Nível - Exercícios

PREPARAÇÃO CONCURSO TRANSPETRO 2011

CARGO: TÉCNICO DE MANUTENÇÃO JUNIOR – AUTOMAÇÃO

Matéria: Instrumentação - Nível

Nível

Definição→A medição de nível, embora tenha conceituação simples, requer por vezes artifícios e técnicas apuradas.O nível é uma variável importante na indústria não somente para a operação do próprio processo, mas também para fins de cálculo de custo e de inventário. Na indústria se requer medições tanto de nível de líquidos como de sólidos. Para facilitar a compreensão costuma-se definir nível, como sendo a altura do conteúdo de um reservatório, que poderá ser um líquido ou um sólido. O nível pode ser considerado a altura da coluna de líquido ou de sólido no interior de um tanque ou vaso. O nível não se aplica a gases em tanque de teto fixo, pois o gás sempre ocupa todo o espaço. Porém, em quando se armazena líquidos voláteis (p. ex., gasolina), é comum o uso de tanque com teto flutuante. O teto flutua exatamente para minimizar o nível de gás contido. Em aplicações industriais, pode ser ainda um único vaso armazenando dois líquidos não miscíveis e se quer medir a interface desses dois líquidos.

Unidades→ A unidade de nível deve ser a unidade de comprimento do Sistema Internacional de Unidades (SI), que é o metro (m), pois o nível é a altura de uma coluna de líquido. Porém, é prática comum se referir ao nível como percentagem (%): o nível tem um nível que varia entre 0 e 100%, podendo assumir todos os valores intermediários. Também se usa a massa ou o volume ocupado pelo produto no tanque para se referir ao seu nível. Nestes casos, o nível seria expresso em kilograma (kg) ou metro cúbico (m3), respectivamente.

Métodos de medição de nível de líquido→ Os sistemas de medição de nível variam em complexidade desde simples visores para leituras locais até indicação remota, registro ou controle




automático. Os três tipos básicos de medição de nível são o direto, o indireto e o descontínuo.

Medição de nível direta→ É a medição para a qual tomamos como referência a posição do plano superior da substância medida. Neste tipo de medição podemos utilizar réguas ou gabaritos, visores de nível, bóia ou flutuador.

Régua ou Gabarito→ Consiste em uma régua graduada que tem um comprimento conveniente para ser introduzida no reservatório a ser medido. Observe a figura abaixo:

A determinação do nível se efetuará através da leitura direta do comprimento molhado na régua pelo líquido.

Visores de Vidro Tubular→ Este medidor usa o princípio dos vasos comunicantes. O nível é observado por um visor de vidro especial, podendo haver uma escala graduada acompanhando o visor. São simples, baratos, precisos e de indicação direta.




Estes visores são normalmente fabricados com tubos de vidro retos com paredes de espessuras adequadas a cada aplicação. Estes tubos são fixados entre duas válvulas de bloqueio de desenho especial através de união e juntas de vedação apropriadas a cada especificação de projetos. O comprimento e o diâmetro do tubo irão depender das condições a que estará submetido o visor, porém convêm observar que os mesmos não suportam altas pressões e temperaturas. Esta medição é feita em tanques abertos e tanques fechados. Para proteção do tubo de vidro contra eventuais choques externos, são fornecidas hastes protetoras metálicas colocadas em torno do tubo de vidro ou com tubos ou chapas plástica envolvendo o mesmo.

Os tubos de vidro têm diâmetros normalizados onde para cada dimensão estão relacionados valores de pressão e temperatura máximas permissíveis. Devido às características construtivas, os visores de vidro tubular não suportam altas pressões e temperaturas, bem como apresentam alta probabilidade de quebra acidental do vidro por choque externo. Devido às limitações quanto a sua resistência a segurança, os visores de vidro tubular são recomendados para uso em processos que não apresentam pressões superiores a cerca de 2,0 bar e em temperaturas que não excedam a 100 graus Celsius. Não se recomenda o seu uso com líquidos tóxicos, inflamáveis ou corrosivos, visto que a fragilidade destes instrumentos aumenta a possibilidade de perda de produto contido no equipamento. Recomenda-se que o comprimento do tubo não exceda os 750 mm. Caso seja necessário cobrir faixas de variação de nível maiores, recomenda-se usar dois ou mais visores com sobreposição de faixas visíveis




Visores de Vidro Plano→ Os vidros planos substituíram, ao longo dos anos, quase a totalidade dos visores tubulares. Esse fato decorre da inerente falta de segurança apresentada pelos visores tubulares em aplicações com pressões elevadas. Atualmente, os visores planos representam cerca de 90% das aplicações de visores de nível em plantas industriais. Os visores de vidro plano têm o aspecto mostrado na abaixo.

São compostos de um ou vários módulos onde se fixam barras planas de vidro. Estes módulos são conhecidos como seções dos visores.Apesar da diversidade de modelos e fabricantes, cada seção apresenta uma altura variando de 100 a 350 mm e, dependendo do desnível a ser medido, os visores podem ser compostos de várias seções (visor multisseção). Contudo, recomenda-se que cada visor tenha, no máximo, quatro seções. Ultrapassa esse limite, o peso da unidade torna-se excessivo e o visor pode deixar de ser auto-sustentável, necessitando de suportes adicionais. Caso sejam previstas variações amplas na temperatura do fluido, o visor deverá ser provido com loops de expansão para possibilitar a dilatação ou contração resultantes. Quando o desnível a ser medido exigir um número de seções adicionais será sobrepostos como mostra a seguir.




A principal desvantagem dos visores multisseções são as regiões de não visibilidade entre seções adjacentes que medem tipicamente 38 mm.A especificação dos materiais das diversas partes depende da aplicação (temperatura, pressão, tipo de fluido, etc.), mas de um modo geral, pode-se dizer que seus componentes são:

Temos acima os visores de vidro plano reflex, para produtos escuros sem interfaces, e os visores de vidro plano transparente, para produtos claros e sua interface.

Bóia ou Flutuador→ Consiste numa bóia presa a um cabo que tem sua extremidade ligada a um contrapeso. No contrapeso está fixo um ponteiro que indicará diretamente o nível em uma escala. Esta medição é normalmente encontrada em tanques abertos. Abaixo temos um medidor de nível com flutuador interno.

Neste medidor de nível, uma bóia é colocada a flutuar no tanque, e seu movimento vertical é transmitido pelas roldanas ligadas a um contrapeso que também tem a função de indicador externo.




Usam-se também flutuador tipo esférico quando é necessária grande resistência à pressão. O flutuador é desenhado de modo que a linha de centro da esfera coincida com o nível da superfície do líquido, proporcionando uma máxima sensibilidade na mudança de nível.

O medidor de níveis com flutuador interno é usualmente utilizado em tanques abertos. Deve-se ter o cuidado para assegurar que não ocorram vazamentos quando estes são usados com pressão ou em tanque de vácuo. Temos também o medidor com flutuador externo, que é colocado em uma câmara montada do lado de fora do tanque, como mostra a figura.

Conforme varia o nível do flutuador movimenta-se verticalmente. Este por sua vez transmite esta variação ao elemento indicador através de um sistema de alavancas. Sua vantagem sobre o sistema com flutuador interno está no fato deste ser menos afetado por oscilações na superfície do líquido contido no tanque ou por sua vaporização. Com este medidor pode-se obter o nível em tanques sob pressão ou vácuo, medir nível de interface entre dois líquidos de densidade diferentes e medir nível de líquidos corrosivos. É indicado especialmente para os casos em que a instalação de um flutuador tipo bóia dentro do tanque de medição não for recomendado.




Medição de nível indireta→ Neste tipo de medição o nível é medido indiretamente em função de grandezas físicas como: pressão, empuxo, radiação e propriedades elétricas.

Medição de Nível por Pressão Hidrostática (Pressão Diferencial)→ Neste tipo de medição usa-se a pressão exercida pela altura da coluna líquida, para medirmos indiretamente o nível, como mostra a seguir o Teorema de Stevin:

Essa técnica permite que a medição seja feita independente do formato do tanque, seja ele aberto, seja pressurizado. Neste tipo de medição, utilizamos um transmissor de pressão diferencial cuja cápsula sensora é dividida em duas câmaras: a de alta (H) e a de baixa pressão (L).

Este transmissor de nível mede a pressão diferencial, subtraindo-se a pressão da câmara alta (H) da câmara baixa (L).

Medição De Nível Por Pressão Diferencial Em Tanques Abertos→ Supressão de zero. Para maior facilidade de manutenção e acesso ao instrumento, muitas vezes o transmissor é instalado abaixo do tanque. Outras vezes a falta de uma plataforma de fixação em torno de um tanque elevado resulta na instalação de um instrumento em um plano situado em nível inferior à tomada de alta pressão. Em ambos os casos, uma coluna líquida se formará com a altura do líquido dentro da tomada




de impulso. Se o problema não for contornado, o transmissor indicará um nível superior ao real. Observe a figura a seguir:

Medição De Nível Por Pressão Diferencial Em Tanques Pressurizados→ Para medição em tanques pressurizados, a tubulação de impulso da parte de baixo do tanque é conectada à câmara de alta pressão do transmissor de nível. A pressão atuante na câmara de alta é a soma da pressão exercida sob a superfície do líquido e a pressão exercida pela coluna de líquido no fundo do reservatório. A câmara de baixa pressão do transmissor de nível é conectada na tubulação de impulso da parte superior do tanque, onde mede somente a pressão exercida sob a superfície do líquido. Veja a figura.

Selagem das tomadas de impulso→ Quando o fluido do processo possuir alta viscosidade, ou quando o fluido se condensar nas tubulações de impulso, ou ainda no caso de o fluído ser corrosivo, devemos utilizar um sistema de selagem nas tubulações de impulso, das câmaras de baixa e alta pressão do transmissor de nível. Selam-se então ambas as tubulações de impulso, bem como as câmaras do instrumento. O líquido normalmente utilizado para selagem das tomadas de impulso é a glicerina ou o silicone líquido, devido à sua alta densidade.

Elevação de zero→ Na figura abaixo se apresenta um sistema de medição de nível com selagem, no qual deve ser feita a elevação, que consiste em se anular a pressão da coluna líquida na tubulação de impulso da câmara de baixa pressão do transmissor de nível.




Medição De Nível Com Borbulhador→ Com o sistema de borbulhador podemos detectar o nível de líquidos viscosos, corrosivos, bem como de quaisquer líquidos a distância. Neste sistema necessitamos de um suprimento de ar ou gás e uma pressão ligeiramente superior à máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido. Este valor em geral é ajustado para aproximadamente 20% a mais que a máxima pressão hidrostática exercida pelo líquido.

O sistema borbulhador engloba uma válvula agulha, um recipiente com líquido, no qual o ar ou gás passará, e um indicador de pressão. Com o nível no máximo, 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 que queremos medir o nível. Teremos então um borbulhamento bem sensível de ar ou gás no líquido que terá seu nível medido. Na tubulação pela qual fluirá o ar ou gás, instalamos um indicador de pressão que indicará um valor equivalente à pressão, devido ao peso da coluna líquida. Nota-se que teremos condições de instalar o medidor a distância.

Medição De Nível Por Empuxo (displacer)→ Fundamenta-se no princípio de Arquimedes. Todo corpo mergulhado em um fluido sofre a ação de uma força vertical dirigida de baixo para cima, igual ao peso do volume do fluido deslocado.




A força exercida pelo fluido, no corpo nele submerso ou flutuante chamamos de empuxo. Baseando-se 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 se está medindo, pois o empuxo varia com a densidade.

Através dessa técnica podemos medir nível de interface entre dois líquidos não-miscíveis. Na indústria muitas vezes temos que medir o nível da interface em um tanque com dois líquidos diferentes. Este fato ocorre em torres de destilação, torres de lavagem, decantadores etc. Um dos métodos mais utilizados para a medição da interface é por meio da variação do empuxo, conforme demonstraremos a seguir. Consideremos um flutuador de forma cilíndrica mergulhado em dois líquidos com pesos específicos diferentes d1 e d2.




Desta forma, podemos considerar que o empuxo aplicado no flutuador será a soma dos empuxos E1 e E2 aplicados no cilindro, pelos líquidos de pesos específicos d1 e d2, respectivamente. O empuxo será dado por:

Assim, para diferentes valores de altura de interface, teremos diferentes variações de empuxo, como observamos na figura abaixo.

Medição de Nível por Capacitância→A capacitância é uma grandeza elétrica que existe entre duas superfícies condutoras isoladas entre si. O medidor de nível capacitivo mede as possibilidades do capacitor formado pelo eletrodo 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, se emprega um eletrodo normal. Em fluidos condutores, o eletrodo é isolado normalmente com teflon. À medida que o nível do tanque for aumentando, o valor da capacitância aumenta progressivamente devido ao dielétrico ar ser substituído pelo dielétrico líquido.




A capacitância é convertida por um circuito eletrônico numa corrente elétrica, sendo este sinal indicado em um medidor. A medição de nível por capacitância também pode ser feita sem contato, através de sonda de proximidade. Esta sonda consiste em um disco que compõe uma das placas do capacitor. A outra placa é a própria superfície do produto ou a base do tanque




Medição de Nível por Ultra-Som→ O ultra-som consiste em uma onda sonora cuja freqüência de oscilação é maior que aquela sensível pelo ouvido humano, ou seja, acima de 20 kHz. A geração ocorre quando uma força externa excita as moléculas de um meio elástico. Esta excitação é transferida de molécula a molécula, com uma velocidade que depende da elasticidade e inércia das mesmas. A propagação do ultra-som depende, portanto, do meio (sólido líquido ou gasoso). Assim, a velocidade do som é a base para a medição através da técnica de eco, usada nos dispositivos ultra-sônicos. As ondas de ultra-som são geradas e captadas pela excitação elétrica de materiais piezoelétricos. A característica marcante dos materiais piezoelétricos é a produção de uma freqüência quando aplicamos uma tensão elétrica. Assim, eles podem ser usados como gerador de ultra-som, compondo, portanto, os transmissores. Inversamente, quando se aplica uma força em um material piezoelétrico, ou seja, quando ele recebe um sinal de freqüência, resulta o aparecimento de uma tensão elétrica no seu terminal. Nesta modalidade, o material piezoelétrico é usado como receptor do ultra-som.

Os dispositivos do tipo ultra-sônico podem ser usados tanto na detecção contínua de nível como na descontínua. Os dispositivos destinados à 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 contato com o produto.

Medição de Nível por Radar→ O radar possui uma antena cônica que emite pulsos eletromagnéticos de alta freqüência à 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 a recepção do sinal. Essa técnica pode ser aplicada com sucesso na medição de nível de líquidos e sólidos em geral.




A grande vantagem deste tipo de medidor em relação ao ultra-sônico é a imunidade a efeitos provocados por gases, pó e espuma entre a superfície e o detector, possuindo, porém, um custo relativamente alto.

Medição de nível descontínua→ Estes medidores são empregados para fornecer indicação apenas quando o nível atinge certos pontos desejados, como, por exemplo, em sistemas de alarme e segurança de nível alto ou baixo.

Medição de nível descontínua por condutividade→ Nos líquidos que conduzem eletricidade mergulha-se eletrodos metálicos de comprimento diferente. Quando houver condução entre os eletrodos, teremos a indicação de que o nível atingiu a altura do último eletrodo alcançado pelo líquido.

Medição de nível descontínua por bóia→ Diversas técnicas podem ser utilizadas para medição descontínua, desde uma simples bóia acoplada a contatos elétricos, até sensores eletrônicos do tipo capacitivo ou ultra-sônico, que se diferenciam pela sensibilidade, tipo de fluido, características operacionais de instalação e custo.




Nível Exercícios

Petrobrás – Técnico de automação I – Prova 9

27 - Um sensor de pressão, localizado no fundo de um reservatório, é utilizado como instrumento de medição de nível. Considere a massa específica do líquido contido no reservatório igual a 1,2 kg/L e a aceleração da gravidade igual a 10 m/s2. Para uma leitura de pressão manométrica de 66 kgf/cm2, o nível, em m, corresponde a:

(A) 1,2 (B) 5,5(C) 6,6 (D) 55,0(E) 66,0

R. P = h.d → h = P/d → h = 66/1,2 → h = 55m , alternativa D.

Embasa – Assistente de saneamento – Cargo técnico em automação e controle

52 - Um sensor de pressão hidrostática pode ser usado como um sensor de nível, independentemente do volume do tanque e da pressão atmosférica local, desde que o tanque esteja aberto e o coeficiente da densidade relativa do fluido seja conhecido. Certa (x) Errada ()

R. Questão certa (anulada devido a erro no gabarito da Embasa). É possível ler o nível em mm de um sistema com tanque aberto somente com o sensor de pressão hidrostática, desde que se conheça a densidade do fluído, pois P=h .d . Portanto h=P/d, onde h é a altura da coluna em mm, P é a pressão (que será informada pelo sensor) e d é a densidade do fluído que estamos medindo (obtemos esse dado facilmente em dados técnicos do fluído).

Petrobrás - Técnico em manutenção júnior I – Instrumentação. Prova 39 (02/2010)

29 - Quando o fluido é do tipo líquido limpo, qual instrumento de medição de nível NÃO tem aplicação como chave de nível?

(A) Flutuador(B) Ultrassônico(C) Capacitivo(D) De pressão diferencial(E) De pás rotativas

R. Alternativa E. Parece-me que este sensor não existe. Os demais podem todos ser adaptados para chave de nível, através de circuitos eletrônicos.







Petrobrás – Técnico (a) De Manutenção Júnior Instrumentação. Prova 33 (05/2010)

32 - Sobre os medidores de nível e suas operações de medição, analise as afirmativas a seguir.

I - A medida do nível de um reservatório contendo líquido ou sólido é promovida com objetivo de manter essa variável em um valor fixo ou entre dois valores determinados, ou, ainda para determinar o volume ou a massa do fluido em questão, sendo essa operação feita por medição direta ou indireta.

II - O nível é uma variável importante na indústria não somente para a operação do próprio processo, mas também para fins de cálculo de custo e de inventário.

III - São exemplos de medidores de nível por medição direta os dos tipos deslocadores e capacitivos.

Está correto o que se afirma em

(A) I, apenas.(B) I e II, apenas.(C) I e III, apenas.(D) II e III apenas.(E) I, II e III.

R. Alternativa B. Os medidores tipo deslocadores e capacitivos são de medição indireta.

TBG – Técnico de Gasoduto I. Automação

Questão discursiva 2 - Desejamos medir o nível de interface de dois fluidos, água e óleo, de um vaso utilizando-se dispositivo do tipo pressão diferencial, isto é, medindo-se a pressão da coluna líquida, desenvolvida pelos líquidos distintos confinados dentro do equipamento. Considerando que as densidades da água e do óleo são 1,0 e 1,7, respectivamente, e a altura total da coluna líquida é de 10 metros, calcule o alcance ou o dimensionamento do transmissor de nível de interface em mmH2O.

Exercícios de conceito

Senai

1 - Defina o que é nível.R.

2 – Qual a finalidade da medição de nível?




R.

3 – Cite três métodos de medição de nível.R.

4 – Cite três tipos de medidores diretos de nível.R.

5 - No que consiste o medidor de nível tipo régua?R.

6 - Qual o princípio de funcionamento dos visores de nível?R.

7 – No que consiste o medidor de nível tipo bóia?R.

8 – Quais as propriedades físicas usadas na medição de nível indireta?R.

9 – Em que teorema se baseia a medição do nível por pressão?R.

10 - Calcule a pressão no fundo de um reservatório, cujo nível de água está a 2,5m da base.R.

11 – Calcule a pressão no fundo de um tanque de óleo cujo o nível está a três metros da base. A densidade do óleo é 0,8.R.

12 – Explique em que situação de instalação se deve fazer o ajuste de “supressão de zero” em um transmissor de nível por pressão diferencial.R.

13 – Calcular

A) 60% da faixa de 30 mmHg a 50mmHg = __________B) 4% da faixa de 13 H2O a 25 H2O = ____________C) 30% da faixa de 20 mmH2O a 100 mmH2O = __________D) 40% da faixa de 100 mmCA a 500 mmCA = ___________

14 – Como é feita a medição de nível indireta em tanques fechados e pressurizados?R.




15 – Explique em que situação de instalação se deve fazer o ajuste de “elevação de zero” em um transmissor de nível por pressão diferencial.R.

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