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Echotrekd606628aUniversidade Federal do Paraná - Setor de Tecnologia Disciplina: TE-063 Instrumentação Eletônica Departamento de Engenharia Elétrica Prof.: Eduardo Parente Ribeiro
Curitiba - 09/06/2006 Este trabalho tem como foco a pesquisa de um modelo de transdutor, dentre os vários tipos disponíveis no mercado, sendo que a partir da definição do mesmo será apresentada sua característica técnica, aplicação, principio de funcionamento entre outros fatores. Está é uma forma de complementação dos conhecimentos adquiridos em sala de aula na matéria Instrumentação Eletrônica ministrada pelo professor Eduardo Parente Ribeiro. 1.1 Sensor de Nível Ultra-Sônico O transmissor de nível ultra-sônico compacto da série EchoTREK é uma excelente ferramenta para a medição de nível de líquidos. Baseado no princípio ultra-sônico, sem contato com o meio, a medição de nível que utiliza esta tecnologia é especialmente indicada para aplicações onde por qualquer razão, nenhum contato físico pode ocorrer com o material que se está medindo. Entre estas razões podemos incluir o ataque químico do meio contra o instrumento (ácidos), contaminação (esgotos/efluentes) ou partículas que possam aderir ao equipamento (materiais aderentes). A medição de nível por ultra-som baseia-se na medição do tempo necessário para um pulso de ultra-som percorrer a distância entre o sensor e o material a ser detectado (ida e volta). Este trem de pulsos emitido pelo sensor (que está instalado acima do produto a ser medido) é refletido pela superfície do material. O circuito eletrônico inteligente processa o sinal recebido (eco) e refletido pela superfície do material e calcula a partir do tempo de “vôo” a distância entre o sensor e a superfície, [1]. Medindo-se este intervalo de tempo e conhecendo a velocidade do som no ar pode-se calcular a distância entre o transdutor e o anteparo, segundo a seguinte equação:
Com C0 = velocidade do som no ar (m/s), τ = (tr1- tr2), tr1: inicio da transmissão (s) e tr2: recepção do eco (s). A velocidade do som no ar é uma função da temperatura T (°C), pressão barométrica, umidade relativa e viscosidade do ar. Destas variações as mais significativas são as devidas à temperatura que podem ser expressas assim:
Assim compensando devidamente as variações com a temperatura é possível medir nível de líquidos ou deslocamentos de anteparos com este método.
O transdutor piezoelétrico para uso no ar, fisicamente é um cristal alojado num receptáculo e apoiado num material adequado para fornecer amortecimento posterior de forma a absorver ou refletir a energia na parte traseira deste e um material para acoplamento acústico anterior com impedância acústica específica para acoplamento com o ar. Na figura 2 verifica-se a aplicação deste método para medição de nível de fluidos, [5].
1.2 Elementos Piezoelétricos Os dispositivos piezoelétricos produzem trabalho mecânico quando excitados eletricamente, ou podem gerar energia elétrica quando atuados mecanicamente. São usados materiais como quartzo, titanato de bário e PZT (titanato zirconato de chumbo), também são usados polímeros flexíveis como o PVDF (Polivinilo de Flúor). Estes dispositivos encontram as seguintes áreas de aplicação: Ø Conversão de deslocamentos, acelerações, forças, pressão, tensão e deformação (efeito direto); Ø Produção de deslocamentos, forças ou ondas acústicas em resposta a uma tensão aplicada (efeito reverso); Ø Operação em estruturas ressonantes para melhorar a eficiência de radiação de energia. Ex. Filtragem, geração de pulsos, etc. (efeito direto - reverso). Na Figura 3 temos uma ilustração de como funciona o efeito piezoelétrico em cristais como o quartzo. Os átomos de silício estão em perfeita coordenação com os átomos de oxigênio formando o tetraedro SiO4 que configura a estrutura básica do cristal. Cada átomo de oxigênio é compartilhado com dois átomos de Si. Cada íon de Si com carga +4e é acoplado com 4 íons de O com carga -2e. Sem nenhuma excitação (mecânica ou elétrica) todas as cargas se compensam tornando o material neutro eletricamente. Se a célula é deformada ao longo do eixo x ou Y íons de O são deslocados e cargas elétricas positivas e negativas aparecem. Da mesma forma quando o cristal é excitado com uma tensão elétrica uma deformação mecânica modificará a forma do cristal de forma dinâmica, [5].
Os materiais comerciais piezoelétricos são materiais policristalinos e portanto os domínios piezoelétricos devem ser orientados através de um processo de polarização. Existem diversos modos possíveis de deformação de um cristal piezoelétrico: • Cisalhamento de espessura • Cisalhamento de face • Expansão de espessura • Expansão transversal de comprimento • Expansão paralela de comprimento • Expansão planar Sendo que para a aplicação de transdutores ultra-sônicos, tipicamente se utiliza os modos de Cisalhamento de espessura, Expansão de espessura e Expansão paralela de comprimento, [5]. Para a inspeção ultra-sônica, interessa não só a potência de emissão, mas também a sensibilidade da recepção (resolução). A freqüência ultra-sônica gerada pelo cristal dependerá da sua espessura, cerca de 1 mm para 4 MHz e 2 mm para 2 MHz.
O transdutor escolhido é vendido no Brasil pela empresa NIVETEC Instrumentação e Controle Ltda, localizada em São Paulo, sendo está uma representante da NIVELCO Process Control Company uma empresa da Hungria que desenvolve produtos e tecnologias , tendo suas aplicações em mais de 60 países, com mais de 100 distribuidores pelo mundo, [3]. O transdutor escolhido foi o modelo SGV-36 da série ECHOTREK a 2 fios para medição de líquidos. Sendo que este sensor também pode ser utilizado para a medição de vazão em canal aberto, devido à avançada eletrônica que nele é utilizada, como será apresentado abaixo. 2.1 Dados Técnicos
Tabela 1. [1] O transdutor que utiliza a tecnologia SenSonic? possue um ângulo total de abertura de 5º a -3 dB, assegurando uma medição confiável em silos de pequeno diâmetro cujas paredes apresentam irregularidades bem como em processos cujos tanques possuem vários objetos que entram na área do feixe do ultra-som. Além disso, como resultado do pequeno ângulo de abertura (o sinal de ultrasom (emitido apresenta excelente foco) está a grande capacidade de penetrar através de gases, vapores e espuma. A figura 4 mostra os valores dos raios formados pelo cone de ultrasom considerando determinadas distâncias a partir da face do transdutor), [1].
É estabelecida pelo transmissor uma janela de medição nas proximidades do eco e sua posição determina o tempo de vôo do ultra-som para o cálculo da distância do objeto (alvo) medido. A figura 5 abaixo pode ser vista no osciloscópio, [1].
A seguir são apresentadas algumas figuras do sensor:
Sendo que o preço estimado para esse modelo de sensor fica em torno de R$3.500 a 4.000 reais.
Será apresentado na figura 8 um modelo da aplicação tanto do circuito para se implementar a transmissão como da recepção e amplificação do sinal, tais circuitos podem ser utilizados na localização de obstáculos, um exemplo seria a detecção de obstáculos aplicados em automóveis. Fica claro que a esses circuitos ainda se faria necessário a utilização de um oscilador e um divisor de freqüência, bem como um detector de obstáculos e ainda um circuito para medição da posição e velocidade.
Abaixo será apresentado o modelo para medição da vazão do sensor Echotreck, apresentado às fórmulas para o cálculo sendo que está medição se baseia na variação do nível. Serão apresentadas também fotos de aplicações reais.
0.001 < Q(m3/s) < 5 0.15 < P41(m) < 0.8 0.15 < P42(m) < 3 0.015 < h(m) < 0.8 Q(m3/s) = 1.7599*{1+(0.1534/P41)}*P42*(h+0.001)1.5 (3) Precisão: ±1%
A seguir será apresentado um diagrama de uma aplicação para coleta de dados de nível em um reservatório.
O sensor apresentado possui uma gama de utilizações interessantes, sendo uma de suas principais características o fato de não ficar em contato com o meio que está sendo monitorado, evitando assim danos ao próprio equipamento, e possíveis erros de leituras. Porém devido a sua tecnologia, considerada avançada e ainda não muito difundida ele se torna um equipamento caro para se obter em baixa escala. Através dessas considerações podemos compará-lo com um outro modelo de sensor que acaba tendo uma maior utilização tendo em vista que seu preço médio é de R$1.600 reais. Este sensor Transmissor de Nível Hidrostático baseia-se na medição da diferença de pressão entre a coluna de líquido sobre o sensor (pressão hidrostática) e a pressão atmosférica. Esta diferença é convertida em um sinal de 4-20 mA proporcional ao nível por meio de um transdutor piezo-resistivo cuja membrana (diafragma) de aço inox é pressionada pelo fluido, [2]. Porém este sensor muitas vezes chamado de sonda é utilizado apenas para medição do nível de líquidos, fica submerso no meio a ser medido, e em muitas aplicações fica dentro de um tubo de PVC vazado, ocasionando em certas aplicações tais como a medição de nível em reservatórios onde a água possui sujeiras como exemplo pedaços de madeiras, plásticos, e etc. As leituras podem apresentar discrepâncias, se fazendo necessárias limpezas periódicas, além disso, possui uma precisão inferior ao sensor Ultra-Sônico. Baseado nos fatos apresentados fica claro que o sensor apresentado fica viável para aplicações em que se envolve um maior grau de eficiência nas leituras e diversas aplicações. E para substituir no futuro os sensores hidrostáticos sua tecnologia deve ser mais difundida para que seu valor se torne mais acessível ao consumidor final.
[1] Manual de Instalação e Programação – NIVETEC Instrumentação e Controle Ltda. Informações técnicas obtidas por meio de seu site, consultado em 30/05/2006: http://www.nivetec.com.br/a_pdfmanual/EchoTREK-2%20fios_SE-300_manual.pdf [2] NIVETEC Instrumentação e Controle Ltda. Informações técnicas obtidas por meio de seu site, consultado em 30/05/2006: [3] NIVELCO Process Control Company Informações técnicas obtidas por meio de seu site, consultado em 31/05/2006: http://www.nivelco.com/site.php?upar=PRODUCT&lang=en [4] Detector de Proximidade de Obstáculos – Pedro Encarnação; João Pedro Peralta; Fernando Vendas e Agostinho Rosa. Informações técnicas obtidas por meio de seu site, consultado em 01/06/2006: http://laseeb.isr.ist.utl.pt/publications/1983/1996-10-BioEng-P.pdf [5] Curso de Introdução à Instrumentação em Engenharia Módulo Básico – IPT Instituto de Pesquisas de São Paulo – Mário Gongora Rubio, São Paulo, 2000. Informações técnicas obtidas por meio de seu site, consultado em 02/06/2006: http://www.lsi.usp.br/~gongora/Cursos/Apostila.pdf [6] Ensaios por Ultra-Som Aspectos Básicos – abende Associação Brasileira de Ensaios não Destrutivos – Ricardo Andreucci, 3ª edição, Julho, 2002. Informações técnicas obtidas por meio de seu site, consultado em 02/06/2006: http://www.lsi.usp.br/~gongora/Cursos/Apostila.pdf
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