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 sistemas embarcados em São Paulo capital. 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).Para mais informações, acesse minha página no Facebook:https://www.facebook.com/pbertoleti

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7 Comentários em "Medindo vazão utilizando um sensor ultra-sônico de distância"

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weideraju
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weideraju

Olá Pedro Bertoleti, amigo, esse tipo de projeto é bonito pra bancada e exemplificação, mas pra uso real ele não ira funcionar por muito tempo por uma simples razão, HC-SR04 NÃO É A PROVA D'AGUA, logo, colocando ele em um recipiente onde haja água, principalmente se for fechado como uma caixa de água, haverá a evaporação da mesma, que atingira inevitavelmente o componente danificando ele dentro de algum tempo. Entretanto como você teve a boa vontade de passar seus conhecimentos, vou dar a solução, para medição de liquidos, use o JSN-SR04T, ele é a prova de água, é pouco conhecido aqui no Brasil, mas é o ideal pra o que vocÊ propoe. um abraço.

eduardo soroka
Membro
eduardo soroka

eu compilei no arduino IDE este codigo acima, dá msg erro, pois na lib informada o Ultrasonic nao possui o metodo convert: error: 'class Ultrasonic' has no member named 'convert', vc sabe onde posso encontrar a lib que contenha esta classe com este metodo ?

Giovani Ceron
Visitante
Giovani Ceron

Muito Boa Implementação! Parabéns.
Andei estudando esse tipo de
aplicação em Silos de grãos, onde quem esta procurando sensores que
tenham alcances maiores é interessante o estudo da linha dos MaxBotix
que trabalham com a mesma ideia desse sensor ultrassonico.
Unico
cuidado é que pelos testes que ja realizei esse tipo de sensor sempre
retorna a primeira distância que ele encontra como "obstaculo", e como
se esta utilizando o sensor em um ambiente fechado talves é necessário
algum tratamento em cuidados com as laterais do reservatório.

Natan Valenciano
Visitante
Natan Valenciano

Ótimo artigo! Na graduação de engenharia da computação, tive um problema com medição de vazão e a primeira coisa que pensei e adotei foi esse mesmo sensor.

A única observação que tenho a fazer é a distância mínima que este sensor opera. Sem respeita-lá, é impossível a sua utilização.

Parabéns pelo trabalho.

phfbertoleti
Visitante
phfbertoleti

Natan, muito obrigado pela leitura e pelo feedback!

Gostei de saber que alguém já usou este método antes! E obrigado pela observação da distância mínima de operação (realmente é uma informação muito importante, desculpa ter me esquecido dela).

Atenciosamente,
Pedro Bertoleti

gustavoSRodrigues
Visitante
gustavoSRodrigues

Uma dúvida, nessa caso não existe interferência do som com o fluído, pois o fluído possui uma densidade diferente do ar, logo eu suponho que possa haver interferência entre o retorno do ruído causada pelo líquido e o retorno pelo ar? outra pergunta é se vc chegou a comparar os duas formas de aferimento em conjunto?

phfbertoleti
Visitante
phfbertoleti

Gustavo, primeiramente muito obrigado pela leitura do artigo.

Eu não estudei isso neste nível (e não tive meios de medir isto com este nível de propriedade também), mas posso te afirmar que a "interferência" mais relevante que o líquido pode fazer no sinal sonoro/ultra-sônio seria uma atenuação do mesmo.
Porém, este sensor está preparado para ser usado na medição de distâncias de até 4m, logo obedecendo este limite não vejo problemas na aplicação do mesmo.

Atenciosamente,
Pedro Bertoleti

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