Compreender medidores de vazão ultrassônicos e seu princípio de funcionamento na medição de vazão de água

A medição da taxa de fluxo envolve a determinação da quantidade de fluido que passa por uma área de superfície especificada de um vaso em um determinado momento. Como todas as formas de medição, tem aplicações cotidianas que vão desde seu uso no monitoramento do consumo de água e gás para estimativa de contas até aplicações industriais mais críticas (por exemplo, mistura em grande escala de vários produtos químicos), onde a medição da taxa de fluxo desempenha um papel fundamental na manutenção do qualidade do processo / produto.

Para determinar a taxa de fluxo, tipos especiais de medidores chamados medidores de fluxo são empregados. Existem muitos tipos diferentes de medidores de vazão, devido aos diversos requisitos na medição de vazão (linear / não linear, massa / taxa volumétrica, etc). Os medidores variam entre si com base em diferentes fatores, incluindo; a técnica de medição que aplicam, os parâmetros de fluxo específicos que monitoram, o volume de fluido que podem rastrear e seus atributos físicos, para citar alguns. O YFS201 é um sensor de fluxo de água popular, que usamos anteriormente para medir o fluxo de água usando o Arduino e calcular a taxa de fluxo e o volume disperso.

Alguns dos tipos / categorias de medidores de fluxo incluem; Turbina, Vórtice, Massa térmica, Magnético, Engrenagem oval, Roda de pás, Coriolis, Fluxo de massa, Fluxo baixo e Medidores de fluxo ultrassônicos que são o foco deste artigo. Os medidores de fluxo ultrassônico fornecem um meio não invasivo e muito confiável de determinar a quantidade de fluido que flui através de um vaso e eles encontraram aplicações em diferentes setores, de petróleo e gás a fornecedores de serviços públicos.

Neste artigo, examinaremos tudo em torno do medidor de fluxo ultrassônico, como ele funciona, vantagens e desvantagens.

O medidor de fluxo ultrassônico

Como o nome indica, o medidor de vazão ultrassônico, um dos medidores de vazão amplamente usados, é um dispositivo não intrusivo que calcula o fluxo de volume do fluido medindo sua velocidade com ultrassom. Ele pode medir o fluxo de fluido em praticamente qualquer fluido onde as ondas sonoras podem transmitir. Este tipo de medidor de fluxo é geralmente considerado como “híbrido”, pois pode usar o princípio Doppler ou o método do tempo de trânsito para medir o fluxo. Discutiremos ambos os princípios posteriormente neste artigo. Observe que esses medidores de fluxo também são chamados de fluxômetro Doppler se operarem usando o princípio doppler.

Os medidores de vazão ultrassônicos são ideais para aplicações de água onde baixa queda de pressão, baixa manutenção e compatibilidade química são necessárias. Eles geralmente não funcionam com água potável ou destilada, mas são adequados para aplicações de águas residuais ou líquidos condutores sujos. Eles são usados com líquidos abrasivos e corrosivos, pois não obstruem o fluxo de líquido através dos dutos.

Princípio de funcionamento do medidor de fluxo ultrassônico

Medidores de fluxo ultrassônicos usam os princípios de eco e variação na velocidade do som em diferentes meios para medir o fluxo. Os medidores normalmente contêm dois transdutores ultrassônicos, um atuando como o transmissor e o outro como o receptor. Os dois transdutores podem ser montados lado a lado ou em um ângulo um do outro em lados opostos do navio. O transdutor de transmissão emite pulsos de som da superfície do sensor para o fluido e é recebido pelo transdutor designado como receptor. O tempo que leva para o pulso de som viajar do transmissor para o receptor, conhecido como tempo de trânsito, é então estimado e usado para determinar a taxa de fluxo e outros parâmetros.

Para a segunda configuração, com o transmissor e o receptor colocados lado a lado, o transmissor emite o pulso sonoro enquanto o receptor monitora o tempo que leva para receber o eco da transmissão.

Independentemente da configuração do sensor, a medição com diferença de tempo de trânsito é baseada no fato de que; as ondas sonoras que se propagam na direção do fluxo do meio movem-se mais rapidamente do que as ondas que se propagam contra a direção do fluxo do meio. Assim, a diferença no tempo de trânsito é diretamente proporcional à velocidade do fluxo do meio e este princípio é usado para medir com precisão o volume de gases e líquidos e também para derivar a densidade e a viscosidade.

Embora os dois métodos acima sejam os mais comumente usados, diferentes medidores de vazão ultrassônicos usam uma versão modificada deste, com base no tipo de líquido e na medição a ser feita. A imagem ultrassônica do medidor de água abaixo ilustra como os transdutores a montante e a jusante são colocados dentro de um tubo sensor junto com alguns refletores para um projeto de medidor de fluxo de água. A configuração de hardware real do mesmo também é mostrada com ambos os transdutores marcados.

Calculando a taxa de fluxo usando sensores de fluxo ultrassônicos

Para obter uma compreensão mais clara dos aspectos técnicos por trás disso, considere a imagem abaixo, que apresenta a primeira configuração com os transdutores transmissor (TA) e receptor (TB) montados em um ângulo oposto um ao outro;

Permita que o tempo que uma onda acústica leva para viajar do transmissor para o receptor, ou seja, na direção do fluxo do meio seja T _{A –B}, e o tempo que leva para se mover do transdutor receptor para o transdutor transmissor, isto é, contra a direção do fluxo T _{B –A}.

A diferença nos dois tempos de trânsito é diretamente proporcional à velocidade média do fluxo, v _m do meio, isto é;

T _{B –A} - T _{A –B} = v _m ------------- Equação 1

Uma vez que o tempo de trânsito do sinal é a distância entre o transdutor transmissor e o transmissor receptor dividido pela velocidade que o sinal acústico precisa para viajar de um transdutor para o outro, temos

T _{A –B} = L / (C _AB + v * cosα) -------------- Equação 2

T _{B –A} = L / (C _BA - v * cos α) --------------- Equação 3

As Equações 2 e 3 definem a taxa de fluxo entre o transdutor A a montante e o transdutor B a jusante. Onde;

v = velocidade de fluxo do meio, L = comprimento do caminho acústico, c = velocidade do som no meio e alfa “α” é o ângulo para o tubo no qual o som ultrassônico viaja do transmissor para o receptor.

Assumindo que a velocidade do som no meio é constante (ou seja, nenhuma mudança em parâmetros como a densidade do fluido, temperatura, etc.), temos;

(L / (2 * cos)) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

multiplicando a velocidade média pela área da seção transversal do tubo, obtemos a taxa de fluxo, Q as;

Q = (π * D ³) / (4 * sin 2α) * (T _{B – A} - T _{A – B}) / (T _{B – A} x T _{A – B})

A área da seção transversal do tubo é constante para um medidor de vazão ultrassônico em linha com o diâmetro D.

A implementação dessas equações sem variáveis como densidade, temperatura, pressão, velocidade do som e outras características definidas de mídia / fluido mostra as razões por trás da versatilidade e precisão dos medidores de vazão ultrassônicos.

Vantagens / significância dos medidores ultrassônicos

As principais vantagens dos medidores de vazão ultrassônicos devem ser sua natureza não invasiva e sua capacidade de trabalhar com qualquer tipo de fluido (já que a densidade e a velocidade do som nos fluidos não importam). Diversas substâncias (incluindo produtos químicos, solventes, óleos, etc.) com diferentes propriedades são transportadas e distribuídas por sistemas de tubulação todos os dias com a necessidade de monitorar seu fluxo. A natureza não invasiva dos medidores de vazão ultrassônicos os torna os medidores de goto em situações como essa. É por isso que eles encontram aplicações em diferentes setores industriais, desde indústrias relacionadas a produtos químicos até processamento de alimentos, tratamento de água e no setor de petróleo e gás.

Desvantagens

A principal desvantagem dos medidores de vazão ultrassônicos é o preço. Devido à complexidade de seu projeto, medidores de vazão ultrassônicos são geralmente mais caros do que medidores mecânicos ou outros tipos de medidores, pois exigem mais esforços e componentes,

Além da complexidade e do custo do projeto, os medidores de vazão ultrassônicos também exigem um nível de especialização na instalação / manuseio em comparação com a maioria dos outros tipos de medidores.

Os melhores medidores de vazão ultrassônicos do mercado

Embora o mercado de medidores de vazão ultrassônicos globais deva atingir US $ 2 bilhões em 2024, o mercado tem testemunhado um forte crescimento nos últimos anos, graças às suas aplicações em vários setores hoje e à introdução de algumas novas variantes aprimoradas. Muitos fabricantes desenvolveram medidores de vazão ultrassônicos com tecnologia avançada para melhorar a precisão da medição. Como este medidor atende a soluções específicas da indústria, os desenvolvimentos mais recentes devem impulsionar o mercado durante os períodos de previsão. Os melhores medidores de vazão ultrassônicos do mercado incluem:

Medidores de fluxo ultrassônicos Sonic-View: O sonic-view, uma das melhores soluções para medir fluxos de líquidos baixos, opera no princípio do tempo de trânsito. Os transdutores não estão em contato com o meio e não há partes móveis usadas nos instrumentos. Recursos imbatíveis, como baixos custos de propriedade, anos de operação sem manutenção, transdutores protegidos, um ciclo de vida do medidor robusto e sua natureza insensível contra picos de pressão e partículas, todos contribuem para porque o medidor de fluxo ultrassônico de visão sônica é um dos melhores soluções do mercado de medidores.

Medidores de água ultrassônicos Shmeters: Sob várias condições de fluxo de tubo, este medidor de água ultrassônico para fins industriais e comerciais é capaz de marcar medições de seção de projeto com a maior precisão de medição possível. O medidor é alimentado por bateria e pode funcionar ininterruptamente por 10 anos com apenas uma bateria; seu consumo de energia é inferior a 0,5mW. Ele pode continuar trabalhando por muito tempo sem ser afetado por interferência magnética. Enquanto isso, é altamente confiável e sensível, uma velocidade de fluxo tão baixa quanto 0,002 m / s pode ser rapidamente detectada.

Os medidores de vazão ultrassônicos Sitrans FS: Eles oferecem um desempenho impressionante para uma variedade de gases e líquidos porque podem operar independentemente de temperatura, viscosidade, condutividade, pressão, densidade e nas condições mais difíceis. O Sitrans FS220 se orgulha de ser a melhor solução da classe para medições diretas de vazão, pois suas possibilidades parecem infinitas.

Especialmente em aplicações de consumo, os medidores ultrassônicos estão sendo aprimorados por tecnologias como LoRa, que permite que autoridades municipais e relacionadas monitorem coisas como consumos de gás e água remotamente. A natureza de baixa energia do meio de comunicação permite que esses medidores durem mais de 5 anos com uma única carga de bateria, muito mais do que o que pode ser alcançado com medidores mecânicos.