TRANSMISSOR DE NÍVEL PIEZELÉTRICO RESSONANTE PARA
LÍQUIDOS
Cássio Salvador Olaia
[email protected]
Danca Soluções Industriais
Abstract
Piezoelectric Level Transmitter for Liquids
Proposed a system for measuring liquid level based on the technology of piezoelectric power
transducers . The piezoelectric transducer excited at its resonant frequency responds mechanical
pressure oscillations of a liquid column with the variation of the electric current of the voltage source
that feeds it. Through an electronic circuit, measure this variable electric current and a control circuit
adjusts and linearizes a signal that is available for systems acquisition and process control
instrumentation in patterns such as current and voltage or in an industrial network. The face of the
transducer that comes in direct contact with the process fluid is solid and robust, vibrating at the
resonance frequency of the meter assembly, thus generating cavitations prevents impregnation of
particles that can impair measurement accuracy during his lifetime useful and possibly contamination
of the process fluid. The level meter with this configuration can be used in the same applications as
the differential pressure gauges widely used in the industry including measurements in pressurized
tanks. Its great advantage is the robustness and the automatic clean condition of his measuring face
that can ensure a lifetime much longer and with less maintenance downtime.
Resumo
Transmissor de nível piezelétrico ressonante para líquidos
Proposto um sistema para medição de nível de líquidos baseado na tecnologia dos
transdutores piezelétricos de potência. O transdutor piezelétrico excitado em sua freqüência de
ressonância mecânica responde as variações de pressão de uma coluna de líquido com a variação
da intensidade de corrente elétrica da fonte de tensão que o alimenta. Através de um circuito
eletrônico, mede-se esta corrente elétrica variável e com um circuito de controle ajusta-se e linearizase um sinal que é disponibilizado para os sistemas de aquisição e controle de processos nos padrões
da instrumentação tais como corrente e tensão ou em uma rede industrial. A face do transdutor que
entra em contato direto com o fluído do processo é maciça e robusta, vibrando na freqüência de
ressonância do conjunto do medidor, gerando assim uma cavitação que impede a impregnação de
partículas que possam prejudicar a precisão da medição durante a sua vida útil e eventualmente a
contaminação do fluído do processo. O medidor de nível com esta configuração poderá ser utilizado
nas mesmas aplicações que os medidores por pressão diferencial largamente empregados na
indústria incluindo as medições em tanques pressurizados. O seu grande diferencial consiste na
robustez e na condição de limpeza automática de sua face medidora que pode garantir uma vida útil
muito mais longa e com menores paradas para manutenção.
Palavras chaves: nível, piezelétrico, transmissor.
1. Introdução
A medição de nível é muito útil em praticamente todos os processos industriais, seja na
contabilização de materiais estocados ou como referência em estratégias de controle automático.
Quando se trata da medição de nível de líquidos de forma contínua encontram-se diversas
tecnologias já consolidadas. No entanto, as mais empregadas não são tão robustas e também não
são imunes aos efeitos de impregnações provenientes das partículas imersas no fluído do processo.
Nos tópicos a seguir, é possível observar que o emprego de uma técnica já conhecida e
utilizada em atuadores piezelétricos de potência pode ser útil no desenvolvimento de mais um método
para medição de nível de líquidos continuamente.
Os transdutores piezelétricos de potência são mais robustos que os transdutores
convencionais. Em conjunto, pode-se citar que, durante o trabalho normal para medição do nível,
ocorrerá também a limpeza automática de sua face. Este efeito será devido a cavitação gerada pela
energia propagada nas ondas ultra-sônicas provenientes do transdutor.
O trabalho se inicia com a escolha de um modelo clássico de transdutor com eficiência prática
já comprovada quando empregado como atuador. A caracterização deste transdutor no domínio da
freqüência é uma etapa importante e que orienta o desenvolvimento do circuito eletrônico de
excitação descrito neste artigo.
Utilizando uma planta dedicada para os ensaios, serão feitas as medidas das respostas do
circuito de medição em função da variação do nível do líquido. Estes dados orientam as etapas
seguintes, para definição dos melhores formatos de faces do transdutor bem como de suas
amplitudes e freqüências de trabalho ótimas.
2. Descrição geral do sistema
De forma geral, o sistema para medição do nível em questão, é composto por um transdutor
piezelétrico e um circuito eletrônico.
A face do transdutor esta imersa no fluído, montada de forma similar aos transdutores de
pressão diferencial com célula capacitiva. As variações no nível ocasionam as variações na pressão
da coluna hidrostática sobre o transdutor, variando assim a força aplicada em sua face.
O circuito eletrônico excita o transdutor na freqüência correta, e disponibiliza a medida da
corrente elétrica fornecida ao transdutor, para um circuito de aquisição e indicação. A corrente elétrica
do transdutor tem de variar de acordo com a força aplicada na face do transdutor.
2.1 Visão geral do sistema proposto
3. Considerações para o Transdutor Piezelétrico na Medição do Nível de
líquidos
3.1 Transdutor piezelétrico de potência genérico
Um transdutor piezelétrico é um dispositivo que converte a energia elétrica que o excita em
vibrações mecânicas. Estas vibrações são propagadas através de sua haste, na direção definida pela
sua freqüência de ressonância. A amplitude é proporcional ao campo elétrico empregado
emp
nas
cerâmicas piezelétricas que o compõe.
3.1.1 Exemplo de transdutor piezelétrico genérico
3.2. Definição do transdutor para medição do nível
Para conseguir obter uma resposta ótima do transdutor, com as variações do nível, deve-se
deve
considerar o ganho de amplitude em sua face. Quanto maior o ganho de amplitude, maior a vibração
e a sensibilidade às variações de pressão da coluna hidrostática.
Transdutores piezelétricos utilizados em soldagem de metais e termoplásticos possuem
grande amplitude de vibração. O modelo para a medição do nível seguirá os mesmos padrões de
formato mecânico destes transdutores de alto ganho. As cerâmicas piezelétricas empregadas
também seguirão os mesmos padrões.
A matéria-prima
prima empregada na construção da haste metálica do transdutor piezelétrico de
nível será o Duralumínio. Outros metais ou ligas, tais como Titânio e Aço-Inoxidável
Aço Inoxidável podem ser
empregados posteriormente, com correções na geometria do transdutor a fim de manter a amplitude
ótima obtida com o Duralumínio.
uralumínio. As cerâmicas piezelétricas não entrarão em contato com o fluído do
processo. Sua vibração será propagada pela haste metálica que tem sua face submersa.
3.2.1 Transdutor piezelétrico para medição do nível
'
4.. Caracterização do Transdutor de Nível Piezelétrico
Analisar o espectro de freqüências do transdutor piezelétrico de nível é essencial. Nesta
etapa determina-se
se a impedância do conjunto acústico e qual o valor da sua freqüência de
ressonância. Estes dados vão mostrar a qualidade do medidor.
medi
O transdutor é caracterizado com um analisador específico.
É feita uma varredura de
freqüências e grava-se
se as respectivas impedâncias em um banco de dados. Os dados são colocados
em uma curva que exibe a impedância do conjunto no domínio da freqüência.
freqüênc
A ressonância
mecânica, que será o ponto de trabalho do equipamento, caracteriza-se
caracteriza se por obter o maior valor de
impedância.
4.1 Sistema para análise da freqüência
Na ressonância mecânica, têm-se
têm se o máximo deslocamento em amplitude, com pouca perda
de energia na propagação das deformações da cerâmica através da haste do transdutor.
Trabalhando nesta freqüência, a sensibilidade do medidor às variações do nível do fluído no
reservatório aumenta significativamente.
Com base na curva característica do transdutor
transdutor piezelétrico, é possível ajustar o circuito
eletrônico de excitação corretamente. Para cada formato de transdutor experimentado e, para cada
material utilizado, existirá uma curva característica diferente.
A caracterização será feita a cada alteração
alteração experimental no transdutor a fim de documentar
os detalhes do ensaio.
4.2 Curva característica esperada para o transdutor de nível
5. Circuito Eletrônico
A estrutura eletrônica é organizada em duas partes. Uma é responsável por efetuar a
excitação
ação do transdutor e a medição de sua corrente elétrica. A outra parte da eletrônica lineariza e
trabalha os dados, e é responsável por transmitir para um computador todas as informações
relevantes da primeira parte.
5.1. Excitação e medição
Esta parte da eletrônica é alimentada com tensão da rede elétrica de 127V e freqüência de
60Hz. Em caráter experimental, será utilizado um transformador e um circuito adicional para ajustar a
tensão de alimentação ideal para o circuito.
Em uma primeira etapa, têm-se
se um retificador de onda completa com filtro capacitivo. Este
origina um barramento de corrente contínua que pode ter seu nível médio de tensão ajustado pelo
circuito regulador que o antecede.
O barramento de corrente contínua energiza uma meia-ponte
meia
de transistores. A meia-ponte,
meia
em conjunto com uma rede de capacitores, chaveia e polariza o primário de um transformador de
radiofreqüência. Este transformador eleva a tensão alternada e transforma o sinal retangular do
primário em uma onda senoidal no secundário,
secundário, que será aplicada ao transdutor piezelétrico. A
freqüência de chaveamento é determinada pelo circuito de controle. Este sinal é condicionado por um
drive especial para comandar a meia-ponte
meia
de transistores.
Os sinais de medição são tomados em dois
dois transformadores de corrente, sendo um para a
corrente do primário e outro para a corrente do secundário. Estes sinais são preparados e
disponibilizados para o circuito de controle.
5.2. Controle
O circuito de controle recebe os sinais provenientes da
da excitação e medição em duas
entradas analógicas. Estes sinais serão linearizados de acordo com a função levantada
experimentalmente na bancada de ensaio.
A freqüência de excitação é gerada em uma saída rápida do circuito de controle. Este
Est sinal
pode oscilar
ilar em até 100kHz. Espera-se
Espera se que o transdutor obtenha maior eficiência nas respostas às
variações do nível na faixa dos 40kHz.
A interface com o circuito de controle é feita através de um computador, com um software que
auxilia na aquisição dos dados durante
durante o experimento para levantamento da curva característica.
5.3 Diagrama do circuito eletrônico
6. Ensaios
A planta dedicada a seguir será utilizada para a execução dos ensaios de levantamento da
curva característica do nível em função da corrente do transdutor.
6.1 Planta dedicada aos ensaios
O fluído utilizado para os primeiros ensaios é a água. Este fluído fica armazenado em um
reservatório auxiliar. O reservatório onde esta instalado o transdutor de nível é conectado ao
reservatório auxiliar através de uma válvula de dreno e de uma bomba hidráulica.
Ao se ligar a bomba hidráulica, o nível do reservatório de medição aumenta. Este nível
diminui-se
se abrindo a válvula de dreno.
A coluna hidrostática, do reservatório de medição,
medição, sobre o transdutor, pode chegar a uma
pressão de dois mil milímetros de coluna de água. Variar-se-á,
Variar
á, aumentando o nível de dez em dez
milímetros e anotando-se
se o valor de corrente do transdutor para cada ponto.
Este procedimento se dará até que se atinja
atinja os dois mil milímetros. Feito isto, o nível será
diminuído de dez em dez milímetros. Para cada diminuição será anotado o valor da corrente do
transdutor.
A planilha a seguir servirá de base para os dados dos ensaios. Com os valores adquiridos,
será possível
sível definir uma curva de linearização.
6.2 Planilha de aquisição
Coluna de líquido (milímetros) resposta do transdutor no circuito eletrônico (admensional)
0
0 a 2048
10
0 a 2048
20
0 a 2048
30
0 a 2048
40
0 a 2048
50
0 a 2048
60
0 a 2048
70
0 a 2048
80
0 a 2048
90
0 a 2048
até 2000
0 a 2048
7. Conclusão
Desde já, sabe-se que a maior parte do esforço, para validação da possível técnica de
medição proposta, se concentrará nas geometrias possíveis para se definir a face ótima de medição
do transdutor piezelétrico.
A aplicação descrita neste artigo tem um embasamento prático, e substancialmente baseado
em experiências de projetos anteriores, que fizeram uso de atuadores piezelétricos de potência e
seus circuitos eletrônicos especiais. Espera-se que os resultados obtidos durante os testes,
impulsionem e direcionem os estudos para a medição de nível de forma contínua com atuador
piezelétrico ressonante.
Agradecimentos
Agradeço o Técnico em Automação Osvaldo Leonel pelo desenvolvimento e montagem da
planta de ensaios durante o seu estágio na Danca Soluções Industriais. Agradeço também o apoio
dos Engenheiros Danilo Malanchino e Paulo Malanchino da Danca Soluções Industriais pelas
participações nos desenvolvimentos da eletrônica e da preparação da infra-estrutura para execução
dos futuros ensaios. Agradeço também o Engenheiro e Mestre Deoclides Alves pela correção e
revisão do resumo do artigo.
Referências Bibliográficas
Bolton, William., Mecatrônica uma abordagem multidisciplinar, Bookman, Porto Alegre
Referências de Aplicações Práticas
Desenvolvimento de gerador de ultra-som de potência para soldagem de termoplásticos. Jm Automação, Sonic
System, USPS, Danca Soluções Industriais.
Controle de umidade de Fornos industriais com transdutores piezelétricos. Kraft Foods, Assistec Wafer, Danca
Soluções Industriais.
Analisador de Freqüências para Transdutores. Branson Ultrasonics do Brasil, Sonic System, Danca Soluções
Industriais.
Cássio Salvador Olaia
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