Sensor de Nível por Medida de Pressão Diferencial com Sensor SMART - PDF
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William Cavalheiro Bacelar
1 INSTRUMENTAÇÃO II Engenharia de Automação, Controlo e Instrumentação 2006/07 Trabalho de Laboratório nº 4 Sensor de Nível por Medida de Pressão Diferencial com Sensor SMART Realizado por Paulo Alvito 26 de Fevereiro de 2003 Revisto em 15 de Setembro de Objectivos Neste trabalho de laboratório pretende-se calibrar um transmissor de pressão diferencial da família SMART bem como, recorrendo à sua utilização, determinar a medida do nível de um reservatório atmosférico. 2. Introdução O método consiste em colocar um sensor de pressão junto ao fundo do tanque e calibrá-lo em coluna de líquido, ou seja, em nível. A instalação do sensor de nível não difere da de um sensor de pressão. O sistema é habitualmente utilizado com transmissor. Embora o reservatório não seja fechado, para termos didácticos, utiliza-se um sensor de pressão diferencial (figura 1), sendo a ligação para a pressão mais alta efectuada junto ao fundo do tanque e a outra junto ao topo, em contacto com a fase gasosa. À tomada de pressão colocada a um nível mais baixo, em contacto com a fase líquida, e onde a pressão é mais elevada, chama-se entrada alta. À tomada de pressão em contacto com a fase gasosa chama-se entrada baixa. Neste tipo de instalação é preciso ter o cuidado de garantir que a tomada de pressão ligada ao topo do reservatório não acumula liquido, que poderá originar erros de medida grosseiros. Um método utilizado para compensar este tipo de erros consiste em encher a tomada baixa do sensor com líquido do reservatório, e efectuar a compensação da variação de pressão originada por esta coluna líquida adicional. No entanto, o método mais eficaz utilizado para impedir a entrada de condensados na entrada baixa do sensor, consiste na utilização de um sensor de pressão diferencial com diafragmas de isolamento e capilares, tal como está representado na figura 1. O problema que agora é preciso solucionar é o do ajuste do zero, também chamado elevação do zero. Com efeito, da EACI 06/07 Trabalho de Laboratório nº 4 1
2 observação da figura 1 conclui-se que o peso volúmico do líquido capilar da entrada baixa, γ 0, é bastante importante. Independentemente do seu percurso corresponde à altura h 4. Tem-se assim para valor da pressão diferencial do sensor, P d, donde P d = γ h 1 + γ h 2 + γ 0 h 3 - γ 0 h 4 h 1 = ( P d - γ h 2 - γ 0 h 3 + γ 0 h 4 ) / γ Como se pretende ter h 1 proporcional a P d, sem offset, deverá ser introduzido um ajuste de zero P 0, que cancele os termos constantes do 2º termo da equação anterior, ou seja ficando nestas condições P 0 = γ h 2 + γ 0 h 3 - γ 0 h 4 P d = γ h 1 O sensor de pressão indicará zero quando o valor de h 1 (nível em relação a uma determinada referência) for zero. n. max h 1 n. min γ 0 h 4 γ h 2 h 3 Fig. 1 - Sensor de pressão diferencial para medição de nível num reservatório fechado. 3. Material 1 reservatório atmosférico com 2 m 1 transmissor de pressão diferencial 1151 da família SMART 1 fonte de alimentação d.c. de 24 volts 1 multímetro 1 tubo de borbulhamento 1 manómetro 1 regulador de pressão água EACI 06/07 Trabalho de Laboratório nº 4 2
3 4. Procedimento Experimental 4.1 Ajustes iniciais. Garanta que a válvula de esgoto (vermelha inferior) e a válvula de alimentação (vermelha esquerda) estão fechadas. Abra as duas válvulas de alimentação das duas entradas do sensor de pressão diferencial (pretas laterais) bem como a válvula de segurança vermelha da entrada de alta. Abra a válvula de by-pass (preta) entre a entrada de alta e a entrada de baixa. Abra a válvula de alimentação do reservatório lentamente e deixe a água subir até à cota dos 10 cm (ponto médio da entrada de alta). Repare que a água está à mesma cota tanto no reservatório como no tubo da entrada de baixa. 4.2 Ligações eléctricas. Ligue a fonte de alimentação à caixa cinzenta presa à estrutura de suporte do reservatório. Ajuste-a para uma tensão de 24 V. Ligue o multímetro aos outros dois terminais dessa mesma caixa. O multímetro deverá estar a funcionar como amperímetro na escala dos 4-20 ma e em d.c. 4.3 Ajuste do zero e do alcance do transmissor de pressão diferencial. Ligue a fonte de alimentação e o multímetro. Desenrosque a tampa lateral direita do transmissor e identifique os botões de ajuste do zero e do alcance (span). Para activar os controlos pressione simultaneamente os botões de zero e de span, pelo menos, durante 5 segundos. Os botões ficarão activos durante 15 minutos. Após estes 15 minutos os botões terão de ser novamente reactivados, caso seja necessário. Pressione o botão do zero durante 5 segundos para marcar o ponto dos 4 ma. Confirme a corrente eléctrica no seu multímetro. Feche a válvula de by-pass. Volte a abrir a válvula de alimentação e faça subir lentamente o nível da água até à cota dos 110 cm. Pressione o botão do span durante 5 segundos para marcar o ponto dos 20 ma. Confirme a corrente eléctrica no seu multímetro. 4.4 Curva de calibração do transmissor. Abra a válvula de esgoto para vazar o reservatório até à cota dos 10 cm. De seguida abra a válvula de alimentação para fazer subir o nível de água de 10 em 10 cm, registando para cada valor do nível a correspondente corrente eléctrica. Repita este procedimento até atingir a cota dos 110 cm. Abra, agora, a válvula de esgoto lentamente para obter novo conjunto de leituras, mas em sentido descendente e até à cota dos 10 cm. Q Trace num gráfico a curva característica obtida experimentalmente e comente a linearidade do transmissor e a sua histerese. 4.5 Contaminação da entrada baixa. Volte a encher o reservatório, desta vez, deixando que a água suba e encha completamente o tubo que liga à entrada baixa. Esvazie o reservatório por forma a obter três valores quaisquer de cotas anteriormente determinadas bem como os respectivos valores de corrente eléctrica. EACI 06/07 Trabalho de Laboratório nº 4 3
4 Q Compare os valores de corrente eléctrica obtidos, com os do ponto 4.4. Faça os comentários que achar mais convenientes. 4.6 Solução possível para a contaminação. Esvazie o reservatório até à cota dos 10 cm. Mantendo sempre o tubo de ligação à entrada baixa cheio de água, repita os procedimentos de calibração do transmissor descritos no ponto 4.3. Obtenha nova curva de calibração, como no ponto 4.4. Q Trace num gráfico a curva característica obtida experimentalmente e comente novamente a linearidade do transmissor e a sua histerese. Compare os valores obtidos no ponto 4.4 com os do ponto 4.6. Comente. 4.7 Medição de nível através de um tubo de borbulhamento. Proceda à montagem de acordo com a figura 2, colocando a extremidade inferior do tubo a uma altura de cm do fundo do depósito. Fig. 2 Tubo de borbulhamento para medição de nível Coloque o nível de água a uma cota de cm. Aumente a pressão, através do regulador, até que se comece a verificar a saída de borbulhas de ar a partir da extremidade inferior do tubo. Registe o valor indicado pelo manómetro. Q A partir do valor indicado pelo manómetro, calcule a altura a que se encontra a coluna líquida. Comente o resultado obtido. Nota: P = γ h, onde γ é o peso volúmico do líquido e h o seu nível. Q Tendo como ponto de partida a situação da alínea 4.7.1, aumente a pressão de ar fornecida ao tubo. Como pode verificar o valor indicado pelo manómetro manteve-se inalterado. Justifique este comportamento. EACI 06/07 Trabalho de Laboratório nº 4 4
5 4.4 I = f(h) I (ma) Nível (cm) 4.6 I = f(h) I (ma) Nível (cm) EACI 06/07 Trabalho de Laboratório nº 4 5
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