O sensor de nível por empuxo tem o su funcionamento baseado no princípio de Arquimedes para detectar o nível do líquido medindo continuamente. Considerando que o fluido deslocado é proporcional ao volume que o corpo ocupara quando submerso parcial ou totalmente no fluido. Sabendo que além desse efeito o corpo receberá uma forcar no sentido vertical de baixo para cima chamada de empuxo. Um corpo cilíndrico (chamado de deslocador) imerso em um reservatório, com uma área de seção transversal constante desloca um volume esse volume, conforme necessário. As alturas padrão variam de 14 a 120 polegadas. Sendo mais comuns valore até 32polegadas
O medidor é formado por um deslocador com formato cilíndrico transversal com volume conhecido suspenso através de uma haste e essa está presa a uma balança (células de carga).
À medida que o nível do líquido aumenta, o corpo imerso experimenta uma força flutuante maior, fazendo com que pareça mais leve para o instrumento sensor, que interpreta a perda de peso como um aumento no nível e transmite um sinal de saída proporcional.
À medida que o nível do líquido diminui, a força de flutuação na haste do corpo imerso diminui com um aumento de peso correspondente que é interpretado como um nível decrescente pelo sensor de nível, que então fornece uma saída de sinal correspondente.
Embora a teoria básica da operação tenha sido descrita acima, em um sensor de nível de deslocador prático, a construção é projetada para atingir o objetivo de medição desejado com sofisticados circuitos eletrônicos.
Nestes tipos de sensores de nível do corpo imerso, o corpo imerso é conectado a uma mola que restringe seu movimento a cada incremento de flutuabilidade (isto é, mudança de nível).
Um transmissor que incorpora um transformador diferencial variável linear (LVDT) é usado para rastrear a ascensão e queda da haste do corpo imerso à medida que o nível do líquido muda. Eletrônica processa o sinal gerado pelo LDVT convertendo em um sinal de saída de 4-20mA.
Abaixo, é mostrada uma instalação típica do sensor de nível do corpo imerso:
Princípio de Arquimedes Aplicado ao Deslocador
De acordo com o princípio de Arquimedes, a força flutuante em um objeto imerso é sempre igual ao peso do volume de fluido deslocado pelo objeto.
Suponha que, em um sensor de nível de corpo imerso, tenhamos uma haste cilíndrica de corpo imerso com densidade (ρ), raio( r),comprimento(L) e densidade do fluido de processo de(У). Considerando uma instalação, onde o comprimento do corpo imerso é proporcional ao nivel do líquido que está sendo medido:
Volume do deslocador, V = πr2L
Conforme mostrado no diagrama para a instalação do sensor de nível do corpo imerso acima, quando o vaso está cheio, a haste do corpo imerso é completamente imersa no fluido do processo, portanto o volume de fluido do processo deslocado é V = πr2L. Quando o nível do vaso está vazio ou mínimo, o volume de fluido do processo deslocado é V = 0
Desta forma quando o vaso está cheio, a força de flutuação sofrido pelo corpo imerso é dada por:
Força flutuante = peso do fluido do processo deslocado
Ff = πr2LУg (g = aceleração devido à gravidade)
Peso real do deslocador = πr2Lρg
O peso líquido do corpo imerso detectado pelo LVDT, transmissor e componentes eletrônicos associados quando o navio está cheio é:
Ff = πr2Lρg − πr2LУg = πr2Lg (ρ – У) = Vg (ρ – У)
Como pode ser visto acima, o peso líquido detectado pelo LVDT é proporcional à diferença de densidade da haste do corpo imerso (ρ) e do peso do fluido do processo (У)
Portanto, o corpo imerso deve ter uma gravidade específica mais alta que a do nível do líquido que está sendo medido e deve ser calibrada para a gravidade específica do líquido.
A faixa de gravidade específica típica para líquidos onde o sensor de nível do corpo imerso é aplicado está na faixa de 0,25 a 1,5. Outro ponto que vale a pena mencionar é que o alcance do instrumento de nível do corpo imerso depende apenas do comprimento (L) da haste do corpo imerso especificado para a aplicação em questão.
Quando o vaso está vazia ou o nível é mínimo,
Força de flutuação no deslocador = 0
Portanto, o peso detectado pelo LVDT é = πr2Lρg
O LVDT registra um sinal de tensão no nível mínimo da vaso e emite um sinal correspondente. ao comprimento do corpo imerso é determinado pela faixa de operação (intervalo) especificada, pela gravidade, pressão e temperatura específicas do fluido do processo. O diâmetro e o peso são calculados na fábrica para garantir a operação correta e fornecer uma saída precisa de 4-20mA.
Bibliografia
Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process Control (William C. Dunn)
Instrumentation and Control Systems (W.Bolton)
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