Sensores de Velocidade Relativa Sólido / Fluido Bruno Santos Enzo Brotto Xisto Larissa Ribas Larissa Villar Matheus Tarocco

Introdução Vazão Volumétrica Em hidráulica ou em mecânica dos fluidos, define-se vazão como a relação entre o volume e o tempo. A vazão pode ser determinada a partir do escoamento de um fluido através de determinada seção transversal de um conduto livre (canal, rio ou tubulação aberta) ou de um conduto forçado (tubulação com pressão positiva ou negativa). Isto significa que a vazão representa a rapidez com a qual um volume escoa. As unidades de medida adotadas são geralmente o m³/s, m³/h, l/h ou o l/s.

Introdução Medição de vazão A vazão volumétrica pode ser medida através de diversos sistemas de medição. Neste trabalho, iremos abordar os seguintes métodos de medição por sensores: Tubo de Pitot Anemômetro de fio quente Anemômetro de hélice Laser

Tubo de Pitot Instrumento de medição de velocidade de um fluído (hidráulica e aerodinâmica). Em hidrologia: medir indiretamente vazões em rios, canais, redes de abastecimento de água, adutoras e oleodutos.

Tubo de Pitot Aplicação na medição de velocidade de aeronaves

Tubo de Pitot Principais problemas: Obstrução Obter a Velocidade Aerodinâmica Verdadeira - VA

Anemômetro de fio quente (Hot Wire) A anemometria a fio quente é uma ferramenta atualmente utilizada na maioria dos estudos da turbulência em gases e de outros fluidos O sensor de fio quente é constituído de um corpo de material cerâmico, onde estão fixas duas agulhas Princípio de funcionamento é baseado na transferência de calor por convecção forçada entre um filamento aquecido e o fluido escoando ao seu redor.

Anemômetro de fio quente (Hot Wire) A variação da resistividade elétrica do fio com a temperatura é reconhecida por um circuito elétrico que transforma essa variação em um sinal elétrico.  Existem três tipos de anemômetro o de fio quente : corrente elétrica constante, temperatura constante e voltagem constante. Desprezando-se a perda de calor por condutividade nas extremidades do suporte do sensor e perdas por convecção natural, é possível fazer o balanço em regime permanente entre calor introduzido e dissipado no sensor conforme mostrado na equação  Portanto, é possível estimar a velocidade do escoamento U a partir da quantidade Rw e Iw caso elas possam ser relacionadas com Tw e a função Φconv  seja conhecida. 

ANEMÔMETRO DE CORRENTE ELÉTRICA CONSTANTE Anemômetro de fio quente (Hot Wire) ANEMÔMETRO DE CORRENTE ELÉTRICA CONSTANTE Nessa configuração a corrente sobre o sensor (Iw) é mantida constante. Assim, mudanças na velocidade causam alteração da resistência Rw  do sensor e o sinal de saída do equipamento é uma medida direta dessa variação de resistência. Os primeiros equipamentos de anemometria térmica foram desenvolvidos com essa configuração.

Anemômetro de fio quente (Hot Wire) ANEMÔMETRO DE TEMPERATURA CONSTANTE (CTA) No anemômetro de temperatura constante a resistência Rw é mantida constante. Para isso se utiliza um circuito de realimentação que detecta as variações de resistência e efetua um ajuste da corrente Iw de modo a manter a temperatura e consequentemente a resistência do sensor constante. Nesse caso o sinal de saída é uma medida relacionada a mudança de corrente imposta pelo circuito de realimentação. 

Anemômetro de fio quente (Hot Wire) ANEMÔMETRO DE VOLTAGEM CONSTANTE (CVA) A voltagem dada por é mantida constante por RwIw um circuito de realimentação. Nessa configuração e o sinal de saída do equipamento é na verdade uma medida direta da variação da corrente Iw.

Anemometro de Hélice Utilizado para medir velocidades e vazão de gases em tubulações, a velocidade de ventos em espaçõs abertos e essencialmente em escoamentos de ar em condições próximas do ambiente Podem ser construídos com rolamentos de baixo atrito, o que permite a medição até mesmo com ar quente (ex: até 80 ºC). Efetuam medições em apenas uma direção por vez. São encontrados em dimensões de 2 cm a 40 cm de diâmetro Medições na faixa de 0,1 m/s (Velocidade de Theshold) a 100m/s Exatidão de +/- 2% Eventuais desgastes nos mancais das helices podem interferir no bom fundionamentto do equipamento

Anemometro de Hélice Princípio Físico Baseia-se no deslocamento do fluído que provoca um movimento de rotação das hélices que devem ser posicionadas perpendicularmente a direção que se deseja medir. As hélices são montadas em um eixo magnético envolto por espiras condutoras e ao girar gera uma determinada força eletromotriz em função da rotação das hélices, como descrito pela lei de Faraday. O valor médio da tensão induzida no anemômetro pode ser utilizado para determinar a velocidade média do vento escoando através da hélice, desde que haja uma calibração prévia.

Anemômetro de helice tipo “Aviãozinho” Utilizado em estações metereologicas e aeroportos Registra tanto a velocidade quando a direção horizontal dos ventos

Anemômetro de helice tipo convencional Utizado em tubulações ou para medições em campo. Pode ser estacionário ou portatil. Se acoplado a um duto com dimensões conhecidas pode ser utilizado para medição de vazão. Se a massa específica do fluido for conhecida a vazão massica poderá ser determinada.

Laser-Doppler para a velocidade de escoamento de fluidos Princípio de medição da velocidade de um fluido, baseada no efeito Doppler da luz que é dispersa a partir de pequenas partículas que acompanham o movimento do fluido em estudo. 

Efeito Doppler Característica observada nas ondas quando emitidas ou refletidas por um objeto que está em movimento com relação ao observador.

Componentes

Características Pode medir até 3 componentes da velocidade Medições não-intrusiva Não necessita de calibração Boa precisão Boa resolução espacial devido ao reduzido volume de controle Requer partículas traçadoras Requer acesso óptico ao escoamento 

Aplicações Escoamentos laminares e turbulentos Estudos aerodinâmicos Escoamentos Supersónicos Automóveis, turbinas etc. Ambientes hostis: Chamas, Plasma.