pro/m/tec µ-icc 2.45 compact este guia tem como objetivo apresentar os conceitos técnicos e a...

pro/M/tec µ-ICC 2.45 Compact

Este guia tem como objetivo apresentar os conceitos técnicos e a tecnologia existentes por trás da medição de concentração e densidade de produtos por meio da utilização inovadora das microondas.

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Seção I – Princípios básicos da medição por microondas

Seção II – Funcionamento dos medidores pro/M/tec

Seção III – Características dos medidores pro/M/tec

Seção IV – Principais aplicações

Seção V – Vantagens da tecnologia

Sobre a pro/M/tec

Boletim técnico PMT-10-0 atualizado em Novembro de 2010.


Seção I – Princípios básicos da medição por microondas.

A medição de concentração e densidade empregada nos medidores pro-M-tec baseia-se na interferência que o meio sob medição ocasiona sobre um sinal de referência cuja freqüência localiza-se no espectro de microondas.

Por definição, microondas são sinais eletromagnéticos que oscilam em altíssimas freqüências, variando dentro do espectro de 300 MHz a 300 GHz. Tipicamente, consideram-se microondas sinais cuja freqüência de oscilação situe-se na faixa que vai de 01 a 100 GHz.

A unidade padrão internacionalmente aceita para quantificação de freqüências de oscilação de um sinal é o Hertz (Hz); por definição, 01 Hz é a freqüência de um sinal que completa um ciclo completo em 01 segundo.

Os múltiplos da unidade fundamental são:

- 01 KHz = 1 x 103 Hertz, ou mil oscilações por segundo;- 01 Mhz = 1 x 106 Hertz, ou um milhão de oscilações por segundo;- 01 GHz = 1 x 109 Hertz, ou um bilhão de oscilações por segundo.

Para compreender-se o princípio de funcionamento da medição por microondas, é necessário que se conceitue alguns termos inerentes aos sinais ondulatórios eletromagnéticos, como demonstrados no próximo slide:

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As ondas eletromagnéticas podem ser de vários tipos, tais como quadradas, triangulares, dentes de serra, pulsos, ou senoidais. A sua forma gráfica em função do tempo determina sua denominação. A figura abaixo ilustra as várias formas de onda e suas denominações:

Onda Senoidal

Onda Quadrada

Onda Triangular

Onda Dente de Serra

Figura 01 – Exemplos de formas de onda


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Os medidores pro-M-tec baseiam-se na emissão e recepção de microondas de formato senoidal. As principais características físicas deste tipo de onda são demonstradas a seguir:

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Amplitude da onda, ou valor de pico.

Valor pico a pico da onda

Comprimento da onda

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Os medidores pro-M-tec baseiam-se na emissão e recepção de microondas de formato senoidal. As principais características físicas deste tipo de onda são as seguintes:

Amplitude da Onda: Máximo valor alcançado por uma onda em relação ao zero, podendo ser tanto positivo (acima do zero), quanto negativo (abaixo do zero).

Valor pico a pico: Soma modular dos valores máximos e mínimos medidos em um ciclo da onda; por exemplo, uma onda com amplitude positiva = +5 e negativa = -5 apresenta um valor pico a pico = 10.

Comprimento de onda: Distância linear total percorrida por uma dada onda no espaço, desde o tempo em que se inicia um ciclo até o final deste mesmo ciclo. No espectro de microondas este comprimento varia de alguns centímetros a poucos milímetros; quanto maior a freqüência de uma onda, menor o seu comprimento.

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Outro conceito de fundamental importância para a compreensão da medição por microondas diz respeito a um fenômeno chamado “faseamento” de ondas. “Faseamento” é uma medida relacionada a alterações na ondulação de duas ou mais ondas de mesma freqüência em função do tempo. Duas ondas estão “em fase” quando iniciam e terminam seus ciclos ondulatórios dentro do mesmo período de tempo, mesmo que tenham amplitudes diferentes. A figura abaixo demonstra duas ondas “em fase”, ainda que com amplitudes diferentes:

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

As ondas iniciam

seus ciclos juntas

Atingem seu pico juntas

Passam pelo zero

juntas

Os ciclos acabam juntos

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Por outro lado, quando as ondas não ocorrem ao mesmo tempo, diz-se que elas estão fora de fase entre si, ou “defasadas”.Na figura a seguir, pode-se observar duas ondas de mesma amplitude, porém “defasadas” no tempo:

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Neste caso, todos os eventos (início, passagem pelos picos e encerramento do ciclo) acontecem em momentos diferentes ao longo do tempo. As ondas estão “defasadas” entre si.

A este processo de “defasagem” entre as ondas dá-se o nome de desvio de fase, que é uma das características das quais o sistema se aproveita para fazer as medições.

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Em linhas gerais, o sistema de medição por microondas da pro/M/tec se utiliza de duas características fundamentais das microondas: a atenuação e o desvio de fase ocorrido quando os sinais de microondas percorrem o meio a ser medido.

O medidor gera um sinal padrão de microondas, que é inserido no meio a ser medido, e analisa as alterações que este sinal padrão sofre ao ser detectado por uma antena receptora, como mostra o diagrama:

Antena transmissora: Emite o sinal padrão de microondas.

Antena receptora:Recebe o sinal de microondas afetado pelo produto a ser medido.

Produto a ser medido

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pro/M/tec µ-ICC 2.45 Compact-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5


Para realizar a medição de concentração/densidade, o medidor compara a microonda padrão (transmitida para o meio a ser medido), representada pela onda senoidal em azul, com a microonda recebida pela antena receptora, já afetada pelo meio a ser medido, e avalia a diferença entre a amplitude e o desvio de fase observado entre os dois sinais

Atenuação da ondaDesvio de fase

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A atenuação das microondas e o desvio de fase existente entre o sinal de referência e o sinal coletado pela antena receptora são funções das características e do conteúdo de água do meio a ser medido.Quando as duas antenas (transmissora e receptora) estão expostas ao ar, não existem diferenças entre a onda de referência (transmitida) e a onda medida (recebida). As amplitudes das ondas são idênticas e não existe desvio de fase entre elas.

No entanto, quando as antenas são imersas no meio a ser medido, a atenuação e o desvio de fase ocorrem proporcionalmente ao conteúdo de água no meio.

Estes fenômenos físicos ocorrem por que as microondas são altamente suscetíveis à presença de água. Pode-se fazer uma analogia com os conhecidos fornos domésticos baseados em microondas, que aquecem os alimentos por que, na verdade, aquecem a água que eles possam conter.

A partir da medição tanto da atenuação, quanto do desvio de fase sofrido pelas microondas, o medidor, por meio de um software dedicado, calcula o conteúdo de água no meio, e infere matematicamente as variáveis de processo a serem indicadas, tais como concentração, graus Brix, dentre outras.

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Seção II – Funcionamento dos medidores pro/M/tec.

O principio de operação dos medidores pro/M/tec é totalmente baseado no conteúdo de água do meio a ser medido, e seus efeitos sobre a amplitude e o desvio de fase das microondas.

Em linhas gerais, o sistema de medição é composto por um sensor (conjunto de duas antenas, uma para transmissão e uma para recepção de microondas); um gerador/processador de microondas e uma unidade central de processamento e avaliação dos sinais de microondas. A figura abaixo ilustra um conjunto típico de medição, para fluidos em tubulações, com utilização do medidor “single-point” µ-ICC 2.45 Compact:

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Sensores planos especiais para transmissão e recepção das microondas

Unidade central de processamento e análise de sinais.

Cabos especiais para microondas.

Trecho tubular flangeado para inserção em tubulação para medição “in line”


O gerador de microondas, na versão Compact, está montado no interior do medidor, gerando sinais de microondas na faixa de 2.45 GHz. A potência do sinal de microondas é mantida dentro de limites rígidos de segurança, e não oferece quaisquer riscos à saúde. O gerador é interligado ao conjunto de antenas por meio de um cabo coaxial especial para microondas, com no máximo três metros de comprimento, dotado de conectores especiais, fornecidos juntamente com o sistema de medição.


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O medidor avalia matematicamente os sinais de microondas e as alterações que elas sofrem em função do meio sob medição, enviando sinais proporcionais ao sistema remoto de medição e /ou controle do processo, através de cabos apropriados de sinal.


As antenas de transmissão e recepção estão disponíveis em vários modelos e formatos, os quais variam em função do tipo de aplicação do produto.

O modelo do conjunto de antenas é definido em função de um aspecto fundamental para o bom resultado da medição, que é denominado “geometria” dos sensores. Como explicado anteriormente, as microondas são afetadas pelo meio sob medição; porém, a distância entre as antenas também tem papel primordial na medição. Assim, para uma dado meio com, digamos, 70% de concentração de sólidos dissolvidos, as microondas sofrerão efeitos da água contida no meio, mas também da distância entre as antenas. Quanto maior a distância entre elas, maior será a atenuação do sinal. Portanto, para um mesmo meio, diferentes medições serão obtidas se houver variação da distância entre as antenas.

A atenuação das microondas introduzidas no processo deve estar situada dentro de uma faixa aceitável, medida em decibéis (dB). Portanto, a distância entre as antenas, ou sua “geometria”, deve ser cuidadosamente avaliada durante o processo de especificação da melhor solução “mecânica” para cada tipo de aplicação.

Antenas instaladas em fundo de tanque em indústria de laticínios

Antenas e gerador de microondas instalados em tubulação para medição “in line”.


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• Unidade central de processamento:• Programação via teclado frontal, com menu interativo em Português;• Visor LCD com ajuste de contraste;• Não requer programações periódicas;• Precisão de medição de 0,01% do fundo de escala;• Compatível com PROFIBUS® PA, Ethernet/IP, RS485 e 4-20mA;• Alimentação 110~240 VCA, 50/60 Hz.

Seção III – Características dos medidores pro/M/tec.

• Gerador interno de microondas:• Oscilador PLL de alta estabilidade na faixa de 2.45 GHz;• Conexão ao conjunto de antenas por meio de cabos especiais, distância máxima 03 metros;• Compensação automática de temperatura do processo sob medição;• Compacto, robusto e resistente a ambientes agressivos.

• Conjuntos de antenas:• Antenas planas, especiais para montagem em tubulações e tanques;• Antenas de inserção, especiais para tanques e sistemas de cozimento de açúcar;• Antenas individuais, para montagem em vários recipientes e vasos, para compensação de

geometrias especiais de medição.

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Seção IV – Principais aplicações.

Os produtos pro/M/tec estão presentes em mais de 60 países, nos cinco continentes, realizando a medição de mais de 5.000 pontos. Suas principais aplicações são:

• Fábricas de açúcar e etanol;• Indústrias alimentícias (laticínios, polpas, óleos comestíveis, etc.;• Cervejarias;• Fábricas de concreto e cimento;• Indústrias químicas e petroquímicas;• Papel & Celulose;

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Seção V – Vantagens da tecnologia

• Alta precisão e repetibilidade das medições, comparáveis a instrumentos de laboratório;

• Baixa susceptibilidade a interferências de RF normalmente presentes em ambientes industriais;

• Permite medições em amplas faixas de variação das variáveis de processo;

• Não requer calibrações freqüentes;

• Linearidade de 100% ao longo da faixa de medição;

• Emissões de microondas de baixo nível, não oferecem riscos à saúde dos operadores e técnicos envolvidos nas medições;

• Ótima relação custo x benefício por ponto de medição;

• Serviços, partes e peças de reposição disponíveis no Brasil;

• Display LCD interativo com menu em Português;

• Tecnologia comprovada por mais de 5.000 aplicações em mais de 60 países.

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Sobre a pro/M/tec.

• A companhia foi fundada em 1996 por Karl-Heinz Theisen, e é especializada na medição de concentração e densidade por meio da aplicação de microondas.

• Suas instalações estão localizadas em Ettlingen, na Alemanha, a aproximadamente 150 Km ao sul de Frankfurt.

• Toda a tecnologia empregada pela pro/M/tec é de propriedade da empresa, que tem uma produção totalmente horizontalizada, adquirindo partes prontas produzidas por outras companhias (desde as partes eletrônicas até os componentes mecânicos), permitindo à equipe de engenheiros e técnicos da empresa a manutenção de seu foco no atendimento e suporte aos clientes, e no contínuo desenvolvimento de novas tecnologias e aplicações.

• Presente atualmente em mais de 60 países, a empresa possui uma carteira de mais de 5.000 pontos de medição, nos mais diversos segmentos econômicos, e vem apresentando um consistente crescimento nos últimos cinco anos, especialmente na indústria açucareira internacional.

• Desde 2007 a Authomathika é distribuidora e prestadora de serviços técnicos exclusiva no Brasil para toda a linha pro/M/tec, mantendo um amplo inventário local de peças, partes e produtos para reposição.

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