Medindo vazão utilizando um sensor ultra-sônico de distância

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

 

Sou engenheiro eletricista formado pela Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá (FEG - UNESP) e trabalho com desenvolvimento de firmware (sistemas embarcados bare-metal) na região do ABC paulista. Curioso e viciado em tecnologia, sempre busco me aprimorar na área de eletrônica e programação, em especial em desenvolvimento de firmware (área que mais gosto de trabalhar e estudar).