Aplicações de Controle de Nível

Uma variedade de sistemas e métodos de controle de nível são usados na indústria. Os sistemas podem ser baseados no uso de flutuadores, sondas ou até tecnologia mais sofisticada. Este tutorial estuda o uso de sondas para fornecer controle liga/desliga ajustável e não ajustável, e controle modulante de líquidos. Aplicações simples de controle de fluxo também são consideradas.

O controle de níveis de líquido, por exemplo em um tanque de processo, é uma função importante. Um exemplo seria um tanque de água quente onde a água é removida, talvez para lavagem, e o nível precisa ser restaurado para o próximo ciclo de lavagem. O controle do nível de água e alarmes para caldeiras de vapor é especificamente excluído deste Módulo, e o leitor é referido ao Bloco 3 (A Casa de Caldeiras), que trata do assunto em profundidade. Muitos tipos diferentes de sistemas de controle de nível são usados na indústria, cobrindo uma ampla gama de processos. Alguns processos estarão preocupados com mídias além de líquidos, como pó secos e matérias-primas químicas. A gama de mídias é tão ampla que nenhum instrumento único é adequado para todas as aplicações. Muitos sistemas estão disponíveis para atender essa ampla gama de aplicações. A lista a seguir não é exaustiva, mas, na maioria dos casos, o sinal de controle final será usado para operar bombas ou válvulas apropriadas à aplicação:Tipos operados por flutuador – um flutuador sobe e desce de acordo com a mudança no nível do líquido e opera chaves em pontos predeterminados na faixa.Tipos de sonda sólida – estes medem condutância ou capacitância e são discutidos em mais detalhes nas páginas seguintes.Tipos de capacitância com cabo de aço – um cabo de aço flexível é suspenso no líquido, e a mudança na capacitância é medida em relação à mudança no nível da água.Tipos ultrassônicos – um pulso acústico de alta frequência é direcionado de um transdutor para a superfície da mídia sendo medida e, conhecendo a temperatura e a velocidade do som no ar, o tempo que o pulso leva para refletir de volta ao sensor é usado para determinar o nível.Tipos de radar por micro-ondas – semelhante em princípio ao tipo ultrassônico, mas usando energia eletromagnética de alta frequência em vez de energia acústica.Tipos hidrostáticos – um transmissor de pressão é usado para medir a diferença de pressão entre a pressão hidrostática confinada da coluna de líquido acima do sensor e a pressão atmosférica externa. Mudanças na pressão são convertidas em um sinal de saída 4-20 mA relativo à diferença de coluna.Tipos de pressão diferencial – semelhante ao hidrostático, mas usados onde a aplicação sendo medida está sujeita a pressão dinâmica além da pressão estática. São capazes de medir pequenas mudanças na pressão em relação à faixa do sinal de saída. Aplicações típicas podem ser medir o nível de água em um tambor de vapor de caldeira, ou o nível de condensado em um bolso de condensado de reboiler.Tipos magnéticos – um flutuador ou cone é capaz de subir e descer ao longo de uma sonda de aço inoxidável retida no fluido do tanque sendo medido. O flutuador pode interagir magneticamente com chaves na parte externa do tanque que enviam informações de volta ao controlador.Tipos de torção – um eixo flutuador móvel produz uma mudança na torção, medida por um transdutor de torção.É importante que o sistema de controle de nível seja correto para a aplicação, e que o conselho especializado seja buscado do fabricante antes da seleção.Não está no escopo deste Módulo discutir os prós e contras e potenciais aplicações de todos os tipos de controle acima, pois os tipos de sistemas de controle de nível geralmente empregados no circuito de vapor e condensado e suas aplicações associadas são tipos de flutuador e sonda sólida. A operação dos tipos de flutuador é bastante autoexplicativa, mas as sondas de condutância e capacitância podem requerer alguma explicação. Por causa disso, esta seção se concentrará principalmente em controles de nível do tipo sonda de condutância e capacitância.

Métodos para alcançar controle de nível

Existem três métodos principais para alcançar o controle de nível:

• Controle de nível liga/desliga não ajustável.
• Controle de nível liga/desliga ajustável.
• Controle de nível modulante. Controle de nível liga/desliga não ajustável (Figura 8.3.1) O elemento de controle final pode ser uma bomba que é ligada/desligada ou uma válvula que é aberta/fechada. Dois tipos principais de sistemas de controle de nível liga/desliga são geralmente encontrados; tipos operados por flutuador e tipos usando sondas de condutância. Controles de nível do tipo flutuador dependem ou do movimento direto de uma válvula de controle, ou de chaves elétricas sendo operadas por um flutuador se movendo na superfície do líquido. Sondas de condutância (veja Figura 8.3.1) podem ter várias pontas de sonda; os pontos de controle sendo localizados onde as pontas separadas foram cortadas em diferentes comprimentos. Controle de nível liga/desliga ajustável (Figura 8.3.2) Novamente, o elemento de controle final pode ser uma bomba que é ligada/desligada ou uma válvula que é aberta/fechada. Um método usado para ajustar os pontos de controle é o de uma sonda de capacitância (veja Figura 8.3.2). A sonda monitorará o nível, com os pontos de controle ajustados pelo controlador. Sondas de capacitância não são cortadas no comprimento para alcançar o nível necessário e, naturalmente, todo o comprimento da sonda deve ser suficiente para a faixa completa de controle. Controle de nível modulante (Figura 8.3.2) O elemento de controle final pode ser uma válvula que é ajustada para um ponto entre totalmente aberta e totalmente fechada, como uma função do nível sendo monitorado. O controle de nível modulante não pode ser achieved usando uma sonda de condutância. Sondas de capacitância são ideais para este propósito (veja Figura 8.3.2). Em sistemas deste tipo, a bomba pode funcionar continuamente, e a válvula permitirá quantidades apropriadas de líquido a passar. Alternativamente, o elemento de controle final pode ser um acionamento de velocidade variável em uma bomba. A velocidade do acionamento pode ser ajustada sobre uma faixa selecionada. Alarmes – são frequentemente necessários para alertar sobre:
• Um alarme alto onde há perigo de o tanque transbordar e líquido quente ser derramado, com o perigo inerente ao pessoal.
• Um alarme baixo onde há perigo do nível de água do tanque ficar muito baixo, com potencial de danificar uma bomba retirando do tanque, ou ficar sem líquido para o processo. Instalação de flutuadores e sondas em condições turbulentas Em alguns tanques e vasos, condições turbulentas podem existir, o que pode resultar em sinais erráticos e não representativos. Se tais condições forem prováveis de (ou já) existir, recomenda-se que flutuadores ou sondas sejam instalados dentro de tubos de proteção. Estes têm um efeito de amortecimento no nível da água sendo sensurado. O restante deste Módulo diz respeito a sondas em vez de flutuadores para aplicações de controle de nível.

Controle de nível liga/desliga não ajustável

Descrição

O controle de nível liga/desliga não ajustável usa uma sonda de condutância conectada a um controlador eletrônico. A sonda tipicamente tem três ou quatro pontas, cada uma das quais é cortada no comprimento durante a instalação para alcançar o nível de chaveamento ou alarme necessário (veja Figura 8.3.3).

• Quando a ponta da sonda é imersa no líquido, ela usa a condutância relativamente alta da água para completar um circuito elétrico através da metalurgia do tanque e do controlador.
• Quando o nível da água cai abaixo da ponta, a resistência do circuito aumenta consideravelmente, indicando ao controlador que a ponta não está imersa no líquido.
• No caso de um sistema simples de ‘bombeamento para dentro’ com controle de nível liga/desliga:
• A válvula é aberta quando o nível de água do tanque cai abaixo da extremidade de uma ponta.
• A válvula é fechada quando o nível de água sobe para tocar outra ponta.
• Outras pontas podem ser usadas para ativar alarmes baixos ou altos. Vantagem: Um método simples, mas preciso e relativamente barato de controle de nível. Aplicações: O sistema pode ser usado para líquidos com condutâncias de 1 μS/cm ou mais, e é adequado para tanques de condensado, tanques de água de alimentação e cubas ou vasos de processo. Onde a condutância cai abaixo deste nível, recomenda-se que controles de nível baseados em capacitância sejam usados. Ponto a observar: Se o tanque for construído de um material não condutivo, o circuito elétrico pode ser achieved através de outra ponta de sonda.

Controle de nível liga/desliga ajustável

Descrição Um sistema de controle de nível liga/desliga ajustável consiste em um controlador e uma sonda de capacitância (veja Figura 8.3.4), e fornece:

• Controle de válvula aberta/fechada mais um ponto de alarme.
• Alternativamente dois alarmes - alto e baixo. Os níveis nos quais a válvula opera podem ser ajustados através das funções do controlador. Vantagem: O controle de nível liga/desliga ajustável permite que os ajustes de nível sejam alterados sem desligar o processo. Desvantagem: Mais caro que o controle liga/desliga não ajustável. Aplicações: Pode ser usado para a maioria dos líquidos, incluindo aqueles com baixas condutâncias. Ponto a observar: Pode ser usado em situações onde a superfície do líquido é turbulenta, e a eletrônica incorporada pode ser ajustada para prevenir ciclagem liga/desliga rápida da bomba (ou válvula).

Controle de nível modulante

Descrição Um sistema de controle de nível modulante consiste em uma sonda de capacitância e um controlador apropriado, que fornece um sinal de saída modulante, tipicamente 4-20 mA. Consulte a Figura 8.3.5. Este sinal de saída pode ser usado para afetar uma variedade de dispositivos incluindo:

• Modular uma válvula de controle.
• Operar um acionamento de bomba de velocidade variável. Vantagem:

1. Como a sonda e o controlador apenas fornecem um sinal ao qual outros dispositivos respondem, ao invés de fornecer a energia para operar um dispositivo, não há limite no tamanho da aplicação.
2. Controle estável do nível dentro do tanque. Desvantagem:
3. Mais caro que um sistema de sonda de condutância.
4. Mais complexo que um sistema de sonda de condutância.
5. O sistema de suprimento deve estar permanentemente carregado.
6. Menos adequado para operação em ‘espera’.
7. Possivelmente maior consumo de eletricidade. Ponto a observar: Para proteger a bomba de suprimento contra superaquecimento quando bombeando contra uma válvula modulante fechada, uma linha de recirculação ou retorno é fornecida para garantir uma vazão mínima através da bomba (nenhuma mostrada na Figura 8.3.5).

Aplicações de controle de fluxo de vapor

O controle do fluxo de vapor é menos comum que o controle de pressão e temperatura, mas é usado em aplicações onde o controle de pressão ou temperatura não é possível ou não é apropriado para alcançar os objetivos do processo. As seções seguintes fornecem mais informações sobre medição e controle do fluxo de vapor.

Sistema de controle de fluxo

Aplicações típicas:

1. Sistemas de feed-forward em plantas de caldeiras, onde a taxa de fluxo de vapor da caldeira influenciará outros pontos de controle, por exemplo: taxa de reposição de água de alimentação, e taxa de combustão do queimador.
2. Processos de reidratação, onde uma quantidade medida de vapor (água) é injetada em um produto, que foi seco para transporte ou armazenamento. Exemplos disso podem ser encontrados nas indústrias de tabaco, café e rações animais.
3. Processos em batelada, onde se sabe pela experiência que uma quantidade medida de vapor produzirá o resultado desejado no produto. A seleção e aplicação de componentes usados para controlar a vazão requerem cuidadosa consideração. O medidor de fluxo (transdutor de tubulação) O medidor de fluxo é um transdutor de tubulação, que converte fluxo em um sinal mensurável. O transdutor de tubulação mais comumente usado provavelmente relaciona fluxo a pressão diferencial. Este sinal de pressão é recebido por outro transdutor (tipicamente um transmissor DP (pressão diferencial) padrão) convertendo pressão diferencial em um sinal elétrico. Alguns transdutores de tubulação são capazes de converter a vazão diretamente em um sinal elétrico sem a necessidade de um transmissor DP. A Figura 8.3.6 mostra um medidor de fluxo de área variável e um transmissor DP padrão relacionando a pressão diferencial medida através do medidor de fluxo em um sinal elétrico de 4 - 20 mA. O transmissor DP padrão é calibrado para operar em uma certa pressão a montante; se esta pressão mudar, o sinal de saída não representará o fluxo com precisão. Uma maneira de superar este problema é fornecer um sinal de pressão (ou temperatura) se a mídia for vapor saturado, ou um sinal de pressão e temperatura se o fluido for vapor superaquecido, conforme explicado na próxima Seção. Outra maneira é usar um transmissor DP de fluxo mássico, que compensa automaticamente as mudanças de pressão.

A possível necessidade de um computador

Se o vapor é o fluido na tubulação, então outros sensores de temperatura e/ou pressão podem ser necessários para fornecer sinais para compensar variações na pressão de suprimento, conforme mostrado na Figura 8.3.7.

Múltiplas entradas significarão que um computador de fluxo adicional (ou PLC) contendo um conjunto de tabelas de vapor eletrônicas deve processar os sinais de cada um desses sensores de fluxo, pressão e temperatura para permitir a medição precisa de vapor saturado ou superaquecido. Se um computador de fluxo não estiver prontamente disponível para compensar mudanças na pressão a montante, pode ser possível fornecer uma pressão constante; talvez usando uma válvula de controle a montante, para fornecer controle de pressão estável e preciso (não mostrado na Figura 8.3.7). O objetivo desta válvula de controle de pressão é fornecer uma pressão estável (em vez de reduzida), mas ela introduzirá inerentemente uma queda de pressão na tubulação de suprimento. Um separador colocado antes de qualquer estação de medição de fluxo de vapor para proteger o medidor de fluxo de vapor úmido também protegerá a válvula de controle de pressão contra erosão. Usando um transmissor DP de fluxo mássico Usando um transmissor DP de fluxo mássico em vez de um transmissor DP padrão, a necessidade de um computador para fornecer medição precisa não é necessária, conforme mostrado na Figura 8.3.8. Isso ocorre porque o transmissor de fluxo mássico carrega seu próprio conjunto de tabelas de vapor e pode compensar quaisquer mudanças na pressão de suprimento de vapor saturado. No entanto, um computador ainda pode ser usado, se outras informações importantes de medição de fluxo forem necessárias, como, os tempos de carga máxima ou mínima, ou se houver necessidade de integrar o fluxo sobre um determinado período de tempo. Um controlador ainda é necessário se a vazão deve ser controlada, qualquer que seja o sistema utilizado.

O controlador Mesmo que o sinal de saída do transmissor DP ou computador seja de um tipo que o atuador da válvula de controle possa aceitar, um controlador ainda será necessário (como para qualquer outro tipo de sistema de controle) pelas seguintes razões:

1. O sinal de saída de certos medidores de fluxo/computadores tem um longo intervalo de repetição de tempo (aproximadamente 3 segundos), que dará informação suficiente para um registrador gráfico operar com sucesso, mas pode não oferecer resposta suficiente para uma válvula de controle. Isso significa que se o controlador ou PLC ao qual o sinal do transmissor está sendo fornecido opera em velocidades mais altas, então o processo pode se tornar instável.
2. Funções PID não estão disponíveis sem um controlador.
3. Selecionar um ponto de ajuste não seria possível sem um controlador.
4. O sinal precisa ser calibrado para o curso da válvula - os efeitos de usar uma válvula muito superdimensionada ou subdimensionada sem calibração podem facilmente causar problemas.

Resumo

É geralmente melhor instalar o dispositivo de medição de fluxo a montante da válvula de controle de fluxo. A pressão mais alta minimizará seu tamanho e permitirá que seja mais econômico. É também provável que o medidor de fluxo esteja sujeito a uma pressão de vapor (e densidade) mais constante e será menos afetado pela turbulência da válvula de controle de fluxo a jusante.Em alguns casos, a aplicação pode necessitar de controle em uma vazão constante. Isso significa que características, como altas taxas de turndown, não são importantes, e medidores de fluxo de placa de orifício são apropriados.Se a vazão deve ser variada em grandes quantidades, no entanto, o ‘turndown’ se torna uma questão que deve ser considerada.O assunto de Medição de Fluxo é discutido em maior profundidade no Bloco 4.