Transmissor de pressão diferencial para medição de nível

Transmissor de pressão diferencial para medição de nível

Fala pessoal, como estão as coisas por aí? Hoje, a ideia é falar sobre um dos equipamentos mais flexíveis na instrumentação industrial e que ainda domina diversas empresas.

Estou falando do nosso grande amigo, o transmissor de pressão diferencial.

Falaremos sobre a aplicação do transmissor de pressão diferencial na medição de nível em tanques abertos e em tanques fechados.

Não tem como fugir de fazer algumas contas, ok? Mas não fique assustado, não é nada de outro mundo! Vamos lá.

Tópicos desse artigo:

• Como funciona um transmissor de pressão?
• O que é uma pressão diferencial?
• O que é um transmissor de pressão diferencial?
• Transmissor de pressão diferencial para medição de nível
• Transmissor de pressão diferencial para medição de nível em tanque aberto
• Linhas de impulso na medição de nível
• Transmissor de pressão com capilar
• Transmissor de pressão diferencial para medição de nível em tanque fechado
• Utilizando transmissor de pressão com capilar
• Transmissor de pressão diferencial eletrônico

Como funciona um transmissor de pressão?

Transmissores de pressão são dispositivos simples criados para realizar a medição de pressão em diferentes cenários. Você pode usar isto para fazer medição de pressão, nível ou vazão. Mas como eles funcionam?

Ele é composto por uma eletrônica conectada a um sensor. Você pode encontrar muitos tipos de sensores no mercado, como capacitivos, piezoelétricos, silício ressonante e muito mais.

Vou usar como exemplo o funcionamento do sensor capacitivo. Este sensor ainda é o mais comum, embora não seja o melhor deles.

A pressão aplicada às células capacitivas produz uma mudança na capacitância do sensor. Essa alteração afetará a freqüência do oscilador e o transmissor detectará essa alteração. Em seguida, o transmissor converte esses dados em um sinal de saída padrão, como 4-20mA.

Usando o display para configuração local ou um configurador de mão, você pode ajustar o transmissor, alterando informações como a unidade de medida, a faixa de medição e o tipo de saída.

Mais do que apenas um transmissor de pressão

Os transmissores de pressão podem medir mais que a pressão. Usando diferentes elementos primários, você pode medir a vazão através do diferencial de pressão gerado.

Você também pode medir o nível de tanques fechados e abertos. Para isso, você pode usar um transmissor com pressão diferencial ou manométrica.

Hoje em dia, temos outros princípios que funcionam tão bem ou melhor para medir a vazão ou o nível. No entanto, você ainda encontrará transmissores de pressão em várias indústrias, processos e medições.

O que é uma pressão diferencial?

Basicamente, a pressão diferencial é quando você faz a medição de pressão entre dois pontos distintos.

Os transmissores de pressão diferencial medem a diferença de pressão entre dois pontos no processo. Suponha que você tenha uma pressão na câmara de alta pressão de 50 bars e no lado da pressão de baixa 10 bars.

O transmissor de pressão diferencial irá indicar uma pressão de 40 bars, que nada mais é que a diferença entre as duas pressões.

Quando falamos em medição de vazão com transmissor de pressão diferencial, você irá precisar de um elemento primário para gerar essa diferença de pressão na montante e jusante.

Normalmente, o elemento primário cria uma restrição na passagem do fluxo, forçando uma queda de pressão e aumentando a velocidade, a medida que o fluxo para pelo elemento primário. Usando essa pressão diferencial e o fator K associado ao elemento primário, você pode determinar o fluxo.

Na aplicação de nível, o funcionamento é praticamente o mesmo. Você precisa instalar a câmara de alta pressão na parte inferior do tanque, e a câmara de baixa pressão na parte superior ou aberta para atmosfera.

O transmissor de pressão fará a medição de nível baseado na pressão diferencial e a relação com altura da coluna líquida e densidade relativa do produto. Essa é a explicação simplificada, mas de qualquer maneira entraremos em mais detalhes no decorrer do artigo.

O que é um transmissor de pressão diferencial?

Devido a sua flexibilidade, os transmissores de pressão diferencial ou como também são conhecidos, transmissores DP, ainda são muito aplicados. Mesmo que existam melhores opções no mercado, muitos técnicos e engenheiros de automação ainda preferem utilizar o bom e velho transmissor de pressão diferencial.

Falando sobre sua composição, um transmissor de pressão diferencial é composto por uma célula de pressão e uma eletrônica.

A célula de pressão tem duas câmaras de pressão separadas por um diafragma. Chamamos uma câmara de alta pressão e a outra de baixa pressão. Essa indicação serve para informar a direção do impacto que a pressão terá sobre o sinal de saída.

Exemplo: Caso tenha um processo com range de -20 bar a 20 bar e sem nenhuma pressão em ambas as câmaras de pressão, o sinal de saída em mA será de 12 miliampéres (mA), representando 0 bar ou 50% do range de medição.

Agora, se você aplicar uma pressão na câmara de alta pressão do transmissor de pressão diferencial, o valor aumentará para 20 mA, proporcionando uma leitura positiva.

Por outro lado, se você aplicar essa pressão na câmara de baixa pressão, isso levará o sinal para 4 mA com uma leitura de pressão negativa.

Transmissor de pressão diferencial para medição de nível

Assim como a medição de vazão usa a equação de Bernoulli, a medição de nível tem sua base na equação de Pascal.

De acordo com esta equação, a pressão (P) é igual à densidade do líquido (ρ) vezes a aceleração devido à gravidade (g) vezes a altura da coluna líquida (h), ou P = ρ * g * h.

Conhecendo a densidade relativa do seu produto e a pressão sobre ele, você pode calcular a altura da coluna de líquido e, portanto, o nível de um tanque.

Aplicações mais complexas exigem um pouco mais de cálculo, mas todas partem do mesmo princípio. Agora que conhecemos o conceito básico, podemos passar para os exemplos práticos.

Transmissor de pressão diferencial para medição de nível em tanque aberto

A medição de nível em um tanque aberto usando transmissor de pressão diferencial é simples, pois a pressão no topo do tanque será a pressão atmosférica.

Neste caso, só precisa conectar a câmara de alta pressão ao fundo do tanque e deixar a célula de baixa pressão aberta para a atmosfera.

Para esta aplicação específica, você poderia utilizar um transmissor de manômetro em vez de um transmissor de pressão diferencial. A razão é que a pressão de referência é atmosférica. Bem simples, certo?

Configuração padrão para medição de nível

Aqui você tem o transmissor instalado no nível zero do tanque e a tomada ligada ao transmissor está preenchida com o mesmo fluido do tanque.

Com o transmissor no nível zero do tanque, precisamos calcular o nível mínimo e máximo. Quando transmissor estiver instalado, abra ambas as câmaras de pressão para atmosfera e faça o zero para depois seguir com cálculo.

Veja a seguir o cálculo para essa aplicação:

Mínimo = nível a 0% = HP (dp * H0)

Máximo = nível a 100% = HP (dp * H)

• HP = Alta pressão
• LP = Baixa pressão
• dp = Densidade do produto
• H = Altura
• H0 = Altura em nível mínimo

Aqui, o nível mínimo será sempre igual a zero. A razão é que você terá zero em ambos as câmaras de pressão. Já em 100%, você multiplica a altura do líquido no tanque cheio com a gravidade específica do processo na câmara de alta pressão. Para a pressão na câmara de baixa, você ainda terá zero, mesmo em 100%.

No entanto, você pode considerar a pressão atmosférica e acrescentar no cálculo do lado de baixa do transmissor.

Tanque aberto com supresão de zero

Chamamos está instalação de supresão de zero porque você instala o transmissor abaixo do nível zero do tanque, gerando valores mais altos do que o valor real.

Primeiro, vamos calcular o mínimo e o máximo para uma instalação sem a necessidade do pote de selagem. Neste caso, a tomada de pressão é preenchida com o produto no tanque.

Usamos a mesma equação, precisamos prestar atenção à nova altura com o transmissor abaixo do fundo do tanque.

Mínimo = nível a 0% = HP (dp * h1)

Máximo = nível a 100% = HP (dp * h1 + H)

• HP = alta pressão
• LP = baixa pressão
• dp = densidade do processo
• H =altura do tanque cheio
• h1 = altura do zero suprimido

Faz sentido, certo? Agora precisamos de um pote de selagem na instalação de supresão de zero. Isso significada que você tem outro fluído conectado à célula de alta pressão do transmissor.

Como a densidade do pote de selagem difere do produto do processo, essa diferença aumentará sua matemática.

Então nós temos as seguintes equações para calcular o nível máximo e mínimo do tanque:

Mínimo = nível a 0% = HP (ds * h1)

Máximo = nível a 100% = HP [(ds * h1) + (dp * H2)]

• HP = alta pressão
• LP = baixa pressão
• dp = densidade do processo
• ds = densidade do selo
• h1 = altura do zero suprimido
• H2 = altura do tanque cheio

Linhas de impulso na medição de nível

Quando temos tanques fechados, o produto interno pode gerar gás e vapor como parte do processo ou ser um tanque pressurizado. Nesta aplicação, você precisa ter o lado de baixa pressão do transmissor diferencial de pressão conectado à parte superior do tanque –  Essas são as linhas de impulso.

Existem dois tipos diferentes de linha de impulso, com nome curioso em português, feita da tradução direta do inglês – perna molhada e perna seca.

Como saber qual utilizar? Se o produto tende a criar condensado, você precisará usar uma solução de perna molhada. Caso contrário, você pode ir para a perna seca.

Mas o que exatamente significa perna seca e molhada? A perna seca e molhada são basicamente a estrutura mecânica que conecta os lados de um transmissor DP ao tanque.

Uma perna molhada tem suas linhas de impulso cheias com líquido, embora não necessariamente o mesmo líquido em ambas as pernas. Pernas secas têm colunas cheias de vapor, gás ou o que quer coisa que venha do processo sem condensado.

Você pode acabar tendo problemas com ambas as instalações. As pernas secas, por exemplo, podem desenvolver condensado e as pernas molhadas podem entupir ou ter um vazamento.

Transmissor de pressão com capilar

Na tentativa de resolver problemas de pernas molhadas e pernas secas, alguém resolveu criar o sistema capilar. Os capilares resolvem problemas de linha de impulso, como evaporação, condensação, vazamentos e obstruções.

A configuração capilar consiste em um sistema de vedação remota e um sensor diafragma com capilares cheios de óleo. Uma força de deflexão no diafragma do selo remoto transmite a pressão através do óleo, então o transmissor mede essa pressão para fazer a medição do processo

Ter um sistema capilar geralmente significa ter um sistema balanceado. Isso significa que você tem o mesmo comprimento de capilar em cada lado do transmissor e também o mesmo selo remoto.

Teoricamente, isso ajuda a evitar problemas com mudanças de temperatura, entre outras coisas.

Transmissor de pressão diferencial para medição de nível em tanque fechado

Neste primeiro exemplo, temos uma linha de impulso com uma perna seca. Com isso, existe apenas a gravidade padrão do líquido do processo, com o transmissor de pressão instalado no mesmo nível da medição em zero.

Vamos dar uma olhada em como calcular o nível neste cenário.

Mínimo = nível a 0% = HP (dp * h0) – LP (ds * H1)

Máximo = nível a 100% = HP (dp * H) – LP (ds* H1)

• HP = alta pressão
• LP = baixa pressão
• dp = densidade do produto
• ds = densidade do selo
• h0 = altura em zero %
• H = altura
• H1= Altura do lado de pressão de baixa

Tanque fechado com supresão de zero

Em seguida, temos uma configuração de perna molhada e o transmissor instalado abaixo do nível zero, ou como também é conhecido, supresão de zero.

Mínimo = nível a 0% = HP (ds * h1) – LP ( ds * H)

Máximo = nível a 100% = HP [(ds* h1)+(dp*h2)] – (ds* H)

• HP = alta pressão
• LP = baixa pressão
• ds = densidade do selo
• dp = densidade do produto
• H = altura
• h1 = altura do zero suprimido
• h2 = altura do tanque cheio

Tanque fechado com elevação de zero

No terceiro exemplo, o transmissor é instalado a cima do nível mínimo.

Mínimo = nível a 0% = HP (dp * h1) – LP (ds * H)

Máximo = nível a 100% = HP (dp * h2) -LP (ds * H)

• HP = alta pressão
• LP = baixa pressão
• ds = densidade do selo
• dp = densidade do processo
• H = altura
• h1 = altura do zero suprimido
• h0 = altura do nível mínimo
• h2 = altura do tanque cheio

Utilizando transmissor de pressão com capilar

Utilizando outra possibilidade ao invés das linhas de impulso, vamos ver a matemática por trás do sistema capilar.

Mínimo = nível a 0% = HP[(dp * h0) + (dc * h1)] – LP (dc * h2)

Máximo = nível a 100% = HP[(dp * H)+ (dc * h1)] – LP (dc * h2)

• HP = alta pressão
• LP = baixa pressão
• dp = densidade do processo
• dc = densidade do capilar
• H = altura máxima
• h0 =altura do nível em 0%
• h1 = Distância do processo ao lado de alta do transmissor
• h2 = distância do processo ao lado de baixo do transmissor

Transmissor de pressão diferencial eletrônico

Por último, temos os transmissores de pressão diferencial e eletrônicos. Neste caso, você volta para algo como uma equação de perna seca.

O sensor se conecta diretamente ao tanque, comunicando-se com o transmissor eletronicamente.

Mínimo = nível a 0% = HP (dp * H0)

Máximo = nível a 100% = HP (dp * H)

• HP = alta pressão
• LP = baixa pressão
• dp = densidade do processo
• H = altura
• H0 = nível mínimo

Conclusão

Agora você sabe quase tudo sobre transmissores de pressão diferencial em aplicaçōes de nível! Caso ache que devemos abordar outras possibilidades, deixe seu comentário e não deixe de me seguir no linkedIn. Até a próxima 😉

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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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