Medição de Nível

Instrumentos de Medição de Nível: Um Guia Prático para Escolher o Sensor Certo

Cinco maneiras de medir o nível e por que é importante escolher uma delas.

A Silver Automation Instruments fornece cinco tecnologias principais de medição de nível: medidor de nível por radar sem contato , medidor de radar de onda guiada transmissor de nível ultrassônico, Transmissores de pressão hidrostática (submersíveis) , e transmissores de pressão ou pressão diferencial para tanques fechados e pressurizados. Clientes no Sudeste Asiático, Oriente Médio, Austrália, América do Sul e África fazem pedidos para todos os cinco tipos de tanques, frequentemente para a mesma planta. Uma refinaria de óleo de palma pode utilizar um medidor de nível por radar de 80 GHz nos tanques de armazenamento, um sensor de radar de onda guiada no desaerador, um transmissor de pressão diferencial em um tanque de branqueamento pressurizado e um simples medidor de nível hidrostático no reservatório de efluentes. O ponto é: raramente existe uma única solução correta para toda a planta. Existe uma solução correta para cada tanque individualmente.

Este guia descreve os pontos fortes e as limitações de cada tecnologia, além de indicar qual modelo é mais adequado para cada aplicação. Ao longo do texto, você também encontrará links para artigos técnicos mais detalhados e notas de aplicação, permitindo que você consulte informações sobre preços, métodos de seleção, diagramas de fiação, distâncias de montagem ou dúvidas específicas sobre compatibilidade química, assim que souber qual sensor de nível precisa.

Comparação rápida: Nível por radar, nível ultrassônico, nível hidrostático e nível de pressão/DP

Antes de nos aprofundarmos no assunto, aqui está a versão resumida que a maioria dos engenheiros realmente deseja.

Transmissores de nível por radar sem contato

O sensor de nível por radar sem contato é um sensor de nível contínuo que envia um pulso de micro-ondas em direção ao meio e mede o tempo de reflexão. Nada toca o produto, portanto não há desgaste, risco de incrustação pela própria sonda e nenhuma peça móvel que precise de manutenção. É por isso que se tornou a escolha padrão para tanques de difícil acesso, corrosivos ou pressurizados. A Silver Automation Instruments fabrica dois famílias de frequência Radar de pulso de 26 GHz e radar FMCW de 80 GHz. A escolha entre eles se resume principalmente ao ângulo do feixe: um feixe mais estreito permite a passagem por componentes internos congestionados e bocais menores, a um custo unitário mais elevado.

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Radar de pulso de 26 GHz (série SKRD90)

A série SKRD90 de medidores de nível por radar 26G abrange seis variantes (SKRD91 a SKRD96), cada uma otimizada para uma aplicação diferente. O SKRD91 é indicado para líquidos altamente corrosivos até 20 m de profundidade, com uma antena de PTFE. O SKRD92 é adequado para serviços gerais com líquidos até 30 m de profundidade e temperaturas de até 250 °C. Os modelos SKRD93 e SKRD94 são projetados para sólidos empoeirados e propensos à formação de orvalho até 70 m de profundidade, o tipo de ambiente encontrado em silos de cimento ou armazéns de minerais. O SKRD95 é projetado para pós e partículas sólidas, e o SKRD96 utiliza uma conexão flangeada e higiênica para líquidos sanitários.

Na prática, a faixa de 26 GHz abrange uma ampla gama de meios: ácidos e líquidos de processo levemente corrosivos em SKRD91, água, óleos e produtos químicos gerais em SKRD92, cimento, cal, minério e outros sólidos pulverulentos em SKRD93 e SKRD94, grânulos de plástico e pós finos em SKRD95, e líquidos sanitários como xarope ou produtos lácteos em SKRD96. Essa variedade é o que torna a série adequada para instalações tão diferentes: um terminal de cimento, uma unidade de processamento de minerais e uma fábrica de bebidas podem encontrar uma variante compatível sem precisar migrar para 80 GHz.

Todos os seis modelos operam com corrente de 4 a 20 mA via HART ou RS485 Modbus RTU sob encomenda. A precisão varia de ±3 mm nos modelos para líquidos a ±15 mm nos modelos para sólidos, o que é normal, visto que superfícies sólidas raramente são planas. Todas as variantes do SKRD90 possuem uma opção intrinsecamente segura ou à prova de explosão (Exib IIC T6 Gb), adequando-se a tanques de Zona 1 em refinarias e terminais de grãos. Os instrumentos da Silver Automation possuem medidores de nível por radar com certificação ATEX.

Um padrão recorrente em projetos que observamos com SKRD93 e SKRD94 envolve silos de armazenamento de cimento e minerais no Sudeste Asiático e na América do Sul, onde a poeira e o orvalho dentro do silo confundiriam um sensor ultrassônico, mas deixariam um feixe de 26 GHz praticamente inalterado. Outro padrão comum vem de plantas de processamento no Oriente Médio que encomendam SKRD91 para tanques de dosagem de ácido ou soda cáustica, onde uma antena de PTFE evita qualquer contato com metal molhado e o feixe amplo tolera uma certa quantidade de turbulência durante a dosagem.

A montagem é mais importante do que a maioria dos compradores imagina. A antena precisa ficar a uma distância de 1/4 a 1/6 do diâmetro do tanque a partir do centro, com pelo menos 250 mm de folga da parede, e nunca deve ficar diretamente acima do fluxo de enchimento. Abordamos todas as recomendações e contraindicações, incluindo a geometria do estoque e placas refletoras para tanques com obstáculos internos, em nosso [link para o guia/manual]. Guia de requisitos de montagem de radar de 26 GHz e o companheiro Referência de fiação de radar de 26 GHz .

Transmissor de nível de radar FMCW de 80 GHz (série SDRD8x)

Ao passar para 80 GHz, o ângulo do feixe se estreita drasticamente. Um ângulo de feixe menor significa que o sinal se concentra em um cone mais estreito, o que permite instalar o sensor de nível por radar em bicos menores, mais perto das paredes do tanque e em embarcações com agitadores ou escadas. A desvantagem é um custo unitário mais alto, por isso geralmente recomendamos 80 GHz quando a geometria do tanque é complexa ou quando o cliente precisa de maior precisão.

A família SDRD8x abrange os modelos SDRD81 a SDRD88. O SDRD81 é o modelo para líquidos de uso geral, com classificação de 90 a 250 °C, dependendo da antena escolhida, e alcance de até 100 m. O SDRD82 foi projetado para líquidos altamente corrosivos. O SDRD83 suporta pressão e ambientes corrosivos na mesma carcaça. O SDRD85 utiliza uma conexão higiênica com grampo para tanques de alimentos e bebidas. O SDRD87 é o modelo ideal para sólidos e poeira, com classificação de alcance de até 120 m, e é o modelo que mais recomendamos aos nossos clientes para grandes silos de armazenamento. O SDRD88 utiliza um flange de PFA para misturas agressivas de líquidos e sólidos com classificação IP68.

A abrangência dos meios de transmissão na faixa de 80 GHz é maior do que os números sugerem. Os dispositivos SDRD81 e SDRD82 detectam desde água e diesel até ácidos concentrados. O SDRD85 é o dispositivo que os clientes solicitam para leite, xarope e outros líquidos com propriedades sanitárias, onde a conexão por grampo facilita a limpeza no local. Os dispositivos SDRD87 e SDRD88 cobrem toda a faixa de frequência. trigo e farinha cimento, minério e outros sólidos de fluxo livre, juntamente com misturas viscosas ou agressivas de líquidos e sólidos.

Um detalhe que costuma confundir compradores iniciantes: o Modbus RTU RS485 é uma opção disponível em toda a linha SDRD8x, mas o Modbus TCP/IP não é suportado na eletrônica padrão. Se a integração SCADA de um cliente exigir especificamente Modbus TCP/IP, será necessário um conversor de gateway do lado do cliente, e não um medidor diferente.

Um padrão recorrente que observamos com o SDRD87 envolve cooperativas de grãos e moinhos de farinha na Austrália e no Sudeste Asiático, onde o feixe estreito alcança o fundo de um silo alto e estreito sem sofrer interferência das pernas de apoio ou escadas dentro do recipiente. No lado dos líquidos, terminais de óleo comestível e óleo de palma frequentemente especificam SDRD81 ou SDRD82 para tanques de armazenamento de produtos refinados, onde a precisão no limite superior da faixa é importante para a transferência de custódia e proteção contra transbordamento.

Compartilhamento de casos:

•   Aplicação de radar de 80 GHz em silo de grãos
• Transmissor de nível por radar de 80 GHz para tanques de armazenamento de óleo comestível

Medidores de nível por radar de onda guiada (série SKRD30)

radar de onda guiada O radar geoestacionário (GWR) emite o mesmo tipo de pulso de micro-ondas que o radar sem contato, mas ele se propaga por uma sonda, seja um cabo de aço, uma haste rígida ou um tubo coaxial, em vez de se propagar pelo ar. Essa sonda concentra o sinal, permitindo que o GWR continue funcionando de forma confiável em situações que confundem o radar sem contato: espuma, turbulência intensa, meios com baixa constante dielétrica e embarcações estreitas ou congestionadas.

A série SKRD30 abrange seis estilos de sonda. O modelo SKRD31 utiliza uma sonda de cabo único para líquido ou sólidos até 30 m. O SKRD32 é uma sonda de haste para líquidos até 6 m. O SKRD33 utiliza sondas de corda dupla para sólidos, pó ou líquidos com baixa constante dielétrica. O SKRD34 é classificado para serviço em alta temperatura e alta pressão, até 400 °C e 40 MPa, com sondas de haste ou coaxiais. O SKRD35 adiciona um revestimento de PTFE à haste para líquidos corrosivos. O SKRD36 utiliza uma sonda coaxial, a escolha certa para líquidos com constante dielétrica muito baixa ou uma superfície que não para de se mover.

Uma tabela de constante dielétrica é realmente útil aqui, porque a seleção do GWR (Medidor de Ondas Geotérmicas) muitas vezes se resume à intensidade com que o meio reflete um sinal de micro-ondas. Meios com constante dielétrica abaixo de 1,9 (como GLP, solventes ou hidrocarbonetos leves) geralmente exigem sondas de haste ou coaxiais em vez de sondas de corda, e a faixa de medição diminui à medida que a constante dielétrica cai. As sondas de haste medem meios com constante dielétrica de até aproximadamente 1,9, e as sondas coaxiais reduzem esse valor para cerca de 1,6, ao custo de um comprimento máximo de sonda menor (6 m).

As regras de montagem para GWR são mais rigorosas do que parecem. A sonda de nível guiada precisa estar a pelo menos 300 mm da parede do tanque (500 mm para tanques de concreto), a extremidade da sonda precisa de pelo menos 50 mm de folga em relação ao fundo do tanque, e sondas com rosca não devem exceder 100 mm de altura do tubo de conexão, a menos que o cabo esteja fixado na parte inferior. Se você estiver especificando um soquete DN200 ou maior, a própria face do soquete pode gerar um eco que compromete a precisão em produtos com baixa constante dielétrica, e um adaptador de conexão em formato de corneta geralmente resolve o problema.

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Medidores de nível ultrassônicos (Série HL)

O transdutor de nível ultrassônico é uma solução comprovada e econômica. medição sem contato tecnologia que se encaixa perfeitamente em tanques abertos , sumidouros e canais onde o custo é mais importante. A série HL abrange uma gama completa sensor de nível ultrassônico industrial alinhamento reduzido a uma simples configuração de dois fios sensor ultrassônico de nível de fluido para um único tanque. Funciona enviando um pulso sonoro em direção à superfície e cronometrando o eco, corrigindo automaticamente as variações na velocidade do som causadas pela temperatura. Está disponível em nove tipos de construção: 2 fios, 3 fios, 4 fios, uma versão intrinsecamente segura de 2 fios (HLT1), uma versão padrão com visor remoto (HLF), uma versão multifuncional com até seis relés (HLM) e três versões compactas sem visor (HLVT, HLVT-T com configuração Bluetooth e HLVR com RS485 Modbus RTU); um Versão Profibus DP Também está disponível para fábricas que seguem esse protocolo padrão.

As opções de alcance variam de 4 m até 40 m, com distância de bloqueio A escala varia de 0,20 m no alcance mais curto a 1,5 m na versão de 40 m — a zona morta logo abaixo da face do sensor, onde um eco não pode ser avaliado de forma confiável, é a causa mais comum de chamadas de suporte do tipo "minha leitura de nível para de mudar perto do nível máximo".

A tecnologia ultrassônica não é a escolha certa para todos os tanques. Ela apresenta dificuldades em ambientes com grande quantidade de vapor, espuma, poeira e vácuo, e sua precisão (0,2% da faixa de medição) não se compara à do radar em aplicações exigentes. Onde ela se destaca é... água , águas residuais e outros tanques com uma superfície estável e sem respingos — o baixo custo unitário compensa a diferença de precisão para canais abertos, reservatórios e armazenamento geral de líquidos, onde um ou dois milímetros não fazem diferença.

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Transmissores de nível de pressão hidrostática (submersíveis) (SHLT02)

A medição hidrostática de nível adota uma abordagem completamente diferente. Em vez de medir o tempo de uma onda, um sensor de silício difusivo é posicionado a uma profundidade conhecida e mede a pressão da coluna de líquido acima dele. Como a pressão e a altura do líquido são linearmente relacionadas para uma determinada densidade específica, o sensor de pressão submersível SHLT02 converte essa leitura de pressão diretamente em nível, volume ou peso.

O medidor de nível hidrostático SHLT02 mede de 0,5 m até 200 m de coluna de água, com precisão de 0,5% ou 0,25%, dependendo da escolha entre a saída padrão de 4 a 20 mA ou a versão HART. Uma saída Modbus RS485 também está disponível. Possui classificação IP68 no sensor submersível e IP65 ou IP67 na carcaça do transmissor, o que o torna a escolha ideal para... poços profundos , poços úmidos e tanques onde um sensor de radar ou ultrassônico simplesmente não tem onde ser montado.

Uma condição importante a ser destacada: a medição hidrostática de nível pressupõe uma densidade específica estável. Se a densidade do produto em um tanque variar significativamente, por exemplo, em uma mistura de petróleo bruto que varia de lote para lote, a leitura do nível apresentará deriva, mesmo que a leitura da pressão esteja correta. Por esse motivo, geralmente recomendamos transmissores hidrostáticos para água, efluentes e tanques com densidade constante de um único produto, e radar ou ultrassom para aplicações onde a densidade não é garantida, incluindo poços profundos e... água de formação casos.

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Transmissores de pressão e pressão diferencial para medição de nível

Uma sonda hidrostática submersível só funciona quando é possível baixar um sensor até o interior do recipiente. Tanques fechados, pressurizados ou com classificação de vácuo, assim como caldeiras e reatores encamisados, exigem uma abordagem diferente: um transmissor de pressão ou pressão diferencial (DP) montado externamente nas conexões do processo, que calcula o nível a partir da pressão exercida pela coluna de líquido, em vez de uma onda ou uma sonda submersa.

Em um tanque aberto ou ventilado, um único transmissor de pressão manométrica montado na tomada de fundo geralmente é suficiente, visto que a pressão atmosférica no topo do tanque é constante e se cancela. Em um recipiente fechado ou pressurizado, o espaço de vapor acima do líquido também exerce pressão para baixo, de modo que um único transmissor montado no fundo indicaria a pressão do tanque mais a altura manométrica do líquido, e não apenas a altura manométrica do líquido. Um transmissor de pressão diferencial resolve esse problema medindo a pressão na tomada de fundo em relação a uma segunda tomada de referência no topo do recipiente, de forma que a pressão do espaço de vapor se cancele e o que reste seja a altura manométrica real do líquido.

Fabricamos transmissores de pressão e pressão diferencial com diversas configurações de montagem, dependendo do processo: montagem direta em flange ou rosca para líquidos limpos; vedação capilar e de diafragma para fluidos viscosos, cristalizantes ou de alta temperatura, onde o fluido do processo nunca deve entrar em contato com o corpo do transmissor; e pares de vedação remota para aplicações de pressão diferencial em duas conexões de tanque. Medições de nível em tambores de caldeiras, colunas de destilação e qualquer tanque que circule com condensado quente ou vapor geralmente exigem uma vedação de diafragma em vez de uma conexão direta com o fluido, visto que esta última exporia o transmissor à variação de temperatura e pressão do vapor.

Assim como na medição hidrostática, a detecção de nível por pressão e DP pressupõe uma densidade específica conhecida e estável para converter a pressão em uma leitura de nível. Portanto, a mesma precaução se aplica: se a densidade do produto variar significativamente durante o processo, o nível calculado sofrerá deriva, mesmo que a leitura de pressão seja precisa. Para o nível do tambor da caldeira e outras aplicações no lado do vapor, a faixa exata do transmissor, o fluido de enchimento da vedação e o comprimento capilar dependem da pressão e temperatura de operação. Por isso, confirmamos esses valores com base no desenho específico do vaso, em vez de fornecer um valor genérico. Envie-nos a distância entre as tomadas de medição, a pressão de operação e a temperatura do processo, e dimensionaremos o transmissor e a configuração da vedação de acordo.

Selecionar o sensor de nível adequado para cada aplicação.

Cada uma das cinco tecnologias acima apresenta pontos fortes e fracos. A escolha da tecnologia certa para um tanque específico se resume a quatro perguntas, aproximadamente na ordem em que eliminam outras opções:

Qual é o meio?

Geralmente, este é o primeiro filtro. Líquidos corrosivos ou de alta pureza indicam a necessidade de radar sem contato, já que nada toca o produto. Superfícies espumantes ou turbulentas descartam o radar sem contato e apontam para o radar de onda guiada, pois a sonda corta o ruído da superfície. Sólidos empoeirados e com baixa constante dielétrica precisam de potência de micro-ondas suficiente para gerar uma reflexão utilizável, o que envolve uma escolha entre 26 GHz e 80 GHz, e não uma questão de sim ou não para o radar em si.

Precisa de ajuda com alguma dessas mídias? Nós podemos te ajudar:

• Líquidos e produtos químicos corrosivos: ácido sulfúrico , ácido nítrico , nitrato de amônio , sódio líquido , silicato de sódio , inibidores e biocidas
• Combustível e óleo: combustível , óleo , HFO , óleo lubrificante
• Água e esgoto: água , águas residuais, esgoto
• Alimentos e bebidas: açúcar , álcool , malte de alta temperatura
• Sólidos e materiais a granel: silos de grãos e milho , lascas de madeira , minério e minerais , grânulos de plástico , resina , asfalto

Qual é a geometria do tanque?

Tanques abertos ou ventilados mantêm a pressão hidrostática na mesa; recipientes fechados, pressurizados ou com classificação de vácuo a eliminam, já que não há onde baixar uma sonda, e levam você a usar transmissores de posicionamento dinâmico (DP). Embarcações altas, estreitas ou congestionadas com obstáculos internos favorecem um feixe mais concentrado (80 GHz ou GWR) em vez de um feixe amplo.

Qual é a condição do processo?

Em aplicações com alta temperatura, alta pressão ou vapor, geralmente se utiliza um selo de diafragma ou um sistema capilar em vez de uma conexão direta com o fluido, independentemente da tecnologia subjacente escolhida. Em aplicações com vácuo, o uso de ultrassom é completamente dispensado.

Qual é o orçamento ?

Este é o último filtro, não o primeiro — ele decide entre duas tecnologias que já funcionam, não qual é tecnicamente correta. O ultrassom é mais barato para aquários atmosféricos com uma superfície limpa e estável; uma vez que a atmosfera ou a geometria o inviabilizem, o custo deixa de ser um fator relevante. Para orçamentos mais apertados, um transmissor de nível barato podem reduzir ainda mais os custos, e métodos de contato simples como um transmissor de nível de bolha Vale a pena considerá-las também, desde que nem a espuma nem o vapor sejam um problema.

Eis como isso se traduz na prática, por região:

Um terminal de óleo de palma no Sudeste Asiático utiliza radar de 80 GHz em tanques de armazenamento refinados Como o radar é sempre a melhor opção nesses casos, optar por uma solução mais barata resulta em desperdício de dinheiro com dados de baixa qualidade. Já as lagoas de efluentes são um caso à parte, pois não há exigência de precisão, permitindo que o ultrassom atenda às necessidades por um custo menor.

Uma usina de dessalinização no Oriente Médio utiliza o método hidrostático em seus poços e reservatórios úmidos por ser barato, aberto e simples, funcionando bem naquela região. No entanto, quando um tanque contém um produto químico corrosivo, a usina passa a utilizar o radar de ondas guiadas, já que não é mais possível aproximar uma sonda desse líquido.

Uma cooperativa de grãos australiana utiliza radar em todos os silos, pois os tanques são altos e estreitos, com grãos em constante movimento em seu interior, e nada mais resiste a essas condições.

Uma operação de mineração na América do Sul acaba com duas respostas diferentes no mesmo local: radar de ondas guiadas nas células de flotação porque elas produzem espuma, e radar hidrostático nas lagoas de rejeitos porque não produzem. O que está dentro do tanque determina tudo, mesmo dentro da mesma planta.

Noções básicas de instalação que se aplicam a todas as tecnologias.

Independentemente da tecnologia escolhida, três hábitos de instalação evitam a maioria dos chamados de suporte que recebemos.

Primeiramente, mantenha o sensor afastado do fluxo de enchimento. Todas as fichas técnicas de radares, ondas guiadas e ultrassom que publicamos repetem isso, pois um sensor apontado para o produto em queda, e não para a superfície onde o material se deposita, indicará níveis falsos.

Em segundo lugar, respeite a distância da zona morta ou de bloqueio e certifique-se de que o nível máximo esperado do produto nunca a ultrapasse.

Terceiro, para qualquer instalação à prova de explosão ou intrinsecamente segura, a barreira ou isolador deve corresponder aos parâmetros certificados na placa de identificação, e não a uma ficha técnica genérica; usar a barreira errada é o motivo mais comum para uma instalação certificada reprovar na inspeção.

Obtenha uma recomendação de sensor de nível para o seu tanque.

Cada tanque é um pouco diferente, e a maneira mais rápida de obter o modelo certo é nos enviar as condições reais de operação, em vez de fazer uma estimativa com base em um catálogo. Envie um e-mail. vendas@silverinstruments.com com:

• Meio (líquido, sólido ou suspensão) e sua constante dielétrica aproximada ou nome químico.
• Tipo de tanque: geometria, diâmetro e se é aberto, pressurizado ou agitado.
• Temperatura (°C) e pressão (bar ou MPa) do processo
• Faixa de medição necessária (m) e conexão de montagem (tamanho da rosca, classificação do flange ou DN)
• Para transmissores de pressão ou DP: distância entre as tomadas de pressão e se é necessário um selo de diafragma ou capilar.
• Saída necessária: 4 a 20 mA/HART ou RS485 Modbus RTU
• Classificação da área perigosa, se houver (por exemplo, ATEX Zona 1, IECEx)

Iremos apresentar um número de modelo específico, não apenas uma família de produtos, juntamente com uma ficha técnica e um orçamento.