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Medindo vazão utilizando um sensor ultra-sônico de distância

sensor ultra-sônico

Estimar a vazão de reservatórios de fluídos (água, por exemplo) nem sempre é uma tarefa simples e barata. O uso de sensores de fluxo (comumente utilizados para esta tarefa) pode ser uma alternativa cara, uma vez que por interagir direto com o fluído em questão, exige o uso de materiais especiais, manutenção constante e, além disso, podem causar efeitos de perda de carga.

Como alternativa a este tipo de sensor, este artigo mostrará como estimar a vazão de um reservatório, utilizando para isso um simples sensor ultra-sônico de distância. Lembrando que esta ideia é extremamente barata e pode ser aplicada em alguns casos, a fim de atender quem deseja estimar a vazão de um reservatório (servindo como alternativa relevante a métodos e medições mais caros). O método aqui apresentado pode, claro, ser melhorado, servindo portanto como ponto e partida para algo mais preciso e complexo.

Sensor ultra-sônico de distância

Como funciona?

O sensor ultra-sônico de distância consiste em um sensor contendo um transmissor e um receptor ultra-sônico. Este é capaz de ser usado para mensurar distâncias com base na velocidade do som no ar e na diferença de tempo entre emissão e recepção de um sinal ultra-sônico. Observe a figura 1.

Caminho do sinal ultra-sônico
Figura 1 - Caminho do sinal ultra-sônico

Em resumo, seu funcionamento pode ser descrito da seguinte maneira: ao ser dado o "gatilho" / trigger, o transmissor ultra-sônico emite um determinado sinal sonoro, em frequência ultra-sônica (acima da audível por seres humanos). Ao atingir um objeto, este sinal sonoro é refletido novamente para o sensor, onde é captado pelo receptor ultra-sônico. No momento da recepção, é gerado um sinal de eco / echo, indicando que um sinal ultra-sônico foi captado com sucesso. Em conhecimento da diferença de tempo entre o trigger e o echo e considerando a velocidade de propagação do som no ar (340m/s), é possível determinar a distância entre o sensor ultra-sônico e o objeto.

Em termos matemáticos:

formuladeltatempo
formulavsom
formuladistobj

OBSERVAÇÕES: 

1) O motivo do fator 1/2 no cálculo da distância do objeto é que o tempo mensurado considera a ida e volta do sinal ultra-sônico ao sensor. Portanto, somente metade deste tempo foi necessário para o sinal ultra-sônico ser emitido pelo transmissor e atingir o objeto.

2)  O sinal ultra-sônico é refletido tanto no caso de atingir objetos sólidos ou líquidos. Portanto, este tipo de técnica pode ser utilizada para mensurar a distância entre sensor e linha d´água, por exemplo.

Hardware utilizado

Para este artigo, foi utilizado o sensor ultra-sônico HC-SR04. Este sensor é muito comum no mundo maker e, além disso, tem um custo baixo no mercado. Ele pode ser usado para mensurar distâncias de até 4m, portanto este é o limite operacional do mesmo.

Sensor ultra-sônico HC-SR04
Figura 2 - Sensor ultra-sônico HC-SR04

Este sensor opera com alimentação de 5V. 

Como mensurar a vazão de um reservatório com este tipo de sensor?

Para compreender como mensurar a vazão de um reservatório com um sensor ultra-sônico, considere a seguinte situação:

Reservatório com um sensor ultra-sônico

Neste caso, tem-se um reservatório cilíndrico, de área superior circular de raio R. Sendo assim, a área superior seria dada por:

areasuperficialcilindro

Considere agora que, ao longo do tempo, o nível do líquido no reservatório vai descendo. Para medir este desnível, de tempos em tempos / em intervalos pré-definidos de tempo são feitas duas medidas de distância entre sensor e linha d'água. Ou seja, neste intervalo de tempo descrito, o nível desce d metros.

Logo, em termos matemáticos, o volume que é decrescido ao longo do tempo será de:

formulavolumereservatorio

Como a vazão é definida como volume (ou variação de volume) por tempo (ou intervalo de tempo), no caso deste exemplo a vazão é o Volume descrescido no período de tempo da medição das distâncias do sensor à linha d'água (representado aqui por d). Portanto, se o período de tempo entre as medições for de um segundo e a unidade métrica foi metros, temos a seguinte vazão:

formulavazao

Em suma, para calcular a vazão em um reservatório, o procedimento resumido é:

  • Determinar a área superior do seu reservatório (seja o formato que for);
  • Medir, em um intervalo de tempo conveniente, o quanto o nível decresceu;
  • Calcular o volume decrescido neste período de tempo;
  • A vazão é igual à razão do volume calculado pelo intervalo de tempo.

Observações:

- Este mesmo procedimento vale para reservatórios enchendo (resultando em uma vazão negativa nos cálculos);
- Não há restrição de forma da área superior do reservatório. Portanto, este pode ser um reservatório com área superior igual a um retângulo, círculo. O que variará é a forma de calcular a área superior de acordo com a sua forma;
-  É extremamente recomendável algum tipo de filtragem na leitura das distâncias, já que a leitura pode variar um pouco (sobretudo se o líquido estiver agitado e gerando ondas em sua superfície).

Exemplo - aplicação

Hardware

Para exemplificar este post, será feito um simples projeto, utilizando os seguintes materiais:

  • Arduino Uno;
  • Jumpers macho-fêmea;
  • Protoboard;
  • Sensor ultra-sônico HC-SR04;
  • Cabo USB (para alimentar o Arduino e comunicá-lo com o computador).

O circuito esquemático do projeto pode ser visto na figura 3.

Circuito esquemático
Figura 3 - Circuito esquemático

Software

Segue abaixo um software de exemplo (feito para o Arduino Uno) da medição de vazão aqui explicada. No software abordado não foi usado um filtro complexo para amenizar a variação da leitura da distância entre linha d'água e sensor ultra-sônico, foi usada uma média simples, ficando aqui livre para a substituição de uma filtragem mais robusta.

Referências

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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soren richarddt kall
soren richarddt kall
08/05/2020 22:45

boas, preciso fazer um sistema de medida de vazão de agua (hidrometro) para avaliar a vazão mensal(consumo) de agua de um condominio e instalar o sistema em cada linha que chega em cada unidade, medindo os valores a serem enviados para um note book de modo a se fazer o levantamento de consumo por cada unidade, e devido a complexidade da localização da tubulação, teria que montar e medir a distancia; vc tem alguma coisa acerca?

leonardo
leonardo
18/11/2019 11:22

ja foi feito algum teste em tanque de combustivel?

leonardo
leonardo
18/11/2019 11:21

bom dia, ja foi feito algum teste em tanque de combustivel?

Divanilson Lopes
Divanilson Lopes
09/07/2019 18:07

como faço pra alterar só pra mostra quantidade em litros estou tentando automatizar a caixa d'água

Divanilson Lopes
Divanilson Lopes
09/07/2019 18:07

como faço pra alterar só pra mostra quantidade em litros

Andre
Andre
03/12/2018 19:06

pra um cenario onde se tem ou a entrada, ou apenas a saida do fluido, é possivel medir o fluxo, agora por exemplo numa caixa de agua padrao de casa, onde tem o fluxo de entrada e saida ao mesmo tempo, é possivel calcular a vazao de saida?

Tony
Tony
18/09/2018 22:27

Boa noite!

baixei tudo certinho, fiz a montagem para o teste e quando salvei no arduino e abri o monitor serial, mostra caracteres desconhecidos, o que será que fiz errado, sendo que seguí a risca as ligações e baixei o skect e a biblioteca.

Samuel Checozzi
Samuel Checozzi
Reply to  Tony
16/02/2019 09:25

Verifica a velocidade da serial que está no código e a que está no seu monitor serial. tem que ser a mesma

Maicon Lara
Maicon Lara
28/08/2018 17:11

Boa tarde .... estou em um projoto no qual uso como supervisório o Elipse Scada, porém estou com muita dificuldade em concretizar a comunicação com o sensor.Onde posso conseguir a exata configuração deste sensor para comunicação com o elipse scada? Tens como apoiar em mais esta .
Acompanho os posts ... muita aprendizagem envolvida. Parabéns

Arduiniciante
Arduiniciante
25/07/2018 22:22

Ola Pedro muito interessante o artigo, tenho a seguinte duvida talvez muito especifica. Este sensor ele faria a medição sobre o jateamento de líquidos? Pois tenho um projeto que uma peça recebe por uma quantidade não fixa de tempo uma ducha (de baixa pressão). A ducha funcionaria o quanto tempo a peça esteja na área de ação do sensor uma vez que saia desejo que a ducha pare imediatamente, mas me pergunto se o cone de água da ducha aferiria alguma medida no sensor de distancia inviabilizando o desligamento.

marcos Antonio oliveira da silva
marcos Antonio oliveira da silva
24/04/2018 18:38

gostaria de saber como imprimir no display:

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