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 ε r maiores do que 2 (o ar tem ε r = 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
Gráfico 1 Estudo da histerese I (ma) Gráfico 2 Estudo da linearidade I (ma) EACI 06/07 Trabalho de Laboratório nº 5 5
Gráfico 3 Estudo da precisão I (ma) Gráfico 4 Erro Erro EACI 06/07 Trabalho de Laboratório nº 5 6