Em 28º Março de 1979, na usina nuclear de Three Mile Island, nos EUA, parte do núcleo derreteu no reator nº 2. O reator TMI-2 foi destruído. A causa do acidente foi um pequeno mau funcionamento no circuito de refrigeração secundário que permitiu o aumento da temperatura do refrigerante primário. Isso fez com que o reator desligasse automaticamente. Esta situação se desenvolveu porque os controles de nível desligaram o refrigerante do reator quando detectaram a presença de água de resfriamento próximo ao topo do tanque. A água no topo não foi porque o tanque ficou completamente cheio, foi porque havia pouca água no tanque que ela ferveu e inchou até o topo do tanque.
O incidente é um exemplo que significa a importância de sensores de nível de fluido e seu bom funcionamento. Eles são importantes não apenas em usinas nucleares, mas em muitas aplicações. Todo carro, caminhão e motocicleta está equipado com um sensor de nível de combustível para medir a quantidade de gasolina restante no tanque de combustível. Além disso, existem sensores para medição de nível de óleo de motor, fluido de freio/direção hidráulica, água de resfriamento, líquido de limpeza de pára-brisa, etc. As aplicações industriais incluem detecção de nível de líquido em tanques de tratamento de água, tanques de transporte e armazenamento, na indústria petroquímica para líquidos como gasolina, etc. A medição do nível de líquido é importante em aplicações domésticas para dispositivos como máquinas de café automatizadas, dispensadores de água, espremedores de suco, evaporadores de água, vaporizadores, geladeiras e freezers, caldeiras, sistemas de aquecimento, máquinas de lavar louça, máquinas de lavar, ferros a vapor, etc.
Resumidamente, sensores de nível são um dos sensores muito importantes e desempenham um papel muito importante em uma variedade de aplicações de consumo/industriais. Tal como acontece com outros tipos de sensores, os sensores de nível estão disponíveis ou podem ser projetados usando vários princípios de detecção. Seleção de um tipo apropriado de sensor adequar-se aos requisitos da aplicação é muito importante.
Fig. 1: Uma imagem mostrando o sensor de nível
O QUE É UM SENSOR DE NÍVEL
Uma ampla gama de sensores está disponível no mercado e comumente são classificados com base na aplicação específica do sensor. O sensor usado para medir a umidade é denominado sensor de umidade, o usado para medir a pressão é chamado de sensor de pressão, o sensor usado para medir o deslocamento é chamado de sensor de posição e assim por diante, embora todos eles possam estar usando o princípio de detecção semelhante. De maneira semelhante, o sensor usado para medição de níveis de fluido é chamado de sensor de nível.
Bastante óbvio pelo nome, sensores de nível são usados para medir o nível das substâncias de fluxo livre. Tais substâncias incluem líquidos como água, óleo, lamas, etc., bem como sólidos na forma granular/em pó (sólidos que podem fluir). Essas substâncias tendem a se depositar nos tanques contêineres devido à gravidade e manter seu nível em estado de repouso. Os sensores de nível medem o seu nível em relação a uma referência predefinida.
Classificação
CLASSIFICAÇÃO BASEADA EM PONTOS DE DETECÇÃO
Dependendo do número de locais onde a presença de um fluido (ou sólidos fluídicos) será detectada, os sensores de nível podem ser classificados em três categorias:
1. Sensores de nível de ponto único -Esses sensores são usados onde o nível de fluido deve ser detectado apenas em um único local.
Fig. 2: Diagrama mostrando sensores de nível de ponto único
2. Sensores de nível multiponto – Esses sensores são usados onde o nível de fluido deve ser detectado em vários locais em um único local.
Fig. 3: Diagrama mostrando sensores de nível multiponto
3. Sensores de nível contínuo – Esses sensores são usados onde o nível de fluido em todos os locais é detectado
Fig. 4: Diagrama mostrando Sensores de Nível Contínuo
CLASSIFICAÇÃO BASEADA EM PRINCÍPIOS DE SENSORIZAÇÃO
Uma ampla variedade de princípios de detecção são usados para medição de líquidos, sólidos fluídicos, lamas, etc.
· Sensores de nível flutuante
Nestes sensores de nível, uma bóia se move com a superfície do líquido. O flutuador está conectado a um núcleo através de uma mola. Um interruptor reed magnético é montado no núcleo hermeticamente selado e o núcleo se move dentro de uma haste com o movimento da flutuação. A haste é cercada por ímãs poderosos. À medida que o flutuador sobe ou desce com o nível do líquido, o interruptor reed é acionado devido ao campo magnético gerado pelos ímãs.
Fig. 5: Figura que explica o princípio dos sensores de nível flutuante
Fig. 6: Imagem mostrando diferentes partes dos sensores de nível flutuante
Esses sensores também são projetados mantendo a haste e o núcleo (com interruptor reed magnético) estacionários e tornando os ímãs parte do flutuador móvel. Para sensores de nível multiponto, são usados vários ímãs/múltiplos interruptores reed (dependendo do projeto).
O princípio dos sensores (bóias que se movem com o nível do líquido) pode ser acoplado a medidores com mostrador. Usando a flutuabilidade, eles podem formar indicadores visuais de nível de líquido.
Resistivo, Capacitivo
· Sensores de nível resistivos
Resistores variáveis são amplamente utilizados na detecção de nível de combustível. Um limpador, conectado a um braço de alavanca com um flutuador, move-se através de uma pista resistiva contínua.
Fig. 7: Diagrama mostrando sensores de nível resistivos usados na detecção de nível de combustível
O sensor funciona segundo o princípio de medição potenciométrica. A corrente é feita fluir através da resistência. A tensão cai linearmente através desta resistência. O controle deslizante através desta resistência está conectado a um flutuador. A saída de tensão é obtida entre o controle deslizante e uma extremidade da resistência. Assim, com a variação dos níveis de fluido, o controle deslizante se move e a tensão de saída varia.
Uma variante deste tipo utiliza a condutividade do líquido sob medição. Os pulsos de corrente são enviados através de um eletrodo sensor (isolado eletricamente do tanque ou tubo externo). Quando o eletrodo do sensor é imerso em um líquido condutor, é criada uma conexão elétrica. O potencial elétrico é proporcional ao nível do líquido e é medido através de um contraeletrodo ou da parede do tanque. Ele é usado para medição contínua do nível de enchimento e é adequado para todos os líquidos condutores.
· Sensores de nível capacitivos
Como a capacitância depende da área de sobreposição entre as placas, da distância entre as placas e do material dielétrico entre as placas, qualquer um dos três pode variar para projetar um sensor capacitivo útil.
Um dos mais simples sensores capacitivos de nível de fluido é mostrado na figura. É composto por dois tubos concêntricos imersos no fluido cujo nível se deseja medir. Como a área de sobreposição entre as placas e a distância entre as placas são fixas, a capacitância passa a ser função do dielétrico entre as placas, ou seja, do fluido entre os dois tubos concêntricos. À medida que o nível do fluido muda, a capacitância também muda. Essa capacitância passa a ser função do nível do fluido.
Fig. 8: Imagem mostrando sensores capacitivos típicos de nível de fluido com tubos concêntricos
Outra variante deste sensor é aquela que utiliza placas paralelas em vez de tubos concêntricos. Também neste caso, a mudança no nível do fluido alterará a constante dielétrica efetiva e, portanto, a capacitância entre as placas.
Fig. 9: Imagem mostrando sensores capacitivos típicos de nível de fluido com placas paralelas
Pressão, Efeito Hall, Ultrassônico
· Sensores de nível baseados em pressão
A pressão é definida como a força por unidade de área. A pressão em qualquer profundidade, em um fluido estático, é igual ao peso do líquido agindo sobre uma unidade de área naquela profundidade mais a pressão agindo na superfície do líquido. A medição de nível com base na medição de pressão também é conhecida como medição hidrostática de tanques.
Baseia-se no princípio de que a diferença entre duas pressões é igual à altura do líquido multiplicada pela gravidade específica. Assim, a força no fundo do recipiente de fluido depende apenas da altura do nível do líquido e, portanto, com a pressão hidrostática medida e o conhecimento da gravidade específica do fluido, a medição do nível é realizada.
Figura: 10
Como estes são usados para medição de nível de líquidos/água corrosivos, etc., a compatibilidade química do elemento sensor deve ser verificada. Além disso, os sensores devem ser calibrados separadamente para diferentes líquidos, pois as gravidades específicas são diferentes.
· Sensores de nível baseados em Hall
Sensores de nível baseados em Hall foram projetados em várias configurações. Um sensor de alavanca rotativa é mostrado na figura abaixo.
Fig. 11: Diagrama mostrando o sensor de nível rotativo baseado no efeito Hall
Um sensor Hall linear é colocado no centro do anel magnético diametralmente magnetizado, cercado pelo ímã de ferro macio para guiar o fluxo. O sensor Hall mede apenas o componente vertical do campo magnético. Assim, à medida que o anel se move com a alavanca, a componente do campo magnético medida pelo Sensor Hall varia. Assim, a saída do sensor Hall passa a ser uma função do nível do fluido.
Fig. 12: Gráfico que representa a saída do sensor Hall em função do nível de fluido
Sensores Hall podem ser usados em sistemas de flutuação vertical. Dependendo da necessidade de medição de nível contínua ou discreta, uma série de sensores Hall pode ser colocada nos pontos desejados. Os ímãs passam a fazer parte dos flutuadores. Conseqüentemente, com o movimento do flutuador, a saída dos sensores Hall irá variar.
Fig. 13: Imagem mostrando sensores Hall usados em sistema de flutuação vertical
Sensores baseados em Hall oferecem boa confiabilidade, pequenas dimensões, amplas tensões operacionais e estão disponíveis a custos relativamente baixos. Todas essas características os tornam uma opção muito atraente entre uma variedade de outros sensores.
· Sensores de nível ultrassônicos
Os instrumentos de nível ultrassônico operam com base no princípio básico do tempo de voo, usando ondas sonoras para determinar o nível de líquido/sólido/pasta.
Os sensores de nível ultrassônicos são compostos por dois elementos; um transdutor de alta eficiência e um transceptor eletrônico associado. O tempo completo de retorno entre o pulso ultrassônico transmitido e o eco refletido é medido para determinar o nível do fluido.
A faixa de frequência para métodos ultrassônicos está na faixa de 15 a 200 kHz. Os instrumentos de frequência mais baixa são utilizados para aplicações mais difíceis; como distâncias mais longas e medições de nível de sólidos e aqueles com frequência mais alta são usados para medições de nível de líquido mais curtas.
Eles podem ser usados como ponto único sensor de nível ou sensores de nível contínuo
Fig. 14: Imagem mostrando sensores de nível ultrassônicos baseados no princípio do tempo de voo usando ondas sonoras
Leia também o artigo sobre Sensores Ultrassônicos
Nível de radar óptico
· Sensores de nível de radar
Os sensores de nível de radar são fundamentalmente muito semelhantes aos níveis ultrassônicos; a única diferença entre os dois é o uso de frequências. A medição do nível do radar também se baseia no princípio de medição do tempo decorrido entre a transmissão de um pulso de micro-ondas e a recepção do eco refletido.
A resolução de alcance e a frequência são dois parâmetros cruciais que devem ser considerados ao selecionar esses sensores. A precisão de tais sensores depende da aplicação, da antena e de sua instalação, e também da qualidade do software de processamento de sinal.
· Sensores ópticos
É um sensor do tipo contato e utiliza o princípio da reflexão óptica. Esse sensor abriga um LED infravermelho e um fotodetector IR. A luz emitida pelo LED é direcionada para um prisma; o prisma forma a ponta do sensor. Enquanto o prisma estiver fora de contato com o líquido, a luz emitida será refletida de volta para o receptor. No entanto, quando o prisma fica imerso no prisma, a luz é refratada para o líquido e, portanto, muito pouca ou nenhuma luz atinge o receptor. Assim, com base na quantidade de luz refletida, é detectada a presença ou ausência de um líquido.
· ExoSensores
O sensor ExOsense
(da Gems Sensors e controles) usa tecnologia de transdutor proprietária empregando material piezoelétrico. Quando o material piezoelétrico é excitado, ele cria um sinal acústico em função da ressonância natural do material. Os sensores ExOsense geram esse sinal acústico, direcionam-no através da parede da garrafa e detectam o pulso de reflexão.
(da Gems Sensors e controles) usa tecnologia de transdutor proprietária empregando material piezoelétrico. Quando o material piezoelétrico é excitado, ele cria um sinal acústico em função da ressonância natural do material. Os sensores ExOsense geram esse sinal acústico, direcionam-no através da parede da garrafa e detectam o pulso de reflexão. A quantidade de energia refletida é determinada pela “incompatibilidade de impedância acústica” dos materiais em uso. Por exemplo, se o som passar através de dois materiais com impedâncias acústicas semelhantes, muito pouca energia será refletida. Se o som passar através de dois materiais com valores de impedância diferentes, a maior parte da energia acústica será refletida. A incompatibilidade de impedância acústica fornece a base para a detecção do nível do líquido.
Seleção de Sensores
SELEÇÃO DE NÍVEL SENSORES
Existe uma grande variedade de soluções comerciais disponíveis para detecção de posição e detecção de nível. Entre as opções disponíveis, os projetistas podem selecionar as melhores tecnologias possíveis para atender aos seus objetivos comerciais e de engenharia. Mas isso também gera um problema de abundância.
O problema da abundância, ou seja, a disponibilidade de muitas opções muitas vezes confunde os projetistas em vez de facilitá-los. A detecção de nível, uma forma de detecção de posição, pode ser feita usando muitas tecnologias diferentes – indutiva, capacitiva, mecânica, magneto resistiva, efeito Hall, óptica, etc. Mais de uma solução pode ser viável para uma aplicação específica e é aí que surge a confusão.
· Número de perguntas que devem ser feitas ao selecionar um sensor
· Pontos de detecção de nível necessários
· Faixa de medição
· O material que está sendo medido é eletricamente condutivo?
· O sensor deve ser colocado dentro do material ou pode ser externo?
· O material é sólido ou líquido?
· Tipo de medição necessária – contato ou sem contato?
· Precisão, precisão e resolução aceitáveis
· Faixa de temperatura operacional
· Tipo de saída – analógica, digital, etc.
Tudo isso precisa ser determinado para a seleção da tecnologia de detecção adequada. É claro que responder a essas perguntas não é uma tarefa simples. Mas é aqui que o conjunto de habilidades do designer de sistema é posto à prova.
