i DANIEL SIWIK LÚCIO DE ABREU CORRÊA TIAGO FILIPI LONGHI MEDIÇÃO DE VAZÃO VOLUMÉTRICA EM TUBULAÇAO COM O USO DE ULTRASSOM Trabalho apresentado ao Departamento de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para aprovação da disciplina de Medições Térmicas ENG 03108. Orientador: Prof. Paulo Smith Schneider Porto Alegre 2010
ii UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE MEDIÇÃO DE VAZÃO VOLUMÉTRICA EM TUBULAÇAO COM O USO DE ULTRASSOM por DANIEL SIWIK LÚCIO DE ABREU CORRÊA TIAGO FILIPI LONGHI Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas Professor Paulo Smith Schneider pss@mecanica.ufrgs.br Porto Alegre, Julho de 2010
iii A medida de um erro é ao mesmo tempo a medida da verdade correspondente. Louis Claude de Saint-Martin
iv AGRADECIMENTOS Os mais sinceros agradecimentos: Ao técnico do LETA Batista, e ao colega Tiago Andriotty, pelo indispensável auxilio com as práticas laboratoriais; Aos colegas da disciplina de medições térmicas, pela ajuda, entendimento e amizade; Ao professor Marcelo Godinho, por sua dedicação, comprometimento e conhecimentos compartilhados, ao longo do período de curso; Ao professor e orientador deste trabalho Paulo Schneider, por expandir nossos horizontes, acreditar em nossa capacidade e também por aceitar diversas vezes mais de quinze minutos de atraso (!); Aos colegas do Laboratório de Metalurgia Física do Departamento de Metalurgia da nossa Escola de Engenharia, que auxiliaram valorozamente para o desenvolvimento técnico do protótipo. Na figura do PhD. Eng. Thomas Gabriel Rosauro Clarke e do Me. Ing. Miguel Ignacio Serrano, sempre deram total apoio ao desenvolvimento de uma nova técnica de ultrassom. Ao Evandro Flesch, vulgo Alemão, que auxiliou valorosamente na discussão das idéias, viáveis ou não.
v LONGHI, T. F; SIWIK, D; CORREA, L.A. Medição da vazão volumétrica em tubulação com o uso de ultrassom. 2010. 20f. Trabalho final de Medições Térmicas Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2010. RESUMO Neste trabalho, desenvolve-se um medidor de vazão volumétrica utilizando-se de ultrassom, por meio do cálculo de tempo de passagem, para medir vazões na faixa de 2 a 10 litros por minuto, considerando também as incertezas de medição associadas. A tecnologia do ultrassom aplicada à medição de vazão de fluidos é uma parte ainda em desenvolvimento ao se tratar de medidores, e continua se modificando dado o desenvolvimento da eletrônica e dos processadores de sinais. Verifica-se constantemente a capacidade de medição da vazão de água. Utilizando-se do instrumento montado pelo grupo, tentou-se realizar a menor influência possível no escoamento. Neste ponto vale ressaltar a inexistência de perda de carga ao utilizar-se de ultrassom, exterior aos tubos, pela não interferência ao escoamento de água. A técnica utilizada consiste basicamente na utilização de dois elementos piezelétricos excitados com ondas senoidais de cerca de 10MHz de freqüência. O ajuste do posicionamento dos transdutores presos ao duto foi realizado através da Lei de Snell, sendo que os resultados, ao não se mostrarem satisfatórios, foram ajustados manualmente até uma boa relação entre sinal e o ruído. Infelizmente o grupo não obteve o resultado desejado, tendo em vista que, quando os sensores foram colocados na parte exterior do duto, não foi possível obter a curva de calibração; e quando as sapatas de acrílico foram colocadas em contato com a água, não houve sequer variação do sinal lido. PALAVRAS-CHAVE ; Ultrassom, medição de vazão, técnicas não invasivas, perda de carga, baixas vazões;
vi LONGHI, T. F; SIWIK, D; CORREA, L.A. Measurement of volumetric flow in pipes using ultrasound. 2010. 20f., Final work on Thermal Measurements, Department of Mechanical Engineering, Federal University of Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2010. ABSTRACT In this work, it develops a volumetric flow meter using ultrasound, by calculating transit time, to measure flow rates in the range 2 to 10 liters per minute, also considering the measurement uncertainties associated. The technology of ultrasound applied to the flow measurement of fluids is a still developing when dealing with meters, and keeps changing as the development of electronics and signal processors. It is constantly measuring capacity of water flow. Using the instrument mounted by the group, tried to make the smallest possible influence in the flow. At this point it is worth mentioning that there is no loss of charge when using ultrasound, the outer tubes, the non-interference to the flow of water. The technique basically consists in using two piezoelectric elements excited with sine waves of about 10MHz frequency. The adjustment of the positioning of transducers attached to the duct was performed by Snell's Law, and the findings, while not prove satisfactory, were adjusted manually until a good relationship between signal and noise. Unfortunately the group did not achieve the desired result, considering that when the sensors were placed on the outside of the duct was not possible to obtain the calibration curve, and when the shoes of acrylic was placed in contact with water, no even change the sign read. KEYWORDS ; Ultrasound, flow measurement, noninvasive techniques, pressure loss, low flow;
vii SUMÁRIO RESUMO ABSTRACT v vi 1. INTRODUÇÃO 1 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 1 2.1. ENSAIOS POR ULTRASSOM 1 2.1.1 OS TIPOS DE ONDAS 2 2.1.2. FREQÜÊNCIA 3 2.1.3. VELOCIDADE DE PROPAGAÇÃO 3 2.1.4. COMPRIMENTO DA ONDA 3 2.1.5. RELAÇOES ENTRE VELOCIDADE, COMPRIMENTO DE ONDA E FREQUENCIA 4 2.1.6. ZONAS ULTRASSONICAS 4 2.1.7. ATENUAÇÃO SÔNICA 4 2.2.GERAÇAO DE ONDAS ULTRASSÔNICAS 5 2.2.1. EFEITO PIEZELÉTRICO 5 2.2.2.TIPOS DE CRISTAIS 5 2.2.3.TRANSDUTORES NORMAIS OU RETOS 6 2.2.4.TRANSDUTORES ANGULARES 6
viii SUMÁRIO 2.2.5.INTERFACE, ACOPLANTES 7 2.2.6. TÉCNICAS DE MEDIÇAO POR TRANSPARÊNCIA 7 2.3.MEDIDORES DE FLUXO ULTRASSÔNICOS 8 3. EQUIPAMENTO UTILIZADO 10 3.1.DESCRIÇÃO GERAL DOS APARELHOS 11 3.2. CUIDADOS COM USO DE TRANSDUTORES ANGULARES 13 3.3. CUIDADOS COM O MANUSEIO DO APARELHO 13 4. SOLUÇÕES PROPOSTAS 13 5. TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 14 6. VALIDAÇÃO DO EXPERIMENTO 15 7. RESULTADOS E DISCUSSÃO 17 8. CONCLUSÃO 19 9. REFERÊNCIAS 19 10.BIBLIOGRAFIA CONSULTADA 20 12. ANEXOS 20 12.1. TABELA DE AVALIAÇÃO 20