Sensores de nível líquido: Princípios de trabalho, tipos e aplicações industriais

Sensores de Nível Líquido METRAVON: Princípios de Trabalho, Tipos e Aplicações Industriais

Sensores de nível líquido são usados para detectar a altura ou condição de nível líquido em tanques, bacias, vasos de processo, poços, canais e outros sistemas. Em geral, podem ser divididos emMedição de nível contínuoeDetecção a nível dos pontos.

Os transmissores contínuos fornecem um nível real, distância ou porcentagem e podem se comunicar com PLC, DCS, RTU ou sistemas de aquisição de dados através de interfaces como 4-20 mA, HART ou RS485/Modbus. Os interruptores de nível de ponto são usados principalmente para detecção de alto nível, baixo nível, excesso ou vazio.

Diferentes tecnologias de sensoriamento usam diferentes princípios físicos, de modo que sua sensibilidade à densidade, propriedades dielétricas, condições de espaço-gás, temperatura, pressão, espuma, vapor e geometria de instalação também diferem.

1. Quais são os principais tipos de sensores de nível líquido?

Sensor de nível de radar

Utiliza reflexão eletromagnética para medição de distância sem contato em tanques, bacias e aplicações de processo exigentes.

Sensor de Nível Ultrassônico

Utiliza o tempo de voo acústico e é amplamente aplicado em tanques de água, bacias de águas residuais e vasos atmosféricos.

Sensor de Nível Hidrostático

Calcula o nível da pressão de coluna líquida e é comumente utilizado em poços, reservatórios, tanques e monitoramento hidrológico.

Sensor de nível capacitivo

Mede alterações na capacitância causadas por alterações no meio dielétrico em torno da sonda.

Sensor de nível de flutuação magnética

Utiliza flutuabilidade e detecção de posição magnética para medição contínua ou de nível de ponto.

2. Como funciona a medição do nível de radar?

Um sensor de nível de radar montado acima do líquido transmite ondas eletromagnéticas para a superfície. O sinal refletido é recebido pela antena, e o instrumento calcula a distância entre seu ponto de referência e a superfície líquida.

Radar industrial comumente usa pulso ou tecnologia FMCW. Modernos 26GHz e 80GHz instrumentos de radar de espaço livre são amplamente utilizados para líquidos e sólidos a granel.

Não Contacto

A antena normalmente não precisa ser imersa no líquido.

Nenhum meio de gás necessário

As ondas electromagnéticas não requerem ar para propagação, permitindo a sua utilização em condições de vácuo e de espaço gasoso complexos.

Ampla gama de aplicações

Soluções estão disponíveis para tanques pequenos, grandes navios de armazenamento, silos, reservatórios e monitoramento de nível de rio.

O desempenho do radar ainda pode ser afetado por propriedades dielétricas, espuma, acúmulo de antena, geometria do vaso e condições de instalação. Portanto, é impreciso afirmar que o radar não é completamente afetado pelo meio de processo.

3. Como funciona a medição de nível ultrassônico?

Um sensor de nível ultrassônico transmite pulsos sonoros em direção à superfície líquida e mede o tempo necessário para o retorno do eco. A distância é calculada a partir do tempo de propagação e da velocidade do som.

Ao contrário do radar, o ultrassom é uma onda mecânica e requer um gás ou outro meio através do qual se propagar. A velocidade do som muda com a composição da temperatura e do gás, razão pela qual os transmissores ultrassônicos industriais comumente usam compensação de temperatura.

4. Como funciona a medição do nível hidrostático?

A medição hidrostática baseia-se na pressão produzida por uma coluna líquida. Para um vaso aberto, a pressão estática depende da densidade líquida, gravidade e altura líquida.

P = ρgh

em que:

• P= pressão hidrostática;

• ρ= densidade líquida;

• g= aceleração gravitacional;

• h= altura do líquido.

Se a densidade for conhecida e suficientemente estável, a pressão medida pode ser convertida em nível.

Transmissor de Nível Submersível

Instalado perto do fundo de um poço, tanque, reservatório, ou bacia.

Transmissor de pressão montado

Instalado na parte inferior ou lateral de um recipiente para calcular o nível a partir da pressão estática.

A densidade líquida é um dos fatores mais importantes que afetam a precisão do nível hidrostático. A viscosidade não aparece diretamente na equação hidrostática, embora meios altamente viscosos, cristalizantes ou formadores de sedimentos possam afetar a porta de pressão ou a resposta diafragmática.

5. Como funciona a medição de nível capacitivo?

Um sensor capacitivo detecta alterações na capacitância causadas por alterações no ambiente dielétrico em torno da sonda. A sonda e uma parede de vaso, eletrodo de referência ou estrutura coaxial formam a capacitância de medição.

As construções comuns incluem:

• Sonda de haste única com um recipiente metálico como eletrodo de referência;

• Sonda coaxial;

• Sonda de cabo;

• Sonda isolada ou revestida de PTFE;

• Dispositivos isolados para líquidos condutores.

A medição capacitiva pode ser influenciada por mudanças de propriedade dielétrica, acúmulo, cristalização e alterações na composição do produto.

6. Como funciona um sensor de nível de flutuação magnética?

Um flutuador magnético move-se para cima e para baixo com o líquido de acordo com a flutuabilidade. Um ímã dentro do flutuador interage com um interruptor de junco, elemento sensor magnetoestritivo, ou indicador magnético externo.

Interruptor de nível flutuante

Utiliza um interruptor flutuante e de cana para detecção de pontos de alto ou baixo nível.

Transmissor de Nível Magnetostritivo

Mede continuamente a posição flutuante para medição de nível de alta resolução.

Medidor de Nível Magnético

Utiliza acoplamento magnético entre um flutuador interno e um indicador externo para indicação de nível visual local.

Importante:Um sensor magnético de nível flutuante não é estritamente uma tecnologia sem contato. O próprio flutuador é normalmente imerso no líquido, embora o elemento de detecção magnética possa ser isolado do fluido do processo.

A densidade líquida afeta a profundidade de imersão flutuante e, portanto, deve ser incluída no processo de seleção.

7. Comparação rápida de tecnologias de nível líquido

8. Como deve ser selecionado um sensor de nível líquido?

Confirme as seguintes informações antes da seleção:

Médio

Nome líquido
Densidade
Propriedades dielétricas
Corrosividade
Viscosidade

Requisitos de medição

Nível contínuo ou de ponto
Intervalo máximo
Precisão
Velocidade de resposta
Requisitos de alarme

Condições do processo

Temperatura
Pressão
Vacuum
Vapor
Espuma

Requisitos do sistema

4–20 mA
HART
RS485/Modbus
Fonte de alimentação
Exigência de zona perigosa

9. Cenários comuns de aplicação

10. Que sinais de saída são comuns?

• 4–20 mA:amplamente utilizado para PLC, DCS e aquisição analógica tradicional;

• 4–20 mA + HART:Adiciona configuração digital e diagnósticos ao laço analógico;

• RS485/Modbus RTU:Adequados para RTU, aquisição digital e sistemas multidispositivos;

• Relé:comumente usado para alarmes de nível de ponto e interlocks;

• 0–5 V / 0–10 V:Utilização em sistemas de controlo a nível de equipamento seleccionados;

• Comunicação IoT:dados de nível podem ser enviados através de um gateway para SCADA ou plataformas de nuvem.

11. Erros de seleção do sensor de nível comum

Olhando apenas para a precisão

A precisão do laboratório não representa automaticamente o desempenho do campo.

Assumindo que não-contacto é sempre melhor

Os sistemas hidrostáticos ou flutuantes podem ser mais simples e econômicos para poços, tanques de água ou máquinas compactas.

Ignorar as Propriedades Médias

Densidade, propriedades dielétricas, espuma, corrosão e viscosidade podem alterar a escolha da tecnologia correta.

Comparando apenas o preço de compra

A instalação, manutenção, risco de inatividade e vida útil também devem ser avaliadas.

FAQ: Sensores de nível líquido

Q1: Qual é a diferença entre um sensor de nível e um medidor de nível?

R: Os termos são frequentemente usados de forma intercambiável. “Sensador” enfatiza o elemento sensor, enquanto “level meter” muitas vezes se refere ao instrumento de medição completo, incluindo processamento de sinal e saída.

Q2: Qual nível de tecnologia tem a maior precisão?

R: Não há resposta universal. A precisão depende das condições de modelo, faixa, meio, instalação e processo.

Q3: Radar ou ultrassônico para um tanque de água?

R: Ultrassônico é muitas vezes econômico para tanques de água de curto alcance, atmosférico, relativamente estável. O radar pode ser preferível quando é necessário vapor, complexos internos ou maior estabilidade.

Q4: O que é comumente utilizado para o nível de água de poço profundo?

R: Um transmissor hidrostático submersível é uma solução comum, embora radar sem contato também possa ser avaliado dependendo da geometria do poço.

Q5: A medição capacitiva é afetada pelo meio?

R: Sim. A medição da capacitância depende diretamente das condições dielétricas, de modo que a composição do produto e o acúmulo podem afetar o resultado.

Q6: Qual é a principal influência na medição do nível hidrostático?

R: A densidade líquida é um fator chave. Alterações de densidade alteram a pressão correspondente ao mesmo nível físico.

Q7: Um sensor de flutuação magnética é sem contato?

A: Normalmente não. O flutuador está em contato direto com o líquido, embora o elemento sensor magnético possa ser isolado do processo.

Q8: Que tecnologia deve ser usada quando a espuma está presente?

R: A resposta depende da espessura da espuma, conteúdo líquido e propriedades dielétricas. A espuma pode afetar tanto o radar quanto a medição ultrassônica, portanto a espuma grave deve ser avaliada especificamente.

Q9: Um sensor de nível pode se conectar diretamente a um PLC?

R: Sim, desde que o PLC suporte os correspondentes 4-20 mA, tensão, RS485/Modbus, ou entrada discreta.

Q10: Que informações METRAVON precisa para a seleção de sensores de nível?

R: Fornecer altura média, tanque ou bacia, nível mínimo e máximo, temperatura, pressão, densidade, propriedades dielétricas, condições de espuma ou vapor, localização de montagem, conexão de processo, alimentação, interface de saída e requisitos de área de perigo.

Conclusão

Não existe uma tecnologia de nível único que seja ideal para cada aplicação.Tecnologias de radar, ultrassônica, hidrostática, capacitiva e de flutuação magnéticacontar com princípios físicos diferentes e, portanto, oferecer diferentes pontos fortes e limitações.

Radar é adequado para muitas aplicações exigentes sem contato; ultrassônico é muitas vezes econômico para tanques e bacias atmosféricas estáveis; a medição hidrostática é amplamente utilizada em poços e aplicações submersas; Os sistemas capacitivos são úteis quando as alterações dielétricas podem ser medidas de forma fiável; e dispositivos baseados em flutuação permanecem práticos para aplicações de vários pontos e níveis contínuos.

METRAVON recomenda confirmar propriedades médias, intervalo, temperatura, pressão, geometria do vaso e requisitos do sistema de controle antes de selecionar o princípio de medição e configuração do instrumento.