Na indústria, o controle e monitoramento do nível de um processo é crucial para evitar desperdícios, vazamentos, transbordamentos e danos aos equipamentos, além de garantir a eficiência e a qualidade do produto final. O nível de um processo é a altura que um líquido ou sólido ocupa em um recipiente, tanque, reservatório ou silo. Essa altura pode variar de acordo com as condições do processo, como pressão, temperatura e vazão. Por isso, é necessário medir o nível de forma precisa e confiável.
Como sabemos podemos a medição de nível pode ser contínua com o uso de transmissores com sinal de saída variável na grande maioria das vezes sinal de corrente de 4-20mA, ou pontual com chaves de nível que fornece saída discreta (ligado ou desligado) para o sistema de monitoração e controle.
Neste artigo estaremos explorando o funcionamento da chave de nível ultrassônica
O controle e a monitoração da variável de processo nível é um dos mais importantes na indústria em geral. Esta variável está junto com pressão, temperatura e vazão como uma das mais importantes. A medição de nível trata de saber em última análise qual o comprimento de uma linha imaginária perpendicular à superfície de um produto no interior de um equipamento em relação a um ponto de referência na sua base. A medição de nível pode ser contínua com o uso de transmissores com sinal de saída variável; ou pontual com chaves de nível e uma saída discreta para o sistema de monitoração e controle.
Construção da Chave de Nível Ultrassônica
Um chave ultrassônica é um dispositivo que utiliza som de alta frequência inaudível (ultrassom) para detectar a presença ou ausência de um líquido em um ponto específico. Este dispositivo é composto por uma unidade de controle eletrônico e um sensor. Chaves de nível ultrassônicas aproveitam as diferença de propriedades da transmissão sonora em gases (ar e ou vapor ) e líquidos para detectar o nível do líquido. Enquanto o som perde grande parte de sua intensidade ao viajar pelo ar, ele retém quase toda a sua intensidade ao se propagar pelo líquido.
Para determinar o nível do líquido, é essencial discernir entre a presença de líquido ou gás (ar) na cavidade do sensor. Devido à maior densidade do liquido quando comparado com os gases, os líquidos oferecem uma condição mais eficiente para a transmissão de som. O sensor possui dois cristais piezoelétricos é configurado de modo que um lado da cavidade para emitir ondas sonoras de alta frequência, geralmente entre 1 e 3 MHz, através da abertura em direção ao circuito eletrônico receptor. Quando o líquido está presente, o lado receptivo detecta uma quantidade considerável de som. Por outro lado, na presença de gás (ar), apenas uma pequena quantidade de som é detectada. Esse contraste na recepção do som é identificado pela eletrônica, que, por sua vez, aciona um relé de acordo com essa diferenciação.
Ao receber as ondas sonoras, o cristal receptor converte essa energia sonora em um sinal elétrico. Esse sinal elétrico é então enviado para a unidade eletrônica do dispositivo, onde é processado. A partir desse processamento, a eletrônica determina se a lacuna entre os cristais contém líquido ou ar. Essa abordagem permite que os sensores ultrassônicos identifiquem com precisão a presença de líquidos em um ambiente, fornecendo informações cruciais para uma ampla gama de aplicações industriais e de automação.
Princípio de funcionamento do interruptor de nível ultrassônico.
As chaves ultrassônicas utilizam um par de cristais piezoelétricos encapsulados em epóxi na extremidade do transdutor. Estes cristais possuem propriedades piezoelétricas, o que significa que eles podem gerar uma corrente elétrica quando submetidos a uma tensão mecânica e, inversamente, vibrar mecanicamente quando uma tensão elétrica é aplicada.
Quando uma voltagem é aplicada aos cristais piezoelétricos por meio da eletrônica, um dos cristais, denominado “cristal transmissor”, converte essa voltagem em vibrações mecânicas de alta frequência. Essas vibrações mecânicas são então transmitidas pelo meio, como ar ou líquido, na forma de ondas ultrassônicas.
Essas ondas ultrassônicas são então direcionadas através da espaço do cristal transdutor para o outro cristal, conhecido como “cristal receptor”. O cristal receptor é capaz de converter as ondas ultrassônicas de volta em sinais elétricos, os quais são interpretados pela eletrônica do dispositivo.
Essa troca de sinais entre os cristais piezoelétricos permite que a chave ultrassônico detecte a presença ou ausência de líquido na lacuna com base na intensidade do sinal recebido. Quando há líquido presente, o sinal recebido pelo cristal receptor é mais forte, indicando a presença de líquido na lacuna. Por outro lado, se não houver líquido e apenas ar estiver presente, o sinal recebido será mais fraco. Essa diferença na intensidade do sinal é interpretada pela eletrônica do dispositivo para acionar o interruptor de acordo com a condição detectada.
Quando líquido está presente na lacuna, o cristal receptor consegue captar o sinal ultrassônico e convertê-lo de volta em um sinal eletrônico. Esse sinal é então enviado para a unidade eletrônica, indicando a presença de líquido na lacuna do transdutor. Por outro lado, se não houver líquido na lacuna, o sinal ultrassônico será atenuado e não poderá ser detectado pelo cristal receptor.
O transdutor ultrassônico opera de forma contínua para monitorar a lacuna e determinar a presença ou ausência de líquido. Quando utilizado como um interruptor de alto nível, se o sistema detectar uma lacuna úmida, a eletrônica irá ativar imediatamente um relé. De maneira similar, quando empregado como um interruptor de baixo nível, o transdutor monitora constantemente a lacuna em busca de uma condição seca. Essa capacidade de monitoramento contínuo permite uma detecção precisa do nível de líquido e uma resposta rápida às mudanças nas condições do ambiente.
A eletrônica do sensor então processa esse sinal elétrico para determinar se o espaço entre os cristais está preenchida com líquido ou ar. Se o sinal indicar a presença de líquido, o sensor pode ativar a chave ou enviar um sinal para um sistema de controle, indicando que o nível do líquido atingiu um determinado ponto.
Esses sensores são comumente usados em aplicações industriais e automotivas para detectar o nível de líquido em tanques, reservatórios e sistemas de controle de líquidos. Sua capacidade de operar em altas frequências permite uma detecção precisa e confiável, mesmo em ambientes desafiadores.
A transmissão de ondas sonoras ultrassônicas pelo ar resulta em uma considerável perda de intensidade das ondas. No entanto, quando há presença de líquido, a transmissão das ondas sonoras se torna significativamente mais eficiente. Isso se deve às propriedades de condução do líquido em comparação com o ar.
Os sinais elétricos originados pela unidade de controle eletrônico são convertidos em pulsos de energia ultrassônica pelo sensor. Através de um espaço entre os sensores, é possibilitada a detecção da presença de líquido. Quando a eletrônica identifica o sinal, habilita o detector, garantindo que apenas sinais válidos sejam considerados como indicativos da presença de líquido.
Um relé é então acionado por este sinal, e isso resulta na geração de uma condição de saída específica. Esse processo é fundamental em diversas aplicações industriais e de automação, onde é essencial monitorar e controlar o nível de líquidos em tanques, reservatórios e sistemas de fluxo.
Na extremidade da chave ultrassônico, são empregados dois cristais piezoelétricos em dispositivos , os quais são encapsulados em epóxi para proteção. Quando uma voltagem é aplicada, os cristais cerâmicos dos transdutores vibram em uma frequência específica. O primeiro cristal, chamado de “cristal transmissor”, converte a voltagem em um sinal ultrassônico quando é acionado pela eletrônica conectada a um dos cristais.
O segundo cristal, denominado “cristal receptor”, capta o sinal ultrassônico e o converte de volta em um sinal elétrico através do líquido que preenche a lacuna do transdutor. Esse líquido, variando de acordo com o sinal, permanece na lacuna do transdutor e é entregue à eletrônica. Se não houver líquido presente, o sinal ultrassônico será enfraquecido e não será detectado pelo cristal receptor.
O transdutor ultrassônico continua a escanear a lacuna de forma contínua para detectar a presença de líquido. Quando utilizado como um interruptor de alto nível, um dispositivo elétrico ativa um relé imediatamente após detectar uma lacuna molhada. Da mesma forma, quando operando como um interruptor de baixo nível, o transdutor verifica continuamente a lacuna em busca de uma condição seca.
Aplicação e Limitações do Interruptor de Nível Ultrassônico
Os interruptores de nível ultrassônicos oferecem a vantagem de não exigirem calibração ou configuração em uma ampla variedade de aplicações industriais. No entanto, é crucial compreender suas limitações e considerar cuidadosamente os critérios de seleção antes de implementá-los em um sistema.
Primeiramente, é importante ressaltar que esses dispositivos são adequados apenas para a detecção de líquidos. Eles não podem distinguir entre gases ou entre um gás e um sólido. A detecção precisa depende da uniformidade da densidade do líquido.
Além disso, os interruptores de nível ultrassônicos são eficazes apenas em líquidos puros. Líquidos com alto teor de sólidos não conseguem transmitir o som adequadamente para permitir uma detecção precisa. Geralmente, o limite máximo permitido é de 5% de sólidos suspensos.
A capacidade do líquido de fluir é outra consideração crucial. Se o líquido não puder fluir adequadamente para fora do espaço do sensor, podem ocorrer alarmes falsos. Se um líquido for muito viscoso para passar por uma fenda de 3/4″, o dispositivo não funcionará corretamente. Embora algumas técnicas de montagem possam mitigar esse problema, certos líquidos extremamente viscosos podem ser inadequados para essa aplicação.
A presença de bolhas também pode afetar o desempenho dos interruptores de nível ultrassônicos, especialmente em fluidos mais viscosos. Grandes bolhas em líquidos espessos podem impedir que o sinal sonoro atravesse a lacuna, comprometendo a detecção. Mesmo em líquidos de baixa viscosidade, bolhas muito pequenas (como as geradas pelo Alka-Seltzer na água) podem interferir no funcionamento do dispositivo.
Seguir essas orientações garantirá o funcionamento adequado dos interruptores de nível ultrassônicos, eliminando a necessidade de calibração ou ajustes periódicos. No entanto, é fundamental entender as limitações e considerar cuidadosamente as condições específicas de cada aplicação antes de implementar esse dispositivo
Medição de Nível (Pressão diferencial) – Dicas de Instrumentação (dicasdeinstrumentacao.com)