Desprazer instrumentos de nível exploram Princípio de Arquimedes detectar o nível de um líquido medindo continuamente o peso de um objeto (chamado de desagrado) imerso no líquido do processo. À medida que o nível do líquido aumenta, o deslocador experimenta uma força de empuxo maior, fazendo com que pareça mais leve para o instrumento de detecção, que interpreta a perda de peso como um aumento no nível e transmite um sinal de saída proporcional.

Desprazer instrumentos de nível

Na prática, um instrumento de nível por deslocador geralmente assume a seguinte forma. As tubulações de entrada e saída do vaso foram omitidas para simplificar – apenas o vaso e seu instrumento de nível por deslocador são mostrados:

Desprazer instrumentos de nívelO próprio dispositivo geralmente é um tubo de metal selado, com peso suficiente para que não flutue no líquido do processo. Ele fica suspenso dentro de um tubo chamado "gaiola", conectado ao vaso de processo por meio de duas válvulas de bloqueio e bicos. Essas duas conexões de tubulação garantem que o nível do líquido dentro da gaiola corresponda ao nível do líquido dentro do vaso de processo, de forma semelhante a um visor de nível.

Se o nível do líquido dentro do recipiente de processo subir, o nível do líquido dentro da gaiola subirá para acompanhar. Isso submergirá uma maior parte do volume do deslocador, exercendo uma força de empuxo para cima sobre ele. Lembre-se de que o deslocador é pesado demais para flutuar, portanto, ele não "boia" na superfície do líquido nem sobe na mesma proporção que o nível do líquido – em vez disso, ele permanece suspenso dentro da gaiola, tornando-se "mais leve" à medida que a força de empuxo aumenta. O mecanismo de detecção de peso percebe essa força de empuxo quando o deslocador fica mais leve, interpretando a diminuição (aparente) do peso como um aumento no nível do líquido. O peso aparente do deslocador atinge um mínimo quando ele está totalmente submerso, ou seja, quando o líquido do processo atinge o ponto de 100% dentro da gaiola.

Deve-se notar que a pressão estática dentro do recipiente terá um efeito desprezível na precisão de um instrumento de deslocamento. O único fator que importa é a densidade do fluido do processo, uma vez que a força de empuxo é diretamente proporcional à densidade do fluido ($F=c\mathrm{Em}$).

A fotografia a seguir mostra um transmissor pneumático Fisher modelo “Level-Trol” medindo o nível de condensado em um tambor nocaute para serviço de gás natural. O próprio instrumento aparece no lado direito da foto, encimado por uma "cabeça" cinza com dois manômetros pneumáticos visíveis. A "gaiola" do deslocador é o tubo vertical imediatamente atrás e abaixo da unidade da cabeça. Observe que um visor de nível aparece no lado esquerdo da câmara de separação (ou bota de condensação) para indicação visual do nível de condensado dentro do vaso de processo:

O objetivo deste instrumento de medição de nível é medir a quantidade de líquido condensado acumulado dentro do reservatório. Este modelo do Fisher Level-Trol vem completo com um mecanismo de controle pneumático que envia um sinal de pressão de ar para uma válvula de drenagem, drenando automaticamente o condensado do reservatório.

Aqui estão duas fotos de um instrumento deslocador Level-Trol desmontado, mostrando como o deslocador se encaixa dentro do tubo da gaiola:

O tubo da gaiola é acoplado ao vaso de processo por meio de duas válvulas de bloqueio, permitindo o isolamento do processo. Uma válvula de drenagem permite que a gaiola seja esvaziada do líquido do processo para manutenção dos instrumentos e calibração do zero.

Alguns sensores de nível do tipo deslocador não utilizam uma gaiola, mas sim suspendem o elemento deslocador diretamente no recipiente do processo. Esses são chamados de sensores "sem gaiola". Os instrumentos sem gaiola são, obviamente, mais simples do que os instrumentos com gaiola, mas não podem ser reparados sem a despressurização (e possivelmente até mesmo o esvaziamento) do recipiente do processo em que estão instalados. Eles também são suscetíveis a erros de medição e "ruído" se o líquido dentro do recipiente for agitado, seja por altas velocidades de fluxo de entrada e saída do recipiente, seja pela ação de impulsores acionados por motor instalados no recipiente para promover a mistura completa do(s) líquido(s) do processo.

A calibração de faixa completa pode ser realizada inundando a gaiola com o líquido do processo (a molhado calibração), ou suspendendo o deslocador com um fio e uma escala precisa (uma seco calibração), puxando o deslocador para cima na medida exata para simular a flutuabilidade em um nível de líquido de 100%:

O cálculo dessa força de empuxo é simples. De acordo com o Princípio de Arquimedes, a força de empuxo é sempre igual ao peso do volume de fluido deslocado. No caso de um instrumento de nível baseado em deslocador, em sua faixa de medição máxima, isso geralmente significa que todo o volume do elemento deslocador está submerso no líquido. Basta calcular o volume do deslocador (se for um cilindro, $\mathrm{Em}=p{r}^{2}l$, onde $r$ é o raio do cilindro e $l$ é o comprimento do cilindro) e multiplique esse volume pela densidade do peso ($c$):

$$F_{b\mathrm{em}oe\mathrm{um}nt}=c\mathrm{Em}$$

$$F_{b\mathrm{em}oe\mathrm{um}nt}=cp{r}^{2}l$$

Por exemplo, se a densidade do fluido do processo for de 57,3 libras por pé cúbico e o deslocador for um cilindro com 3 polegadas de diâmetro e 24 polegadas de comprimento, a força necessária para simular uma condição de flutuabilidade em nível máximo pode ser calculada da seguinte forma:

$$c=\left(\frac{\text{57,3 libras}}{{\text{pés}}^3}\right)\left(\frac{{\text{1 pé}}^3}{{12}^3{\text{ em}}^3}\right)=\mathrm{0,0332}\frac{\text{Libra}}{{\text{em}}^3}$$

$$\mathrm{Em}=p{r}^{2}l=p(\mathrm{1,5}\text{ em}{)}^2(24\text{ em})=\mathrm{169,6}{\text{ em}}^3$$

$$F_{b\mathrm{em}oe\mathrm{um}nt}=c\mathrm{Em}=\left(\mathrm{0,0332}\frac{\text{Libra}}{{\text{em}}^3}\right)\left(\mathrm{169,6}{\text{ em}}^3\right)=\mathrm{5,63}\text{ Libra}$$

Observe como é importante manter a consistência das unidades! A densidade do líquido foi dada em libras por metro cúbico. pé e as dimensões do deslocador em polegadasO que teria causado sérios problemas sem uma conversão entre pés e polegadas. No meu exemplo, optei por converter a densidade em libras por polegada cúbica, mas poderia ter convertido as dimensões do deslocador em pés para obter o volume do deslocador em pés cúbicos.

Em uma calibração "úmida", a força de empuxo de 5,63 libras será criada pelo próprio líquido, com o técnico garantindo que haja líquido suficiente dentro da gaiola para simular uma condição de nível de 100%. Em uma calibração "seca", a força de empuxo será simulada pela tensão aplicada para cima no deslocador com uma balança manual e um barbante, com o técnico puxando com uma força de 5,63 libras para cima para fazer o instrumento "pensar" que está detectando um nível de líquido de 100%, quando na verdade o deslocador está completamente seco, suspenso no ar.

Tubos de torque Desprazer instrumentos de nível

Um problema interessante de projeto para transmissores de nível do tipo deslocamento é como transferir o peso detectado do deslocador para o mecanismo do transmissor, vedando ao mesmo tempo a pressão de vapor do processo proveniente desse mesmo mecanismo. A solução mais comum para esse problema é um mecanismo engenhoso chamado... tubo de torqueInfelizmente, os tubos de torque podem ser bastante difíceis de entender, a menos que você tenha acesso direto a um, e, portanto, esta seção explorará o conceito com mais detalhes do que é normalmente encontrado em manuais de referência.

Imagine uma barra metálica sólida e horizontal com uma flange em uma extremidade e uma alavanca perpendicular na outra. A flange está fixada a uma superfície estacionária e um peso está suspenso na extremidade da alavanca. Um círculo tracejado indica onde a barra está soldada ao centro da flange.

A força descendente do peso que atua sobre a alavanca transmite uma força de torção (torque) à haste, fazendo com que ela sofra uma leve torção ao longo de seu comprimento. Quanto maior o peso suspenso na extremidade da alavanca, maior será a torção da haste. Contanto que o torque aplicado pelo peso e pela alavanca nunca exceda o limite elástico da haste, esta continuará a se comportar como uma mola. Se conhecermos a constante elástica da haste e medirmos sua deflexão torsional, podemos, de fato, usar esse pequeno movimento para medir a magnitude do peso suspenso na extremidade da alavanca.

Em um instrumento de nível do tipo deslocador, um deslocador substitui o peso na extremidade da alavanca, sendo a deflexão torsional dessa haste um indicador da força de empuxo. À medida que o líquido sobe, a força de empuxo sobre o deslocador aumenta, fazendo com que ele pareça mais leve do ponto de vista da haste. O leve movimento da haste resultante dessa aparente mudança de peso, então, indica o nível do líquido.

Agora imagine perfurar um furo longo na haste, longitudinalmente, que quase alcance a extremidade onde a alavanca se fixa. Em outras palavras, imagine um buraco cego pelo centro da haste, começando na flange e terminando um pouco antes da alavanca:

A presença desse furo alongado não altera muito o comportamento do conjunto, exceto talvez pela alteração da constante elástica da haste. Com menos metal sólido, a haste será uma mola mais fraca e torcerá mais quando houver peso aplicado na extremidade da alavanca. Mais importante para o propósito desta discussão, porém, é que o furo alongado transforma a haste em uma... tubo com uma extremidade selada. Em vez de ser uma “barra de torção”, a haste agora é mais apropriadamente chamada de tubo de torque, girando ligeiramente com a aplicação de peso na extremidade da alavanca.

Para dar suporte vertical ao tubo de torque e evitar que ele ceda para baixo com o peso aplicado, é necessário um suporte. rolamento de lâmina Geralmente, o fulcro é posicionado sob a extremidade da alavanca, onde ela se conecta ao tubo de torque. O objetivo desse fulcro é fornecer suporte vertical para o peso, formando um ponto de articulação praticamente sem atrito, garantindo que a única tensão aplicada ao tubo de torque seja... torque da alavanca:

Por fim, imagine outra barra metálica maciça (com diâmetro ligeiramente menor que o do furo) soldada por pontos na extremidade oposta do furo cego, estendendo-se além da extremidade do flange:

O objetivo desta haste de diâmetro menor é transferir o movimento de torção da extremidade oposta do tubo de torque para um ponto além do flange, onde possa ser detectado. Imagine o flange fixado a uma parede vertical, enquanto um peso variável puxa a extremidade da alavanca para baixo. O tubo de torque se flexionará em um movimento de torção com a força variável, mas agora podemos ver exatamente o quanto ele torce observando a rotação da haste menor no lado mais próximo da parede. O peso e a alavanca podem estar completamente ocultos da nossa visão por esta parede, mas o movimento de torção da haste menor revela, mesmo assim, o quanto o tubo de torque cede à força do peso.

Podemos aplicar esse mecanismo de tubo de torque à tarefa de medir o nível de líquido em um recipiente pressurizado, substituindo o peso por um deslocador, fixando o flange a um bocal soldado ao recipiente e alinhando um sensor de movimento com a extremidade da haste menor para medir sua rotação. À medida que o nível do líquido sobe e desce, o peso aparente do deslocador varia, fazendo com que o tubo de torque gire ligeiramente. Esse leve movimento de torção é então detectado na extremidade da haste menor, em um ambiente isolado da pressão do fluido do processo.

Uma fotografia tirada de um tubo de torque real de um transmissor de nível Fisher “Level-Trol” mostra sua aparência externa:

O metal escuro é o aço elástico usado para suspender o peso, atuando como uma mola de torção, enquanto a parte brilhante é a haste interna usada para transferir o movimento. Como você pode ver, o próprio tubo de torque não tem um diâmetro muito grande. Se tivesse, seria uma mola muito rígida para ser útil em um instrumento de nível do tipo deslocador, já que o deslocador normalmente não é muito pesado e a alavanca não é longa.

Ao observar mais atentamente cada extremidade do tubo de torque, é possível ver a extremidade aberta onde a haste de pequeno diâmetro se projeta (à esquerda) e a extremidade "cega" do tubo onde ele se conecta à alavanca (à direita):

Se cortássemos o conjunto do tubo de torque ao meio, longitudinalmente, sua seção transversal teria um aspecto semelhante a este:

A próxima ilustração mostra o tubo de torque como parte de um transmissor de nível do tipo deslocamento:

Como você pode ver nesta ilustração, o tubo de torque serve três propósitos distintos quando aplicado a uma aplicação de medição de nível do tipo deslocador: (1) servir como uma mola de torção suspendendo o peso do deslocador, (2) isolar a pressão do fluido do processo do mecanismo de detecção de posição e (3) transferir o movimento da extremidade oposta do tubo de torque para o mecanismo de detecção.

Em transmissores de nível pneumáticos, o mecanismo de detecção usado para converter o movimento de torção do tubo de torque em um sinal pneumático (pressão do ar) é tipicamente do tipo equilíbrio de movimento O mecanismo Fisher Level-Trol, por exemplo, utiliza um tubo Bourdon em forma de C com um bocal na extremidade para seguir um defletor fixado à haste menor. O centro do tubo Bourdon está alinhado com o centro do tubo de torque. À medida que a haste gira, o defletor avança em direção ao bocal na ponta do tubo Bourdon, causando um aumento na contrapressão, o que, por sua vez, faz com que o tubo Bourdon flexione. Essa flexão afasta o bocal do defletor que avança até que se atinja um equilíbrio. O movimento da haste é, portanto, equilibrado pelo movimento do tubo Bourdon, tornando este um sistema pneumático de equilíbrio de movimento.

Medição do nível da interface de deslocamento

Os instrumentos de medição de nível por deslocador podem ser usados ​​para medir interfaces líquido-líquido da mesma forma que os instrumentos de pressão hidrostática. Um requisito importante é que o deslocador esteja sempre totalmente submerso ("inundado"). Se essa regra for violada, o instrumento não conseguirá discriminar entre um nível baixo (total) de líquido e um nível baixo na interface. Esse critério é análogo ao uso de instrumentos de pressão diferencial com perna compensada para medir níveis de interface líquido-líquido: para que o instrumento responda exclusivamente às mudanças no nível da interface e não seja "enganado" por mudanças no nível total do líquido, ambos os pontos de conexão do processo devem estar submersos.

Se o instrumento de deslocamento tiver sua própria “gaiola”, é importante que ambos os tubos que conectam a gaiola ao vaso de processo (às vezes chamados de “bocais”) estejam submersos. Isso garante que a interface do líquido dentro da gaiola corresponda à interface dentro do vaso. Se o bocal superior secar, o mesmo problema que ocorre com um indicador de nível tipo “visor” pode acontecer com um instrumento de deslocamento com gaiola (veja a seção [problema_de_interface] (A partir da página seguinte, encontra-se uma explicação detalhada deste problema.)

Calcular a força de empuxo em um elemento deslocador devido à combinação de dois líquidos não é tão difícil quanto pode parecer. O Princípio de Arquimedes ainda se aplica: a força de empuxo é igual ao peso do(s) fluido(s) deslocado(s). Tudo o que precisamos fazer é calcular os pesos e volumes combinados dos líquidos deslocados para calcular a força de empuxo. Para um único líquido, a força de empuxo é igual à densidade de peso desse líquido ($c$) multiplicado pelo volume deslocado ($\mathrm{Em}$):

$$F_{b\mathrm{em}oe\mathrm{um}nt}=c\mathrm{Em}$$

Para uma interface entre dois líquidos, a força de empuxo é igual à soma dos pesos dos dois líquidos deslocados, sendo cada termo de peso líquido igual à densidade do líquido multiplicada pelo volume deslocado do mesmo:

$$F_{b\mathrm{em}oe\mathrm{um}nt}=c_1{\mathrm{Em}}_1+c_2{\mathrm{Em}}_2$$

Considerando um deslocador com área de seção transversal constante ao longo de todo o seu comprimento, o volume para cada deslocamento de líquido é simplesmente igual à mesma área ($p{r}^2$) multiplicado pelo comprimento do deslocador submerso nesse líquido:

$$F_{b\mathrm{em}oe\mathrm{um}nt}=c_{1}p{r}^2{l}_1+c_{2}p{r}^2{l}_2$$

Como a área ($p{r}^2$) é comum a ambos os termos de flutuabilidade nesta equação, podemos fatorá-lo por uma questão de simplicidade:

$$F_{b\mathrm{em}oe\mathrm{um}nt}=p{r}^2(c_1{l}_1+c_2{l}_2)$$

Determinar os pontos de calibração de um instrumento de medição de nível por deslocador para aplicações em interfaces é relativamente fácil se as condições de LRV (valor de referência inferior) e URV (valor de referência superior) forem examinadas como um par de "experimentos mentais", assim como fizemos com a medição de nível hidrostático em interfaces. Primeiro, imaginamos como seria a condição do deslocador com a interface no valor de referência inferior e, em seguida, imaginamos um cenário diferente com a interface no valor de referência superior. Recomenda-se fazer ilustrações de cada cenário para maior clareza.

Suponha que temos um instrumento de deslocamento medindo o nível da interface entre dois líquidos com densidades relativas de 0,850 e 1,10, com um comprimento de 30 polegadas e um diâmetro de 2,75 polegadas (raio = 1,375 polegadas). Suponhamos ainda que o LRV (Limite de Volume de Referência) neste caso seja onde a interface está na parte inferior do deslocador e o URV (Limite de Volume de Referência Superior) seja onde a interface está na parte superior do deslocador. O posicionamento dos níveis de interface LRV e URV nas extremidades do comprimento do deslocador simplifica nossos cálculos de LRV e URV, já que o "experimento mental" do LRV será simplesmente o deslocador completamente submerso no líquido menos denso e o "experimento mental" do URV será simplesmente o deslocador completamente submerso no líquido mais denso.

Cálculo da força de empuxo do LRV:

$$F_{b\mathrm{em}oe\mathrm{um}nt}\text{ (América latina)}=c_2\mathrm{Em}=c_{2}p{r}^{2}l$$

Cálculo da força de empuxo do URV:

$$F_{b\mathrm{em}oe\mathrm{um}nt}\text{ (URV)}=c_1\mathrm{Em}=c_{1}p{r}^{2}l$$

Apresentando os cálculos reais para este exemplo hipotético:

$$c_1=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{Libra}}{{\text{pés}}^3}\right)(1.10)=\mathrm{68,6}\frac{\text{Libra}}{{\text{pés}}^3}=\mathrm{0,0397}\frac{\text{Libra}}{{\text{em}}^3}$$

$$c_2=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{Libra}}{{\text{pés}}^3}\right)(\mathrm{0,85})=\mathrm{53,0}\frac{\text{Libra}}{{\text{pés}}^3}=\mathrm{0,0307}\frac{\text{Libra}}{{\text{em}}^3}$$

$$F_{b\mathrm{em}oe\mathrm{um}nt}\text{ (América latina)}=\left(\mathrm{0,0307}\frac{\text{Libra}}{{\text{em}}^3}\right)p(\mathrm{1,375}\text{ em}{)}^2(30\text{ em})=\mathrm{5,47}\text{ Libra}$$

$$F_{b\mathrm{em}oe\mathrm{um}nt}\text{ (URV)}=\left(\mathrm{0,0397}\frac{\text{Libra}}{{\text{em}}^3}\right)p(\mathrm{1,375}\text{ em}{)}^2(30\text{ em})=7.08\text{ Libra}$$

A flutuabilidade para qualquer percentagem de medição entre o LRV (0%) e o URV (100%) pode ser calculada por interpolação: