O que preciso saber sobre chave de nível?

Chave de nível e sua aplicação.

Fala pessoal, como estão as coisas? Hoje vamos falar um pouco mais sobre a medição de nível e um instrumento bem importante neste contexto, a famosa chave de nível!

A chave de nível tem diversas funcionalidades e não é restrita apenas a medição de nível por si só. Algumas chaves de nível são utilizadas em aplicações distintas ou em conjunto de outros itens, mas calma! Vou comentar mais sobre isso.

Além disso, temos diversos tipos de chaves de nível no mercado, utilizando como base diferentes tipos de princípio para seu funcionamento desde algo mais mecânico para princípio mais sofisticados.

Um dos pontos mais importantes em sua utilização está relacionado a segurança da aplicação, muitas soluções de prevenção de transbordamento utilizam chaves de nível como item essencial.

No entanto, para proteger sua aplicação você não precisa ter todo um sistema de prevenção de transbordamento, basta a chave de nível instalada corretamente e tudo vai funcionar de forma adequada.

Você está pronto? Vamos lá então, ver tudo relacionado a chave de nível. Fica comigo até final, beleza?

Tópicos abordados neste artigo:

• O que é chave de nível?
• Como funciona chave de nível?
• Chave de nível tipo bóia
• Chave de nível capacitiva
• Chave de nível vibratória
• Como instalar uma chave de nível?
• Sistema de prevenção de transbordamento
• Chave de nível wireless, sim ou não?

O que é chave de nível?

A chave de nível serve para detecção do nível do tanque, você pode aplicar de diferente formas, englobando a detecção e também controle de nível.

Imaginando um aplicação de nível, onde temos um tanque que na parte superior é feita o enchimento com produto e ao mesmo tempo temos uma bomba na parte inferior para bombear o produto para outra etapa do processo.

Neste cenário, existe um setpoint de nível, onde um controle PID na grande maioria das vezes é responsável em atuar para manter o nível no valor configurado.

A medição de nível fica por conta de um transmissor de nível, que pode ser um radar de onda livre, ultrassônico ou até mesmo um transmissor de pressão diferencial.

Mas o que acontece se tiver um erro nesta aplicação? Caso o nível passe do valor configurado em uma possível falha, vamos ter um transbordamento, certo? E se o nível cair a bomba pode rodar a seco e isso vai gerar danos.

Focando em evitar este tipo de problema, temos as chaves de nível para detecção de nível baixo, quanto de nível alto.

As chaves devem atuar nos cenário citados, onde devem proteger aplicação, fazendo desligamento ou alguma outra ação para evitar tanto transbordamento quanto a falta de produto.

Podemos ter chave de nível de nível baixo responsável por alerta para operação e chave de nível super baixo, onde acontece o desligamento do sistema. O mesmo acontece com nível alto, onde temos nível alto e nível super alto atuando da mesmo forma.

Controle ON/OFF ou liga e desliga.

Em uma aplicação simples, onde não temos um controle PID atuando na malha de controle.

Podemos realizar o controle ON/OFF, onde quando nível chegar no valor determinado ele desliga a bomba ou fecha uma válvula. Quando temos nível baixo o controle volta a ligar a bomba ou abrir a válvula.

Neste cenário a chaves podem ser responsável por fazer essa detecção enviando informação para controlador ligar ou desligar algo.

Este é controle de processo super simples, mas bastante utilizado em diversas aplicações.

Como funciona uma chave de nível?

A resposta para essa pergunta é depende do tipo da chave de nível. Temos diversos tipos de chaves e cada uma utiliza tipos de princípio de funcionamento diferentes, além de cada uma trazerem pontos positivos e negativos.

Vou comentar sobre os principais tipos no mercado, falando sobre seu funcionamento no geral e características. Lembrando que em uma aplicação comum, você pode selecionar diferentes tipos que eles vão atender de qualquer forma.

No entanto, o que devemos notar são os pontos positivos e negativos de cada opção e dessa forma balancear para achar a opção mais adequada.

Por exemplo, um modelo pode requerer uma estrutura de instalação maior do que outro, ou só funciona em um tipo de produto e coisas do tipo.

Chave de nível tipo bóia

Essa solução é bem simples e ainda tem umas grande aplicação no mercado. Isso deve-se a simplicidade e baixo custo de aplicação desse tipo de chave.

O tipo bóia pode ser instalado tanto na horizontal quanto na vertical. A forma mais comum de instalação é na parte lateral do tanque, horizontalmente.

Existem versões onde o contato de acionamento é utilizando mercúrio, mas este tipo não é muito comum em aplicações industriais.

O tipo mais aplicado utiliza contatos acionados magneticamente, esses contatos podem ser normalmente aberto ou normalmente fechado.

Um terceiro tipo é mudança de resistência, onde condição de acionado e não acionado apresenta diferente valor de resistência.

O funcionamento é simples, quando nivel sobre ou desce, a bóia se movimenta junto e através de uma haste é feito o acionamento do contato magneticamente.

Você vai encontrar diversos tipos, oferecendo, certificado à prova de explosão, diferentes tipos de material, diferente tipos de conexão ao processo, montagem horizontal e lateral, etc.

Chave de nível capacitiva

Essa opção oferece duas possibilidades, onde podemos apenas trabalhar com a detecção do nível ou também fazer a medição contínua. Como o nome sugere, a chave de nível capacitiva funciona como um capacitor.

O sensor é uma das placas do capacitor e a parede metálica do tanque é a segunda parede do capacitor e meio ou o produto é  o material isolante (constante dielétrica).

A capacitância é a capacidade de armazenamento do capacitor. Isto depende das áreas da placa e de suas distância, além da constante dielétrica.

Quando você tem um tanque com o nível em zero, então você tem apenas o ar como seu material isolante entre as placas. À medida que o produto começa a preencher o tanque (líquido ou sólido), isto muda a capacitância.

Podemos afirmar, que a capacitância medida pelo sensor é diretamente proporcional ao nível do tanque.

Existem diversas características da chave de nível capacitiva, que posso abordar em outro artigo, vamos vou citar algumas aqui:

• Faz medição de produtos condutivos e não condutivos
• Pode ser instalado em tanque com paredes não metálicas, mas com haste de referência
• Não é indicado a aplicação em um range entre 1 a 100 uS/cm
• Poder ser aplicado em líquidos e sólidos
• Existem diversos materiais de isolamento parcial ou total.

Chave de nível vibratória

O princípio do diapasão foi a base para criar os instrumentos com garfos vibratórios. Eles foram inventadas pela Endress + Hauser em 1967.

Isso me lembra que eu costumava tentar usar um diapasão para verificar a afinação de instrumentos musicais. Nunca soube como usar direito pra ser honesto! (rs)
A chave de nível possui dois garfos que ficam oscilando em sua freqüência natural. Mas como isso é possível?

Quem é responsável por criar a oscilação é um conjunto de piezo-cristal embutido. Existem dois tipos de piezo-cristal. Ambos funcionam igualmente, a diferença é como eles são construídos.

Você pode instalar a chave de nível vibratória na parte superior ou lateral dos tanques, ou até mesmo em tubulações.

Quando a chave está em contato apenas com o ar, ela irá oscilar em sua freqüência natural, e o transmissor está constantemente fazendo monitoramento dessa oscilação.

Assim que o nível cobrir os garfos, a frequência de oscilação muda, e sua oscilação cai. O transmissor detecta a alteração e traduz essa informação para uma saída padrão.

Usualmente, o tipo de saída utilizadas são relays, switch ou 4-20mA, onde você pode ter 4 como aberto e 20 com fechado ou vice e versa.

Como instalar uma chave de nível?

Como já disse anteriormente, você pode instalar as chaves de nível tanto na lateral quando parte superior ou inferior do tanque.

Criando um cenário para fácil entendimento, imagine que precisamos de 2 chaves de nível para nível alto e nível super alto.

Bom, decidimos que a melhor opção vai ser utilizar chave de nível vibratória nesta aplicação instaladas na parte superior do tanque.

O que vai diferenciar a chave de nível alto para chave de nível super alto?

Neste cenário, o comprimento da haste da chave de nível alto será maior do que de super alto. O motivo é que ela deve ser acionada primeiro do que a outra, então neste cenário sua haste precisa ser maior.

Ainda sobre instalação, existem condições específicas quando você tem incrustação e o tipo de conexão ao processo, o ideal é seguir a recomendação dos fabricantes.

Sistema de prevenção de transbordamento

Temos alguns exemplos de acidentes que ocorreram em tanques de armazenamentos por conta de diversos fatores.

Um dos fatores que podem ocorrer é o transbordo do tanque, para isso existem soluções no mercado chamada de “Overfill prevention” ou prevenção de transbordamento.

Algumas soluções deve seguir os requerimentos da API2350 e outros não precisam atender todos os pontos, onde algumas soluções atendem parcialmente.

Você vai encontrar diferente filosofias no mercado, onde o sistema pode apenas alarmar quando algo acontecer ou desligar o sistema para evitar acidente.

A solução é composta por medidor de nível e chaves de nível, onde é possível realizar proof test, para certificar que sistema está funcionando adequadamente.

Uma segunda solução focada em tanques de armazenagem, mas utilizada para achar vazamento pela base do tanque utiliza chave de nível também.

Eu não vi ela ser muito difundida no brasil, mas basicamente existe um boia que fica no ralo no cerco onde estão os tanques. Essa boia tem um sensor de condutividade e chave vibratória.

Em um cenário sem vazamento, você tem água e a medição de condutividade + chave para fazer a detecção disso.

Quando isso muda para outro produto, a condutividade muda como também a frequência de ressonância da chave. Desta forma é possível detectar vazamento pela parte inferior do tanque. Interessante né?

Chave de nível wireless, sim ou não?

Eu sou grande entusiasta da comunicação wireless e cada vez mais a tecnologia tem se tornado mais comum. Acredito que não exista um grande receio na aplicação.

Okay, talvez estou sendo super otimista nesta visão mas a tecnologia já está bem sólida, como wirelessHART como principal protocolo entre instrumentos de medição – Desculpa ai ISA1000.

Não quero trazer minha visão para este ponto, mas quero gerar a discussão. Em uma aplicação onde precisamos acionar um alarme ou desligar algo, seria a comunicação wireless a mais confiável?

Como disse, os instrumentos já evoluíram bastante e mesmo com atualização em segundos o tempo de bateria é bem satisfatório.

Mas quero saber a sua opinião? Wireless ou cabo?

Deixe sua opinião no comentário e diga se tem alguma dúvida extra sobre chaves de nível.

Forte abraço.

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Fabrício Andrade

Tenho 12 anos de experiência no mundo da Automação industrial, comecei minha carreira na JAT Instrumentação, depois trabalhei na Emerson Automation Solutions e Endress+Hauser. Tive a chance de implementar projetos, ministrar treinamentos e resolver problemas em diversas empresas no Brasil e Latina América. Trabalhei por 3 anos na Alemanha em um e-commerce de automação industrial e hoje sou gerente de marketing digital global na Endress+Hauser Suiça focado em IIoT. Além disso, sou cartunista e baterista nas minhas horas de folga.

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