Transmissores de nível por ultrassom ou radar: princípios, aplicações e guia de seleção

Os transmissores de nível por ultrassom e por radar são tecnologias sem contato amplamente utilizadas para medição contínua do nível de líquidos e de sólidos em estado maciço. Ambos determinam a distância entre o sensor e a superfície do material, mas utilizam tipos distintos de sinais, o que lhes confere comportamentos diferentes diante de variações de temperatura, pressão, vapor, espuma, poeira e condições de processo.

Os instrumentos ultrassônicos utilizam ondas acústicas, enquanto os instrumentos de radar utilizam ondas eletromagnéticas. Essa diferença no princípio de medição é a razão principal pela qual as duas tecnologias apresentam limites de aplicação distintos. A seleção deve basear-se no ambiente do processo, na precisão exigida, nas condições de instalação e no custo total do projeto.

1. Como funciona um transmissor de nível ultrassônico?

Um transmissor de nível ultrassônico é instalado acima da superfície do material e emite um pulso acústico em direção ao líquido ou ao sólido. O pulso é refletido pela superfície e novamente captado pelo transdutor.

O instrumento calcula a distância com base no tempo de ida e volta:

Distância = Velocidade do som × Tempo de ida e volta ÷ 2

Quando a altura de referência da instalação é conhecida, o nível real pode ser calculado da seguinte forma:

Nível = Altura de referência − Distância medida

Uma vez que a onda sonora se propaga pelo espaço gasoso entre o sensor e a superfície do material, variações na temperatura do ar, na composição do gás e na presença de vapor,A espuma e o fluxo de ar eficiente podem influenciar a propagação do som e a qualidade do eco. Por isso, os transmissores ultrassônicos industriais costumam utilizar compensação de temperatura para reduzir o erro associado à temperatura.

2. Como funciona um transmissor de nível por radar?

Um transmissor de nível por radar emite ondas eletromagnéticas de alta frequência a partir de uma antena em direção à superfície do material. As ondas são refletidas pelo líquido ou pelo sólido e recebidas pela mesma antena.

O instrumento determina a distância com base no tempo de propagação do sinal ou, no caso de radar FMCW, na diferença de frequência entre os sinais transmitido e refletido.A distância medida é então convertida em nível real.

O radar não depende da velocidade do som no ar e pode operar em condições de vácuo. Em geral, apresenta menor sensibilidade às variações de temperatura, pressão e fluxo de ar no ambiente. O desempenho real do radar é influenciado principalmente pelas propriedades dielétricas, pelo projeto da antena, pela espuma, pela condensação, pela poeira e pela geometria de instalação.

3.Diferenças Principais entre a Medição de Nível por Ultrassom e por Radar

Item de Comparação	Transmissor de Nível por Ultrassom	Transmissor de Nível por Radar
Sinal de Medição	Onda acústica de alta frequência	Onda eletromagnética / micro-ondas
Método de Medição	Sem Contato	Sem Contato
Variações de Temperatura	A velocidade do som varia com a temperatura, por isso normalmente é necessária compensação.	Em geral, é menos sensível às variações de temperatura do ar.
Pressão de processo.	É mais comumente utilizada em condições de pressão atmosférica ou pressão limitada.dependendo do modelo:	– Versões industriais estão disponíveis para aplicações com vácuo e com pressão mais elevada;
– Condições de vapor e gás;	– Vóodos intensos ou variações na composição do gás podem afetar a propagação;	– Em geral, adequado para uma gama mais ampla de condições na fase gasosa;
– Espuma;	– Espuma espessa pode atenuar significativamente o eco acústico;	– Também pode ser afetado pela presença de espuma.dependendo das propriedades da espuma e do tipo de radar
– Poeira	A poeira densa pode atenuar o sinal acústico.	Frequentemente mais adequada para aplicações em meios sólidos poluídos por poeira.
Vácuo:	Não é adequado, pois as ondas acústicas exigem um meio de propagação.	Adequado:
Influência do meio.	A condição da superfície e as propriedades do espaço gasoso são importantes.	As propriedades dielétricas e a refletividade de eco são importantes.
Posicionamento típico de custo.	Frequentemente econômico para aplicações convencionais de nível de água.	O custo depende da frequência, alcance, temperatura, pressão, certificação e configuração da interface.

4. A medição por ultrassons está limitada a condições atmosféricas?

O intervalo de operação de um transmissor de nível por ultrassons depende do produto específico. Existem instrumentos industriais disponíveis com diferentes especificações de temperatura de processo, temperatura ambiente e pressão, pelo que a medição por ultrassons não se restringe apenas a tanques abertos e completamente não pressurizados.

No entanto, as ondas ultrassônicas precisam atravessar o espaço gasoso acima do material. Altas temperaturas, pressão mais elevada, vapor denso, composição gasosa incomum ou gradientes térmicos acentuados podem tornar o ambiente de medição mais exigente. Essas condições devem ser avaliadas em relação às especificações do transdutor e do instrumento selecionados.

5. O radar pode substituir a tecnologia ultrassônica em todas as aplicações?

A medição por radar e por ultrassons abrange faixas de aplicação que se sobrepõem, embora sejam distintas. O radar oferece, em geral, uma janela operacional mais ampla em processos industriais de alta temperatura, sob pressão, em vácuo, com alta concentração de vapor ou de natureza exigente. Por outro lado, a medição por ultrassons continua a representar uma solução consolidada e econômica para diversos tanques de água, lagoas de águas residuais, canais abertos e aplicações convencionais em ambiente atmosférico.

A tecnologia final deve ser selecionada com base nas condições do processo, no desempenho de medição exigido, nas limitações de instalação e no custo do projeto, em vez de considerar uma tecnologia como substituta universal para a outra.

6. Qual a melhor tecnologia na presença de espuma?

A espuma representa uma condição desafiante para ambas as tecnologias. Espumas espessas podem absorver energia ultrassônica e reduzir significativamente o eco real entre o líquido e a superfície.O radar também pode ser atenuado ou refletido pela espuma, dependendo da espessura da espuma, do teor de água, da estrutura das bolhas, das propriedades do meio e da frequência de operação.

A espuma leve ou intermitente ainda pode permitir medições confiáveis com qualquer uma dessas tecnologias. Já a espuma densa e persistente pode exigir uma comparação mais detalhada entre radar sem contato, radar de ondas guiadas, medição baseada em pressão ou outra tecnologia adequada de nível equivalente.

7. Qual tecnologia é mais adequada para silos de sólidos em pó?

Tanto as tecnologias ultrassônicas quanto as de radar podem ser utilizadas em aplicações específicas com materiais em estado sólido em grande escala; contudo, a presença de poeira, superfícies de material inclinadas e o espalhamento acústico podem reduzir o alcance útil dos instrumentos ultrassônicos.

Radar de alta frequência, especialmente 80GHz O radar emite um feixe estreito que pode ajudar a evitar paredes de silos, feixes e estruturas internas. Por isso, é amplamente utilizado em silos de cimento, grãos, minerais, carvão e matérias-primas químicas.

A seleção deve ainda considerar a concentração de poeira, a altura do silo, o ângulo entre o material e a superfície, as propriedades dielétricas e a posição de montagem disponível.

8. Qual tecnologia oferece maior precisão?

A precisão de medição não pode ser determinada apenas com base nas palavras «radar» ou «ultrassônico». Diferentes instrumentos apresentam classes distintas de precisão, intervalos de medição, capacidade de processamento de sinal e limites de aplicação. A qualidade da instalação e as condições do processo também influenciam o desempenho real em campo.

O radar geralmente mantém medições estáveis em uma ampla faixa de condições de temperatura, pressão e vapor, oferecendo assim mais opções de produtos para aplicações exigentes de controle de processos e armazenamento. Em aplicações convencionais de nível de água com condições estáveis, os instrumentos ultrassônicos também podem fornecer precisão que atenda aos requisitos do projeto.

– 9. Como se comparam os custos?

Não existe uma relação de preços fixa entre transmissores de nível por radar e por ultrassom. O custo do produto depende do alcance de medição, do projeto em radar ou acústico, da precisão, da temperatura e pressão do processo, da proteção do invólucro, da certificação para áreas perigosas, dos materiais utilizados, da estrutura da antena ou do transdutor e das interfaces de comunicação.

Na medição convencional do nível de água em ambientes atmosféricos, os transmissores ultrassônicos costumam oferecer uma solução de boa relação custo-benefício. Em tanques submetidos a temperaturas elevadas ou pressão, em processos sob vácuo, em silos com vapores pesados ou com alta concentração de poeira, a aplicação mais ampla do radar pode atender melhor aos requisitos técnicos.

10. Qual tecnologia se adequa a diferentes aplicações?

Tanques e Reservatórios de Água

Tanto os sistemas ultrassônicos quanto os de radar podem ser utilizados. A seleção pode basear-se no ambiente, na precisão exigida e no orçamento do projeto.

Basinas de Esgoto

Devem ser considerados o movimento de espuma, de vapor e na superfície. A tecnologia ultrassônica é adequada para diversas condições convencionais, enquanto o radar pode ser avaliado em ambientes mais exigentes.

Tanques de Alta Temperatura ou Sob Pressão

Instrumentos de radar com especificações adequadas de temperatura e pressão de processo são normalmente avaliados em primeiro lugar.

recipientes sob vácuo

O radar utiliza ondas eletromagnéticas e é adequado para a medição do nível de vácuo.

Silos de material em massa e sólido;

Alta concentração de poeira, amplo intervalo de medição e geometria complexa do silo tornam o uso de radar de alta frequência particularmente adequado;

Canais abertos

A medição por ultrassons possui um longo histórico de aplicação e vantagem em termos de custo, enquanto o radar também pode ser selecionado conforme as condições ambientais.

11. Quais informações são necessárias para a seleção?

Parâmetro de seleção	Informações para confirmação
Meio de processo	Água, efluentes, óleo, líquido químico, suspensão, pó ou grânulos
Intervalo de medição	Distância máxima entre o sensor e o nível mais baixo previsto
Temperatura de processo	Temperatura de operação normal, mínima e máxima
Pressão de processo	Aberto, atmosférico,Condições de pressão positiva ou vácuo – Condição de Superfície
	Espuma, movimento, agitação ou superfície inclinada entre massa e sólido — Condições do Espaço Gásico
	Vapor, gases voláteis, gradientes de temperatura ou poeira;
Ambiente de instalação;	Diâmetro do tanque, bocal, feixes, agitadores e espaço de montagem disponível
Interface de Saída:	4-20mA, HART, RS485 Modbus RTU ou outra interface exigida;

– Perguntas Frequentes;

– Q1: O radar é sempre superior à medição de nível por ultrassom?

A1: As duas tecnologias possuem faixas de aplicação distintas. O radar é comumente avaliado em condições exigentes de temperatura, pressão, vácuo, vapor e poeira, enquanto tanques de água, canais abertos e aplicações atmosféricas convencionais podem utilizar qualquer uma das tecnologias, conforme os requisitos do projeto.

Q2: Os transmissores de nível ultrassônicos podem ser utilizados em tanques pressurizados?

A2: Alguns modelos selecionados podem operar sob pressão limitada.A pressão de processo admissível depende da construção do transdutor e do instrumento. Vasos sob pressão mais elevada geralmente exigem avaliação por meio de radar ou de outra tecnologia adequada.

P3: O radar é afetado pela espuma?

A3: Sim. O efeito depende da espessura da espuma, do teor de água, da estrutura das bolhas, da frequência do radar e das propriedades do meio de processo. A espuma densa e persistente deve ser avaliada de forma específica.

P4: Por que a medição por ultrassom exige compensação de temperatura?

A4: A velocidade do som no ar varia conforme a temperatura. A compensação de temperatura corrige o cálculo da velocidade do som e reduz o erro de distância associado à variação de temperatura.

Q5: O radar pode operar em vácuo?

A5: Sim. O radar utiliza ondas eletromagnéticas e não requer ar como meio de propagação. O instrumento selecionado deve, ainda assim, atender às especificações exigidas de temperatura de processo, pressão e desempenho mecânico.

Q6: Os sólidos em massa devem ser medidos por meio de ultrassons ou radar?

A6: Ambas as tecnologias podem ser utilizadas para determinados tipos de sólidos.Aplicações em silos com alta concentração de poeira, de longo alcance ou complexas costumam privilegiar radares de alta frequência, enquanto aplicações mais simples, de curto alcance, também podem utilizar medição ultrassônica.

Q7: Um transmissor de nível por radar tem sempre o preço dobro de um transmissor ultrassônico?

A7: Não. Não há uma relação de preços fixa. O custo depende da faixa de medição, frequência, precisão, materiais utilizados, classificação de temperatura e pressão, proteção, certificação e interfaces de comunicação.

Q8: Ambas as tecnologias podem se conectar a um PLC?

A8: Sim. Dependendo do instrumento, podem ser utilizadas interfaces como 4-20mA, RS485 Modbus RTU e HART para integração com PLCs, DCS, RTUs e sistemas de aquisição de dados.

– Conclusão

A principal diferença entre os transmissores de nível por ultrassons e os transmissores de nível por radar reside no sinal de medição. Os instrumentos ultrassônicos utilizam ondas acústicas, de modo que a temperatura do espaço gasoso, a composição, o vapor e a espuma podem influenciar a propagação do sinal. Por seu lado, o radar emprega ondas eletromagnéticas e, em geral, oferece uma janela operacional mais ampla sob condições de vácuo, bem como variações de temperatura e pressão.

O radar não tem como objetivo substituir todas as aplicações ultrassônicas, e a tecnologia ultrassônica não se limita apenas a tanques totalmente abertos e isentos de vapor. Aplicações convencionais de nível de água e em canais abertos podem beneficiar-se da maturidade tecnológica e da eficiência de custo da medição ultrassônica, enquanto aplicações em condições de alta temperatura, pressão, vácuo, alta concentração de vapor ou presença de poeira frequentemente justificam a avaliação do radar.

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