TRANSMISSOR DE NÍVEL PIEZELÉTRICO RESSONANTE PARA LÍQUIDOS

Transcrição

1 TRANSMISSOR DE NÍVEL PIEZELÉTRICO RESSONANTE PARA LÍQUIDOS Cássio Salvador Olaia 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.

2 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 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 nas cerâmicas piezelétricas que o compõe 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 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 empregada na construção da haste metálica do transdutor piezelétrico de nível será o Duralumínio. Outros metais ou ligas, tais como Titânio e Aço-Inoxidável podem ser empregados posteriormente, com correções na geometria do transdutor a fim de manter a amplitude ótima obtida com o Duralumínio. As cerâmicas piezelétricas não entrarão em contato com o fluído do processo. Sua vibração será propagada pela haste metálica que tem sua face submersa Transdutor piezelétrico para medição do nível '

4 4. Caracterização do Transdutor de Nível Piezelétrico Analisar o espectro de freqüências do transdutor piezelétrico de nível é essencial. Nesta etapa determina-se a impedância do conjunto acústico e qual o valor da sua freqüência de ressonância. Estes dados vão mostrar a qualidade do medidor. O transdutor é caracterizado com um analisador específico. É feita uma varredura de freqüências e grava-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. A ressonância mecânica, que será o ponto de trabalho do equipamento, caracteriza-se por obter o maior valor de impedância. 4.1 Sistema para análise da freqüência Na ressonância mecânica, 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 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 experimental no transdutor a fim de documentar os detalhes do ensaio. 4.2 Curva característica esperada para o transdutor de nível

5 5. Circuito Eletrônico A estrutura eletrônica é organizada em duas partes. Uma é responsável por efetuar a excitação 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 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 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 de transistores. A meia-ponte, 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, 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 de transistores. Os sinais de medição são tomados em 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 Controle O circuito de controle recebe os sinais provenientes 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 sinal pode oscilar em até 100kHz. Espera-se 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 o experimento para levantamento da curva característica. 5.3 Diagrama do circuito eletrônico

6 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 abrindo a válvula de dreno. A coluna hidrostática, do reservatório de medição, sobre o transdutor, pode chegar a uma pressão de dois mil milímetros de coluna de água. Variar-se-á, aumentando o nível de dez em dez milímetros e anotando-se o valor de corrente do transdutor para cada ponto. Este procedimento se dará até que se 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) até 2000

7 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 Danca Soluções Industriais Av. Treze, 60 - sala 19 - Centro - Barretos/SP CEP: ASSOCIAÇÃO SUL-AMERICANA DE AUTOMAÇÃO ISA Distrito 4 Av. Ibirapuera, Conj. 164/165 - Moema São Paulo SP Telefone: 55 (11) Fax: 55 (11) congresso@brazilautomation.com.br