Como monitorar os níveis do material nos tanques para melhorar o gerenciamento da cadeia de suprimentos

A detecção e medição da quantidade de materiais sólidos, fluidos ou granulados armazenados em tanques tem se tornado cada vez mais importante devido aos desafios da cadeia de suprimentos e à necessidade de monitorar de perto os níveis de estoque e controlar os processos de fabricação. Dependendo da aplicação, os sensores de nível podem ser necessários por serem seguros para alimentos, suportar altas pressões, temperaturas ou vibrações, ser usados em ambientes corrosivos com alta resistência a ácidos e bases, e ter um alto grau de isolamento elétrico e térmico para garantir uma operação segura.

Embora seja possível projetar sensores de nível, é uma tarefa complexa e repleta de riscos. O processo começa com a combinação da tecnologia de medição, tais como capacitiva, magnética, ultrassônica ou de sensoriamento óptico, com a aplicação. O próximo passo é selecionar a carcaça, os componentes e outros materiais para apoiar o ambiente operacional. Também é frequentemente necessário obter aprovações regulamentares e de segurança e garantir que o projeto atinja a classificação de proteção de entrada (IP) requerida.

Em vez disso, os projetistas podem recorrer a soluções de sensoriamento de nível pré-engenharia que garantem medições precisas e confiáveis e agilizam o tempo de colocação no mercado. Este artigo começa com uma revisão do funcionamento das tecnologias capacitivas, magnéticas, ultrassônicas e de sensoriamento óptico, incluindo os dispositivos de forma/tipo A (normalmente abertos) e forma/tipo B (normalmente fechados). Em seguida, analisa a adequação dos materiais e as classificações de IP e identifica as aplicações mais adequadas para cada tecnologia. Por fim, apresenta exemplos de sensores de nível usando sensores magnéticos, capacitivos, ultrassônicos e ópticos da PIC, Carlo Gavazzi e TE Connectivity.

Os sensores magnéticos de nível de líquido, também chamados sensores de boia, usam um reed-switch em uma haste selada com uma boia contendo um ímã circular. À medida que o nível do líquido sobe e desce, o mesmo acontece com a boia e o ímã. Quando o imã sobe (ou desce) até um certo nível, ele ativa o reed-switch (Figura 1). Estes projetos são altamente confiáveis e classificados para milhões de atuações de comutação nas configurações de Forma A e Forma B. Estão disponíveis com vários materiais de carcaça como polipropileno, poliamida e aço inoxidável, adequados para vários líquidos e alguns são seguros para alimentos. Os modelos estão disponíveis para montagem superior, inferior e lateral.

Figura 1: Quando a boia em um sensor magnético de nível de líquido sobe (esquerda) ou desce (direita), ela aciona um reed-switch que envia um sinal. (Fonte da imagem: PIC)

Sensoriamento capacitivo para líquidos e mais

Além da detecção de níveis líquidos em tanques, os sensores de nível capacitivo podem ser usados com materiais sólidos ou granulados. A sonda combina com a parede do tanque para formar um capacitor. A capacitância varia com a quantidade de material no tanque. Normalmente, quanto mais material no tanque, maior a capacitância. Estes sensores estão disponíveis com vários materiais de carcaça. Os sensores de nível capacitivo podem incluir distâncias de detecção ajustáveis e são projetados com e sem um tempo de atraso embutido para ligar ou desligar. Eles podem ser usados com uma ampla gama de líquidos e sólidos e são comumente encontrados em processos industriais e aplicações agrícolas, tais como sistemas automatizados de alimentação de animais e silos (Figura 2).

Figura 2: Aplicações agrícolas como a medição de rações granulares para gado, comumente usam sensores de nível capacitivos. (Fonte da imagem: Carlo Gavazzi)

Ultrassônicos para altas pressões e líquidos aerados

Os sensores de nível ultrassônicos normalmente operam na faixa de 40 quilohertz (kHz), muito além da faixa dos ouvidos humanos. Eles utilizam rajadas de energia ultrassônica enviadas através de uma fenda. Quando um líquido está presente, a transmissão da energia ultrassônica é aumentada; quando apenas o ar está presente, a energia é atenuada. Estes sensores de fenda fornecem detecção do nível de ponto para vários líquidos e são especialmente adequados para o uso com líquidos aerados que podem ser desafiadores de monitorar com outras tecnologias. Os projetos típicos destes sensores selados são dimensionados para operação em líquidos pressurizados de até 250 libras por polegada quadrada (PSI), mas projetos especiais podem operar até 5.000 PSI (Figura 3).

Figura 3: Os sensores de nível ultrassônicos podem ser selados e operados sob altas pressões. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

Visualizando níveis com sensores ópticos

Os sensores de nível óptico operam com base em diferentes índices de refração entre o ar e o líquido que está sendo monitorado. Eles consistem de um emissor de infravermelho (IV) (o transmissor), um receptor, um amplificador e um comutador de saída. O emissor é tipicamente um diodo emissor de infravermelho de arseneto de gálio (GaAs). A saída pode ser um transistor para saídas de corrente contínua (CC) ou um SCR para saídas de corrente alternada (CA). A ponta cônica do sensor forma um prisma com os pulsos IV transmitidos até a ponta e, quando não há líquido presente, refletidos internamente para o receptor. Quando a ponta do sensor é imersa, o líquido terá um índice de refração diferente do ar e o feixe não será transmitido ao receptor (Figura 4). Os sensores de nível óptico são bastante versáteis e podem ser usados em óleo, águas residuais e álcool, bem como em soluções alimentícias como cerveja, vinho e café.

Figura 4: Os sensores de nível óptico usam os diferentes índices de refração de ar (esquerda) e líquido para interromper a transmissão do sinal para o receptor (direita). (Fonte da imagem: Carlo Gavazzi)

A carcaça importa

O material da carcaça é um elemento fundamental que determina onde vários sensores de nível podem ser usados. Alguns dos materiais comuns da carcaça incluem:

Os poliésteres têm excelente resistência a muitos produtos químicos e alta resistência a rachaduras. Eles podem ser utilizados de -70°C a +150°C.

O aço inoxidável é compatível com vários produtos químicos e alimentícios. Possui excelente capacidade de limpeza biológica e é frequentemente utilizado em aplicações farmacêuticas e de processamento de alimentos, assim como em aplicações médicas e industriais.

A poliamida 12, também chamada de Náilon 12, tem alta transparência, boa tenacidade, mesmo a baixas temperaturas, estabilidade dimensional e resistência dinâmica, e é leve devido a sua baixa densidade. Pode ser utilizada até 80 °C.

As polissulfonas são de alta resistência, transparentes e versáteis. Elas têm alta estabilidade dimensional; a mudança de tamanho é inferior a 0,1% quando expostas à água fervente ou vapor ou ar a 150 °C. São altamente resistentes a eletrólitos, álcalis e ácidos de pH 2 a pH 13. A resistência aos agentes oxidantes significa que pode ser limpa usando alvejantes.

O polipropileno é resistente a muitos solventes orgânicos, ácidos e álcalis, mas suscetível ao ataque de ácidos oxidantes, hidrocarbonetos clorados e aromáticos. Tem uma temperatura máxima de operação de 80 °C. É altamente impermeável à água, o que o torna bem adequado para aplicações de imersão.

Classificações de IP

Os códigos de classificação IP são definidos na IEC 60529 e incluídos na ANSI 60529 nos EUA e na EN 60529 na Europa. Eles consistem de dois números, com o primeiro indicando a resistência à entrada de objetos sólidos em uma escala de 0 a 6 e o segundo indicando proteção contra líquidos em uma escala de 0 a 9K. Classificações mais baixas de IP não são especialmente relevantes para aplicações onde os sensores de nível são encontrados. Alguns dos níveis mais altos de entrada de objetos sólidos incluem:

5 - indica proteção contra poeira. A entrada de poeira não é totalmente evitada. Mas o equipamento deve continuar operando, mesmo que a um nível de desempenho inferior, na presença de poeira.

6 - indica estanqueidade à poeira. A entrada de poeira é eliminada.

O segundo número para a entrada de líquidos é mais complexo. As categorias de maior desempenho incluem:

7 - A imersão, até 1 metro para uma pressão e duração definidas, não resultará no ingresso de água em uma quantidade prejudicial.

8 - Imersão contínua até 1 metro ou mais de profundidade sob condições especificadas pelo fabricante.

9K - Oferece proteção contra borrifos de alta pressão e alta temperatura a curta distância.

Sensores de nível magnético aprovados pela FDA

Para aplicações que necessitam da aprovação da US Food and Drug Administration (FDA), os projetistas podem recorrer a sensores de nível magnéticos em carcaças de polipropileno da PIC. O PLS-020A-3PPI é um sensor compacto para medições verticais, enquanto o PLS-092A-3PPH é projetado para o sensoriamento horizontal (Figura 5). Estes sensores de nível têm uma classificação IP67 e contatos de forma A classificados para um máximo de 10 watts (W), 0,7 amperes (A), 180 volts de corrente contínua (_VCC) e 130 volts de corrente alternada (_VCA). Eles têm uma faixa de temperatura de operação de -20 a +80 °C.

Figura 5: O PLS-092A-3PPH é um sensor de nível magnético horizontal com aprovação da FDA. (Fonte da imagem: PIC)

Sensores capacitivos

Os sensores capacitivos de Carlo Gavazzi em carcaça de termoplástico poliéster estão disponíveis com distâncias de detecção ajustáveis e com (VC11RTM2410M) ou sem (VC12RNM24) um tempo de atraso embutido. Para sensores com um tempo de atraso, o atraso pode ser de até 10 minutos para ações da forma A ou forma B. Estes sensores têm uma distância de detecção ajustável de 4 a 12 mm e podem ser usados para monitorar uma variedade de materiais sólidos, líquidos e granulados. A saída de relé de pólo único e curso duplo (SPDT) pode acionar cargas diretamente, tais como solenóides e atuadores. Estes sensores operam com tensões de alimentação de 20,4 a 255 V_CA ou V_CC e são dimensionados para temperaturas de -20°C a +70°C

Sensor de nível com alta repetibilidade

O sensor de nível ultrassônico LL01-1AA01 da TE Connectivity apresenta repetibilidade de 2 mm ou melhor, utilizando técnicas de filtro digital para melhorar o desempenho. Tem uma saída de relé de pólo único e curso único (SPST) na forma A ou B. Encapsulado em uma carcaça de aço inoxidável, este sensor é dimensionado para 5,5 V_CC a 30 V_CC de entrada e pode suportar picos de tensão na carga de 100 V_CA ou V_CC com uma corrente contínua de 3,5 A até +25°C, degradando linearmente para 0,75 A a +100°C. Ele pode lidar com pressões de até 250 PSI. As opções incluem uma temperatura máxima de operação de 80 ou 100 °C, montagem NPT de ¼" ou ½", e comprimentos do cabo de 0,3, 1,2, 3 e 6 metros.

Sensores ópticos com opções dos materiais da carcaça

Os sensores de nível óptico VP01/02, como o VP01EP de Carlo Gavazzi, estão em uma carcaça de polissulfona resistente à maioria dos ácidos e bases. Os sensores VP03/04 da empresa, como o VP03EP, estão em uma carcaça de poliamida 12 resistente a vários solventes. Estes sensores com classificação IP67 podem ser usados em níveis de luz ambiente de até 100 lux. As opções de saída de forma A e forma B incluem transistores NPN/PNP para cargas cc ou um SCR para cargas ca. Os sensores alimentados por CC têm uma frequência de pulso óptico de 30 Hertz (Hz), enquanto os sensores alimentados por CA têm uma frequência de pulso de 5 Hz. Os sensores alimentados por CC operam de 10 V_CC a 40 V_CC e possuem um LED que indica que a saída está LIGADA. Os sensores alimentados por CA são dimensionados para 110 V_CA ou 230 V_CA de entradas nominais.

Figura 6: Estes sensores de nível óptico estão disponíveis em opções de carcaças de polissulfona e poliamida 12. (Fonte da imagem: Carlo Gavazzi)

Conclusão

Várias tecnologias de sensoriamento, incluindo magnético, capacitivo, óptico e ultrassônico, estão disponíveis para monitorar a quantidade de materiais fluidos, granulados e sólidos armazenados em tanques, ajudar a monitorar os níveis de estoque e controlar os processos de fabricação. Estes sensores estão disponíveis em vários materiais de carcaça adequados a ambientes operacionais específicos, incluindo altas temperaturas, altas pressões e processos de esterilização.