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Revisão detalhada de medição de nível e instrumentação de controle

A) Importância

A medição mais inteligente oferece suporte a operações mais seguras, eficientes e sustentáveis, melhorando o tempo de atividade e prolongando a vida útil, seja qual for o setor da indústria. Em qualquer indústria de processo, a medição e o controle dos seguintes parâmetros devem ser feitos extensivamente e são muito importantes para a operação satisfatória do processo.

Por CNShukla, Consultor (Treinamento e Desenvolvimento), Pune Techtrol Pvt. Ltd.

CNShukla

â € <CNShukla, Consultor (Treinamento e Desenvolvimento), Pune Techtrol Pvt. Ltd.

  • Temperatura
  • Pressão
  • Nível e
  • Fluxo

A importância da medição de nível neste contexto não pode ser exagerada, seja para Medição e Controle de Processos Industriais ou em Medição de Tanques de Inventário.

A importância da medição e controle de nível é principalmente devido aos seguintes fatores…

  • Controle seguro e eficiente do processo: - Um processo de fabricação pode dar errado, se os níveis de líquidos e sólidos relevantes não forem medidos e controlados adequadamente. Também pode danificar gravemente equipamentos de produção e resultar em mudanças indesejáveis ​​na qualidade do produto ou perda de produção. (Exemplo - No caso de caldeiras geradoras de vapor, a medição e controle do nível de água no tambor da caldeira é muito crítica. A perda de nível de água ou o nível excessivo de água são prejudiciais para a vida útil da caldeira e auxiliares relacionados)
  • Monitoramento e controle de estoque: - A eficiência econômica de qualquer operação depende do controle adequado do estoque. Isto é particularmente importante para itens de alto valor, uma vez que o excesso de armazenamento desses itens aumenta o “custo de estoque”. No entanto, níveis baixos de estoque podem prejudicar a atividade de produção. Portanto, a medição precisa do nível de estoque líquido / sólido é essencial.
  • Transferência de custódia: - A medição precisa do nível de líquidos e sólidos facilita a transação dos itens com confiança e confiança para garantir acordos mais rápidos de acordos. A estimativa do volume de líquidos caros, como produtos petrolíferos, pode ser sempre feita com maior precisão, através da medição do nível, e não da medição do fluxo.
  • Segurança humana: - O derramamento de líquidos perigosos pode causar danos ao pessoal que trabalha na área e, potencialmente, pode criar riscos ambientais e de segurança, resultando em perdas financeiras. Portanto, a proteção contra transbordamento é muito vital. Também a mistura desproporcional de dois ou mais ingredientes pode gerar produtos nocivos.

B) Tecnologia de Medição

As tecnologias implantadas para medição e controle de nível líquido / sólido são amplamente classificadas da seguinte forma.

1) Instrumentos do Tipo de Contato - Estes instrumentos fazem contato direto com o líquido / sólido cujo nível está sendo monitorado. Eles são baseados em vários princípios, como o princípio de Arquimedes, magnetismo, pressão hidrostática, capacitância, condutividade e vibrações piezoelétricas.

Ao fazer uso de instrumentos de medição de nível de contato, a compatibilidade do Material de Construção (MOC) do instrumento deve ser levada em consideração. Também deve ser dada atenção adequada à pressão e temperatura de operação.

Princípios 1.1 Archimedes: -

  • Um corpo cuja densidade é menor que a de um líquido flutuará nesse líquido e o peso do líquido deslocado é igual ao peso do corpo.
  • Um corpo submerso no líquido deslocará o volume de líquido igual ao volume do corpo e a força de flutuação experimentada pelo corpo submerso será igual à sua perda de peso.

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1.2 Magnetismo: -

A força magnética pode ser usada para acionar comutadores tipo reed e microinterruptores sem contato físico. Também a força magnética pode ser transmitida através de materiais não magnéticos.

Condutividade 1.3

A corrente flui através do líquido condutor para completar o circuito entre o eletrodo de referência e o eletrodo de detecção / controle.

1.4 Pressão hidrostática: -

Este método depende da medição da pressão exercida no sensor de pressão pela coluna de líquido

quando colocado no fundo do tanque. A pressão exercida pela coluna de líquido é igual à altura da coluna de líquido, h, vezes a gravidade específica, sg, da mesma.

(P = hx sg).

Assim, a partir disso, podemos calcular o nível de líquido, 'h' em um tanque, se soubermos a pressão do líquido no fundo e a gravidade específica 'sg' do líquido.

Princípio de Capacitância 1.5: - A relação de capacitância é expressa pela seguinte equação:

C = 0.225 K (A / D)

em que:

C = Capacitância no Pico Farads

K = constante dielétrica do material

A = área das placas em polegadas quadradas

D = Distância entre as placas em polegadas

Os interruptores e transmissores do tipo capacitância fazem uso deste princípio onde o líquido entre dois eletrodos atua como constante dielétrica.

1.6 Piezo efeito elétrico: - Efeito piezoelétrico é a capacidade de certos materiais gerarem uma carga elétrica em resposta ao estresse mecânico aplicado. Uma das características únicas do efeito piezoelétrico é que ele é reversível, o que significa que os materiais que exibem o efeito piezoelétrico direto (geração de eletricidade quando o estresse é aplicado) também exibem o efeito piezelétrico inverso (a geração de tensão quando um campo elétrico é aplicado) ).

Todos os interruptores de garfo vibratório fazem uso de cristal piezoelétrico e trabalham com este princípio.

2) Instrumentos do tipo sem contato - Eles não fazem contato físico com o líquido / sólido cujo nível está sendo medido. Estes instrumentos baseiam-se principalmente em princípios de ultra-sons, radar e laser. Também deve ser dada atenção adequada à pressão e temperatura de operação.

2.1 princípio ultra-sônico: -

O som viaja pelo ar a uma velocidade de 343 metros / seg. em 20 0 C. Eco de pulsos ultra-sônicos em freqüências 30 KHz e acima é usado para calcular a distância entre o sensor e o alvo. O intervalo do sensor ao alvo é calculado por: -

R (t) = ct / 2

onde: R (t) é a distância até o alvo

c é a velocidade do som

t é o tempo da transmissão até o eco ser recebido.

Princípio do Radar 2.2: -

Esta tecnologia de radar sem contato tem duas versões diferentes: radar de pulso e freqüência

Radar de onda contínua modulada (FMCW).

O radar de pulso Uma onda eletromagnética com frequência entre 1 e 100 GHz é enviada da antena para a superfície do processo em busca de uma mudança na impedância, que refletirá o sinal de volta ao transmissor.

A intensidade dos pulsos refletidos depende da constante dielétrica do produto. O tempo de trânsito do pulso eletromagnético é usado para calcular a distância e, por sua vez, o nível do processo líquido / sólido.

O radar FMCW - Utiliza sinal RF de alta frequência até 100 GHz e é transmitido para o alvo e refletido a partir da superfície alvo no tempo de atraso da frequência. A diferença na frequência de sinal transmitida e recebida é diretamente proporcional à distância do alvo da antena que é então convertida em sinal de nível de 4-20mA DC.

C) Tipos de instrumentos de medição de nível -

1) Indicação visual: - É conseguido usando medidores de nível mecânicos que não dependem da eletricidade para o seu funcionamento.

  • Eles são usados ​​para indicação contínua de nível de líquidos. Medidores de nível amplo são classificados como medidores de vidro e medidores tipo flutuante.
  • Os medidores de vidro baseiam-se no princípio de que “o líquido busca seu próprio nível”, ao passo que os medidores de flutuação são baseados no princípio de Arquimedes.
  • Os medidores de nível estão disponíveis em uma ampla variedade de materiais, como PP, CS, SS304, SS316, PVDF, SS304 forrado com PTFE ou Hastalloy C para adequar-se ao tipo de líquido e às condições de operação.
  • Em várias aplicações, a provisão de medidores de nível de leitura direta é obrigatória como requisito legal.

Vantagens: -

  • "Ver é acreditar", portanto, confiável e não depende de eletricidade.
  • Medidores de vidro fornecem indicação direta do nível do líquido.
  • Fácil de instalar e operar.
  • Adequado para aplicações de alta temperatura e pressão.

Limitações: -

  • São adequados para líquidos de fluxo livre que não contêm partículas suspensas pesadas.
  • Medidores de vidro têm um elemento frágil como tubo de vidro ou vidro plano.

A seguir estão os tipos de medidores de nível que são comumente usados ​​na indústria.

Medidor de nível tubular 1.1: -

O medidor é montado no lado de um tanque, de modo a formar um circuito fechado com o conteúdo do navio. Nível de líquido pode ser observado no tubo de vidro do medidor. Guardas são fornecidas para proteger o vidro de quebra acidental.

Adequado para temperatura máxima 200 andC e pressão 10 Kg / cm2

Geralmente, esses medidores são usados ​​para aplicações de baixa pressão e, em geral, para tanques "abertos à atmosfera".

1.2 Reflex / Medidor de Vidro Transparente: -

O nível de líquido é observado em vidro de reflexo plano ou transparente. O vidro do tipo reflexo tem ondulações prismáticas em sua face frontal, em virtude das quais a porção líquida aparece como preta e a porção acima dela é branca.

O medidor transparente é semelhante ao tipo reflexo, exceto pelo fato de que o vidro do medidor tem acabamento liso e um par de vidro é colocado na frente e no verso.

Adequado para temperatura máxima 400 andC e pressão 200 Kg / cm2

Medidor de nível transparente reflexo 1.2
Medidor de nível magnético 1.3

Medidor de Nível Magnético 1.3: -

Consiste em um flutuador magnético dentro de uma câmara feita de material não magnético e o indicador é fixado externamente na câmara. O indicador está disponível em dois tipos, cápsula seguidora ou flapper bicolor.

O flutuador segue o nível do líquido e liga-se à cápsula / flapper para indicar o nível do líquido. Este medidor é multiuso, já que pode ser fornecido com interruptores e transmissores que são fixados externamente na câmara.

É adequado para líquidos corrosivos, tóxicos e perigosos, nos quais os indicadores de vidro são considerados inseguros. Adequado para temperatura máxima 400 andC e pressão 100 Kg / cm2

Placa flutuante 1.4

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Calibre de Flutuação e Placa 1.4: -

É a bitola mais simples que consiste em flutuador conectado com cabo de aço e a outra extremidade da corda é conectada ao ponteiro fora do tanque.

A flutuação segue o nível do líquido e o ponteiro se move na placa de escala presa na lateral do tanque. É adequado para tanques de armazenamento de líquidos a granel sob pressão atmosférica.

Medidor de fita de flutuação 1.5

Flutuador 1.5 e medidor de fita: -

Este é o medidor mais preciso, que mede o nível de líquido até a precisão de ± 2mm. Consiste em fita perfurada enrolada no tambor. O flutuador segue o nível do líquido e a fita é enrolada / desenrolada no tambor através da roda dentada.

O movimento da roda dentada é transferido para o ponteiro através do mecanismo de engrenagem para indicar o nível no mostrador.

2) Detecção de nível ou controle em pontos pré-definidos: -

Isso é feito usando a chave de nível, que fornece contato liga / desliga para operações como anúncio de alarme, partida / parada de bombas / auxiliares, intertravamentos etc.

  • Usado para detectar o nível líquido / sólido no tanque. Ponto único ou comutadores de nível multiponto estão disponíveis.
  • Disponível em uma ampla variedade de materiais, como PP, CS, SS304, SS316, PVDF, SS304 revestido de PTFE para adequar ao tipo de líquido e às condições de operação.
  • Proteção contra intempéries ou à prova de fogo para instalação ao ar livre e instalação em área perigosa são fornecidos.

Vantagens: -

  • Os switches, baseados no princípio de Arquimedes, não requerem eletricidade para sua operação. Mas eles fornecem potenciais contatos elétricos livres, que podem ser usados ​​para outras ações.
  • Como o interruptor elétrico é magneticamente acoplado ao flutuador, há isolamento completo entre o líquido e a parte elétrica do instrumento.

Limitações -

  • · Algumas chaves podem não ser consideradas adequadas para operação direta de cargas mais altas.

Em tais casos, o uso de relés / contatores intermediários pode ser necessário.

A seguir estão os diferentes tipos de chaves de nível geralmente usadas na indústria.

Interruptor guiado por flutuador 2.1

Interruptor Guiado Flutuante 2.1 -

Pode fornecer comutação de ponto único ou múltiplo. Consiste de um ou mais interruptores de palheta hermeticamente selados localizados dentro do tubo guia e um flutuador magnético se move livremente ao longo dele. O flutuador segue o nível do líquido e aciona o interruptor reed.

Os contatos reed de saída têm baixa potência nominal (40, 60, 120 VA), mas, no entanto, podem ser conectados diretamente a PLC / DCS. Adequado para max. temp. 150 &C e pressão 10 kg / cm2

Interruptor pivotado flutuante 2.2

Comutador Pivotado Flutuante 2.2 -

É uma chave de ponto único geralmente montada lateralmente na parede do tanque. O comutador opera através de um acoplamento magnético sem glândula para fornecer contatos de troca de micro comutadores de 5A, 230VAC.

O interruptor é idealmente adequado para tanques inacessíveis por cima e por baixo. Adequado para max. temp. 300 &C e pressão 20 kg / cm2


2.3 Displacer Switch -

É um comutador único ou multiponto. O deslocador está suspenso de um cabo de aço conectado à haste do atuador. Com o nível crescente, quando o deslocador é submerso no líquido, ele experimenta uma força de flutuação e aciona o microinterruptor da classificação 5A, 230VAC.

Os pontos de ajuste de nível são ajustáveis ​​no local. Adequado para temperatura máxima 300 andC e pressão de 100 Kg / cm2

Interruptor de condutividade 2.4

Interruptor de Condutividade 2.4 -

Como o nome sugere, é adequado apenas para líquidos condutivos. Neste, um pequeno sinal AC é passado através de um eletrodo de referência e o mesmo é detectado nos eletrodos de controle em vários pontos de ajuste.

A corrente que flui do eletrodo de referência para o eletrodo de controle é usada para operar o relé, que pode lidar com mais potência. Adequado para max. Temp. 100 &C e pressão 5 kg / cm2

Interruptor de capacitância 2.5

Interruptor de capacitância 2.5 -

Mede a capacitância formada por dois eletrodos do comutador onde o líquido forma o dielétrico. Variação de nível resulta em mudança na capacitância que é medida e o relé é operado. Adequado para max. temp. 60 &C e pressão 5 kg / cm2

Interruptor de garfo vibratório 2.6

Interruptor de garfo vibratório 2.6 -

No ar a sua garra vibra na sua frequência de ressonância criada por meio de cristal piezoelétrico. Quando o material toca no garfo, suas vibrações amortecidas são detectadas na eletrônica para operar o relé.

É interruptor de ponto único e está disponível para granular líquido / pó em pó. Adequado para max. temp. 250 &C e pressão 10 kg / cm2

Interruptor de pá rotativa 2.7

2.7 Interruptor Rotativo de Pá -

É um interruptor de detecção de nível sólido. Consiste em um motor síncrono que gira a 1 RPM. O eixo do motor é estendido para o comprimento necessário e a pá é presa a ele.

Na ausência de material, a pá gira e quando o nível sólido alcança a pá, ela pára de girar e opera uma alavanca de microinterruptor para fornecer contatos de troca.

3) Medição e monitoramento contínuos de nível: -

· Os transmissores de nível são usados ​​para medição quantitativa de líquidos / sólidos que ajudam no controle de estoque e na transferência de custódia. Eles geralmente fornecem uma saída elétrica de 4 para 20 mA DC correspondente a 0 para 100% do nível, que por sua vez pode ser expresso em termos de várias unidades de medida incluindo volume / peso.

Os transmissores estão disponíveis em materiais de PP, SS304, SS316, SS revestidos com PVDF para adequar-se a líquidos de processo. O controle de estoque e a transferência de custódia podem ser efetuados usando o transmissor.

Vantagens

  • A medição quantitativa exata facilita o monitoramento contínuo do nível.
  • A saída também está disponível em RS485 MODBUS ou HART. Compatível com Fieldbus.
  • Vários pontos de alarme podem ser atribuídos a partir do sistema indicador PLC / SCADA.
  • Limitações -
  • Os transmissores de nível de contato não são aplicativos sólidos adequados
  • O sistema indicador / SCADA é necessário para exibir o nível na unidade significativa.

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A seguir estão os principais tipos de transmissores disponíveis para diferentes aplicações no setor.

Transmissor guiado por flutuação 3.1

Transmissor guiado por flutuação 3.1: -

Consiste em um flutuador magnético movendo-se ao longo do tubo-guia, contendo uma cadeia de resistores e interruptores de palheta colocados sobre ele. O flutuador move-se no tubo guia de acordo com o nível do líquido para ativar o interruptor reed e a tensão correspondente através da resistência é convertida na saída de corrente de 4-20mA.

Pode ser usado para max. temp. 150 &C e pressão 10 kg / cm2

Transmissor hidrostático 3.2: -

10 metros de coluna de água pura corresponde a 98.1 Kpa de pressão. O sensor piezo-resistivo instalado na parte inferior da sonda mede a pressão da coluna de líquido no fundo do tanque.

A pressão detectada é convertida em saída mv, que é processada para fornecer saída 4-20mA. Adequado para pressão atmosférica e temp. 70⁰C

3.3-capacitância-transmissor

Transmissor de nível de capacitância 3.3: -

â € <A construção e o funcionamento são semelhantes ao comutador de capacitância, exceto que a alteração na capacitância é convertida no sinal de saída 4-20 mA. Adequado para max. temperatura 60⁰C e pressão de 5 kg / cm2

Transmissor de nível magnetostritivo 3.4

Transmissor de nível magnetostritivo 3.4: -

É um transmissor de nível tipo flutuante de alta precisão (<1mm). Um pulso de corrente enviado sobre o fio guia de onda cria um campo magnético circular que interage com o campo magnético gerado pelo flutuador para produzir torção no fio.

O atraso de tempo entre o início do pulso e o seu retorno é medido e convertido em 4-20mA o / p, que corresponde à posição de flutuação / nível do líquido. Pode ser usado para temperatura máxima 100⁰C e pressão 10 kg / cm2

Transmissor de nível de radar de onda guiada 3.5

Transmissor de nível por radar de onda guiada 3.5: -

Este é um transmissor de tipo de contato baseado no princípio de Reflectometria de Domínio de Tempo (TDR). Pulsos eletromagnéticos de baixa potência são enviados ao longo do comprimento da sonda até a superfície do produto e parcialmente refletidos de volta aos componentes eletrônicos.

O tempo de trânsito do pulso emitido e refletido é proporcional à distância, que é então convertido no sinal 4-20 mA. Este transmissor é adequado para max temp. 250⁰C e pressão de 10 kg / cm2

Transmissor de nível tipo 3.6-displacer

Transmissor de nível tipo 3.6 Displacer: -

Consiste em um deslocador suspenso de uma alavanca de operação, a outra extremidade está conectada a um tubo de torque e ainda a um conjunto de alavancas equipado com sistema magnético.

A mudança no nível do líquido faz com que a alavanca de operação gire o tubo de torque proporcionalmente à mudança na força de empuxo atuando no deslocador.

Essa rotação é transferida para o conjunto da alavanca, causando o deslocamento angular para alterar o campo magnético, que é detectado pelo sensor e convertido em 4-20 mA o / p por meio de componentes eletrônicos de processamento de sinal. Adequado para max temp. 300 &C e pressão 60 kg / cm2

Transmissor de pressão diferencial 3.7-1

Transmissor de pressão diferencial 3.7: -

Esses transmissores são baseados no princípio piezo-resistivo ou princípio de capacitância e são amplamente utilizados para aplicações de medição de nível e vazão.

Eles são idealmente adequados para medição de nível em vasos altamente pressurizados como o tambor da caldeira. Transmissor pode ser conectado ao navio por meio de tubos de impulso. Os transmissores do tipo diafragma remoto também estão disponíveis para fluidos viscosos e perigosos.

3.7-transmissor de pressão diferencial-1

Transmissor de nível ultrassônico sem contato 3.8

Transmissor de nível ultrassônico sem contato 3.8: -

Ele transmite uma pequena explosão de som ultrassônico em direção a um alvo, o que reflete o som de volta ao sensor. O sistema mede então o tempo de trânsito do sinal transmitido e refletido, que é proporcional à distância até o alvo.

O mesmo transdutor pode ser usado para transmitir e receber o som, ou transdutores separados podem ser usados ​​para transmitir e receber. Adequado para max. temp. 70⁰C e pressão <1bar

Transmissor de nível por radar sem contato 3.9: -

Como explicado anteriormente, esses transmissores podem ser “tipo de pulso” ou baseados no “princípio FMCW”. Transmissores são programáveis ​​no site. Quanto maior a frequência de operação, menor é o alcance do transmissor, mas melhor é a resolução e vice-versa.

Diferentes tipos de antenas, como Tipo de Buzina, Guia de Onda, Tipo de Parábola, Antena de Remendo ou Antena de Gota, estão disponíveis para atender às aplicações. Adequado para max temp. 300⁰C e pressão de 35 kg / cm2

Combinações de medidor de nível, interruptor e transmissor também podem ser usadas. Todos os medidores de flutuação podem ser fornecidos com interruptores e transmissores. Medidor de nível magnético pode ser fornecido com câmara dupla, ou seja, um para medição de nível e outro para o transmissor de radar.

D) Critérios de Seleção

O instrumento de medição de nível é selecionado com referência aos seguintes critérios / condições.

  1. Compatibilidade química com líquido
  2. Propriedade física do material de serviço - Densidade, condutividade, constante dielétrica, viscosidade e partículas suspensas
  3. Temperatura e pressão de operação
  4. Condições de espuma / fumegante
  5. Agitação / turbulência em líquido
  6. Ângulo de repouso e tamanho de partícula
  7. Classificação da área como perigosa / não perigosa
  8. Posição de montagem e conexão do processo no tanque / vaso
  9. Precisão desejada

Não apenas a seleção, mas também a instalação e comissionamento adequados do instrumento são igualmente importantes para obter precisão na medição de nível.

Não há instrumento universal para medição de nível de líquidos / sólidos. No entanto, o instrumento apropriado é selecionado com os critérios fornecidos acima.

E) Advento da Era Digital: -

Semelhante a outras esferas da vida, os avanços na tecnologia digital também afetaram beneficamente a tecnologia de medição de nível. Além da saída convencional 4 para 20 mA DC dos transmissores, a saída MODBUS RTU também está disponível e pode ser monitorada diretamente a partir do computador. O 'Sistema de Gerenciamento de Fazenda de Tanques', que é essencialmente um sistema SCADA, facilita o monitoramento centralizado e o controle de inventário de produtos químicos, solventes e produtos petrolíferos.

Também várias funções relacionadas ao monitoramento de nível, tais como operações de ligar / desligar de bombas, operações de abertura / fechamento de válvulas, anúncio de alarme, etc. podem ser executadas de forma remota, fazendo uso da rede GSM / GPRS.

A exibição gráfica e a animação das indicações de nível nas telas DCS / SCADA tornam conveniente para o operador monitorar vários parâmetros de relance.

Recentemente, medição e monitoramento de nível são feitos usando a tecnologia sem fio para vários aplicativos da IIoT

Informador de Indústria de Processos

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