Saiba tudo sobre medidor de nível ultrassônico!

Medidor de nível ultrassônico

Fala pessoal, tudo certo?

Sentiram minha falta? Demorei, mas estou de volta!

A ideia hoje é falar um pouco sobre o medidor de nível ultrassônico e suas aplicações. Muitos dizem que esta tecnologia está com os dias contados por conta dos radares de baixo custo, o que você acha?

Com certeza, você já viu ou tem algum medidor deste tipo aplicado na sua planta. Seu funcionamento é simples, mas as vezes ele nos gera algumas dores de cabeça por erros de aplicação.

Fica ai comigo e vamos descobrir tudo sobre o medidor de nível ultrassônico.

Tabela de conteúdo:

• Conceito de tempo de voo em medidores de nível
• Princípio de funcionamento do medidor de nível ultrassônico
• Pontos positivos e negativos
• O que é zona morta em um medidor de nível?
• Pontos relevantes sobre medidor ultrassônico
• Diferenças entre medidor de nível ultrassônico e o medidor de nível radar
• Medição de vazão utilizando transmissor de nível
• Medidor de nível na nuvem
• Conclusão

Falando sobre o conceito de tempo de voo em medidores de nível

O tempo de voo (ToF) refere-se ao período em que as ondas acústicas ou eletromagnéticas levam para viajar através de um meio do Ponto A para o Ponto B e retornem. Geralmente o ponto A é o instrumento responsável por criar a onda, o ponto B é a superfície do produto, e o meio é o ar ou vácuo. Bem simples, certo?

Bom, talvez não. O ponto A pode apresentar problemas específicos, e o Ponto B pode não ser o adequado para aplicação da tecnologia ou ainda, apresentar situações que afetam a medição.

Hoje, falaremos mais sobre o ponto A, que neste cenário, é o transmissor de nível ultrassônico.

Princípio de funcionamento do medidor de nível ultrassônico

Em um dos meus primeiros trabalhos de campo, tive que configurar um transmissor ultrassônico da Siemens. Ainda me lembro sobre como fiquei preocupado durante a viagem até o cliente. Eu li o manual técnico algumas vezes, porque estava preocupado com a possibilidade de instalar e configurar o instrumento.

O dispositivo tinha uma configuração local simples e nada mais. No final, tudo funcionou bem e eu fiquei tranquilo para o próximo desafio. No começo da carreira é sempre assim, mas foi bom passar por vários sufocos.

O transmissor de nível ultrassônico funciona com o mesmo conceito de tempo de vôo que o transmissor de radar, mas eles utilizam sinais diferentes. O radar usa ondas eletromecânicas, já o ultrassônico envia ondas mecânicas que viajam na velocidade do som para encontrar a distância entre o sensor e a superfície do produto.

E como o radar, o ultrassônico faz todos os cálculos de nível se você fornecer os dados de processo corretamente. É bem simples!

Aqui está a fórmula:

Distance = (Speed of sound x time delay)/2

Depois de informar ao transmissor a distância até o fundo do tanque reservatório, o transmissor calcula a altura do tanque menos a distância da superfície do produto.

Além disso, não podemos esquecer a banda morta ou zona morta. Todos os transmissores têm uma faixa curta, onde não é feita a medição entre o sensor e a superfície. Então, você precisa considerar sua faixa de medição começando depois da banda morta, normalmente informada pelo fabricante.

Pontos positivos e negativos do medidor de nível ultrassônico

Como qualquer outra coisa, o transmissor de nível ultrassônico tem vantagens e desvantagens. Enquanto outros dispositivos podem ter configurações complexas, o ultrassônico tem uma configuração mais simples.

Além disso, se você tem mudanças de densidade, dielétrica ou viscosidade no produto, ele funcionará apesar das alterações.

No entanto, a espuma, a turbulência, e vapores, podem causar problemas na medição. E se você tem vácuo no campo, então não poderá utilizar essa tecnologia.  Os filmes da saga Star Wars até tentaram fazer com que você acreditasse que o som viaja no vácuo do espaço, mas na realidade, não.

Outro ponto importante é que se você tiver objetos como agitadores no tanque, eles podem interferir na medição de nível do produto.

Agora, vamos falar de aplicação. Nós todos sabemos sobre seu uso para medição de nível. No entanto, você também pode usar um medidor de nível ultrassônico como medidor de vazão.

De fato, se você combiná-lo com uma calha Parshall, por exemplo,  você pode encontrar a vazão volumétrica através da diferença do nível na calha.

O que é zona morta em um medidor de nível?

Um transmissor pode enviar ou receber um sinal, mas não pode fazer as duas coisas ao mesmo tempo. O medidor ou envia ou só recebe o sinal. A zona morta define a curta distância entre o dispositivo e a superfície do produto, onde o sinal retorna rápido demais para o dispositivo receber.

A zona morta na borda superior do tanque é conhecida como “zona morta superior” e a distância do fundo do tanque de “zona morta inferior”.

Pontos relevantes sobre medidor de nível ultrassônico

Este princípio parece simples. No entanto, é importante ter em mente alguns aspectos técnicos para obter medições adequadas:

• A temperatura do ar pode afetar a velocidade do som. Quanto mais quente o ar, mais rápido o som viaja. Assim, um sensor de temperatura integrado pode ajudá-lo a compensar esse efeito. O espaço entre o sensor e o líquido deve estar em uma temperatura uniforme para fornecer dados precisos.
• Seu produto precisa de uma certa densidade para refletir as ondas ultrassônicas. O som viaja mais rápido através do ar do que através de sólidos e líquidos, então uma diferença significativa na densidade entre o ar e o seu produto, resulta em um bom sinal.
• O sensor tem uma distância de bloqueio (zona morta), onde não consegue ler corretamente. Por isso, você deve incluir isso em seus cálculos.
• Produtos diferentes afetam as ondas sonoras de maneira diferente. Por exemplo, os átomos de hélio são menos massivos que as moléculas de ar e, portanto, em uma determinada temperatura, o som viaja mais rápido em hélio do que no ar. Esta é a razão pela qual você inala o hélio de um balão; o tom da sua voz aumenta dramaticamente (quem nunca fez isso? rs)
• O perfil da superfície do líquido é um ponto importante a ser considerado. Se o perfil é turbulento, resulta em espuma. As leituras são defletidas de forma inadequada devido à formação de espuma.
• Obstruções em tanques podem causar reflexões múltiplas e falsas, mas hoje em dia o processamento de sinais ajuda a ignorar esses problemas. Esse problema pode ser eliminado até um certo limite. No entanto, o transmissor de nível radar pode solucionar esse problema.
• As medições de nível são afetadas pela presença de vapor ou vapor acima da superfície de medição. Isso ocorre porque o vapor interrompe a transmissão e a reflexão de um sinal ultrassônico.
• Aplicações de vácuo também não são possíveis com um sensor ultrassônico. O sinal ultrassônico não pode viajar pelo espaço vazio, precisando de um meio como gás, líquido ou sólido para viajar e fazer medições!

Quais as diferenças entre medidor de nível ultrassônico e medidor de nível radar?

Ambos os princípios funcionam usando o conceito de tempo de voo. Mas podemos destacar os prós e contras de cada um deles, e dessa forma, você pode avaliar qual é o melhor para sua aplicação

Eu acredito que os dispositivos ultrassônicos tornaram-se obsoletos. Claro, muitas marcas ainda impulsionam essa tecnologia. Mas com os radares de baixo custo no mercado, é difícil justificar. Ainda assim, pode ser muito cedo para declarar a morte do medidor ultrassônico para nível – mas essa é minha opinião.

De qualquer forma, um ultrassônico usa um sensor piezoelétrico para emitir ondas mecânicas. Como um transmissor de nível sem contato, ele possui um design simples em comparação com outros dispositivos de nível.

Infelizmente, também existe uma zona morta ou uma distância de bloqueio, comprimento específico em que o dispositivo não mede. Além disso, existem vapores e espumas que afetam a medição.

Agora, os radares trabalham com ondas eletromagnéticas, também conhecidas como microondas. Se você precisa de uma solução sem contato, então você pode usar um radar de onda livre, enquanto um radar onda guiada tem a antena em contato constante com o produto.

Alguns fornecedores dizem que você pode aplicar um radar em produtos com espuma e vapor, etc , mas fique atento! Alguns cuidados são necessários.

Independentemente disso, a alteração da frequência de trabalho alterará a dispersão do feixe de sinal, facilitando a instalação em alguns casos. Um  medidor de nível radar mede tudo dentro do tanque por conta do seu princípio de funcionamento, ao contrário do ultrassônico, que para na superfície do produto.

Quais os pontos negativos? Bem, a maioria dos dispositivos de radar são mais caros que o medidor ultrassônico, embora a VEGA e a Endress+Hauser tenham algumas opções de baixo custo. Eles são um pouco mais complexos para montar e configurar e precisam de um líquido com uma constante dielétrica mínima.

Medição de vazão utilizando medidor de nível

Para esta aplicação, as empresas têm usado transmissores de nível ultrassônicos por um longo tempo. Mas ultimamente, os dispositivos de radar de baixo custo se tornaram mais populares.

Existem outras opções, como boias de nível e o método de borbulhamento, mas são raras. Eu já vi um transmissor de pressão hidrostática instalado em um canal aberto. Sério!

Agora vamos falar sobre o princípio de funcionamento.

Você mede a vazão através da mudança de nível em um canal aberto. Assim, quando temos muita água fluindo através do canal, significa que temos um nível alto (h), e com uma vazão de água menor, temos um nível baixo. Esta alteração é proporcional ao vazão de descarga (Q):

Q = f (h)

Parece super simples, certo? Claro, você precisa saber mais algumas coisas. Para conhecer a relação entre a vazão e o nível da água, você precisa conhecer a seção transversal do canal aberto. Depois disso, a curva levantada será a mesma para todos os níveis.

No mercado, você pode encontrar calhas, tubos parcialmente preenchidos, e outros tipos. Tendo o coeficiente K de cada opção, você pode instalar o instrumento e medir a vazão com base na mudança de nível.

Simples assim!

Medidor de nível na nuvem – Internet das coisas

Novas alternativas de medidores de  nível de baixo custo estão aparecendo no mercado. Podemos encontrar medidores do tipo radar e medidores ultrassônicos com conexão na nuvem.

A ideia desses medidores de nível é fazer o monitoramento de algumas aplicações específicas, onde o acesso é complicado, ou onde não existe nenhum tipo de monitoramento.

A conexão é feita utilizando comunicação 4G com a nuvem e não 4-20 mA, onde temos uma aplicação de medição de nível ou vazão. Temos a opção de configurar os medidores remotamente, acompanhar as medições, e ter histórico delas, etc.

Bem legal isso né?

Conclusão

Por mais que eu ache que os medidores de nível ultrassônicos para nível estejam perto do seu fim, ainda existem diversas aplicações no mercado e fabricantes com essa tecnologia. Você tem alguma dúvida sobre o medidor?

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Forte abraço!

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Fabrício Andrade

Tenho 12 anos de experiência no mundo da Automação industrial, comecei minha carreira na JAT Instrumentação, depois trabalhei na Emerson Automation Solutions e Endress+Hauser. Tive a chance de implementar projetos, ministrar treinamentos e resolver problemas em diversas empresas no Brasil e Latina América. Trabalhei por 3 anos na Alemanha em um e-commerce de automação industrial e hoje sou gerente de marketing digital global na Endress+Hauser Suiça focado em IIoT. Além disso, sou cartunista e baterista nas minhas horas de folga.

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