Ultrassom ou radar: como escolher a medição de nível

Resumo de Engenharia –

: Os instrumentos de medição de nível por ultrassom e por radar são ambos utilizados para medição de nível sem contato, mas baseiam-se em princípios físicos diferentes. Os instrumentos por ultrassom utilizam ondas sonoras mecânicas e, por conseguinte, dependem da trajetória do gás entre o sensor e a superfície do produto; já o radar utiliza ondas eletromagnéticas e não requer ar como meio de propagação.Como resultado, o radar geralmente oferece um intervalo de operação mais amplo em vácuo, alta temperatura, vapor, poeira e geometria complexa de recipientes. No entanto, o radar pode ainda ser afetado por espuma, condensação, constante dielétrica baixa e acúmulo de material na antena.

Sumário

• A Diferença Fundamental Entre Ultrassom e Radar

• Como funciona a medição de nível por ultrassom?

• Como funciona a medição de nível por radar?

• Comparação de Desempenho

• Como a temperatura afeta as duas tecnologias?

• Condições de Pressão e Vácuo –

• Como a espuma afeta a medição?

• Qual tecnologia é melhor para silos sujeitos à poeira?

• vapor e condensação

• Ângulo do feixe e espaço de instalação –

• Intervalo e Precisão –

• Radar

• – 26 GHz vs. 80 GHz Aplicações Industriais Típicas –

• Integração de PLC, RTU e Gateway Industrial –

• Tabela de Seleção de Engenharia

• FAQ

A diferença fundamental entre ultrassom e radar

Como funciona a medição de nível por ultrassom?

Um sensor de nível por ultrassom transmite ondas sonoras de alta frequência através do espaço gasoso acima do produto. O som reflete na superfície do líquido ou dos sólidos e retorna ao receptor.

d = v × t / 2

, ondedÉ a distância,vÉ a velocidade do som no gás, etÉ o tempo de propagação de ida e volta.

O ponto importante é que a velocidade do som não é perfeitamente constante em todas as condições de campo; ela varia conforme a temperatura e a composição do gás, razão pela qual os instrumentos ultrassônicos industriais normalmente utilizam compensação térmica.

Como funciona a medição de nível por radar?

O radar transmite sinais eletromagnéticos de micro-ondas em direção à superfície do líquido ou dos sólidos e analisa o eco refletido.

Transmissão por micro-ondas → Reflexão na superfície do produto → Recepção de eco → Processamento de sinal → Cálculo de distância → Conversão de nível

Para radar de pulso:

d = c × t / 2

Para o radar FMCW, a distância é derivada da diferença de frequência entre o sinal de varredura transmitido e o sinal de retorno atrasado.

"26 GHz" e "80 GHz" descrevem a frequência de operação. "Pulse" e "FMCW" descrevem o método de medição e processamento de sinal.

Comparação de Desempenho

Como a temperatura afeta essas duas tecnologias?

A medição ultrassônica depende da velocidade do som no caminho do gás.Como a velocidade do som varia conforme a temperatura, uma compensação incorreta pode gerar erros de distância.

A propagação eletromagnética do radar é significativamente menos sensível às variações normais da temperatura do gás; no entanto, o próprio instrumento radar ainda apresenta limites relacionados à temperatura ambiente, à temperatura do processo, ao selamento e à eletrônica.

Condições de Pressão e Vácuo

Vácuo

As ondas ultrassônicas exigem um meio material, como ar ou gás.Em vácuo ideal, o som não se propaga de forma normal; no entanto, as ondas eletromagnéticas de radar podem propagar-se no vácuo.

Pressão

Para recipientes sob pressão, o projeto mecânico dos instrumentos é fundamental. Confirme a pressão máxima do processo, a classe de pressão da flange, os selos e quaisquer aprovações necessárias.

Como a espuma afeta a medição?

Não é correto assumir que o radar sempre atravessa a espuma, enquanto o ultrassom sempre falha.

Ultrassom e Espuma

A espuma pode absorver, dispersar ou refletir energia acústica. Uma espuma espessa pode reduzir significativamente o eco real da superfície líquida.

Radar e Espuma

O desempenho do radar depende da espessura da espuma, do teor de umidade, do tamanho das bolhas, da densidade, da frequência de operação e das propriedades dielétricas do líquido. Em alguns casos, o radar pode detectar a parte superior da espuma em vez da superfície líquida abaixo dela.

Para aplicações com espuma espessa, defina se o objetivo da medição é a interface líquida real ou a superfície superior da espuma.

Qual tecnologia é mais adequada para silos com poeira?

Alta concentração de poeira de cimento, pó mineral, poeira de carvão ou poeira de grãos pode atenuar e dispersar a energia ultrassônica.O

Radar é geralmente mais adequado para ambientes com poeira densa; no entanto, poeira extrema, acúmulo de poeira na antena e produtos com baixo dielétrico podem ainda reduzir a qualidade do eco radar.

Para silos com material sólido em grande volume de difícil manuseio, é frequentemente recomendável avaliar primeiro o radar de feixe estreito de 80 GHz.

Vapor e Condensação

Vessos quentes podem gerar vapor, gradientes de temperatura, alta umidade e condensação.Essas condições podem afetar significativamente a velocidade do som ultrassônico e a transmissão de energia acústica. Por isso, o radar

é frequentemente preferido em ambientes com alta concentração de vapor; no entanto, uma condensação intensa na antena do radar pode ainda reduzir a qualidade do eco ou gerar ecos falsos.

Por que o ângulo do feixe é importante?

Nem o ultrassom nem o radar são uma linha infinitamente fina; ambos geram um feixe ou um cone de medição.As paredes de tanque, vigas, escadas, agitadores, bobinas e tubulações de enchimento localizadas dentro dessa viga podem gerar reflexões indesejadas.

Uma das principais vantagens do radar de 80 GHz é a sua capacidade de gerar um feixe estreito mediante um design adequado da antena. Isso é especialmente útil para tanques de pequeno diâmetro, reatores, silos estreitos e posições de montagem próximas à parede do recipiente.

Como deve ser comparada a distância e a precisão?

Não considere números fixos, como "ultrassom 50 m" ou "radar 70 m", como limites industriais universais; a distância real depende do modelo específico e das condições do processo.

A distância de ultrassom depende da potência acústica, da frequência, da temperatura, do pó, do vapor, da área do alvo e do ângulo de superfície.

A distância de radar depende da frequência de operação, do ganho da antena, da constante dielétrica, da geometria da superfície de sólidos, do pó, do processamento de sinal e da estrutura de instalação.

A pergunta de engenharia correta é:Qual é o alcance efetivo deste modelo específico nas minhas condições reais de meio e processo?

O radar é sempre mais preciso do que o ultrassom?

Alta performance FMCW O radar de ondas milimétricas pode alcançar uma excelente resolução e precisão ao nível milimétrico, mas nem todo radar é mais preciso do que todo instrumento ultrassônico.

Para tanques de água simples, a medição ultrassônica pode atender plenamente à precisão exigida. O radar costuma oferecer vantagens adicionais em tanques de alta precisão, silos complexos e aplicações de controle de processo exigentes.

– Radar de 26 GHz vs. Radar de 80 GHz;

Diferenças de instalação

Instalação ultrassônica

• : Alinhe o sensor aproximadamente perpendicularmente à superfície do produto.

• : Evite áreas de fluxo de enchimento.

• : Evite paredes ou estruturas internas.

• : Considere a compensação térmica.

• : Mantenha a superfície do transdutor limpa.

• : Evite zonas de vapor intensos ou de fluxo de gás forte.

: Instalação de radar

• : Evite alinhamento direto com o fluxo de enchimento.

• Utilize o ângulo do feixe para evitar paredes e estruturas internas.

• Evite contaminação grave da antena e condensação.

• Verifique a geometria da bocal.

• Configure corretamente as calibrações vazia e preenchida.

• Realize o mapeamento de eco falso sempre que necessário.

Aplicações Industriais Típicas

1.Tanques de água simples e bacias abertas –

: tanto o método ultrassônico quanto o radar podem ser utilizados, dependendo do orçamento, da precisão exigida e da interface de comunicação.

2. Silos para cimento, pó mineral e carvão –

: o radar é geralmente preferido para ambientes com poeira pesada, longo alcance, superfícies de sólidos irregulares ou geometria de silo complexa.

3. Tanques e reatores químicos –

Transmissor de Nível por Radar → 4–20 mA/HART → PLC / DCS

4. Tanques de pequeno diâmetro

Em locais onde o espaçamento com a parede é limitado, deve ser avaliado o uso de radar de feixe estreito (80 GHz) ou radar de onda guiada.

5. Monitoramento Remoto de múltiplos silos

Transmissores de Nível por Radar →RS485 Modbus RTU→ RTU / Gateway Industrial →4G/ Ethernet →SCADA/ IoT

– Integração de PLC, RTU e Gateway Industrial;

– Campo de 4–20 mA;

Transmissor de nível → 4–20 mA → PLC AI / DCS

; 4–20 mA/HART

Transmissor de Nível por Radar → 4–20 mA/HART → Sistema PLC / DCS / HART –

RS485 Modbus RTU

Instrumento de Nível → RS485 Modbus RTU → PLC / RTU / Gateway Industrial

Radar → RS485 → Gateway → 4G / Ethernet → MQTT / HTTP → SCADA / Servidor do Cliente

Tabela de Seleção Engenheirística

Qual informação deve ser fornecida antes da seleção?

Perguntas Frequentes (FAQ)

P1: Qual é mais precisa – medição ultrassônica ou medição por radar?

O radar de alto desempenho pode oferecer maior resolução, mas a precisão real deve ser comparada modelo a modelo.

P2: A medição ultrassônica pode ser utilizada em vácuo?

Normalmente, não.As ondas ultrassônicas exigem um meio material, como um gás ou outro material. As ondas eletromagnéticas de radar podem se propagar no vácuo.

Q3: O radar é totalmente indiferenciado pela espuma?

Não. A espuma espessa ou úmida pode atenuar ou refletir os sinais de radar. Em alguns casos, o radar mede a superfície da espuma.

Q4: Por que o ultrassom é menos adequado para silos com alta concentração de poeira?

A poeira suspensa densa pode absorver e dispersar a energia acústica, reduzindo o eco utilizável.

Q5: É possível utilizar radar em vácuo ou sob alta pressão?

Os sinais de radar podem se propagar no vácuo; no entanto, a classificação mecânica de resistência à pressão do instrumento, os selos e a conexão de processo devem ser compatíveis com o recipiente.

Q6: A medição ultrassônica exige compensação térmica?

Normalmente, sim, pois a velocidade do som varia conforme a temperatura.

Q7: Por que o radar de 80 GHz é adequado para tanques de pequeno porte?

A sua comprimento de onda mais curto permite o uso de antenas de feixe estreito, o que reduz as reflexões provenientes das paredes dos navios próximos.

Q8: O radar é sempre necessário para uma simples bacia de água?

Não. Se o processo for simples e não houver vapor, espuma ou gradiente de temperatura significativo, a medição ultrassônica pode ser uma solução econômica.

Q9: Ambos os métodos — ultrassônico e radar — podem ser conectados a um PLC?

Sim, dependendo da interface do produto. As opções mais comuns incluem a interface de 4–20 mA e a interface RS485 Modbus RTU; no entanto, muitos instrumentos de radar também suportam o protocolo HART.

Q10: Deve-se comparar principalmente o preço entre soluções ultrassônicas e de radar?

Não. Primeiro, confirme a adequação do processo; depois, compare a distância de alcance, a precisão, a instalação, a interface de comunicação, a manutenção e o custo ao longo do ciclo de vida.

Conclusão:

— O ultrassom e o radar são ambas tecnologias de medição de nível sem contato, mas a física de propagação de cada uma impõe limitações distintas para sua aplicação. O ultrassom é economicamente vantajoso para muitos tanques e bacias simples; por outro lado, o radar geralmente oferece um intervalo de operação mais amplo para aplicações em vácuo, presença de poeira, altas temperaturas, vapor, componentes internos de recipientes complexos e aplicações com sólidos em grande volume e longo alcance.

: Ao escolher entre tecnologias de medição de nível — como ultrassom, radar de 26 GHz, radar de 80 GHz, radar de ondas guiadas ou qualquer outra tecnologia —, deve-se considerar o meio, a faixa de frequência, a temperatura, a pressão, a espuma, a poeira, o vapor, a geometria do recipiente, o espaço de instalação, a precisão e a interface de comunicação.

METRAVON Seleção de medidores de nível industrial

– Para a avaliação do projeto, forneça o meio (líquido ou sólido), a distância máxima de medição, as dimensões do recipiente ou silo, a temperatura e pressão do processo, as condições de vácuo, condições de espuma, vapor, poeira ou condensação, as estruturas internas, a conexão de processo, a interface de comunicação, o sistema hospedeiro, bem como fotos ou desenhos do local.