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.
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.
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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.
