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PROCAD UFPB/UFBA/UFMA/UFPA
Introdução a Instrumentação Biomédica TRANSDUTORES DE FLUXO
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MEDIÇÃO DE FLUXO ÍNDICE
Tipos, Número de Reynolds, Densidade, Viscosidade 2- TRANSDUTORES DE FLUXO Pressão Diferencial Obstrução Tubo Pitot Área Variável Rotâmetro Velocidade Turbina Deslocamento Positivo - Rotor
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MEDIÇÃO DE FLUXO ÍNDICE
Vórtices Vortex Tensão Induzida Eletromagnético Temperatura Fio Quente Ultra-som Efeito Doppler Velocímetro Laser Efeito Doppler
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TRANSDUTORES DE FLUXO São sensores para medição de vazão.
Q (m3/s) = V (m/s) . A (m2)
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TRANSDUTORES DE FLUXO Dispositivos desenvolvidos para determinar a medição de fluxo utilizando outras variáveis relacionadas fisicamente com a vazão, como: Velocidade de escoamento do fluido líquido (água, sangue) ou gasoso (ar, oxigênio). Diferença de pressão Variação de energia
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FLUXO LAMINAR – quando o fluido se move através de condutos uniformes (tubos retos com pouco atrito interno) a velocidades muito baixas, o movimento das partículas individuais é formado por linhas paralelas às paredes do conduto.
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FLUXOS LAMINAR NÃO UNIFORME TURBULENTO
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FLUXO TURBULENTO – quando o aumento do fluxo faz o movimento das partículas tornar-se mais aleatório e irregular, caracterizado por vórtices locais e um grande aumento na resistência ao escoamento.
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FLUXO REYNOLDS - Número adimensional que determina o regime de escoamento do fluido NR = D Vm / densidade do fluido D diâmetro interno do tubo Vm velocidade média de escoamento coeficiente de viscosidade
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FLUXO DENSIDADE – É o número de vezes que o fluido é mais pesado que igual volume de água. Ex: O sangue é mais viscoso e mais denso que a água.
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FLUXO VISCOSIDADE – É a resistência do movimento fluido ao escoamento. As forças de atrito do próprio fluido impedem as diferentes camadas de escorregar entre si. NOS LÍQUIDOS – é inversamente proporcional à temperatura e diretamente proporcional à pressão. NOS GASES - é diretamente proporcional à temperatura e à pressão.
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FLUXO VELOCIDADE MÉDIA – É a velocidade uniforme que produziria a mesma vazão em toda a seção reta do tubo. Experimentalmente o escoamento é: LAMINAR se NR < 2 000 TURBULENTO se NR > 3 000 INSTÁVEL se < NR < 3 000
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MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL
Utilizam sensores de pressão para encontrar uma diferença de pressão que determine a velocidade do fluido. - Medidores de Obstrução - Tubos de Pitot
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MEDIDORES DE OBSTRUÇÃO
É um obstáculo colocado na passagem do fluido, causando aumento de velocidade do fluido com uma conseqüente redução da pressão. EQUAÇÃO DE BERNOULLI - A soma da energia estática (pressão), energia cinética (velocidade) e energia potencial (elevação) se conserva para um fluido passando por uma obstrução.
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EQUAÇÃO DE BERNOULLI = viscosidade p1/ + V12/2g + z1 = constante
p = pressão = viscosidade V = velocidade g = aceleração da gravidade z = elevação
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MEDIDORES DE OBSTRUÇÃO
TUBO DE VENTURI BOCAL DE FLUXO PLACA DE ORIFÍCIO
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MEDIDORES DE OBSTRUÇÃO
T. VENTURI - pequena perda de pressão (mais eficiente), alta exatidão, resistência à abrasão, comprimento maior (difícil instalação), alto custo BOCAL DE FLUXO – média perda de pressão, alta exatidão, custo médio, resistência à abrasão, comprimento menor PLACA DE ORIFÍCIO – grande perda da ordem de 30 a 40% da pressão diferencial, menor exatidão, mais abrasivo, comprimento menor (melhor instalação), baixo custo
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MEDIDORES DE OBSTRUÇÃO
DIAFRAGMA - sensor de de fluxo de ar, projetado para ar filtrado a seco em ambientes médicos e instrumentos analíticos, combina características operacionais de confiabilidade e exatidão. Sensor Honeywell
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MEDIDORES DE OBSTRUÇÃO
Aplicações médicas típicas incluem respiradores, ventiladores, concentradores de oxigênio, conservadores, monitores de apnéia, nebulizadores, equipamento de CPAP (pressão de ar positiva e contínua), autoclaves. Compatível com grande variedade de gases anestésicos. Fluxômetro SpiroMaster
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MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL
TUBO DE PITOT
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MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL
TUBO DE PITOT Precisa ser bem centralizado no conduto
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MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL
TUBO DE VENTURI
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MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL
TUBO DE VENTURI
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TUBO DE VENTURI
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TUBO DE VENTURI
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MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL
TUBO DE VENTURI
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MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVEL ROTÂMETRO
É constituído por um tubo transparente com escala onde um flutuador (bóia) se move livremente. O flutuador é mais pesado do que o fluido que o desloca.
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MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVEL ROTÂMETRO
O equilíbrio é atingido quando a diferença de pressão e o empuxo compensam a força gravitacional. A posição do flutuador indica a taxa de fluxo.
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MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVEL ROTÂMETRO
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MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVEL ROTÂMETRO
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MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVEL ROTÂMETRO
VANTAGENS Escala uniforme de fluxo Através da troca do flutuador é possível mudar a capacidade de fluxo Boa aceitação de fluidos corrosivos Verificação visual da condição do fluxo
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MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVEL ROTÂMETRO
DESVANTAGENS Só pode ser instalado na posição vertical Em caso de fluido opaco, o flutuador não se torna visível Não podem ser usados em líquidos que carregam grandes percentuais de sólidos em suspensão Custo é alto para fluidos com altas temperaturas
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MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVEL
Respirador Eletrônico Newport Breeze E-150
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MEDIDOR DE TURBINA O número de voltas das lâminas da turbina por unidade de tempo é proporcional ao fluxo.
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MEDIDOR DE TURBINA Um ímã permanente é encaixado no corpo do rotor, cada vez que uma lâmina da turbina passa pelo pólo do sensor, a redução da relutância altera a permeabilidade do circuito magnético produzindo um pulso de tensão no terminal de saída. A freqüência deste pulso é proporcional à velocidade de escoamento do fluido.
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MEDIDOR DE TURBINA Erro de cerca de 0,5%
Tamanhos disponíveis de 1/8 a 8 polegadas (cerca de 3 mm a 20 cm). Boa resposta a transientes de fluxo, constantes de tempo da ordem de 2 a 12 ms
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MEDIDOR DE TURBINA Exatidão reduzida à taxas baixas de fluxo.
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MEDIDOR DE DESLOCAMENTO POSITIVO
A passagem do fluido causa giros do rotor registrados em um contador de giros.
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MEDIDOR DE DESLOCAMENTO POSITIVO
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MEDIDOR DE DESLOCAMENTO POSITIVO
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MEDIDOR DE VÓRTICES Contém obstrução não-aerodinâmica perpendicular à direção do fluxo gerando vórtices ou áreas bem localizadas de baixa pressão e instabilidade.
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MEDIDOR DE VÓRTICES A freqüência com que os vórtices são criados é proporcional à velocidade do fluxo.
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MEDIDOR DE VÓRTICES
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MEDIDOR DE VÓRTICES
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MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO
Baseado na Lei de Indução de Faraday e = B l v e tensão induzida (V) B densidade de fluxo magnético (Gauss) l comprimento do condutor (cm) v velocidade do condutor (cm/s)
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MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO
Com passagem de um fluido ligeiramente condutivo através de um campo eletromagnético (B), é gerada uma força eletromotriz (e) medida por eletrodos posicionados nas paredes do tubo.
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MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO
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MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO
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MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO
O conduto deve ser de vidro ou de algum material não condutor. Os eletrodos na superfície interna do conduto fazem contato direto com o fluido. A tensão de saída é muito baixa, e um campo magnético alternado é usado para amplificar e eliminar problemas de polarização. Um circuito especial é necessário para separar a saída relativa ao fluxo de outros sinais.
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MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO
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MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO
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MEDIDOR TÉRMICO
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MEDIDOR TÉRMICO ANEMÔMETRO DE FIO QUENTE
Fio fino e curto esticado entre dois suportes
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MEDIDOR TÉRMICO ANEMÔMETRO DE FIO QUENTE
Método da corrente constante - uma corrente elétrica constante passa através do fio sensor. A variação do fluxo implica na troca da temperatura no fio, modificando sua resistência. Método da temperatura constante - um servo sistema mantém a resistência do fio constante e conseqüentemente sua temperatura. Uma mudança no fluxo resulta na mudança na corrente elétrica.
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MEDIDOR TÉRMICO
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VARIAÇÃO DO FLUXO DO FLUIDO
MEDIDOR TÉRMICO VARIAÇÃO DO FLUXO DO FLUIDO Quando o fluxo varia durante o tempo, a resposta do elemento fica atrasada devido à capacidade do fio de armazenar calor. No Método da Corrente Constante a compensação deste atraso é feita por uma rede passiva de indutores e resistores ou de capacitores e resistores, ou através do uso de um transformador.
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VARIAÇÃO DO FLUXO DO FLUIDO
MEDIDOR TÉRMICO VARIAÇÃO DO FLUXO DO FLUIDO No Método de Temperatura Constante a compensação é feita pelo próprio sistema básico.
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VARIAÇÃO DO FLUXO DO FLUIDO
MEDIDOR TÉRMICO VARIAÇÃO DO FLUXO DO FLUIDO O elemento sensor está incorporado numa ponte de Wheatstone, cujo desbalanceamento é empregado como medida de corrente para manter a temperatura do fio. O próprio sistema provê proteção contra a queima do fio. Aplicação na área médica: medidas de fluxo de sangue, ar.
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MEDIDOR TÉRMICO Anemômetro de fio quente na PUC-MG com filamento de tungstênio de 4 mícrons de diâmetro.
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Sistema baseado no tempo de propagação de ondas acústicas
MEDIDOR ULTRASÔNICO Sistema baseado no tempo de propagação de ondas acústicas
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Sistema Doppler de onda contínua
MEDIDOR ULTRASÔNICO Sistema Doppler de onda contínua
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Sistema Doppler pulsátil
MEDIDOR ULTRASÔNICO Sistema Doppler pulsátil
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MEDIDOR LASER Efeito Doppler causado em um feixe Laser ao ser refletido por partículas em movimento
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MEDIDOR LASER Os dois feixes do laser, em sua interferência no ponto de medida, geram as franjas de Fresnell que distam entre si de "e". Medindo o tempo "T" que uma partícula de fluido percorre essa distância “e”, encontra-se a velocidade "v" do fluxo. v = e / T = e . f Onde f é a freqüência da onda luminosa a ser captada e medida pelo receptor.
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MEDIDOR LASER
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TABELA COMPARATIVA
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TABELA COMPARATIVA
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BIBLIOGRAFIA Mechanical Measurements – T.G.Beckwith, N.L.Buck. Addison-Wesley Publishing Co www4.prossiga.br/lopes/prodcien/fisicanaescola
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BIBLIOGRAFIA www.emc.ufsc.br/labtermo/Vperda1.jpg
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