Tecnologia de Medição por Mic

TECNOLOGIA DE MEDIÇÃO POR MICROONDAS
Aplicada à Usina Sucroalcooleira
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.
Soluções em instrumentação e automação
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
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Aplicada à Usina Sucroalcooleira
valo de freqüência quanto
na potência.
Figura 1. Princípio de Medição por Microondas
Sinal de referência
Fonte AF
Caminho de Referencia
Transmissor
Produto
Receptor
Comparação de Fase
Fase
Comp. da Amplitude
Atenuação
Sinal de Medição
Mudança de Fase
Tabela 1. Potência de Alta Freqüência de Aplicações
Forno de Microondas
1000 W
Telefone Celular
2W
Micro-Polar Brix
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
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 inter-
2 02
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.
Soluções em instrumentação e automação
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Aplicada à Usina Sucroalcooleira
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 da cor e da turbidez no sistema de microondas
apresentado aqui é insignificante.
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.
Soluções em instrumentação e automação
(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
TECNOLOGIA DE MEDIÇÃO POR MICROONDAS
Aplicada à Usina Sucroalcooleira
A dinâmica do equipamento indica o quão bem o sinal de
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 MicroPolar 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
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Soluções em instrumentação e automação
TECNOLOGIA DE MEDIÇÃO POR MICROONDAS
Aplicada à Usina Sucroalcooleira
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
Sucroalcooleira
Figura 5. Resultados da Medição de Umidade
1.60
Laboratório
Umidade (%)
1.50
Berthold
1.40
para
a
Indústria
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.
1.30
Aplicações Especiais
1.20
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.
1.10
1.00
1
2
3
4
5
6
7 8 9
Amostra
10 11 12 13 14 15
Figura 6. Seqüência de Produção do Leite de Cal
Calha
Cal Viva
Tambor de Abrandamento
Leite de Cal
Bruto
Classificador
Arenito
Micro-Polar Brix
com sonda para inserção
Contêiner de
amadurecimento
Leite de Cal Industrial
Componentes Grossos
Caldo Resfriado
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
Soluções em instrumentação e automação
05
TECNOLOGIA DE MEDIÇÃO POR MICROONDAS
Aplicada à Usina Sucroalcooleira
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
é 0,15 Bé para esta aplicação.
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
06
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.
Soluções em instrumentação e automação
TECNOLOGIA DE MEDIÇÃO POR MICROONDAS
Aplicada à Usina Sucroalcooleira
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:
Unidade de Avaliação
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
Medição de concentração
em um cristalizador
Sensor
Medição de densidade
por microondas
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