Hamilton Maranhão in Engenheiros e Técnicos, Industria química, Engenharia e Indústria Engenheiro Master Dec 19, 2017 · 5 min read · 9.2K

Guia Prático - Transmissor de Nível Tipo Ultrassônico

Guia Prático - Transmissor de Nível Tipo Ultrassônico

Princípio de Funcionamento

Um transceptor controla a emissão e a recepção de sinais elétricos através de um transdutor ultrassônico que possui dois elementos piezo elétricos ou um elemento duplo. Quando o primeiro é colocado a vibrar, ele agita o meio que está em sua volta emitindo ondas mecânicas, em específico, um trem de pulsos ultrassônicos. Essas ondas trafegam até atingir a superfície a ser medida e então são refletidas devido a mudança de densidades entre o produto e o ar sobre o produto. Chamamos as ondas refletidas de ecos. Os ecos trafegam de volta até atingir o segundo elemento piezo elétrico que está de forma passiva os receptando. O transceptor então calcula o atraso entre o sinal enviado e o eco correspondente recebido. Esse atraso é usado de forma indireta para calcular a distância entre o transmissor instalado e a superfície a ser medida. Esse princípio de funcionamento é conhecido em português como ECO e em inglês como time of flight. Normalmente é utilizada tal técnica para medição contínua de nível com a instalação do medidor no topo do equipamento. Ver figura 1 para melhor entendimento.

Figura 1 -  Principais variáveis envolvidas na medição ultrassônica que utiliza o princípio time of flight - ECO.


Os valores envolvidos diretamente no cálculo do nível pelo transmissor tipo ultrassônico são:

H: É a distância entre a membrana do sensor e o fundo do tanque que é uma constante a ser inserida na configuração do instrumento que se refere em teoria ao nível máximo que pode ser medido;

ZM: É zona morta que se refere à distância mínima percorrida pelo eco para que o sistema possa detectá-lo como tal. É um limite do instrumento em si e depende diretamente do sinal emitido que é um trem de pulsos. Quanto maior for o tempo deste trem de pulsos maior será a precisão, entretanto, maior será a zona morta;

DS: É uma distância que deve ser adotada de forma a garantir que o nível máximo que o instrumento é capaz de medir e transmitir (calibrado em 20mA) não caia dentro da zona morta o que impossibilitaria tal medição. Ver mais dicas na parte de instalação.

D: É a distância entre a membrana do sensor e a superfície a ser detectada. Esta é a grandeza calculada indiretamente pelo instrumento através do cálculo do atraso da onda refletida e a partir da qual se pode calcular o nível;

S: Se refere ao span que é a altura total que pode ser calibrada e medida excluindo a zona morta. Pela figura 1; observa-se também que o valor máximo do range deve ficar um pouco abaixo da zona morta pois esta última se refere a uma faixa que não pode ser medida.

L: É o nível propriamente dito resultante do cálculo que envolve os valores anteriores.

A distância vazia “D” é calculada pelo transmissor através da simples relação entre espaço (s), tempo (t) e velocidade (V).

V = s.t; ou s = V/t

A distância percorrida pelo trem de pulsos em um tempo t é duas vezes a distância entre o transmissor e a superfície do produto a ser medida, logo:

D = Vuson. t/2

Vuson é a velocidade da onda ultrassônica e t é o tempo que a onda leva para ser emitida até que o eco corresponde a ela seja detectado.

Desta forma pode-se calcular o nível L uma vez que foi inserido no transmissor o nível máximo através da fórmula:

L = H - D

Em casos que a temperatura do ar ou meio entre o medidor e a superfície do líquido for alta deverá ser usado um sensor de temperatura para fazer a compensação da velocidade das ondas ultrassônicas que são maiores a medidas que a temperatura aumenta; proporcional a raiz quadrada da temperatura.

Resta então calibrar o medidor em função das necessidades operacionais sempre tomando cuidado para não considerar a banda morta “BM”.

Figura 2 -  Transmissor de Nível Ultrassônico (Cortesia Endress+Hauser)


O efeito piezo elétrico foi descoberto em 1880 pelos físicos franceses Paul-Jacques Curie e seu irmão Pierre Curie. Em 1917 o também francês Paul Langevin fez uso desse efeito e dos conhecimentos já adquiridos sobre ondas ultrassônicas para criar o primeiro detector ultrassônico de submarinos.


Condições de Processo

Uma vez que o sensor depende da detecção dos ecos para calcular a distância vazia (entre ele e a superfície), então qualquer situação que complique esta detecção, geração destes ecos ou a atenuação deles têm que ser levadas em conta, pois elas limitam diretamente o range dos sensores.

Quanto ao comportamento da superfície do meio, quanto mais agitado for, maior a atenuação e menor será a intensidade do eco refletido comprometendo o range do sensor. A melhor reflexão se dá em uma superfície plana sem turbulência.

Uma superfície líquida sem nenhum tipo de turbulência não gera nenhuma ou muito pouca atenuação. Pequenas ondulações podem atenuar de 5 a 10dB e turbulências em misturadores podem atenuar em até 20dB. A presença de espuma na superfície líquida torna o medidor ultrassônico imprevisível, se for possível instale-o em um tubo acalmador de acordo com as recomendações do fabricante.

Superfície de materiais sólidos como cascalhos e granulados não formam uma superfície plana e geram atenuações que chegam a 40dB. Sólidos que ao ficar armazenados geram uma camada de poeira sobre sua superfície podem geram atenuações de até 20dB. Se a medição for de líquidos e houver uma probabilidade de muitos sólidos em suspensão ou polimerização na superfície, é prudente informar na folha de dados para que seja levado em consideração durante a seleção do instrumento.

A diferença entre a temperatura da superfície a ser medida e a temperatura próxima do sensor também causa atenuação de até 20dB.

Outro aspecto que deve ser observado é a possibilidade de ocorrência de vácuo. Sem meio material para a propagação da onda ultrassônica e do eco, sem sinal.

Desta forma, qualquer uma das possíveis situações anteriores deve ser informada na folha de especificação para que o fabricante oferte o sensor mais adequado e garanta o funcionamento do mesmo.

As outras informações do processo que o engenheiro de instrumentação precisa saber são: Qual o fluído e seu estado, temperatura do fluído e ambiente, nível mínimo, médio e máximo e pressão de operação do equipamento monitorado.

O transmissor ultrassônico suporta temperaturas de -40°C até 80°C e pressões até 3bar(a).

A precisão dos transmissores ultrassônicos é de 1mm a 2mm o que para medições operacionais não relacionadas a transferências de custódia e medições fiscais é bem satisfatório.O range de medição varia entre 5m a 11m a depender do fabricante.

Aplicações

Detecção contínua ou pontual de nível. É indicado para medição continua de nível de colunas líquidas e materiais sólidos e granulados em tanques e caixas abertos e fechados. Exemplos:

Níveis de tanque de armazenamento;

Nível em tanques de efluentes;

Nível de reservatórios e tanques de compensação;

Nível de leitos de filtro.

Vantagens

 Medição sem contato com o produto o que faz este princípio de medição independente de grandezas como densidade, constante dielétrica e viscosidade. Não há necessidade de materiais especiais para o transceptor uma vez que não há contato com produtos possivelmente corrosíveis.

Baixo custo em relação a outras alternativas como o radar de onda livre que normalmente funcionam no mesmo ambiente que o transmissor ultrassônico. Lembrando que a tecnologia ultrassônica não alcança a mesma precisão ou range de um radar.

Baixo custo de manutenção e comissionamento.

Não há partes móveis o que leva a uma pouquíssima necessidade de manutenção.

Desvantagens

As condições de processo como pressão máxima de 3 Bar(g) e temperatura máxima de 80°C limitam as aplicações que se restringem mais a tanques atmosféricos, tanques de baixa pressão e caixas abertas.

A possibilidade de ocorrência de vácuo, forte turbulência e espuma são limitantes para esta tecnologia.

É possível a utilização em silos para a medição de nível de sólidos e grãos, mas nestas aplicações, a superfície a ser medida em poucos casos fica plana e isso exige detalhes de instalação mais complexos e há também em geral uma camada de poeira e o retorno do eco fica assim comprometido.

Recursos

Alguns recursos são possíveis a depender do fabricante o que torna o transmissor de nível tipo ultrassônico ainda mais versátil:

O transmissor ultrassônico herda diversos recursos advindo da evolução recente dos transmissores como indicação local LCD e configuração local pelo teclado, handheldou software de gerenciamento de ativos remotamente, além de capacidade de se comunicar via 4 – 20mA + Hart ou através de outros protocolos de comunicação.

Indicação pode ser remota para facilitar o acesso do operador.

Compensação de temperatura com sensor integrado ou remoto o que permite aumentar a exatidão do instrumento uma vez que a velocidade do som no ar também é uma função que tem como variável a temperatura do ar.

Softwares avançados permitem configurar o medidor de forma rápida e com recursos como supressão de fundo que ignoram o fundo do tanque com obstáculos que dificultam a reflexão das ondas. Outro recurso é a supressão de interferência de eco o que evita que as ondas refletidas pelas paredes e os demais internos do tanque interfiram na medição. Os falsos ecos podem ser programados no processador de forma que quando venham a ocorrer, possam ser ignorados.

Qualidade dos materiais das partes molhadas que são quimicamente inertes e o fato de não haver contato com o fluído torna o equipamento bastante durável.

Sinais de saída

Os transmissores de nível ultrassônicos possuem diversas opções de sinal de saída mas dependem muito do fabricante. Antes de considerar qualquer uma como uma opção é sempre importante avaliar se os fornecedores que estão no vendor list e/ou participando de uma determinada licitação poderão ofertar uma solução que possa ser integrada ao SDCD ou PLC da planta. A seguir alguns sinais de comunicação disponíveis.

·        4 – 20mA + Hart (2 fios ou a 4 fios);

·        Rede Profibus PA

·        Foundation Fieldbus

·        Protocolos de rede proprietários

Dicas Importantes de Instalação

Como é um instrumento comumente utilizado para medições de caixas abertas (sump tank) e tanques de processos sendo instalado no topo do mesmo, o transmissor ultrassônico está frequentemente exposto as intempéries e possui como recurso um pequeno abrigo para proteger o invólucro principalmente quando o mesmo for de plástico. Os raios ultravioletas degradam o plástico usado na construção deste instrumento. Dê preferência para invólucros metálicos como de alumínio com pintura a base de epóxi como revestimento.

A instalação remota é uma opção bastante comum e de fácil fornecimento para este tipo de transmissor.

Um dos requisitos principais é garantir o paralelismo entra o sensor e a superfície a ser medida de forma que todos os ecos refletidos consigam ser captados pelo transceptor de forma a não causar nenhuma degradação do sinal. Desta forma instale o sensor na posição vertical.

                                                     Figura 3 -  Dicas de instalação (Cortesia Endress Hauser)


Não instale o sensor no meio do tanque. O teto em forma de cúpula forma uma espécie de grande antena parabólica que geram ECOS indesejáveis. Considere entre 1/3 a 1/6 do diâmetro do tanque entre a parede do tanque e o bocal onde será instalado o sensor. Os manuais dos fabricantes também informam a distância recomendada.

Não instale o sensor perto das entradas de produto do tanque para que não ocorra falsas detecções de nível no momento do carregamento.

O ângulo de emissão é de aproximadamente 6° com a vertical formando uma espécie de cone. Garanta que este cone fique livre de qualquer obstáculo como como chaves vibratórias, boias, poços termométricos e/ou serpentinas, pois estes poderão gerar falsos sinais de detecção de nível prejudicando assim a medição.

Não instale dois medidores ultrassônicos no mesmo tanque. O mais provável e que um crie interferência no outro. Escolha outra tecnologia para criar uma medição redundante.

Sempre tenha cuidado de manter a ZM (Zona Morta) fora do range que se quer medir. Use um pescoço se necessário. Ao optar por usar um pescoço, consulte os fabricantes para saber quais as dimensões mínimas do pescoço para que não afete a medição. Informar na folha de dados de antemão as dimensões do pescoço também pode ser um bom caminho, pois o fornecedor irá selecionar o sensor adequado. O último caminho é estabelecer uma distância segura (DS) para que não tenha que se preocupar com esta questão. Nesta última opção, sempre há que se levar em conta que haverá uma diminuição do range de medição do mesmo tamanho da distância segura.

Em um tanque fechado; normalmente o transmissor é instalado em um bocal com conexão tipo flangeada. Dois cuidados são necessários. Um é que a superfície do elemento emissor dos pulsos ultrassônicos fique totalmente fora do pescoço do bocal. Algo em torno de 5mm já é o suficiente. O segundo é que os fabricantes padronizaram como conexão ao processo a rosca NPT ou BSP de material plástico; logo será necessária uma adaptação a um flange ou uma a chapa. Um mero desvio de 3° com o eixo horizontal de medição pode ser suficiente para comprometer a confiabilidade e flanges metálicos tendem a quebrar o plástico caso o torque de aperto dos parafusos não seja aplicado com o devido cuidado.

Hamilton Maranhão - Engenheiro de Instrumentação Industrial

Salvador, Dezembro de 2017

Bibliografia

Emerson Process Management - The Engineer´s Guide to Level Measurement - 2012

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Win Van de Kamp – Endress + Hauser - The Theory and Practice of Level Measurement – 2008

Egídio Alberto Bega, Gerard Jean Delmée, Pedro Estéfano Cohn, Roberval Bulgarelli, Ricardo Koch, Vitor Schmidt Finkel - Instrumentação Industrial – 3º Edição – 2011

Technical Information Prosonic T FMU30 Ultrasonic Level Measurement Compact transmitters for non-contact level measurement of fluids, pastes and coarse bulk materials

Rosemount Série 3100 Transmissores de nível ultrassônicos - Folha de dados do produto 00813-0122-4840, Rev. CA - Dezembro de 2011

Rosemount 3101, 3102, and 3105 - Ultrasonic Liquid Level Transmitters - Reference Manual 00809-0100-4840, Rev CB Fevereiro de 2015