MEDIÇÃO DE VAZÃO POR EFEITO DOPPLER por Fábio · PDF fileAinda...

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA

ENERGIA E FENMENOS DE TRANSPORTE

MEDIO DE VAZO POR EFEITO DOPPLER

por

Fbio Henrique de Souza

Jefferson Kchle

Rodrigo Huaman Amante

Trabalho Final da Disciplina de Medies Trmicas

Porto Alegre, Junho de 2009

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ii - RESUMO

A insero de um medidor de vazo num determinado escoamento um problema quando este passa, por exemplo, por pequenas tubulaes com pequenos dimetros, pois o espao fica limitado. Outro fator problemtico a interferncia no escoamento que o instrumento causa. Neste projeto, proposta a montagem e a calibrao de um medidor no invasivo de vazo por efeito Doppler das ondas sonoras. A montagem de uma primeira bancada experimental feita, onde se tenta fazer a medio da vazo de ar em uma tubulao, emitindo-se um som em uma determinada freqncia e captando este com um microfone. O sinal emitido direcionado de maneira que atravesse o escoamento e chegue ao receptor, havendo, assim, variao entre a freqncia emitida e a captada de acordo com a velocidade do escoamento. Visto que ocorre falha neste primeiro estudo, associam-se os erros de leitura camada limite do escoamento dentro da tubulao e, possivelmente, devido vibrao da canalizao na mesma freqncia da onda emitida. montada, ento, uma segunda bancada experimental, agora em um tnel de vento, no qual os fatores de falha do primeiro experimento so minimizados. So encontradas variaes entre a freqncia emitida pela fonte e a freqncia captada pelo microfone e, com isso, pode-se determinar a velocidade por efeito Doppler. Porm, estes valores so demasiadamente altos para o escoamento. Revises feitas no experimento mostram que h erros conceituais, no percebendo que, quando ambos os sensores (emissor e receptor) esto imersos ou sujeitos ao mesmo escoamento, no h velocidade relativa entre eles e, portanto, no h efeito Doppler sonoro. Os valores altos de velocidade encontrados possivelmente esto associados ao movimento das ps do ventilador que promove o escoamento. Para que se torne possvel a medio da velocidade do escoamento, so necessrias partculas inseridas no escoamento assim como o auxilio de um mtodo um tanto mais bsico, tempo de trnsito.

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iii ABSTRACT Flow Meter by Doppler Efecct The insertion of an outflow measurer in a determined flow is a problem when it is passing,

for example, by small pipes with small diameters, the space is limited. Another problematic factor is the interference in the draining that the instrument maybe cause. In this project it was proposal the assembly and the calibration of a not invasive outflow measurer for Doppler Effect of the sonorous waves. Was executed the assembly of a first experimental benches where was tried to make a measurement of the air outflow in a pipe being emitted a signal in a determined frequency and catching this with a microphone. The emitted signal was directed to cross the air flow to be captured by the receiver, thus having variation between the emitted and the received frequency according the outflow speed. The error is associated with the boundary layer of the draining inside the pipe and possibly whit the vibration of the canalization in the same frequency of the emitted signal. A second experimental bench was proposed, now in the wind tunnel, in which the factors of imperfection if the first experimental would be minimized. Variations between the frequency emitted by the source had been found and trapped by the microphone, with this can be determined the speed by Doppler Effect, however these values had been too high for the draining. Revisions made in the experiment show that it has conceptual errors, not perceiving that, when both the sensors (emitter and receiver) are immersed or subjected for the same outflow, it does not have relative speed between them, therefore, it does not have sonorous Doppler Effect. The high values of speed are possibly associates to the movement of the shovels of the fan that promotes the draining. So to become the measurement of the flow speed possible, are necessary to be inserted particles in the draining as well change to a basic method, the transit time.

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iv - SUMRIO

Pg.

1. INTRODUO................................................................................................................... vi

2. REVISO BIBLIOGRFICA........................................................................................... vi

3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL.............................................................................. ix

3.1 Material e equipamentos..............................................................................................ix

3.2 Descrio do procedimento experimental.....................................................................x

4. VALIDAO.......................................................................................................................x

4.1 Experimento 1..............................................................................................................x

4.2 Experimento 2............................................................................................................xiii

5. RESULTADOS...................................................................................................................xv

5.1 Bancada experimental 1..............................................................................................xv

5.2 Bancada experimental 2.............................................................................................xiii

6. PROBLEMAS ENCONTRADOS......................................................................................xxi

6.1 Bancada experimental 1.............................................................................................xxi

6.2 Bancada experimental 2............................................................................................xxii

7. CONCLUSES.................................................................................................................xxii

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS......................................................................................xxiv

ANEXO 1....................................................................................................................................xxv

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v - LISTA DE SMBOLOS

F0 Frequncia que chega ao observador [Hz]

Ff Freqncia real da fonte [Hz]

Vf Velocidade da fonte [m/s]

V0 Velocidade do observador [m/s]

V Velocidade da onda [m/s]

Q Vazo [m3/s]

Massa especfica [kg/m3]

v Velocidade de escoamento do fluido [m/s2]

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1. INTRODUO

Na medio de vazo em escoamentos dentro de tubulaes h alguns requisitos mnimos

para se obter bons resultados. Um deles evitar ao mximo que os equipamentos utilizados

influenciem no escoamento durante a medio da vazo. As solues adotadas ainda tm custo

elevado e, mesmo assim, afetam de alguma maneira o escoamento. Uma proposta para a medio

de vazo, que possua mnima influncia sobre as propriedades do escoamento, a utilizao do

efeito Doppler. Conhecidas as caractersticas desse fenmeno, pode-se fazer um estudo da

propagao do som em um fluido sujeito a um escoamento, o qual sofre influncia na sua

freqncia refletida por partculas presentes no mesmo medida que se varia a velocidade desse

escoamento. Assim, conhecendo-se as propriedades do fluido pode-se calcular-se a vazo atravs

da variao de freqncia da resposta.

Efeito Doppler uma caracterstica observada nas ondas sonoras, quando emitidas ou

refletidas por um objeto que est em movimento em relao a um referencial, que no caso das

ondas sonoras o ar movimentando as partculas que refletem o som. O efeito Doppler est

presente e pode ser observado na variao da velocidade entre a fonte emissora e a fonte

receptora de uma onda qualquer em relao s partculas presentes no ar. O efeito consiste em

uma variao de freqncia da onda obtida em funo da velocidade relativa entre o emissor e o

receptor. Utilizamos este conceito no nosso experimento e a frmula que nos fornece a variao

de freqncia em funo da velocidade a equao 1. A figura 1 ilustra o efeito Doppler.

Figura 1: Ilustrao representativa da variao de freqncia por efeito Doppler

f

of

VV

VVFF

m

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2. REVISO BIBLIOGRFICA

Uma aplicao bastante usual do efeito Doppler a aplicao para medio da vazo e

fluxo sangneo. Exames Doppler e Eco Doppler so bastante dif