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Diferença Entre Medidores de Vazão Ultrassônicos por Efeito Doppler e Tempo de Transito

Medidores de Vazão Ultrassônicos Medidores de vazão ultrassônicos são dispositivo s não intrusivos que utilizam vibrações acústicas para medir a vazão de determinado líquido. Há dois tipos por efeito Doppler e por tempo de transito. Em ambos os casos, os dispositivos podem ser presos no lado externo do tubo sem impedir a linha ou interromper a vazão. Dessa forma, elimina-se perda de pressão e evita vazamentos, algo muito comum com medidores de vazão em linha. Além disso, não há contato do medidor de vazão com o líquido, evitando, assim, corrosão ou deterioração dos sensores. Medidores de vazão Doppler e de tempo de trânsito operam de forma similar, porém, com variações significativas na tecnologia. Para obter medições exatas, é importante saber qual medidor de vazão deverá ser usado em sua aplicação.

Medidores de Vazão Ultrassônico por efeito Doppler

Os medidores de vazão ultrassônicos Doppler baseiam-se no princípio chamado Efeito Doppler, que foi documentado pela físico e matemático austríaco Christian Johan Doppler em 1842. Ele afirmou que as frequências das ondas sonoras recebidas por um observador dependem do movimento da fonte ou do observador em relação à fonte do som. Medidores de vazão ultrassônicos por efeito Doppler são equipados com um transdutor para emitir um feixe ultrassônico na vazão do tubo. Para que o medidor de vazão possa operar, são necessárias partículas sólidas ou bolhas de ar no fluxo para refletir o feixe ultrassônico. A movimentação das partículas altera a frequência do feixe recebido por um segundo transdutor.

O medidor de vazão mede a alteração de frequência que é linearmente proporcional à taxa de vazão. Esse valor é multiplicado pelo diâmetro interno do tubo para se obter a vazão volumétrica, conforme mostrado a seguir:

Christian Johann Doppler
Christian Johann Doppler
Δf = 2fT sinθ • VF/VS

De acordo com a Lei de Snell (lei da refração)
sinθT/VT = sinθ/VS
VF = Δf/fT • VT/sinΔT = KΔf

Onde:

VT = Velocidade sônica do material transmissor
θT = Ângulo do feixe transmissor
K = Fator de calibração
VF = Velocidade da vazão
Δf = Alteração da frequência Doppler
VS = Velocidade sônica do fluido
fT = Frequência do transmissor
θ = Ângulo de entrada de fT no líquido
Taxa de vazão volumétrica = K • VF • D2

Onde:
K = Constante
D = Diâmetro interno do tubo

Enquanto que a operação do medidor de vazão ultrassônico por efeito Doppler depende de partículas fluindo no líquido, deve-se levar em conta os limites inferiores para a concentração e tamanho de sólidos ou bolhas. Além disso, o líquido deve fluir a uma taxa suficientemente alta para manter a suspensão dos sólidos.

Medidor de Vazão Ultrassônico de Tempo de Trânsito

Medidores de vazão de tempo de trânsito medem a diferença de que o sinal emitido pelo primeiro transdutor leva para percorrer o tubo e ser recebido pelo segundo transdutor. Faz-se uma comparação entre as medições obtidas a montante e a jusante da vazão. Se não há vazão, o tempo de viagem do sinal será o mesmo em ambas as direções, caso contrário, o som se move mais rápido quando percorre o tubo na mesma direção da vazão e mais devagar quando percorre o tubo em sentido contrário à vazão. Visto que o sinal ultrassônico deve atravessar o tubo para ser recebido pelo sensor, o líquido não pode conter quantidades significativas de sólidos ou bolhas, pois, o som de alta frequência diminui e fica muito fraco para percorrer o tubo.

A diferença entre as medições a jusante e a montante, feitas no mesmo percurso, é usada para calcular a vazão pelo tubo.

V = K • D/sin2θ • 1/(T0 – t)2 ΔT

Onde:

V = Velocidade média da vazão
K = Constante
D = Diâmetro interno do tubo
θ = Ângulo de incidência das ondas ultrassônicas
T0 = Tempo de transito da vazão zero

ΔT = T1 – T2
T1 = Tempo de trânsito das ondas a montante, transmitidas para o receptor a jusante
T2 = Tempo de trânsito das ondas a jusante, transmitidas para o receptor a montante
t = Tempo de trânsito das ondas através da parede e do revestimento do tubo

A equação acima mostra que a velocidade da vazão do fluído é diretamente proporcional à diferença entre as medições a montante e a jusante.

O medidor de vazão ultrassônico de tempo de trânsito pode ser configurado de três formas diferentes: Z, V e W. Todas são reconhecidas como trilha de medição simples, uma vez que o feixe ultrassônico segue um trilha simples. Em todas as três configurações, o resultado produzido pelo transdutor é convertido em sinal de corrente, frequência ou tensão. A configuração ideal é determinada por diversos fatores, tais como:
  • Tamanho do tubo
  • Espaço disponível para montagem dos transdutores
  • Condição das paredes internas do tubo
  • Tipo de revestimento
  • Características do fluido líquido
Na configuração "Z", os transdutores são posicionados em lados opostos do tubo, ou seja, um a montante e outro a jusante. Geralmente, a distância a jusante é de, aproximadamente, D/2, em que D é igual ao diâmetro do tubo. A distância ideal é calculada por um conversor. Recomenda-se esse arranjo apenas quando o espaço for limitado, com alto índice de turbidez, no caso de revestimento com argamassa ou quando há uma grande quantidade de acúmulo de carepa nas paredes internas do tubo. Devem ser evitados em instalações com tubos pequenos, pois, em casos assim, a exatidão das medições pode ficar comprometida.

Recomenda-se a configuração "V" para a maioria das instalações. Com esse arranjo, dois transdutores são colocados no mesmo lado do tubo, com espaçamento entre um e outro, aproximadamente, igual ao diâmetro do tubo. Prende-se um trilho no tubo para que os transdutores possam ser deslizados horizontalmente, a fim de posicioná-los no espaçamento calculado.

A configuração "W" é mais frequentemente utilizada em aplicações de tubos com diâmetros entre meia polegada e uma polegada e meia. Nesse arranjo, o sinal ultrassônico rebate na parede três vezes e, portanto, deve percorrer um caminho mais longo. Líquidos com alto nível de turbidez, a existência de carepa ou acúmulos na parede interna do tubo podem diminuir a exatidão.

Fatores que influenciam a exatidão dos medidores de vazão ultrassônicos

A exatidão das medições de medidores de vazão ultrassônicos depende de uma montagem adequada. Mudanças significativas na temperatura do tubo ou alto nível de vibração podem afetar o alinhamento dos transdutores e o acoplamento acústico com o tubo. Esses fatores devem ser levados em conta durante a instalação. Além disso, para obter uma taxa exata de vazão volumétrica, todos os medidores de vazão ultrassônico requerem que a tubulação esteja completa. Um medidor de vazão ultrassônico por efeito Doppler em um tubo parcialmente preenchido continua gerando medições de velocidade da vazão se ambos os transdutores forem montados abaixo do nível do líquido do tubo.

Conclusão

Os medidores de vazão ultrassônicos são dispositivos que medem a velocidade da vazão sem ter contato com o líquido. São fixados na parte externa do tubo e permitem a medição de líquidos corrosivos sem danificar os sensores. Cada um dos dois tipos de medidores de vazão ultrassônicos, Doppler e de tempo de trânsito, funciona com duas diferentes tecnologias. Entender como cada um deles funciona pode ajudá-lo a escolher o medidor para indicado para sua aplicação. No caso dos medidores de vazão ultrassônico por efeito Doppler é necessário ter partículas ou bolhas para refletirem os sinais ultrassônicos. São mais usados em líquidos sujos ou aerados, tais como águas de esgoto e lamas. Quanto aos medidores de vazão de tempo de trânsito, a presença de uma quantidade significativa de sólidos e bolhas no líquido enfraquece o sinal emitido e, portanto, são mais indicados para aplicações com líquidos limpos, tais como água ou óleo.

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