Estratégia não invasiva para estimação da temperatura de amostras em células de medição ultrassônicas usando o filtro de Kalman Estendido

Abstract

O uso de métodos ultrassônicos na caracterização de líquidos é amplamente adotado em diversos setores industriais devido à sua natureza não invasiva e não destrutiva. No entanto, um dos principais desafios enfrentados nesse campo é a influência da temperatura do líquido nas medições, uma vez que variações térmicas afetam significativamente os resultados. Embora existam técnicas para controlar a temperatura, ainda há uma lacuna na implementação de sistemas de controle térmico eficientes que não interfiram nas propriedades físico-químicas do líquido em análise. Diante desse contexto, este trabalho tem como objetivo desenvolver um sistema de medição de temperatura não invasivo para uma célula de medição ultrassônica, capaz de estimar a temperatura da amostra líquida com base apenas em medições externas. A metodologia proposta é composta por duas etapas principais: (i) a construção da célula de medição e (ii) a estimação de estados por meio do Filtro de Kalman Estendido (EKF). Inicialmente, foram estudadas e comparadas diferentes técnicas de cálculo do tempo de voo, como detecção de picos, cruzamento por zero, correlação cruzada e fase espectral. Em seguida, foi construída a célula de medição acústica de baixa frequência para caracterização de líquidos e implementado um modelo acústico em camadas para apoiar o seu projeto. Testes preliminares foram realizados para validar as implementações e avaliar seu desempenho. A estimação não invasiva da temperatura foi realizada com base no EKF, eliminando a necessidade de sensores internos e minimizando interferências. Dois ensaios experimentais foram conduzidos, modulando a corrente aplicada por meio de sinais chirp, nos seguintes cenários: (i) apenas aquecimento e (ii) aquecimento e resfriamento. O EKF apresentou erros quadráticos médios (RMSE) de 1,13 % e 2,51 % para os cenários 1 e 2, respectivamente. Os resultados obtidos indicam que o EKF é uma abordagem promissora para a estimação de sinais térmicos, configurando-se como uma ferramenta útil para aprimorar métodos de caracterização ultrassônica de líquidos em aplicações industriais e laboratoriais.