Hamilton Maranhão en Oficina da Net, Engenheiros e Técnicos, Engenharia e Indústria Engenheiro II • KEMPETRO A&G ENGENHARIA 27/1/2017 · 10 min de lectura · 1,1K

Porque usar chave de nível tipo vibratória

O controle e a monitoração da variável de processo nível é um dos mais importantes na indústria em geral. Esta variável está junto com pressão, temperatura e vazão como uma das mais importantes. A medição de nível trata de saber em última análise qual o comprimento de uma linha imaginária perpendicular à superfície de um produto no interior de um equipamento em relação a um ponto de referência na sua base. A medição de nível pode ser contínua com o uso de transmissores com sinal de saída variável; ou pontual com chaves de nível e uma saída discreta para o sistema de monitoração e controle.

A confiança em uma tecnologia de medição vem do conhecimento de como ela funciona e do histórico dos resultados operacionais em campo em função da sua utilização. Uma vez que a instrumentação industrial não é um ramo de conhecimento amplamente difundido dentro das universidades; certamente menos do que deveria; fica então entre o fornecedor (representado pelo engenheiro de vendas) e o engenheiro de instrumentação responsável pelo projeto; o papel fundamental compartilhado de apresentar de forma clara, a tecnologia e seu principio de funcionamento, dando argumentos ao usuário final de que a solução ofertada vai funcionar e atender suas necessidades.

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.

Para tantas tecnologias de medição consolidadas e disponíveis no mercado; há também diversas questões determinantes na escolha de cada uma delas para determinada aplicação:

  • Qual o retorno sobre o investimento que esse novo ativo irá trazer?
  • Será fácil integrá-lo ao meu sistema de gerenciamento de ativos?
  • Será fácil integrá-lo ao meu sistema de controle?
  • Quais informações o instrumento poderá disponibilizar?

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:

  • Esse instrumento irá funcionar?
  • Por quanto tempo esse instrumento irá funcionar até que eu tenha que parar parte ou toda minha produção para manutenção?
  • Temos equipe de manutenção preparada para reparar o instrumento ou precisaremos de um contrato de manutenção ou talvez um treinamento específico?

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:

  • Como funciona uma chave de nível tipo vibratória?
  • Quais são as aplicações da chave de nível tipo vibratória?
  • Quais dados do processo a ser medido e requisitos do instrumento que devem ser conhecidos para que a solução seja especificada com sucesso?
  • Quais são as vantagens e os recursos da chave de nível tipo vibratória?
  • 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.

Princípio de funcionamento da chave de nível tipo vibratória

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 haste) vibra no vazio, então o garfo mantém sua frequência de vibração inalterada e a 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.

Essa tecnologia é relativamente recente, mas se consolidou no mercado e hoje é padrão em grandes petrolíferas. Entretanto, o diapasão foi inventado em 1711, pelo trompetista britânico John Shore e foi projetado com esse formato peculiar, pois só assim consegue emitir um tom puro praticamente livre de harmônicas e facilita seu uso para calibrar instrumentos musicais ou relógios.

Porque usar chave de nível tipo vibratória Figura 1: Jonh Shore e o diapasão






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.

Seleção do Elemento Vibratório

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.

Para líquidos é utilizado o garfo curto a uma frequência de ressonância de 1000Hz a 1300Hz;

Para sólidos e granulados é utilizado a haste a uma frequência de 120Hz. 

Para pós é utilizado garfo longo a uma frequência de 120Hz.

Essas faixas de frequências também são utilizadas para que as chaves não entrem em ressonância com as vibrações da planta gerando falsas detecções.


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).





Observação às condições de processo

As condições de processo que precisam ser informadas para o fabricante da chave de nível vibratória de forma que ele forneça uma solução eficiente são:

Densidade – Esse é a principal informação, pois se o produto tiver uma densidade muito baixa, o elemento sensor não sofrerá alteração da sua frequência de vibração e assim não poderá detectar o nível do produto. É importante relembrar que o conceito de densidade é relacionado ao objeto e não a substância. Cascalho, grão e pó de uma mesma substância armazenada possuem uma mesma massa específica, mas densidades 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.

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 muito viscosos são xarope de chocolate, o ketchup, a manteiga de amendoim, lama de papel e o betume. O sensor irá detectar sem dificuldades, mas o tempo de drenagem será muito grande.

Tamanho do granulado - No caso de sólidos é importante informar o tamanho do maior granulado em mm (se for este o caso) para que o fornecedor confirme a escolha do tipo de elemento vibratório como a mais adequada para a aplicação. Em alguns casos podem ocorrer sólidos em suspensão na detecção de nível em meio líquido; se for o caso, atentar que para sólidos com dimensão de 5mm pois há probabilidade de que os mesmos fiquem presos entre os dentes do garfo mantendo a chave ativada mesmo quando o nível já estiver fora do alcance da mesma.

Temperatura x Pressão máxima e de operação – Esses limites dependem do fabricante e normalmente quando se trata de parque de tancagem (armazenamento de combustível) não são informações imprescindíveis, pois a temperatura e a pressão nos tanques são relativamente baixas e não interferem no desempenho do instrumento. Entretanto, quando o nível ocorre em vasos pressurizados de processo é importante fornecer esses dados, pois as condições geralmente são mais agressivas.

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).

Outro cuidado se refere ao choque térmico máximo permitido de 120°C/s e a variação máxima de pressão de 20Bar/s.

Um cuidado para altas temperaturas é que a tubulação ou tanque pode irradiar calor e o 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.

Seleção do Sinal de Saída

O engenheiro de instrumentação precisa informar para o fornecedor qual o tipo de sinal que será levado até o controlador programável e se é necessário alimentação separada. A chave de nível tipo vibratória possui uma série de sinais de saída disponíveis*

  • 21-250Vac, 2fios, tiristor com chaveamento direto da carga em série
  • 10-55Vdc, 3 fios, PNP
  • AC/DC, Saída a Relé
  • 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.

Além do próprio sinal de detecção, alguns fabricantes conseguem disponibilizar inclusive diagnósticos remotamente* via software de gerenciamento. Mas na maior parte das soluções ainda é necessário ir ao campo para verificar se a chave de nível está de fato 100% operacional.

*Disponibilidade que deverá ser verificada com os fabricantes que estão participando do processo de fornecimento.

Seleção dos Materiais

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.

O material do invólucro vai ser definido em função das intempéries ao qual o instrumento está exposto. Para aplicações offshore que estão sujeitas a atmosfera salina; o recomendado é aço inox. Para instalações onshore; o invólucro em alumínio com pintura em epóxi normalmente é suficiente para proteger o invólucro contra corrosão.

Vantagens

Pouquíssima necessidade de manutenção já que não há partes móveis. Isso permite uma redução do downtime na produção.

Não gera falsos alarmes em função de leves acúmulos, fortes vazões, ondas, 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.

É um instrumento que não é necessário calibrar.

Recursos

Com o objetivo de evitar um falso alarme em função de turbulência, agitação do fluído ou qualquer tipo de oscilação pequena de nível, mas que não representa uma mudança de nível no processo em si; as chaves de nível tipo vibratória vem com um recurso de ajuste de atraso do tempo de resposta, garantindo que o sinal de nível alto ou baixo só será enviado quando houver variação de fato do nível e não apenas quando as palhetas do garfo ou a haste se molharem devido à agitação do fluído. Esse tempo de resposta tem que ser definido pelo usuário que conhece melhor o processo. A faixa de tempo que pode ser ajustada depende de cada fabricante, mas geralmente varia de 1s até 30s.

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.

Uma opção quando se refere ao aumento da confiabilidade é exigir que a eletrônica de monitoração da vibração, seja dupla. Este recurso existe para poucos fabricantes.

Ainda na questão da segurança, as chaves de nível tipo vibratória já podem ser fornecidas com certificação SIL de acordo com as normas IEC 61508/IEC 61511-1 para uso em malhas instrumentadas de segurança.

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.


Figura 3: Espaçador de temperatura







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

Não adianta especificar e adquirir o instrumento e instalar o mesmo de forma que o mesmo não opere adequadamente ou mesmo se danifique levando a necessidade de adquirir outro de forma emergencial. Vamos a seguir observar algumas recomendações quanto à instalação da chave de nível vibratória.


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.






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.






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.





Figura 7; Para detecção de sólidos é recomendado que o garfo tipo vibratório fique 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. É muito importante se certificar que operacionalmente o elemento vibratório não corra riscos de danos mesmo que pareçam pequenos. A integridade física do elemento é fundamental para o funcionamento correto da chave de nível.



Nem sempre chave tipo vibratória

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.

Para fluídos muito viscosos há possibilidade de agarramento do produto nas palhetas (ponte) o que leva a uma falsa detecção. Para fluídos com baixa densidade há a possibilidade de não causar mudança na frequência de vibração o que levaria a chave de nível a não detectar o produto. Caso o produto, tenha propriedades dentro do recomendado para o uso de chave tipo vibratória, mas muito perto dos limites recomendados; será necessário uma avaliação criteriosa por parte do usuário final que conhece o produto mais do quem ninguém e sabe como ele pode afetar os instrumentos da sua planta. Afinal, não adianta adquirir um instrumento com diversos recursos e que não irá funcionar de maneira irremediável devido à natureza do seu funcionamento e as características do produto a ser detectado. Ambos não passíveis de mudanças.

Considerações finais

A chave de nível vibratória é um instrumento de detecção de nível relativamente recente, mas traz consigo diversos recursos do mundo já consolidado dos transmissores contínuos o que faz dela uma opção versátil sempre a considerar quando se requer detecção de nível pontual. É uma solução robusta e de pouquíssima manutenção o que possibilita uma maior disponibilidade dos tanques ou vasos para os processos ao qual foram projetados. A variedade dos sinais de saída torna a chave de nível vibratória uma solução fácil para se integrar ao CLP da fábrica, mas o recurso de diagnóstico remoto limitado a alguns modelos de alguns fabricantes, mantém a necessidade de que um operador vá a campo para se certificar da disponibilidade do instrumento para operação.

A gama de possibilidades, em caso de não ser necessário o uso de transmissores, justifica até a padronização da tecnologia para uso em detecção de nível pontual como é no caso da Petrobras e sua recomendação pela tecnologia de acordo com o item 9.5.10.2 da N-1882D.

Alguns modelos possuem mais ou menos recursos, mais ou menos limitações em relação às condições de processo, mais ou menos possibilidades de materiais a serem ofertados e tipos de sinais de saída. Os fabricantes estão atualizando frequentemente suas soluções e seus catálogos logo é uma boa prática solicitar em casos específicos aos fabricantes, a confirmação de que há disponibilidade do que pretende ser especificado na folha de dados e em toda documentação pertinente à compra do instrumento.


Hamilton Maranhão – Engenheiro de Instrumentação Industrial – Salvador, Janeiro de 2017


Bibliografia:

  • Emerson Process Management - The Engineer´s Guide to Level Measurement - 2012
  • 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
  • N-1882 revisão D - Critérios para Elaboração de Projetos de Instrumentação
  • Rosemount 2100 Series - Vibrating Fork Liquid Level Switches - 00803-0100-6134 Rev BE 0913
  • Vega – Vegavib - Level detection in bulk solids – 29438
  • https://en.wikipedia.org/wiki/Tuning_fork visitado em 06/01/2017