Mecânica dos fluidos/Classificação dos medidores de nível

Comparada com outras grandezas, como vazão e viscosidade, o nível é fácil de se medir. Um medidor de nível do fluido em um reservatório ou canal pode ser algo tão simples quanto uma barra graduada inserida no mesmo. No entanto, a medição industrial de nível exige que seja gerado um sinal que possa ser usado para indicação em local remoto ou acionamento de algum circuito eletrônico. Os medidores de nível são em geral classificados de acordo com seu princípio de funcionamento. Aqui trataremos apenas de instrumentos adequados para trabalho com líquidos; medidores para sólidos (por exemplo, grãos estocados em um silo) serão ignorados.

Classificação dos medidores de nível

De acordo com o princípio de funcionamento, os medidores atualmente em uso na indústria podem ser classificados nas seguintes categorias:

Flutuadores
Com eletrodos metálicos
Por pressão hidrostática
Capacitivos
Vibratórios
Ópticos
Por onda sonora
Radioativos
Por célula de carga
Com pás rotativas

Alguns desses medidores conseguem produzir uma medida contínua do nível (medidores propriamente ditos); outros, apenas uma indicação de se o nível atingiu ou não uma altura de referência (chaves).

Medidores flutuadores

O instrumento mais simples é o medidor tipo bóia, que consiste de um elemento flutuador (ou bóia), menos denso que o líquido cujo nível se deseja medir, e um outro elemento que fica fixo numa determinada posição. O conjunto é colocado sobre o líquido; à medida que o nível deste aumenta, o flutuador vai sendo empurrado para cima pelo empuxo produzido pelo fluido. O deslocamento com relação ao elemento fixo pode fazer, por ação mecânica direta sobre um microswitch, com que se fechem ou se abram dois contatos, ou produzir, por ação sobre o cursor de um potenciômetro, uma medida contínua. O movimento também pode ser sentido por outros meios, como um reed switch.

Esse medidor é bastante simples e barato, mas possui muitas desvantagens. Por ter contato direto com o fluido, só pode ser usado com líquidos relativamente limpos e não corrosivos, a temperaturas não muito elevadas. A viscosidade também não pode ser muito grande. Pode ser danificado por excessiva vibração ou turbilhonamento do fluido. Para trabalho a pressões elevadas, deve ser criado um arranjo especial, com o elemento fixo e a eletrônica movidos para fora do reservatório.

Uma variação é a chave flutuadora de mercúrio, que consiste de uma ampola de vidro contendo mercúrio, fixa numa determinada posição. Quando o nível do líquido atinge essa posição, a ampola tomba e o mercúrio escorre, conectando ou desconectando dois contatos. Esse modelo tem a vantagem do pequeno tamanho, mas não pode ser usado sob pressões muito grandes.

Outra variação é o medidor por medição de empuxo, no qual o flutuador não bóia sobre a superficie, e sim é mantido mergulhado no fluido por meio de uma mola. Ao subir, o flutuador, exerce uma força sobre a mola, força essa que é proporcional à massa de líquido deslocado. A partir daí, calcula-se a densidade do fluido. O movimento do flutuador pode ser transformado em movimento rotativo de um tubo, em lugar de movimento linear ascendente do elemento fixo.

Medidores com eletrodos metálicos

Esses instrumentos só podem ser usados para líquidos condutores de eletricidade. Consistem em duas ou mais hastes metálicas, de diferentes comprimentos, que são mergulhadas no líquido e alimentadas por uma fonte de tensão elétrica. À medida que o nível aumenta, mais hastes vão sendo curtocircuitadas. Obtém-se, assim, um conjunto de chaves de nível. Essa construção pode ser substituída por uma haste única que funcione como um potenciômetro: medindo-se a corrente que circula nessa haste, obtém-se uma medição contínua do nível.

Medidores desse tipo também estão em contato direto com o fluido, e por isso este deve estar limpo e não ser corrosivo, e a temperatura não pode ser muito elevada. A viscosidade também não pode ser muito grande. Pode trabalhar a pressões elevadas sem problemas. A construção é robuista e suporta bem a vibração e o turbilhonamento do fluido. É ultilizado para medição de fluido condutivo

Medidores por pressão hidrostática

Esses instrumentos medem a pressão hidrostática exercida pelo líquido em uma determinada posição; a partir dessa pressão, obtém-se a altura de líquido acima da sonda. O sensor de pressão pode ser de qualquer tipo (capacitivo, piezoelétrico ou piezorresistivo). O medidor apresenta boa precisão e repetibilidade, mas também está em contato direto com o fluido, portanto este não pode ser corrosivo. A pressão e a temperatura não podem variar, pois isso altera a densidade do líquido. É insensível à viscosidade, às partículas em suspensão, à vibração e ao turbilhonamento.

Uma variação é o medidor por borbulhamento. Neste, um compressor injeta gás (ar, nitrogênio, etc.) no fundo. Um sensor mede a pressão no tubo injetor, que será idêntica à pressão hidrostática na saída. Dessa forma, consegue-se isolar toda a eletrônica do fluido, permitindo a utilização com líquidos corrosivos e a altas pressões e temperaturas; essa montagem também elimina o risco de infiltrações e oxidações. Uma válvula permite a abertura do tubo para a atmosfera, possibilitando a calibração automática.

Medidores capacitivos

O medidor capacitivo baseia-se na variação da capacitância medida entre duas sondas, uma colocada no fundo do reservatório e a outra, numa parede próxima ao topo. A constante dielétrica do ar é difere da do fluido, portanto a variação na quantidade relativa entre um e outro faz com que a capacitância varie. As sondas devem ser isoladas eletricamente, quando o líquido é condutivo.

Esse medidor deve ser calibrado no local, mas oferece diversas vantagens: pode ser usado com fluidos de densidade variável, com partículas em suspensão, viscosos ou corrosivos; é de fácil instalação e manutenção, durável, barato e consome pouca energia.

Medidores vibratórios

Nesses instrumentos, uma haste metálica é inserida no fluido e posta a vibrar. A frequência de ressonância é afetada pela massa de líquido presente no reservatório. Um sensor piezoelétrico é normalmente utilizado para medir essa frequência.

Esse tipo de medidor tem a vantagem de toda a eletrônica poder ficar distante do local, por isso é usado com líquidos inflamáveis.

Medidores ópticos

Existem dois tipos de medidores ópticos: o medidor a laser e o medidor fotoelétrico.

O primeiro emite um feixe de laser no sentido horizontal, que atravessa o fluido, é refletido pela parede oposta e detectado por um receptor. A atenuação do sinal depende da existência de líquido no caminho do feixe. Esse medidor não permite medição contínua. Apresenta as vantagens de ser bastante confiável e durável, de poder ser usado com qualquer tipo de líquido e de não ser influenciado por pressão, temperatura, turbilhonamento, etc. É barato, ocupa pouco espaço e gasta pouca energia.

O segundo consiste de um emissor de luz visível posicionado acima do reservatório, um prisma fixo a uma determinada altura e um receptor na parede. O conjunto é montado de forma ao feixe emitido ser refratado pelo prisma e atingir o receptor quando o prisma não estiver coberto pelo fluido. Esse medidor, portanto, também não permite medição contínua. As vantagens são as mesmas do medidor a laser.

Medidores por onda sonora

Esse medidor consiste de um emissor posicionado no alto do reservatório, cujos pulsos são guiados até a superfície do líquido por um guia de onda adequado. O sinal reflete na superfície do líquido e é recebido de volta pelo instrumento; o tempo decorrido entre a emissão e a recepção do sinal fornece a medida de nível.

Uma grande vantagem desse tipo de medidor é a possibilidade de calibração automática: um ressalto ou obstáculo posicionado dentro do guia de ondas constitui uma referência fixa útil para essa operação. Outras vantagens são a boa precisão, a ampla faixa de medição, imunidade a variações na pressão, na temperatura, ao turbilhonamento, etc., a durabilidade, a baixa manutenção e o fato de poder ser usado com qualquer tipo de líquido. Precisam sofrer compensação se usados em temperaturas muito elevadas.

De acordo com a faixa de frequências usadas, dividem-se em medidores por radar (acima de 20k Hz), medidores ultrassônicos (entre 10k e 20k Hz) e medidores alfassônicos (abaixo de 10k Hz). O medidor alfassônico é mais barato mas oferece menor gama de medição e sofre mais influência do ruído ambiente. O medidor ultrassônico oferece precisão de 5% do fundo de escala e sua faixa de medição vai de alguns centímetros até mais de trinta metros.

Medidores radioativos

Consistem de um emissor fixo a uma parede e diversos receptores, colocados em alturas diferentes na parede oposta. Apresentam a vantagem de poderem ser montados externamente ao reservatório. Em contrapartida, são caros e exigem cuidados especiais com relação à segurança. Podem ser usados com qualquer tipo de líquido, com exceção dos radioativos. Não fornecem medição contínua de nível, mas dispensam calibração e são imunes a variações na pressão, na temperatura, ao turbilhonamento, etc., além de serem bastante duráveis e confiáveis, e dispensarem manutenção. Para maior precisão, podem ser usados diversos emissores, alinhados com cada receptor.

Medidores por célula de carga

Esse medidores medem o peso do reservatório, e a partir daí infere-se o nível. Não são, portanto, imunes a variações na temperatura e na pressão. Não podem ser usados em ambientes com muita vibração. A instalação também exige cuidados especiais, pois o reservatório deve estar isolado de outras estruturas para que seu peso possa ser medido. Em contrapartida, são baratos, robustos e dispensam manutenção e calibração.

Medidores com pás rotativas

Consistem de um conjunto de motor com pás que giram imersas no fluido, que oferece resistência mecânica proporcional à massa de líquido existente. Como consequência dessa resistência, aparece um torque na base do motor, que pode ser detectada por uma chave mecânica. Para economizar energia, o motor pode ficar desligado a maior parte do tempo e funcionar apenas a intervalos regulares, fornecendo uma medida instantânea do nível.

Esse tipo de medidor não é muito utilizado, por apresentar muitas desvantagens. É caro e pouco durável, além de sensível à temperatura, à pressão e ao turbilhonamento.