Medidor de nível capacitivo

São medidores cujo princípio de funcionamento se baseia no efeito capacitivo de dispositivos elétricos capazes de armazenar energia. Nesse caso, os dispositivos são os capacitores, capazes de armazenar uma carga e mantê-la até que sejam descarregados.

Importante mencionar acerca do funcionamento de um capacitor para que a compreensão desse método de medição se torne mais clara.

Um capacitor, como pode ser visto na Figura 4, é formado por duas placas (ou hastes) capazes de armazenar cargas elétricas, separadas uma da outra por um material isolante chamado "dielétrico". Ao se conectar uma fonte de energia a essas placas, os elétrons são atraídos de uma placa e se armazenam na outra, resultando em duas placas com cargas opostas. Como dito anteriormente, os capacitores são capazes de manter essa carga armazenada até que eles sejam completamente descarregados. A quantidade de carga que um capacitor é capaz de armazenar depende basicamente de três fatores: a área dessas placas, a distância entre elas e o tipo de dielétrico utilizado. A equação abaixo formaliza matematicamente essa dependência:

$$ C = k \times \epsilon_0 \times \frac{A}{d} $$

Sendo:

$C$ a capacitância;

$\epsilon_0$ a constante de permissividade do vácuo;

$k$ é a constante dielétrica (sempre maior que 1 para materiais que não sejam o vácuo);

$A$ a área das placas e;

$d$ a distância entre essas placas.

No caso do instrumento industrial, o capacitor é formado de forma que uma das placas é representada por uma sonda e a outra pela parede do próprio reservatório. Porém, quando a carcaça do reservatório não é metálica, utiliza-se outra sonda em vez da parede. O dielétrico é o próprio ar ou a substância armazenada no reservatório. A Figura 5 ilustra um tanque cujo nível está sendo medido através desse instrumento.

O dielétrico varia com o nível do reservatório e essa variação produz uma alteração na capacitância, proporcional a esse nível. Assim, é possível deduzir o valor do nível a partir da medição das variações na capacitância.

Em aplicações onde as substâncias são condutoras de corrente elétrica, a sonda (eletrodo) deve ser revestida com um material isolante como, o teflon. Nesse caso, a constante dielétrica desse material isolante deve ser levada em consideração nos cálculos. No entanto, se a substância for isolante os eletrodos podem estar em contato direto com ela. Então, quando o nível varia, ocorre a variação da constante dielétrica que, por sua vez, causa a variação do valor de capacitância. Lembrando que, se a substância for isolante, a parede do reservatório pode servir como uma das placas do capacitor.

A Figura 6 mostra um caso em que se utiliza um revestimento isolante nos eletrodos.

Os medidores capacitivos podem também ser utilizados como detectores de nível, fornecendo medidas pontuais. Para isso, os sensores, que são eletrodos, devem ser instalados horizontalmente em locais estratégicos do reservatório, de forma que se conheça a distância entre eles. Assim, esses eletrodos podem ser conectados a diversos dispositivos através dos seus terminais, possibilitando a execução de variadas funções, como o acionamento de alarmes, o controle de nível, a mudança de faixa e nível etc.

Como visto, os medidores de nível por variação da capacitância podem ser utilizados tanto para medições contínuas de nível quanto para medições pontuais. Como vantagens desse medidor podemos citar a simplicidade de projeto e a baixa manutenção. Já a sua desvantagem está relacionada com a temperatura, pois ela afeta diretamente a constante dielétrica. Um aumento da temperatura normalmente causa uma redução na constante dielétrica e a alteração da constante pode causar erro na medição do nível. Em casos como esse é necessário uma compensação na temperatura.