalado a uma altura muito próxima do minimo operacional do tanque. Naturalmente o tanque já estava operacional quando se decidiu colocar o serviço o sensor de nível. A pergunta é como comissionar um sensor de nível em um reservatório já operacional com tantas variantes?

A solução foi simples, muita paciência.

Tivemos que aguardar alguns cilos parciais de variação do nível do reservatório e realizar a anotação periódica dos valores de fato de nível do reservatório e comprar com os valores apresentados pelo sensor.

Adicionalmente se percebeu que o sensor oscilava muito, a final, um liquido diretamente exposto as intemperes esta susceptível a vento e a própria entrada e saída de liquido do reservatório que causa uma grande oscilação no valor. Foi necessário estudar um filtro que não deixasse a resposta lenta que fosse impossível de perceber a variação do valor do sensor.


Após esse primeiro ajuste, alguns meses depois foi necessário refazer o ajuste de forma a antender a faixa maior de valores. No primeiro ajuste tinha feito a calibração dentro de uma faixa de 713 cm, variação de 1 cm em 100 metros!



Conclusão

Os sensores hidrostáticos para medição de nível de líquidos são excelentes, sempre serão minha segunda opção quando não puder usar minhas chaves boia, mas exige um trabalho do instrumentista grande para deixa-lo bem operacional.

Para o correto funcionamento depende de uma união entre a especificação e um tempo correto de configuração que passa pelo processo de enchimento do reservatório onde se pretende medir. Hoje com a correria das obras e do dia a dia da engenharia das empresas pouco tempo se tem para dimensionar corretamente um sensor desses e planejar sua colocação em serviço e com isso perdemos em qualidade quando instalamos o sensor, esse fato sem feito em grande parte a entrada no mercado de métodos menos convencionais e empresas especializadas na medição de nível de líquidos fatiando ainda mais o mercado e criando novas oportunidades de negócios.

Espero que artigo tenha ajudado.

domingo, 6 de novembro de 2016

Sistema de Irrigação Doméstica Utilizando Netduino - Parte 2

Sonda para medição da umidade do solo

Sem dúvida esse é o principal sensor do sistema de irrigação, este sensor tem a finalidade tanto de provocar o acionamento do sistema de irrigação quando o solo estiver muito seco como também provocar o bloqueio do sistema quando a chuva naturalmente encharcar o solo, a questão é qual a relação que temos entre o valor que o sensor vai informar e a umidade real do solo?

O sensor principal é a sensor de umidade do solo feito com uma placa que eu comprei própria para a aplicação de medição de umidade. Realmente me arrependi de te-lo comprado, Kit está na foto abaixo, um garfo feito de circuito impresso e uma placa que vem com um amplificador operacional em modo comprador que gera uma saída digital, de fato só com isso já poderia fazer um sistema burro de acionamento do sistema de irrigação. Só usei o garfo, com um pouco de terra seca em um copo bem compactado comecei a fazer experiências de valor de umidade no solo.

Kit de medição de umidade do solo
Então eu fiz um pequeno código inicial apenas para testar os sinais analógicos e a sua faixa de utilização. A placa de controle já vinha com um divisor resistivo ente o garfo de medição e um resistor de 1,2k então resolvi manter a mesma proporção.

A experiência então foi linearizar um encharcamento do solo. Com a sonda instalada em um copo de água com terra seca a experiência foi molhar em doses constantes até a amostra de terra estar totalmente encharcada e anotar os valores recebidos no canal AD através da janela de Output do Visual Studio (VS210).

Experimento de medição de resistência do solo.

Como tinha que ter uma referência para medir a relação entre a quantidade de água e de terra então calculei o volume de água pelo volume de terra contida no copo.

Infelizmente o resultado não foi dos melhores, com quatro amostras a terra estava completamente encharcada de água, mas me deu uma direção de quão úmido deve ficar o solo. Pelo menos com o resultado já tenho ideia de qual a faixa que é boa para um ponta-pé inicial nos valores de comparação.
Final do Experimento de medição de umidade do solo, a amostra de terra completamente encharcada.

Resultado gráfico do experimento.

Então o valor para comparação deveria estar entre 0,2 e 0,3 p.u., valores abaixo de 0,2 será necessário irrigar o solo e valores mais altos inibem a irrigação do solo.

Sensor LDR

Outro sensor que eu pretendo utilizar é um sensor de temperatura e um LDR. O sensor de temperatura é um simples RTD linear e não pretendo me preocupar muito com ele o outro é um sensor LDR tem o mesmo principio da sonda de medição de umidade mas o funcionamento será um pouco diferente, preciso é detectar a transição do dia para noite e vice-versa porque o processo de irrigação tem mais eficiência quando feito no inicio das manhãs e no final da tarde.

Existem alguns textos do Sebrae e de outros sites que falam bastante sobre as técnicas de irrigação e como utiliza-las de forma eficiente. Este aqui é um deles (aqui).

este site, AGROLINK tem vários videos sobre irrigação.

O primeiro passo foi definir os limites, então, fiz uma medição inicial dos valores para o sensor LDR exposto completamente a luz e na escuridão total. Depois, montei o LDR na placa utilizando um divisor resistivo para o AD e montei a tabela abaixo:



O segundo experimento foi mais demorado, tratava-se de utilizar um código de testes e deixa-lo aquistar dados durante uma variação de dia para noite e de noite para o dia para notar a variação perceptível no AD que torna uma mudança do dia para a noite notada.

Para isso, fiz um código que funcionava a cada 5 minutos tomando amostras e anotava na janela de Output do Visual Studio, a data e a hora e o valor obtido do AD.


sexta-feira, 4 de novembro de 2016

Sistema de Irrigação Doméstica Utilizando Netduino - Parte 1

Esse ano me mudei para uma casa de campo, como minha irmã diz temos que ter um lugar para cair vivo que morto posso cair em qualquer lugar, pensando assim arranjei um pequena casa nos arredores do Rio de janeiro.

A melhor oportunidade para criar novos projetos de automatização doméstica. Como o terreno e relativamente espaçoso precisava arranjar um jeito de povoá-lo com plantas para ocupar o espaço e deixá-lo aconchegante como eu esperava. Então veio a ideia do projeto de um sistema de irrigação. Inicialmente busquei uma série de soluções comerciais, a final de contas, não sou mais uma pessoa com tanto tempo assim para me dedicar a uma bricolagem de domingo, mas nenhuma solução atendeu que eu esperava e por isso resolvi escrever essa primeira parte que é a elucubração do problema do sistema de irrigação.

Bom, primeiramente eu tenho uma casa térrea, ou seja, não tenho pressão de água nas torneiras que viabilize utilizar um sistema com a própria pressão do sistema da casa, calculo que a torneira no máximo tenha uma pressão de 1 bar.

Como eu tenho uma bomba que realiza a sucção da água da cisterna para a caixa d’água seria o ideal utilizar essa bomba.

Outro ponto, o eletricista já tinha deixado tudo preparado para instalação de uma chave boia na caixa d’água. Lembrando que a chave boia é um recurso super confiável e eu não queria deixar de utilizá-la.

Os sistemas que eu vi a venda não contemplavam essa opção de integração com o sistema de água da casa o que não me atendia, não quero um sistema 100% profissional, quero uma solução confiável e automatizada para irrigação do jardim.

Esquema atual do sistema de água da casa
E fazer uma solução se tornou novamente obsessão, tinha sido assim lá quando nem existia os microcontroladores, eu tinha feito um destes com o LM3414 e com duas sondas enterradas no jardim da casa dos meus pais.

Como não quero uma solução cara o melhor seria utilizar eletrovalvulas para máquinas de lavar, consegui comprar cada uma por R$ 30,00 no Rio. As válvulas são de 1/2”, ou seja, bem menor que a bomba então não poderia ligar a bomba exclusivamente para a irrigação. (comprei pelo Solda Fria)


Como a instalação já estava toda feita não queria lançar cabos entre a boia e a bomba já que a alimentação dabomba ia para junto da caixa d’água e seguia para a cisterna.

As soluções:

Solução 1


A ideia seria colocar todo o conjunto de controle perto da bomba e configurar a boia para meia caixa d’água, ou seja, a boia trabalha sempre deixando pelo menos metade da caixa disponível para os afazeres domésticos e o restante para deixar armado o sistema de controle da bomba para irrigação, assim, se em um tempo máximo de 6 horas não tivesse sinalização de necessidade de irrigação no jardim esta não seria feita, apenas ligando a bomba para encher a caixa d’água.

A parada da bomba é feita automaticamente pela chave boia que corta a alimentação da bomba e do controle.

Em caso de necessidade de ligar a bomba por efeito do esvaziamento total da caixa d’água seria possível ligar a bomba utilizando um botão de pulsar no painel de controle.

A irrigação é feita somente na manhã antes do sol nascer ou após o por do sol. Para verificar isso seria utilizado um sensor LDR instalado no próprio sistema de controle.

Também se utilizaria os tradicionais sensores de bastão enterrado para constatar qual o nível de humildade no solo.

Com a conexão de internet cada irrigação teria seu tempo de inicio e fim documentado no cartão microSD servindo de base para saber se o sistema já tinha sido acionado ou não.

Solução 2

A segunda solução envolve um pouco mais de instalação mas me pareceu mais sensata do ponto de vista funcional.

A solução seira utilizar ao invés de uma chave boia, duas. Uma detectaria o nível muito baixo e a outra o nível muito alto. As duas boias trabalhariam juntas em uma lógica elétrica para acionamento da bomba em caso de falha no sistema de irrigação deixando o sistema bem confiável. O nível alto também cortaria comando da irrigação sem cortar a alimentação do sistema.

Todo o sistema seria instalado junto a caixa d’água e não mais junto a bomba o que facilitaria a conexão com o PC e a manutenção remota dos códigos a partir do servidor doméstico que tenho. Além disso o cabo de rede para conexão com a internet para recebimento da data atualizada para o log de eventos está mais próximo.

Com isso, não seira ma is necessário um botão exclusivo para ligar a bomba em caso de falta d’água na casa e muito menos um problema desses ocorreria.

A escolha 

Como eu disse no artigo anterior eu não quero amadorismos, quero uma solução profissional que possa utilizar sem me preocupar tanto com a irrigação do jardim como o sistema de água da casa, sendo assim, vou ficar com a solução 2.

A solução 2 é necessário uma lógica elétrica utilizando as duas chaves boia, veja que a chave boia que ficara ajustada para o nível inferior deve atuar paralelamente a atuação do sistema de controle provocando o fechamento da bobina da contatora que acionará a bomba enquanto a boia de nível máximo deve bloquear tanto o acionamento pela irrigação como pelo controle de nível do sistema.

Abaixo o diagrama simplificado de como seria isso, o unifilar elétrico do sistema de controle da bomba.




Uma vez instalado esse sistema, independente de qualquer lógica ou até mesmo da placa de controle de irrigação estar presente o sistema da bomba vai funcionar, então, temos um sistema confiável. Sabemos que eletrônica é a algo que pode falhar mas a lógica de contato elétrico funciona sempre.

Tive que comprar uma contatora trifásica com bobina de 127Vac, então deixei 2 contatos livres, poderia usa-los em série mas preferi não utilizar.

Inclui um disjuntor junto do painel elétrico para poder interromper o circuito no painelzinho de controle.

Comprei uma placa de relés auxiliares com 4 relés de 250Vac, pretendo utilizá-la exclusivamente para o acionamento do sistema de irrigação. Um relé terá que ser dedicado para ligar a bomba e os outros 3 para atuar em 3 bobinas de eletroválvulas. Seria feito 3 sistemas de irrigação separados cada um com seu medidor de umidade, isso seria muito útil porque pretendo ter uma horta em casa e o regime de irrigação das horta é diferente do restante da casa.



Duas linhas serão utilizadas para irrigação sem necessidade pressurização, e a outra seria para o restante do jardim. Conforme o desenho.

Como tenho mais entradas AD disponíveis vou incluir mais um sensor de temperatura ambiente e mais um sensor de luminosidade e mais um sensor de nível de chuva que tratarei mais adiante.

Estes sensores terão um peso ponderado na irrigação, quem irá pilotar a irrigação será o sensor de umidade e os sensores de temperatura e luminosidade darão a direção de como essa irrigação será feita, sempre após o por do sol, estimado com a hora atual e uma descendente de luminosidade e uma temperatura mais amena, ou no inicio da manhã, saindo da escuridão estável para uma luminosidade branda com baixas temperaturas.

Não vou tratar da irrigação para horta, queria tão somente definir a característica do sistema de irrigação.