OS ANEMÔMETROS DE FIO QUENTE

UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS - UNISINOS

UNIDADE ACADÊMICA DE GRADUAÇÃO

CURSO DE ENGENHARIA AMBIENTAL

ANEMÔMETROS DE FIO QUENTE

São Leopoldo

2019

ANEMÔMETROS DE FIO QUENTE

Artigo científico apresentado para a Atividade Acadêmica de Instrumentação, pelo Curso de Engenharia Ambiental da Universidade do Vale do Rio dos Sinos - UNISINOS

Orientador: Profº João Olegario de Oliveira de Souza

São Leopoldo

2019

ANEMÔMETROS DE FIO QUENTE

João Olegario de Oliveira de Souza

Resumo: Neste trabalho iremos tratar sobre o funcionamento de anemômetro de fio quente. De forma geral, podemos dizer que os anemômetro de fio quente são transdutor térmico, capaz de converter variações de temperatura em sinais elétricos. O artigo tem como objetivo apresentar os conceitos básicos de anemômetro, além de abordar alguns modelos presentes no mercado de trabalho, com suas vantagens e desvantagens na utilização.  

Palavras-chave: Anemômetro; Sensores; Fio Quente; Medidor de Vazão.        

 

1 INTRODUÇÃO

Diferentes setores de nossa sociedade utilizam de diversos instrumentos destinados a medir o deslocamento, velocidade ou quantidade de um determinado fluído. Estações de tratamento de água e esgoto, postos de combustíveis, supermercados, refinarias e mais uma infinidade de outros exemplos, fazem o uso de tais instrumentos, seja ele para medir o consumo de água numa simples residência, quanto avaliar a quantidade de gás natural que entra numa usina termoelétrica. (EGUTI, C. C. A; 2005).

Dentre os instrumentos distintos destinados a medir a velocidade de fluídos, os medidores tipo térmicos destacam-se por apresentarem melhor precisão em relação a outros instrumentos que utilizam outro princípio físico. Dentro da classe de medidores térmicos, destacam-se aqueles que operam pelo balanço de energia e os chamados convectivos.  Os medidores do tipo convectivos, por sua vez, utilizam de um sensor aquecido introduzido no interior do escoamento. A transferência de calor entre tal elemento aquecido e o meio fluído escoando ao redor dele define o fenômeno básico da anemometria de fio quente. (EGUTI, C. C. A; 2005).

Dependendo das propriedades do fluido (densidade, viscosidade, condução térmica, calor específico) e dos parâmetros do escoamento (velocidade, temperatura, pressão) podemos estabelecer uma relação entre a velocidade do fluido e a taxa de transferência de calor dissipada pelo fio quente. Em virtude disso, um anemômetro de fio quente é basicamente um transdutor térmico, capaz de converter variações de temperatura em sinais elétricos.

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 Anemometria de fio quente

A anemometria de fio quente consiste na medição dos componentes da vazão de um fluido. O anemômetro é constituído por um filamento aquecido em contato com o escoamento e este é interligado a um circuito eletrônico que monitora a variação de resistência causada pelo contato com o fluido, tornando possível a correlação entre a velocidade do escoamento com a resistência. A anemometria de fio quente (AFQ) constitui-se de um método de investigação pouco intrusivo devido às pequenas dimensões do elemento sensível (MORAES, 2008), tendo como suas grandes vantagens o baixo custo de aquisição, manutenção e fácil utilização.

2.2 Princípio de Funcionamento

O anemômetro de fio quente constitui-se, de forma diminuta, de um pequeno filamento metálico que permanece exposto ao fluxo de fluido preso por hastes de suporte. Induz-se uma corrente elétrica controlada neste filamento, a qual irá transferir calor ao escoamento através do efeito Joule gerado pelo sistema (EGUTI, 2005).

Dessa forma equilíbrio térmico entre o filamento aquecido e o fluído sofrerá alterações, alterando a resistência do metal e tornando possível a quantificação através de circuitos eletrônicos. O circuito mais utilizado para esta leitura é a Ponte de Wheatstone, instrumento constituído por quatro resistências alocadas na forma de quadrilátero que atesta um sinal de erro proporcional à diferença entre um sinal variável e outro de referência.

2.3 Tipos de Sensores

Atualmente, existe uma grande variedade de sensores de anemometria de fio quente com diversas aplicações. Este fenômeno é possível devido a divergência entre os elementos sensíveis, posição das agulhas e tipo de material do fio e do recobrimento. Usualmente, os sensores são compostos de um corpo de material cerâmico, no qual são fixadas duas agulhas e, a estas, são fixados os elementos sensíveis, comumente fabricados por um fio de tungstênio de 5 µm de diâmetro e 1,25 µm de comprimento (MORAES, 2008).

A escolha do sensor de fio quente depende de vários fatores intrínsecos ao fluido de trabalho e ao tipo de escoamento. Basicamente, devem-se levar em consideração os seguintes critérios:

• Tipo de fluído (água, ar, gás, sangue, óleo, etc.);
• Grau de liberdade (1, 2 ou 3 dimensões);
• Faixa de velocidade esperada (baixa, alta velocidades, supersônico, etc.);
• Resolução espacial requerida (nível de turbulência, camada limite, etc.);
• Risco de contaminação (sonda protegida, sonda de platina, etc.);
• Espaço disponível para medição (tamanho do prolongador, haste, etc.).

O presente artigo irá exibir, posteriormente, dois tipos de sensores: anemômetro de corrente constante (CCA) e o anemômetro de temperatura constante (CTA).

2.4 Calibração dos sensores:

As constantes de calibração dos anemômetros são obtidas através da relação tensão – velocidade. Para esta determinação, geralmente, são realizadas medições simultâneas da velocidade U do escoamento e da tensão V do anemômetro.

Embora existam diversas técnicas de calibração, dentre elas as de calibração estática como as de jato livre, por esteira de vórtices ou por pêndulo e as de frequências, tendo como exemplos as aferições com laser, gerador de sinal ou tubos de choque, a metodologia mais utilizada é a Lei de King.

A referida técnica modela o resfriamento de um fio aquecido eletricamente, convectando com o campo de fluido que lhe passa perpendicularmente (MORAES, 2008). Para tal, utiliza-se a equação:

E2 = A + B*Un

Onde E é a queda de tensão no elemento sensor; A e B coeficientes experimentais dependentes das propriedades do fluido, U é a velocidade do escoamento e ao expoente n usualmente é atribuído o valor de 0,5 ou determinado através de algoritmos computacionais interativos.