- 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
Depósitos e espumas frequentemente dificultam a detecção confiável de nível. A tecnologia de espectroscopia de impedância mede a intensidade do campo elétrico e magnético em uma faixa de frequência entre 50 e 200 MHz. O tipo de fluido, assim como aderências ou espuma possuem características elétricas diferentes que são usadas na avaliação. São realizadas três medições em cada ponto:
- 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 há presença de fluido, estas medições correspondem ao perfil. Se não houver nenhum fluido ou apenas um resíduo presente, estas medição não correspondem. Se o perfil medido estiver na faixa de comutação verde, a saída do sensor muda a sua condição.
Nenhum fluido presente: a imagem acima mostra a situação quando nenhum fluido cobre a ponta do sensor. A atenuação, condutividade e permissividade são baixas. O perfil está abaixo da faixa de comutação.
Fluido 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.
Presença de resíduos: se apenas aderências cobrirem a ponta do sensor, a condutividade e a permissividade são altas porque há restos de fluido. No entanto, a atenuação é baixa porque há apenas uma pequena quantidade de fluido. O perfil está fora da faixa de comutação e a saída não muda a sua condição.
Outros fluidos possuem perfis diferentes. Usando IO-Link, os valores do processo do fluido podem ser avaliados e usados para diferenciar entre os materiais, por exemplo, óleo vs. água, leite integral vs. leite com 2%, etc.
Particularidades:
- Supressão de resíduos e espuma
- O conceito de vedação sem espaço morto da ponta do sensor de PEEK atende aos requisitos 3A.
- O invólucro de aço inoxidável garante robustez
Todas as versões são programáveis. As pré-configurações de fábrica estão disponíveis para fluidos à base de água, à base de óleo / de pó e com alto teor de açúcar.
O princípio da micro-onda guiada (Guided Wave Radar) utiliza pulsos eletromagnéticos na faixa de nanosegundos. Os impulsos são enviados pela cabeça do sensor e guiados ao longo da haste do sensor. Quando o pulso de micro-ondas atinge o fluido, ele é refletido, captado pela haste do sensor e reenviado para a cabeça do sensor. O tempo de duração entre o envio e o recebimento do pulso (tempo de voo) serve como uma medida direta para a distância percorrida.
Para obter um acoplamento adequado do pulso do radar, é preciso usar uma placa de acoplamento metálica de no mínimo 150 mm² ou 150 mm de diâmetro. Se o reservatório tiver uma tampa metálica, esta pode servir como placa de acoplamento.
A imagem acima mostra um reservatório com tampa metálica. Não é preciso usar uma placa de acoplamento, pois a tampa assume esta função.
No aso de reservatórios com tampas plásticas é preciso usar uma placa de acoplamento metálica. A imagem mostra um flange com um diâmetro mínimo de 150 mm.
Em reservatórios abertos também é preciso usar uma placa de acoplamento. Uma maneira simples de realizar isso é fixando o flange a um suporte metálico.
A superfície de fluidos à base de óleo não reflete o pulso do radar tão bem como a água. Para intensificar e assimilar o sinal, é necessário usar um tubo coaxial.
Com o uso do 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 em uma indicação incorreta do nível. O tubo coaxial também pode ser usado em fluidos à base de água e pode ser encurtado de acordo com o comprimento da sonda.
Particularidades:
- Alguns modelos possuem certificação 3A para a utilização em aplicações de Clean-Out-of-Place (COP)
- Alguns modelos oferecem uma resistência à pressão de 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 reservatório e não de sua forma ou volume. A pressão hidrostática é calculada pela seguinte equação:
Se a densidade e aceleração gravitacional do líquido 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 em um reservatório fechado. Para evitar a oxidação do líquido, pode-se encher com um gás inerte, como por exemplo o CO2 em um 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.