Medindo vazão utilizando um sensor ultra-sônico de distância

Por

17/01/2017

ÍNDICE DE CONTEÚDO

Sensor ultra-sônico de distância
- Como funciona?
- Hardware utilizado
Como mensurar a vazão de um reservatório com este tipo de sensor?
Exemplo - aplicação
- Hardware
- Software

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.

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:

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.

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:

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

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:

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:

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.

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.

/*
* Medição de vazão com sensor ultrassonico
* Autor: Pedro Bertoleti
* Data: Janeiro/2016
* 
* IMPORTANTE: este projeto utiliza a biblioteca Ultrasonic 
* (para uso do sensor ultrasonico HC-SR04). Para baixar esta
* biblioteca, utilize o seguinte link:
* http://www.satellasoft.com/download/index.php?fileName=758f8ab8c3222019edd16611bf48f724
*/

#include <Ultrasonic.h>

//defines do projeto
#define TRIGGER_PIN  12
#define ECHO_PIN     13

#define PI_APROXIMADO            3.1415927
#define NUM_MEDIDAS_DISTANCIA    100

//defines de debug
//#define MOSTRA_DADOS_RAW_SENSOR
#define NUM_PULA_LINHAS_SERIAL_DEGUB   80

//defines da área do reservatório:
//descomentar somente o tipo de área do seu reservatório
//#define RETANGULO
#define CIRCULO

//Se for um retangulo:
#define RETANGULO_BASE       1  //[m]
#define RETANGULO_ALTURA     1  //[m]

//se for um circulo:
#define CIRCULO_RAIO         0.05  //[m]


//variaveis e objetos globais
Ultrasonic ultrasonic(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN);
float AreaPerfilReservatorio;  
float VolumeTotalRetirado;

//prototypes
float CalculaAreaPerfilReservatorio(void);
float MedeDistanciaEmMetros(void);
float MediaDistancias(void);

/*
 * Implementações
 */

/*
 * Função: cálculo da área do perfil do reservatório
 * Parâmetros: nenhum
 * Retorno: área calculada
 */
 float CalculaAreaPerfilReservatorio(void)
 {
    float AreaCalc;
    
    #ifdef RETANGULO
      AreaCalc = RETANGULO_BASE * RETANGULO_ALTURA;    
    #endif

    #ifdef CIRCULO
      AreaCalc = PI_APROXIMADO * CIRCULO_RAIO * CIRCULO_RAIO;    
    #endif

    return AreaCalc;

 }

 /*
  * Função: Média de medidas de distância
  * Parâmetros: nenhum
  * Retorno: média das medidas de distância
  */
float MediaDistancias(void)
{
    int i;
    float SomaMedidas;
    float Media;

    SomaMedidas = 0.0;
    for(i=0; i<NUM_MEDIDAS_DISTANCIA; i++)
        SomaMedidas = SomaMedidas + MedeDistanciaEmMetros();     

    Media = (SomaMedidas / NUM_MEDIDAS_DISTANCIA);    
    return Media;    
}


 /*
  * Função: mede distancia em metros
  * Parametros: nenhum
  * Retorno: distancia (m)
 */
float MedeDistanciaEmMetros(void) 
{
    float cmMsec, DistMetros;
    long microsec = ultrasonic.timing();

    cmMsec = ultrasonic.convert(microsec, Ultrasonic::CM);
    
    #ifdef MOSTRA_DADOS_RAW_SENSOR
        Serial.println("[DADOS DO SENSOR]");
        Serial.print("Tempo(ms): ");
        Serial.print(microsec);
        Serial.print(", Distancia(cm): ");
        Serial.print(cmMsec);
    #endif
    
    DistMetros = (cmMsec / 100.0);
    return DistMetros; 
}

void setup()
{
  Serial.begin(9600);

  //calcula área do perfil (com base em parametros fornecidos nos defines)
  AreaPerfilReservatorio = CalculaAreaPerfilReservatorio();
  VolumeTotalRetirado = 0.0;
}

void loop()
{
    float DistanciaT2;
    float DistanciaT1;
    float VariacaoVazao;
    float VariacaoDistancia;
    float VolumeEmLitros;
    char i;
        
    //faz as medições   
    DistanciaT1 = MediaDistancias();
    delay(1000);
    DistanciaT2 = MediaDistancias();

    VariacaoDistancia = ((DistanciaT2 - DistanciaT1) / 100);   //[m]
    VariacaoVazao = (AreaPerfilReservatorio * VariacaoDistancia); //[m³/s]
    VolumeTotalRetirado = VolumeTotalRetirado + VariacaoVazao; //[m³]
    VolumeEmLitros = (VolumeTotalRetirado*1000.0);

    for (i=0; i<NUM_PULA_LINHAS_SERIAL_DEGUB; i++)
        Serial.println(""); 
      
    Serial.println("[DADOS DA MEDIÇÃO]");
    Serial.print("Variacao de vazao: ");
    Serial.print(VariacaoVazao);
    Serial.print(" m^3/s");
    Serial.println("");
    Serial.print("Variacao de distancia: ");
    Serial.print(VariacaoDistancia*100);
    Serial.print(" cm");    
    Serial.println("");
    Serial.print("Volume total retirado: ");
    Serial.print(VolumeEmLitros);
    Serial.print(" l");
    Serial.println("");
}

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* Medição de vazão com sensor ultrassonico

* Autor: Pedro Bertoleti

* Data: Janeiro/2016

* IMPORTANTE: este projeto utiliza a biblioteca Ultrasonic

* (para uso do sensor ultrasonico HC-SR04). Para baixar esta

* biblioteca, utilize o seguinte link:

* http://www.satellasoft.com/download/index.php?fileName=758f8ab8c3222019edd16611bf48f724

#include <Ultrasonic.h>

//defines do projeto

#define TRIGGER_PIN 12

#define ECHO_PIN 13

#define PI_APROXIMADO 3.1415927

#define NUM_MEDIDAS_DISTANCIA 100

//defines de debug

//#define MOSTRA_DADOS_RAW_SENSOR

#define NUM_PULA_LINHAS_SERIAL_DEGUB 80

//defines da área do reservatório:

//descomentar somente o tipo de área do seu reservatório

//#define RETANGULO

#define CIRCULO

//Se for um retangulo:

#define RETANGULO_BASE 1 //[m]

#define RETANGULO_ALTURA 1 //[m]

//se for um circulo:

#define CIRCULO_RAIO 0.05 //[m]

//variaveis e objetos globais

Ultrasonic ultrasonic(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN);

float AreaPerfilReservatorio;

float VolumeTotalRetirado;

//prototypes

float CalculaAreaPerfilReservatorio(void);

float MedeDistanciaEmMetros(void);

float MediaDistancias(void);

* Implementações

* Função: cálculo da área do perfil do reservatório

* Parâmetros: nenhum

* Retorno: área calculada

float CalculaAreaPerfilReservatorio(void)

{

float AreaCalc;

#ifdef RETANGULO

AreaCalc = RETANGULO_BASE * RETANGULO_ALTURA;

#endif

#ifdef CIRCULO

AreaCalc = PI_APROXIMADO * CIRCULO_RAIO * CIRCULO_RAIO;

#endif

return AreaCalc;

}

* Função: Média de medidas de distância

* Parâmetros: nenhum

* Retorno: média das medidas de distância

float MediaDistancias(void)

{

int i;

float SomaMedidas;

float Media;

SomaMedidas = 0.0;

for(i=0; i<NUM_MEDIDAS_DISTANCIA; i++)

SomaMedidas = SomaMedidas + MedeDistanciaEmMetros();

Media = (SomaMedidas / NUM_MEDIDAS_DISTANCIA);

return Media;

}

* Função: mede distancia em metros

* Parametros: nenhum

* Retorno: distancia (m)

float MedeDistanciaEmMetros(void)

{

float cmMsec, DistMetros;

long microsec = ultrasonic.timing();

cmMsec = ultrasonic.convert(microsec, Ultrasonic::CM);

#ifdef MOSTRA_DADOS_RAW_SENSOR

Serial.println("[DADOS DO SENSOR]");

Serial.print("Tempo(ms): ");

Serial.print(microsec);

Serial.print(", Distancia(cm): ");

Serial.print(cmMsec);

#endif

DistMetros = (cmMsec / 100.0);

return DistMetros;

}

void setup()

{

Serial.begin(9600);

//calcula área do perfil (com base em parametros fornecidos nos defines)

AreaPerfilReservatorio = CalculaAreaPerfilReservatorio();

VolumeTotalRetirado = 0.0;

}

void loop()

{

float DistanciaT2;

float DistanciaT1;

float VariacaoVazao;

float VariacaoDistancia;

float VolumeEmLitros;

char i;

//faz as medições

DistanciaT1 = MediaDistancias();

delay(1000);

DistanciaT2 = MediaDistancias();

VariacaoDistancia = ((DistanciaT2 - DistanciaT1) / 100); //[m]

VariacaoVazao = (AreaPerfilReservatorio * VariacaoDistancia); //[m³/s]

VolumeTotalRetirado = VolumeTotalRetirado + VariacaoVazao; //[m³]

VolumeEmLitros = (VolumeTotalRetirado*1000.0);

for (i=0; i<NUM_PULA_LINHAS_SERIAL_DEGUB; i++)

Serial.println("");

Serial.println("[DADOS DA MEDIÇÃO]");

Serial.print("Variacao de vazao: ");

Serial.print(VariacaoVazao);

Serial.print(" m^3/s");

Serial.println("");

Serial.print("Variacao de distancia: ");

Serial.print(VariacaoDistancia*100);

Serial.print(" cm");

Serial.println("");

Serial.print("Volume total retirado: ");

Serial.print(VolumeEmLitros);

Serial.print(" l");

Serial.println("");

}

Referências

Artigo do site Arduino e Cia.: Medidor de distância com o sensor ultrassônico HC-SR04
Artigo do site SatellaSoft: Arduino com sensor ultrasônico HC-SRO4

Medindo vazão utilizando um sensor ultra-sônico de distância por Pedro Bertoleti. Esta obra está licenciado com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

http://gustavobeavis.github.io 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
  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
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
  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
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.
eduardo
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 ?
Weider Duarte
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.

Medindo vazão utilizando um sensor ultra-sônico de distância

Sensor ultra-sônico de distância

Como funciona?

Hardware utilizado

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

Exemplo - aplicação

Hardware

Software

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