Porque Usar Chave de Nível Tipo Vibratória
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Porque Usar Chave de Nível Tipo Vibratória
Hamilton Maranhao
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21/09/2022 10:04 Porque usar chave de nível tipo vibratória
Quando falamos sobre nível, o desafio na prática sempre será fazer com que as equipes
de Instrumentação, Mecânica e Processo trabalhem em equipe para se chegar a uma
solução factível e que muitas vezes não encontra padrões ou sequer práticas
recomendadas dentro de um grande range de soluções possíveis, mas cada uma com
suas vantagens e desvantagens.
Qual o retorno sobre o investimento que esse novo ativo irá trazer?
Entretanto; não é raro que o motivo para a substituição de uma tecnologia de medição
por outra seja pelo simples fato de que a primeira não funciona para ao processo que
ela foi selecionada. A escolha então não se limita, mas precisa lidar com questões ainda
mais básicas como as seguintes:
Por quanto tempo esse instrumento irá funcionar até que eu tenha que parar parte ou
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toda minha produção para manutenção?
O objetivo deste artigo é que o usuário final adquira conhecimento suficiente para que
se sinta totalmente confortável em adotar a chave de nível vibratória para medição de
nível pontual e saber obviamente quais são seus limites. Ao ler esse artigo você será
capaz de responder aos questionamentos abaixo:
Quais dados do processo a ser medido e requisitos do instrumento que devem ser
conhecidos para que a solução seja especificada com sucesso?
Quais observações quanto à instalação e seleção de materiais devem ser seguidas para
que a chave de nível opere de forma adequada?
Não é objetivo desse artigo; mostrar a chave de nível vibratória como uma tecnologia
superior as demais. O que existe sempre é uma solução mais adequada e com melhor
custo benefício para uma determinada aplicação.
A chave de nível tipo vibratória é colocada para oscilar ao vazio a uma determinada
frequência e amplitude que são monitoradas por um circuito eletrônico. São dois
elementos piezo elétricos ou um elemento duplo emissor e receptor; o primeiro recebe
o sinal da eletrônica e faz com que a haste ou garfo vibre a uma frequência de
ressonância e o segundo elemento detecta a vibração da haste. Quando o garfo (ou a
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haste) vibra no vazio, então o garfo mantém sua frequência de vibração inalterada e a
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diferença entre o sinal gerado pelo elemento emissor e o transmissor é nula. Quando o
fluído toca no garfo ou na haste a frequência e a amplitude da vibração são alteradas, e
a diferença entre os sinais dos dois elementos piezo elétricos é detectada pelo circuito
eletrônico que então aciona a saída digital indicando a detecção de nível.
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Quando usar
Chave de nível vibratória pode ser usada como proteção contra o transbordamento de
tanques de armazenamento atuando com detecção de nível alto ou muito alto e
proteção contra cavitação das bombas de sucção evitando que elas trabalhem na
ausência de fluído. Nesse caso a chave de nível atua detectando o nível baixo (alarme),
muito baixo (intertravamento), ou mesmo atuando como detector de fluxo (fluxostato)
na tubulação a montante da bomba. Como veremos adiante, a chave de nível pode ser
usada normalmente em vasos de processo desde que observadas às condições de
processo que normalmente são mais agressivas que em tanques de armazenagem.
O elemento vibratório pode ser tipo: garfo curto, haste ou garfo longo. O estado físico
do produto a ser medido é que vai definir qual elemento será usado e a que frequência
ele vai vibrar.
Essas faixas de frequências também são utilizadas para que as chaves não entrem em
ressonância com as vibrações da planta gerando falsas detecções.
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Figura 2 (da esquerda para direita): Elemento vibratório tipo garfo curto (modelo
Liquiphant, cortesia Endress&Hauser), Tipo Haste (modelo Vegavib, cortesia da Vega)
e tipo garfo longo (modelo Vegawave, cortesia da Vega).
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mesma substância armazenada possuem uma mesma massa específica, mas densidades
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diferentes. As chaves de nível tipo vibratória começam a detectar líquidos que possuam
densidade a partir de 700 Kg/m³ (alguns fornecedores conseguem a partir de 500
Kg/m³) com o uso de garfos curtos. A detecção para sólidos começa a partir de 20
Kg/m³ (alguns fornecedores conseguem a partir de 8 Kg/m³) com o uso de garfos
longos e a partir de 200 Kg/m³ com o uso da haste vibratória.
Ponto a ser detectado (Nível) – Essa informação é importante, pois muitas vezes não
será possível instalar a chave de nível no costado do tanque; apenas no topo. Sendo
assim, neste tipo de instalação, devemos fazer uso de uma haste para posicionar o garfo
vibratório na posição que queremos detectar o produto. Fazendo uso dos desenhos do
tanque é possível somar o comprimento do pescoço da conexão mais a distância entre o
teto do tanque e o nível a ser detectado totalizando assim o comprimento total da haste.
Qual o fluído a ser detectado – É necessário informar o fluído para que o engenheiro de
instrumentação possa verificar a compatibilidade química entre o material do elemento
sensor e o produto a ser detectado para avaliar a possibilidade de corrosão. Considera-
se que o fluído superior é ar ou gases provenientes da evaporação do fluído
armazenado; a chave de nível tipo vibratória não foi projetada para detectar interfaces,
sendo assim, as informações sobre o fluído superior não são necessárias.
Viscosidade – Essa informação é importante, pois caso a viscosidade seja muito alta;
há a possibilidade de que o produto não se solte do elemento sensor mesmo quando o
nível do produto esteja abaixo dele mantendo uma falsa detecção. A viscosidade
máxima para líquidos é de 10.000Cp. Verificar para caso de líquidos que possuam
viscosidade próxima de 10.000Cp a possibilidade de ocorrer acúmulos perto ou no
elemento vibratório; procurar evitar essas situações e/ou buscar soluções. Uma opção é
o uso do elemento vibratório revestido com Halar/PFA. Alguns exemplos de produtos
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Sempre que as condições de processo estiverem perto dos limites informados pelo
fabricante é sempre importante pedir a confirmação do mesmo de que o instrumento
vai operar de forma adequada. As chaves de nível vibratórias podem suportar pressões
de até 100bar(g) e temperaturas que variam de -40°C a 150°C. Há algumas versões
deste instrumento que podem trabalhar a mais de 200°C. Para medições de sólidos, a
pressão limite cai drasticamente por volta de 16bar(g).
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Um cuidado para altas temperaturas é que a tubulação ou tanque pode irradiar calor e o
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limite de temperatura para o invólucro devido à eletrônica embutida não é diferente dos
demais instrumentos e fica em torno de 70°C. Se for o caso, optar pelo uso de
espaçador de temperatura ou adotar instalação da eletrônica remota.
Para uso como detector de fluxo a velocidade do fluxo é de até 5m/s, viscosidade de
até 1cP e densidade até 1000Kg/m³.
NAMUR
Profibus PA
8mA/16mA (Analógico)
WirelessHART (HART 7)
Essa gama de opções torna a chave de nível tipo vibratória fácil de integrar com o
sistema de controle e monitoração da planta. Cabe à equipe de projeto, entretanto,
avaliar dentro da infraestrutura existente, o que deverá ser feito para implementar a
solução completa.
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*Disponibilidade que deverá ser verificada com os fabricantes que estão participando
do processo de fornecimento.
A escolha do material do elemento vibratório deve ser feita com certo cuidado, pois já
que a massa do mesmo deve permanecer constante para que a frequência de
ressonância fique inalterada, deve ser evitada a corrosão do elemento vibratório
principalmente quando a função é de detecção de nível baixo ou ausência de fluxo em
que o elemento se encontra praticamente todo tempo em contato com o fluido. Seguir a
especificação técnica de tubulação do usuário para saber qual o material mais
adequado, questionar o fornecedor e consultar literaturas de compatibilidade de
materiais são boas práticas de engenharia para a seleção de materiais, mas a última
palavra sempre cabe ao usuário final que conhece de fato o processo e como cada um
dos seus produtos afeta cada um dos materiais.
Vantagens
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Não gera falsos alarmes em função de leves acúmulos, fortes vazões, ondas,
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turbulência, bolhas ou partículas em suspensão. Geralmente espumas também não são
causas de falsos alarmes com exceção de espuma de suco de laranja e sorvete.
O design compacto do conjunto facilita a instalação que pode ser tanto lateral (no
costado do tanque) como no topo (no teto do tanque)
O design e polimento dos elementos vibratórios garantem que produtos viscosos não
fiquem agarrados a eles. Isso também aumenta também o tempo de resposta do
instrumento e facilita sua instalação.
Recursos
Outro recurso importante é a extensão. Uma haste leva em sua ponta o elemento
vibratório de forma a dar mais versatilidade à instalação. Podem ser solicitadas como
acessório em até 6 metros, entretanto quando a haste é superior a 1 metro se faz
necessário suporte interno no tanque o que em alguns casos é uma grande limitação.
O diagnóstico local também é possível como recurso. Muito importante para garantir
que a chave está livre de defeitos e pronta para operar assim que for requisitada.
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Para casos em que a temperatura irradiada pelo tanque ou tubulação for superior a
70°C e começar a oferecer riscos à eletrônica pode ser feito uso do espaçador de
temperatura que afasta o invólucro da parede onde está instalada a chave. Também há a
opção da instalação remota o que além de afastar a eletrônica de uma possível
temperatura elevada ainda permite uma melhor locação facilitando a verificação da
disponibilidade do instrumento ou uma eventual manutenção.
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Quanto ao tipo de proteção do invólucro, a chave de nível pode ser a prova de explosão
(EX-d) ou segurança intrínseca (Ex-i).
Requisitos de Instalação
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Figura 4: Caso seja necessário uma extensão superior a 1m para instalação no topo do
teto do tanque; é importante avaliar se há alguma vibração ou fluxo que possa empenar
a extensão. Se for o caso, será necessário suportar essa extensão a cada metro o que
pode ser uma operação complicada por ser um trabalho confinado. Avaliar a alternativa
de instalação lateral no costado do tanque
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Figura 5: Levar em consideração que produtos muito viscosos podem deixar acúmulos.
Evitar esse tipo de situação para que não ocorra uma detecção falsa de nível. Nesses
casos também evitar que o elemento vibratório fique muito perto da parede do tanque
nos dois modos de instalação, pois facilita a formação de acúmulos.
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Figura 6: Para o correto funcionamento é necessário que os dois dentes do garfo sejam
molhados simultaneamente pelo fluído desta forma na instalação de topo não requer
preocupação quanto a isso, mas na montagem lateral se faz necessário o cuidado de
instalar os dentes de forma perpendicular a superfície do fluído.
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Figura 7; Para detecção de sólidos é recomendado que o garfo tipo vibratório fique
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instalado com inclinação mínima de 20° com a horizontal de forma que não ocorram
acúmulos dentro do pescoço ou próximos da chave podendo assim gerar falsos
alarmes. Vale salientar que há um desafio adicional na medição de nível em sólidos. O
armazenamento do produto normalmente forma picos durante o armazenamento e vales
durante o descarregamento dos silos o que torna difícil escolher o ponto de instalação
de qualquer chave de nível já que não existe uma superfície horizontal.
Figura 8: Para a montagem lateral, orientar os prensa cabos na horizontal ou para baixo
de forma a evitar que a água das chuvas penetre aos poucos no invólucro.
Figura 9: Para uso como detector de fluxo as palhetas devem estar paralelas à
orientação do fluxo.
O uso de chaves de nível vibratórias para líquidos com sólidos em suspensão é restrito
ao tamanho dos granulados que podem ficar enganchados entres os dentes do garfo
gerando um falso sinal de detecção.
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Considerações finais
Bibliografia:
Emerson Process Management – Level User Guide for the Instrument and Project
Engineer in the Refining Industry – 2009
Win Van de Kamp – Endress + Hauser - The Theory and Practice of Level
Measurement – 2008
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