Ultrassônico

Os medidores de vazão baseados na tecnologia de ultrassom medem a velocidade do fluido através da propagação de ondas sonoras ultrassônicas (frequência acima do audível pelo ser humano) nesse fluido. O deslocamento do fluido influencia na velocidade de propagação dessas ondas sonoras, que pode, então, ser medida para inferir a velocidade média do fluido.

Os ultrassons são produzidos por transdutores piezoelétricos, que convertem energia elétrica em energia mecânica (som). Além disso, esses transdutores são recíprocos ou reversíveis, o que significa que se for aplicada ao transdutor uma excitação mecânica ele produzirá um sinal elétrico de saída. Por isso esses transdutores são normalmente utilizados nesse tipo de medidor de vazão.

Os principais medidores que utilizam a velocidade do som como meio para medição da vazão operam por tempo de trânsito ou por efeito Doppler (frequência). O princípio de funcionamento de ambos se baseia na transmissão de uma onda sonora de alta frequência através do fluxo de fluido e a análise das ondas ultrassônicas recebida.

Os medidores de vazão ultrassônicos por tempo de trânsito utilizam um par de transdutores instalados em posições opostas para medir os tempos percorridos pelos sinais ultrassônicos no meio. A diferença entre esses tempos determina a velocidade do fluxo.

A Figura 3 apresenta um exemplo de instalação desses transdutores usados nos medidores de vazão por tempo de trânsito.

a)	b)

Figura 3 – (a) Exemplo de medição de vazão com um desses medidores.
(b) Instalação de medidor de vazão ultrassônico por tempo.
Fonte: (a) Autoria Própria;
(b) <http://www.ayite1973.com/sdp/1094510/4/pd-5248457/6456880.html>.
Acesso em: 20 abr. 2013.

A velocidade de propagação da onda de ultrassom é somada vetorialmente à velocidade do fluxo de fluido, ou seja, o feixe de onda transmitido pelo transdutor 1 no sentido de deslocamento do fluido tende a se propagar mais rápido até o transdutor 2 por influência da velocidade desse fluido. Já o feixe de onda que viaja no sentido contrário do fluxo, isto é, do transdutor 2 para o 1, propaga-se mais lentamente também devido à influência da velocidade do fluxo de fluido. Assim sendo, esse medidor determina o tempo diferencial entre os dois pulsos ultrassônicos, t₁₂ e t₂₁, através do fluxo. Os tempos de transmissão são dados por:

$ t_{12} = \frac{d}{v_{S} + \overrightarrow{v} \times \cos \theta} $

$ t_{21} = \frac{d}{v_{S} + \overrightarrow{v} \times \cos \theta} $

Onde:
d é a distância entre os dois transdutores de ultrassom,
v_s a velocidade do som,
θ o ângulo entre os eixos do condutor e o caminho acústico e,
$ \overrightarrow{v} $ a velocidade média do fluido na distância d.

Com a diferença entres os tempos devidamente calculada, a velocidade média, v, do fluxo de fluido, ao longo do caminho é dada por:

$ \overrightarrow{v} = \frac{d}{2 \cdot \cos \theta } \left( \frac{1}{t_{21}} - \frac{1}{t_{12}} \right)=\frac{D}{2 \cdot \cos\theta \cdot \mathrm{sen} \theta}\left( \frac{1}{t_{21}} - \frac{1}{t_{12}} \right) $

Onde D é o diâmetro da tubulação.

A principal vantagem desse tipo de instalação (Figura 3 (b)) é o fato de se medir a vazão por ultrassom de forma não intrusiva, amarrando os transdutores na tubulação através da cinta apropriada.

Já os medidores ultrassons de efeito Doppler são medidores de vazão volumétrica que requerem a presença de partículas ou bolhas no fluxo de fluido. Esses medidores são ideais para águas residuais ou qualquer líquido sujo que seja condutor ou à base de água. No entanto, para água destilada ou algum outro fluido não conduto, esses medidores não apresentam comportamento satisfatório.

O princípio de funcionamento se baseia no fenômeno físico da variação na frequência, efeito Doppler, do sinal de ultrassom quando ele é refletido por partículas em suspensão ou bolhas de gás contidas em um fluxo de líquido. Assim, quando uma onda sonora de alta frequência (ultrassom) é transmitida em um tubo por onde está fluindo líquido, as partículas em suspensão e/ou bolhas de gás refletem essa onda ultrassônica com uma frequência ligeiramente diferente. A diferença entre a frequência da onda transmitida e a da onda refletida é diretamente proporcional à velocidade do fluxo de líquido.

A velocidade do fluido pode ser expressa por:

$ v = \frac{ c \times \left( f_{t} - f_{r} \right)}{ 2 \times f_{t} \times \cos \left( \theta \right) } $

Onde:
f_r é a frequência refletida,
f_t a frequência transmitida,
v a velocidade do fluxo de fluido,
$ \theta $ o ângulo relativo entre o feixe de ultrassom transmitido e o fluxo de fluido e a velocidade do som na superfície do transdutor. A Figura 4 apresenta o princípio e um exemplo de aplicação desse tipo de medidor.

a)	b)

Figura 4 – (a) Exemplo de medição de vazão com um desses medidores. (b) Instalação de medidor de vazão ultrassônico por tempo. Fonte: (a) adaptada de <http://www.ayite1973.com/sdp/1094510/4/pd-5248457/6456880.html>; 
(b) <http://rshydro.co.uk/GE-Panametrics-mid-3.html>.
Acesso em: 20 abr. 2013.