A tecnologia da medição de velocidade fluídica por meio ultrassônicos, não invasivo, baseia-se em dois princípios básicos diferentes entre si;
• Medição por tempo de trânsito;
• Medição por efeito Doppler.
Na medição por tempo de trânsito, duas tecnologias estão hoje disponíveis, a tecnologia de emissão de feixe acústico normal, estreito e a tecnologia de feixe acústico amplo ou largo, denominado "Wide Beam". Todavia, a tecnologia com feixe acústico estreito está por desaparecer do mercado. Podem ainda, os medidores ultra-sônicos serem, intrusivos e não intrusivos. A figura V-1, mostra-nos a classificação sistematizada dos medidores ultrasônicos hoje disponíveis no mercado.

 

Diferença entre medidores de vazão ultrassônicos por tempo de trânsito e por efeito Doppler Medidores ultrassônicos são equipamentos que utilizam vibrações acústicas para medir vazão fluídica. Há dois tipos de medidores, por tempo de trânsito e por efeito Doppler. Em ambos os casos, os dispositivos emissores de ondas acústicas podem ser fixados do lado externo da tubulação em carga ou sem interromper a vazão. Desta forma elimina-se perda de pressão na linha ao mesmo tempo em que se evita problemas com vazamentos, além de não haver contato do medidor com o fluido evitando assim corrosão ou deterioração dos sensores. Tanto os medidores de tempo de trânsito como os de efeito Doppler funcionam de forma similar, porém com tecnologias de emissão e interpretação das ondas acústicas de modo diferente. Para saber qual medidor de vazão deverá ser usado para se obter uma medição mais eficiente, confiável e exata é necessário estudar e saber as condições do escoamento. Todavia, hoje com a grande evolução da tecnologia, tempo de trânsito, Wide Beam, o medidor por efeito Doppler nas empresas de saneamento perdeu sua condição de escolha e aplicação para a medição tanto em água bruta, água tratada ou em esgoto bombeado.
As vantagens normais da tecnologia dos medidores por ultrassom não intrusivo por tempo de trânsito, nas aplicações em empresas de saneamento, até a pouco tempo atrás tinha sido de um modo geral, depreciado ou desacreditado, tanto pela tecnologia eletrônica da época, quanto pela falta de informação adequada e, principalmente treinamento dos envolvidos, associado à liderança dos setores, geralmente deficiente sobre os diferentes avanços tecnológicos ocorridos nos últimos anos. Além disso, experiências negativas anteriores, com tentativas frustradas de utilização dos medidores ultrassônicos, quer seja utilizando tecnologia inadequada na medição do fluido água ou modelos de ultrassônicos de fabricantes com projetos eletrônicos deficientes ou ainda, vendedores habilidosos e persuasivos que conseguiram vender "gato por lebre" e, posterior a compra, na hora de medir perceberam a falha de aplicação do medidor. Fatos como esse foi observado com frequência e, assim a notícia do mau desempenho se alastrou, desencorajando muitos possíveis usuários a usar ou reexaminar o medidor com bons olhos, na procura de um novo modelo com a tecnologia correta para sua aplicação específica.
Vamos começar a descrever o medidor ultrassônico por efeito Doppler, cuja tecnologia de medição, não se presta para a medição de velocidade da água bruta e principalmente água tratada.
O princípio físico de operação dos medidores de velocidade ultrassônicos, baseiam-se na propagação de ondas de ultrassom, emitidas nas frequências que pode variar de 100 kHz a 3 MHz dependendo do fabricante.

Velocidade Sônica
A velocidade sônica de propagação no meio fluídico, chamada de Vs é uma característica própria de cada fluido e é naturalmente função da densidade do meio. As velocidades de propagação sônicas nos líquidos em geral, encontram-se nas faixas de 800 a 2000 m/s.

 

A concepção e projeto de um medidor de velocidade por ultrassom, tempo de trânsito, foram realizados para não depender das variações das propriedades físico-química do fluido, assim como não depender e nem sofrer influência da pressão do escoamento. Todavia, suas limitações e particularidades só a prática pode nos mostrar e, nos ensinar no dia a dia da medição no campo.

Efeito Doppler
O efeito Doppler foi descoberto em 1842 pelo físico e matemático, Christian Johan Doppler. Ele afirmou que as frequências das ondas sonoras recebidas por um observador dependem do movimento da fonte ou do observador em relação a fonte do som. A demonstração prática do efeito Doppler é observar e escutar o apito do trem ou a buzina do carro.
A quantidade ou qualidade tonal (frequência) é diferente para o observador estático quando o trem ou o carro estão também parados em comparação com o trem ou o carro em movimento. Essa variação tonal ou de frequência é definida como efeito Doppler. Normalmente, o efeito Doppler é naturalmente usado em sistemas de radar (ar), sonar (água) ou em estudos médicos e biológicos. Na aplicação industrial, quando uma emissão ultrassônica é projetada em um fluido com partículas em seu interior, alguma energia acústica ou frequência ultrassônica é refletida de volta para o elemento emissor-sensor. Como o fluido está em movimento com relação ao elemento sensor, o som se espalha no fluido e é refletido pelas partículas sólidas de volta para o elemento sensor que o detecta, porém, com uma frequência ligeiramente diferente da original. Essa discrepância na frequência recebida, em relação à emitida é referida como desvio de frequência Doppler. O desvio de frequência ou alteração entre sua emissão e a recepção é detectado e medido pela eletrônica do medidor sendo sua medição diretamente proporcional à velocidade fluídica. Valendo-se desse importante princípio físico, usa-se o mesmo princípio na prática para a medição de distância entre o objeto e a referência, assim como, a velocidade do objeto em aproximação em relação à mesma referência.
Os medidores de efeito Doppler não são usados na medição de fluidos limpos, porque necessitam de uma quantidade mínima de partículas sólidas ou bolhas de gás ou ar contidas no fluido para refletir a frequência acústica. As bolhas de gás podem ser criadas no fluido para fins da medição. Não existem usualmente restrições para a velocidade ou para o número de Reynolds, exceto que a vazão seja suficientemente rápida para manter os sólidos em suspensão e ou disperso na corrente fluídica. Deve-se levar em conta que tanto as partículas de sólido ou o tamanho das bolhas tenha limite de concentração e tamanho regular para um bom e correto desempenho do medidor por efeito Doppler. Daí resulta a sua não indicação para aplicação nas empresas de saneamento. Aqui reside um dos fatos da rejeição dos medidores ultrassônicos, de um modo geral, ser mal interpretado e alijado no processo de utilização pelas empresas de saneamento. Todavia, esse fato histórico ocorreu e hoje tem sido desmitificado com os modernos medidores ultrassônicos medindo por tempo de trânsito, utilizando a tecnologia, normal feixe estreito ou com a tecnologia Wide Beam, operando com sólidos em suspensão, numa concentração que pode chegar aos 20%, sem se referir ao tamanho do particulado.
A figura V-2 mostra ou nos dá uma ideia de um sistema Doppler montado numa tubulação.
O transdutor ou pick-up instalado e preso na tubulação possui tanto o emissor quanto o receptor de frequência acústica. Esse fato é interessante, pois facilita a instalação, já que é crítico o alinhamento dos transdutores. Desta forma, o fabricante já garante esse alinhamento dentro do próprio invólucro de montagem única, emitindo e recebendo o retorno da frequência acústica refletida pelas partículas do fluido.

 

A frequência emitida pelo sistema através do fluido é f₁ com um ângulo α ou θ, em relação ao eixo da tubulação. A frequência f₁ ao bater em partículas escoantes, refletem de volta a frequência acústica com outro valor de frequência f₂, que dependerá da velocidade do fluido com suas partículas em suspensão.
Desta forma, pode-se afirmar que:

 

f₁ = Frequência de emissão acústica transmitida;
f₂ = Frequência de emissão acústica refletida;
V = Velocidade do fluido e partícula;
α = Ângulo entre a projeção da emissão acústica e o eixo da tubulação (dado pelo fabricante);
a = Velocidade do som no meio fluídico. Então;

 

O Δf entra no sistema eletrônico através de um discriminador de frequência (circuito operacional) tendo na sua saída uma tensão contínua em milivolt, proporcional ao Δf.

 

Daí para frente o sistema eletrônico microprocessado com programação específica se encarrega do resto.
Voltando a equação original a qual é deduzida a partir da combinação das leis de;
Snell e de Doppler, que define a velocidade V como,

 

Sendo a, cos α e f₁ constantes do sistema, segue que:
Como já foi mencionado, o projeto mais comum do medidor é com um único transdutor dual, onde o cristal transmissor e o receptor, ambos contidos em um único conjunto invólucro, montados externamente presos à tubulação. O alinhamento dos cristais é feito pelo fabricante do medidor. No projeto com transdutores montados em separado, o cristal transmissor é montado separadamente do cristal receptor, ambos externos à tubulação. O alinhamento é feito pelo operador através de um conjunto apropriado.

Aplicação
O medidor de velocidade por efeito Doppler deve ser operado por técnico altamente treinado, conhecedor profundo das nuanças e particularidades do medidor em questão, bem como do fluido. Sempre que possível, a utilização desse tipo de medidor deve ser evitado em empresa de saneamento, pois ele é crítico e não se aplica em medições de água normal, bruta ou tratada.
O transdutor por efeito Doppler indica a velocidade em uma tubulação parcialmente cheia, desde que o transdutor esteja montado abaixo do líquido na tubulação, esse fato é péssimo. Os fabricantes especificam uma distância mínima do medidor para os provocadores de distúrbios ou singularidades, como válvulas, cotovelos, tês, bombas, etc. Tipicamente essa distância varia de 15 a 20 D depois das singularidades previstas, ou 5 a 10 D antes.
O medidor de efeito Doppler se baseia nas bolhas ou partículas nos fluidos para refletir a frequência ultra-sônica. Sem elas, o medidor não irá funcionar de jeito nenhum. Os fabricantes especificam como já referido, o limite mínimo de concentração e tamanho de sólidos ou bolhas nos líquidos para operação confiável e precisa de seu medidor.
Os medidores ultra-sônicos a efeito Doppler são satisfatórios na medição quando o fluido vem misturado com sólidos. Porém, quando a mistura é muito concentrada, as ondas ultra-sônicas não chegam a penetrar no fluido, por causa de sua reflexão próxima à parede da tubulação, onde o fluido se move muito lentamente em comparação com a velocidade central. Essa é outra particularidade estranha e negativa de medidor por efeito Doppler.
O medidor por efeito Doppler é geralmente barato na compra, para instalar e para usar, entretanto, a necessidade de múltiplos conjuntos de transdutores aumenta o custo da aquisição.

Especificação dos medidores Doppler
A exatidão especificada de um medidor Doppler é tipicamente de +/- 1,0 a 5,0% da largura da faixa e, depende do fabricante, da velocidade, diâmetro da tubulação e do fluido do processo. Para um melhor resultado, a calibração do medidor deve ser feita no fluido, com uma boa referência de medição.
Os medidores ultra-sônicos por efeito Doppler têm seu mercado característico e próprio, onde é usado para verificações de grandes vazões. Nas empresas de saneamento eles devem ser evitados.
Os medidores ultra-sônicos com sistema de medição, baseado na tecnologia por tempo de trânsito, são os mais indicados para medição nas empresas de saneamento. Portanto, a eles vamos dar uma maior atenção e talvez nos aprofundar mais na sua teoria e detalhes práticos de utilização.

Medidor por tempo de trânsito
Os medidores de velocidades ultra-sônicos baseados na tecnologia tempo de trânsito, são os mais apropriados e, portanto, os mais indicados para medição de velocidade fluídica em geral. No caso particular das empresas de saneamento é a água e os efluentes. Esse tipo de medidor ultra-sônico, por tempo de trânsito é o que as empresas de saneamento devem usar caso decidam também pela tecnologia ultra-sônica. A velocidade medida por essa tecnologia é altamente consistente e precisa, pois ela se fundamenta na medição do tempo transcorrido para se caminhar uma distância bem definida e medida na tubulação. Ora, se conheço a distância L e o tempo de percurso, t, logo sei a velocidade,

 

Assim sendo, o sistema de medição de vazão ultra-sônica é composto de uma unidade eletrônica micro processada, dois pick-ups, sendo um transmissor e o outro receptor.
Na verdade, cada pick-up é duplo, possuindo emissor e receptor na mesma unidade.

 

Considerando a figura V-3, temos uma tubulação com um pick-up montado na parte superior e outro pick-up montado na parte inferior, diametralmente oposto. Como pode ser observado na figura acima, o pick-up superior tem no estágio de saída, um gerador de frequência ultra-sônica e o pick-up inferior têm o estágio receptor de frequência. A unidade eletrônica, micro processada é comandada por um cronômetro eletrônico interno de alta resolução e exatidão. No momento que o sistema é ligado, um pulso de frequência ultra-sônico é enviado, o cronômetro abre a marcação do tempo. O pulso de frequência atravessa a parede do tubo, percorre o fluido e no instante em que o pulso de frequência atinge o pick-up receptor, o cronômetro pára e, assim sucessivamente, o sistema eletrônico microprocessado vai girando, enviando pulsos, abrindo e fechando o cronômetro. Esse processo não pára, até se desligar o medidor ultra-sônico. Como poderemos observar, não existe por enquanto vazão, portanto apenas uma tubulação cheia. O tempo de percurso da emissão ultra-sônica após o início da contagem pelo cronômetro até a chegada da onda ultrassônica ou acústica no pick-up receptor, paralisando o cronômetro é o tempo "t". Nada mais aconteceu, senão a contagem do tempo de propagação da frequência ultra-sônica no fluido. Tempo já sabido, pois ele é tabelado para água a 20°C que é igual a +/-1490 m/s. Doravante, esse tempo será chamado de Vs, portanto, o nosso primeiro sistema serviu apenas para medir o tempo de propagação na água. Ao abrirmos o registro, o fluido água, ao começar a passar, com certeza os pulsos de frequência ultra-sônica não mais atingirão o pick-up inferior, não havendo a menor chance da sua detecção, pois o fluido escoante levará o pulso de freqüência para fora do campo de detecção do pick-up receptor.
A solução é afastá-lo a certa distância, do pick-up superior, a fim de se criar certo comprimento "d" {distancia}, entre os dois pick-ups.
A figura V-4 ilustra essa nova montagem.
Na figura V-4 a onda acústica é transmitida e projetada sob um ângulo α, ao longo da tubulação. Ao percorrer o fluido na direção da vazão, sua velocidade aumenta. Da mesma forma acontecerá quando, por exemplo, a frequência ultra-sônica for projetada contra a corrente, ou contra a vazão, haveria um retardo no tempo até ela atingir o pick-up superior. Analisando a figura V-4, inicialmente com a tubulação fechada, porém cheia de fluido, ao se emitir um pulso, ele levaria certo tempo t₁ para atingir o pick-up oposto, percorrendo a distância "d".

 

Fazendo um histograma desse tempo teríamos a figura V-5.

 

Abrindo o circuito, o fluido em movimento aumentará a velocidade do pulso ultra-sônico, fazendo com que ele atinja o pick-up inferior em um tempo menor. Assim, a velocidade de propagação do pulso ultra-sônico, seria a sua velocidade natural de propagação no meio fluídico, mais a velocidade do próprio fluido. Desta forma o pick-up inferior seria alcançado em um tempo t₁’ menor. A figura V-6 mostra e detalha essa nova condição.

 

Então, t₁ = tempo natural de propagação do som na água, para percorrer a distância L;
t₁’ = tempo natural de propagação + velocidade do fluido.
Assim,

 

Se o fluido aumenta sua velocidade, Δt aumenta. Se a vazão é cortada, t₁’ fica igual a t₁, então, Δt = 0. Assim sendo, já posso medir a velocidade do fluido, pois conheço a distância d mostrada na figura, isto é, o espaço de um pick-up ao outro, conheço o tempo medido, então;

 

Eletronicamente, é muito fácil se discriminar ou transformar uma medição de tempo em mV é isso que o circuito eletrônico de entrada faz, transforma Δt em milivolts.
Observando a figura V-6, posso dizer que o meu sistema já mede velocidade passante de um fluido em tubulação, pois, o Δt varia de zero a um tempo "t" finito, segundo a variação de velocidade do fluido.

Equacionamento simples
Equacionando matematicamente o histograma da figura V-5 e 6. Segue;

 

L = Distância percorrida pela frequência ultra-sônica;
Vs = Velocidade de propagação do som no meio;
V1 = Velocidade do fluido;
Cos α = Ângulo de penetração da frequência ultra-sônico.
Combinando as equações acima teremos;

 

Assim, o Δt devido à velocidade do fluido, depende da velocidade de propagação do som no meio;
L = Constante;
Cos α = Constante;
V1 = Velocidade procurada ou medida;
Vs = Velocidade de propagação do som no meio.
Se a velocidade de propagação no meio não variasse com a variação das propriedades físico-químicas do fluido, o sistema com dois pick-ups simples, um transmissor e outro receptor, resolveria o problema de medição sem apresentar erro. Todavia, o sistema fica vulnerável às variações de propriedades físicas do meio, como temperatura, densidade, viscosidade, pressão, composição química, etc., que interferirão na velocidade sônica de propagação Vs, no meio. Assim sendo, os pesquisadores, cientistas, colocaram mais um transmissor e um receptor nos pick-ups existentes, tornando-os emissor e receptor simultâneo.

 

O sistema eletrônico microprocessado agora controla uma emissão dupla de frequência ultra-sônica. O primeiro pick-up emite um pulso no sentido do fluxo e o outro pick-up ao receber esse pulso, manda outro de volta contra o fluxo. O primeiro pulso é acelerado pela velocidade do fluido e o pulso de contra a corrente é desacelerado pelo próprio fluido.

 

Eletronicamente o micro controlador, comandado pelo cronômetro manda um pulso e inicia a contagem do tempo. O pulso ao chegar ao pick-up número 2, imediatamente manda seu pulso de volta contra a corrente. Quando o pulso atinge o pick-up número 1, o cronômetro encerra o tempo, recomeçando outro novo ciclo. Com esse sistema o Δt passa a ser duplo, ou seja, maior, facilitando e diminuindo proporcionalmente o erro na sua medição.

Equacionamento completo
Equacionando o histograma da figura V-7 temos;

 

Simplificando,

 

Como podemos notar, a equação de velocidade do fluido é diretamente proporcional a soma dos tempos entre a propagação do tempo a montante e ajusante, não dependendo mais das propriedades físico-químicas do fluido e nem tampouco do meio de transporte fluídico. Desta forma, os pesquisadores e cientistas resolveram por completo a independência do sistema de medição ultra-sônico por tempo de trânsito. Portanto, o sistema de medição só depende de V1, pois 2 L cos α é uma constante. Logo,

 

É importante saber;
Velocidade máxima = ± 15 m/s – (narrow beam)
Rangeabilidade = 30:1
Sinal de saída = linear
Dependente do perfil de velocidade
Fluido não deve ter concentração de partículas sólidas acima de 20% em suspensão e nem excesso de bolhas de ar ou vazios.

Velocidade máxima
O fato de estarmos limitados nos medidores ultrasônicos por tempo de trânsito a uma velocidade máxima da ordem de ±15m/s, deve-se a detalhes físicos construtivos de cada fabricante. O feixe ultra-sônico ao ser projetado no sistema a certo ângulo em direção ao receptor, pode não atingi-lo, sendo desviado pela alta velocidade do fluido, projetando-o mais à frente do pick-up receptor, portanto, fora do seu domínio, resultando daí uma perda de sinal. Assim conseguimos perceber a causa do limite superior da velocidade do fluido. Esse problema de rangeabilidade foi resolvido com uma nova tecnologia para os medidores de tempo de trânsito, denominado ultra-sônico com emissão de feixe largo (wide beam). Com esse novo sistema, a rangeabilidade aumentou, além de outras vantagens adicionais reivindicadas pelo fabricante. Na verdade, o modo "wide beam", feixe largo, faz com que a onda de ultra-som ao atravessar o material da tubulação se propague longitudinalmente pela sua parede se refletindo várias vezes numa condição ressonante com o material da rede, possibilitando um sinal de ultrassom de menor potência cobrindo uma maior distância de área axial no interior da tubulação atingindo como uma "chuva de ondas", o segundo transdutor. Essa condição mais moderna com nova tecnologia garantiu um sinal de menor potencial, mais tolerável a presença de sólidos, bolhas e viscosidade e, o sinal ao percorrer a tubulação atinge como uma "chuva de ondas" o segundo transdutor. Nesse caso, uma possível variação dos limites de velocidade fluídica não influi na exata localização do segundo pick-up. Outra vantagem muito divulgada pela modalidade, feixe largo ou Wide Beam, é o fato por ser o feixe ultra-sônico largo não ultrapassar o limite de decteção pelo pick-up, tanto inferior quanto o superior. Por outro lado, ruídos na transmissão de um pick-up para o outro ter normalmente atenuação bem melhor, facilitando o trabalho do filtro eletrônico do sistema feixe largo. A atenuação, natural é de 40 db, (algo em torno de 100:1 de rejeição natural).
Vale ressaltar, que nas empresas de saneamento, as velocidades máximas praticadas ou encontradas em regime, no campo das medições são muito inferiores as velocidades máximas declaradas pelos fabricantes de ultrasônicos, portanto, qualquer um dos modelos feixe estreito ou largo é o bastante para se medir bem e com excelência de resultados. Portanto, o modelo anterior convencional, feixe estreito ainda é funcional e mais barato. Tudo vai depender da boa reputação do fabricante. O bom desempenho ou a incerteza do medidor ultrassônico vai depender das condições da tubulação onde ele será instalado, condicionado as dimensionais corretas do local como diâmetro interno da rede, espessura da parede, material, tipo de fluido, temperatura, etc. Outras grandes vantagens além da exatidão hoje alcançada, é o custo benefício apresentado em comparação à outras tecnologias ou fatores como custo da instalação, obras civis, equipamentos para instalação, transporte, interrupção durante o processo da instalação ou montagem. Considerando esses e outros fatores de custo na instalação, o custo do ultrassônico "clamp on" pode sair ou ser muito menor.

Dependência do perfil de velocidade
Três são os perfis característicos de velocidade, perfil laminar, perfil turbulento e perfil ideal, conceito analítico, teórico e prática amplamente estudado no capitulo 1 do livro, Pitometria e Macro Medição nas Empresas de Saneamento, edição 2019 com 513 paginas.

 

No perfil laminar, o "default", FV do sistema é 0,5. No perfil turbulento, o "default", FV do sistema é 0,833 para tubulação nova, com diâmetro entre 90 a 130 mm. Esses valores estão incorporados no sistema eletrônico microprocessado, tendo como finalidade corrigir a medição de velocidade. Por esse motivo, quanto mais uniforme for o perfil da velocidade, mais exata é a medição. Por outro lado, medidores ultrassônicos de melhor procedência ou mais modernos, planilha ou tabelam em sua memória do programa de cálculo, fatores de compensação de perfil de velocidade, a fim de propiciar correção mais efetiva e automática. Ainda mais além, quando se requer uma melhor correção, basta que durante a configuração do medidor, lhe seja informado, material da rede, valor da viscosidade ou a temperatura do fluido. Na maioria dos medidores já vem incorporado o valor da viscosidade para uma dada temperatura, nos processos de medição, onde o sistema microprocessado automaticamente modifica o fator de correção para aquela vazão, corrigindo desta forma possíveis erros introduzidos pela distorção do perfil da velocidade. Todavia, trechos retos de tubulação são normalmente recomendados para eliminar a distorção e os possíveis redemoinhos no fluxo escoante.

Partículas sólidas e bolhas de ar
Tanto as partículas sólidas em alta concentração e tamanho, dispersas no fluido, assim como as bolhas de ar podem dispersar a onda ou frequência ultrassônica, fazendo com que o medidor perca o sinal, causando instabilidade na medição. Por esse motivo, os medidores ultrassônicos a tempo de trânsito, somente são indicados para medir vazão de líquidos mais comportados, apesar dos modernos com tecnologia Wide Beam serem capazes de medir com concentração de até +/- 20% de sólidos em suspensão.

Técnicas para instalação do medidor
Diferentes métodos de montagens dos transdutores ou pick-up são empregados, cada qual cobrindo uma faixa de diâmetro de tubulação; são eles: método em V, método em Z e o método em W.
Antes de falarmos sobre esses métodos, vamos procurar enumerar e selecionar o melhor local para a instalação do medidor.
a) Escolha um local na tubulação onde possivelmente ela estará sempre cheia de fluido, tal como posição vertical de subida de fluido, ou tubulação totalmente horizontal.
b) O local escolhido deve ter um trecho reto de no mínimo 15 a 20 diâmetros a jusante assim como 5 a 10 diâmetros a montante de qualquer agente causador de perturbações na velocidade fluídica. Os agentes aqui referidos são denominados singularidade.
c) Após a bomba de requalque, válvula de controle, curva de 90 graus, duas curvas ou joelhos sucessivos, etc., 20 diâmetros de trecho reto é recomendada depois da singularidade, a fim de assegurar maior exatidão na medição. A distância de 5 a 10 diâmetros a montante antes de uma nova singularidade é da mesma forma recomendada em todas as condições de medição.
d) Em tubulação horizontal, sempre instalar os transdutores ou pick-up nos lados da tubulação em posição equivalente a 3 ou 9 horas de um relógio. Essa posição, evita a possível sedimentação no fundo da tubulação, assim como pacotes de bolhas ao longo do topo ou teto superior da tubulação. Essa situação na instalação fixa permanente pode causar perda de sinal.
e) Esteja seguro de que a temperatura externa da tubulação, onde serão grampeados os pick-ups, não ultrapassará o limite de – 40 a 150°C.
f) Sendo possível, escolha no tubo um local onde possa haver a menor possibilidade de corrosão ou incrustação interna. Tal condição pode prejudicar a medição ou às vezes torná-la impossível.

Montagens dos transdutores (pick-up)
a) Método em V
O método de instalação dos pick-ups em V é considerado o método padrão. Usualmente esse método apresenta mais atenuação no sinal porque ele tem que ser refletido pela tubulação para atingir o segundo pick-up. Consequentemente, seu posicionamento é mais exato porque os dois pick-ups estarão montados no mesmo trilho e com o distanciamento rigorosamente medido pela régua milimetrada do trilho. Esse método cobre tubulações médias. A figura V-10 dá uma idéia da instalação deste método.

 

b) Método Z
O sinal transmitido no método de instalação em Z é o que tem menos atenuação. Isto é porque ele transmite o sinal direto para o receptor. O método Z é usado inicialmente em aplicações onde o método V não funciona bem, devido à atenuação por excesso de bolhas ou sólidos no fluido, ou ainda, em tubulações de grande diâmetro. Nos casos onde os trechos retos da tubulação a montante é insuficiente, ou fora do padrão, o método Z é o mais indicado.

 

 

c) Método W
Medições em tubulações metálicas de diâmetro muito fino tal como 50 mm ou menor, o desempenho do medidor ultra-sônico pode ser melhorado pelo uso do método W. Através deste método o pulso de frequência ultra-sônico, viaja 4 vezes transversalmente do mesmo lado da tubulação. Assim sendo, o caminho percorrido pela frequência ultra-sônica é 4 vezes maior, o que permite ao sistema eletrônico maior confiabilidade e exatidão na medição do tempo de percurso.

 

Exatidão
A curva de calibração apresentada neste trabalho, figura III-13, foi feita em uma tubulação de 300 mm de diâmetro em um laboratório de vazão, com o sistema rastreado atendendo à cadeia metrológica de vazão internacional. Uma exatidão melhor do que 1% da vazão ao longo de toda a faixa de medição é indicada no gráfico da figura III-13. É importante observar que nos medidores ultra-sônicos, sua exatidão ou erro são sempre referidos à medição no ponto, ou seja, seu erro é percentual absoluto. A linearidade intrínseca está em torno de 0,1% da vazão.
Com os últimos desenvolvimentos técnicos, incorporados aos medidores de vazão ultra-sônicos, desempenhos como os apresentados no gráfico da figura V-13 não são mais surpreendentes.

 

Medidor ultrassônico portatil – clamp on
Especificação;
Modelo, Isoflux - IFX-P200 – TYPE "CLAMP-ON"
Velocity range: 0,01 – 25 m/s
Resolution: 0,25 mm/s
Repeatability: 0,15% of measuring value
Accuracy (flow volume): +/-1% measured value
Accuracy (velocity): +/-0,5% measured value
Measurement rate: 1 Hz as standard
Response time: 1 second
Damping of reading: 0 …99 second (selected)
Solids and gas content in media: <10% in volume
Enclosure: Robust ABS housing
Protection rate: IP 65
Working temperature: -10 +50 ºC
Supply: Internal rechargeable batteries
Operation time: up to 24 hours
Display: LCD graphic with back light

Especificação do medidor ultra-sônico - "Fixo"
Modêlo, Isoflux- IFX- P100
Faixa de medição: 0 – 25 m/s
Exatidão = ± 0,5% da velocidade medida, saída digital
Sensibilidade = 0,3 mm/s
Linearidade = 0,1% da escala saída digital
Diâmetro da Tubulação = 25 mm a 3 metros
Fluido = Qualquer fluido com ate 10% concentração de sólidos

Conclusão
A partir do nosso entendimento e conhecimento sobre os medidores de vazão por tempo de trânsito, podemos concluir que o mesmo não depende das propriedades físico-químicas e elétricas do líquido, e nem da pressão do sistema. Por outro lado, alto nível de vibração pode afetar o alinhamento dos transdutores e o acoplamento acústico com a tubulação principalmente nos sistemas de instalação permanente. Ainda, os ultrassônicos requerem que a tubulação esteja sempre, completamente cheia. Ele é obviamente, mais abrangente quanto à sua aplicação, do que os tipos e modelos de medidores intrusivos convencionais.
O baixo custo de instalação sem interrupção do processo e a confiabilidade, aliada à baixa manutenção e a não necessidade de recalibrações periódicas, são parâmetros vantajosos na hora da decisão econômica, além de um único medidor, clamp-on ser compatível com qualquer diâmetro de tubulação. Ressalto aqui, os modelos clamp-on, porém, na aquisição é muito importante a escolha do fabricante.
As empresas que tiveram problemas no passado com a confiabilidade dos medidores ultra-sônicos devem hoje, sem sombra de dúvidas reverem sua posição, testando, acompanhando e comparando o seu desempenho atual frente ao passado. A tecnologia de hoje esta mais avançada e atualizada sobre os medidores ultra-sônicos tempo de trânsito do passado, portanto nas empresas de tratamento e distribuição de agua potável, a tecnologia de ultrassom pode e deve ser uma alternativa para medição de vazão em todos os processos internos e externos da empresa.

 

Geraldo P. S. Lamon Doutorando em Mecânica pela PUC-BH-MG