Tecnologia Híbrida para Medição de Interface
UREËWLFD
Endress+Hauser Portugal, Lda. Tel.: +351 214 253 070 Fax: +351 214 253 079 info@pt.endress.com www.pt.endress.com
'266,(5 6,67(0$6 '( &21752/2 1$ ,1'ý675,$
interface. Um segundo pico de reflexão é gerado na camada entre óleo e água (interface), onde, da mesma forma, é detetada a distância através do tempo de propagação.
so. Neste artigo, serão tratados dois dos métodos mais frequentemente aplicados para medição de interface e algumas novidades tecnológicas que fazem estes métodos ainda mais eficientes nas mais variadas aplicações.
A qualidade do pico de reflexão é proporcional ao valor da constante dielétrica (DC ou DK em algumas literaturas) do produto. A constante dielétrica é basicamente a capacidade de um produto de armazenar cargas. Quanto maior o valor da constante dielétrica, maior a capacidade do produto refletir a onda eletromagnética, portanto, em produtos com DC muito baixos, as ondas são refletidas com uma qualidade menor, ou até mesmo – em casos extremos – não são refletidas. O menor valor de DC encontrado é o do vácuo (e =1). Alguns radares de onda guiada existentes no mercado já conseguem trabalhar com fiabilidade em produtos com DC a partir de 1,4.
MEDIÇÃO DE INTERFACE POR RADAR DE ONDA GUIADA Um dos métodos para medição de interface é a tecnologia TDR (Time Domain Reflectometer), aplicada em medidores de nível tipo Radar de Onda Guiada, que possibilita a medição tanto do nível total (água+óleo) quanto da interface, simultaneamente. Neste princípio, uma onda eletromagnética é propagada através de uma haste metálica que guia a mesma. Ao encontrar o produto a ser medido, parte desta onda é refletida e retorna ao módulo do instrumento. A distância entre o topo do tanque - onde está instalado o instrumento – e a primeira face de produto é conhecida através do tempo que esta onda levou para percorrer a haste. A partir de então, já é conhecida a primeira variável – o nível total – de óleo, se tomarmos este como exemplo. Parte da onda reflete-se na camada de óleo possibilitando a identificação do nível total. Uma outra parte da onda contínua propaga-se pelo óleo até chegar à
A velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas é conhecida e a sua variação está diretamente ligada ao tipo de meio onde a mesma está a ser propagada. Geralmente, em ar, vácuo e gases não polares, mesmo que pressurizados, esta velocidade é praticamente inalterada. Já em meios líquidos, a propagação através destes, ou até mesmo a reflexão total, depende da constante dielétrica deste meio. Sabemos que a constante dielétrica da água é alta (e ~ 80), neste caso, a energia emitida pelo TDR não a atravessa, sendo toda refletida. Em meios com DC baixa, como o caso do óleo (e ~ 2), parte das ondas continuam a ser propagadas através do meio, porém, como há uma caraterística diferente em relação à constante dielétrica em relação ao ar ou fase gasosa, a velocidade de propagação já não é a mesma. Há um atraso na propagação, gerando a interpretação da distância maior que o real. Como o instrumento simplesmente conta o tempo que a onde levou para ir e voltar, se esta onda começa a propagar-se com veloci-
Figura 1. Separador água-óleo.
INTRODUÇÃO É comum encontrarmos nos mais variados processos industriais, principalmente na extração de petróleo e na indústria química/petroquímica, o comportamento imiscível entre dois produtos líquidos de densidades diferentes, mais conhecido como interface. A diferença de densidade faz o produto mais leve (densidade menor) subir, enquanto o produto mais pesado (densidade maior) permanece na parte inferior do tanque ou recipiente. Um exemplo típico e mais fácil de ser encontrado é a interface entre água e óleo. Neste caso, o óleo, normalmente com densidade menor que a da água, é depositado na parte superior do recipiente. A medição contínua da interface é quase sempre exigida em processos em que existe um controlo de quanto de cada produto há no tanque ou até mesmo para uma simples monitorização remota. Um controlo automático é aplicado, por exemplo, em separadores de água e óleo, onde a água da parte inferior deve ser expelida e o óleo transferido para outra parte do processo. Para medições desta natureza existem algumas técnicas que são aplicadas utilizando tecnologias distintas, cada uma selecionada levando em conta as suas vantagens e desvantagens, de acordo com a necessidade do proces-
'266,(5 6LVWHPDV GH &RQWUROR QD ,QGÐVWULD UREËWLFD
plo prático de medição de óleo (DC = 2), suponhamos que o nível está em 50% e a capacitância medida está em 18pF. Se o nível aumentar em 10%, teríamos uma capacitância de 19,2pF, o que corresponde a uma variação coerente da medição nesta condição, mas se o nível estiver estável e, ao invés disso, a constante dielétrica do produto variar, uma variação proporcional a essa alteração será percebida na indicação, o que não é desejável, pois o que houve foi uma variação na caraterística do meio e não no nível. Em meios condutivos (> 100 uS), a variação de constante dielétrica é insignificante. Isso ocorre porque a caraterística do meio condutivo faz como se houvesse um curto espaço entre a parede do tanque e o meio fazendo, na prática, como se a única distância entre as duas placas fosse a espessura do material de isolação (PTFE). Nesta condição, os valores e capacitância máximos e mínimos já são conhecidos devido a uma saturação no valor de capacitância formado pelo meio condutivo. Alguns modelos do mercado trabalham com estes valores considerados na eletrónica, o que elimina a necessidade de calibração com referência de zero e spam. O valor medido refere-se à capacitância total gerada no tanque, independente de quantos ou quais os produtos que estão presentes. Esta caraterística, aplicada à medição de interface, oferece a vantagem de medir a interface, mesmo quando há presença de emulsão. O valor zero é considerado com o tanque cheio de óleo, enquanto o valor de spam (100%) é tomado com o tanque cheio de água.
Quando há interface, por exemplo, em 50%, um valor intermediário de capacitância entre o valor do zero e spam é obtido. No caso desta interface ser emulsionada, a medição não é influenciada, pois o valor de capacitância gerada será o mesmo. O valor de medição considerado será, portanto, aproximadamente o meio da camada de emulsão. Dependendo da composição entre água/óleo presente nesta camada de emulsão, o valor tende a ficar em torno de 1/3 da camada de emulsão devido ao facto da água possuir caraterísticas mais dominantes na variação de capacitância. A desvantagem deste princípio está na ausência do valor do nível total, ficando limitado apenas ao nível de interface.
MEDIÇÃO HÍBRIDA UTILIZANDO AMBOS OS PRINCÍPIOS De um lado, temos o radar de onda guiada que mede o nível e a interface simultaneamente, desde que não haja emulsão. De outro, temos o princípio capacitivo que possui a caraterística oposta, ou seja, mede com fiabilidade a interface, mesmo com emulsão, porém não é capaz de medir o nível superior. A união dos dois princípios completaria, portanto, um a limitação do outro. Vimos que um radar de onda guiada possui uma haste metálica de aço inoxidável que guia as ondas eletromagnéticas. Esta haste pode ser revestida em PTFE ou não. Vimos também que um medidor de nível por princípio capacitivo também possui uma haste metálica, geralmente também de aço inoxidável e, neste caso, revestida em PTFE. Podemos observar a
partir daí, que o meio físico dos dois princípios é o mesmo. Partindo deste ponto, é possível utilizar o mesmo instrumento para fazer os dois papéis – de capacitiva e de TDR - já que a parte física é a mesma. É possível, então, num só instrumento, utilizar princípios diferentes. O sistema eletrónico é capaz de gerar e interpretar ambos os sinais de tal forma que eles não entrem em conflito, pois ambos possuem tipos de sinais diferentes. Os sinais são interpretados por um sistema eletrónico que gere ambos os sinais, garantindo que sejam sempre enviados para a saída, valores reais e confiáveis. As saídas independentes trabalham, dependendo da configuração adotada, com os sinais de radar de onda guiada, medindo nível total e interface. Caso uma camada de emulsão comece a ser formada a ponto do sinal ser perdido, como vimos anteriormente, o sistema automaticamente comuta o princípio para o capacitivo, mantendo a medição de interface, porém ainda com a medição de nível total proveniente do radar de onda guiada. Neste sentido, é possível também obter uma medição redundante de interface, pois na ausência/falha de um dos princípios, o outro é automaticamente estabelecido.
CONCLUSÃO Cada processo possui as suas necessidades e caraterísticas específicas. Para aplicações simples, princípios de medição básicos são suficientes, atingindo os objetivos da solução. À medida que os processos se tornam mais exigentes, princípios mais complexos devem ser aplicados. Dos princípios abordados, cada um responde a uma aplicação específica e possui as suas limitações particulares. A tecnologia híbrida une as vantagens de ambas as tecnologias, suprindo as suas principais limitações, visando responder aos processos onde a medição de interface e de nível total, simultâneas, favorecem a operação e controlo do processo e garante fiabilidade mesmo em processos com tendência de formação de emulsão.
BIBLIOGRAFIA [1]
LAU, Jürgen – How to draw the line - Interface measurement; Endress+Hauser Maulburg AG.
[2]
www.pt.endress.com.