Projeto e estrutura do sistema de pesagem de tanques de material

Thread Content

1. Introdução: Ao fabricar tanques equipados com sensores, é necessário prestar atenção a algumas regras básicas importantes. Por exemplo, os tanques de armazenamento geralmente precisam resistir a condições climáticas ou a fatores relacionados à produção. Na construção de novos silos ao ar livre (silos de armazenamento, silos de carvão), que estão relacionados aos edifícios, é necessário respeitar as normas de construção. Para a legislação de construção, a modificação posterior dos equipamentos de medição também pode ser considerada uma alteração importante. Neste caso, é recomendável consultar um engenheiro civil, pois as normas de construção definem, em termos de segurança, o “estado técnico” do edifício. Por exemplo, a carga de vento é assumida na parte 4 das normas alemãs DIN 1055, relativa às cargas em edifícios. Os projetistas e fabricantes de tanques de armazenamento também devem conhecer as regras específicas, que geralmente são estabelecidas pela própria empresa. Se o tanque contém substâncias perigosas e for utilizado com empilhadeiras, ele também precisa ser protegido contra movimentos verticais. 2. Distribuição do peso: A melhor configuração dos sensores para determinar o peso do tanque é aquela em que o tanque é sustentado em três pontos de apoio, sendo que um sensor é instalado em cada ponto de apoio. Essa situação é chamada de determinação estática. Para isso, toda a carga deve ser distribuída da maneira mais uniforme possível entre os três sensores. Nos tanques cilíndricos verticais ou suspensos, as condições ideais de distribuição uniforme são atingidas quando os três sensores estão equidistantes em relação ao eixo vertical do tanque e formam um ângulo de 120° entre si no plano. Para a disposição dos pontos de suporte dos tanques horizontais ou verticais, consulte a Figura 1. Se em um determinado equipamento não houver sensores instalados em todos os pontos de suporte, é mais adequado que a carga seja distribuída de forma desigual. Os suportes equipados com sensores devem ser capazes de suportar mais carga do que os suportes sem sensores. Com essa medida, é possível melhorar a precisão dos equipamentos de medição. Ao projetar os equipamentos e escolher os sensores, deve-se procurar que uma carga igualmente grande seja aplicada aos sensores. Figura 1: Distribuição dos pontos de suporte do tanque horizontal – A, B e C. Se o tanque for sustentado por quatro ou mais pontos de suporte, existe um excesso de graus de liberdade estática. Neste caso de aplicação, é necessário considerar sensores em todos os pontos de suporte. A distribuição uniforme da carga em um único sensor só pode ser alcançada por meio da instalação adequada. Para alcançar esse objetivo, primeiro deve-se medir separadamente a carga do sensor. Se houver diferenças significativas, a altura do sensor em questão deve ser ajustada (por exemplo, através da inserção de uma folha metálica). Em princípio, os sensores com carga muito baixa devem ser instalados um em frente ao outro. 3. O centro de gravidade do tanque, quando este está completamente carregado, deve ficar o mais baixo possível em relação aos pontos de suporte do tanque. Esse requisito costuma ser difícil de cumprir na prática. Quando o centro de gravidade está abaixo do ponto de apoio, isso é benéfico para a estabilidade da estrutura. A posição do centro de gravidade varia com a altura de preenchimento, e ela tem uma influência decisiva no número de sensores necessários. Com um arranjo de sensores em preenchimento simétrico, e considerando que o centro de gravidade se move ao longo de uma linha vertical, é possível criar equipamentos de medição utilizando apenas um sensor. Se, devido às mudanças no material de enchimento, o centro de gravidade se deslocar lateralmente em relação à linha central, todos os pontos de suporte devem ser equipados com sensores. A Figura 2 explica a necessidade de se utilizar sensores em todos os pontos de suporte, à medida que o centro de gravidade (em direção lateral) muda. Figura 2: Tanque com placa de saída inclinada; a posição do centro de gravidade varia dependendo da quantidade de material armazenado. 4. Os tanques de armazenamento, em operações de carregamento e descarregamento, frequentemente necessitam de outras conexões, como para o carregamento e descarregamento do conteúdo dos tanques, bem como para os equipamentos auxiliares eletrônicos, hidráulicos ou a pressão associados aos tanques. A interface de carregamento e descarregamento do tanque pode gerar forças adicionais, causando erros na precisão das medições da balança. Portanto, a interface deve ser flexível na direção vertical. As Figuras 3 a 7 mostram algumas formas viáveis de interface, aspectos que devem ser considerados nas fases de concepção e de desenvolvimento do projeto. Ao conectar tubos rígidos com conexões pouco flexíveis, é razoável que o tanque esteja conectado a um tubo horizontal o mais longo possível. Os tubos horizontais são flexíveis na direção vertical, e quanto maior o seu comprimento, mais flexíveis eles se tornam. A tensão que ele gera nos sensores é correspondentemente pequena, o que não tem importância para a precisão das medições. (Figura 3). Várias seções de tubos flexíveis podem substituir os longos tubos horizontais (Figura 4), sendo conectadas por mangueiras feitas de materiais elásticos e flexíveis, o que evita a aplicação de forças adicionais. Neste caso, é necessário verificar a aceitabilidade dos materiais elásticos para o conteúdo do recipiente e para os produtos de limpeza (como em tecnologias alimentícias e farmacêuticas). Outra possibilidade de reduzir as forças adicionais é através da utilização de tubos curvos (Figura 5). Nos casos em que o tubo é instalado na direção vertical, ou quando é necessário medir a força da gravidade, ou ainda quando não é possível usar mangueiras, uma conexão confiável dos tubos é alcançada por meio de compensadores ondulados (Figura 6). No entanto, ao montar esses compensadores, é necessário manter um nível mínimo de deformação. Se for utilizado um segundo tubo ondulado, e este for conectado ao primeiro por meio de um tubo, será possível permitir uma maior quantidade de deformação. Dica: Em alguns locais que exigem uma limpeza especial (como a indústria alimentícia), os tubos ondulados não são permitidos. A conexão por abertura mostrada na Figura 7 é a melhor opção para reduzir as forças adicionais aplicadas. As conexões abertas evitam o contato entre o tubo e o tanque de armazenamento. No entanto, esse tipo de conexão não pode ser utilizado em sistemas fechados (como recipientes sob pressão). Dica: É necessário ficar atento o tempo todo, pois o material presente nos tubos também é levado em consideração na medição de peso. Os tubos de entrada e saída, que estão conectados diretamente aos tanques de armazenamento, devem manter um peso constante durante o processo de medição. Ou seja: os tubos ou estão vazios, ou sempre cheios. Figura 3: Conexão por tubos horizontais longos. Figura 4: Conexão por tubos elásticos. Figura 5: Tubos em formato de arco. Figura 6: Conexão de compensação por tubos ondulados. Figura 7: Tubos curtos abertos para transporte de carga. 5. A carga de pressão em equipamentos fechados afeta o resultado das medições de pressão do sistema. Isso é especialmente verdadeiro na indústria química, onde os processos de reação exigem altas pressões. Por outro lado, os equipamentos de aspiração criam uma pressão negativa de 100 a 300 mbar sobre as partículas de poeira. Quando os tubos estão conectados verticalmente dentro do recipiente, como mostrado nas Figuras 5 e 6, existe uma força adicional que atua diretamente sobre a medição. Seu efeito corresponde ao produto da pressão pelo perfil transversal do tubo; quando a pressão permanece estável durante a medição, esse fator pode ser levado em consideração ou calculado nesse momento. Os tubos de conexão horizontais são vantajosos, sendo, portanto, preferíveis à instalação de tubos verticais; nesse caso, as forças adicionais correspondentes são absorvidas pelos acessórios de instalação. 6.1 Várias formas típicas de instalação de sensores – Esta seção apresenta, por meio de ilustrações, algumas estruturas típicas de tanques de armazenamento. Os detalhes estruturais relacionados aos problemas específicos serão abordados nas seções correspondentes. 6.1 Para recipientes verticais de enchimento, utilizados para líquidos, mercadorias a granel e outros materiais homogêneos, é viável utilizar uma configuração com duas bases fixas e um sensor. A condição é que a estrutura de capacidade seja simétrica, e que a linha de centro de gravidade do material a ser carregado fique, durante todo o processo de carga, aproximadamente alinhada com uma linha vertical. Em outros casos, especialmente quando se busca maior precisão, é necessário utilizar três ou mais sensores. 6.1.1 A instalação rígida dos sensores – ou seja, a fixação simples e rígida dos sensores no elemento de suporte – geralmente não é recomendada. Essa estrutura não permite que os sensores evitem erros de medição causados por mudanças nas condições de carga, vibrações ou variações de temperatura. 6.1.2 Recipiente vertical equipado com dois suportes e um sensor. Este sistema de medição utiliza um sensor do tipo “pendulo” e dois suportes fixos, que também servem para fixar o recipiente vertical. Essa estrutura de baixo custo permite que o sensor evite certos erros de medição. Figura 8: Tanque vertical com estrutura rígida para instalação de um sensor. Figura 9: Tanque vertical com dois suportes fixos e um sensor. 6.1.3 Tanques verticais sustentados por três ou quatro sensores. Para determinar com precisão o nível de enchimento, geralmente são utilizados três sensores como elementos de medição. No entanto, em estruturas simétricas, também é possível utilizar uma configuração com quatro sensores. Embora essa configuração não seja a melhor, devido ao número excessivo de graus de liberdade e ao custo elevado, ela ainda assim pode ser considerada pelos projetistas. Embora os suportes elásticos de dois pilares não necessitem de barras guia, a maioria deles precisa ser combinada com limitadores fixos. Em tanques verticais especialmente altos, é necessário instalar hastes guia adicionais na parte superior; na ilustração, as hastes cilíndricas são tensionadas com uma força de pré-tenção menor. Nessa posição, a barra de contenção fixa pode entrar em contato com o tanque vertical mesmo com um pequeno desalinhamento inevitável, o que gera uma força adicional devido ao atrito do contato. Geralmente, não se recomenda o uso de travas deslizantes ou guias de corda aqui. Figura 10: Tanque vertical em posição mais elevada. Figura 11: Tanque vertical sobre uma base. 6.1.4 Uso de três módulos de pesagem diferentes para o tanque vertical. Os eixos guia desses módulos estão alinhados com a borda externa da estrutura, permitindo que o tanque permaneça estável horizontalmente, sem a necessidade de outras medidas. Também possui proteção contra levantamento, que impede que o tanque vertical vire. Dessa forma, não é necessário muitos detalhes estruturais na construção ao ar livre. Este diagrama mostra os módulos de pesagem para cargas pequenas, médias e grandes. O uso de módulos de pesagem padrão pode simplificar a estrutura, economizando significativamente nos custos de construção, mas é necessário levar em consideração detalhes como a paralelidade das superfícies de apoio e o alinhamento da altura. 6.1.5 Na prática, ao utilizar módulos de pesagem com tanques verticais munidos de bordas, observa-se que a estrutura externa do tanque circular geralmente se estende até a parte inferior, a fim de garantir a estabilidade de toda a estrutura. Nesse caso, é necessário um método de instalação especial para colocar os sensores corretamente no lugar. A Figura 12 mostra o princípio de funcionamento dessa estrutura, medida por meio de sensores; nesse sistema, o peso é transferido para os sensores. Claro, o módulo de pesagem também inclui proteção contra levantamento (não foi mostrado na Figura 12, para maior clareza). Mesmo uma pequena elevação da estrutura já é suficiente para fazer com que todo o peso seja transmitido ao sensor. Portanto, nesta estrutura é necessária uma junta circular para vedação; ela é muito macia e, portanto, insuficiente para gerar força adicional. Figura 12: Configuração do módulo de pesagem para tanques verticais com bordas. 6.1.6 No local de carregamento, que possui quatro sensores, as vibrações provenientes dos mecanismos de transporte, dos equipamentos de carregamento e descarregamento podem causar instabilidade no recipiente retangular. Além disso, quando o recipiente faz parte de um equipamento móvel, a aceleração pode causar ainda mais instabilidade. Isso sem contar as forças laterais enormes que surgem quando materiais de grande massa são depositados no recipiente, devido à queda sobre suas superfícies inclinadas. Neste caso, é especialmente necessário considerar com antecedência a fixação estável dos guias de pré-tensão. Às vezes, quando não é necessário fazer a medição, o recipiente da balança fica fixo, sendo livre apenas durante a medição. Uma estrutura simétrica em ângulo reto é extremamente vantajosa para a estabilidade, e por isso também é adotada na instalação da maioria dos sensores. Ao mesmo tempo, os sensores geralmente possuem um suporte elástico, como nos sensores de tipo balanço. 6.2 Tanques de pesagem suspensos – Os tanques de pesagem suspensos costumam utilizar mecanismos flexíveis e simples, na forma de barras redondas, para eliminar ou reduzir os problemas relacionados ao alinhamento automático e à ajuste da altura. Além da proteção contra quedas, frequentemente necessária, são necessárias hastes guia para evitar oscilações e rotações. 6.2.1 Os tanques de pesagem suspensos, equipados com dois ou três sensores, possuem, em geral, uma estrutura simples; no entanto, são necessários mais eixos guia dispostos de forma tangencial. Em situações em que a carga aplicada é pequena, essas funções podem ser assumidas pelos tubos localizados na parte inferior do tanque. Figura 14: Tanque suspenso a dois ou três sensores. 6.2.2 Estrutura com o sensor suspenso no centro. Nessa estrutura, é necessário ter proteções contra balanços e rotações. Figura 15: Tanque de pesagem 6.3, montado em um sensor. Nos casos mais comuns, o movimento do ponto de centro de gravidade do líquido está relacionado linearmente à altura de carga. Portanto, instalar sensores sob um dos suportes e bases fixas sob os outros dois suportes pode ser suficiente para realizar medições em situações de carregamento relativamente simples. Um tanque horizontal idealizado distribuiria o peso igualmente entre um sensor de tipo duplo pilar oscilante e dois suportes fixos;, em condições normais, não são necessários outros suportes fixos. Para tanques horizontais muito longos, deve-se adicionar proteção adicional, a fim de evitar que os sensores sejam derrubados por forças laterais. Por exemplo, podem ser utilizados dispositivos mecânicos para restringir os dois extremos do tanque. Dica: Na prática, a simetria da distribuição é frequentemente comprometida por uma ligeira inclinação no lado de saída do líquido. Para tarefas de medição precisa, a melhor configuração é a utilização de três sensores do tipo balanço com dois braços, sendo que o suporte horizontal deve ser fixado com placas de fixação. Figura 16: Tanque horizontal com sensor C16 (esboço)