PT103565A

PT103565A - Sensor de fluxo baseado em polímero piezoeléctrico

Info

Publication number: PT103565A
Application number: PT103565A
Authority: PT
Inventors: Graca Maria Henriques Minas; Senentxu Lanceros Mendez; Vitor Joao Gomes Da Silva Sencadas; Jose Gerardo Vieira Da Rocha
Original assignee: Univ Do Minho
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2006-09-19
Publication date: 2008-03-31
Also published as: ATE475867T1; DE602007008118D1; WO2008035297A3; WO2008035297A2; PT103565B; EP2074388B1; EP2074388A2

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO RELACIONA-SE COM UM DISPOSITIVO ATRAVÉS DO QUAL PASSA UM FLUIDO QUE PODE SER LÍQUIDO OU GASOSO, E QUE PERMITE A MEDIÇÃO DO RESPECTIVO FLUXO. O DISPOSITIVO DE FORMA TUBULAR É CONSTRUÍDO POR UMA PEÇA ÚNICA, FABRICADA A PARTIR DUM POLÍMERO PIEZOELÉCTRICO COMO O PVDF (2), NO QUAL SÃO COLOCADOS UM OU MAIS ELÉCTRODOS NO SEU INTERIOR (3) E UM OU MAIS ELÉCTRODOS NO SEU EXTERIOR (1). UM DOS ELÉCTRODOS EXTERIORES AO SER EXCITADO POR UMA TENSÃO ELÉCTRICA, CUJA FREQUÊNCIA É DA ORDEM DAS DEZENAS OU CENTENAS DE MEGAHERTZ, FAZ COM QUE A ÁREA DO TUBO QUE ESTÁ EM CONTACTO COM O MESMO OSCILE, PRODUZINDO UM ULTRASSOM COM A MESMA FREQUÊNCIA. DEPENDENDO DA TÉCNICA DE LEITURA UTILIZADA, AS ÁREAS DO TUBO SOB OS OUTROS ELÉCTRODOS, CASO EXISTA MAIS DO QUE UM, FUNCIONAM TAMBÉM COMO TRANSDUTORES DE ULTRASSONS, RECEBENDO O SINAL PRODUZIDO PELO PRIMEIRO. EXISTEM BASICAMENTE DOIS MÉTODOS DE LEITURA DE SENSORES DE FLUXO BASEADOS EM ULTRASSONS: O EFEITO DE DOPPLER E O TEMPO DE TRÂNSITO. EM QUALQUER UM DESTES MÉTODOS, SÃO APROVEITADAS AS DIFERENÇAS DE FREQUÊNCIA OU DE FASE ENTRE OS SINAIS EMITIDOS E OS SINAIS RECEBIDOS PARA CALCULAR A VELOCIDADE DO LÍQUIDO OU GÁS QUE PASSA NO TUBO. O FLUXO É ENTÃO CALCULADO MULTIPLICANDO-SE A VELOCIDADE DO FLUIDO PELA ÁREA DA SECÇÃO DO TUBO.

Description

1

DESCRIÇÃO "SENSOR DE FLUXO BASEADO EM POLÍMERO PIEZOELÉCTRICO" Domínio da invenção A presente invenção insere-se no domínio da detecçâo da quantidade de líquido ou gás que passa através de um tubo. Esta quantidade ou fluxo é calculada através da introdução duma onda ultrassónica por um transdutor que funciona como emissor, e da respectiva recepção a ser efectuada pelo mesmo transdutor ou por outros colocados na sua vizinhança. 0 sensor é constituído por uma peça única fabricada a partir dum polímero com propriedades piezoeléctricas.

Antecedentes da invenção

Para detectar um fluxo que atravessa um tubo, utiliza-se um medidor de fluxo cujo princípio de funcionamento pode ser baseado em ultrassons. Neste caso, são usadas ondas acústicas com frequências superiores a 20 kHz. Dependendo da geometria, os transdutores que vão emitir e receber os ultrassons podem estar em contacto directo com o fluido a medir ou podem estar isolados deste por um material que faz o acoplamento acústico entre o transdutor e o fluido.

As principais vantagens da utilização dos sensores de fluxo ultrassónicos são as seguintes: Não existe obstrução à circulação do fluido, logo não existem zonas de queda de pressão no interior do tubo. Não tem partes móveis não sendo necessária a sua manutenção.

Pode ser usado para medir fluidos corrosivos ou semilíquidos como lamas ou cimentos. 2

Basicamente, existem dois métodos de projectar sensores de fluxo ultrassónicos: os baseados no efeito de Doppler e os baseados no tempo de trânsito dos ultrassons. 0 efeito de Doppler diz que as frequências das ondas sonoras dependem do movimento do emissor ou do receptor em relação ao meio de propagação. Para se usar este efeito na medida de fluxos líquidos num tubo, um transdutor emite ultrassons, a uma frequência de cerca de 500 kHz, através do fluxo. Algumas partículas suspensas no fluido líquido, ou bolhas de ar, reflectem os ultrassons de volta a um segundo transdutor que os irá receber. O mesmo transdutor pode emitir e receber as ondas sonoras, sendo neste caso necessário que estas sejam pulsadas, ou seja, é enviado um pulso e fica-se à espera do eco e só depois é enviado o segundo pulso e assim sucessivamente. O movimento dessas partículas ou bolhas de ar altera a frequência do feixe reflectido de acordo com o efeito de Doppler. O desvio na frequência é proporcional à velocidade dessas partículas e por consequência, à velocidade do líquido que atravessa o tubo. As equações básicas que regem este fenómeno são as seguintes:

(D

Af = 2fT sin Θ — c em que Af é o desvio de frequência de Doppler, fT é a frequência de operação do emissor da onda sonora, Θ é o ângulo com que os ultrassons entram no fluxo, v é a velocidade do fluxo e c é velocidade de propagação do som no fluído quando este está em repouso. De acordo com a lei de Snell: sin ΘΨ sin Θ --- = - (2) cT c 3 em que θτ é o ângulo entre a direcção de propagação do ultrassom e a direcção do fluxo e cT é a velocidade de propagação do ultrassom no material que constitui o emissor. 3 A partir das _ Af cT fT sin θτ em que: equações = KAf, (1) e (2) obtém-se (3)

K

cT

fT sin 6T A equação (3) evidencia que a velocidade do fluido é proporcional ao desvio de frequência de Doppler. Sabendo a sua velocidade, para calcular o fluxo basta multiplicá-la pela área do tubo. 0 principal inconveniente da utilização do efeito de Doppler para medir fluxos é que só funciona correctamente se existirem partículas suspensas no fluido.

Os medidores de fluxo baseados no tempo de trânsito, tal como o nome indica, medem a diferença entre os tempos que demoram os ultrassons a percorrer uma determinada distância no sentido do fluxo e no sentido contrário ao do fluxo. 0 tempo de trânsito no sentido do fluxo pode ser calculado a partir de:

Tx = -—-(4) c + V cos Θ em que Lê a distância entre os transdutores e Θ é o ângulo entre a direcção do fluxo e a linha que liga os dois transdutores. Do mesmo modo, o tempo de trânsito no sentido contrário ao do fluxo pode ser calculado a partir de: (5) T2

L c - V cos Θ 4

As equações (4) e (5) podem ser resolvidas em simultâneo em ordem a c e v, obtendo-se a velocidade de propagação do som no fluido e a velocidade do próprio fluido: (6) (7) calcular l(T:í + T2) 2 T{I2 v = L(T2 ~ Γΐ) 21^2 cos Θ

Uma vez mais, sabendo a velocidade do fluido, para o fluxo basta multiplicá-la pela área do tubo.

Existem muitas aplicações e vários métodos e geometrias que podem ser utilizados para medir o fluxo volumétrico de fluidos. Um desses métodos usa o efeito de Doppler que aproveita os ecos produzidos em partículas ou bolhas de ar suspensas num fluído líquido. Normalmente são usados um ou dois transdutores piezoeléctricos (piezocristais ou piezocerâmicas) acoplados de algum modo ao tubo por onde circula o fluido a medir. De seguida são apresentadas algumas das aplicações que utilizam este efeito. 0 documento de patente US2005/0209793 descreve um sensor de fluxo baseado no efeito de Doppler em que é usado apenas um transdutor ultrassónico acoplado ao tubo. É também descrito um algoritmo de correcção do erro de quantização. 0 documento JP2004108946 descreve um sensor de fluxo baseado no efeito de Doppler que adicionalmente mede a velocidade real de propagação do som no líquido em questão. Neste caso, são usados quatro transdutores ultrassónicos: um para medir o desvio de Doppler e três para medirem a velocidade do som no líquido que circula no tubo. 5 0 documento JP2005241437 descreve um sensor de fluxo baseado no efeito de Doppler em que é usada uma técnica para reduzir a influência do ruído acústico resultante da reflexão entre a face exterior do tubo e o transdutor e a reverberação emitida pelo próprio transdutor. É usado um transdutor ultrassónico montado na parte exterior do tubo.

Os documentos US2005011279 e US2005245827 descrevem um sensor de fluxo baseado no efeito de Doppler e um sistema de leitura do mesmo. Neste caso é usado um transdutor ultrassónico colocado no exterior do tubo. 0 documento W02005083371 descreve um sensor de fluxo baseado no efeito de Doppler que usa dois transdutores ultrassónicos: um para emitir os pulsos e outro para receber os ecos produzidos. Os transdutores são colocados na parte exterior do tubo.

Outro método de medir o fluxo por intermédio de ondas ultrassónicas consiste na medida do tempo de trânsito do ultrassom ao propagar-se no fluido. Neste caso, também são normalmente usados transdutores piezoeléctricos (piezocristais ou piezocerâmicas) acoplados de algum modo a um tubo por onde circula o fluxo a medir. De seguida são apresentadas algumas das aplicações que utilizam este efeito. 0 documento EP1211488A2 descreve um sensor de fluxo baseado no tempo de trânsito e usa dois transdutores de ultrassons acoplados a um tubo em forma de U. Os dois transdutores funcionam alternadamente como emissor / receptor de ultrassons. 6 0 documento GB2300265 descreve um sensor de fluxo baseado no tempo de trânsito e usa quatro transdutores de ultrassons e um sensor de temperatura acoplados ao tubo. Dos transdutores ultrassónicos, dois determinam o tempo de trânsito, o terceiro serve para medir a velocidade do som no fluido e o quarto mede a espessura das paredes do tubo. 0 documento GB2400439 descreve um sensor de fluxo baseado no tempo de trânsito e usa dois transdutores piezoeléctricos em forma de anel colocados em dois cortes no tubo. 0 documento W00003206 descreve a utilização de vários transdutores de ultrassons (no minimo três) acoplados ao tubo e permite medir as taxas de fluxo e as velocidades.

Das aplicações conhecidas, tanto baseadas num método como no outro, muito poucas utilizam polímeros piezoeléctricos (PVDF, por exemplo) em vez dos piezocristais ou piezocerâmicas. 0 documento GB2203546 descreve a utilização de uma camada de PVDF de um quarto de comprimento de onda e uma cerâmica piezoeléctrica para formar um oscilador e assim emitir ultrassons. A invenção referida no documento GB2220485 aproveita as vibrações produzidas pelo movimento do fluido para gerar tensões eléctricas num filme de PVDF. A invenção referida no documento WO0169182 utiliza um filme de PVDF colado no exterior do tubo. A medida é efectuada 7 aproveitando as tensões eléctricas geradas pela vibração causada pelo movimento do fluido.

Do estado-da-arte conhecido e apresentado anteriormente, nenhuma tecnologia refere a utilização de um único tubo em polímero piezoeléctrico semelhante à invenção agora divulgada, que apresenta as vantagens de ser um sistema simples, robusto, compacto e cujo processo de fabrico apresenta muito poucos passos, permitindo diâmetros do tubo desde décimas de milímetro até dezenas de centímetros.

Breve descrição das figuras A figura 1 mostra um desenho do sensor baseado no efeito de Doppler com apenas um transdutor; tubo fabricado a partir dum polímero piezoeléctrico (2); eléctrodo no interior do tubo (3); eléctrodo exterior (1); ondas de som (5); direcção do fluxo (4); partículas suspensas no fluido (6). Δ figura 2 mostra um desenho do sensor baseado no efeito de Doppler com dois eléctrodos exteriores (1). A figura 3 mostra um desenho do sensor baseado no tempo de trânsito e que utiliza dois eléctrodos exteriores (1). Δ figura 4 mostra um desenho do sensor baseado no tempo de trânsito e que utiliza três eléctrodos exteriores (1). A figura 5 mostra um desenho do sensor baseado no tempo de trânsito e que utiliza quatro eléctrodos exteriores (1). A figura 6 mostra uma vista em corte do dispositivo da figura 4. 8

Descrição detalhada da invenção

Em qualquer um dos dois tipos de sensores de fluxo o tubo é fabricado a partir dum polímero piezoeléctrico (2), onde são colocados um ou mais eléctrodos de material condutor (alumínio, por exemplo) no seu interior (3) e um ou mais eléctrodos de material condutor no seu exterior (1) que em conjunto com o polímero piezoeléctrico formam os transdutores de ultrassons. 0 tubo que dará origem ao sensor de fluxo poderá ser obtido por métodos convencionais, como por exemplo extrusão, injecção ou outro método de processamento de polímeros em forma tubular. Após a obtenção do tubo, sujeita-se este à aplicação de um campo eléctrico na ordem das dezenas de megavolts por metro, sendo este processo conhecido por polarização eléctrica do material polimérico. Após a etapa de polarização são depositados os contactos metálicos na superfície do polímero. Os eléctrodos exteriores funcionam como contactos eléctricos dos transdutores ultrassónicos que por sua vez podem ser transmissores ou receptores das ondas sonoras (5). 0 sensor da figura 1 é baseado no efeito de Doppler e tem apenas um transdutor. Esse transdutor funciona como emissor e receptor das ondas sonoras. 0 transdutor envia ondas de som que quando embatem em qualquer partícula suspensa no fluído, elas são reflectidas, por essas partículas, novamente para o transdutor. 0 transdutor após enviar as ondas de som fica à espera da recepção do seu eco, após o qual pode novamente enviar um segundo sinal.

No sensor da figura 2 o transdutor pode estar continuamente a enviar o sinal de ultrassom, uma vez que será um segundo 9 transdutor que receberá as ondas reflectidas pelas partículas.

Em ambos os sensores da figura 1 e da figura 2, o movimento das partículas no fluido altera a frequência do feixe reflectido de acordo com o efeito de Doppler. O desvio na frequência é proporcional à velocidade dessas partículas e por consequência, à velocidade do líquido que atravessa o tubo.

No sensor baseado no tempo de trânsito da figura 3, ambos os transdutores podem funcionar como emissores e receptores das ondas ultrassónicas. Essas ondas são emitidas pelo transdutor inferior no sentido do fluido (4) e (5) e consoante a velocidade do fluido, elas demoram mais ou menos tempo a atingir o transdutor superior. Este transdutor superior emite de igual modo um sinal sonoro, que no caso desta figura 3 é no sentido contrário ao do fluido, sinal este que será recebido pelo transdutor inferior. Deste modo, consoante o tempo de trânsito das ondas ultrassónicas no fluido determina-se a velocidade do som e a velocidade do fluido. 0 sensor da figura 4 utiliza um transdutor para emitir as ondas ultrassónicas e dois transdutores para as receber. Consoante o tempo que elas demoram a chegar aos transdutores receptores determina-se tanto a velocidade do som como a velocidade do fluido. 0 sensor da figura 5 utiliza 4 transdutores emissores e receptores das ondas ultrassónicas. 0 seu funcionamento é similar ao funcionamento do sensor da figura 3. 0 controlo da emissão e recepção das ondas ultrassónicas pode ser feito utilizando dois transdutores como emissores e dois 10 como receptores, sempre os mesmos, ou alternando a função emissor e receptor entre os quatro transdutores. No caso da figura 5 o transdutor superior e inferior mais à esquerda estão a funcionar como emissores e os outros dois como receptores.

Estes diferentes exemplos de sensores permitem responder a diferentes situações de medição de fluxo: os sensores das figuras 1 e 2 usam o efeito de Doppler e necessitam que os fluidos tenham partículas suspensas. 0 seu princípio de funcionamento é idêntico, no entanto o sensor da figura 1 necessita de electrónica de leitura mais complexa, uma vez que o transdutor ultrassónico funciona alternadamente como emissor e receptor. Os sensores das figuras 3, 4 e 5 usam o método do tempo de trânsito e funcionam em fluidos homogéneos. No caso das figuras 3 e 5, como os transdutores ultrassónicos funcionam alternadamente como emissor ou receptor, a electrónica de leitura é mais complexa. O sensor da figura 4 funciona do mesmo modo, mas a electrónica é mais simples, já que não há comutação emissor/receptor dos transdutores ultrassónicos. O sensor da figura 5, apesar de ter a configuração mais complexa, tem a vantagem de apresentar uma maior resolução na leitura do fluxo.

Todos estes sensores se baseiam directamente na presente invenção, constituem exemplos de incorporações feitas como exemplos não limitativos que podem ser sujeitos a modificações e variações levadas a cabo por uma pessoa perita na matéria, as quais, no entanto, estão abrangidas pelo âmbito da invenção, como definido pelas reivindicações que se seguem.

Lisboa, 19 de Setembro de 2006

Claims

1 BEIVINDI CAÇÕES 1. Sensor de fluxo baseado em ultrassons, caracterizado por ser constituído por: um tubo (2) fabricado a partir de um polímero com propriedades piezoeléctricas; um ou mais eléctrodos condutores (3) no seu interior e um ou mais eléctrodos no seu exterior (1), formando em conjunto com o polímero piezoeléctrico um ou mais transdutores de ultrassons.

2. Sensor de fluxo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos eléctrodos (1, 3) poderem ser metálicos ou de algum material que conduza a corrente eléctrica.

3. Sensor de fluxo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir um eléctrodo condutor no seu interior (3) e um eléctrodo condutor no seu exterior (1), formando em conjunto com o polímero piezoeléctrico um transdutor de ultrassons, em que será usado o método baseado no efeito de Doppler para medir o fluxo.

4. Sensor de fluxo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir um eléctrodo condutor no seu interior (3) e dois eléctrodos condutores (1) no seu exterior, formando em conjunto com o polímero piezoeléctrico dois transdutores de ultrassons, em que será usado o método baseado no efeito de Doppler para medir o fluxo.

5. Sensor de fluxo de acordo com a reivindicação 4 caracterizado por cada um dos transdutores funcionar 2 alternadamente como emissor ou receptor, sendo usado o método baseado no tempo de trânsito para medir o fluxo que passa no tubo (2).

6. Sensor de fluxo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir um eléctrodo condutor no seu interior (3) e três eléctrodos condutores (1) no seu exterior, formando em conjunto com o polímero piezoeléctrico três transdutores de ultrassons.

7. Sensor de fluxo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por um transdutor funcionar como emissor e dois transdutores funcionarem como receptores, sendo usado o método baseado no tempo de trânsito para calcular o fluxo que passa no tubo (2).

8. Sensor de fluxo baseado em ultrassons de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir um eléctrodo condutor no seu interior (3) e quatro ou mais eléctrodos (1) no seu exterior, formando em conjunto com o polímero piezoeléctrico quatro ou mais transdutores de ultrassons.

9. Sensor de fluxo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por os transdutores poderem funcionar alternadamente como emissores e receptores de ultrassons, podendo ser usado quer o método baseado no efeito de Doppler quer método baseado no tempo de trânsito para calcular o fluxo que passa no tubo (2).

10. Processo de fabrico de um sensor de fluxo de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por incluir os seguintes passos: 3 - extrusão, injecção ou outro método de processamento do material polimérico em forma de tubo; aplicação dum campo eléctrico de polarização do polímero; - deposição dos eléctrodos. Lisboa, 19 de Setembro de 2006