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.