INSTRUMENTAÇÃO II
Engenharia de Automação, Controlo e Instrumentação
2006/07
Trabalho de Laboratório nº 5
Sensor de Nível por Radar
Realizado por Gustavo Silva e Mário Alves
28 de Outubro de 2004
Revisto em 16 de Novembro de 2005
1. Objectivos
Neste trabalho de laboratório pretende-se calibrar um sensor de nível por radar bem como,
recorrendo à sua utilização, simular a medida do nível de um reservatório atmosférico.
2. Introdução
Os sensores por RAdio Detecting And Ranging baseiam-se na detecção de ecos de sinais de
rádio. Os sinais de rádio utilizados na medição de níveis de tanques são ondas
electromagnéticas dentro do domínio das microondas, com frequências típicas entre 5 e 30
GHz.
O sensor de nível a utilizar neste trabalho será um sensor de radar VEGAPULS da série 40 de
geração compacta indicado para medições de alta resolução. Tem a particularidade de
requerer pouco espaço de montagem e foi desenvolvido para fazer medições de distâncias de
0 a 4m / 10m / 20m em reservatórios, tanques de balanço, tanques de processo, etc.
Estes tipos de sensores são utilizados principalmente para medições de niveis em contínuo e
sem contacto no produto de que se pretende fazer a medição.
Fig. 1 – Montagem num tanque (emissão – reflecção – recepção)
O princípio da medição baseia-se na emissão, reflecção e recepção de um sinal de radar. Este
pequeno sinal na ordem dos 26 GHz é emitido, pela antena do sensor, em direcção à
EACI 06/07 – Trabalho de Laboratório nº 5
1
superfície cujo nível se quer medir, em pacotes de impulsos com a duração de 1 ns e com
intervalos de envio de 278 ns, o que corresponde a uma frequência de emissão de
aproximadamente 3,6 MHz.
Fig. 2 – Sequência de impulso
Os impulsos de sinal ao incidirem sobre a superficie são reflectidos, sendo recebidos pela
antena do sensor como sinais de eco. O período de tempo entre a emissão e recepção dos
impulsos de sinal é proporcional à distância e consequentemente ao nível.
Para os valores de frequência de emissão e de modo a serem correctamente avaliados e
processados em fracções de segundos os sinais de eco, recorre-se a um processo de
transformação no tempo de modo a conseguir-se assim o processamento das cerca de 3,6
milhões de imagens por segundo.
Fig. 3 – Transformação no tempo
Os sinais de radar têm propriedades idênticas às da luz visível; propagam-se através do vácuo
(e do ar, mas sem suporte deste). Os sinais de radar reagem a duas propriedades básicas dos
materiais:
-
a condutividade da substância;
a constante dieléctrica da substância.
Todos os produtos que sejam condutores e tenham constantes dieléctricas εr maiores do que 2
(o ar tem εr = 1) reflectem muito bem os sinais de Radar. A reflecção dos sinais aumenta com
a constante dieléctrica e com a condutividade do produto.
Fig. 4 – Dependência da potência do sinal de Radar reflectido com a constante dieléctrica
EACI 06/07 – Trabalho de Laboratório nº 5
2
Os sinais de radar dos sensores VEGAPULS não são afectados significativamente por
variações de temperatura e/ou pressão e pela presença de gases.
Fig. 5 – Erro devido ao aumento da temperatura
Fig. 6 – Erro devido ao aumento da pressão
Os sensores VEGAPULS recorrem à tecnologia “two-wire”. A tensão de alimentação e o
sinal de saída são transmitidos por um cabo de dois fios. O instrumento produz um sinal de
saída de 4-20 mA proporcional à variável de medida.
3. Material
1 × painel
1 × sensor de RADAR
1 × conversor de ligação ao PC
1 × indicador digital
1 × fonte de alimentação d.c. de 24 volts
1 × multímetro
1 × PC
1 × fita métrica
4. Procedimento Experimental
O método consiste em colocar um sensor de nível por Radar (VEGAPULS 42K) fixo num
suporte e fazer medições para um painel amovível de modo a simular diferentes níveis de um
produto dentro de um tanque. O sensor está ligado a um PC de modo a poderem ser
verificados e redefinidos novos parâmetros de calibração.
4.1. Proceda às ligações do sensor de acordo com a Figura 7. Em caso de dúvida consulte o
respectivo manual.
4.2. Alterando a posição do painel amovível verifique o valor da distância máxima para a qual
o sensor está calibrado.
4.3. Encoste a mão ao sensor. Verifique a indicação do sensor e conclua sobre a localização
do elemento sensitivo dentro do instrumento.
4.4. Coloque o painel perpendicular ao sensor às seguintes distâncias: 100, 80, 60, 50, 40, 20
e 0% do valor obtido em 4.2. Registe os valores de corrente obtidos e os valores indicados
pelo instrumento. Repita a experiência no sentido crescente de distâncias.
EACI 06/07 – Trabalho de Laboratório nº 5
3
4.5. Repita o procedimento anterior somente no sentido decrescente.
4.6. Estudo das características estáticas do sensor. Represente graficamente os valores obtidos
I = f(distância medida). No Gráfico 1 (em anexo) pretende-se estudar a histerese do sensor.
No Gráfico 2 pretende-se estudar a linearidade. No Gráfico 3 pretende-se estudar a
repetibilidade (ou precisão). Indique (aproximadamente) o valor obtido para cada uma destas
características.
4.7. Trace no Gráfico 4 uma curva de erro entre o valor medido e o valor que o instrumento
regista no indicador digital. Determine a respectiva exactidão.
4.8. Coloque o painel numa posição diagonal à distância de 40% e compare o valor obtido na
alínea 4.4. Disponha novamente o painel numa posição perpendicular ao sensor. Justifique o
comportamento do sensor.
4.9. Os ajustes dos parâmetros do sensor podem ser feitos de diferentes maneiras. Neste
trabalho vamos recorrer à utilização de um PC e do programa Vega Visual Operating (VVO).
O PC é ligado ao cabo de sinal do sensor através de um interface conversor
(VEGACONNECT 2). As alterações de parâmetros realizadas podem ser gravadas no
programa e posteriormente transferidas para o sensor.
Fig. 7 – Esquema de ligação ao PC
Uma vez iniciado o programa, abra o ficheiro “Vega-test.pw”.
Clique em <0,nivel_01> Vegapuls 42 Hart.
Clique em parameter adjustment
Altere no parâmetro Min-Max adjustment a distância máxima para 6m. Transfira a alteração
para o sensor e verifique no modo simulação e indicador do sensor.
Inverta os valores mínimo e máximo da corrente e o tempo de integração para 5 seg. Transfira
a alteração para o sensor e verifique no modo simulação e indicador do sensor.
Altere o parâmetro no indicador digital do sensor para percentagem. Transfira a alteração para
o sensor e verifique no indicador do sensor.
EACI 06/07 – Trabalho de Laboratório nº 5
4
I (mA)
Gráfico 1 – Estudo da histerese
Distância (m)
I (mA)
Gráfico 2 – Estudo da linearidade
Distância (m)
EACI 06/07 – Trabalho de Laboratório nº 5
5
I (mA)
Gráfico 3 – Estudo da precisão
Distância (m)
Erro
Gráfico 4 – Erro
Distância (m)
EACI 06/07 – Trabalho de Laboratório nº 5
6