Este artigo sobre transmissores e sensores é o sexto da série Tudo sobre telemetria do abastecimento municipal de água“.

Se você deseja elaborar e implantar um sistema de telemetria para os reservatórios e elevatórias de água e esgoto, ETAs e ETEs, estações reguladoras de pressão e pontos de macromedição, encontrará nessa série de artigos, todo o conhecimento necessário para projetar, construir e implantar sistemas completos.

Juntamente com os artigos, são fornecidos links para download de projetos elétricos completos dos painéis, assim como softwares Ladder para automação das estações e o software customizável SCADA com telas para até 10 reservatórios e 10 elevatórias de água, tudo absolutamente sem custo.

O que são os sensores?

Sensores são dispositivos capazes de transformar grandezas físicas em grandezas elétricas, também são chamados de transdutores porque traduzem uma grandeza de uma natureza em outra, no caso em grandeza elétrica.

Outro nome frequentemente utilizado em instrumentação é o transmissor. É comum nos referirmos aos medidores de pressão, por exemplo, como transmissores de pressão, até porque o valor da pressão medida é transmitida por cabos elétricos à distância. Neste artigo utilizamos as palavras sensortransmissor e medidor como sinônimos.

Grandezas físicas importantes na telemetria da distribuição de água municipal

São muitas as grandezas físicas importantes no saneamento. As seguintes grandezas são as mais usuais na automação e telemetria das estações componentes do sistema de distribuição de água do município:

  • Nível;
  • Pressão;
  • Vazão;
  • Tensão;
  • Corrente;
  • Fator de potência.

Existem diversas outras grandezas importantes no saneamento, principalmente relacionadas a qualidade da água. Iremos apenas mencionar algumas: temperatura, oxigênio dissolvido, demanda química de oxigênio, ph, turbidez, cor, etc.

Na sequência, iremos apresentar os principais sensores/transmissores utilizados na telemetria da distribuição de água municipal.

Transmissor ultrassônico de nível

Transmissor ultrassônico de nívelUltrassom é o som em frequência superior a que o ouvido humano pode escutar. O ouvido humano consegue escutar até 20 kHz, são consideradas ultrassônicas as frequências superiores aos 20 kHz.

Ondas ultrassônicas são utilizadas na indústria para medir o nível de líquidos e sólidos sem a necessidade de contato com o produto medido, sendo ideais para a medição de materiais corrosivos e de alta temperatura.

O ultrassom aplicado na medição de nível normalmente está na faixa de 40 a 200 kHz.

Princípio de funcionamento do medidor ultrassônico de nível

O ultrassom detecta objetos pelo mesmo princípio do radar, ou seja, pulsos ultrassônicos são emitidos na direção do objeto e a distância é calculada pelo tempo que o som leva para ser refletido de volta. Morcegos utilizam o mesmo princípio para guiarem seu voo.

O transmissor ultrassônico é instalado no topo do reservatório, acima do nível máximo do líquido. Os pulsos ultrassônicos são emitidos pelo transmissor e refletidos pela superfície do líquido. O nível é calculado com base no tempo medido entre a emissão do pulso e a recepção da onda refletida. Ao nível do mar em temperatura de 20° C a velocidade do som é 344 m/s.

O transmissor deve ser calibrado para refletir a medição de acordo com os níveis máximos e mínimos do reservatório e transmitir o sinal de 4 a 20 mA dentro da faixa de valores definida na programação co CLP.

Transmissor de nível hidrostático

Transmissor de nível hidrostáticoHidrostática é a ciência dos fluidos estáticos, que não estão em movimento. O medidor hidrostático de nível é um tipo de sensor submerso, utilizado na medição de nível de líquidos pela medição da pressão no fundo do reservatório.

medidor de nível hidrostático é dotado de um diafragma de medição de pressão que pode ser do tipo strain gauge. Um lado do diafragma está em contato com o líquido e o outro lado está em contato com a pressão atmosférica através de um tubo de ventilação (respiro) que nada mais é que um conduto do tipo mangueira de diâmetro pequeno que faz parte do cabo que conduz a alimentação e o sinal analógico.

Assim, o medidor hidrostático mede a pressão da coluna do líquido que está acima do mesmo. Essa pressão é causada pelo peso do líquido sobre o sensor e é utilizada para calcular o nível deste líquido.

A simplicidade de uso do transmissor de nível hidrostático faz dele uma escolha de ótimo custo benefício. O mesmo pode ser suspenso pelo próprio cabo, de forma que o nível mínimo será definido pela profundidade ajustada no cabo.

Transmissor de pressão utilizado na medição de nível

Quando dispomos de acesso à tubulação de saída na base do reservatório, podemos utilizar transmissores de pressão para a medição do nível.

O transmissor de pressão irá funcionar segundo o mesmo princípio de funcionamento do transmissor de nível hidrostático, com as seguintes vantagens:

  • Menor custo;
  • Acesso externo e facilitado (em tubulações maiores se pode utilizar colares de tomada para instalar o sensor);
  • Possibilidade de isolar galvanicamente o sensor pela utilização de conexões ou mangueiras plásticas, conferindo assim mais proteção contra surtos elétrico que podem danificar os sensores.

Transmissor de pressão

Os transmissores de pressão consistem basicamente de três partes: uma membrana elástica que deforma quando exposta à pressão um transdutor elétrico/eletrônico que detecta a deformação, alterando suas propriedades elétricas, e um circuito eletrônico que converte a medição em um sinal elétrico que pode ser utilizado por equipamentos indicadores e controladores. O sensor utilizado pode ser do tipo resistivo, capacitivo ou indutivo.

A versão mais popular é o circuito resistivo na forma de um strain gauge. Um transdutor strain gauge é colado à membrana que sofre deformação proporcional à pressão aplicada. A deformação transmitida ao strain gauge resulta em uma alteração da resistência que é medida e transformada no sinal de saída do transmissor.

O formato de sinal mais utilizado é a saída em corrente em 4 a 20 mA.

A pressão normalmente é especificada em bar (do grego barys) ou mca (metros de coluna d’água). 1 bar = 10,197 mca.

Transmissor de vazão eletromagnético

Os medidores de vazão eletromagnéticos utilizam a Lei de Faraday para detectar e medir a vazão. Dentro de um transmissor de vazão eletromagnético existe um bobina que gera um campo magnético e eletrodos que capturam o campo elétrico resultante do movimento do líquido que está sob o campo magnético.

Segundo a Lei de Faraday, movendo líquidos condutivos dentro de um campo magnético, gera-se uma força eletromotriz (voltagem). Ou seja, a velocidade do fluxo do líquido movendo dentro do campo magnético gera um campo elétrico proporcional. O campo elétrico E é proporcional a V x B x D (velocidade x campo magnético x diâmetro).

Os transmissores de vazão eletromagnéticos apresentam as seguintes características:

  • Não são afetados por temperatura, pressão, densidade ou viscosidade do líquido;
  • Detectam a vazão também em líquidos contaminados por sólidos e bolhas;
  • Não causam perda de pressão;
  • Não utilizam partes móveis e por isso são mais confiáveis;
  • Não podem se utilizados em líquidos que não sejam condutivos.

A condutividade expressa a facilidade com que o líquido permite a condução da corrente elétrica. A condutividade é medida em S/cm (siemens por centímetro).  A água comum da torneira tem condutividade média de 100 a 200 μS/cm, água mineral de 500 μS/cm ou mais, e água pura de 0.1 μS/cm ou menos.

Multimedidor de grandezas elétricas

Multimedidor de grandezas elétricas

O equipamento que permite ler e armazenar parâmetros elétricos em redes trifásicas de forma prática e fácil é o multimedidor de grandezas elétricas. Este equipamento atua como um poderoso sistema de monitoramento de energia elétrica, avaliando de forma contínua e em tempo real a tensão e a corrente nas três fases pelo método True RMS, permitindo o cálculo preciso de todos os itens de interesse.

Os parâmetros do registrador podem ser ajustados no próprio equipamento, através de uma interface amigável ou via interface serial padrão elétrico RS-485, pelo protocolo MODBUS-RTU. A programação e a operação de um multimedidor são abordadas ao longo deste artigo.

Características do multimedidor de grandezas elétricas

A partir das grandezas lidas (tensão e corrente nas três fases), o ST9250R exibe, sequencialmente, as seguintes medidas: tensão fase-neutro, tensão fase-fase, tensão no primário (somente se TP ≠ 1), corrente, fator de potência por fase, fator de potência total, potência ativa por fase, potência ativa total, potência aparente por fase, potência aparente total, potência reativa por fase, potência reativa total, consumo ativo, consumo reativo, demanda ativa, demanda reativa, demanda média ativa, demanda máxima ativa, demanda média apar­ente, demanda máxima aparente, frequência, falta de kVAr por fase, falta de kVAr total, excesso de kVAr por fase, excesso de kVAr total, tempo de funcio­namento, vazão média e volume do fluxo de água e gás, distorção harmônica total e conteúdo harmônico até a 49ª componente impar.

O equipamento conta com a função de alarme, que é acionado pelo evento programado e desligado via painel (pressionando a tecla ESC). Os eventos que provocam alarme podem ser:

  • o fator de potência muito indutivo;
  • o fator de potência muito capacitivo;
  • a tensão alta na alimentação do sistema;
  • a tensão baixa na alimentação do sistema;
  • a sobre corrente na carga;
  • a subcorrente na carga;
  • o conteúdo harmônico elevado (de corrente e tensão);
  • a demanda ativa excessiva.

Instalação

Esquemas elétricos de ligações

As figuras a seguir mostram os esquemas de ligação para a instalação dos registradores ST9250R.

Observações importantes na instalação do equipamento

  • O transformador de corrente (TC) deve medir a corrente total a ser monitorada.
  • Deve-se colocar um TC específico para a medição de corrente (sempre na relação de transformação XXXX/5A). Caso já exista um instrumento de medição, a medição de corrente pode aproveitar o TC do instrumento, desde que a corrente do secundário do TC seja sempre ligada em série com a do medidor.
  • Deve-se colocar um TC específico para a medição de corrente (sempre na relação de transformação XXXX/5A). Caso já exista um instrumento de medição, a medição de corrente pode aproveitar o TC do instrumento, desde que a corrente do secundário do TC seja sempre ligada em série com a do medidor.

Medidas Elétricas

O usuário visualiza as medidas de tensão e corrente de cada fase, frequência, potência aparente, potência ativa, potência reativa, bem como o valor de kVAr que precisa ser adicionado a cada fase do sistema para alca­nçar o set-point. Além disso, é possível visualizar a totalização dos valores tensão fase-neutro, tensão fase-fase, tensão no primário (somente se TP ≠ 1), corrente, fator de potência por fase, fator de potência total, potência ativa por fase, potência ativa total, potência aparente por fase, potência aparente total, potência reativa por fase, potência reativa total, consumo ativo, consumo reativo, demanda ativa e demanda reativa (média e máxima) frequência, falta de kVAr por fase e falta de kVAr total, excesso de kVAr por fase e excesso de kVAr total, tempo de funcionamento atual e anterior (mês).As entradas P1 e P2 são apresentadas como leitoras de pulsos dos sen­sores de vazão de água e gás (respectivamente), e preparadas para trabalhar com sensores do tipo “coletor aberto”. O equipamento atualiza os valores de vazão média e volume escoado a cada minuto, sendo possível ainda progra­mar uma constante de conversão para ajustar o medidor à realidade do sensor utilizado.O tempo de funcionamento é cumulativo, não admite ajuste. O valor anterior é atualizado na troca do mês. O valor atual é incrementado quando existir tensão em qualquer uma das fases.

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