Sensores Ultrassônicos para Medição de Nível: Aplicações e Guia de Seleção

Sensores de nível ultrassônico são amplamente utilizados para medição de nível industrial sem contato, particularmente em tanques abertos, bacias de águas residuais, tanques de água, poços úmidos e alguns recipientes de armazenamento atmosférico. Determinam o nível medindo o tempo de viagem de ida e volta de um pulso ultrassônico entre o sensor e a superfície líquida. A tecnologia oferece instalação relativamente simples e custo competitivo do sistema, mas seu desempenho depende fortemente das condições no espaço de gás entre o sensor e o líquido.

1. Como funciona um sensor de nível ultrassônico?

Localização do Sinal

O sensor transmite um pulso ultrassônico → O som viaja para a superfície líquida → A superfície reflete o sinal → O sensor recebe o eco de retorno.

Cálculo da Distância

Distância D = c × t / 2, onde c é a velocidade sonora no gás e t é o tempo de viagem de ida e volta.

Uma vez que a distância sensor-superfície é conhecida, o transmissor converte-o em nível líquido usando a distância vazia configurada. Por exemplo, se o sensor estiver instalado 5 m acima do fundo do tanque e a distância medida até à superfície líquida for 2 m, o nível calculado é de aproximadamente 3 m.

Como a velocidade do som no ar muda com a temperatura, os transmissores ultrassônicos industriais normalmente incluem compensação automática da temperatura. Perto da temperatura ambiente normal, a variação relativa na velocidade do som é de aproximadamente 0. 17% por °C, o que faz da compensação de temperatura uma parte importante da medição de nível ultrassônico.

2. Quais são as principais vantagens da medição de nível ultrassônico?

Medição sem contato

O sensor é instalado acima do líquido e não precisa ser imerso, reduzindo a exposição direta à corrosão, contaminação e escala.

Instalação relativamente simples

A montagem roscada, flange ou suporte pode ser usada para tanques de água, bacias, poços úmidos e muitas outras aplicações.

Baixa Manutenção Mecânica

Não há flutuadores, varetas-guia ou outros componentes móveis em contato com o líquido.

Custo-Efetivo para Aplicações Convencionais

Para medição do nível de água atmosférica, a tecnologia ultrassônica pode fornecer monitoramento contínuo a um custo global competitivo do sistema.

Independente da densidade líquida

O instrumento mede a distância superficial, de modo que mudanças na densidade líquida não produzem diretamente o mesmo erro de nível associado à medição hidrostática.

Bem acoplada às aplicações de água

As aplicações típicas incluem tanques de água, bacias de águas residuais, poços úmidos, canais abertos, reservatórios e estações de bombeamento.

3. Quais são as principais limitações dos sensores de nível ultrassônicos?

A principal limitação é quea energia ultrassônica deve percorrer o espaço de gás entre o sensor e a superfície líquida. Mudanças neste espaço podem afetar a velocidade do som, atenuação e força de eco.

Distância de Bloqueamento

Existe uma área próxima do campo onde não é possível uma medição confiável. A distância necessária depende do design, alcance e modelo do sensor.

Efeitos da temperatura

A temperatura do ar altera a velocidade do som. A compensação automática reduz este efeito, mas fortes gradientes de temperatura ainda podem introduzir erros.

Espuma

Uma camada de espuma grossa e solta pode absorver energia ultrassônica e enfraquecer significativamente o eco da superfície líquida real.

Composição do vapor e do gás

Alterações na composição do gás ou concentração de vapor podem alterar a velocidade do som e, portanto, requerem uma avaliação cuidadosa da aplicação.

Poeira

A poeira aérea pesada pode dispersar ou atenuar a energia acústica, fazendo com que o radar valha a pena avaliar para aplicações de sólidos difíceis.

Vacuum

Ondas ultrassônicas requerem um meio de gás para propagação, de modo que os sensores de nível ultrassônicos padrão não são adequados para embarcações perto do vácuo.

4. Qual é a distância de bloqueio de um sensor de nível ultrassônico?

Após um transdutor ultrassônico enviar um pulso, o transdutor continua vibrando por um curto período até que possa receber um eco próximo. A região próxima ao sensor onde a medição válida não pode ser garantida é normalmente chamada dedistância de bloqueio, zona morta ou distância de em branco de campo próximo.

Não há distância de bloqueio universal para todos os instrumentos ultrassônicos. Sensores industriais compactos podem ter distâncias de bloqueio de várias dezenas de centímetros, enquanto transdutores de longo alcance podem exigir uma distância maior.

Regra de seleção:O nível máximo de líquido deve permanecer abaixo da distância de bloqueio especificada do sensor selecionado, com uma margem de segurança adequada.

5. Por que a temperatura afeta a medição de nível ultrassônico?

Instrumentos ultrassônicos calculam distância da velocidade do som e do tempo de viagem. Como a velocidade do som no ar muda com a temperatura, os instrumentos industriais normalmente usam um sensor de temperatura integrado para compensar o cálculo de distância automaticamente.

A compensação de temperatura não elimina todos os erros relacionados com a temperatura. Por exemplo, o ar perto de um sensor montado acima de um tanque exterior pode ficar muito mais quente do que o ar próximo à superfície líquida. Isso cria um gradiente de temperatura ao longo do trajeto acústico, enquanto o instrumento normalmente mede a temperatura apenas perto do transdutor.

As instalações ao ar livre devem, portanto, considerar a proteção solar, ventilação, condensação e o ambiente de temperatura real em torno do sensor.

6. Ultrassônico vs. Medição do nível de radar

7. Quando deve ser avaliado primeiro o ultrassônico ou o radar?

Avaliar a Ultrassônica Primeiro

Tanques abertos ou semi-abertos
    Tanques de água limpa
    Bacias de águas residuais e poços húmidos
    Espuma e vapor limitados
    Pressão atmosférica
    Requisitos de precisão moderados
    Projectos sensíveis aos custos

Avaliar primeiro o radar

Alterações significativas na composição de vapor ou gás
    Alta temperatura, alta pressão ou vácuo
    Longa gama de medição
    Estruturas internas complexas
    Pó pesado em aplicações de sólidos
    Medição de nível sólido
    Requisitos mais elevados de estabilidade a longo prazo

Estes são pontos de partida de engenharia em vez de regras absolutas. Por exemplo, a medição ultrassônica pode funcionar em alguns vasos atmosféricos fechados ou de baixa pressão quando a composição do gás é estável. Da mesma forma, o desempenho do radar na espuma ainda deve ser avaliado de acordo com a estrutura da espuma e as propriedades dielétricas do meio de processo.

8. Processo de seleção do sensor de nível ultrassônico

1. Confirmar intervalo de medição

Determinar a distância máxima do sensor ao nível líquido mais baixo, não apenas a profundidade do tanque.

2. Verificar o Nível Máximo

Certifique-se de que o nível máximo não entre na distância de bloqueio do sensor.

3. Avaliar a superfície

Verifique se há espuma, turbulência, aeração ou fluxo de entrada de alta velocidade.

4. Avaliar o Espaço de Gás

Verifique se há vapor, gases voláteis ou variações significativas de temperatura.

5. Confirmar saída

Selecione 4–20 mA, RS485 Modbus ou outra interface de acordo com o PLC, RTU ou sistema de monitoramento.

6. Comparar o Radar se necessário

Se a aplicação estiver próxima dos limites operacionais da medição ultrassônica, compare o desempenho do radar e o custo total do ciclo de vida.

9. Aplicações Típicas

Águas residuais

Poços molhados, bacias de assentamento, tanques de águas residuais e estações de bombeamento.

Armazenamento de água limpa

Reservatórios de água, tanques de água de incêndio, tanques de água de chuva, e bacias de armazenamento geral.

Hidrologia e Gestão da Água

Canais, reservatórios e outras aplicações de monitoramento de nível aberto.

Tanques Industriais de Água

Tanques de água de processo atmosférico, tanques de circulação e sistemas de controle de nível.

10. Orientações para a instalação

11. Que informações são necessárias para a seleção?

Condições de medição

Nome médio
Distância máxima de medição
Nível máximo de líquido
Turbulência superficial

Ambiente de Processo

Intervalo de temperatura
Pressão
Espuma
Vapor ou gases especiais

Instalação

Dimensões do tanque ou bacia
Posição de montagem
Tamanho da conexão
Localização interior ou exterior

Requisitos eléctricos

Fonte de alimentação
4–20 mA
RS485 Modbus
Requisitos de zona ou compartimento perigosos

FAQ: Medição de Nível Ultrassônico

1. Qual é a distância de bloqueio típica de um sensor de nível ultrassônico?

Não há valor universal. Dependendo do design do sensor e da faixa de medição, a distância de bloqueio pode ser de várias dezenas de centímetros ou mais. Use sempre o valor especificado para o modelo selecionado.

2. Os sensores ultrassônicos podem medir as águas residuais com espuma?

Depende da espuma. Uma pequena quantidade de espuma úmida ainda pode permitir a medição, enquanto uma camada de espuma persistente grossa e solta pode atenuar fortemente o sinal acústico. O radar também deve ser avaliado em aplicações de espuma difíceis.

3. A grande variação de temperatura afeta a medição ultrassônica?

Sim. Os instrumentos industriais normalmente fornecem compensação automática da temperatura, mas fortes gradientes de temperatura ao longo do caminho do som ainda podem introduzir erros adicionais.

4. O radar é mais preciso do que o ultrassônico?

A precisão deve ser comparada com modelos de instrumentos específicos. O radar de alto desempenho pode fornecer medição de nível milimétrico, enquanto instrumentos ultrassônicos de alta precisão também estão disponíveis. O radar geralmente tem um envelope operacional mais amplo em aplicações difíceis de vapor, temperatura, pressão ou de longo alcance.

5. A ultrassônica é uma boa escolha para um tanque de água limpa aberto?

Sim. Para tanques atmosféricos com espuma limitada, faixa de medição moderada e condições ambientais relativamente estáveis, a medição ultrassônica é muitas vezes uma escolha econômica e prática.

6. Por que uma leitura de nível ultrassônico flutua?

Causas comuns incluem espuma, forte turbulência superficial, vapor, gradientes de temperatura, condensação no sensor, alinhamento incorreto do sensor ou ecos falsos de estruturas próximas.

7. Existe uma distância mínima de instalação?

Sim. O nível máximo de líquido deve permanecer fora da distância de bloqueio especificada do instrumento, caso contrário, a medição perto do campo pode tornar-se pouco fiável.

8. Os sensores ultrassônicos podem ser usados em tanques fechados?

Eles podem ser usados em alguns vasos fechados atmosféricos ou de baixa pressão quando a composição do gás é estável. Para alta pressão, vácuo, vapor pesado, ou fortemente mudando a composição do gás, radar ou outra tecnologia devem ser avaliados.

9. Um sensor de nível ultrassônico requer manutenção frequente?

A manutenção é geralmente baixa, mas a face do sensor deve ser inspecionada periodicamente para condensação, depósitos ou gelo, e a instalação e compensação de temperatura devem permanecer em estado normal.

10. Que informações a METRAVON precisa para comparar medições ultrassônicas e de radar?

Por favor, forneça o meio, distância de medição, dimensões do tanque ou bacia, temperatura, pressão, espuma, condições de vapor, posição de montagem e sinal de saída necessário. Esses parâmetros podem ser usados para determinar se o radar ou ultrassônico é mais adequado.

Conclusão

As principais vantagens dos sensores de nível ultrassônico sãomedição sem contato, instalação simples, manutenção relativamente baixa e custo global competitivo. Eles são particularmente adequados para tanques de água limpa, bacias de águas residuais, poços úmidos, sistemas de armazenamento de água e muitas aplicações de monitoramento em águas abertas.

Suas principais limitações estão associadas às condições de propagação acústica, incluindodistância de bloqueio, variação de temperatura, espuma, vapor, poeira e alterações na composição do gás. Quando a aplicação envolver condições de vapor difíceis, temperatura ou pressão elevadas, vácuo, gama de medição longa, poeira pesada ou requisitos de estabilidade mais elevados, deve também ser avaliada a medição do nível do radar.

METRAVON pode comparar medições ultrassônicas e de nível de radar de acordo com o meio de processo, faixa de medição, temperatura, pressão, dimensões do vaso e condições de instalação para ajudar a determinar a tecnologia de medição adequada para cada projeto.