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PROCAD UFPB/UFBA/UFMA/UFPA Introdução a Instrumentação Biomédica TRANSDUTORES DE FLUXO.

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1 PROCAD UFPB/UFBA/UFMA/UFPA Introdução a Instrumentação Biomédica TRANSDUTORES DE FLUXO

2 MEDIÇÃO DE FLUXO ÍNDICE 1- FLUXO Tipos, Número de Reynolds, Densidade, Viscosidade 2- TRANSDUTORES DE FLUXO Pressão Diferencial - Obstrução - Tubo Pitot Área Variável - Rotâmetro Velocidade - Turbina Deslocamento Positivo - Rotor

3 MEDIÇÃO DE FLUXO ÍNDICE Vórtices - Vortex Tensão Induzida - Eletromagnético Temperatura - Fio Quente Ultra-som - Efeito Doppler Velocímetro Laser - Efeito Doppler

4 TRANSDUTORES DE FLUXO São sensores para medição de vazão. Q (m 3 /s) = V (m/s). A (m 2 )

5 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

6 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.

7 FLUXOS LAMINAR NÃO UNIFORME TURBULENTO

8 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.

9 FLUXO REYNOLDS - Número adimensional que determina o regime de escoamento do fluido. N R = D V m / densidade do fluido D diâmetro interno do tubo V m velocidade média de escoamento coeficiente de viscosidade

10 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.

11 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.

12 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 N R < TURBULENTO se N R > INSTÁVEL se < NR < 3 000

13 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

14 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.

15 EQUAÇÃO DE BERNOULLI p 1 / + V 1 2 /2g + z 1 = constante p = pressão = viscosidade V = velocidade g = aceleração da gravidade z = elevação

16 MEDIDORES DE OBSTRUÇÃO TUBO DE VENTURI BOCAL DE FLUXO PLACA DE ORIFÍCIO

17 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

18 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

19 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

20 MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL TUBO DE PITOT

21 MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL TUBO DE PITOT Precisa ser bem centralizado no conduto

22 MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL TUBO DE VENTURI

23 MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL TUBO DE VENTURI

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26 MEDIDORES DE PRESSÃO DIFERENCIAL TUBO DE VENTURI

27 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.

28 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.

29 MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVEL ROTÂMETRO

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31 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

32 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

33 MEDIDOR DE ÁREA VARIÁVEL Respirador Eletrônico Newport Breeze E-150

34 MEDIDOR DE TURBINA O número de voltas das lâminas da turbina por unidade de tempo é proporcional ao fluxo.

35 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.

36 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

37 MEDIDOR DE TURBINA Exatidão reduzida à taxas baixas de fluxo.

38 MEDIDOR DE DESLOCAMENTO POSITIVO A passagem do fluido causa giros do rotor registrados em um contador de giros.

39 MEDIDOR DE DESLOCAMENTO POSITIVO

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41 MEDIDOR DE VÓRTICES Contém obstrução não-aerodinâmica perpendicular à direção do fluxo gerando vórtices ou áreas bem localizadas de baixa pressão e instabilidade.

42 MEDIDOR DE VÓRTICES A freqüência com que os vórtices são criados é proporcional à velocidade do fluxo.

43 MEDIDOR DE VÓRTICES

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45 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)

46 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.

47 MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO

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49 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.

50 MEDIDOR ELETROMAGNÉTICO

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52 MEDIDOR TÉRMICO

53 ANEMÔMETRO DE FIO QUENTE Fio fino e curto esticado entre dois suportes

54 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.

55 MEDIDOR TÉRMICO

56 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.

57 MEDIDOR TÉRMICO VARIAÇÃO DO FLUXO DO FLUIDO No Método de Temperatura Constante a compensação é feita pelo próprio sistema básico.

58 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.

59 MEDIDOR TÉRMICO Anemômetro de fio quente na PUC-MG com filamento de tungstênio de 4 mícrons de diâmetro.

60 MEDIDOR ULTRASÔNICO Sistema baseado no tempo de propagação de ondas acústicas

61 MEDIDOR ULTRASÔNICO Sistema Doppler de onda contínua

62 MEDIDOR ULTRASÔNICO Sistema Doppler pulsátil

63 MEDIDOR LASER Efeito Doppler causado em um feixe Laser ao ser refletido por partículas em movimento

64 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.

65 MEDIDOR LASER

66 TABELA COMPARATIVA

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68 BIBLIOGRAFIA Mechanical Measurements – T.G.Beckwith, N.L.Buck. Addison-Wesley Publishing Co www4.prossiga.br/lopes/prodcien/fisicanaescola

69 BIBLIOGRAFIA


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