Medição de nível hidrostática: erro de densidade e selos

Um transmissor de nível hidrostático não mede diretamente o nível. Mede a pressão no fundo do tanque e infere o nível com uma densidade fixa. Quando esta muda com a temperatura ou com o produto, o nível inferido e o volume calculado derivam em conjunto. Este artigo quantifica a deriva, mostra onde um arranjo diferencial num recipiente fechado elimina a pressão do gás e indica quando um radar que mede diretamente a distância se torna a escolha mais segura.

O que um transmissor hidrostático realmente mede

Um transmissor hidrostático ou diferencial na base do tanque lê o peso da coluna de líquido acima dele e fornece uma saída linear entre pressão zero e fundo de escala, geralmente em 4–20 mA. A corrente mantém-se ao longo de várias centenas de metros de cabo, mas a tensão da malha tem de ser verificada face à tensão mínima nos terminais do transmissor; por isso, o método continua comum em grandes tanques. O instrumento indica pressão; o nível é calculado pelo utilizador com densidade assumida e altura conhecida do tanque. Num tanque ventilado, um transmissor de pressão relativa com cabo ventilado ou um diferencial com ramo de referência aberto ao ar separam ambos a carga líquida da atmosfera. Proteja a ventilação contra humidade, geralmente com filtro dessecante, sempre que as temperaturas do líquido e do ambiente forem muito diferentes. Estes transmissores são escolhidos pelo baixo custo instalado e pelo elemento de pressão simples, comprovado no campo e com pouca manutenção corrente.

Como a densidade entra no cálculo do nível

O nível inferido segue h = p / (ρ · g), sendo p a pressão relativa medida, ρ a densidade assumida e g a aceleração gravítica local, próxima de 9.81 m/s². Cada unidade de nível indicado incorpora, portanto, a hipótese de densidade como multiplicador oculto. A amplitude é escalonada em pressão, com essa hipótese integrada em LRV e URV; a conversão só vale enquanto ρ mantiver o valor usado no escalonamento. Num tanque ventilado de água perto de 20 °C, a densidade é cerca de 998 kg/m³. Num produto misturado, solução açucarada ou tanque que arrefece durante a noite, pode variar vários por cento sem mudança do nível real. O transmissor não deteta essa alteração: indica apenas a pressão presente. O utilizador tem de definir com que rigor conhecer a densidade para respeitar a tolerância de nível, pois recalibrar o elemento de pressão não altera a hipótese incluída na escala.

Exemplo de variação de densidade: erro de nível e volume

A tabela estabelece valores assumidos para um tanque vertical e converte uma alteração real de densidade em erros de nível e volume. É um cálculo ilustrativo com valores assumidos, não um registo de campo METRAVON. Confirme os números na ficha técnica atualizada e na placa antes de qualquer decisão de engenharia.

Entrada e conversão: a pressão real no fundo é p = ρ1 · g · h = 1030 · 9.81 · 6.0 = 60,626 Pa, cerca de 60.6 kPa. O transmissor escalonado para ρ0 indica h_rep = p / (ρ0 · g) = 60626 / (1000 · 9.81) = 6.18 m. Erro de nível = 6.18 − 6.00 = +0.18 m, ou +3.0 % do nível real. A secção é A = π · (2.0)² = 12.57 m²; o volume real é 75.4 m³ e o indicado 77.7 m³, erro de +2.3 m³ (+3.0 %). Condição limite: o erro cresce com o nível, atingindo +0.36 m à altura total de 12.0 m, e inverte o sinal se a densidade real for inferior à escalonada.

Quando o método hidrostático deixa de ser fiável

Exclua o transmissor hidrostático se a densidade não for estável ou conhecida no ponto de medição. Num tanque com produtos alternados ou que aquece e arrefece ao longo do dia, o termo de densidade varia mesmo com nível real fixo. Nenhuma recalibração elimina o desvio, porque o instrumento indica corretamente a pressão. Espuma, estratificação e sólidos em suspensão também invalidam a hipótese de densidade única. Na contabilização de transferências, inventário para custódia ou serviços que exijam erro inferior a cerca de 1 % da altura do tanque, o método hidrostático sem compensação falhará a aceitação. A 6 m de enchimento, 1 % da altura equivale a 60 mm, permitindo só ±1 % de incerteza de densidade, mais restritivo do que a maioria das especificações de produto. Nesses casos, um radar que mede diretamente a distância à superfície elimina totalmente o termo de densidade; alternativamente, exige-se medição de massa corrigida pela densidade para deixar de depender de um valor estimado.

Medição em recipiente fechado e compensação da pressão do gás

Num tanque fechado, o gás acima do líquido tem pressão própria; uma única tomada no fundo não separa essa pressão da carga líquida. Um transmissor diferencial resolve o problema ligando o lado de alta ao fundo e o de baixa à parte superior do tanque. A diferença medida é ρ · g · h independentemente da pressão do gás, pelo que uma subida desta deixa de adicionar nível falso. O diferencial diminui quando a altura h de líquido diminui, seja qual for a pressão do gás. Um regulador de inertização pode mantê-la constante, mas ela nunca entra no diferencial. Um selo remoto com capilar preenche a linha de impulso, impedindo o contacto do processo com o transmissor, relevante em serviços tóxicos, quentes ou sob vácuo, em que um ramo aberto é impraticável. Em contrapartida, o óleo do capilar tem densidade própria que varia com a temperatura. Torna-se o erro dominante deste arranjo e exige a mesma disciplina de densidade aplicada ao líquido.

Deriva do capilar de selo remoto e lista de aceitação

Um capilar de selo remoto com silicone ou óleo semelhante acrescenta uma correção de elevação igual à densidade do óleo multiplicada pelo desnível entre os dois selos. Ao aquecer 30 °C, a densidade pode cair 2–3 % e o óleo mais leve exerce menos pressão na membrana. Num desnível de 6 m, isso corresponde a deslocamento do zero de 120–180 mm, suficiente para ultrapassar uma banda de ±1 % num tanque de 12 m; o zero sobe quando o óleo aquece. A lista de aceitação exige confirmar o tipo de óleo e o coeficiente térmico na ficha técnica, medir o desnível instalado, verificar o zero com ramo fechado e pressões igualadas antes do comissionamento e registar a deriva esperada na gama local, tipicamente −10 °C a +50 °C. Com grande variação térmica, um radar ou medidor servo sem termo de capilar evita o problema e mantém o zero estável.

Perguntas frequentes

Q1. Um transmissor hidrostático mede diretamente o nível?

Não. Mede pressão no fundo e infere nível por densidade assumida e altura do tanque. Se a densidade do escalonamento diferir da real, o nível fica enviesado mesmo com pressão correta. Confirme sempre esse termo na ficha do produto e guarde-o no registo do tanque para auditorias.

Q2. Quanto erro de nível causa uma mudança de densidade?

Uma alteração de +3 % na densidade causa cerca de +3 % de erro sobre o nível real, pois o nível é inversamente proporcional à densidade. No exemplo, passar de 1000 para 1030 kg/m³ a meio do enchimento deu +0.18 m num tanque de 12.0 m. O erro aumenta com a altura de líquido e com a variação de densidade.

Q3. Posso recalibrar o transmissor para corrigir a deriva de densidade?

Recalibrar não elimina o erro de densidade, porque o instrumento indica corretamente a pressão. Reescalonar só muda a densidade assumida e só vale enquanto ela se mantiver. Num tanque com produto ou temperatura variável, introduza a densidade real no cálculo ou use um sensor cujo nível não dependa dela.

Q4. Porque usar pressão diferencial num tanque fechado?

A pressão do gás acima do líquido não pode ser separada da carga líquida por uma só tomada no fundo. O transmissor diferencial compara pressões no fundo e no topo, deixando ρ · g · h como valor medido. Assim, a leitura mantém-se correta quando a pressão do gás varia durante enchimento e esvaziamento, sem compensação adicional.

Q5. O que corre mal num capilar de selo remoto?

A densidade do óleo cai ao aquecer, deslocando o zero por uma fração da carga de elevação. Uma subida de 30 °C pode deslocá-lo 120–180 mm num desnível de 6.0 m. Verifique coeficiente térmico, elevação instalada e zero com ramo fechado antes do comissionamento; registe a deriva esperada na gama térmica local.

Q6. Quando escolher radar em vez de medição hidrostática?

Quando a densidade for instável ou desconhecida, o serviço exigir erro inferior a cerca de 1 % da altura ou a variação térmica tornar inaceitável a deriva do selo capilar. O radar mede diretamente a distância à superfície e elimina totalmente a densidade do cálculo de nível, sendo por isso preferido em contabilização.

RESUMO

A medição hidrostática infere nível pela pressão no fundo com densidade assumida. Uma variação de +3 % a meio do enchimento produziu +0.18 m de erro de nível e +2.3 m³ de erro de volume no exemplo. Envie altura, diâmetro, gama de densidade e indicação de tanque ventilado ou fechado; os nossos engenheiros confirmarão se um arranjo hidrostático, diferencial ou radar cumpre a tolerância.