- Visão geral dos sensores de nível
- Visão geral da tecnologia
Visão geral da tecnologia - Sensores de nível
Explicação sobre as tecnologias de sensores de nível
Os depósitos e a espuma muitas vezes dificultam a detecção de níveis fiáveis. A tecnologia de espectroscopia de impedância mede a força do campo eléctrico e magnético a múltiplas frequências entre 50...200 MHz. Cada meio cria um perfil de assinatura único através desta varredura de espectro de alta frequência. Em cada ponto, são feitas três medições:
- Atenuação (amortecimento) do campo eletromagnético
- Condutividade do campo elétrico (capacidade de um material de conduzir corrente elétrica)
- Permissividade do campo magnético (capacidade de polarizar partículas)
Quando o meio está presente, estas medidas coincidem com o perfil. Sem meio presente ou apenas com resíduos presentes, as medidas não coincidem. Quando o perfil medido cai na zona de comutação verde, a saída do sensor muda de estado.
Nenhum meio presente: a imagem acima mostra a situação quando nenhum meio cobre a ponta do sensor. A atenuação, condutividade e permissividade são baixas. O perfil está abaixo da zona de comutação.
Meio presente: a imagem seguinte mostra o perfil com o fluido presente na ponta do sensor. A atenuação, condutividade e permissividade são altas e o perfil medido está dentro da faixa de comutação. A saída muda a sua condição.
Resíduo presente: Quando apenas o resíduo cobre a ponta, a condutividade e a permissividade são elevadas porque há vestígios do meio presente. Mas a atenuação é baixa porque a quantidade do meio é pequena. O perfil está fora da zona de comutação e a saída não muda de estado.
Outros meios têm perfis diferentes. Usando IO-Link, os valores do processo podem ser avaliados e usados para diferenciar entre os materiais, por exemplo, óleo vs. água, leite integral vs. leite com 2%, etc.
Particularidades:
- Supressão da acumulação de resíduos e espuma.
- O conceito de vedação sem espaço morto da ponta do sensor de PEEK cumpre os requisitos 3A.
- O invólucro de aço inoxidável garante a robustez
Todas as versões são programáveis. As pré-configurações de fábrica estão disponíveis para meios à base de água, à base de óleo / de pó e com alto teor de açúcar.
O princípio do radar de ondas guiadas (Guided Wave Radar) usa impulsos electromagnéticos na gama de nanossegundos. A cabeça do sensor transmite os impulsos e estes percorrem a sonda (haste) metálica. Quando a onda atinge o meio, ela é reflectida, captado pela sonda (haste) do sensor e reenviada para a cabeça do sensor. A diferença de tempo entre o pulso transmissor e receptor (tempo de vôo) é directamente proporcional à medição da distância.
Para obter um acoplamento adequado do pulso do radar, é necessária uma placa de acoplamento metálica com pelo menos 150 mm² ou 150 mm de diâmetro. Se o tanque tiver uma tampa metálica, esta pode servir como placa de acoplamento.
A imagem acima mostra um tanque com tampa metálica. Não é preciso usar uma placa de acoplamento, pois a tampa assume esta função.
Num tanque com uma tampa de plástico, é necessária usar uma placa de acoplamento metálica. A imagem mostra uma flange com um diâmetro mínimo de 150 mm.
Num tanque aberto, é também necessária uma placa de acoplamento. Uma maneira fácil de o conseguir é fixando a flange num suporte metálico.
Para meios à base de óleo, a superfície do fluido não reflecte o pulso do radar tão bem como a água. Para intensificar e conter o sinal, é necessário usar um tubo coaxial.
Ao usar o tubo coaxial, a placa de acoplamento descrita acima não é necessária. Isto facilita a montagem. No entanto, a ponte entre a haste da sonda e o tubo coaxial causada por matérias sólidas, emulsões, etc., pode resultar numa indicação incorreta do nível. O tubo coaxial também pode ser usado em meios à base de água e pode ser encurtado de acordo com o comprimento da sonda.
Particularidades:
- Alguns modelos têm certificação 3A para a utilização em aplicações de Clean-Out-of-Place (COP)
- Alguns modelos oferecem uma resistência à pressão até 40 bar
- Estrutura de aço inoxidável
- Resistente a pó, névoa e vapor
A pressão hidrostática é a força exercida por uma coluna de líquido sobre uma superfície. Depende apenas da altura do tanque e não da sua forma ou volume. A pressão hidrostática é calculada pela seguinte equação:
Se a densidade e aceleração gravitacional do fluido for conhecida, a altura (ou nível) do líquido pode ser determinada pela medição da pressão hidrostática.
Uma aplicação de pressão hidrostática comum é a medição do nível num tanque fechado. Para evitar a oxidação do líquido, pode-se encher com um gás inerte, como por exemplo o CO2 num tanque de cerveja. Neste caso, a pressão diferencial pode ser calculada usando dois sensores de pressão. O sensor superior mede a pressão do gás e o sensor inferior mede a pressão do gás mais a pressão causada pelo líquido. A pressão do líquido (e, portanto, o nível do líquido) é a diferença entre as duas medições.
Os sensores capacitivos detectam qualquer tipo de material com ou sem contato. Os usuários podem ajustar a sensibilidade dos detectores capacitivos de proximidade da ifm de tal forma que tanto os fluidos líquidos como sólidos também sejam detectados através de paredes não metálicas de reservatórios.
Para uma detecção de sucesso com ajuda de sensores capacitivos, cerificar-se de que:
- A parede do reservatório não seja metálica
- A parede do reservatório tenha uma espessura de 6 a 12 mm
- Não haja nenhum metal nas proximidades imediatas do sensor
- A superfície ativa do sensor esteja diretamente na parede do reservatório
- O sensor e a parede do sensor estejam aterradas com o mesmo potencial
Os sensores de nível contínuo das séries LK e LT da ifm consistem em 16 elementos de sensores capacitivos dispostos um sobre o outro.
Cada elemento de sensor avalia o seu ambiente para determinar se está coberto por fluido. O microprocessador avalia todos os 16 elementos de sensores para determinar o nível.
As séries LK e LT possuem uma proteção contra transbordamento integrada. O algoritmo para a proteção contra transbordamento funciona independentemente da medição geral do nível. Se as saídas não comutarem como desejado e o nível continuar aumentando, a proteção contra transbordamento obriga as saídas a comutar.
A série LT possui uma saída adicional separada para a temperatura do fluido.
Para e medição de nível, os sensores ultrassônicos detectam ondas sonoras que são refletidas na superfície. A superfície do fluido reflete as ondas sonoras e as informações de distância são determinadas por medição de tempo de voo.
Ao contrário dos sensores ópticos, no caso de sensores ultrassônicos a detecção não é influenciada por cor, transparência ou refletividade do fluido.
Os sensores ultrassônicos são altamente insensíveis à umidade e pó. A superfície ativa vibra a uma frequência muito alta, reduzindo a acumulação de umidade e pó antes que essas substâncias possam afetar negativamente o desempenho. Entretanto, os extremos de temperatura podem afetar a precisão porque a velocidade do som depende da temperatura.
O sensor de distância a laser O1D e o sensor de visão O3D utilizam a tecnologia PMD de tempo de voo (time of flight) para medir a distância até a superfície do fluido. O método do tempo de voo mede o tempo que a luz precisa para atingir a superfície e voltar para o sensor. Depois o sinal é processado por um elemento receptor para o sensor.
Esta tecnologia não é adequada para a medição de nível de líquidos claros. Só pode ser usada para líquidos e matérias sólidas não transparentes.
Sensores por radar
Os sensores por radar detectam sem contato o nível de um fluido. Os sensores de 80GHz, que funcionam de acordo com o método FMCW (FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave), enviam pulsos eletromagnéticos com uma frequência que muda constantemente dentro da faixa de 77 a 81 GHz para a superfície do fluido. A mudança de frequência resulta em uma diferença de frequência entre o sinal transmitido e o sinal refletido. Por meio da diferença entre o sinal de entrada e de saída em um determinado momento, o sensor pode calcular a distância até a superfície do fluido. A tecnologia de medição permite uma resposta rápida para uma medição de nível confiável e altamente precisa.
Qual é a vantagem da tecnologia de 80 GHz?
O tamanho da antena e a frequência são os dois fatores essenciais que determinam o ângulo de abertura e, portanto, o alcance e a precisão de um sensor por radar. Basicamente vale o seguinte: quanto menor for o tamanho da antena, maior será o ângulo de abertura na mesma frequência. Basicamente vale o seguinte:
- Quanto menor for o tamanho da antena, maior será o ângulo de abertura na mesma frequência.
- Quanto maior for a frequência, menor será o ângulo de abertura com uma antena de igual tamanho.
Como mostrado na figura, isto significa: a tecnologia 80Ghz de alta frequência permite um ângulo de abertura relativamente pequeno com uma antena pequena.
Sinal mais forte, menos interferências
Na prática, o alto foco do sinal criado pelo baixo ângulo de abertura torna possível detectar fluidos com uma constante dielétrica baixa, pois o alto foco aumenta a reflexão para o sensor. Além disso, o alto foco evita que obstáculos como agitadores ou esferas pulverizadoras sejam detectados e causem interferência de sinal.
Detecção de nível precisa e de alta resolução ao longo de toda a altura do tanque.
Em aplicações como a detecção de nível industrial, a precisão da faixa de medição em milímetros é de grande importância. A precisão da medição e a resolução da distância (ou seja, a precisão com que as mudanças de nível são detectadas) depende da largura de banda das frequências emitidas. Por exemplo, um sensor de radar de 80GHz operando na faixa de frequência de 77 a 81 GHz alcança uma precisão 20 vezes maior em comparação com um sensor de radar de 24 GHz. Além disso, a alta resolução ajuda a separar o nível do líquido dos reflexos indesejados no fundo do tanque. Isto permite ao sensor medir com precisão o nível do líquido ao longo de toda a altura do tanque e minimizar a área morta no fundo do tanque. Como a alta resolução também reduz significativamente a distância mínima mensurável, o sensor também detecta o nível exato de um tanque completamente cheio.