Transmissor de nível ultrassónico: erro de compensação de temperatura

Uma variação de temperatura do ar de 25 °C sem correção altera a velocidade do som em 15 m/s e provoca um erro de distância de 4.2-4.4 %. A compensação de temperatura de um transmissor de nível ultrassónico corrige este efeito medindo a temperatura do ar e recalculando a velocidade usada na conversão do tempo de voo. Só é válida enquanto a leitura da sonda representar todo o percurso; pequenas distâncias no interior são fáceis de compensar, mas percursos longos no exterior geralmente exigem uma sonda externa.

A lei da velocidade do som que fundamenta a compensação de temperatura de transmissores de nível ultrassónicos

Um transmissor de nível ultrassónico emite uma salva em direção à superfície do líquido e mede o tempo de retorno do eco. A distância é d = c*t/2, em que t é o tempo de ida e volta e c é a velocidade do som no gás entre o transdutor e a superfície. O transmissor não mede c; assume um valor. No ar seco a 20 °C, esse valor é 343.4 m/s, e a lei linear habitual é c = 331.4 + 0.6*T, com T em °C e c em m/s.

A consequência é um erro de escala puro. Uma variação de 1 °C altera c em 0.6 m/s, ou 0.17 % de 343.4 m/s, pelo que uma distância de 6.000 m se desloca cerca de 10.5 mm por °C se não houver correção. Numa variação entre dia e noite de 25 °C, isso corresponde a 262 mm, ou 4.4 % da amplitude de medição. A compensação de temperatura do transmissor ultrassónico elimina precisamente esta componente: uma leitura de temperatura fornece um valor corrigido de c e o resultado do tempo de voo é recalculado. A qualidade do eco, a zona morta e as condições da superfície não melhoram; apenas a escala de distância muda.

Cálculo do erro de distância numa variação de 25 °C

Exemplo de cálculo baseado em valores de instalação assumidos (cálculo ilustrativo, não dados medidos em campo). Um transmissor é calibrado a 20 °C e mantém, por isso, c = 343.4 m/s. A distância real é 6.000 m. Se o ar no percurso acústico estiver a 45 °C, a velocidade real será 331.4 + 0.6 * 45 = 358.4 m/s e o eco regressará após t = 2 * 6.000 / 358.4 = 33.48 ms. O transmissor sem compensação calcula d = 343.4 * 0.03348 / 2 = 5.749 m e subestima a distância em 0.251 m, ou 4.2 %. Os 4.4 % indicados correspondem à forma linearizada 0.6 * 25 / 343.4 = 4.37 %; o valor exato depende do sentido da variação, pois a razão se inverte.

Com a conversão fixa a 20 °C, ou seja, 343.4 m/s, o erro é -251 mm quando o ar do percurso está a 45 °C e +274 mm quando está a -5 °C. Os 262 mm correspondem à variação de 25 °C linearizada em torno de 20 °C.

Estes são valores calculados para ar seco a 1 bar, não especificações de produto. Confirme a gama de temperatura compensada e a zona morta na ficha técnica atualizada; acima de cerca de 40 °C, é necessário verificar em conjunto o percurso acústico e os limites admissíveis do transdutor.

As condições de validade são ar seco de composição fixa a 1 bar e uma temperatura uniforme ao longo de todo o percurso de 6.000 m. Humidade, vapor de solvente, dióxido de carbono ou uma alteração de pressão modificam c de formas que uma sonda de temperatura não consegue detetar; quando o gás não é ar comum, a própria lei linear é um modelo inadequado.

Sondas de temperatura internas e externas

A maioria dos aparelhos compactos tem um sensor interno ligado ao transdutor ou à caixa. Dispensa cablagem adicional e acompanha bem a temperatura da eletrónica, razão pela qual a compensação de temperatura dos transmissores de nível ultrassónicos costuma estar ativa por predefinição. A limitação é que a caixa não representa o percurso acústico. Uma cobertura exposta ao sol pode manter a caixa 10 °C a 15 °C acima da temperatura do ar no tanque, levando o transmissor a aplicar um valor errado de c a um percurso mais frio.

Uma sonda externa no espaço de vapor, ou um transmissor de temperatura separado ligado ao aparelho de nível, mede o gás que o impulso efetivamente atravessa. Esta é a melhor configuração para tanques no exterior, poços de recolha abertos e qualquer percurso acústico longo. As contrapartidas são um cabo adicional, um segundo ponto de manutenção e a necessidade de manter a sonda afastada da parede, da incidência direta do sol e da superfície do líquido.

• Sonda interna: sem cablagem adicional, acompanha a temperatura da caixa, apresenta desvio sob sol direto.
• Sonda externa: acompanha o percurso acústico, exige um cabo e um ponto de montagem.
• Aparelhos separados: confirme que a sonda e o processador usam o mesmo coeficiente de compensação.
• Compare a leitura interna com uma leitura independente a três alturas; uma diferença superior a 2 °C torna pouco fiável a correção num único ponto.

Erro residual num percurso acústico estratificado

Uma única sonda mede uma temperatura, enquanto o impulso atravessa uma coluna que pode estar estratificada. Numa manhã de céu limpo, o metro superior acima de um poço de águas residuais pode estar 5 °C mais quente do que o ar junto à superfície, e uma pluma de vapor acrescenta um gás diferente. Se a temperatura média do percurso diferir da leitura da sonda em dT, o erro relativo residual é aproximadamente 0.6*dT / c. Para dT = 5 °C a 20 °C, isso corresponde a 3.0 / 343.4 = 0.87 %, ou 52 mm na amplitude de 6.000 m, superior à exatidão de ±10 mm que muitas instalações esperam de um aparelho compensado.

Um tubo tranquilizador pode reduzir o gradiente, mas impõe condições próprias: o interior deve ser liso, a extremidade superior deve ser ventilada para igualar as pressões interna e externa e a extremidade inferior deve ficar submersa abaixo do nível medido mais baixo. Um tubo demasiado estreito ou com um cordão de soldadura produz ecos falsos que nenhum ajuste de temperatura consegue corrigir. A compensação de temperatura dos transmissores de nível ultrassónicos tem, portanto, um limite definido: corrige uma temperatura uniforme do ar, não um gradiente, uma mudança de gás ou o vácuo. Quando um gradiente de 5 °C é habitual, inclua o erro residual no balanço de erros.

Passar para radar quando a compensação não é suficiente

Não confie num transmissor ultrassónico quando o gás acima do líquido não for ar comum a uma pressão próxima da atmosférica. O método não deve ser usado em recipientes fechados cuja pressão ou composição do vapor varie durante o ciclo, em recipientes que possam ser colocados sob vácuo ou onde uma camada persistente de espuma com mais de cerca de 0.1 m cubra a superfície. Em cada caso, não existe uma velocidade do som única a compensar, e o eco pode ser absorvido ou disperso antes de regressar. No vácuo não há qualquer propagação.

Escolha antes um transmissor de nível radar. As ondas eletromagnéticas não precisam de gás para se propagarem, e o seu tempo de percurso não é afetado pela temperatura do ar, pela humidade ou por alterações moderadas de pressão. Esta mudança elimina toda a componente de 0.6 m/s por °C do balanço de erros. Verifique a distância de bloqueio do radar na página de produto atualizada antes de encomendar, porque, numa pequena amplitude, a zona morta próxima da antena pode substituir o erro de temperatura por outra limitação. Um artigo técnico sobre a substituição de ultrassons por radar aborda a conservação da montagem, do cabo e da entrada 4-20 mA existentes quando se muda de princípio de medição.

Registos de comissionamento que comprovam a correção

Registe a correção em vez de pressupor que está ativa. Na entrega da instalação, anote a distância de referência medida com fita métrica ou refletor fixo, a distância indicada, a temperatura do ar no transdutor e num segundo ponto do percurso, o modo de compensação ativo e o coeficiente utilizado. Repita nos períodos mais frio e mais quente do dia; após a aplicação da correção de temperatura, as duas distâncias indicadas devem coincidir dentro do limite de erro da instalação. Se não coincidirem, procure um gradiente, uma mudança de composição ou uma sonda defeituosa antes de ajustar a amplitude.

• Confirme que o coeficiente de compensação configurado corresponde ao cálculo (0.6 ou 0.607 m/s por °C; 0.607 deriva da expressão mais completa c = 331.3 * sqrt(1 + T/273.15)).
• Verifique a zona morta ao nível máximo de funcionamento, tipicamente de 0.25 m a 0.50 m, consoante o alcance.
• Verifique o escalonamento 4-20 mA e o referencial de nível após qualquer alteração da definição de compensação.
• Guarde as leituras antes e depois da intervenção, com a data e a temperatura do ar.

Estes registos tornam auditável a compensação de temperatura do transmissor de nível ultrassónico. Sem eles, não é possível distinguir uma leitura estável de uma correção que, por acaso, esteja errada num dos sentidos.

Perguntas frequentes

Q1. A compensação de temperatura de um transmissor de nível ultrassónico é sempre necessária?

Sim, em qualquer tanque ventilado cuja temperatura do ar varie mais do que alguns graus. Sem compensação, uma variação de 25 °C provoca cerca de 262 mm de erro ao longo de 6.000 m, muito além dos ±10 mm admitidos pela maioria das malhas. Desative-a apenas onde a temperatura do gás for constante, como num tanque interior com ambiente climatizado.

Q2. A compensação pode corrigir uma leitura que varia no sentido inverso?

Não. Uma saída invertida é um problema de escalonamento ou de cablagem. A compensação de temperatura altera apenas o c usado em d = c*t/2; não pode mudar o sinal do nível nem o sentido do sinal 4-20 mA. Verifique primeiro a distância em vazio, a amplitude e o sentido da saída.

Q3. Qual a posição da sonda que oferece melhor correção num tanque exterior?

A melhor escolha é uma sonda externa no espaço de vapor, protegida do sol e afastada da parede. Um sensor interno acompanha a caixa, que pode estar 10 °C a 15 °C acima da temperatura do percurso acústico. Compare ambas as leituras a três alturas; acima de 2 °C de diferença, a correção num único ponto é pouco fiável.

Q4. Que erro permanece após a compensação num percurso de 6.000 m com um gradiente de 5 °C?

Cerca de 52 mm, ou 0.87 % da amplitude, segundo 0.6 * 5 / 343.4. Uma sonda não consegue representar uma coluna de ar estratificada. Um tubo tranquilizador pode reduzir o gradiente, mas deve ser liso, ventilado na extremidade superior e submerso na inferior. Inclua o erro residual no balanço de erros.

Q5. Quando deve o instrumento ser substituído por um transmissor de nível radar?

Quando a fase gasosa não é ar comum: recipientes fechados ou sob vácuo, composição do vapor variável, camadas de solvente e espuma acima de cerca de 0.1 m. Não existe uma velocidade do som única a compensar e o eco pode ser absorvido. O radar elimina a componente de temperatura, embora seja necessário verificar a sua distância de bloqueio.

Q6. O que deve conter o registo de aceitação no local?

As distâncias de referência e indicada, a temperatura do ar no transdutor e num segundo ponto, o modo de compensação ativo, o coeficiente e as leituras antes e depois da intervenção, com a data. Repita nos períodos mais frio e mais quente do dia e guarde ambas as leituras no registo.

RESUMO

A compensação de temperatura de um transmissor de nível ultrassónico elimina um erro de escala previsível: uma variação de 25 °C sem correção desloca uma distância de 6.000 m em cerca de 262 mm, ou 4.4 % da amplitude, enquanto c = 331.4 + 0.6*T reduz o erro a poucos milímetros quando uma sonda representa o percurso. Um percurso estratificado com uma diferença de 5 °C ainda deixa cerca de 52 mm de erro, pelo que os gradientes, a espuma e o vácuo permanecem fora do âmbito da correção. O passo seguinte é registar o coeficiente, a posição da sonda e um par de leituras de referência nos períodos frio e quente.