Fonte: “O Verdadeiro Medidor Magnético de Vazão tipo Inserção” – GUSTAVO DE ARAÚJO LAMON – Belo Horizonte

Um pouco da história da medição de vazão

A vazão é considerada a variável de processo mais importante nas empresas de saneamento e uma das mais importantes em processos industriais. De acordo com a História, as primeiras medições de vazão de água foram realizadas pelos egípcios e romanos, cujas obras de adução de água ficaram famosas, tanto é que um texto do governador e engenheiro romano Julius Fontinus (40 – 103 d.C) traz referências claras sobre o assunto.

Por se tratar de uma variável importantíssima, a vazão acaba sendo uma das mais medidas em processos industriais mas, infelizmente, no Brasil, mesmo sabendo de sua importância, poucas empresas de saneamento dispõe de sistemas de medição de vazão e quando dispõe destes sistemas, nem sempre são confiáveis.

Devido ao status alcançado por essa variável de processo, nos dias de hoje a vazão é a variável que dispõe de recursos tecnológicos mais diversos para sua medição, além de requerer também um grande esforço para sua medida em determinadas aplicações. Pois, para medir a vazão corretamente foi sempre necessário muito conhecimento técnico, além do desenvolvimento das técnicas de medição já existentes em situações distintas de medição.

Com relação à seleção de um determinado tipo de medidor de vazão para uma aplicação em especial, desde que a necessidade do usuário seja a medição da vazão volumétrica de líquidos, o medidor de vazão magnético do tipo carretel ou inserção, baseado na lei de Faraday, pode atender satisfatoriamente a uma grande porcentagem de aplicações.

O princípio de funcionamento do medidor de vazão eletromagnético

Para explicarmos o princípio de funcionamento dos medidores de vazão eletromagnético, consideraremos neste momento os medidores do tipo carretel. Estes medidores utilizam um princípio de medição antigo, a Lei de Faraday, e muitos fabricantes de instrumentos continuam a desenvolver medidores de vazão baseados nesse princípio. O medidor de vazão eletromagnético carretel atende a um gigantesco número de aplicações como, por exemplo: medição de vazão de água, xaropes de glicose com alta concentração, leite, cerveja e derivados, polpa de celulose, polpa de minério, ácidos em geral, efluentes industriais, esgoto, lamas, pastas, etc.

Para que o mesmo possa ser indicado em uma aplicação basta que o líquido possua uma condutividade elétrica mínima, normalmente de 5uS/cm. Dependendo de sua pressão, temperatura e velocidade de escoamento na tubulação do processo, com certeza a vazão desse líquido poderá ser medida corretamente, conforme a necessidade do usuário.

A Lei de Faraday, demonstrada pela primeira vez em 1832 pelo cientista Michael Faraday, foi percussora do desenvolvimento de vários equipamentos que se baseiam em sua Lei e o medidor de vazão eletromagnético é um desses equipamentos.

O primeiro medidor de vazão eletromagnético carretel foi desenvolvido em 1932 por um cientista suíço. No entanto, esta tecnologia tornou-se consolidada no final dos anos 70.

Apesar deste medidor ser baseado num princípio antigo, ele continua sendo aperfeiçoado e customizado para determinadas aplicações por alguns fabricantes. A Lei de Faraday utilizada para medidores de vazão determina que o movimento do líquido através do campo magnético induz uma força eletromotriz que atravessa o líquido num sentido perpendicular ao campo magnético, sendo essa f.e.m. diretamente proporcional à sua velocidade de escoamento do liquido. É importante salientarmos que o líquido deverá possuir uma condutividade elétrica mínima admitida, normalmente de 5uS/cm.

Devido ao campo magnético empregado na indução, o material do tubo medidor deve ser de material não magnético, para não conduzir e nem modificar a direção do campo magnético gerado. Por meio de dois eletrodos inseridos em um plano perpendicular ao campo magnético, torna-se possível a medição da força eletromotriz induzida por meio de um milivoltímetro.

De qualquer forma, é preciso uma observação cuidadosa durante a engenharia de aplicação do medidor magnético, quanto aos limites de operação relativos à temperatura, pressão e velocidade de escoamento, além da condutividade elétrica mínima exigida do líquido a ser medido. No medidor de vazão magnético, o seu campo magnético poderá ser gerado por um ímã permanente ou por bobinas excitadas por corrente alternada ou contínua.

Essa força eletromotriz induzida (dada em microvolts), não é afetada pela temperatura, viscosidade, pressão, turbulência, densidades específica/relativa e condutividade elétrica do líquido medido, desde que a condutividade elétrica esteja acima do valor mínimo exigido.

Figura 1 – Representação do funcionamento do medidor magnético de vazão
A determinação da Força Eletromotriz Induzida é regida pela seguinte equação:
fem = Kg * B * L * v
Onde:

  • fem = Força Eletromotriz Induzida (tensão induzida nos eletrodos)
  • Kg = Constante Geométrica
  • B = Campo Magnético gerado pelas bobinas
  • L = Distância entre os eletrodos
  • v = Velocidade do fluído

Figura 2 – Representação do funcionamento do medidor magnético de vazão

Uma vez que temos Kg, B e L constantes podemos simplificar nossa equação sendo: fem = K * v

Podemos observar que a tensão induzida fem é diretamente proporcional à Velocidade de escoamento do fluído porem, notamos que há um fator multiplicador à velocidade denominado K. Este fator multiplicador é o famoso “Fator K” dos medidores eletromagnéticos. Este fator é imprescindível para o perfeito funcionamento do medidor e o seu levantamento, obrigatoriamente, deve ser realizado pelo fabricante após a fabricação do tubo medidor (sensor) e a única forma de determiná-lo, seria submetendo o sensor a uma calibração realizada em bancada apropriada.

Figura 3 – Representação da atuação do Fator K

Uma das principais qualidades de um medidor é que o mesmo seja repetitivo e esta é uma característica do medidor de vazão magnético. No entanto, a curva de resposta do medidor após sua fabricação não é linear.

Após a calibração realizada em bancada apropriada, o fabricante consegue determinar a constante deste medidor, ou ainda o seu “Fator K”, que transforma a curva de resposta do medidor em uma curva de resposta ideal.

E a vazão, como é determinada? Ora, uma vez que conhecemos a velocidade média de escoamento do fluído e conseguimos medi-la de forma exata com este sistema de medição quase perfeito, basta então multiplicá-la pela área da seção do medidor que pode ser determinada pela equação:  A =  π *D2 / 4
Onde:

  • A = área
  • π = 3,14159265
  • D = diâmetro

Logo temos: Q = fem * K * A
Onde:

  • Q = vazão
  • fem = Força Eletromotriz Induzida
  • K = Constante de Calibração determinado pelo fabricante
  • A = Área

Apesar de ser um medidor de vazão quase perfeito, o medidor eletromagnético tipo carretel tem como uma de suas desvantagens o aumento do custo do produto em razão do diâmetro, bem como o elevado custo de sua instalação em grandes diâmetros de rede, tornando-a às vezes, inviável economicamente. Em razão deste aspecto, ou seja, a inviabilidade econômica de instalação dos grandes medidores eletromagnéticos de vazão tipo carretel, fez com que alguns fabricantes de medidores eletromagnéticos partissem para o desenvolvimento dos medidores eletromagnéticos tipo inserção.

Figura 4 – Demonstração do aumento do custo do medidor magnético de vazão carretel em função do
diâmetro do tubo

Infelizmente a tecnologia eletromagnética de inserção não propicia o mesmo nível de exatidão do medidor eletromagnético do tipo carretel. Tipicamente, o medidor magnético do tipo carretel apresenta erro abaixo de 0,5% da leitura e o Verdadeiro Medidor Magnético de Inserção apresenta erro abaixo de 2% da leitura e dependendo do critério de sua instalação pode chegar a erro inferior a 1% da leitura. Dependendo da aplicação, a utilização de um Verdadeiro Medidor de Vazão Eletromagnético de Inserção pode ser utilizada e tratando-se de empresas de saneamento a aplicação desta tecnologia é totalmente viável.

O Princípio de medição de vazão eletromagnética tipo inserção

Os primeiros medidores eletromagnéticos de inserção começaram surgir no mercado na década de 90. Apesar de trabalhar com o mesmo princípio do medidor eletromagnético tipo carretel, infelizmente esta tecnologia não é tão perfeita quanto o medidor magnético carretel. Isso se dá em razão de uma variável denominada Perfil de Velocidade que quando não for conhecida e aplicada nos medidores magnéticos de inserção podem incorrer em altíssimos erros de medição.

O medidor de vazão magnético de inserção pode ser considerado um híbrido entre um medidor magnético do tipo carretel e o tubo de Pitot. Esta afirmativa é verdadeira em razão deste tipo de tecnologia utilizar os conceitos de ambas as tecnologias.

Diferentemente do medidor magnético carretel, a medição da velocidade no medidor magnético de inserção é pontual, ou seja, a Força Eletromotriz Induzida gerada é em razão do vetor velocidade que passa pela ponta do sensor no ponto de exato de sua inserção.

Figura 5 – Representação do campo magnético gerado pela medidor magnético de vazão carretel VS.
Inserção

Apesar de possuírem a mesma tecnologia, a medição da vazão utilizando o magnético de inserção, deve ser munida de alguns cuidados, se não vejamos:
A partir da equação: Q = fem * K * A
Onde:

  • Q = vazão
  • fem = Força Eletromotriz Induzida
  • K = Constante de Calibração determinado pelo fabricante
  • A = Área

Como a fem x K = Velocidade, simplificaremos a equação para: Q = v * A
Onde:

  • Q = vazão
  • v = Velocidade média
  • A = Área

Sabemos que em razão da viscosidade do fluído e da rugosidade do tubo, gera-se um atrito entre a parede do tubo e o fluído causando uma deformação nos infinitos vetores velocidade dentro do tubo gerando assim o que conhecemos como perfil de velocidade de escoamento fluídico dentro do tubo, que na condição turbulenta (Re>4000) e considerando um trecho reto adequado, obtemos um perfil similar a figura 6.

Figura 6 – Representação de um perfil de velocidade, em condição turbulenta, ideal.

Teoricamente, o vetor velocidade de maior módulo é encontrado no centro da tubulação e o vetor velocidade média é encontrado a 1/8 ou 7/8 do diâmetro do tubo. Infelizmente, em condição real nem sempre temos um perfil de velocidade uniforme como o ilustrado na figura 06, e por isso, nem sempre podemos afirmar que o vetor velocidade máxima esta exatamente no centro do tubo ou ainda que o vetor velocidade média encontra-se a 1/8 ou 7/8 do diâmetro. Como a vazão é obtida pela multiplicação da velocidade média pela área e o medidor é capaz de medir apenas a velocidade pontual, há a necessidade de ser inserido o primeiro fator de correção, aqui denominado como Kp, na equação de determinação da vazão para os medidores magnéticos de inserção, ou seja, um fator que irá transformar o vetor velocidade medido em um vetor que corresponderá à média de todos os vetores. Logo teremos: Q = A * v * Kp
Onde:

  • Q = Vazão
  • A = Área
  • V = velocidade pontual
  • Kp = Fator de Correção do Perfil

Agora que nossa velocidade foi corrigida, precisamos de nos atentar para outro fator de correção. Por se tratar de um medidor de inserção, a área da seção de medição não é mais determinada pela simples aplicação de formula. A área passa a ser a área do tubo menos a área de inserção e por isso, outro fator imprescindível nos medidores magnéticos de inserção é o que chamamos de Coeficiente de Inserção, aqui denominado como Ki.

Figura 7 – Representação da projeção da haste do sensor de vazão na tubulação

Podemos observar através da ilustração acima que a área da seção de medição é na verdade a área do tubo menos a área de inserção do sensor logo, a equação da medição da vazão regida pelos medidores de inserção passa para:  Q = A * Ki * v * Kp
Onde:

  • Q = Vazão
  • A = Área
  • Ki = Coeficiente de inserção
  • V = velocidade pontual
  • Kp = Fator de Correção do Perfil

Se expandirmos a equação acima para apresentar a fem, podemos observar que um medidor magnético de inserção necessita de no mínimo três tipos de constantes de correção, vejamos:

Q = A * Ki * fem * K * Kp 
Onde:

  • Q = Vazão
  • A = Área
  • Ki = Coeficiente de inserção
  • fem = Força Eletromotriz Induzida
  • K = Constante de Calibração determinado pelo fabricante
  • Kp = Fator de Correção do Perfil

Obs.: É importante ressaltarmos neste momento que a constante K, uma vez determinada pelo fabricante, não deve mais ser alterada. Caso o operador venha a realizar qualquer tipo de alteração nesta constante para realizar qualquer tipo de correção, a linearidade do medidor será afetada drasticamente e com certeza acarretará em resultados de medição inexatos.

Agora que temos conhecimento das constantes mínimas para o perfeito funcionamento de um medidor magnético de inserção, como fazemos para obtê-las?

1- A constante K, obrigatoriamente, deve ser determinada pelo fabricante e estampada no corpo do sensor e no conversor do instrumento deverá constar um campo específico para entrada deste valor;
2- A constante Ki é obtida através de uma equação que relaciona o diâmetro do tubo e as dimensões do sensor. Normalmente, os Verdadeiros Medidores Magnéticos de Inserção possuem as equações internas e ao informar o diâmetro do tubo a ser instalado e a posição de inserção do sensor, o Ki é calculado automaticamente;
3- A constante Kp, apesar de poder ser determinada automaticamente pelos Verdadeiros Magnéticos de Inserção levando em consideração um perfil de velocidade ideal, recomenda-se em situações práticas que a mesma seja levantada através da Pitometria ou ainda utilizando-se o próprio medidor e em seguida, o valor calculado deve ser digitado manualmente. O cálculo do Kp é muito simples, se não vejamos:

Kp = Vm / Vc
Onde:

  • Kp = Fator de Correção do Perfil
  • Vm = Velocidade Média
  • Vc = Velocidade Central

Exemplo de cálculo do Kp para instalação do sensor no centro de um tubo de 500mm.

Tabela 1 – Representação das Velocidades em diferentes pontos do tubo

Figura 8 – Representação do Perfil de Velocidade

Logo temos: Vm = (V1 +V2 + V3 + ……. + Vn)/n

  • Vc = Velocidade central na posição 6/11.
  • Kp = Vm/Vc
  • Vm = 0,837273
  • Vc = 0,91
  • Logo temos:
  • Kp = 0,92008

Obs.: Considerando a instalação a 1/8 ou 7/8, teoricamente, estes seriam os pontos aonde encontraríamos o vetor velocidade média e conseqüentemente, o Kp deveria ser igual 1. Como nem sempre isso é verdade, é importante que saibamos o valor desta velocidade média para compararmos com o valor obtido em 1/8 ou 7/8 para determinarmos a variação percentual do mesmo. Usando o exemplo acima, se ao posicionar o medidor a 1/8 do diâmetro, ou seja, 500/8=62,5mm e a velocidade de medição fosse de 0,87, poderíamos afirmar que o vetor velocidade média não se encontraria nesta posição. Caso o técnico decidisse permanecer com o sensor nesta posição e nenhuma correção fosse efetuada, o resultado da medição acarretaria em um erro de aproximadamente 4%. O correto neste caso seria o técnico inserir em Kp o valor de 0,96 para compensar esta diferença de 4%.

Figura 9 – Diferença de um perfil ideal para um perfil real

A figura acima ilustra bem a diferença que podemos encontrar nos perfis de velocidade.

Conclusão e Recomendações

Um Verdadeiro Medidor Magnético de Inserção deve possuir, obrigatoriamente, um conversor dedicado a este tipo de sensor e ter a possibilidade de inserir o diâmetro real da tubulação e da posição de inserção do sensor no conversor. Mediante estas informações o medidor deverá calcular automaticamente o fator de correção de inserção. O conversor deve possuir ainda o campo para inserir a correção do perfil de velocidade além do campo para informar a constante K do sensor determinado pelo fabricante. Assim como nos medidores magnéticos carretel, é desejável que o mesmo possua detecção de tubo vazio, diagnóstico automático do conjunto sensor-conversor, dentre outras características.

Procuramos neste artigo elucidar os pontos mais importantes para o perfeito funcionamento de um medidor magnético de inserção. Aqueles medidores que não possuírem no mínimo as correções apresentadas neste artigo, não poderão ser jamais classificados como medidores de vazão magnéticos de inserção. Estes equipamentos seriam classificados na instrumentação como chave de fluxo (pseudo medidores), ou seja, aqueles medidores que são capazes de medir algo e não são capazes de garantir o resultado de suas medições.

Há alguns fornecedores que estão ofertando para o mercado o que chamamos de chave de fluxo (pseudo medidor magnético de inserção). Por esta razão, em alguns casos, os resultados obtidos pelos clientes destes fornecedores não são satisfatórios. Infelizmente, isso faz com que esses clientes assumam esta péssima experiência como referência, colocando em descrédito a tecnologia do medidor magnético de inserção.

Apesar de parecer complexa, a instalação de um Verdadeiro Medidor Magnético de Inserção é extremamente simples. É muito importante que antes de se adquirir tal medidor, o cliente certifique-se que o fornecedor esteja ofertando um medidor que possua as condições mínimas acima mencionadas, bem como, um suporte técnico pós venda, apropriado para orientar os técnicos que irão instalar o produto.

Esperamos com este artigo poder contribuir com um pouco de conhecimento aos técnicos e engenheiros das diversas empresas que venham usufruir desta tecnologia para medir vazão e a partir desta leitura, estes possam refletir e buscar ainda mais informações a respeito deste assunto que muito fascina o autor deste artigo e que estes possam tomar suas próprias conclusões.

O fato do mercado comprador nem sempre possuir o conhecimento necessário para avaliar as opções oferecidas pelos fornecedores e tomar uma decisão consciente no momento da compra gerou a nossa preocupação e interesse em disseminar o conhecimento aplicável a estes tipos de medidores uma vez que acreditamos que somente através da educação técnica/elucidativa teremos condições de nos tornar profissionais cada vez mais qualificados.

Para finalizar, resumiríamos todo este artigo com a seguinte frase:
Jamais devemos medir por medir e tão pouco estimar, uma vez que erros nessas medições ou estimativas acarretará sempre em tomadas de decisões equivocadas podendo causar prejuízos imensuráveis.

Texto original: O Verdadeiro Medidor Magnético de Vazão tipo Inserção – GUSTAVO DE ARAÚJO LAMON – Belo Horizonte

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Os medidores de vazão eletromagnéticos utilizam a Lei de Faraday para detectar e medir a vazão. Dentro de um transmissor de vazão eletromagnético existe uma bobina que gera um campo magnético e eletrodos que capturam o campo elétrico resultante do movimento do líquido que está sob o campo magnético.
Segundo a Lei de Faraday, movendo líquidos condutivos dentro de um campo magnético, gera-se uma força eletromotriz (voltagem). Ou seja, a velocidade do fluxo do líquido movendo dentro do campo magnético gera um campo elétrico proporcional. O campo elétrico E é proporcional a V x B x D (velocidade x campo magnético x diâmetro).


Os transmissores de vazão eletromagnéticos apresentam as seguintes características:

  • Não são afetados por temperatura, pressão, densidade ou viscosidade do líquido;
  • Detectam a vazão também em líquidos contaminados por sólidos e bolhas;
  • Não causam perda de pressão;
  • Não utilizam partes móveis e por isso são mais confiáveis;

Não podem ser utilizados em líquidos que não sejam condutivos.
A condutividade expressa a facilidade com que o líquido permite a condução da corrente elétrica. A condutividade é medida em S/cm (siemens por centímetro).  A água comum da torneira tem condutividade média de 100 a 200 μS/cm, água mineral de 500 μS/cm ou mais, e água pura de 0.1 μS/cm ou menos.

O transmissor de vazão eletromagnético TVE20 permite a medição da vazão de líquidos em tubulações de 10 a 350 milímetros de diâmetro utilizando o princípio eletromagnético baseado na Lei de Faraday.

Características principais

  • Estrutura de múltiplos eletrodos;
  • Alta precisão;
  • Sem partes móveis;
  • Ampla faixa de medição;
  • Alimentação: 85 a 265 VCA ou 18 a 36 VCC;
  • Não obstrui o fluxo do líquido medido;
  • Diversas opções de flanges;
  • Diversas opções de frequências de operação;
  • Permite detectar a direção do líquido;
  • Eletrônica resistente a surtos elétricos;

Aplicações

  • Água e esgoto;
  • Indústria química;
  • Indústria de alimentos;
  • Agricultura;
  • Tratamento de efluentes.

Especificações técnicas do transmissor de vazão TVE20

  • Tamanho: DN10 a DN350
  • Meio: Líquidos condutivos
  • Temperatura do meio: Classe E∠60°C Grau CH∠180°C
  • Precisão: 0,25% a 0,5%
  • Repetibilidade: 0,1% a 0,17%
  • Pressão da tubulação: 0,6, 1,0, 1,6, 2,5, 4,0, 6,4 MPa (ou especificado pelo cliente)
  • Indicações do display: Vazão instantânea, totalização, velocidade, taxa de vazão
  • Sinais de saída: 4 a 20mA, pulsos, RS485, Hart
  • Alimentação: 85 a 265 VCA ou 18 a 36 VCC
  • Tipo de conversor: Integrativo
  • Proteção: IP65/IP68
  • A prova de explosão: Ex deibmb IIC T3 ~ 6
  • Velocidade: 0,05 a 12 m/s
  • Revestimento:   PU (DN25 a DN500) / F4 (PTFE) (DN25 a DN1600) / F46 (FEP) (DN10 a DN200) / PFA (DN10 a 30)
  • Direção do fluxo: Direto e reverso
  • Material do eletrodo:  316L, Pt, Ta, Ti, HB, HC, WC
  • Número de eletrodos: 3 a 6 unidades
  • Material do flange: SS/CS
  • Alarme (normalmente aberto): Vazio, excitação, limite superior e limite inferior
  • Temperatura ambiente: -30°C a 60°C
  • Protocolo de comunicação:  Modbus, Hart

Faixas de medição (m3/h)

DN (mm)

Faixa de medição

Precisão

DN (mm)

Faixa de medição

Precisão

DN10 0,014 a 3,39 0,08 a 2,82 DN300 12,7 a 3052 76 a 2543
DN15 0,03 a 7,63 0,19 a 6,35 DN350 17,3 a 4154 103 a 3461
DN20 0,06 a 13,56 0,33 a 11,34 DN400 22,6 a 5425 1355 a 4521
DN25 0,09 a 21,19 0,52 a 17,66 DN450 28,6 a 6867 171 a 5722
DN32 0,14 a 34,72 0,86 a 29,93 DN500 35,3 a 8478 211 a 7065
DN40 0,23 a 54,25 1,35 a 45,21 DN600 51 a 12208 305 a 10173
DN50 0,35 a 84,78 2,12 a 70,65 DN700 69 a 16616 415 a 13847
DN65 0,6 a 143 3,58 a 119 DN800 90 a 21703 542 a 18086
DN80 0,90 a 217 5,43 a 180 DN900 114 a 27468 686 a 22890
DN100 1,41 a 339 8,48 a 282 DN1000 141 s 33912 847 a 28260
DN125 2,21 a 529 13,25 a 441 DN1200 203 a 48833 1221 a 40694
DN150 3,18 a 763 19,08 a 635 DN1400 277 a 66467 1662 a 55389
DN200 5,65 a 1356 33,91 a 1130 DN1600 361 a 86814 2171 a 72345
DN250 8,83 a 2119 52,99 a 1766 DN1800 457 a 109874 2747 a 91562

Dimensões do transmissor de vazão eletromagnético TVE20 (mm)

DN

H

L

D1

D

n-fd1

C

Pressão

10 160 260 60 90 4-f14 14 PN4.0
15 265 65 95 4-f14 14
20 272 75 105 4-f14 16
25 280 85 115 4-f14 16
32 290 100 140 4-f18 18
40 200 305 110 150 4-f18 18
50 320 125 165 4-f18 20
65 335 145 185 4-f18 20 PN1.6
80 350 160 200 8-f18 20
100 250 370 180 220 8-f18 22
125 405 210 250 8-f18 22
150 300 435 240 285 8-f22 24
200 350 495 295 340 12-f22 24
250 400 545 350 395 12-f22 26 PN1.0
300 500 595 400 445 12-f22 26
350 630 460 505 16-f22 26
400 600 685 515 565 16-f26 26
450 735 565 615 20-f26 28
500 790 620 670 20-f26 28
600 900 725 780 20-f30 34
700 700 1035 840 895 24-f30 30
800 800 1140 950 1015 24-f33 32
900 900 1245 1050 1115 28-f33 34
1000 1000 135 1160 1230 28-f36 34
25 160 280 100 140 4-f18 24 PN6.4
32 290 110 155 4-f22 24
40 200 305 125 170 4-f22 26
50 320 135 180 4-f22 26
65 340 160 205 8-f22 26
80 350 170 215 8-f22 28
100 250 375 200 250 8-f26 30
125 415 240 295 8-f30 34
150 300 485 280 345 8-f30 36
200 350 520 345 415 12-f36 42
250 400 570 400 470 12-f36 46
300 500 625 460 530 16-f36 52
350 680 525 600 16-f39 56

Como selecionar o material do eletrodo

Eletrodo

Aplicação

Não adequado para

316L Água doméstica, água industrial, água bruta, esgoto doméstico, ácidos leves, alcalinos leves, água salgada. Ácidos fortes, alcalinos fortes.
Hastelloy alloy B Ácidos não oxidantes com concentração menor que 10%, hidróxido de Sódio com concentração menor que 50%, hidróxido de amônia, ácido fosfórico, ácidos orgânicos. Ácido nítrico.
Hastelloy C Ácidos compostos (como soluções de ácido de cromo e ácido sulfúrico), sais oxidantes (como água do mar, incluindo CU+++, Fe+++). Ácido hidro clorídrico.
Titânio Sais (como cloretos de sódio e de potássio, sais de amônia, hipoclorito sódico), hidróxido de potássio < 50%, hidróxido de amônia, hidróxido de bário, soluções alcalinas. Ácido clorídrico, ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido hidro fluorídrico e outros ácidos redutores.
Tântalo Ácido hidro clorídrico < 40%, ácido sulfúrico, dióxido de cloro, cloreto de ferro, ácidos hipoclóricos, cloreto de sódio, acetato de chumbo, ácido nítrico. Soluções alcalinas, ácido hidro fluorídrico.
Ouro platina Praticamente todas as soluções alcalinas. Água régia, sal de amônia.

Como selecionar o material do revestimento

Selecionar de acordo com o líquido e a temperatura.

Revestimento

Símbolo

Desempenho

Temperatura

Aplicação

Borracha CR Resistência à altas concentrações sais ácidos e básicos. ≤70oC Água doméstica e industrial, água do mar.
PTFE PTFE Estável e resistente à líquidos em ebulição, ácidos, água régia e alcalinos concentrados. ≤150oC Ácidos corrosivos, soluções salinas.
Propileno etileno fluorado F46 ou FEP Propriedades químicas equivalentes as do F4, resistência a tração superior à do F4. ≤180oC Soluções corrosivas e salina, pressões negativas.
Poliuretano PU Alta resistência ao desgaste, não adequado para ácidos. ≤70oC Lama, polpas e outros abrasivos.

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Sensor de nível 4 estágios ID3018

O sensor de nível ID3018 permite ler o nível de reservatórios utilizando 5 eletrodos que ficam mergulhados na água.

ID3018 – Sensor de nível 4 estágiosFuncionamento do sensor de nível 

Os eletrodos devem ser conectados ao borne de Entradas.
O eletrodo GND deve ser posicionado na posição mais inferior do reservatório, preferencialmente sempre mergulhado no líquido.
Os eletrodos 25%, 50%, 75% e 100% devem ser posicionados nas alturas relativas aos níveis correspondentes.
As Saídas 25%, 50%, 75% e 100% constituem sinais digitais que assumem o valor de tensão igual à do VCC quando o nível de água atinge o eletrodo correspondente. Dessa forma, assumindo que o sensor está sendo alimentado com 24VCC, quando o nível de água atingir o eletrodo 25%, a saída 25% passará de 0VCC para 24VCC. Quando o nível de água atingir o eletrodo 50%, a saída 50% passará de 0VCC para 24VCC e assim por diante.
As saídas GND, 25%, 50%, 75% e 100% podem ser conectadas a 4 entradas digitais de um CLP para que o mesmo adquira a leitura em 4 estágios de nível.

Especificações do sensor de nível

ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DO SENSOR DE NÍVEL ID3018
Alimentação: 12 a 24VCC Corrente de consumo: 50 mA (típico)
Aplicação: medição de nível de água Número de estágios: 4
Dimensões: 71 x 83 x 37 mm Construção: gabinete em aço para fixação em trilho DIN
Indicação visual: 4 LEDs de nível + 1 LED de alimentação Conexão: Bornes elétricos

Aplicação típica do sensor de nível

ID3018 – Sensor de nível 4 estágios

Eletrodo indicado para o sensor de nível

Utilizar preferencialmente eletrodos apropriados para a detecção de nível de água, construídos em carcaça de plástico e elemento condutor em aço inox.

ID3018 – Sensor de nível 4 estágios

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Princípio de funcionamento do medidor ultrassônico de nível

Ultrassom é o som em frequência superior à que o ouvido humano pode escutar. O ouvido humano consegue escutar até 20 kHz, são consideradas ultrassônicas as frequências superiores aos 20 kHz.

Ondas ultrassônicas são utilizadas na indústria para medir o nível de líquidos e sólidos sem a necessidade de contato com o produto medido, sendo ideais para a medição de materiais corrosivos e de alta temperatura.
O ultrassom aplicado na medição de nível normalmente está na faixa de 40 a 200 kHz. O ultrassom detecta objetos pelo mesmo princípio do radar, ou seja, pulsos ultrassônicos são emitidos na direção do objeto e a distância é calculada pelo tempo que o som leva para ser refletido de volta. Morcegos utilizam o mesmo princípio para guiarem seu voo.
O nível é calculado com base no tempo medido entre a emissão do pulso e a recepção da onda refletida. Ao nível do mar em temperatura de 20° C a velocidade do som é 344 m/s.
No exemplo da figura, um transmissor de nível ultrassônico é fixado no topo de um tanque parcialmente cheio de líquido. O nível de referência para todas as medições é o fundo do tanque. O nível medido será o da superfície do líquido que está a uma certa distância do sensor ultrassônico de nível. Sinais de pulso ultrassônicos são transmitidos pelo transmissor e refletidos de volta para o sensor. O tempo de viagem do pulso ultrassônico do sensor até a superfície do líquido e de volta para o sensor é calculado e dividido por dois Conhecendo a velocidade do som para as condições de temperatura e pressão, o equipamento transmissor de nível calcula o nível. O resultado final da unidade de medição pode ser centímetros, pés, polegadas, etc.

Distância do sensor ao líquido = Velocidade do som x Tempo de transito / 2

Problemas práticos de projeto do transmissor ultrassônico de nível

O princípio de medição acima parece bastante simples e direto na teoria. Na prática, existem algumas dificuldades técnicas a serem consideradas para se obter uma leitura correta do nível.

  • A velocidade do som muda devido à variação da temperatura do ar. É necessário um sensor de temperatura integrado para compensar alterações na velocidade do som devido a variações de temperatura.
  • Alguns ecos de interferência desenvolvidos por bordas e superfícies refletoras, causam erro na medição. Isso pode ser resolvido pelo software do transmissor, normalmente denominado supressão de eco de interferência.
  • A calibração do transmissor é crucial. A precisão da medição depende da precisão da calibração. A distância vazia e o intervalo de medição devem ser determinados corretamente na instalação e ajuste do transmissor.
  • O trânsito do sinal ultrassônico não permite medição precisa em distância muito curta. Por isso, considere a distância de bloqueio indicada pelo fabricante do equipamento. Esta distância não deve nunca ser ultrapassada pelo líquido medido.

Estrutura básica de um transdutor ultrassônico


Sensor ultrassônico é o coração do instrumento transmissor de nível ultrassônico.
Este sensor converterá energia elétrica em ondas de ultrassom. Cristais piezoelétricos são usados ​​para esse processo de conversão.
Os cristais piezoelétricos oscilarão em altas frequências quando energia elétrica é aplicada a ele.
O contrário também é verdade. Esses cristais piezoelétricos gerarão sinais elétricos no recebimento do ultrassom. Esses sensores são capazes de enviar ultra-som para um objeto e receber o eco desenvolvido pelo objeto.
O eco é convertido em energia elétrica para processamento posterior pelo circuito de controle.

Diagrama em blocos do transmissor ultrassônico de nível típico


Observe o bloco diagrama da figura. Um circuito de controle baseado em microcontrolador monitora todas as atividades do transmissor ultrassônico de nível.
Existem dois circuitos, uma para transmitir os pulsos e outro para receber os pulsos refletidos. Os pulsos gerados pelo  transmissor são convertido em pulsos de ultrassom pelo transdutor ultrassônico (transmissor) e direcionado para o objeto. Os pulsos de ultrassom são refletidos de volta como um sinal de eco no sensor ultrassônico (receptor). O receptor converte esse pulso ultrassônico em um pulso de sinal elétrico através do circuito receptor de pulsos.
O tempo decorrido ou o tempo de reflexão é medido pelo contador. Esse tempo decorrido é proporcional a distância do sensor de nível ao objeto. Esse tempo decorrido é convertido em nível pelo circuito de controle. Existe um circuito gerador de temporização que é usado para sincronizar todas as funções no sistema de medição de nível ultrassônico.
O nível é finalmente convertido em sinal 4 a 20mA, sendo o valor de 4mA indicador do nível mínimo e o 20mA indicador do nível máximo.

Vantagens do transmissor ultrassônico de nível

O transmissor de nível ultrassônico não possui partes móveis e pode medir o nível sem fazer contato físico com o objeto. Essa característica típica do transmissor é útil para medir níveis em tanques com produtos químicos corrosivos, perigosos e em alta temperatura. A precisão da leitura permanece inalterada mesmo após alterações na composição química ou na constante dielétrica dos materiais nos fluidos do processo.

Limitações do transmissor ultrassônico de nível

Os transmissores de nível ultrassônico são os melhores dispositivos de medição de nível em que o eco recebido do ultrassom é de qualidade aceitável. Não é tão conveniente se a profundidade do tanque for alta ou se o eco for absorvido ou disperso. O objeto não deve ser do tipo absorvente de som. Também não é adequado para tanques com muita fumaça ou umidade de alta densidade.

Instalação

  • O transmissor ultrassônico é instalado no topo do reservatório, acima do nível máximo do líquido. Os pulsos ultrassônicos são emitidos pelo transmissor e refletidos pela superfície do líquido.
  • O líquido não pode tocar no instrumento.
  • Instale o instrumento perpendicular à superfície do líquido medido.
  • A sonda deve manter uma certa distância da parede do tubo (mais de 30 cm).
  • Evite que o sinal seja refletido por objetos e superfícies que provoquem leituras falsas do nível.

Utilizando um tubo para guiar o sinal


Se houver intensa interferência de eco no local (como objetos e superfícies refletoras no percurso do sinal ultrassônico) ou ainda espumas em líquidos, recomenda-se tubos de canos de PVC com diâmetro maiores que 100 mm que servirão como guias de ondas.
Observações:

  • É necessário ter um orifício de ar no topo para a equalização da pressão. O orifício deve ser liso. É ideal ter chanfros a 45 °.
  • A parede interna do tubo do guia de ondas deve ser lisa (sem solda e costuras).
  • Para garantir que não haja partículas aderentes à parede interna do tubo do guia de ondas, é necessário executar a limpeza regularmente.

Exemplo: Transmissor ultrassônico de nível TUN21-R

Característica importantes

  • Estão disponíveis quatro taxas de ajuste para ler com precisão o nível médio do líquido, mesmo na presença de flutuação drástica do nível do líquido.
  • Seis modos de exibição estão disponíveis para apresentar a forma de onda do eco e a curva histórica.
  • O sensor de temperatura integrado internamente fornece compensação de temperatura em tempo real para a velocidade do som.
  • Display em cristal líquido facilita operação local.
  • Diagnóstico instantâneo do sinal 4 a 20 mA.
  • Detecção e supressão automática de interferências eletromagnéticas.
  • Conexões protegidas contra surtos elétricos.
  • Saída indicadora de alarme.
  • A medição sem contato permite uma longa vida de uso e operação.
ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DO TRANSMISSOR ULTRASSÔNICO DE NÍVEL TUN21-R
Faixas de medição: 5, 10, 15 e 20 metros Distância de bloqueio de leitura: 35 a 60 cm
Precisão: 0.3% fundo de escala Resolução: +/- 2 mm
Alimentação: 12 a 24VCC ou 85 a 264 VCA Corrente de consumo: 50 a 100 mA
Ripple máximo admitido: 200 mV Carga admitida máxima: 500 ohms
Interface digital de saída: Modbus RTU por RS485 Material do invólucro: ABS
Temperatura de operação: -10 a +60 °C Classe de proteção: IP65
Pressão de operação: 0.8 a 3 bar ou 0.08 a 0.3Mbar Máximo comprimento de cabo: 200 metros

Dimensões

Nota: O instrumento é fixado por uma porca plástica (diâmetro externo 88 mm). Se o instrumento estiver permanentemente em ambiente úmido, é recomendável uma boa selagem dos condutores e da tampa do visor.

Conexões

O transmissor ultrassônico de nível utiliza sinais eletrônicos de baixa amplitude e, por isso, é necessário um bom aterramento. O CLP conectado ao instrumento deve estar afastado de inversores de frequência e de motores de alta potência para evitar interferências eletromagnéticas.

Vantagens do transmissor ultrassônico de nível

O transmissor de nível ultrassônico não possui partes móveis e pode medir o nível sem fazer contato físico com o objeto. Essa característica típica do transmissor é útil para medir níveis em tanques com produtos químicos corrosivos, perigosos ou em alta temperatura. A precisão da leitura permanece inalterada mesmo após alterações na composição química ou na constante dielétrica dos materiais nos fluidos do processo.

Limitações do transmissor ultrassônico de nível

Os transmissores de nível ultrassônico são os melhores dispositivos de medição de nível em que o eco recebido do ultrassom é de qualidade aceitável. Não são tão convenientes se a profundidade do tanque for alta ou se o eco for absorvido ou disperso por superfícies refletoras. O objeto não deve ser do tipo absorvente de som. Também não é adequado para tanques com muita fumaça ou umidade de alta densidade.

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