Transmissores de Nível por Ultrassom para Condições de Processo de Alta Temperatura, Sob Pressão e Dinâmicas

Os transmissores de nível ultrassônicos determinam o nível de líquido ou de sólidos em estado maciço transmitindo pulsos acústicos em direção à superfície do material e medindo o tempo de retorno do eco refletido. Essa tecnologia permite medições contínuas sem contato, mas seu desempenho real depende de fatores que vão além do próprio transdutor: temperatura, composição do gás, vapor, condensação, turbulência na superfície e geometria de instalação — todos esses fatores podem influenciar a propagação do som e a qualidade do eco.

Para processos de alta temperatura, sob pressão ou com variações rápidas de condições, a medição de nível por ultrassom exige uma consideração cuidadosa dos materiais do transdutor, da classificação de temperatura para o processo, da pressão de processo admissível, da compensação térmica, do processamento de ecos e da posição do sensor. As soluções de medição de nível por ultrassom da METRAVON podem ser configuradas com saídas industriais, como 4-20mA e RS485 Modbus RTU, para integração com PLC s, RTUs, DCS, SCADA e sistemas de monitoramento remoto.

1.Como a temperatura elevada afeta a medição de nível por ultrassom?

A velocidade do som no ar varia conforme a temperatura. Próximo de 0 °C, essa velocidade é de aproximadamente 331 m/s e aumenta cerca de 0,6 m/s para cada aumento de 1 °C na temperatura. Se um instrumento ultrassônico calcular a distância com base numa velocidade do som fixa, variações significativas de temperatura podem causar diretamente um erro na medição de nível.

Os instrumentos industriais de nível por ultrassons utilizam, por isso, habitualmente a deteção de temperatura e a compensação automática. A temperatura medida nas proximidades do transdutor é utilizada para corrigir o cálculo da velocidade do som. Os sensores industriais convencionais são, em geral, projetados para temperaturas de processo moderadas, enquanto transdutores especializados para altas temperaturas podem ampliar a faixa de operação por meio de materiais adequados, eletrónica separada e um design com isolamento térmico.

Alguns sensores ultrassônicos industriais podem operar acima de 100 °C, mas a temperatura máxima suportada depende fortemente do modelo específico. Por isso, a classificação para altas temperaturas deve ser confirmada diretamente na ficha técnica do produto correspondente, e não considerada uma característica universal da tecnologia ultrassônica.

– 2. Por que se utilizam transdutores e componentes eletrônicos separados em aplicações em altas temperaturas?

Em tanques quentes, silos e vasos de processo, o transdutor ultrassônico pode precisar ser instalado próximo ao processo, enquanto a eletrônica de exibição, comunicação e processamento de sinais deve permanecer em uma localização mais fria. Um design em partes separadas permite que o sensor seja montado no ponto de medição e que a unidade eletrônica seja instalada onde as condições ambientais são mais favoráveis.

O transdutor e o controlador são conectados por um cabo dedicado. Os comprimentos padrão e máximos do cabo dependem do projeto do instrumento. Em cabos de longa extensão, devem-se avaliar criteriosamente a integridade do sinal, a interferência eletromagnética, os requisitos de aterramento e de blindagem, em vez de se assumir uma distância máxima universal. Em aplicações de alta temperatura, o

podem também ocorrer depósitos, material carbonizado ou condensação na superfície do transdutor.Portanto, podem ser necessárias inspeções e limpezas periódicas para manter a transmissão acústica e a sensibilidade ao eco.

3. Quais são as limitações de processo e de pressão na medição de nível por ultrassons?

A medição de nível por ultrassons normalmente não é considerada uma tecnologia primária para vasos de pressão muito elevada. A pressão de processo admissível é primeiramente limitada pelo projeto mecânico do transdutor, pelas conexões de processo, pelas vedações e pelo invólucro. Assim, a pressão máxima deve ser confirmada para o modelo específico.

Também é incorreto assumir que o aumento da pressão simplesmente eleve a densidade do gás e, consequentemente, altere a velocidade do som de forma proporcional. Na medição por tempo de voo em ultrassons, a temperatura e a composição do gás são, em geral, os fatores mais diretos que influenciam a velocidade acústica. Em vasos de processo reais, a pressão pode estar associada a alterações na concentração de vapor, na composição do gás, na condensação e na atenuação acústica.

Por essa razão, as aplicações em vasos sob pressão devem avaliar a classificação de pressão de processo, a temperatura de processo, a composição do gás, o vapor e a condensação.juntos. Alguns instrumentos ultrassônicos industriais são projetados para pressões de processo de várias bar, mas o intervalo permitido varia substancialmente entre as famílias de produtos.

Para processos de alta pressão genuína ou processos combinados de alta temperatura e alta pressão, o radar ou o radar de ondas guiadas devem normalmente ser avaliados como tecnologias alternativas de medição.

4. Selagem, Proteção do Carcaço e Áreas Perigosas

No intervalo de pressão especificado, a conexão do processo deve utilizar uma configuração apropriada — com rosca ou flange — e vedações compatíveis, a fim de evitar vazamentos de gás ou líquido do processo. Os materiais das vedações devem ser selecionados com base na temperatura do processo, na compatibilidade química e nos requisitos de pressão.

Em alguns instrumentos ultrassônicos de tipo split, o sensor pode oferecer proteção IP68, enquanto a unidade eletrônica remota possui classificação de proteção IP65 ou IP66.A classificação IP descreve a proteção contra a entrada de poeira e água; ela não define a capacidade de suportar pressões de processo e não substitui a certificação para áreas perigosas.

Quando o instrumento for instalado em uma atmosfera explosiva, a versão específica do dispositivo deve possuir a certificação adequada para a classificação de área perigosa, o grupo de gás ou poeira e a classe de temperatura aplicável.

5. Como são medidas as superfícies de rápida variação ou turbulentas?

O enchimento e esvaziamento rápidos, a turbulência, a agitação e a variação contínua das superfícies de material sólido em estado maciço podem fazer com que a localização e a amplitude do eco ultrassônico mudem rapidamente. Se a resposta do instrumento for configurada em velocidade excessiva, a saída pode apresentar flutuações desnecessárias. Por outro lado, se for utilizado amortecimento excessivo, o valor medido pode reagir com lentidão diante de uma alteração real no processo.

Os instrumentos ultrassônicos industriais podem utilizar reconhecimento de ecos, filtragem digital, amortecimento, limiares dinâmicos e supressão de ecos espúrios para equilibrar a velocidade de resposta e a estabilidade das medições. Esses parâmetros devem ser ajustados de acordo com a dinâmica real do processo, em vez de se aplicar simplesmente a filtragem máxima.

Evite o preenchimento dos fluxos.

Impeda que o líquido entrante ou o material em queda atravesse o caminho acústico primário.

Evite agitadores.

Reduza ecos indesejados provenientes de lâminas, vórtices e estruturas mecânicas em movimento.

Ajuste o amortecimento adequado.

Ajuste a velocidade de resposta e a estabilidade da saída de acordo com a dinâmica do processo.

Suprimir ecos falsos:

– Reduzir reflexões provenientes de tubos fixos, vigas, paredes de vasos e outras estruturas.

– Ângulo da viga, distância de bloqueio e posição do sensor.

– Os transdutores ultrassônicos possuem um feixe acústico definido. Os ângulos típicos de feixe em aplicações industriais podem variar aproximadamente entre 5° e 12°, dependendo da frequência, do diâmetro e da faixa de medição do transdutor.Um feixe mais estreito pode reduzir a probabilidade de paredes de vasos sanguíneos e estruturas internas entrarem no caminho de medição, mas não consegue compensar um posicionamento incorreto do sensor.

O transdutor deve, normalmente, estar orientado para a superfície média do material o mais diretamente possível e deve ser posicionado afastado de pontos de enchimento, agitadores, escadas, vigas estruturais, tubulações e reflexões significativas nas paredes. Em instalações com materiais em estado maciço, deve-se também considerar o ângulo de repouso do material e a variação da geometria da superfície durante o processo de enchimento.

Cada transdutor ultrassônico possui também uma distância de bloqueio — ou zona morta — próxima ao sensor, na qual não é possível realizar medições confiáveis. Dependendo do tipo de transdutor e da faixa de medição, os valores típicos podem variar aproximadamente entre 0,25 e 1,2 m, ou até valores superiores. O nível máximo esperado deve permanecer fora dessa zona, com um margem de segurança adequada.

7. Estabilidade a Longo Prazo e Manutenção

A estabilidade de medição em longo prazo começa com um projeto adequado de aplicação. A distância máxima de medição, o nível mais alto, o meio de processo, a temperatura de processo, a pressão de processo, as condições de vapor, a composição do gás, a dinâmica da superfície e o espaço de instalação disponível devem ser definidos antes da seleção do sensor.

A montagem mecânica deve manter-se rígida e estável. Os cabos de energia, de sinal e de alta tensão devem ser instalados de acordo com as práticas industriais de compatibilidade eletromagnética (EMC). As redes de comunicação RS485 devem utilizar cabos de par trançado adequados e, quando necessário, proteção adequada, aterramento, terminação e proteção contra surtos.

A inspeção rotineira deve abranger a superfície do transdutor, as vedações de processo, o cabo, a conexão de processo e a estrutura de montagem. Poeira, depósitos, condensação ou material carbonizado devem ser removidos utilizando um método de limpeza compatível com o material do sensor. A frequência de manutenção deve ser definida com base nas condições reais de contaminação, e não em intervalos fixos.

8.Saídas de Sinal e Integração de Sistema de Automação –

Dependendo do modelo selecionado, METRAVON Os produtos de medição de nível por ultrassom podem fornecer sinais de 4-20mA, RS485 Modbus RTU, retransmissão ou outras opções de saída específicas para o projeto.

Uma saída de 4-20mA é adequada para sistemas PLC, DCS e sistemas de controle analógico convencionais. O protocolo RS485 Modbus RTU suporta a aquisição de dados digitais e pode ser conectado a PLC s, RTUs, registradores de dados e gateways industriais, permitindo integração adicional com sistemas de monitoramento SCADA, Ethernet, celulares ou IoT.

Para processos dinâmicos, o amortecimento e o tempo de resposta podem ser configurados no nível do instrumento, enquanto filtragem adicional, alarmes e análise de tendências também podem ser implementados no sistema PLC ou SCADA.

9. Parâmetros Técnicos Típicos

Os seguintes valores representam intervalos típicos de engenharia utilizados na medição de nível por ultrassons em ambientes industriais e destinam-se à seleção preliminar de projetos. Valores reais METRAVON Os parâmetros de faixa, temperatura, pressão, tipo de invólucro, saída e especificações de material devem ser confirmados na ficha técnica do modelo selecionado.

– FAQ –

– P1: Qual é a temperatura máxima de processo para um transmissor de nível por ultrassom?

A1: Os instrumentos ultrassônicos industriais padrão são, em geral, projetados para temperaturas de processo moderadas, tipicamente em torno de 80 °C. Transdutores especializados para altas temperaturas podem operar acima de 100 °C, mas a temperatura máxima permitida deve ser confirmada para o modelo específico.

Pergunta 2: É possível utilizar transmissores de nível por ultrassom em vasos sob alta pressão?

A2: A medição por ultrassom normalmente não é a primeira opção para aplicações de alta pressão. Alguns instrumentos podem operar sob pressão positiva limitada, mas a pressão máxima suportável depende do transdutor, da conexão do processo e do projeto de vedação. No caso de processos de alta pressão real, devem-se avaliar o radar ou o radar de ondas guiadas.

Q3: O aumento da pressão altera diretamente a velocidade do som?

A3: A relação não deve ser simplificada dessa forma. A temperatura e a composição do gás são, em geral, fatores importantes que influenciam a velocidade acústica. Em vasos pressurizados, também é necessário avaliar a composição do vapor, o processo de condensação e a classificação de pressão mecânica do instrumento.

Q4: Como se podem medir superfícies de variação rápida ou turbulentas?

A4: A estabilidade pode ser aprimorada mediante o posicionamento correto do sensor, filtragem digital, amortecimento, reconhecimento dinâmico de ecos e supressão de ecos falsos. Os parâmetros de resposta devem corresponder à velocidade real do processo.

Q5: Por que um instrumento ultrassônico de tipo dividido é útil em temperaturas elevadas?

A5: O transdutor pode ser instalado próximo ao processo, enquanto a unidade eletrônica é posicionada em um ambiente mais fresco e de maior acessibilidade, reduzindo a exposição térmica dos componentes eletrônicos.

Q6: O padrão IP68 indica que um sensor ultrassônico é adequado para pressões elevadas no processo?

A6: Não. O padrão IP68 refere-se à proteção contra a entrada de poeira e água.A classificação de pressão de processo constitui uma especificação mecânica distinta, que deve ser confirmada na ficha técnica do produto.

Q7: Como devem ser selecionados o intervalo de medição e a distância de bloqueio?

A7: O intervalo de medição deve abranger a distância máxima entre o sensor e o nível mais baixo previsto, mantendo o nível mais alto fora da distância de bloqueio especificada. Deve ainda ser incluído um margem de engenharia adicional.

Q8: Num processo dinâmico, deve-se adotar uma resposta mais rápida ou uma filtragem mais rigorosa?

A8: As configurações devem ser ajustadas de acordo com o objetivo de controle.Processos rápidos exigem tempos de resposta mais curtos, enquanto o monitoramento de armazenamento pode frequentemente utilizar um amortecimento maior. Uma filtragem excessiva pode atrasar a detecção de alterações reais nos processos.

Q9: Os transmissores de nível ultrassônicos podem ser integrados a um PLC e a sistemas de monitoramento remoto?

A9: Sim. Uma saída de 4-20mA pode ser conectada a entradas analógicas de um PLC ou de um sistema DCS, enquanto o protocolo RS485 Modbus RTU pode ser conectado a PLC s, RTUs, registradores de dados e gateways industriais para Ethernet, comunicação celular ou outras formas de comunicação remota.

Q10: Quais informações são necessárias para a seleção de um transmissor de nível ultrassônico?

A10: As informações importantes incluem o meio de processo, o nível mínimo e máximo, a temperatura de processo, a pressão de processo, as condições de vapor ou gás, a dinâmica da superfície, a geometria de instalação, a potência disponível e a saída necessária ou a interface de comunicação.

– Conclusão

Os limites de aplicação da medição de nível por ultrassons em processos de alta temperatura, sob pressão e dinâmicos dependem da classificação de temperatura do transdutor, da pressão de processo admissível, das condições do gás, da qualidade do eco e da geometria de instalação. Os efeitos da temperatura podem ser mitigados por meio de compensação, enquanto em aplicações sob pressão é necessária uma verificação separada da classificação de pressão mecânica, da composição do gás, das condições dos vapores e da vedação do processo.

METRAVON Os produtos de medição de nível por ultrassom podem ser configurados com intervalos de medição adequados, opções de carcaça, materiais e interfaces, como 4-20mA e RS485 Modbus RTU para integração com PLC s, RTUs, DCS,SCADA e sistemas de monitoramento remoto. A seleção adequada, a instalação, a filtragem e a manutenção periódica podem melhorar a estabilidade das medições a longo prazo e proporcionar uma plataforma compatível para a futura expansão de sistemas de automação.