Medidores de Vazão Ultrasônicos: O Guia Completo para Aplicações Industriais |

Os medidores de vazão ultrassônicos, como uma tecnologia importante na medição de vazão industrial moderna, demonstram vantagens significativas em vários campos devido aos seus princípios de funcionamento únicos e características de desempenho excelentes. Esta tecnologia está principalmente dividida em dois tipos: Doppler e tempo de voo, cada uma baseada em princípios físicos diferentes para detecção de vazão.

Os medidores de vazão Doppler utilizam o efeito Doppler acústico, medindo a vazão por meio da detecção de desvios de frequência em ondas ultrassônicas refletidas por partículas suspensas ou bolhas no fluido. Essa tecnologia é especialmente adequada para meios que contêm certa quantidade de sólidos em suspensão ou bolhas, tornando-se particularmente eficaz em aplicações industriais, como o tratamento de águas residuais. Já os medidores de vazão por tempo de trânsito (time-of-flight) utilizam a diferença de tempo na propagação das ondas ultrassônicas, oferecendo maior precisão na medição e sendo principalmente usados em meios líquidos relativamente limpos.

No campo da automação de tratamento de efluentes, os medidores de vazão ultrassônicos apresentam múltiplas vantagens técnicas. O seu método de medição não invasivo evita completamente a perda de pressão nas tubulações e elimina os problemas de desgaste associados aos medidores de vazão mecânicos tradicionais. A natureza não contactante dos sensores garante compatibilidade química, ao mesmo tempo que reduz significativamente as necessidades de manutenção. Além disso, esta tecnologia é bem adequada para líquidos condutivos e várias soluções aquosas.

Vale ressaltar que os medidores de vazão ultrassônicos também possuem limitações específicas. Para meios ultra-puros, como água destilada, a falta de interfaces suficientes de reflexão acústica pode afetar significativamente o desempenho da medição. Da mesma forma, em aplicações com padrões extremamente altos de higiene, como água potável, é necessária uma avaliação cuidadosa de sua adequação. Essas características tornam a tecnologia mais adequada para medição de líquidos sujos em processos industriais, em vez de meios de alta pureza.

De uma perspectiva histórica, a base tecnológica dos medidores de vazão ultrassônicos remonta à pesquisa acústica do meado do século XIX. A descoberta científica do efeito Doppler estabeleceu uma importante fundação teórica para aplicações de engenharia subsequentes. Este fenômeno físico não apenas explica a natureza das alterações de frequência acústica, mas também oferece soluções inovadoras para as tecnologias modernas de medição de vazão.

Os medidores de vazão ultrasônicos, como uma tecnologia avançada de medição de vazão, funcionam com base nas alterações nas características de propagação das ondas sonoras em meios em movimento. Dependendo do princípio de medição, eles são divididos principalmente em dois tipos: Doppler e tempo de voo.

Este tipo de medidor utiliza o efeito Doppler para a medição da vazão. Quando um sinal ultrasônico encontra partículas suspensas ou bolhas no meio em movimento, são geradas ondas refletidas. Como os refletores se movem junto com o fluido, a frequência das ondas refletidas sofre uma alteração, fenômeno conhecido como desvio Doppler. A magnitude deste desvio está diretamente relacionada à velocidade do fluido, permitindo que a velocidade da vazão seja calculada ao medir com precisão o desvio de frequência. Para garantir uma medição eficaz, o meio deve conter uma certa concentração de partículas suspensas para atuar como refletores acústicos.

Os medidores de vazão por tempo de trânsito determinam a velocidade do fluxo medindo a diferença de tempo na propagação da onda ultrasônica nas direções a jusante e a montante. Em um fluido estacionário, os tempos de propagação em ambas as direções são iguais. Quando o fluido flui, o tempo de propagação a jusante diminui, enquanto o tempo de propagação a montante aumenta. Ao medir com precisão essa diferença de tempo e combiná-la com os parâmetros geométricos da tubulação, a velocidade média do fluxo pode ser calculada com exatidão. Esse método é especialmente adequado para meios líquidos relativamente limpos.

Um sistema típico de medidor de vazão ultrasônico é composto pelos seguintes componentes principais:

O fluxo de trabalho é o seguinte: A unidade de processamento de sinal gera um sinal elétrico de alta frequência para acionar o transdutor, que converte o sinal elétrico em uma onda ultrasônica e a transmite para o fluido. O transdutor receptor converte o sinal ultrasônico refletido ou transmitido de volta em um sinal elétrico, que é então processado para calcular a velocidade do fluxo e a vazão.

Os seguintes fatores devem ser considerados nas aplicações práticas:

Com os avanços tecnológicos, os medidores de vazão ultrassônicos modernos desenvolveram modos de medição mais avançados, como a tecnologia de medição híbrida adaptativa, que seleciona automaticamente o modo de medição ideal com base nas características do meio, melhorando ainda mais a precisão e a confiabilidade das medições.

Os medidores de vazão ultrassônicos são uma tecnologia não invasiva de medição de vazão baseada em princípios acústicos, determinando a velocidade do fluxo ao detectar alterações nas características de propagação das ondas ultrassônicas em fluidos. O dispositivo possui um design de fixação externa, que pode ser instalado diretamente na parede externa de uma tubulação, sem alterar a estrutura da tubulação ou entrar em contato com o meio, tornando-o especialmente adequado para líquidos corrosivos ou condições adversas, como alta pressão e alta temperatura. Além disso, seu design portátil oferece grande flexibilidade para inspeções industriais e medições temporárias.

Os medidores de vazão ultrassônicos são divididos principalmente em dois tipos, Doppler e tempo de voo (time-of-flight), cada um baseado em mecanismos físicos diferentes para medição de vazão:

Em comparação com os medidores de vazão mecânicos tradicionais, os medidores de vazão ultrassônicos oferecem vantagens como ausência de perda de pressão, ausência de desgaste e forte adaptabilidade, tornando-os especialmente adequados para indústrias como tratamento de águas residuais, química e de energia. No entanto, sua precisão de medição é significativamente afetada pelas características do meio, portanto, fatores como propriedades do fluido, condições da tubulação e requisitos reais da aplicação devem ser considerados de forma abrangente durante a seleção, a fim de garantir o desempenho ótimo de medição.

Os medidores de vazão ultrassônicos também são bem adequados para aplicações que exigem baixa queda de pressão e baixa manutenção. Os medidores de vazão ultrassônicos Doppler são medidores de vazão volumétricos ideais para líquidos aerados, como águas residuais ou lamas. Já os medidores de vazão ultrassônicos de tempo de trânsito são perfeitos para líquidos limpos, como água ou óleo.

Existem três tipos principais de medidores de vazão ultrassônicos. Fatores como tipo de saída (analógica ou digital), tamanho do tubo, temperatura mínima e máxima do processo, pressão e taxa de vazão influenciarão qual medidor de vazão ultrassônico é mais adequado para a sua aplicação.

Os medidores de vazão ultrassônicos de fixação possuem versões com um único sensor e com dois sensores. Na versão com um único sensor, os cristais transmissores e receptores estão alojados no mesmo corpo do sensor, que é fixado em um único ponto na superfície do tubo. Uma substância de acoplamento é utilizada para conectar acusticamente o sensor ao tubo. Na versão com dois sensores, o cristal transmissor está em um corpo de sensor e o cristal receptor está em outro. Os medidores de vazão Doppler de fixação são suscetíveis a interferências provenientes da própria parede do tubo e de quaisquer espaços vazios entre o sensor e a parede do tubo. Se a parede do tubo for fabricada em aço inoxidável, ela poderá conduzir o sinal transmitido por uma distância suficiente para causar um desvio no eco de retorno, interferindo na medição. Descontinuidades acústicas integradas também estão presentes em tubos de cobre, revestidos de concreto, revestidos de plástico e tubos de fibra de vidro reforçada. Essas descontinuidades podem dispersar o sinal transmitido ou atenuar o sinal de retorno, reduzindo significativamente a precisão do medidor de vazão (frequentemente dentro de ±20%). Na maioria dos casos, se o tubo for revestido, os medidores de vazão de fixação podem não funcionar de todo.

1.1 Avaliação e Confirmação do Sistema de Tubulação

Antes da instalação, deve ser realizada uma avaliação abrangente do sistema de tubulação alvo, focando se o material do tubo atende aos requisitos básicos para transmissão acústica. Tubos metálicos, como aço carbono e aço inoxidável, normalmente possuem boas propriedades de transmissão acústica, enquanto tubos não metálicos ou aqueles revestidos com materiais especiais exigem verificação adicional. O estado do revestimento interno do tubo também deve ser inspecionado cuidadosamente, pois certos materiais de revestimento (por exemplo, borracha ou poliuretano) podem afetar significativamente a eficiência de transmissão dos sinais ultrassônicos. Além disso, o diâmetro interno do tubo deve corresponder precisamente às especificações do medidor de vazão, já que qualquer desvio pode causar erros de medição.

1.2 Critérios para Seleção do Local de Instalação

A escolha de um local ideal para instalação é fundamental para garantir a precisão das medições. Deve-se priorizar seções horizontais de tubulação ou seções verticais com fluxo ascendente, evitando seções verticais com fluxo descendente. É necessário garantir comprimentos suficientes de tubulação reta, exigindo tipicamente pelo menos 10 diâmetros de tubo a montante e 5 diâmetros de tubo a jusante. Evite instalar próximo a cotovelos, válvulas, bombas ou outros acessórios que possam causar perturbações no fluxo. O local de instalação também deve estar distante de fontes intensas de vibração e interferência eletromagnética, devendo ser considerada a variação da temperatura ambiental para a estabilidade da medição.

2.1 Processo de Tratamento da Superfície do Tubo

A qualidade do tratamento da superfície externa do tubo afeta diretamente a eficiência de transmissão do sinal ultrassônico. Antes da instalação, a superfície do tubo deve ser completamente limpa para remover ferrugem, camadas de oxidação e revestimentos antigos. Para superfícies ásperas, recomenda-se o uso de lixa fina para polimento, até que seja obtida uma superfície de contato lisa e plana. A superfície tratada deve estar livre de óleo, poeira ou outras impurezas, e agentes de limpeza especializados podem ser utilizados, se necessário. A área tratada deve ser 2 a 3 vezes maior do que a área de contato do transdutor, para garantir uma margem suficiente para instalação.

2.2 Tecnologia de Posicionamento Preciso do Transdutor

A precisão na posição do transdutor é decisiva para os resultados das medições. O espaçamento entre os transdutores deve ser estritamente determinado de acordo com o manual do fabricante, utilizando fixações profissionais de posicionamento para garantir a precisão. Deve-se prestar atenção especial ao alinhamento axial dos dois transdutores, pois mesmo pequenos desvios angulares podem causar atenuação do sinal. Ferramentas a laser de alinhamento são recomendadas para assegurar posicionamento relativo perfeito. Para tubulações de grande diâmetro, também deve ser considerada a ovalização do tubo em relação à precisão da instalação.

3.1 Procedimento de teste de desempenho do sistema

Após a instalação, é obrigatório realizar testes abrangentes do sistema. Primeiramente, realize um teste de intensidade do sinal para garantir que o sinal recebido atenda ao valor recomendado pelo fabricante. Em seguida, verifique a relação sinal-ruído para eliminar interferências ambientais. Confirme a estabilidade das medições sob diferentes condições de fluxo, observando se a forma de onda do sinal é clara e estável. Preste atenção especial às características de resposta do sistema durante mudanças no fluxo, garantindo que o desempenho da medição dinâmica atenda aos requisitos estabelecidos. Finalmente, realize testes de estabilidade de longa duração, monitorando continuamente os dados de medição por mais de 24 horas.

3.2 Padrões para Confirmação do Estado Operacional

Vários testes operacionais são necessários antes da comissionamento do sistema. Primeiro, verifique se a função de detecção de tubulação completa está funcionando corretamente, pois isso é fundamental para a precisão das medições. Em seguida, teste a função de compensação de temperatura para observar a estabilidade das medições sob diferentes temperaturas. Verifique a função de autodiagnóstico do sistema para garantir a detecção e alerta imediatos de anomalias. Finalmente, estabeleça valores de referência para futuras manutenções e calibrações.

4.1 Especificações para Instalação de Tubulações em Alta Temperatura

Para tubulações com meios de alta temperatura, devem ser adotadas medidas especiais de isolamento térmico. Recomenda-se o uso de agentes acopladores de alta temperatura e capas de proteção térmica. Devem ser instaladas camadas eficazes de isolamento térmico entre os transdutores e as tubulações de alta temperatura, para evitar que a condução de calor danifique os componentes eletrônicos. Também deve ser considerado o efeito do gradiente térmico na precisão das medições, instalando sensores adicionais de compensação térmica, se necessário.

4.2 Soluções para Ambientes com Vibração

Em ambientes com alta vibração, devem ser implementadas medidas eficazes de amortecimento. Podem ser utilizados suportes especializados com amortecimento de vibração para fixar os transdutores ou instalar amortecedores de vibração na tubulação. Devem ser selecionados transdutores com maior resistência à vibração, e os parâmetros de filtragem do sinal devem ser ajustados adequadamente. O aumento da frequência de amostragem das medições e a média dos dados podem melhorar a estabilidade nesses ambientes.

5.1 Itens de Manutenção Rotineira

Estabeleça um sistema regular de inspeção, focando na condição do acoplante e na estabilidade da intensidade do sinal. Realize uma verificação completa do sistema pelo menos mensalmente, incluindo fixação mecânica, conexões elétricas e avaliação da qualidade do sinal. Mantenha as superfícies dos transdutores limpas e substitua periodicamente os acoplantes envelhecidos. Mantenha registros completos de manutenção para acompanhar tendências de desempenho do sistema.

5.2 Padrões de Calibração Periódica

Desenvolva um ciclo razoável de calibração com base no ambiente operacional, recomendando tipicamente uma calibração no local a cada 12 meses. Utilize dispositivos padrão certificados e siga os procedimentos operacionais padrão durante a calibração. Registre e analise detalhadamente os dados de calibração, investigando imediatamente quaisquer anomalias. Para pontos de medição críticos, reduza o ciclo de calibração ou implemente a calibração online.

Medidores de vazão ultrassônicos são amplamente utilizados em diversas aplicações industriais. Como eles medem a vazão utilizando ondas sonoras e são não invasivos, são ideais para muitos cenários. Os medidores de vazão ultrassônicos são primariamente utilizados na indústria de óleo e gás. Além disso, são empregados nas indústrias química, farmacêutica, de alimentos e bebidas, metalúrgica, mineradora, de celulose e papel, bem como em tratamento de águas residuais.