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MEDIÇÃO DE NÍVEL

METROLOGIA INDUSTRIAL Eng.º M. Mazoca 1

IMPORTÂNCIA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL

A industria tem aumentado a demanda de controle de processos. Manter o controle adequado tem se tornado cada vez mais importante não apenas para operadores de campo, mas também para toda a empresa, incluindo executivos e gerentes de diferentes sectores.

Isso é o resultado de dois factores: redução de custos de produção e aumento do foco em segurança do trabalho.

Figura 1 – Tanques industriais (Medição de Nível)

Eficiência e Redução de custos na medição de nível

O principal objectivo de medição de nível é manter o controle do processo produtivo seja em volume ou peso. Se a sua medição é eficiente, você terá como resultado um maior rendimento da produção, pois os processos serão feitos sem interrupções. A medição de nível é um elemento fundamental dentro de um sistema de calibração de tanques. Medições de nível mais precisas aumentam significativamente a eficiência da planta. É comum encontrar níveis de precisão de até 3mm.

Por exemplo, se um silo de grãos precisa estocar uma certa quantidade de material o tempo inteiro, mas não é preenchido em sua capacidade máxima por falhas na medição, a unidade de produção poderá precisar de silos adicionais, acarretando despesa de compra e manutenção desnecessárias.

Muitos processos necessitam de um fluxo contínuo, entrada e saída de materiais. É inviável obter um fornecimento consistente com taxas variáveis ou se houver incidentes na linha de abastecimento.

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Figura 2 – Silos Industriais

Segurança do trabalho na medição de nível

A medição de nível também é feita por razão de segurança. Imagine o transbordamento acidental de um tanque de acido causado por uma medição imprecisa.

Pode gerar um resultado catastrófico

Assim como falamos de um incidente envolvendo ácido, também poderíamos extrapolar para diversos outros tipos de materiais comuns na industria, como inflamáveis, reagentes, dentre outros. Para prevenir transbordamentos e detectar vazamentos também é importante para cumprir todas as regulações ambientais.

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Nível é a medida em altura do conteúdo liquido ou solido de um reservatório. Trata-se de uma das principais variáveis utilizadas em controle de processos contínuos.

Figura 3 – Medição de nível

Através da medição de nível torna-se possível:

§ Avaliar o volume estocado de materiais de processos contínuos em tanques de armazenamento

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§ Realizar o balanço de materiais de processos onde existam volumes líquidos ou sólidos em reacções, misturas, etc.

§ Manter a segurança e controle de alguns processos onde o nível do produto não pode ultrapassar determinado limite

§ O controle dos processos contínuos em que existam volumes de líquidos ou sólidos, de acumulação temporária, amortecimento, mistura, resistência, etc.

A medida de nível de um reservatório contendo líquido ou sólido é feita com o objectivo de conservar a variável em um valor fixo ou entre dois valores determinados, ou ainda para determinar a quantidade (volume ou massa) do fluido em questão.

MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE NÍVEL

Existem três (3) métodos básicos de medição de nível, a saber:

o Método de Medição Directa o Método de Medição Indirecta o Método de Medição Descontinua

Método de Medição Directa

É a medição que se faz tendo como referência a posição do plano superior da substancia medida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos, visores de nível, boia ou flutuador.

A medição de Nível Directa pode ser feita medindo-se directamente a distância entre o nível do produto e um referencial preestabelecido. Trata-se de uma metodologia de medição básica: apenas compra-se o nível de acordo com a referência estabelecida. Não é um tipo de instrumentação voltada para a automação, pois o operador deve verificar de tempos em tempos como anda o nível do processo de sua responsabilidade. É um método de medição de nível arcaico, mas efectivo se estivermos diante de um processo de pouca complexidade e de pouco risco tanto para os profissionais envolvidos como para a própria produtividade da planta.

Régua ou Gabarito

Consiste em uma régua graduada a qual tem um comprimento conveniente para ser introduzida dentro do reservatório a ser medido. A determinação do nível se efectuará através da leitura directa do comprimento molhado da régua pelo liquido.

Figura 4 – Medição de Nível por régua ou gabarito

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Visores de nível

É a maneira mais simples de medir um nível e pertence ao grupo de visores identificados em diagramas com LG (Level Gage). Utilizam o princípio de vasos comunicantes (quando se tem um único líquido contido em um recipiente, conclui-se que a altura alcançada por esse liquido é a mesma em qualquer que seja o recipiente) e oferecem uma grande confiabilidade na leitura.

Figura 5 – Principio de vasos comunicantes

São usados como indicadores locais em vasos de processos ou no próprio tanque, mesmo quando existe um transmissor enviando um sinal para a sala de controle. São compostos por uma estrutura de aço conectada a dois pontos do vaso de processo, tendo na frente um vidro transparente que permite a visão do produto no seu interior. A instalação dos visores de nível é feita sempre através de válvulas de isolamento e de dreno de forma a permitir a manutenção dos mesmos. O nível é observado por um visor especial, podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor.

Figura 6 – Visores de nível

Estão disponíveis em diversas dimensões, de 170 a 1760 mm, de acordo com a faixa de medida necessária. É possível a instalação de visores combinados em serie, de modo a aumentar a faixa de medição.

Os visores de nível tem como principais características:

o A simplicidade o O baixo custo o A alta precisão e o Indicação directa.

A classe de pressão do visor de nível deve estar de acordo com a do vaso de processo.

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Bóia ou flutuador

Consiste em uma boia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um contrapeso. No contrapeso está fixo um ponteiro que indicará directamente o nível em uma escala. Este sistema de medição é, geralmente, encontrado em tanques abertos.

Figura 7 – Medição de nível por bóia ou flutuador

Método de Medição Descontínua

Este método está voltado para a medição que indica apenas quando o nível atinge certos pontos preestabelecidos, como por exemplo, condições de alarme de nível alto ou baixo. Diversas técnicas podem ser utilizadas para a medição descontínua, desde uma simples boia acoplada a contactos eléctricos, até sensores electrónicos do tipo capacitivo ou ultrassónico.

Os medidores de nível que utilizam o método de medição descontinua de nível são compostos por duas partes principais: um detector de nível e um circuito de saída, que pode estar energizado ou desenergizado. O detector deste instrumento informa ao circuito de saída a presença ou ausência do produto em determinada posição; cabe ao circuito estabilizar o sinal de saída em função dessa informação.

Os medidores são empregues para fornecer indicação apenas quando o nível atinge os pontos fixos desejados. Assim, os medidores de medição de nível descontínua podem ligar ou desligar uma bomba, acionar um alarme ou desencadear uma sequência de operações automáticas quando o nível atinge um ponto fixo cujo valor pode ser previamente ajustado.

Método de medição descontinua por condutividade eléctrica

Nos líquidos que conduzem electricidade, podem-se mergulhar elétrodos metálicos, quando houver condução entre os elétrodos, teremos a indicação de que o nível atingiu a altura do ultimo elétrodo alcançado pelo líquido.

Figura 8 – (i) Medidor de nível descontinuo por condutividade eléctrica

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Método de medição descontinua por boia

Diversas técnicas podem ser utilizadas para medição descontinua, desde uma simples boia acoplada a contactos eléctricos, até sensores electrónicos do tipo capacitivo ou ultrassónico.

Figura 9 - medidor de nível descontinuo com interruptores acoplados em bóias

Método de Medição Indirecta

É o tipo de medição que se faz para determinar o nível em função de uma segunda variável. Os medidores de nível que utilizam a metodologia da medição indirecta são chamados assim porque fazem suas medições por intermedio de outras propriedades físicas além do nível. A medição indirecta se utiliza de grandezas como pressão, empuxo, radiação, ultrassom, propriedades eléctricas (capacitância), etc.

A metodologia indirecta é a melhor forma que a instrumentação industrial encontrou para enfrentar os desafios que a medição de nível impõe. O cenário actual da instrumentação voltada para a medição de nível requer uma tecnologia que contemple todas as necessidades de produção e qualidade que o mercado demanda aos mais diversos tipos de processo.

Medição de nível por pressão hidrostática

Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela coluna liquida, para medir indirectamente o nível. Uma coluna de fluido exerce uma pressão devido ao peso da coluna. A relação entre a altura da coluna e a pressão do fluido, independe da largura ou formato do reservatório.

Figura 10 – Medição de nível por pressão hidrostática

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Neste tipo de medição usamos a pressão exercida pela coluna líquida, para medir indirectamente o nível.

P = ρ × g × h + P()*

Sendo: ρ – densidade do líquido g – aceleração de gravidade h - nível (altura)

Teorema de Stevin: determinação do nível através da medição da pressão, conhecendo a densidade relativa do líquido em relação a água na temperatura ambiente.

P = h × δ

Onde: P – Pressão em mmH-O ou inH-O

h – nível em mm ou in

δ – densidade relativa do líquido em relação a água na temperatura ambiente

Medidor de Nível por Pressão Diferencial

Como o próprio nome já remete, estes instrumentos medem diferenciais de pressão que são provocados pela coluna líquida presente nos equipamentos cujo nível se deseja medir.

Para maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento, muitas vezes o transmissor é instalado abaixo do tanque. Outras vezes, a falta de plataforma fixadora em torno de um tanque elevado resulta na instalação de um instrumento em um plano situado em nível inferior à base do tanque. Em ambos os casos, uma coluna líquida se formará com a altura do líquido dentro da tomada de impulso, se o problema não fosse contornado, o transmissor indicaria um nível superior ao real.

Figura 11- Medidor de nível por pressão diferencial

Os instrumentos funcionando, segundo este princípio, são em geral transmissores, por essa razão é que vamos tratar especificamente desta espécie de instrumento.

O princípio mais comum de funcionamento dos transmissores de pressão do tipo diafragma é o princípio de equilíbrio de forças. Nele as pressões que definem um dado diferencial são aplicadas através das conexões de entrada do instrumento a duas câmaras situadas em lados opostos, estanques entre si e separadas por um elemento sensível (diafragma).

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As pressões actuando sobre o elemento com uma superfície determinada produzem forças de mesma direcção e sentidos opostos, fazendo originar uma força resultante. A força então resultante, no caso de transmissor tipo célula capacitiva, provoca uma variação na relação das capacitâncias (C1 e C2). A variação provocada é proporcional à pressão diferencial. Por fim essa pressão é convertida e amplificada proporcionando um sinal de saída em corrente na saída do transmissor (normalmente 4 – 20 mA).

§ Condição de tanque aberto

O lado de alta pressão do transmissor de pressão diferencial é ligado pela tomada da parte inferior do tanque e o lado de baixa pressão é aberto para a atmosfera. Visto que a pressão estática do líquido é directamente proporcional ao peso do líquido, este pode ser obtido pela medida do primeiro. Neste caso, o medidor de pressão pode ser usado em vez do transmissor de pressão diferencial.

O transmissor de pressão diferencial é tipicamente montado em uma posição que corresponde ao nível baixo de medição.

Figura 12 – Medição de nível por pressão diferencial – condição de tanque aberto

§ Condição de tanque fechado

Quando a pressão dentro do tanque fechado é diferente da pressão atmosférica, os lados de alta e baixa pressão ficam conectados individualmente por tubos na parte baixa e alta do tanque para obter pressão diferencial proporcional ao nível do líquido.

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Figura 13 - Medição de nível por pressão diferencial – condição de tanque fechado

§ Condição de tanque fechado com vapor

Quando se necessita medir nível em tanque fechado contendo vapor, se faz necessário preencher a tomada de alta pressão com um liquido (normalmente água) para evitar que se forme uma coluna de água nesta tomada, devido à existência de condensado que se acumularia nela e provocaria medição falsa. Neste caso, deve-se fazer a correção do efeito desta coluna.

Figura 14 - Medição de nível por pressão diferencial – condição de tanque fechado com vapor

Quando o fluido do processo possuir alta viscosidade (densos), ou quando o fluido condensar-se nas tubulações de impulso, ou ainda no caso de o fluido ser corrosivo, devemos utilizar um sistema de selagem nas tubulações de impulso das câmaras de baixa e de alta pressão do transmissor de nível.

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Figura 15 – Selagem das tomadas de impulso

Medição de nível com borbulhador

Também baseia-se na pressão diferencial medida. Neste tipo de medicao, um tubo é inserido no líquido em um vaso cujo um gás ou ar é introduzido. Assim, aumenta-se lenta e continuamente a pressão de suprimento de gas até que se comece a borbulhar. No momento em que comeca o borbulhamento, a pressão aplicada é exatamente igual à pressão exercida pela coluna líquida. Logo, o borbulhamento não é intenso.

Figura 16 – Medição de nível por borbulhamento

O princípio no qual se baseia este tipo de medição é que será necessário uma pressão de ar igual à coluna líquida existente no vaso para que o ar vença este obstáculo e consiga escapar pela extremidade inferior do tubo, fazendo o líquido borbulhar. Na medição é necessário que se possa saber se a pressão exercida pela coluna de líquido está sendo vencida ou não, e isto se torna possível com o escape das bolhas de ar pela ponta imersa no tubo.

A medição da pressão dentro da tubulação do sistema faz-se através de um instrumento receptor que pode ser um manómetro ou qualquer outro instrumento transmissor de pressão. Com o sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos à distância.

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Figura 17 - Medição de nível por borbulhamento com transmissor de pressão

Logo, neste tipo de sistema necessitamos de um suprimento de ar ou gás e uma pressão ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este valor normalmente é ajustado para aproximadamente 10 a 20% a mais que a máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. O sistema borbulhador engloba uma válvula agulha de ar ou gás, um recipiente líquido na qual o ar ou gás passará pelo mesmo e um indicador de pressão. Ajustamos a vazão de ar ou gás até que se observe a formação de bolhas em pequenas quantidades. Um tubo levará esta vazão de ar ou gás até o fundo do vaso o qual queremos medir seu nível, teremos então um borbulhamento bem sensível. Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, instalamos um indicador de pressão que indicará um valor equivalente a pressão devido ao peso da coluna líquida. Nota-se que teremos condições de instalar o medidor à distância devido a instalação de um transmissor de pressão (ver fig. 17).

Quando o nível do líquido sobe ou desce, a pressão interna do tubo aumenta ou diminui respectivamente acompanhando o nível. Esta variação da pressão é sentida pelo instrumento receptor (transmissor). Uma coluna de líquido maior, requer maior pressão de ar para que haja expulsão de bolhas de ar, e para colunas menores, pressões menores de ar. Para termos um bom índice de precisão, é necessário que o fluxo de ar ou gás seja mantido constante em qualquer situação e para conseguirmos esta condição temos diversas maneiras, seja pela utilização de orifícios de restrição, válvulas-agulha, rotâmetros com reguladores de pressão diferencial, borbulhadores reguláveis, entre outros.

A válvula-agulha é um dos sistemas mais usados para regular o suprimento de ar ou gas na tubulação.

§ Materiais

O tubo de medição pode ser executado em qualquer material, de acordo com o fluido a ser monitorado. Ele poderá ser de aço inox ou aços especiais, materiais plásticos como PVC, teflon, etc.

§ Erros de calibração

O erro neste tipo de medição é devido somente ao erro no elemento receptor. O sistema não introduz erros consideráveis desde que convenientemente montado e regulado.

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§ Recomendações para a selagem

o O método de borbulhamento tal como descrito não é indicado para vasos sob pressão, visto que uma variação na pressão do vaso irá afectar a leitura, somando-se à coluna de liquido. Isto faz com que o instrumento receptor acuse nível maior que o realmente existente nos vasos. Sob o vácuo ocorre o mesmo. Nestes casos deve-se usar um instrumento de pressão diferencial onde uma das tomadas é ligada ao topo do equipamento.

o Os borbulhadores também não são recomendados quando o ar ou gás possa contaminar ou alterar as características do produto.

o O ar utilizado deve ser o ar de instrumentação, seco e isento de óleo, ou qualquer gás

inerte. o O liquido não deve conter sólidos em suspensão e a sua densidade deve manter-se

sempre constante.

§ Recomendações para instalação

o O tubo de medição deve ser instalado firmemente, não permitindo vibrações ou deslocamentos longitudinais. Deve-se cuidar para que equipamentos como agitadores ou serpentinas não interfiram no funcionamento dos borbulhadores.

o Deve-se, sempre que possível, instalá-lo em ponto onde as variações de nível por ondulação da superfície sejam mínimas e onde é possível instalar quebra-ondas.

o A extremidade do tubo imersa no líquido deve ter um corte em ângulo

ou um chanfro triangular conforme a figura ao lado, com a finalidade de formar bolhas pequenas, garantindo uma pressão no interior do tubo o mais estável possível.

Medição de nível por empuxo

Este tipo de medidor fundamenta-se no princípio de Arquimedes: “todo corpo mergulhado em um fluido sofre a accao de uma força vertical dirigida de baixo para cima, igual ao peso do volume do fluido deslocado”. A esta força exercida pelo fluido do corpo nele submerso ou flutuante chamamos de empuxo.

E = V. δ

Onde: E – Empuxo V – volume δ – densidade

Baseado no princípio de Arquimedes usa-se um deslocador (displacer) que sofre o empuxo do nível de um líquido, transmitindo para um indicador este movimento, por meio de um tubo de torque. O medidor deve ter um dispositivo de ajuste para densidade do líquido cujo nível estamos medindo, pois o empuxo varia com a densidade.

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Figura 18 – Medição de nível por empuxo

A técnica de medição de nível por empuxo pode ser aplicada para a medição de nível em tanques com líquidos diferentes, isto é, estamos perante a medição de nível de interface. Podemos definir interface como sendo o ponto comum entre dois fluidos miscíveis.

Na indústria muitas vezes temos que medir o nível da interface de um tanque contendo dois líquidos diferentes. Este facto ocorre em torres de destilação, torres de lavagem, decantadores, etc. Um dos métodos mais utilizados para a medição da interface é através da variação do empuxo conforme citaremos a seguir.

Consideremos um flutuador de forma cilíndrica mergulhado em 2 líquidos com pesos específicos diferentes 𝛿3 e 𝛿-. Desta forma, podemos considerar que o empuxo aplicado no flutuador, será a soma dos empuxos 𝐸3 e 𝐸- aplicados no cilindro, pelos pesos específicos 𝛿3 e 𝛿- respectivamente. O empuxo será dado por:

𝐸5 = 𝐸3 + 𝐸- = 𝑉3. 𝛿3 + 𝑉-. 𝛿-

Assim, para diferentes alturas de interface, teremos diferentes variações de empuxo.

Medidores de Nível com Raios Gama

Os medidores que utilizam radiações nucleares se distinguem pelo facto de serem completamente isentos do contacto com os produtos que estão sendo medidos. Além disso, dispensando sondas ou outras técnicas que mantêm contacto com sólidos ou líquidos tornando-se possível, em qualquer momento, realizar a manutenção desses medidores, sem a interferência ou mesmo paralisação do processo.

Dessa forma os medidores que utilizam radiações podem ser usados para indicação e controle de materiais de manuseio extremamente difícil e corrosivos, abrasivos, muito quentes, sob pressões elevadas ou de alta viscosidade. O sistema de medicao por raios gama consiste em uma emissão de raios gama montado verticalmente na lateral do tanque do tanque, do outro lado do tanque teremos uma câmara de ionização que transforma a radiação gama recebida em um sinal eléctrico de corrente contínua.

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Como a transmissão dos raios é inversamente proporcional a altura do líquido do tanque, a radiação captada pelo receptor é inversamente proporcional ao nivel do líquido do tanque, já que o material bloquearia parte da energia emitida.

Figura 19 – Medição de nível com raios gama

Medição de Nível capacitivo

A capacitância é uma grandeza eléctrica que existe entre duas superfícies condutoras entre si. O medidor de nível capacitivo mede as capacidades do capacitor formado pelo elétrodo submergido no líquido em relação às paredes do tanque. A capacidade do conjunto depende do nível do líquido.

O elemento sensor, geralmente é uma haste ou cabo flexível de metal. Em líquidos não condutores emprega-se um elétrodo normal, em fluidos condutores o elétrodo é normalmente isolado com teflon. À medida que o nível do tanque for aumentando o valor da capacitância aumenta progressivamente a medida que o dielétrico ar é substituído pelo dielétrico líquido a medir.

Figura 20 – Medição de nível capacitivo

A capacitância é convertida por um circuito electrónico numa corrente eléctrica sendo este sinal indicado em um medidor. A medição de nível por capacitância também pode ser sem contacto, através de sondas de proximidade. A sonda consiste de um disco compondo uma das placas do capacitor. A outra placa é a própria superfície do produto ou a base do tanque.

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Medição de nível por Ultrassom

§ Princípios Físicos

O ultrassom é uma onda sonora (mecânica), cuja frequência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido humano, i. e., acima de 20 kHz.

Figura 21 – Espectro sonoro

A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico, esta excitação é transferida de molécula a molécula do meio, com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das moléculas. A propagação do ultrassom depende, portanto, do meio.

Dependendo do meio, faremos a distinção da propagação nos sólidos, líquidos e gases. Assim sendo, a velocidade do som é a base da medição através da técnica de eco, usada nos dispositivos ultrassónicos.

§ Geração do Ultrassom

As ondas de ultrassom são geradas e captadas pela excitação eléctrica de materiais piezoeléctricos. A característica marcante dos materiais piezoeléctricos é a produção de uma frequência quando aplicamos uma tensão eléctrica. Assim sendo, eles podem ser usados como gerador de ultrassom, compondo, portanto, os transmissores.

Inversamente, quando se aplica uma força em um material piezoeléctrico, ou seja, quando ele recebe um sinal de frequência, resulta o aparecimento de uma tensão eléctrica no seu terminal. Nesta modalidade, o material piezoeléctrico é usado como receptor do ultrassom.

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Figura 22 – Medição de nível por ultrassom

§ Campo de aplicação

Os dispositivos do tipo ultrassónico podem ser usados para a detecção contínua de nível, além de poderem actuar como sensores de nível pré determinado (chave de nível). Os dispositivos destinados a detecção contínua de nível caracterizam-se, principalmente, pelo tipo de instalação, ou seja, os transdutores podem encontrar-se totalmente submersos no produto, ou instalados no topo do equipamento sem contacto com o produto.

Medição de Nível por Radar

O sinal de radar é emitido por uma antena, que reflete na superfície do produto, e retorna novamente depois de um intervalo de tempo que é proporcional a distância entre a antena e a superfície do produto. O sinal é gerado por um sistema chamado FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave). Esta frequência é da ordem de 8,5 a 9,9 GHz.

Os radares são tipicamente usados para medir distância, nivel, volume, liquidos com espumas, tanques de armazenamento com agitadores, etc.

O radar possui uma antena cónica que emite pulsos electromagnéticos de alta frequência para a superfície a ser detectada. A distância entre a antena e a superfície a ser medida será então calculada em função do tempo de atraso entre a emissão e recepção do sinal.

Figura 23 – Medidores de nível do tipo radar

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MÉTODOS DE MEDIÇÃO DE NÍVEL DE SÓLIDOS

É necessário medir o nível de sólidos, geralmente em forma de pó ou grãos, em silos, alto - fornos, etc., pelos mesmos motivos da medição de nível dos líquidos. Esta medição é comummente feita por dispositivos electromecânicos, onde é colocada uma sonda sobre a carga ou conteúdo. O cabo da sonda movimenta um transdutor electromecânico, que envia um sinal para um indicador, cuja escala é graduada para nível.

Figura 24 – Medição de nível de sólidos com células de carga

Em algumas aplicações mais recentes já é muito comum as industrias em geral utilizarem células de carga. Para se instalar este tipo de sensor, é necessário que corte os “pés dos silos” para que o silo fique apoiado sobre o sensor, como mostra a figura acima.

Mais recentemente foram desenvolvidas novas células de carga, que não necessitam mais de cortar as estruturas dos silos. Elas estão presas na estrutura do silo apenas com dois parafusos. Elas conseguem perceber a modificação da estrutura do material metálico a qual estão presas. A figura abaixo mostra o aspecto físico destas células de carga.

Figura 25 – Células de carga

Também são usados raios gama, capacitivo e ultrassom para determinar o nível de sólidos.

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