Esta nota de aplicação examina como usar o método não invasivo de medição direta de nível para medir níveis de líquido em um reservatório ou tubo. Ela também explica como detectar a presença ou a ausência de líquido em um recipiente vedado com o teste de ausência/presença.
Métodos de medição de nível de líquido
O método mais simples de medição do nível do líquido é a observação direta com uso de uma vareta ou uma boia calibrada. No entanto, este método não é adequado quando o recipiente selado não pode ser aberto, ou se o conteúdo não pode ser exposto ao ar. Muitas vezes, uma boa solução é medir o nível de líquido com ultrassom quando há a exigência de medições rápidas e automáticas em uma grande quantidade de recipientes durante o processo de preenchimento.
A medição do nível de líquido com ultrassom também é útil para estas áreas específicas:
- Medição dos níveis de fluidos corrosivos ou reagentes em aplicações de processos químicos em que os recipientes não podem ser abertos por questões de segurança e a natureza do produto químico ou do processo impede a instalação de uma boia medidora interna.
- Detecção da presença de fluidos permanentes nos tubos, em especial para investigar tubos que são abertos ou cortados durante os procedimentos de manutenção.
- Verificação dos níveis de fluido da linha de montagem de componentes automotivos, como tanques de combustível, conjunto de transmissão, no cárter do óleo de motor e em diferenciais que precisam de medições não invasivas rápidas e confiáveis. Em alguns casos, os medidores são utilizados juntamente com um manipulador automatizado para posicionar o transdutor para realizar medições online de recipientes cheios. As saídas dos medidores são usadas para ativar os pulverizadores de tinta e marcar os recipientes em que o nível de enchimento estava fora da tolerância.
- Medição de camada flutuante de óleo sobre uma camada de água em um sistema de processamento de petróleo. A princípio, é possível medir uma camada única de líquido em situações em que ele tem uma impedância acústica diferente e flutua sobre um segundo líquido.
Em geral, as aplicações de nível do líquido são divididas em duas categorias: as que exigem medição de nível do líquido real (profundidade ou altura) e aquelas que exigem detecção da presença ou da ausência do líquido em um ponto selecionado. Os dois testes são descritos separadamente nas seções abaixo.
Equipamento utilizado para medições de nível direto
Geralmente, o nível de líquido é medido com técnicas convencionais de medição de espessura por pulso-eco, usando medidores ultrassônicos de espessura padrão ou detectores de defeitos em que é necessária uma faixa maior. Os transdutores são escolhidos de acordo com as exigências específicas da aplicação, mas normalmente são de 1 MHz ou 2,25 MHz. Recomendamos um destes instrumentos:
- Medidores de espessura 39DL PLUS™ e 45MG com software Single Element podem ser configurados para medição de nível do líquido. Eles oferecem alarmes de nível alto ou baixo e armazenamento de dados para gravação e documentação, além de um visor digital. Normalmente, a faixa da medição é de cerca de 125 mm (5 pol.).
- Detectores de defeitos EPOCH 650™ e EPOCH 6LT podem medir caminhos de líquido muito longos (possivelmente maiores que 1,25 m ou 4 pés).
Em qualquer um destes instrumentos, o intervalo e a precisão serão determinados pelas condições específicas do teste e devem ser cotados individualmente. Precisões de ± 2,5 mm (±1,0 pol.) são possíveis na maioria dos líquidos.
Procedimento para fazer medições diretas do nível
Para medir o nível de líquido em um recipiente, acopla-se o transdutor na parte inferior do recipiente usando um acoplante. Um impulso elétrico é transmitido pelo medidor de espessura para que o transdutor gere um pulso sonoro ultrassônico curto que é transmitido através da parede do recipiente e chega ao líquido. O pulso atravessa o líquido até chegar à superfície onde é refletido e retorna através do líquido para ser recebido pelo transdutor.
O eco da superfície do líquido é precisamente sincronizado a partir de um ponto de tempo zero eletrônico que subtrai o tempo do trajeto através da parede do recipiente. O tempo de trânsito (ida e volta) do pulso é convertido em nível do líquido através do seguinte cálculo realizado eletronicamente:
h = vt/2
Onde:
h = nível do líquido
v = velocidade do som no líquido
t = tempo de trânsito (ida e volta)
O nível do líquido é mostrado na tela digital. Certos fatores, como os listados abaixo, devem ser considerados para tornar essa técnica de medição efetiva.
- Tipo de material e espessura do recipiente: considere primeiro esses fatores em relação às propriedades do fluido e intervalo do nível. Os recipientes com paredes de aço podem limitar consideravelmente o limite mínimo que pode ser medido devido aos efeitos de ring-down da parede. Os recipientes de plástico possuem propriedades acústicas similares a de muitos líquidos e, portanto, transferem com eficiência o som do transdutor para o líquido, minimizando o ring-down.
- Condição da superfície da parede do recipiente: recipientes com superfícies corroídas ou perfuradas podem distorcer a transmissão do pulso sonoro, dificultando ou impossibilitando a medição.
- Curvatura do recipiente: recipientes com curvas acentuadas podem distorcer o pulso sonoro ou causar o acoplamento inadequado do transdutor ao recipiente, impedindo a realização de medições confiáveis.
- Obstruções: o trajeto do som entre a parte inferior do tanque e a parte superior do líquido devem estar livres de obstruções físicas, como defletores ou tubos cheios.
- Propriedades acústicas do líquido: geralmente, o grau de atenuação ultrassônico no líquido determina o nível máximo de medição. Em geral, líquidos com alta viscosidade ou altas concentrações de sólidos atenuam mais o ultrassom.
- Efeitos da temperatura: alterações de temperatura no líquido causam mudanças na velocidade do som através do líquido. Se a calibração da velocidade do instrumento não foi reajustada para compensar essas alterações de velocidade, a leitura do nível será incorreta.
- Bolhas de gás: as bolhas de ar ou de outros gases dispersam as ondas sonoras e podem causar leituras errôneas ou falhas de leitura.
- Movimento da superfície do líquido: normalmente, a superfície do líquido deve permanecer imóvel no recipiente para produzir um eco de superfície legível.
- Composição do líquido: o líquido deve ter composição homogênea e temperatura constante para que as medições sejam precisas.
- Acoplamento do transdutor à parede do recipiente: é necessário que o transdutor se acople adequadamente à parede do recipiente para que o pulso sonoro seja transmitido do transdutor através da parede do recipiente e do líquido.
Equipamento utilizado para medição de presença/ausência
Recomendamos a utilização do detector de defeitos da série EPOCH®. Nessa série, todos os instrumentos são adequados para medir a presença/ausência de pulso. O tipo de transdutor utilizado dependerá do tipo do líquido e da extensão da trajetória do som.
Procedimento para realização de medições de presença/ausência
A configuração de teste específica depende da aplicação. Em geral, nós recomendamos um teste simples de pulso-eco quando a aplicação envolve um recipiente ou tubo em que a geometria permite a transmissão de um pulso ultrassônico através de uma coluna de líquido e a recepção de um eco da parede distante. A ausência ou presença podem ser identificadas por intermédio dos alarmes visual ou sonoro. No modo pulso eco, o sinal do transdutor é acoplado na parede do recipiente. Se o líquido estiver presente no ponto de medição, a porção da energia sonora atravessará o líquido e refletirá na parede oposta do recipiente, voltando através do líquido e através da parede do recipiente no transdutor. Se nenhum líquido estiver presente, não haverá eco da parede traseira, mesmo que alguns ecos sejam gerados pela parede do recipiente que está em contato com o transdutor. Normalmente, são usados transdutores de contato de baixa frequência nesses testes. Na figura abaixo, um transdutor de contato de 2,25 MHz está acoplado a uma parede do tanque de aço de aproximadamente 45 mm (18 pol.) de largura. Os ecos do lado esquerdo da tela representam várias reverberações na parede do tanque e nenhum eco é representado dentro da porta vermelha. |
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Ao configurar um gate no momento em que o eco da parede distante esperado é detectado, o operador pode monitorar o estado do líquido. Se o líquido estiver presente, será detectado um eco dentro do gate, como mostrado na figura da direita.
Em certas situações, o método de pulso-eco não pode ser usado. Quando não existe nenhuma trajetória de som evidente entre a parede dianteira e a parede traseira, o monitoramento do líquido depende do método ring-down. Ele sempre exige uma superfície limpa e lisa para garantir o acoplamento uniforme do transdutor. Nesse método, o instrumento identifica as alterações nos ecos da parede onde o transdutor está acoplado. O efeito é como o som do sino, suspenso no ar em um caso e imerso no líquido no outro. O líquido amortecerá a energia sonora mais rapidamente que o ar. De modo semelhante, o instrumento "escuta" o tipo de eco e traça um padrão que pode ser usado pelo operador para determinar a presença ou a ausência de um líquido em determinado ponto. |
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Esse tipo de teste, normalmente, é realizado com um transdutor de linha de atraso. As figuras abaixo descrevem um teste típico de ring-down em tanque de aço realizado com um transdutor de linha de atraso V206-RB de 5 MHz. A parte superior da forma de onda representa o padrão de ring-down do eco da parede traseira do líquido. A função DAC foi utilizada para traçar o envelope do eco. A parte inferior da forma de onda exibe a recepção de ecos maiores da parede traseira do ar, onde o efeito de amortecimento do líquido na superfície interna não é mais um problema. Ao mover o transdutor para cima e para baixo na lateral do tanque e procurar o ponto de transição entre esses dois padrões, o operador pode identificar o ponto representado na parte superior do líquido contido internamente.
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