Os medidores de vazão Doppler exploram o efeito Doppler, que é a mudança de frequência resultante de ondas emitidas ou refletidas por um objeto em movimento.
Uma percepção comum do efeito Doppler é a mudança percebida na frequência do relato de uma buzina de um veículo em movimento: quando o veículo se aproxima do ouvinte, o tom da buzina parece mais alto do que o normal; quando o veículo passa pelo ouvinte e começa a se afastar, o tom da buzina parece "subitamente" mudar para uma frequência mais baixa.
Na realidade, a frequência da buzina nunca muda, mas a velocidade do veículo que se aproxima em relação ao ouvinte estacionário atua para "comprimir" as vibrações sônicas no ar. Quando o veículo se afasta, as ondas sonoras são "esticadas" da perspectiva do ouvinte.
O mesmo efeito ocorre se uma onda sonora é direcionada a um objeto em movimento e a frequência do eco é comparada à frequência transmitida (incidente). Se a onda refletida retornar de uma bolha avançando em direção ao transdutor ultrassônico, a frequência refletida será maior que a frequência incidente.
Se o fluxo inverter a direção e a onda refletida retornar de uma bolha que se afasta do transdutor, a frequência refletida será menor que a frequência incidente.
Isso corresponde ao fenômeno da buzina de um veículo aparentemente aumentando à medida que o veículo se aproxima de um ouvinte e aparentemente diminuindo à medida que o veículo se afasta de um ouvinte.
Um medidor de vazão Doppler rebate as ondas sonoras de bolhas ou material particulado no fluxo, medindo a mudança de frequência e inferindo a velocidade do fluido a partir da magnitude dessa mudança.
Medidor de Vazão Ultrassônico - Medidor de Vazão Doppler
O requisito de haver objetos no fluxo grande o suficiente para refletir as ondas sonoras limita os medidores de fluxo ultrassônicos Doppler a aplicações líquidas.
Líquidos "sujos", como lamas e efluentes, ou líquidos que transportam um número substancial de bolhas de gás (por exemplo, bebidas carbonatadas) são bons candidatos a esta tecnologia.
Não é realista esperar que qualquer fluxo de gás carregue gotículas líquidas ou matéria sólida suficientemente grande para refletir ecos fortes e, portanto, os medidores de vazão Doppler não podem ser usados para medir o fluxo de gás.
A relação matemática entre a velocidade do fluido (v) e o desvio de frequência do Doppler (Δf) é a seguinte, para velocidades do fluido muito inferiores à velocidade do som através desse fluido (v <>
Onde,
Δf = desvio de frequência Doppler
v = Velocidade do fluido (na verdade, da partícula que reflete a onda sonora)
f = Frequência da onda sonora incidente
θ = ângulo entre as linhas centrais do transdutor e do tubo
c = Velocidade do som no fluido do processo
Veja também: Medidor de fluxo ultra - sônico Animação
Observe como o efeito Doppler produz uma medida direta da velocidade do fluido de cada eco recebido pelo transdutor.
Isso contrasta acentuadamente com as medições de distância com base na luz de intervalo (refletometria no domínio do tempo - em que a quantidade de tempo entre o pulso incidente e o eco retornado é proporcional à distância entre o transdutor e a superfície refletora)
como na aplicação da medição ultrassônica de nível de líquido. Em um fluxômetro Doppler, o atraso de tempo entre o incidente e os pulsos refletidos é irrelevante. Somente a mudança de frequência entre o incidente e os sinais refletidos é importante.
Essa mudança de frequência também é diretamente proporcional à velocidade do fluxo, tornando o fluxômetro ultrassônico Doppler um dispositivo de medição linear.
Reorganizando a equação do deslocamento de frequência Doppler para resolver a velocidade (novamente, assumindo v <>
Sabendo que a vazão volumétrica é igual ao produto da área do tubo e a velocidade média do fluido (Q = Av), podemos reescrever a equação para resolver diretamente a vazão calculada (Q):
Uma consideração muito importante para a medição ultrassônica de fluxo Doppler é que a calibração do medidor de vazão varia com a velocidade do som através do fluido (c).
Isso é facilmente aparente pela presença de c na equação acima: à medida que c aumenta, Δf deve diminuir proporcionalmente para qualquer vazão volumétrica fixa Q.
Como o medidor de vazão é projetado para interpretar diretamente a vazão em termos de Δf, um aumento em c causando uma diminuição em Δf será registrado como uma diminuição em Q.
Isso significa que a velocidade do som de um fluido deve ser precisamente conhecida para que um medidor de vazão ultrassônico Doppler possa medir com precisão o fluxo.
A velocidade do som através de qualquer fluido é uma função da densidade e do módulo de volume desse meio (com que facilidade comprime):
Onde,
c = velocidade do som em um material (metros por segundo)
B = Módulo a granel (pascais ou newtons por metro quadrado)
ρ = densidade de massa do fluido (quilogramas por metro cúbico)
A temperatura afeta a densidade do líquido e a composição (a constituição química do líquido) afeta o módulo a granel. Assim, temperatura e composição são fatores que influenciam a calibração por medidor de vazão ultrassônico Doppler.
A pressão não é uma preocupação aqui, pois a pressão afeta apenas a densidade dos gases, e já sabemos que os medidores de vazão Doppler funcionam apenas com líquidos.
Seguindo o tema de exigir bolhas ou partículas de tamanho suficiente, outra limitação dos medidores de vazão ultrassônicos Doppler é a sua incapacidade de medir vazões de líquidos muito limpos e homogêneos. Em tais aplicações, as reflexões das ondas sonoras serão muito fracas para serem mensuradas com segurança.
É também o caso quando as partículas sólidas têm uma velocidade de som muito próxima da do líquido, uma vez que a reflexão ocorre apenas quando uma onda sonora encontra um material com uma velocidade de som marcadamente diferente.
Os medidores de vazão ultrassônicos do tipo Doppler são inúteis em aplicações em que não podemos obter reflexos fortes das ondas sonoras.
Os medidores de vazão em tempo de trânsito, às vezes chamados de medidores de vazão de contrapropagação, são uma alternativa aos medidores de vazão ultrassônicos Doppler.
Um medidor de vazão ultrassônico em tempo de trânsito usa um par de sensores opostos para medir a diferença de tempo entre um pulso sonoro que viaja com o fluxo de fluido versus um pulso sonoro que viaja contra o fluxo de fluido.
Como o movimento do fluido tende a transportar uma onda sonora, o pulso do som transmitido a jusante tornará a viagem mais rápida do que o pulso do som transmitido a montante:
Medidores de vazão em tempo de trânsito
A taxa de fluxo volumétrico através de um medidor de vazão em tempo de trânsito é uma função simples dos tempos de propagação a montante e a jusante:
Onde,
Q = vazão volumétrica calculada
k = Constante de proporcionalidade
t up = Tempo para o pulso sonoro viajar do local a jusante para o local a montante (a montante, contra o fluxo)
t down = Tempo para que o pulso do som viaje do local a montante para o local a jusante (a jusante, com o fluxo)
Uma característica interessante da medição da velocidade no tempo de trânsito é que a razão entre a diferença no tempo de trânsito e o produto no tempo de trânsito permanece constante com as mudanças na velocidade do som através do fluido.
Se você quiser provar isso para si mesmo, poderá fazê-lo substituindo o comprimento do caminho (L), a velocidade do fluido (v) e a velocidade do som (c) pelos tempos na fórmula de fluxo. Use tup = L / (c-v) e tdown = L / (c + v) como suas substituições; em seguida, reduza algebricamente a fórmula de fluxo até encontrar todos os termos c cancelados. Seu resultado final deve ser Q = 2kv / L.
Quando essa equação é lançada em termos de comprimento do caminho (L), velocidade do fluido (v) e velocidade do som (c), a equação simplifica para Q = 2kv / L, provando que o medidor de fluxo de tempo de trânsito é linear, exatamente como o Medidor de vazão Doppler, com a vantagem de ser imune a alterações na velocidade do som do fluido.
Alterações no módulo a granel resultantes de alterações na composição de fluidos ou alterações na densidade resultantes de variações de composição, temperatura ou pressão têm, portanto, pouco efeito na precisão de um medidor de vazão em tempo de trânsito.
Os medidores de vazão ultrassônicos em tempo de trânsito não são apenas imunes a mudanças na velocidade do som, mas também são capazes de medir essa velocidade sônica independentemente da vazão.
A equação para calcular a velocidade do som com base nos tempos de propagação a montante e a jusante é a seguinte:
Onde,
c = velocidade calculada do som no fluido
L = comprimento do caminho
t up = Tempo para o pulso sonoro viajar do local a jusante para o local a montante (a montante, contra o fluxo)
t down = Tempo para que o pulso do som viaje do local a montante para o local a jusante (a jusante, com o fluxo)
Embora não seja necessária ou mesmo particularmente relevante para o objetivo direto da medição de fluxo, essa inferência da velocidade do som do fluido é, no entanto, útil como uma ferramenta de diagnóstico. Se a velocidade real do som do fluido é conhecida por medição direta em laboratório de uma amostra ou por análise química de uma amostra, essa velocidade pode ser comparada com a velocidade do som relatada do medidor de vazão para verificar a precisão absoluta da medição do tempo de trânsito do medidor de vazão . Certos problemas nos sensores ou nos componentes eletrônicos dos sensores podem ser detectados dessa maneira.
Um requisito para a operação confiável de um medidor de vazão ultrassônico em tempo de trânsito é que o fluido do processo esteja livre de bolhas de gás ou partículas sólidas que possam espalhar ou obstruir as ondas sonoras.
Observe que esse é exatamente o requisito oposto dos medidores de vazão ultrassônicos Doppler, que exigem bolhas ou partículas para refletir as ondas sonoras.
Esses requisitos opostos distinguem claramente as aplicações adequadas para medidores de vazão em tempo de trânsito das aplicações adequadas para medidores de vazão Doppler e também aumentam a possibilidade de usar medidores de vazão ultrassônicos em tempo de trânsito em fluxos de fluxo de gás, bem como em fluxos de fluxo líquido.
