Os instrumentos de nível de radar medem a distância do transmissor (localizado em algum ponto alto) à superfície de um material de processo localizado mais abaixo, da mesma forma que os transmissores ultrassônicos – medindo o tempo de deslocamento da onda até ponto de medição.
A diferença fundamental entre um instrumento de radar e um instrumento de ultrassom é o tipo de onda usada: ondas de rádio em vez de ondas sonoras.
As ondas sonoras são vibrações mecânicas (transmitidas de molécula a molécula em um fluido ou substância sólida) e de frequência muito mais baixa (dezenas ou centenas de quilohertz – ainda altas demais para um ser humano detectar como um tom) do que as ondas de rádio.
Alguns instrumentos de nível de radar usam “sondas” de guia de ondas para guiar as ondas eletromagnéticas de e para o líquido do processo, enquanto outros enviam ondas eletromagnéticas através do espaço aberto para refletir no material do processo.
Os instrumentos que usam guias de ondas são chamados de instrumentos de radar de ondas guiadas , enquanto os instrumentos de radar que dependem de espaço aberto para a propagação do sinal são chamados de radar sem contato .
Medição de nível de radar
As diferenças entre essas duas variedades de instrumentos de radar são mostradas na ilustração a seguir:
Na figura abaixo apresenta apresenta transmissores de nível de radar no lado (esquerdo) sem contato e de no lado (direito) onda guiada.
O transmissor sem contato é colocado em uma mesa para inspeção, porque o sinal por ele emitido quando encontra uma barreira é refletido e parte retorna ao instrumento o que torna possível a medição, enquanto o transmissor de onda guiada é instalado em um tubo (também conhecido como “garrafa” ou “gaiola”) sendo montado de forma semelhante a transmissor do tipo diplacer (deslocamento). Esse tipo de montagem é recomendo para os casos de medição no entanto quando instalado no interior de tanques esses podem ser instalados diretamente sem a necessidade do tipo. Quando houver a necessidade de montar o instrumento em tudo conhecida do como tubo de acalma ou tubo acalmador) esse deve seguir as recomendações de diâmetro dos fabricantes.
Os radares sem contato chamados de “onda livre” sofrem muito mais perda de sinal do que os radares de ondas guiadas, essa perda de sinal e uma característica natural da radiação eletromagnética de se dispersar no espaço. Já os transmissores tipo “onda guiada” reduz essa condição de perda de sinal apresentadas nos transmissores de onda guiada canalizando o sinal da energia da onda magnética ao longo de uma haste reta, caracterizando uma antena.
Os transmissores de onda guiada podem apresentar vários tipos de sondas, vamos citar alguns tipos mais comuns de serem fornecidos pelos fabricantes que são: hastes rígidas de metal simples, duas hastes em paralelo ou uma estrutura de tubo e haste de metal coaxial.
No entanto, as sondas de haste única são muito mais tolerantes à contaminação do processo do que as sondas de duas hastes ou cabos coaxiais (particularmente) nestas aplicações , é muito comum que fluidos pegajosos, viscosidade alta ou mesmo fluido mais pastoso venha se aderirem à sonda.
Esse tipo de incrustação normalmente causam reflexos de ondas eletromagnéticas, embora esse sinal seja um sinal causado pela incrustação muitas vezes são interpretado pelo transmissor como sinal de nivel real quando o instrumento está medindo nível total ou nível de interface,
Os instrumentos de radar (com haste) tipo “onda guiada dependem de antenas para direcionar a energia de micro-ondas para o vaso e para receber a energia do eco (retorno).
Essas antenas devem ser mantidas limpas e secas, o que pode ser um problema se o líquido medido emitir vapores condensáveis.
Por esta razão, os instrumentos de radar sem contato são frequentemente separados do interior do vaso por meio de uma janela dielétrica (feita de alguma substância como o plástico que é relativamente “transparente” às ondas eletromagnéticas, mas age como uma barreira de vapor eficaz):
As ondas eletromagnéticas viajam à velocidade da luz 2,9979 × 10^8 m/s (metros por segundo) em um vácuo perfeito. A velocidade de uma onda eletromagnética através do espaço depende da permissividade dielétrica (simbolizada pela letra grega “épsilon,” ∈) desse espaço.
Uma fórmula que relaciona a velocidade de onda (v) à permissividade relativa (a razão da permissividade de uma substância para a de um vácuo perfeito, simbolizada como er e às vezes chamada de constante dielétrica da substância) e a velocidade da luz em um vácuo perfeito (c) é mostrado aqui:
Conforme mencionado anteriormente, a calibração de qualquer transmissor de nível baseado em eco depende do conhecimento da velocidade de propagação da onda através do meio que separa o instrumento da interface entre fluidos de processo (interface pode ser entre “ar” e “líquido” ou entre dos líquidos com densidades diferentes)
A froma mais comum para uso desses transmissores nível tipo radar de um unico líquido em um tanque, quando instalado nessa condição ele identifica como interface o estado gasoso e o líquido a interface é detectada em função da velocidade da luz através desse ambiente gasoso ou vapor que se forma sobre o líquido , pois nesse espaço sabemos que existe uma da permissividade elétrica.
O “ar” quando em uma condição de pressão e temperatura padrão apresenta permissividade relativa muito próxima de (1). O que nos permite entender que a velocidade da luz em condições de pressão e temperatura ambiente é aproximadamente igual quando apresentada no vácuo perfeito (2,9979 × 10^8 m²).
Uma condição que deve ser sempre considerado na aplicação do transmissor em aplicações onde temos o espaço acima do liquido em estado de vapor fora da condição padrão e estando sugeito a grandes mudanças e na temperatura e /ou pressão causam alterações na densidade do vapor, consequentemente mudando a permissividade desse vapor podendo mudar consideravelmente distorcendo dessa forma a velocidade do transito da onda e, portanto , a condição de calibração do instrumento de nível. Essa mudança na condição de medição muitas vezes chamada de efeito gasoso.
Uma fórmula útil para calcular a permissividade de qualquer gás ou vapor com base na pressão e na temperatura é mostrada aqui:
Onde,
∈r = Permissividade relativa de um gás a uma dada pressão (P) e temperatura (T)
∈ref = Permissividade relativa do mesmo gás na pressão padrão (Pref) e temperatura (Tref)
P = pressão absoluta de gás (bar)
Pref = Pressão absoluta de gás sob condições padrão (≈ 1 bar)
T = temperatura absoluta do gás (Kelvin)
Tref = temperatura absoluta do gás sob condições padrão (≈ 273 K)
Esta fórmula é baseada no princípio de que a permissividade de massa é uma função da densidade. Podemos ver por que isso ocorre fazendo um “experimento mental” no qual uma amostra de gás se torna mais densa.
À medida que a densidade do gás aumenta, mais moléculas de gás se acumulam no mesmo volume de espaço.
Se a permissividade de cada molécula de gás for maior do que a permissividade do espaço vazio, então ter mais dessas moléculas de gás presentes significará que a permissividade desse volume aumenta.
Uma maior permissividade, é claro, diminui a velocidade da luz através do gás e, portanto, afeta a calibração do instrumento de radar.
Relacionando este conceito às variações de pressão e temperatura no gás, podemos ver que a permissividade de um gás aumenta com o aumento da pressão (aumentando a densidade do gás) e diminui com o aumento da temperatura (diminuindo a densidade do gás).
Isso significa que a velocidade da luz através de um gás diminui com o aumento da pressão e aumenta com o aumento da temperatura.
Para instrumentos de nível de radar operando em ambientes de gás sujeitos a variações significativas de pressão e temperatura (ou seja, densidade), as variações consequentes na velocidade da luz através desse gás comprometerão a precisão do instrumento.
Com instrumentos de nível ultrassônico, a condição necessária para que ocorra um eco é que a onda sonora encontre uma mudança repentina na densidade do material.
Com instrumentos de nível de radar, a condição necessária para reflexão da onda é uma mudança repentina na permissividade dielétrica (∈). Quando uma onda eletromagnética encontra uma mudança repentina na permissividade dielétrica, parte da energia dessa onda será refletida na forma de outra onda viajando na direção oposta, enquanto o equilíbrio da energia da onda continua a se propagar para o novo material.
A intensidade do sinal refletido depende da diferença entre as permissividades dos dois materiais:
Este mesmo princípio explica os sinais refletidos também nas linhas de transmissão de cobre. Quaisquer descontinuidades (mudanças repentinas na impedância característica) ao longo do comprimento de uma linha de transmissão refletirão uma parte da energia do sinal elétrico de volta para a fonte.
Em uma linha de transmissão, as continuidades podem ser formadas por ressaltos, quebras ou curtos-circuitos. Em um sistema de medição de nível de radar, qualquer mudança repentina na permissividade elétrica é uma descontinuidade que reflete parte da energia das ondas incidentes de volta à fonte.
Assim, os instrumentos de nível de radar funcionam melhor quando há uma grande diferença de permissividade entre as duas substâncias na interface.
Conforme mostrado na ilustração anterior, o ar e a água atendem a esse critério, tendo uma taxa de permissividade de 80: 1.
A relação entre a potência refletida e a potência incidente (transmitida) em qualquer interface de materiais é chamada de fator de reflexão de potência (R).
Isso pode ser expresso como uma razão sem unidade ou, mais frequentemente, como um valor em decibéis. A relação entre a permissividade dielétrica e o fator de reflexão é a seguinte:
Onde,
R = fator de reflexão de potência na interface, como uma razão sem unidade
∈r1 = Permissividade relativa (constante dielétrica) do primeiro meio,
∈r2 = permissividade relativa (constante dielétrica) do segundo meio
A fração da potência incidente transmitida pela interface (Pforward / Pincident) é, obviamente, o complemento matemático do fator de reflexão de potência: 1 – R.
Para situações em que o primeiro meio é o ar ou algum outro gás de baixa permissividade, a fórmula simplifica para a seguinte forma (com ∈r sendo a permissividade relativa da substância refletora):
Na ilustração anterior, os dois meios eram ar (∈r ≈ 1) e água (∈r ≈ 80) – um cenário quase ideal para uma forte reflexão de sinal. Dados esses valores de permissividade relativa, o fator de reflexão de potência tem um valor de 0,638 (63,8%), ou -1,95 dB. Isso significa que bem mais da metade da energia incidente reflete na interface ar / água para formar um sinal de eco forte, com os 0,362 (36,2%) restantes da energia da onda viajando através da interface ar-água e se propagando na água.
Se o líquido em questão for gasolina em vez de água (tendo um valor de permissividade relativa bastante baixo de aproximadamente 2), a taxa de reflexão de energia será de apenas 0,0294 (2,94%) ou −15,3 dB, com a grande maioria da energia das ondas penetrando com sucesso a interface ar-gasolina.
A versão mais longa da fórmula do fator de reflexão de potência sugere que as interfaces líquido-líquido devem ser detectáveis usando radar, e de fato são.
Tudo o que é necessário é uma diferença suficientemente grande na permissividade entre os dois líquidos para criar um eco forte o suficiente para ser detectado de maneira confiável. A medição do nível da interface líquido-líquido com radar funciona melhor quando o líquido superior tem um valor de permissividade substancialmente menor do que o líquido inferior.
Uma camada de óleo de hidrocarboneto sobre a água (ou qualquer solução aquosa, como um ácido ou cáustico) é um bom candidato para medição de nível de radar por ondas guiadas.
Um exemplo de interface líquido-líquido que seria muito difícil para um instrumento de radar detectar é a água (∈r ≈ 80) acima da glicerina (∈r ≈ 42).
Se o instrumento de radar usa um protocolo de rede digital para comunicar informações com um sistema host (como HART ou qualquer número de padrões “fieldbus”), ele pode funcionar como um transmissor multivariável, transmitindo tanto a medição de nível de interface quanto o líquido total medição de nível simultaneamente.
Essa capacidade é única para transmissores de radar de ondas guiadas e é muito útil em alguns processos porque elimina a necessidade de vários instrumentos medindo vários níveis.
Uma razão pela qual um fluido menor acima de um fluido maior é mais fácil de detectar do que o inverso é devido à necessidade do sinal ter que viajar através de uma interface gás-líquido acima da interface líquido-líquido.
Com gases e vapores tendo valores ǫ tão pequenos, o sinal teria que passar pela interface gás-líquido primeiro para alcançar a interface líquido-líquido.
Esta interface gás-líquido, tendo a maior diferença nos valores de ǫ de qualquer interface dentro do vaso, será mais reflexiva para a energia eletromagnética em ambas as direções.
Assim, apenas uma pequena porção da onda incidente alcançará a interface líquido-líquido, e uma pequena porção da onda refletida da interface líquido-líquido (que por si só é uma fração da potência da onda direta que conseguiu passar pelo interface gás-líquido em seu caminho para baixo) sempre passará pela interface gás-líquido em seu caminho de volta para o instrumento.
A situação é muito melhorada se os valores de ǫ das duas camadas de líquido forem invertidos, como mostrado nesta comparação hipotética (todos os cálculos assumem nenhuma dissipação de energia ao longo do caminho, apenas reflexão nas interfaces):
Como você pode ver na ilustração, a diferença na potência recebida de volta no instrumento é quase dois para um, apenas porque o líquido superior tem o menor de dois valores ǫ idênticos.
Claro, na vida real você não pode se dar ao luxo de escolher qual líquido ficará em cima do outro (isso sendo determinado pela densidade do fluido), mas você pode se dar ao luxo de escolher a tecnologia de medição de nível de interface líquido-líquido apropriada, e como você pode ver aqui, certas orientações dos valores ǫ são menos detectáveis com radar do que outras.
Outro fator que trabalha contra o radar como uma tecnologia de medição de interface líquido-líquido para interfaces onde o líquido superior tem uma constante dielétrica maior é o fato de que muitos líquidos de alta são aquosos por natureza e a água dissipa prontamente a energia de micro-ondas.
Esse fato é explorado em fornos de micro-ondas, onde a radiação de micro-ondas excita as moléculas de água nos alimentos, dissipando energia na forma de calor.
Para um sistema de medição de nível baseado em radar que consiste em gás / vapor sobre a água sobre algum outro líquido (mais pesado), o sinal de eco será extremamente fraco porque o sinal deve passar pela camada de água “com perdas” duas vezes antes de retornar ao instrumento de radar .
As perdas de energia eletromagnética são importantes a serem consideradas na instrumentação de nível de radar, mesmo quando a interface detectada é simplesmente gás (ou vapor) sobre o líquido.
A fórmula do fator de reflexão de potência apenas prevê a relação entre a potência refletida e a potência incidente em uma interface de substâncias. Só porque uma interface ar-água reflete 63,8% da potência incidente não significa que 63,8% da potência incidente retornará para a antena do transceptor!
Qualquer perda dissipativa entre o transceptor e a (s) interface (s) em questão enfraquecerá o sinal, a ponto de se tornar difícil distingui-lo do ruído.
Outro fator importante para maximizar a potência refletida é o grau em que as micro-ondas se dispersam em seu caminho para a (s) interface (s) de líquido e de volta para o transceptor.
Os instrumentos de radar de ondas guiadas recebem uma porcentagem muito maior de sua potência transmitida do que os instrumentos de radar sem contato, porque a sonda de metal usada para guiar os pulsos de sinal de microondas ajuda a evitar que as ondas se espalhem (e, portanto, enfraqueçam) através dos líquidos à medida que se propagam.
Em outras palavras, a sonda funciona como uma linha de transmissão para direcionar e focar a energia de microondas, garantindo um caminho direto do instrumento para o líquido e um caminho direto de retorno do eco do líquido de volta para o instrumento. É por isso que o radar de ondas guiadas é a única tecnologia de radar prática para medir interfaces líquido-líquido.
Um fator criticamente importante na medição precisa de nível usando instrumentos de radar é que a permissividade dielétrica de cada substância situada entre o instrumento de radar e a interface de interesse seja conhecida com precisão.
A razão para isso está enraizada na dependência da velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas para a permissividade relativa. Relembrando a fórmula da velocidade da onda mostrada anteriormente:
Onde,
v = Velocidade da onda eletromagnética através de uma substância particular
c = Velocidade da luz em um vácuo perfeito (≈ 3 × 108 metros por segundo)
∈r = permissividade relativa (constante dielétrica) da substância
No caso de uma aplicação de um único líquido, onde nada além de gás ou vapor existe acima do líquido, a permissividade desse gás ou vapor deve ser conhecida com precisão.
No caso de uma interface de dois líquidos com gás ou vapor acima, as permissividades relativas de ambos os gases e líquidos superiores devem ser conhecidas com precisão a fim de medir com precisão a interface líquido-líquido.
Mudanças no valor da constante dielétrica do meio ou meio através do qual as microondas devem viajar e ecoar farão com que a radiação de microondas se propague em velocidades diferentes.
Uma vez que todas as medições de radar são baseadas no tempo de voo através da mídia que separa o transceptor do radar da interface de eco, as mudanças na velocidade da onda através desta mídia afetarão a quantidade de tempo necessária para a onda viajar do transceptor para a interface de eco , e refletir de volta para o transceptor.
Portanto, as mudanças na constante dielétrica são relevantes para a precisão de qualquer medição de nível de radar.
Os fatores que influenciam a constante dielétrica dos gases incluem pressão e temperatura, o que significa que a precisão de um instrumento de nível de radar irá variar conforme a pressão do gás e / ou a temperatura do gás variam!
Isso geralmente é conhecido como efeito da fase gasosa. Se esta variação é ou não substancial o suficiente para ser considerada para qualquer aplicação, depende da precisão de medição desejada e do grau de permissividade de uma pressão / temperatura extrema para outra.
Em nenhum caso, um instrumento de radar deve ser considerado para qualquer aplicação de medição de nível, a menos que os valores da constante dielétrica do meio superior sejam conhecidos com precisão.
Isso é análogo à dependência da densidade do líquido que os instrumentos de nível hidrostático enfrentam. É inútil tentar medir o nível com base na pressão hidrostática se a densidade do líquido for desconhecida ou variar amplamente, e é tão fútil tentar medir o nível com base no radar se as constantes dielétricas forem desconhecidas ou variarem amplamente.
Uma forma de compensar o efeito da fase gasosa em instrumentos de nível de radar é equipar o instrumento com uma sonda de referência de comprimento fixo orientada de tal forma que todo o seu comprimento esteja sempre acima do nível do líquido (ou seja, ele detecta apenas o gás).
Se a permissividade do gás for constante, o tempo de eco ao longo desta sonda de referência permanecerá o mesmo.
Se, no entanto, a permissividade do gás mudar, o tempo de eco da sonda de referência mudará correspondentemente, permitindo que o microprocessador do instrumento meça a permissividade do gás e, consequentemente, ajuste os cálculos para o nível de líquido com base nesta mudança conhecida.
Este conceito é análogo à sonda de compensação às vezes usada em sensores de nível capacitivos, projetada para medir a permissividade do fluido de modo a compensar quaisquer alterações neste parâmetro crítico.
Tal como acontece com os instrumentos de nível ultrassônico, os instrumentos de nível de radar podem detectar o nível de substâncias sólidas em recipientes (por exemplo, pós e grânulos) e não apenas líquidos.
A mesma ressalva do ângulo de repouso aplicável à medição de nível ultrassônico, no entanto, é um fator também para medição por radar.
Além disso, a baixa densidade de partículas sólidas (ou seja, quantidades significativas de ar entre as partículas sólidas) tende a reduzir a constante dielétrica do material e, assim, enfraquecer o eco do radar.
https://krohne.com/en/products/level-measurement/level-transmitters/radar-fmcw-level-transmitters/
Créditos: Tony R. Kuphaldt – Licença Creative Commons Atribuição 4.0 – Eng. Carlos Alberto dias – Técnicas avançadas de instrumentação e controle de processos industriais. (Ênfase em Petróleo e Gás) .
Conceitos de medição de nível utilizando um radar de onda livre