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Resumo

Introdução

A determinação exata do teor de matéria seca (teor de Brix)e/ou da densidade é de grande importância em diversasseções de uma fábrica de açúcar. Para todas estas tarefasde medição, a tecnologia de medição por microondas ofereceuma solução eficaz.

Dependendo do tipo de processo o sensor deve cumprir requisitosespeciais. Por exemplo, o sensor deverá ser equipado com umdispositivo de lavagem no processo de cristalização contínua, afim de garantir medições confiáveis durante longos períodos defuncionamento.Uma medição contínua da matéria seca é necessária durante otodo o processo de cristalização. A medição exata é necessária,

TECNOLOGIA DE MEDIÇÃO POR MICROONDASTECNOLOGIA DE MEDIÇÃO POR MICROONDAS

Soluções em instrumentação e automação 01

Apl icada à Usina Sucroalcooleira

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.


Soluções em instrumentação e automação


des diferentes), isto é conhecido como medição portransmissão. Na medição por transmissão, como na tecnologiade medição da Berthold, geralmente se obtem medidas maisrepresentativas, resultantes do fato de uma maior quantidadede produto estar sendo analisada.Durante a transmissão das microondas, os componentes doproduto são polarizados à diferentes intensidades, resultandonuma perda de velocidade e de energia do sinal de microondas.A redução de velocidade provoca uma mudança na fase dosinal e o enfraquecimento da energia causa uma atenuação nasmicroondas (ver Figura 1).Se portadores de carga livre ou materiais polarizados (comomoléculas de água) estiverem presentes no produto, este efeitoé desproporcionalmente maior. A influência da água sobre osinal é de cerca de 40 vezes maior do que a influência deoutros componentes (como açúcar). Fica então evidente que amedição é seletivamente sensível à concentração de água. Acorrelação entre o teor de água e matéria seca permite umamedição muito precisa da concentração, do Brix e da densidadeem todos os estágios da produção de açúcar.

Figura 1. Princípio de Medição por Microondas

Tabela 1. Potência de Alta Freqüência de Aplicações

Forno de Microondas

Telefone Celular

Micro-Polar Brix

1000 W

2W

0.0001 W

tanto na fase de solução até o ponto de sedimentaçãoquanto na fase de magma até a descarga do produto. Issonão pode ser alcançado através da utilização Refratómetrospois a medição não é possível na fase de cristal.Durante a produção de açúcar, existem outras etapas doprocesso onde a determinação da matéria seca é muitoimportante. Isto inclui a medição de matéria seca no caldobruto, fino e grosso. Para estas aplicações, uma célulaespecial de medição para tubulações é utilizada.Além disso, as características das microondas tambémfazem uma determinação exata da concentração de sólidos,por exemplo, no leite de cal, e do teor de umidade emaçúcar cristalizado.Outros sistemas de microondas já surgiram anteriormente(Klute, 2006). O presente relatório trata, porém, doprocessamento do sinal e do desempenho de tais sistemaspela primeira vez e aponta as vantagens diretas para ousuário.

As Características das Microondas

O Efeito da Medição por Microondas

O uso da técnica de medição por microondas para adeterminação de matéria seca está se tornando cada vezmais popular em todo o mundo. Mas o que realmente sãomicroondas? As microondas são ondas eletromagnéticas,semelhantes às utilizadas nos transmissores de rádio, redessem fio, telefones celulares e fornos de microondas. Asmicroondas usadas nestas aplicações diferem tanto no inter-

valo de freqüência quantona potência.

As microondas usadas parasistemas de medição naindústria do açúcarnormalmente têmfrequências de cerca de 2,5GHz e não são muitopotentes. A Tabela 1compara a potência dasmicroondas para váriosaparelhos diferentes. Otermo "microondas" é auto-explicativo. Em uminstrumento de medição demicroondas, microondas deum transmissor irradiam oproduto e são detectadaspor um receptor. Se otransmissor e o receptorformam uma única unidadeestes dispositivos podemser um ressonador, umsensor de disperção oureflexão. Quando atransmissão e recepção sãoindependentes (duas unida-

Comportamento da Medição no Magma

Na medição da matéria seca no magma, a técnica de mediçãopor microondas reage à substância seca dos cristais de maneirasemelhante à que reage à matéria seca da solução. Para acalibração, os sinais de microondas (fase e atenuação) sãoreferenciados ao valor de laboratório da amostra analisada. Secristais estão presentes na amostra, estes devem serinicialmente dissolvidos (por diluição) e o conteúdo total desólidos da solução deve ser determinado. Assim, o sistema demicroondas sempre mede o teor de substância seca atual,independentemente de o açúcar estar em solução ouparcialmente cristalizado. Isso resulta em um processo simplesde calibração, bem como em uma alta confiabilidade para usoem cristalização. Amostras de calibração podem ser tomadasuniformemente durante todo o processo de cristalização,independentemente de o açúcar estar em fase de solução ouem fase de magma. Duas amostras são suficientes paradeterminar a equação de calibração que, na grande maioria doscasos, é linear.

2

Fonte AF

Transmissor

Caminho de Referencia

ProdutoReceptor

Mudança de Fase

Sinal de Medição

Sinal de referência

Valor medido:Concentração %ST

Comparação de Fase

Comp da Amplitude.

Atenuação

Fase

02




Figure 2. Arranjo de Medição em um Cristalizador

Outros procedimentos de medição são menos confiáveispara o processo de cristalização. Por exemplo, a medição deinfravermelho não é viável para uma solução cristalizada e amedição da densidade radiométrica requer duas equaçõeslineares de calibração, uma vez que o comportamento damedida difere entre as fases de solução e de magma.

Variáveis com Possível Influência

(A) Tamanho do Cristal

A influência do tamanho do cristal na medição pormicroondas é pequena. A presença de cristais pode afetaros resultados em função da relação entre o comprimento deonda e o tamanho do grão. Para uma relação comprimentode onda : granulometria >10, ainfluência é desprezível. Paraa freqüência usual de 2,5 GHz, o comprimento de ondamédio do produto é de 30 mm. Portanto, a influência dosgrãos de tamanho <3mm é bastante pequena.

(B) Pureza do Açúcar

Os dois sinais de microondas, de fase e atenuação, secorrelacionam bem na maioria dos casos e, na maioria dasaplicações. A fase é utilizada para a calibração devido àelevada sensibilidade da medição. A sensibilidade demedição da atenuação aumenta consideravelmente comcaldos de baixa pureza. Em tais casos, uma calibração mistautilizando tanto a fase quanto a atenuação é a preferida afim de aumentar a precisão de medição. Isto permite que atécnica de medição por microondas seja utilizada com altaprecisão para todas as purezas de produto. A influência deoscilações do grau de pureza do produto é insignificante.Todos os tipos de produtos (A-, B- e C-) a partir de beterrabae de cana podem ser medidos com precisão e confiabilidade.

Em compensação, existe uma dependência clara da pureza euma restrição de medições utilizando instrumentoscondutores e de baixa freqüência devido às diferentes gamasde frequência em uso. O sistema de baixa freqüênciatrabalha dentro do intervalo de MHz e o sistema demicroondas dentro da faixa de GHz.

(C) Cor e turbidez

A influência da cor e da turbidez no sistema de microondasapresentado aqui é insignificante.

(D)Temperatura do produto

O alinhamento das moléculas de água no campo demicroondas e, portanto, a medição de concentração/umidade,são dependentes da temperatura. A influência da temperaturaé linear na maioria dos casos e pode ser facilmentecompensada. Durante o processo de cristalização em umapanela de vácuo, a temperatura pode variar dentro de umintervalo de 60 a 80°C, dependendo do vácuo. A influência datemperatura nesta faixa também é linear.A unidade de avaliação de Berthold calcula a compensação detemperatura automaticamente após a coleta de amostras efornece gerenciamento simples até mesmo nos processos decristalização refrigerada.

Processamento do Sinal

A mudança de fase e atenuação das ondas causadas peloproduto devem ser detectadas e avaliadas através de um bomprocessamento do sinal. Isso depende da dinâmica de bonsequipamentos, de uma medida inequívoca e de uma estávelgeração de microondas.

sonda sem dispostivo

anti-incrustação

unidade de avaliação

cabo Quad de Alta-Frequência

03




A dinâmica do equipamento indica o quão bem o sinal demicroondas pode ser detectado e/ou reconhecido - quantomaior a dinâmica, maior a precisão de medição doinstrumento. Exemplo prático: os jovens têm uma audiçãomuito boa, por isso eles têm maior dinâmica acústica doque pessoas mais velhas. A dinâmica do equipamentoMicro-Polar Brix é de 70 dB, bem acima da média deoutros sistemas de microondas para a indústria açucareira.Inequívocos de medição são um pré-requisito básico nosinstrumentos de medição por microondas. Mudanças defase rápidas que ocorram no dispositivo de medição podemsugerir que estão ocorrendo mudanças rápidas naconcentração. A fase da onda (que pode ser de ± 360°) éresponsável por isso, já que é essencialmente ambígua.Uma ambiguidade semelhante pode ocorrer com amedição de tempo. Ao olhar para um relógio analógicoconvencional não se pode dizer se ele está marcando cincohoras da manhã ou da tarde. São necessárias informaçõesadicionais, por exemplo, a posição do sol ou se está claroou escuro.O Micro-Polar Brix resolve o problema de ambiguidadeatravés da aplicação de critérios de plausibilidade hábeispara a medida e garante, assim, uma leitura clara da fase.Uma outra possibilidade existe para restringir o intervalode medição.

O Sistema de Medição: Unidade de Avaliação eSensores de Microondas

O sistema de microondas de Berthold é composto por:

(A) Unidade de Avaliação com processador de altodesempenho e geração de microondas por tecnologia DSPem um resistente invólucro de aço inoxidável com displaygráfico.

(B) Sensor de Microondas em duas versões: sonda parainserção e célula de fluxo para instalação em tubulações.

A figura 2 mostra um arranjo típico de sonda para inserção. Osensor de microondas é conectado à unidade de avaliação pormeio de cabos de alta freqüência.

(A) Unidade de Avaliação

(B) Sensor Microondas

A sonda para inserção esta disponível em duasversões:

1. Sonda para inserção sem dispositivo anti-incrustação e com PT100 integrado.

2. Sonda para inserção com dispositivo anti-incrustação e sem PT100.

A grande vantagem desta sonda de inserção, emcomparação com outras sondas, é o campo demicroondas focado. As microondas só são irradiadaspela haste emissora na direcção da haste receptora.Assim disturbios causados por mudanças no ambientede medição são reduzidos.O dispositivo integrado de lavagem da sonda deinserção foi concebido de tal forma que uma limpezamuito eficiente é efetuada, usando apenas uma pequena

Figura 3. Sensor microondas projetado como umacélula de fluxo para medição em tubulações.

04

A unidade de avaliação compacta (processador digital e módulomicroondas) é operada de forma intuitiva, com teclas denavegação e um teclado alfanumérico. O sinal de medição étransmitido através de uma saída de corrente 0/4-20 mA isoladaou, alternativamente, através da interface Rs232. Todos osparâmetros e dados de calibração estão contidos na memóriaEEPROM, que é protegida contra a falta de energia e pode serfacilmente substituída.Apenas um sensor é ligado à unidade de avaliação, o que garanteuma operação de alta confiabilidade. A distância entre a unidadede avaliação e sensor pode ser de até 10 m, permitindo que omódulo de alta freqüência fique distante do ambiente muitoquente do sensor. A unidade de avaliação compacta é certificadaaté uma temperatura de funcionamento de 60°C. O segundocanal de alta freqüência é concebido como um canal dereferência e permite uma compensaçãomuito boa do equipamento e do desvio causado pelo cabo.O Micro-Polar Brix da Berthold permite a calibração de até 4produtos diferentes. A troca do produto pode ser efetuada apartir do teclado ou a partir de uma sala de controle do processovia entrada digital. Assim, diferentes produtos podem serexecutados em um cristalizador.Nos processos em batelada é muito importante identificar apausa entre dois processos de cristalização e emissão do teor desubstância seca sem definição de tempo após o reinício. O Micro-Polar Brix permite isso pelo uso da função na qual asaída decorrente cai para o nível mais baixo de saída de corrente quandoo produto é descarregado. Somente com a entrada do produtorenovado no interior do tanque o teor de matéria seca da novasolução é mostrado no display e é possível um controle rápido.Para inicio rápido e simples, o Micro-Polar Brix é configuradocompletamente sem o uso de PC. A amostragem é semi-automatica, sem a necessidade de gravação manual dos valoresmedidos. Os valores laboratoriais são facilmente inseridos e acalibração totalmente automática calcula a melhor regressão. Oresultado laboratório/medição pode ser graficamentevisualizado com a correlação indicada.




Figura 4. Arranjo para Medição da Umidade do Açúcar

Umidade na Produção de Cubos de Açúcar

O teor de umidade dos cristais de açúcar deve sercontrolado pouco antes da entrada no filtro de forma,utilizado para a produção de cubos de açúcar. A adiçãode água é controlada pelo uso da medição de umidadeda Berthold. Neste caso, a adição de água ocorreantes do ponto de medição da umidade. A medição daumidade exata é fundamental para a alta qualidadedos cubos de açúcar.A figura 4 mostra o instrumento de medição. Asantenas de microondas são instaladas em um chutede medição. O açúcar é acumulado neste chute para oprocesso e, portanto, o campo de microondas écompletamente preenchido com açúcar.

Laboratório

Berthold

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Amostra

Um

idade

(%)

1.60

1.50

1.40

1.30

1.20

1.10

1.00

O fluxo de lavagem é de pequeno porte e não temqualquer influência sobre o processo de cristalização.Assim, uma recuperação rápida de sinal (de poucossegundos) acontece, garantindo um controle segurodo processo. Os sensores de inserção estãodisponíveis em diferentes tamanhos de flange,portanto, uma troca é fácil, quando comparado comoutros sistemas.A s s o n d a s d e i n s e r ç ã o s ã o u t i l i z a d a spredominantemente para processamento emcristalizadores evaporativos. A sonda de inserçãopadrão sem dispositivo anti-incrustação é utilizadaem processos de cristalização descontínuos e a sondacom dispositivo anti-incrustação integrado é utilizadaem processos de cristalização contínuos.As células para medição em tubulações (ver Figura 3)são uniformemente revestidas internamente comPTFE, sem protuberâncias no tubo de medição. Aconstrução garante alta resistência à abrasão, comopara a medição confiável da concentração do leite decal.

Instrumentos Berthold de tecnologia de microondastêm sido utilizados com sucesso em diversasaplicações. Estas incluem aplicações padrão emcr i s ta l i zadores evapora t i vos cont ínuos edescontínuos, medição da substância seca em caldobruto, fino e grosso e uma variedade de aplicaçõesespeciais.Nas aplicações padrão é obtida uma precisãonormalmente < 0,2%ST. Estas foram freqüentementedescritas no passado, por exemplo, por Mitchell eSpringer (2006). Portanto, duas aplicaçõesespecíficas são descritas nos parágrafos seguintes.

Não é só o teor de água que pode ser determinado noxarope/magma de açúcar através da medição pormicroondas da Berthold. Existe um grande número deoutras ap l i cações poss íve is na indúst r iasucroalcooleira. Basicamente, a física permanece amesma: temos o material composto por água, quetem um grande efeito na medição por microondas, eu m s e g u n d o c o m p o n e n t e d e i n t e r a ç ã oconsideravelmente menor.Exemplos disso são a medição da concentração dematerial sólido no leite de cal e a medição da umidadedo açúcar cristalizado. Ambas as aplicações serãoanalisadas mais adiante.

E x e m p l o s P r á t i c o s p a r a a I n d ú s t r i aSucroalcooleira

Aplicações Especiais

Figura 6. Seqüência de Produção do Leite de Cal

Figura 5. Resultados da Medição de Umidade

Co

mp

on

en

tes

Gro

sso

s

Leite de CalBruto

Classificador

Tambor de Abrandamento

CalhaCal Viva

Caldo Resfriado

Micro-Polar Brixcom sonda para inserção

Contêiner deamadurecimento

Micro-Polar Brixcom célula de fluxo

Leit

ed

eC

alIn

du

str

ial

Arenito

05




Figura 7. Instalação em Leite de Cal Brutode alimentação no cilindro de arrefecimento pela adição desuco (caldo resfriado). Após a separação dos componentesgrosseiros, tais como pedras, o chamado leite cru de cal élevado a um classificador onde o grão é separado porsedimentação.Por meio da medição de microondas instalada noclassificador (sonda de inserção, ver figuras 7 e 8), temposde reação grandes são evitados e a concentração do leite crué regulada para um valor de aprox. 22,5 Bé pela variação daadição de cal virgem. A precisão da medição por microondasé 0,15 Bé para esta aplicação.O descarte do classificador é levado para o tanque deamadurecimento do leite de cal, o qual é composto porvárias câmaras pelas quais o líquido é sucessivamentetransmitido. O leite de cal, que é extraído com umaconcentração de aprox. 22,5 Bé, é analisado pelo sistema demicroondas e posteriormente regulado pela adição de caldoao leite de cal industrial. A precisão da medição pode serindicada aqui como 0,1 Bé.Geralmente, a célula de fluxo é utilizada para a medição daconcentração do leite de cal industrial. A célula de medição éintegrada à tubulação existente com diâmetro nominal, porexemplo, de 65 mm.

Sumário

A técnica de medição por microondas para a determinaçãode matéria seca alcançou muita aceitação nos últimos anosna indústria sucroalcooleira. O trabalho pioneiro da BertholdTechnologies contribuiu consideravelmente para estereconhecimento. As primeiras medições por microondasforam realizadas durante a campanha em 1997 na fábrica deaçúcar de Jülich, na Alemanha, nos cristalizadoresevaporativos para açúcar refinado 2 e açúcar bruto.A técnica de medição por microondas proporciona mediçõesprecisas e confiáveis de concentração em todas as áreas daindústria sucroalcooleira, devido às suas característicasfísicas, já aqui especificadas, juntamente com o uso eficientedos sistemas de microondas. Seu uso não é limitado apenasàs aplicações padrão, tais como aquelas em um processo decristalização evaporativa por exemplo. Pode ser aplicado aum grande número de aplicações específicas.A Berthold Technologies opera na indústria sucroalcooleira hámais de 30 anos. O conhecimento e a experiência destesanos foram a base do Micro-Polar Brix. O Micro-Polar Brix semostrou bem sucedido em uma grande variedade deaplicações por oferecer uma medição precisa e confiávelusando a mais moderna engenharia de microondas, bemcomo por sua operação simples e segura.Embora o possível efeito nocivo dos telefones celulares sejaconstantemente discutido, pode ser assegurado que asinstalações usando microondas de baixa energia têm muitopouco efeito sobre os seres humanos e sobre o meioambiente e são absolutamente inofensivas.O Micro-Polar Brix tem sua licença de freqüência aprovadatanto pela FCC (Federal Communications Commission)quanto pela ETSI (European Telecommunications StandardsInstitute).

Paper presented at the XXVIth Congress of the InternationalSociety of Sugar Cane Technologists, South Africa 30 July - 3August 2007 and published here with the agreement of theSociety.

A Figura 5 mostra uma comparação da medição emlaboratório e da medição por microondas (BERTHOLD). Aprecisão da medição realizada é < 0,05% de umidade e depeso com uma correlação de 0,969.Com a precisão obtida, uma alta qualidade do produto égarantida, 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 sãoprecipitadas pela adição de leite de cal. O leite de cal (leitede cal industrial com aprox. 21 Bé) deve ser tão constantequanto possível e é fabricado de acordo com o seguinteprocedimento operacional (ver Figura 6).O cal proveniente do forno de cal é fornecido por um tambor

Referencias

Klute, U. (2006). Microwave measuring procedure during the sugarextraction. SIT, 65, paper 912.

Mitchell, G.E. and Springer, H.K. (2006). Evaluation of BertholdTechnologies microwave probe. Proc. S. Afr. Sug. Technol. Ass., 80:365–367.

Figura 8. Sonda de Inserção em Classificador

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Unidade de Avaliação

Sensor


Medição de densidade

por microondas

Medição de densidade

por microondas

Medição de concentração

em um cristalizador

Medição de concentração

em um cristalizador

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

Dolce VitaO 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!

07

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