Resumo Atualmente é possível medir a matéria seca do melaço e as massas cozidas online através da mais avançada tecnologia de medição por microondas. Através da correlação entre o conteúdo de água e de matéria seca é possível medir a concentração, o Brix e a densidade em todas as áreas da produção de açúcar. Isto permite uma medição contínua durante todo o processo de cristalização, tanto na fase solução quanto na fase magma. Este relatório explica o efeito de medição e a análise de sinais de sistemas de medição por microondas e ilustra os benefícios do usuário, resultantes de um excelente controle do processo. São propostas soluções para os problemas típicos de aplicação, como incrustação, abrasão, dependência da pureza e reconhecimento das pausas entre os processos de cristalização através da utilização do sistema de medição Micro-Polar Brix. São apresentados resultados obtidos com diferentes sensores em vários processos e aplicações. Além da medição precisa e confiável de todos os produtos oriundos da beterraba ou da cana, o sistema ganha pontos na simplicidade, baixa manutenção e fácil calibração, assegurando custos e controle do processo otimizados. Também é demonstrado o recurso de calibração automática, que não requer a utilização de um computador. Introdução A determinação exata do teor de matéria seca (teor de Brix) e/ou da densidade é de grande importância em diversas seções de uma fábrica de açúcar. Para todas estas tarefas de medição, a tecnologia de medição por microondas oferece uma solução eficaz. Dependendo do tipo de processo o sensor deve cumprir requisitos especiais. Por exemplo, o sensor deverá ser equipado com um dispositivo de lavagem no processo de cristalização contínua, a fim de garantir medições confiáveis durante longos períodos de funcionamento. Uma medição contínua da matéria seca é necessária durante o todo o processo de cristalização. A medição exata é necessária, 01
Figura 1. Princípio de Medição por Microondas O uso da técnica de medição por microondas para a determinação de matéria seca está se tornando cada vez mais popular em todo o mundo. Mas o que realmente são microondas? As microondas são ondas eletromagnéticas, semelhantes às utilizadas nos transmissores de rádio, redes sem fio, telefones celulares e fornos de microondas. As microondas usadas nestas aplicações diferem tanto no intervalo de freqüência quanto na potência. Fonte AF Transmissor Tabela 1. Potência de Alta Freqüência de Aplicações Forno de Microondas Telefone Celular Micro-Polar Brix Caminho de Referencia Produto 1000 W 2W 0.0001 W tanto na fase de solução até o ponto de sedimentação quanto na fase de magma até a descarga do produto. Isso não pode ser alcançado através da utilização Refratómetros pois a medição não é possível na fase de cristal. Durante a produção de açúcar, existem outras etapas do processo onde a determinação da matéria seca é muito importante. Isto inclui a medição de matéria seca no caldo bruto, fino e grosso. Para estas aplicações, uma célula especial de medição para tubulações é utilizada. Além disso, as características das microondas também fazem uma determinação exata da concentração de sólidos, por exemplo, no leite de cal, e do teor de umidade em açúcar cristalizado. Outros sistemas de microondas já surgiram anteriormente (Klute, 2006). O presente relatório trata, porém, do processamento do sinal e do desempenho de tais sistemas pela primeira vez e aponta as vantagens diretas para o usuário. As Características das Microondas O Efeito da Medição por Microondas Receptor Mudança de Fase Sinal de referência Comparação de Fase Fase Comp. da Amplitude Atenuação Sinal de Medição Valor medido: Concentração %ST As microondas usadas para sistemas de medição na indústria do açúcar normalmente têm frequências de cerca de 2,5 GHz e não são muito potentes. A Tabela 1 compara a potência das microondas para vários aparelhos diferentes. O termo "microondas" é autoexplicativo. Em um instrumento de medição de microondas, microondas de um transmissor irradiam o produto e são detectadas por um receptor. Se o transmissor e o receptor formam uma única unidade estes dispositivos podem ser um ressonador, um sensor de disperção ou reflexão. Quando a transmissão e recepção são independentes (duas unida- des diferentes), isto é conhecido como medição por transmissão. Na medição por transmissão, como na tecnologia de medição da Berthold, geralmente se obtem medidas mais representativas, resultantes do fato de uma maior quantidade de produto estar sendo analisada. Durante a transmissão das microondas, os componentes do produto são polarizados à diferentes intensidades, resultando numa perda de velocidade e de energia do sinal de microondas. A redução de velocidade provoca uma mudança na fase do sinal e o enfraquecimento da energia causa uma atenuação nas microondas (ver Figura 1). Se portadores de carga livre ou materiais polarizados (como moléculas de água) estiverem presentes no produto, este efeito é desproporcionalmente maior. A influência da água sobre o sinal é de cerca de 40 vezes maior do que a influência de outros componentes (como açúcar). Fica então evidente que a medição é seletivamente sensível à concentração de água. A correlação entre o teor de água e matéria seca permite uma medição muito precisa da concentração, do Brix e da densidade em todos os estágios da produção de açúcar. Comportamento da Medição no Magma Na medição da matéria seca no magma, a técnica de medição por microondas reage à substância seca dos cristais de maneira semelhante à que reage à matéria seca da solução. Para a calibração, os sinais de microondas (fase e atenuação) são referenciados ao valor de laboratório da amostra analisada. Se cristais estão presentes na amostra, estes devem ser inicialmente dissolvidos (por diluição) e o conteúdo total de sólidos da solução deve ser determinado. Assim, o sistema de microondas sempre mede o teor de substância seca atual, independentemente de o açúcar estar em solução ou parcialmente cristalizado. Isso resulta em um processo simples de calibração, bem como em uma alta confiabilidade para uso em cristalização. Amostras de calibração podem ser tomadas uniformemente durante todo o processo de cristalização, independentemente de o açúcar estar em fase de solução ou em fase de magma. Duas amostras são suficientes para determinar a equação de calibração que, na grande maioria dos casos, é linear. 202
Figure 2. Arranjo de Medição em um Cristalizador unidade de avaliação sonda sem dispostivo anti-incrustação cabo Quad de Alta-Frequência Outros procedimentos de medição são menos confiáveis para o processo de cristalização. Por exemplo, a medição de infravermelho não é viável para uma solução cristalizada e a medição da densidade radiométrica requer duas equações lineares de calibração, uma vez que o comportamento da medida difere entre as fases de solução e de magma. Em compensação, existe uma dependência clara da pureza e uma restrição de medições utilizando instrumentos condutores e de baixa freqüência devido às diferentes gamas de frequência em uso. O sistema de baixa freqüência trabalha dentro do intervalo de MHz e o sistema de microondas dentro da faixa de GHz. Variáveis com Possível Influência (C) Cor e turbidez (A) Tamanho do Cristal A influência do tamanho do cristal na medição por microondas é pequena. A presença de cristais pode afetar os resultados em função da relação entre o comprimento de onda e o tamanho do grão. Para uma relação comprimento de onda : granulometria >10, ainfluência é desprezível. Para a freqüência usual de 2,5 GHz, o comprimento de onda médio do produto é de 30 mm. Portanto, a influência dos grãos de tamanho <3mm é bastante pequena. (B) Pureza do Açúcar Os dois sinais de microondas, de fase e atenuação, se correlacionam bem na maioria dos casos e, na maioria das aplicações. A fase é utilizada para a calibração devido à elevada sensibilidade da medição. A sensibilidade de medição da atenuação aumenta consideravelmente com caldos de baixa pureza. Em tais casos, uma calibração mista utilizando tanto a fase quanto a atenuação é a preferida a fim de aumentar a precisão de medição. Isto permite que a técnica de medição por microondas seja utilizada com alta precisão para todas as purezas de produto. A influência de oscilações do grau de pureza do produto é insignificante. Todos os tipos de produtos (A-, B- e C-) a partir de beterraba e de cana podem ser medidos com precisão e confiabilidade. A influência da cor e da turbidez no sistema de microondas apresentado aqui é insignificante. (D)Temperatura do produto O alinhamento das moléculas de água no campo de microondas e, portanto, a medição de concentração/umidade, são dependentes da temperatura. A influência da temperatura é linear na maioria dos casos e pode ser facilmente compensada. Durante o processo de cristalização em uma panela de vácuo, a temperatura pode variar dentro de um intervalo de 60 a 80 C, dependendo do vácuo. A influência da temperatura nesta faixa também é linear. A unidade de avaliação de Berthold calcula a compensação de temperatura automaticamente após a coleta de amostras e fornece gerenciamento simples até mesmo nos processos de cristalização refrigerada. Processamento do Sinal A mudança de fase e atenuação das ondas causadas pelo produto devem ser detectadas e avaliadas através de um bom processamento do sinal. Isso depende da dinâmica de bons equipamentos, de uma medida inequívoca e de uma estável geração de microondas. 03
Adinâmicadoequipamentoindicaoquãobemosinalde microondas pode ser detectado e/ou reconhecido - quanto maior a dinâmica, maior a precisão de medição do instrumento. Exemplo prático: os jovens têm uma audição muito boa, por isso eles têm maior dinâmica acústica do que pessoas mais velhas. A dinâmica do equipamento Micro-Polar Brix é de 70 db, bem acima da média de outros sistemas de microondas para a indústria açucareira. Inequívocos de medição são um pré-requisito básico nos instrumentos de medição por microondas. Mudanças de fase rápidas que ocorram no dispositivo de medição podem sugerir que estão ocorrendo mudanças rápidas na concentração. A fase da onda (que pode ser de ± 360 ) é responsável por isso, já que é essencialmente ambígua. Uma ambiguidade semelhante pode ocorrer com a medição de tempo. Ao olhar para um relógio analógico convencional não se pode dizer se ele está marcando cinco horas da manhã ou da tarde. São necessárias informações adicionais, por exemplo, a posição do sol ou se está claro ou escuro. O Micro-Polar Brix resolve o problema de ambiguidade através da aplicação de critérios de plausibilidade hábeis para a medida e garante, assim, uma leitura clara da fase. Uma outra possibilidade existe para restringir o intervalo de medição. O Sistema de Medição: Unidade de Avaliação e Sensores de Microondas O sistema de microondas de Berthold é composto por: (A) Unidade de Avaliação com processador de alto desempenho e geração de microondas por tecnologia DSP em um resistente invólucro de aço inoxidável com display gráfico. (B) Sensor de Microondas em duas versões: sonda para inserção e célula de fluxo para instalação em tubulações. Figura 3. Sensor microondas projetado como uma célula de fluxo para medição em tubulações. A figura 2 mostra um arranjo típico de sonda para inserção. O sensor de microondas é conectado à unidade de avaliação por meio de cabos de alta freqüência. (A) Unidade de Avaliação A unidade de avaliação compacta (processador digital e módulo microondas) é operada de forma intuitiva, com teclas de navegação e um teclado alfanumérico. O sinal de medição é transmitido através de uma saída de corrente 0/4-20 ma isolada ou, alternativamente, através da interface Rs232. Todos os parâmetros e dados de calibração estão contidos na memória EEPROM, que é protegida contra a falta de energia e pode ser facilmente substituída. Apenas um sensor é ligado à unidade de avaliação, o que garante uma operação de alta confiabilidade. A distância entre a unidade de avaliação e sensor pode ser de até 10 m, permitindo que o módulo de alta freqüência fique distante do ambiente muito quente do sensor. A unidade de avaliação compacta é certificada até uma temperatura de funcionamento de 60 C. O segundo canal de alta freqüência é concebido como um canal de referência e permite uma compensação muito boa do equipamento e do desvio causado pelo cabo. O Micro-Polar Brix da Berthold permite a calibração de até 4 produtos diferentes. A troca do produto pode ser efetuada a partir do teclado ou a partir de uma sala de controle do processo via entrada digital. Assim, diferentes produtos podem ser executados em um cristalizador. Nos processos em batelada é muito importante identificar a pausa entre dois processos de cristalização e emissão do teor de substância seca sem definição de tempo após o reinício. O Micro- Polar Brix permite isso pelo uso da função na qual asaída de corrente cai para o nível mais baixo de saída de corrente quando o produto é descarregado. Somente com a entrada do produto renovado no interior do tanque o teor de matéria seca da nova solução é mostrado no display e é possível um controle rápido. Para inicio rápido e simples, o Micro-Polar Brix é configurado completamente sem o uso de PC. A amostragem é semiautomatica, sem a necessidade de gravação manual dos valores medidos. Os valores laboratoriais são facilmente inseridos e a calibração totalmente automática calcula a melhor regressão. O resultado laboratório/medição pode ser graficamente visualizado com a correlação indicada. (B) Sensor Microondas A sonda para inserção esta disponível em duas versões: 1. Sonda para inserção sem dispositivo antiincrustação e com PT100 integrado. 2. Sonda para inserção com dispositivo antiincrustação e sem PT100. A grande vantagem desta sonda de inserção, em comparação com outras sondas, é o campo de microondas focado. As microondas só são irradiadas pela haste emissora na direcção da haste receptora. Assim disturbios causados por mudanças no ambiente de medição são reduzidos. O dispositivo integrado de lavagem da sonda de inserção foi concebido de tal forma que uma limpeza muito eficiente é efetuada, usando apenas uma pequena 04
Figura 4. Arranjo para Medição da Umidade do Açúcar O fluxo de lavagem é de pequeno porte e não tem qualquer influência sobre o processo de cristalização. Assim, uma recuperação rápida de sinal (de poucos segundos) acontece, garantindo um controle seguro do processo. Os sensores de inserção estão disponíveis em diferentes tamanhos de flange, portanto, uma troca é fácil, quando comparado com outros sistemas. As sondas de inserção são utilizadas predominantemente para processamento em cristalizadores evaporativos. A sonda de inserção padrão sem dispositivo anti-incrustação é utilizada em processos de cristalização descontínuos e a sonda com dispositivo anti-incrustação integrado é utilizada em processos de cristalização contínuos. As células para medição em tubulações (ver Figura 3) são uniformemente revestidas internamente com PTFE, sem protuberâncias no tubo de medição. A construção garante alta resistência à abrasão, como para a medição confiável da concentração do leite de cal. Exemplos Práticos para a Indústria Sucroalcooleira Figura 5. Resultados da Medição de Umidade Umidade (%) 1.60 1.50 1.40 1.30 1.20 1.10 1.00 Laboratório Berthold 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Amostra Figura 6. Seqüência de Produção do Leite de Cal Componentes Grossos Leite de Cal Bruto Classificador Arenito Tambor de Abrandamento Calha Micro-Polar Brix com sonda para inserção Contêiner de amadurecimento Cal Viva Caldo Resfriado Leite de Cal Industrial Instrumentos Berthold de tecnologia de microondas têm sido utilizados com sucesso em diversas aplicações. Estas incluem aplicações padrão em cristalizadores evaporativos contínuos e descontínuos, medição da substância seca em caldo bruto, fino e grosso e uma variedade de aplicações especiais. Nas aplicações padrão é obtida uma precisão normalmente < 0,2%ST. Estas foram freqüentemente descritas no passado, por exemplo, por Mitchell e Springer (2006). Portanto, duas aplicações específicas são descritas nos parágrafos seguintes. Aplicações Especiais Não é só o teor de água que pode ser determinado no xarope/magma de açúcar através da medição por microondas da Berthold. Existe um grande número de outras aplicações possíveis na indústria sucroalcooleira. Basicamente, a física permanece a mesma: temos o material composto por água, que tem um grande efeito na medição por microondas, e um segundo componente de interação consideravelmente menor. Exemplos disso são a medição da concentração de material sólido no leite de cal e a medição da umidade do açúcar cristalizado. Ambas as aplicações serão analisadas mais adiante. Umidade na Produção de Cubos de Açúcar O teor de umidade dos cristais de açúcar deve ser controlado pouco antes da entrada no filtro de forma, utilizado para a produção de cubos de açúcar. A adição de água é controlada pelo uso da medição de umidade da Berthold. Neste caso, a adição de água ocorre antes do ponto de medição da umidade. A medição da umidade exata é fundamental para a alta qualidade dos cubos de açúcar. A figura 4 mostra o instrumento de medição. As antenas de microondas são instaladas em um chute de medição. O açúcar é acumulado neste chute para o processo e, portanto, o campo de microondas é completamente preenchido com açúcar. Micro-Polar Brix com célula de fluxo 05
Figura 7. Instalação em Leite de Cal Bruto de alimentação no cilindro de arrefecimento pela adição de suco (caldo resfriado). Após a separação dos componentes grosseiros, tais como pedras, o chamado leite cru de cal é levado a um classificador onde o grão é separado por sedimentação. Por meio da medição de microondas instalada no classificador (sonda de inserção, ver figuras 7 e 8), tempos de reação grandes são evitados e a concentração do leite cru é regulada para um valor de aprox. 22,5 Bé pela variação da adição de cal virgem. A precisão da medição por microondas é0,15béparaestaaplicação. O descarte do classificador é levado para o tanque de amadurecimento do leite de cal, o qual é composto por várias câmaras pelas quais o líquido é sucessivamente transmitido. O leite de cal, que é extraído com uma concentração de aprox. 22,5 Bé, é analisado pelo sistema de microondas e posteriormente regulado pela adição de caldo ao leite de cal industrial. A precisão da medição pode ser indicada aqui como 0,1 Bé. Geralmente, a célula de fluxo é utilizada para a medição da concentração do leite de cal industrial. A célula de medição é integrada à tubulação existente com diâmetro nominal, por exemplo, de 65 mm. Sumário Figura 8. Sonda de Inserção em Classificador A Figura 5 mostra uma comparação da medição em laboratório e da medição por microondas (BERTHOLD). A precisão da medição realizada é < 0,05% de umidade e de peso com uma correlação de 0,969. Com a precisão obtida, uma alta qualidade do produto é garantida, mesmo sem compensação nas instalações. Determinação da Matéria Sólida no Leite de Cal O caldo bruto deve ser separado dos outros componentes (substâncias que não sejam açúcar). Estas substâncias são precipitadas pela adição de leite de cal. O leite de cal (leite de cal industrial com aprox. 21 Bé) deve ser tão constante quanto possível e é fabricado de acordo com o seguinte procedimento operacional (ver Figura 6). O cal proveniente do forno de cal é fornecido por um tambor A técnica de medição por microondas para a determinação de matéria seca alcançou muita aceitação nos últimos anos na indústria sucroalcooleira. O trabalho pioneiro da Berthold Technologies contribuiu consideravelmente para este reconhecimento. As primeiras medições por microondas foram realizadas durante a campanha em 1997 na fábrica de açúcar de Jülich, na Alemanha, nos cristalizadores evaporativos para açúcar refinado 2 e açúcar bruto. A técnica de medição por microondas proporciona medições precisas e confiáveis de concentração em todas as áreas da indústria sucroalcooleira, devido às suas características físicas, já aqui especificadas, juntamente com o uso eficiente dos sistemas de microondas. Seu uso não é limitado apenas às aplicações padrão, tais como aquelas em um processo de cristalização evaporativa por exemplo. Pode ser aplicado a um grande número de aplicações específicas. A Berthold Technologies opera na indústria sucroalcooleira há mais de 30 anos. O conhecimento e a experiência destes anos foram a base do Micro-Polar Brix. O Micro-Polar Brix se mostrou bem sucedido em uma grande variedade de aplicações por oferecer uma medição precisa e confiável usando a mais moderna engenharia de microondas, bem como por sua operação simples e segura. Embora o possível efeito nocivo dos telefones celulares seja constantemente discutido, pode ser assegurado que as instalações usando microondas de baixa energia têm muito pouco efeito sobre os seres humanos e sobre o meio ambiente e são absolutamente inofensivas. O Micro-Polar Brix tem sua licença de freqüência aprovada tanto pela FCC (Federal Communications Commission) quanto pela ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Paper presented at the XXVIth Congress of the International Society of Sugar Cane Technologists, South Africa 30 July - 3 August 2007 and published here with the agreement of the Society. Referencias Klute, U. (2006). Microwave measuring procedure during the sugar extraction. SIT, 65, paper 912. Mitchell, G.E. and Springer, H.K. (2006). Evaluation of Berthold Technologies microwave probe. Proc. S. Afr. Sug. Technol. Ass., 80: 365 367. 06
Dolce Vita O açúcar torna mais doces várias coisas na vida. Mas a produção do açúcar é muito mais fácil se a tecnologia correta é utilizada. Por isso vários produtores de açúcar medem a concentração ou a densidade no cristalizador utilizando o novo Micro-Polar Brix da Berthold. Tire vantagem dos frutos de nossa experiência de mais de 25 anos e mais de 2000 sistemas instalados na indústria mundial de açúcar, que está incorporada nesse sistema. Isso pode fazer o seu trabalho do dia-a-dia mais doce! Características: Calibração automática Status da cristalização Display gráfico com contraste regulável Dois geradores AF de tecnologia multi frequência Temperatura do produto de 10 C a 130 C Para produtos A- B- e C- feitos da beterraba e cana-de-açúcar Unidade de Avaliação Medição de concentração em um cristalizador Medição de densidade por microondas Sensor 07