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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA
CELSO SUCKOW DA FONSECA - CEFET/RJ
DIRETORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
COORDENADORIA DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA
DISSERTAÇÃO
CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA PARA SIMULAR ESCOAMENTO BIFÁSICO, COM A
INTERFACE ÁGUA-AR, DETERMINADA POR ULTRA-SOM
Leandro Coutinho Cremonezi
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO PROGRAMA DE PÓS-
GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM TECNOLOGIA.
Carlos Henrique Figueiredo Alves, D. Sc.
Orientador
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
2006 / Abril
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ii
SUMARIO
INTRODUÇÃO ........................................................................................................................... 1
I REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................................... 2
I.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS ................................................................................ 2
I.1.1 PROPRIEDADES DAS ONDAS ULTRA-SÔNICAS ............................................... 2
I.1.1.1 FREQÜÊNCIA................................................................................................... 2
I.1.1.2 COMPRIMENTO DA ONDA ............................................................................. 2
I.1.1.3 PROPAGAÇÃO DA ONDA ............................................................................... 3
I.1.1.4 VELOCIDADE................................................................................................... 4
I.1.1.5 REFLEXÃO....................................................................................................... 5
I.1.2 CAMPO SÔNICO.................................................................................................... 6
I.1.3 FORMAS DE APRESENTAÇÃO............................................................................ 7
I.1.3.1 A-scan............................................................................................................... 7
I.1.3.2 B-scan............................................................................................................... 8
I.1.3.3 C-scan............................................................................................................... 8
I.1.4 EFEITO PIEZELÉTRICO ........................................................................................ 9
I.2 TRANSDUTORES ................................................................................................ 10
I.3 ESCOAMENTO BIFÁSICO................................................................................... 10
I.3.1 CARACTERIZAR OS DIVERSOS PADRÕES DE ESCOAMENTO ..................... 10
I.3.2 DETERMINAR A INTERFACE ÁGUA-AR ............................................................ 14
I.3.3 CÁLCULO DA ESPESSURA DA LÂMINA DE ÁGUA .......................................... 19
II MATÉRIAS E MÉTODOS............................................................................................. 20
II.1 CONSTRUÇÃO DOS TRANSDUTORES............................................................. 20
II.1.1 MATERIAIS........................................................................................................... 20
II.1.2 ETAPAS E MÉTODOS DA CONSTRUÇÃO......................................................... 20
II.1.3 TESTES DOS TRANSDUTORES ........................................................................ 24
II.1.3.1 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS..................................................................... 24
II.1.3.2 METODOLOGIA ............................................................................................. 25
II.1.3.3 PROCESSAMENTO DOS SINAIS.................................................................. 26
II.2 SIMULADOR DE ESCOAMENTO ........................................................................ 27
II.2.1 MATERIAIS........................................................................................................... 27
II.2.2 MONTAGEM......................................................................................................... 27
II.3 DETERMINAÇÃO DA INTERFACE ÁGUA / AR .................................................. 28
II.3.1 EQUIPAMENTOS................................................................................................. 28
II.3.2 PROCEDIMENTOS DO TESTE PARA DETERMINAÇÃO DA INTERFACE ....... 28
II.3.3 PROCEDIMENTOS DO TESTE PARA TRAÇAR O PERFIL DE ESCOAMENTO33
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iii
III RESULTADOS ............................................................................................................. 34
III.1 TRANSDUTORES ................................................................................................ 34
III.2 TESTE DOS TRANSDUTORES........................................................................... 34
III.3 DETERMINAÇÃO DA INTERFACE ÁGUA / AR - ESTÁTICO ............................. 38
III.4 PERFIL DO ESCOAMENTO BIFÁSICO............................................................... 42
IV DISCUSSÃO................................................................................................................. 45
CONCLUSÃO........................................................................................................................... 46
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................................... 47
BIBLIOGRAFIA......................................................................................................................... 50
APÊNDICES............................................................................................................................. 52
iv
C915 Cremonezi, Leandro Coutinho
Construção de um sistema para simular escoamento bifásico, com
a interface água-ar, determinada por ultra-som / Leandro Coutinho
Cremonezi - 2006.
xii, 51f.: il. Graf, tabs; enc
Dissertação (Mestrado) Centro Federal de Educação tecnológica
Celso Suckow da Fonseca, 2006
Bibliografia: f. 47-49
Apêndices
1.Transdutores ultra-sônicos 2.Técnica ultra-sônicas
3.Escoamento Bifásico I.Titulo
CDD62028
v
À minha esposa Carmem e pais David e Miriam
vi
AGRADECIMENTOS
-Ao professor Carlos Henrique, pelas orientações e incentivo que me foram dados;
-Aos amigos Gustavo Moraes, Mauro Cremonezi, Hans Christian, Leonardo, e
demais colegas pelo apoio durante o curso;
-Aos professores Carlos Lamy, Marcelo Bittencourt, Daniel Martorelli e José Luiz
Faccini do IEN, pelo suporte durante as pesquisas.
-Aos professores do CEFET, pelo ajuda e apoio.
vii
Resumo da dissertação submetida ao PPTEC/CEFET-RJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de mestre em tecnologia (M.T.).
CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA PARA SIMULAR ESCOAMENTO BIFÁSICO, COM A
INTERFACE ÁGUA-AR, DETERMINADA POR ULTRA-SOM
Leandro Coutinho Cremonezi
Abril de 2006
Orientador: Carlos Henrique Figueiredo Alves, D. Sc.
Programa: PPTEC
O objetivo deste trabalho é determinar a altura do nível de água em um escoamento bifásico
água-ar pela técnica ultra-sônica e demonstrar que esta técnica tem potencial para a
determinação do perfil da variação da altura deste nível de água com o sistema em
movimento. Para a determinação da interface água-ar é construído um sistema composto de
um tubo de acrílico, preenchido com água e ar, contendo um êmbolo em uma das suas
extremidades. A normal a este tubo é posicionado o sensor ultra-sônico, e o sinal de eco,
oriundo da reflexão total da onda na interface água-ar é utilizado para determinar a altura do
nível de água. Através de um simples toque no êmbolo é possível movimentar a água,
tirando o sistema da posição de equilíbrio. A variação do nível de água é medida durante um
pequeno intervalo de tempo e, estes valores, são utilizados para determinar o perfil de altura
e o comportamento do nível de água. O resultado é comparado com o método visual,
mostrando a potencialidade da técnica, limitada neste caso pela pouca memória da placa de
aquisição utilizada.
Palavras-chave:
Transdutor ultra-sônico, PVDF, construção de transdutores, escoamento bifásico,
ultra-som, instrumentação eletrônica.
viii
Abstract of dissertation submitted to PPTEC/CEFET/RJ as partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master in Technology (M.T.).
CONSTRUCTION OF A SYSTEM TO SIMULATE TWO-PHASE FLOW, WITH WATER-AIR
INTERFACE, DETERMINED BY ULTRASOUND
Leandro Coutinho Cremonezi
April / 2006
Advisor: Carlos Henrique Figueiredo Alves, D. Sc.
Program: PPTEC
The objective of this dissertation is determinate the liquid film thickness in a two-phase flow
water-air by use of ultrasonic technique and demonstrates that this technique has potential
for the determination of the water thickness variation with the system in movement. For the
determination of the liquid film thickness, a system made of an acrylic pipe was constructed,
contending a piston in one of its extremities and filled with water and air. Normal to this pipe
is located the ultrasonic transducer, and the signal of echo, from the total reflection of the
wave in the interface water-air is used to determine the water film thickness. Touching the
piston is possible to move the water, taking off the system of the static position. The variation
of water thickness is measured during a small interval of time and, these values, are used to
determine the water thickness variation end flow patterns. The result is compared with the
visual method, showing to the potentiality of the technique, limited in this case for the little
memory of the acquisition board used.
Key words:
Ultrasonic transducer, PVDF, transducers construction, two-phase flow, ultrasound,
electronic instrumentation.
ix
LISTA DE TABELAS
Tabela I-1 - Propriedades acústicas dos materiais [5]..................................................5
Tabela II-1 - Característica físicas dos transdutores construídos...............................24
Tabela III-1 - Resultado da resposta dos transdutores construídos ...........................38
Tabela III-2 - Resultado das medições da interface dos métodos utilizados, para 1,4
cm de coluna d’água (medidas em centímetros)........................................................41
Tabela III-3 - Resultado das medições da interface dos métodos utilizados, para 2,5
cm de coluna d’água (medidas em centímetros)........................................................41
Tabela III-4 – Erro percentual em ralação à medida pelo método visual para 1,4 cm
de coluna d’água ........................................................................................................41
Tabela III-5 - Erro percentual em ralação à medida pelo método visual para 2,5 cm de
coluna d’água .............................................................................................................41
x
LISTA DE FIGURAS
Figura I-1 - Campo de audibilidade das ondas acústicas [3] ........................................2
Figura I-2 - Modos de propagação das ondas [4] .........................................................3
Figura I-3 - Reflexão da onda ultra-sônica [2]...............................................................5
Figura I-4 - Campo sônico [2] .......................................................................................6
Figura I-5 - Exemplo de corpo de prova [4] ..................................................................7
Figura I-6 - Representação do modo A-scan do corpo de prova [4].............................7
Figura I-7 - Apresentação do modo B-scan do corpo de prova [4] ...............................8
Figura I-8 - Exemplo de apresentação C-scan [4] ........................................................9
Figura I-9 - Esquema de montagem do experimento [14] ..........................................11
Figura I-10 - Imagens dos padrões de escoamento bifásico em um osciloscópio ideal
[14]..............................................................................................................................12
Figura I-11 - Esquema de montagem do experimento [2] ..........................................12
Figura I-12 - Padrão de escoamento estratificado [2].................................................13
Figura I-13 - Padrão de escoamento ondulado [2] .....................................................13
Figura I-14 - Padrão de escoamento tampão [2] ........................................................13
Figura I-15 - Padrão de escoamento golfada [2] ........................................................14
Figura I-16 - Padrão de escoamento anular [2] ..........................................................14
Figura I-17 - Esquema de montagem do experimento e imagem no osciloscópio [14]
....................................................................................................................................15
Figura I-18 - Temperatura (°C) X Valor Medido(cm) [14]............................................15
Figura I-19 - Padrões de escoamento [14] .................................................................16
Figura I-20 - Medição instantânea dos níveis [2] ........................................................17
Figura I-21 - Histograma dos padrões de escoamento [2]..........................................18
Figura I-22 - Esquema de montagem do experimento [15] ........................................19
Figura II-1 - Montagem do transdutor – preparação do PVDF. ..................................21
Figura II-2 – Montagem do transdutor – colando o tubo de borracha.........................21
Figura II-3 – Montagem do transdutor – soltando o fio condutor. ...............................22
Figura II-4 – Montagem do transdutor – botando a camada de retaguarda. ..............22
Figura II-5 – Montagem do transdutor – montagem no tubo metalico ........................23
Figura II-6 – Montagem do transdutor – colando as partes do transdutor..................23
Figura II-7 – Montagem do transdutor – contato na parte frontal. ..............................23
Figura II-8 – Vista frontal dos transdutores.................................................................24
Figura II-9 – Vista lateral dos transdutores .................................................................24
Figura II-10 – esquema de montagem do sistema para teste dos transdutores.........25
Figura II-11 – esquema de montagem para o teste de determinação da interface. ...29
xi
Figura II-12 – sistema montado para o teste de determinação da interface...............29
Figura II-13 - Planilha eletrônica usada para os cálculos ...........................................31
Figura II-14 – Tela do programa desenvolvido no Labview. .......................................32
Figura III-1 - Vista frontal dos transdutores.................................................................34
Figura III-2 - Vista lateral dos transdutores.................................................................34
Figura III-3 – Detalhe da face frontal do Transdutor 1. ...............................................34
Figura III-4 - Detalhe da face frontal do Transdutor 2.................................................34
Figura III-5 - Imagem do pulso-eco no osciloscópio do transdutor 1 ..........................35
Figura III-6 - Imagem do pulso-eco no osciloscópio do transdutor 2 ..........................35
Figura III-7 - Pulso-eco do transdutor 1 processado no Matlab..................................35
Figura III-8 - Pulso-eco do transdutor 2 processado no Matlab..................................35
Figura III-9 - imagem do eco do transdutor 1 no osciloscópio ....................................36
Figura III-10 - imagem do eco do transdutor 2 no osciloscópio ..................................36
Figura III-11 - Eco do transdutor 1 processado no Matlab..........................................36
Figura III-12 - Eco do transdutor 2 processado no Mat lab.........................................36
Figura III-13 - espectro de freqüência do transdutor 1................................................36
Figura III-14 - espectro de freqüência do transdutor 2................................................36
Figura III-15 - Eco do transdutor 1 isolado do sinal ....................................................37
Figura III-16 - Eco do transdutor 2 isolado do sinal ....................................................37
Figura III-17 - espectro de freqüência do transdutor 1 feita com o eco isolado..........37
Figura III-18 - espectro de freqüência do transdutor 2 feita com o eco isolado..........37
Figura III-19 - pontos da freqüência de corte superior e inferior do transdutor 1........38
Figura III-20 - pontos da freqüência de corte superior e inferior do transdutor 2........38
Figura III-21 - Resultado da medição pelo método visual (1° medição) .....................39
Figura III-22 - Resultado da medição pelo método visual (2° medição) .....................39
Figura III-23 - Resultado do teste do Transdutor 1 para a medição da interface
usando a planilha eletrônica para coluna d’água de 2,5 cm.......................................40
Figura III-24 - Resultado do teste do Transdutor 1 para a medição da interface
usando o Matlab para coluna d’água de 1,4 cm.........................................................40
Figura III-25 - Gráfico do escoamento utilizando o transdutor #1 com o nível da água
em 1,4 cm ...................................................................................................................42
Figura III-26 - Gráfico do escoamento utilizando o transdutor #2 com o nível da água
em 2,5 cm ...................................................................................................................42
Figura III-27 - Gráfico do escoamento utilizando o transdutor #3 com o nível da água
em 2,5 cm ...................................................................................................................43
Figura III-28 - Gráfico do escoamento com ruidos......................................................43
xii
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
Abreviatura /
Símbolo
Significado Unidade
V Voltagem Volts
s Tempo Segundo
Hz Freqüência Hertz
dB Decibel -
mm Dimensão Milímetro
m/s Velocidade Metros por segundo
fci Freqüência de corte inferior -
fcs Freqüência de corte superior -
fc Freqüência central -
BW Largura de banda -
PVDF Polyvinilidene Fluoride -
J Energia Joule
M Mega -
K Kilo -
E Modulo de elasticidade Kg/ms²
µ Coeficiente de Poisson -
G Modulo de rigidez Kg/ms²
ρ Massa especifica Kg/m³
Sa/s Amostras por segundo
1
INTRODUÇÃO
No campo dos reatores nucleares termo-hidráulico, plantas químicas,
evaporadores, condensadores ou em qualquer aplicação de fluxo bifásico, a área de
interface (nível do escoamento) e a forma de escoamento, ou mais importante ainda, a
fração de vazio, são importantes parâmetros que precisam ser conhecidos para análise e
[1], para fins de segurança do sistema
Precisos meios de diagnose destes parâmetros, especialmente em altas
temperaturas e pressão, têm sido desenvolvidos por diversos grupos de pesquisa.
Alguns destes métodos têm certas desvantagens. A técnica da radiação é restrita a
tubulações finas, caso contrário é necessário uma carga maior de radiação, o que implica
em riscos para a saúde e o meio ambiente. O método óptico é restrito a vasos
transparentes, que são frágeis restringindo a temperatura e pressão do fluido que passa
por dentro dele. Sondas elétricas são frágeis e interferem no fluxo.
A técnica ultra-sônica tem se mostrado uma alternativa para essa aplicação, com a
vantagem de não interferir no fluxo por não ser evasiva, e podendo ser usada em
tubulações metálicas com altas temperaturas e pressão. [2]
Esta dissertação tem como objetivos construir transdutores com PVDF que possam
ser usados em experimentos que visem determinar a interface de fluxo bifásico e usando
técnicas ultra-sônicas, determinar a interface água-ar em um escoamento bifásico.
Esta dissertação é dividida em capítulos, sendo seu conteúdo distribuído da
seguinte forma:
No Capítulo I são apresentados os conceitos básicos sobre ultra-som e
transdutores ultra-sônicos, e uma revisão bibliográfica de trabalhos relativos à construção
de transdutores com PVDF e escoamento bifásico água-ar.
No Capítulo II é descrito o método utilizado para a construção dos transdutores que
serão utilizados na determinação da interface água-ar, com a especificação dos materiais
utilizados e descrição das etapas de construção, equipamentos e a metodologia
empregada nos testes dos transdutores. Também é mostrado como o sistema de testes de
escoamento água-ar e o programa de medição foram feitos e equipamentos e a
metodologia empregada nos testes
O Capítulo III apresenta os resultados dos experimentos realizados.
No Capítulo IV é feita uma análise crítica dos resultados obtidos e sugestões para
aperfeiçoamentos.
E, por último, é apresentada a conclusão dos trabalhos realizados.
2
I REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
I.1 FUNDAMENTOS TEÓRICOS
I.1.1 PROPRIEDADES DAS ONDAS ULTRA-SÔNICAS
I.1.1.1 FREQÜÊNCIA
As ondas acústicas são classificadas de acordo com suas freqüências e medidas
em ciclos por segundo. A unidade “ciclos por segundos” é conhecida por “Hertz”,
abreviatura “Hz”.
Freqüências acima de 20.000 Hz são inaudíveis denominadas freqüência ultra-
sônica.
Figura I-1 - Campo de audibilidade das ondas acústicas [3]
O campo de audibilidade das ondas acústicas é mostrado na Figura I-1. Considera-
se 20 kHz o limite superior audível e denomina-se a partir desta, freqüência ultra-sônica.[3]
I.1.1.2 COMPRIMENTO DA ONDA
O comprimento de onda é a medida entre dois picos de ondas consecutivos. A
esta, é representada pela letra grega Lambda “λ“. [3]
Considerando uma onda sônica se propagando num determinado material com
velocidade “V”, freqüência “f”, e comprimento de onda “λ“, podemos relacionar estes três
parâmetros como segue:
V = λ . f Equação 1
A relação acima, permite calcular o comprimento de onda, pois a velocidade é em
geral conhecida e depende somente do modo de vibração e o material, por outro lado a
freqüência depende somente da fonte emissora, que também é conhecida. [3]
3
I.1.1.3 PROPAGAÇÃO DA ONDA
Todas as substâncias materiais são formadas por átomos, que podem ser
forçados ao movimento vibratório sobre suas posições do equilíbrio. Diferentes padrões
do movimento vibratório existem no nível atômico, entretanto, a maioria é irrelevante à
acústica e a testes ultra-sônico. A acústica é focalizada nas partículas que contêm muitos
átomos que movem provocando uma onda mecânica. Quando um material não é forçado
na tensão ou na compressão além de seu limite elástico, suas partículas executam as
oscilações elásticas. Quando as partículas de um meio são deslocadas de suas posições
do equilíbrio, as forças (eletrostáticas) internas da restauração aparecem. É esta força
elástica entre as partículas, combinadas com a inércia, produz os movimentos oscilatórios
do meio.
Nos sólidos, as ondas sonoras podem se propagar em quatro modalidades que são
baseadas no princípio da maneira que as partículas oscilam. O som pode propagar
enquanto as ondas longitudinais (compressiva), transversais (cisalhante), superficiais
(Rayleigh), e em materiais finos, ondas “Lamb”. As ondas longitudinais e transversais são
as duas modalidades da propagação usadas extensamente em testes ultra-sônicos. O
movimento da partícula responsável para a propagação de ondas longitudinais e
transversais é ilustrado na Figura I-2.
Figura I-2 - Modos de propagação das ondas [4]
Nas ondas longitudinais ou compressivas, as oscilações ocorrem no sentido
longitudinal ou no sentido da propagação da onda. Esse tipo de onda pode ser gerado
nos líquidos, assim como nos sólidos porque a energia viaja através da estrutura atômica
por uma série de movimentos da comparação e da expansão.
4
Nas ondas transversal ou cisalhante, as partículas oscilam em um ângulo reto ou
transversal ao sentido da propagação. As ondas transversais requerem um meio contínuo
para propagação e, conseqüentemente, não são propagadas eficazmente nos materiais
tais como líquidos e gases. As ondas transversais são relativamente fracas quando
comparadas às ondas longitudinais, geralmente são geradas nos materiais usando a
energia das ondas longitudinais. [4]
I.1.1.4 VELOCIDADE
A Velocidade de propagação é distância percorrida pela onda sônica por unidade
de tempo.
A velocidade de propagação é uma característica do meio, sendo uma constante,
independente da freqüência, dependendo da massa especifica, do módulo de elasticidade,
do coeficiente de Poisson e do módulo de rigidez do meio de propagação. Através das
equações 2 e 3 é possível calcular a velocidade do som nos diversos meios de
propagação. [5]
Ondas longitudinais:
)*21(*)1(*
)1(*
µµρ
µ
−+
−
=
E
V
L
Equação 2
Ondas transversais:
ρ
G
V
T
= Equação 3
Onde:
V
L
– Velocidade da onda longitudinal (m/s)
V
T
– Velocidade da onda Tranversal (m/s)
E – modulo de elasticidade (Kg/ms²)
µ - coeficiente de Poisson
G – modulo de rigidez (Kg/ms²)
ρ – massa especifica (Kg/m³)
A Tabela I-1 mostra as propriedades acústicas de alguns materiais.
5
Tabela I-1 - Propriedades acústicas dos materiais [5]
Material
Peso
específico
(Kg/m³)
Velocidade
transversal
(m/s)
Velocidade
Longitudinal
(m/s)
Impedância
acústica
(10
6
Kg/m²s)
Água (gelo) 900 1990 3980 3582
Água (20°C) 1000 - 1480 1480
Alumínio 2700 3130 6320 17064
Alumínio (Ox) 3600 5500 9000 32400
Bronze 8100 2120 4430 35883
Cobre 8900 2250 4700 41830
Concreto 2000 - 4500 9200
Ferro Fundido 6900 2200 5300 36570
Níquel 8800 2960 5630 49544
Náilon 1100 1080 2620 2882
Ouro 19300 1200 3240 2532
Platina 21400 1670 3960 84744
Polietileno 940 925 2340 2200
Porcelana 2400 3500 5600 13440
Prata 10500 1590 2395 37800
PVC 1400 1060 2395 3353
Quartzo (nt) 2650 - 5760 15264
Vidro 3600 2560 4260 15336
I.1.1.5 REFLEXÃO
Quando uma onda incide normal a interface entre dois meios, ocorre a reflexão e a
transmissão. Parte da energia é refletida de volta e o restante é propagado para o outro
meio, como mostrado na Figura I-3. [2]
Figura I-3 - Reflexão da onda ultra-sônica [2]
A reflexão (R) e a transmissão (T) são definidas de acordo com a Equação 4 e
Equação 5:
6
Equação 4
Equação 5
Onde ρ é a densidade do meio e C é a velocidade do som no meio. O produto entre
e densidade do meio e velocidade do som no meio é chamado de impedância
característica (Z)
I.1.2 CAMPO SÔNICO
Este campo é dividido em regiões distintas que dependem da dimensão do
transdutor e também do comprimento de onda. Estas regiões são mostradas na Figura I-4
Figura I-4 - Campo sônico [2]
No campo próximo a onda se irradia de modo cilíndrico e há uma variação de
intensidade com a distância da fonte e também através do pulso os ecos provenientes
deste campo não são usados para análise. O comprimento deste campo é calculado de
acordo com a equação 6.
L = a² / λ Equação 6
Onde:
L - Comprimento
a - Raio do transdutor
λ - comprimento de onda
Já no campo distante a irradiação da onda se dá de forma cônica e a variação da
intensidade do sinal varia uniformemente com a distância. [2]
2
1122
1122
)(
CC
CC
R
ρρ
ρ
ρ
+
−
=
2211
2211
4
CC
CC
T
ρρ
ρρ
+
=
7
I.1.3 FORMAS DE APRESENTAÇÃO
Os dados ultra-sônicos podem ser coletados e apresentados em formatos
diferentes. Os três formatos mais comuns são A-scan, B-scan e C-scan. Cada tipo da
apresentação fornece uma maneira diferente de olhar e avaliar a região do material que
está sendo inspecionado.
I.1.3.1 A-scan
A apresentação do tipo A-scan apresenta a quantidade de energia ultra-sônica
recebida em função do tempo. A quantidade de energia recebida é traçada ao longo do
eixo vertical, e o tempo decorrido ao longo do eixo horizontal.
Na apresentação A-scan, o tamanho relativo de descontinuidades, em um ensaio
não destrutivo, por exemplo, pode ser estimados comparando a amplitude do sinal
refletido desconhecido com o de um sinal refletido em um ponto conhecido. A
profundidade da descontinuidade pode ser determinada pela posição do sinal na varredura
horizontal do sinal refletido
Figura I-5 - Exemplo de corpo de prova
[4]
Figura I-6 - Representação do modo A-
scan do corpo de prova [4]
Na Figura I-6 é mostrado a representação de todos os sinais que podem aparecer
na apresentação do A-scan, com a varredura da esquerda para a direita, no corpo de
prova mostrado na Figura I-5. O pulso inicial gerado pelo transdutor é representado pelo
sinal IP (initial pulse – pulso inicial), no tempo próximo zero. Como a varredura o
transdutor é feita ao longo da superfície da peça, outros quatro sinais aparecem em
tempos diferentes.
Quando o transdutor estiver em sua posição à esquerda, somente o “sinal IP” e o
“sinal A”, que corresponde a energia refletida da superfície A, serão vistos. Como o
8
transdutor faz a varredura da esquerda para a direita, o sinal refletido no fundo,
apresentado como “BW”, parecerá na última escala de tempo, mostrando que o som viajou
mais para alcançar esta superfície. Quando o transdutor está sobre a “falha B”, o “sinal B”
aparecerá em um ponto na escala de tempo que é aproximadamente metade do tempo
entre o "sinal IP” e o “sinal BW”. Como o “sinal IP” corresponde à superfície do material, o
“sinal B” mostra que a “falha B” está aproximadamente no meio do material, entre a
superfície e o fundo da amostra. Quando o transdutor é movido sobre a “falha C”, o “sinal
C“ aparecerá mais cedo a tempo desde que o trajeto do som é mais curto que o “sinal B”,
que desaparecerá, pois o som não está refletindo dele. [4]
I.1.3.2 B-scan
No B-scan, o tempo percorrido pela onda sonora é indicado ao longo do eixo
vertical, que corresponde a profundidade que o pulso inicial foi refletido, e a posição do
transdutor é indicada ao longo do eixo horizontal. Na apresentação B-scan, a
profundidade do sinal refletido e suas dimensões aproximadas no sentido de varredura,
podem ser determinadas.
Figura I-7 - Apresentação do modo B-scan do corpo de prova [4]
Na Figura I-7 mostra o exemplo de B-scan do corpo de prova da Figura I-5. A linha
A é produzida porque o transdutor passa por cima da parte de menor espessura do corpo.
Quando o transdutor se move para a direita, a linha “BW” da parte inferior do corpo é
produzida. Quando o transdutor passa sobre as falhas B e C as linhas “B” e “C” são
formadas, que são similares, em comprimento, as falhas representadas na Figura I-5.
Deve-se anotar uma limitação desta técnica, pois as ondas refletidas podem ser
mascaradas por ondas maiores perto da superfície. [4]
I.1.3.3 C-scan
A representação C-scan fornece uma vista plana do topo de corpo de teste. O
plano da imagem está paralelo à varredura do transdutor. Os dados são adquiridos do A-
9
scan, onde a amplitude e o tempo gasto para o pulso inicial ser refletido e voltar ao
transdutor, é gravado em intervalos regulares, enquanto o transdutor faz uma varredura
sobre o corpo de teste. A Figura I-8 mostra um exemplo de representação pelo modo C-
scan. [4]
Figura I-8 - Exemplo de apresentação C-scan [4]
I.1.4 EFEITO PIEZELÉTRICO
Diversos materiais apresentam o efeito piezelétrico. Se tomarmos uma lâmina de
certo formato e aplicarmos uma pressão sobre a mesma, surgem em sua superfície cargas
elétricas. O efeito inverso também é verdadeiro: se aplicarmos dois eletrodos sobre as
faces opostas de uma placa de cristal piezelétrico, de maneira que possamos carregar as
faces eletricamente, a placa comporta-se como se estivesse sobre pressão e diminui de
espessura.
O cristal piezelétrico pode transformar a energia elétrica alternada em oscilação
mecânica e transformar a energia mecânica em elétrica.
Tal fenômeno é obtido aplicando-se eletrodos no cristal piezelétrico com tensão
elétrica alternada da ordem de 1000 V, de maneira que o mesmo se contrai e se estende
ciclicamente. Se tentarmos impedir esse movimento a placa transmite esforços de
compressão as zonas adjacentes, emitindo uma onda longitudinal, cuja forma depende da
freqüência de excitação e das dimensões do cristal.[3]
10
I.2 TRANSDUTORES
Os transdutores ultra-sônicos são dispositivos eletromecânicos que transformam
pulsos elétricos gerados pelo equipamento em pulsos acústicos, e vice versa.
Basicamente, essa conversão de energia é feita pelo elemento piezoelétrico, que
pode ser unitário ou por múltiplos elementos, geralmente de formato retangular ou circular.
Na construção dos transdutores ultra-sônicos usados atualmente, além da
composição, a geometria do elemento ativo é de suma importância. De forma geral a
geometria mais comum é a de disco, feito com materiais cerâmicos e polímeros
piezoelétricos ( compósitos ). Nesses casos, o diâmetro é maior que a espessura e a
última determina a freqüência de operação e a relação diâmetro/freqüência determina as
características de radiação. [6], [7]
A camada de retaguarda (backing), tem a função de determinar que tipo de
amortecimento será aplicado ao elemento piezoelétrico conforme o tipo do transdutor e
regime de operação desejado ( contínuo ou onda pulsado ), isto é, deve possuir
características de absorção para atenuar ao máximo a onda acústica que caminha no
sentido contrário.
O funcionamento e a construção de transdutores de ultra-som utilizando PVDF, é
fartamente encontrada em artigos que apresentam de forma detalhada o fenômeno de
piezoelétricidade, equações, material utilizado para confecção do backing e parâmetros
envolvidos nas principais características e desempenho destes transdutores. [6], [7] ,[8]
[9], [10], [11], [12], [13]
I.3 ESCOAMENTO BIFÁSICO
I.3.1 CARACTERIZAR OS DIVERSOS PADRÕES DE ESCOAMENTO
Chang, Ichikawa e Irons, no trabalho “caracterização do regime de escoamento e
medição da espessura de líquido no fluxo bifásico gás-líquido por método ultra-sônico”
[14], com a finalidade de caracterizar os diversos padrões de escoamento, posicionaram
dois transdutores em um tubo metálico, conforme mostrado na Figura I-9.
11
Figura I-9 - Esquema de montagem do experimento [14]
O resultado, mostrado na Figura I-10, apresenta o "scan-a" para os padrões de
escoamento definidos. As imagens correspondem a um osciloscópio ideal, onde Tb é o
sinal gerado pelo transdutor posicionado na base e Tt é o sinal gerado pelo transdutor
posicionado o topo.
12
Figura I-10 - Imagens dos padrões de escoamento bifásico em um osciloscópio
ideal [14]
Com a mesma finalidade, caracterizar os diferentes padrões de escoamento,
Chang e Morala [2], utilizou um tubo horizontal e um transdutor piezelétrico foi montado na
parte inferior do lado de fora do tubo, conforme mostrado na Figura I-11., onde o
analisador ultra-sônico excita o transdutor e amplifica os sinais de eco que retornam, o
osciloscópio monitora os sinais.
Figura I-11 - Esquema de montagem do experimento [2]
13
A tubulação possuía um trecho de alumínio, onde o transdutor foi montado, com
espessura suficiente para minimizar os efeitos do campo próximo.
O resultado para a caracterização dos padrões de escoamento são apresentado a
seguir:
Estratificado (estratified smooth): o escoamento estratificado se caracteriza pela
separação gravitacional total das fases líquida e gasosa com escoamento contínuo de
cada fase (Figura I-12);
Figura I-12 - Padrão de escoamento estratificado [2]
Ondulado (estratified wavy:): com o aumento da velocidade da fase gasosa, no
escoamento estratificado, ondas são formadas na interface de separação líquido-gás,
gerando o regime ondulado (Figura I-13);
Figura I-13 - Padrão de escoamento ondulado [2]
Tampão (plug): com o aumento da velocidade da fase gasosa no escoamento em
bolhas, há formação bolhas alongadas em forma de balas, que tendem a escoar no topo
da tubulação (Figura I-14);
Figura I-14 - Padrão de escoamento tampão [2]
Golfada (slug): aumentando ainda mais a velocidade do gás no escoamento
ondulado, as ondas passam a ocupar, em alguns casos, toda a seção transversal da
tubulação formando golfadas, que são rapidamente deslocadas dentro da tubulação.
Golfadas de gás e líquido se correm pela tubulação com a de líquido carregando
pequenas bolhas (Figura I-15);
14
Figura I-15 - Padrão de escoamento golfada [2]
Anular (annular): O escoamento anular ocorre com altas vazões de gás. O líquido
escoa na superfície interna da tubulação formando um filme com bolhas dispersas, e o gás
escoa no centro da tubulação. Devido ao efeito gravitacional, a espessura do filme
formado pela fase líquida diminui quando se caminha para o topo da tubulação (Figura
I-16).
Figura I-16 - Padrão de escoamento anular [2]
Esse padrões de escoamento também são descritos por Taitel e Dukler [16] e
Silva, Filho e Pinheiro [17].
I.3.2 DETERMINAR A INTERFACE ÁGUA-AR
No trabalho “caracterização do regime de escoamento e medição da espessura de
líquido no fluxo bifásico gás-líquido por método ultra-sônico” [14], Chang, Ichikawa e Irons,
com o objetivo de medir a espessura da lâmina de água, utilizou um transdutor na base do
tubo e um analisador ultra-sônico para excitação do transdutor, e um microcomputador,
para coleta e tratamento dos dados, como mostrado na Figura I-9.
15
Figura I-17 - Esquema de montagem do experimento e imagem no osciloscópio
[14]
Na Figura I-17 observa-se a imagem obtida no osciloscópio, onde o numero 1
corresponde ao pulso inicial, 2 a interface parede - liquido, e 3 a interface liquido-gás.
É apresentado um gráfico mostrando o efeito da temperatura na medição da lâmina
de água no fluxo estratificado (Figura I-19).
Figura I-18 - Temperatura (°C) X Valor Medido(cm) [14]
Por fim, é mostrado os sinais obtidos no osciloscópio pela caracterização dos
diversos padrões de fluxo bifásico na Figura I-19, onde, 1 é o pulso inicial, 2 a interface
parede - líquido, 3 a interface líquido-gás , 4 a interface líquido-parede e 5 a interface
parede-gás.
16
Figura I-19 - Padrões de escoamento [14]
Chang e Morala, no trabalho intitulado “Determinação da interface bifásica por
técnicas ultra-sônicas” [2], Como resultado do experimento, foi plotado um gráfico,
mostrado na Figura I-20, com o nível de altura dos diferentes padrões de escoamento,
utilizando uma freqüência de amostragem de 100 Hz.
17
Figura I-20 - Medição instantânea dos níveis [2]
18
Também com a finalidade de caracterizar os padrões de escoamento foi traçado
um histograma para cada tipo de escoamento, mostrado na Figura I-21, baseado na
aquisição de dados por 10 segundos.
O eixo horizontal corresponde ao nível do líquido medido, em centímetro, e o eixo
vertical mostra a freqüência relativa em que o nível do liquido foi medido no determinado
período.
Figura I-21 - Histograma dos padrões de escoamento [2]
19
I.3.3 CÁLCULO DA ESPESSURA DA LÂMINA DE ÁGUA
Utilizando a técnica de pulso-eco é possivel medir a altura do nível da água em um
tanque. Esse processo é descrito por McVety [15], no trabalho “medição de espessura de
lâmina e fração vazia usando técnicas ultra-sônicas”.
A metodologia aplicada consiste em fixar um transdutor no fundo to tanque que é
excitado pelo pulso inicial, neste caso, com uma freqüência de 2,25 MHz.
O sistema montado para realizar o experimento é mostrado na Figura I-22.
Figura I-22 - Esquema de montagem do experimento [15]
Os sinais de eco gerados pela reflexão do pulso inicial com a interface água-ar é
armazenado em um osciloscópio digital que mostra a diferença de tempo entre o pulso
inicial e o eco de retorno.
Sabendo-se o tempo gasto para a onda percorrer o fundo do tanque e a interface,
além da velocidade do som na água, foi possível calcular a espessura da coluna d’água.
20
II MATÉRIAS E MÉTODOS
II.1 CONSTRUÇÃO DOS TRANSDUTORES
Foi escolhido o PVDF para a construção dos transdutores devido a vantagem de
ser flexível, facilitando a construção de transdutores com a face frontal curva [9], [18] e por
se dominar a técnica de construção [6], [7], [8], [9], [10], [11] Devido a dimensão do tubo
utilizado nos testes, foi constatado que a parte frontal do transdutor poderia ser plana sem
prejudicar a propagação do sinal, o que facilitou ainda mais sua construção.
II.1.1 MATERIAIS
Para a construção dos transdutores, foram usados os seguintes materiais:
• Tubo de borracha: Pirelli
• Colas:
o Araldite (tempo de cura: 2 minutos, Vantico, Brasil);
o Araldite (tempo de cura: 10 minutos, Vantico, Brasil);
o Araldite (tempo de cura: 24 horas, Vantico, Brasil);
• Epoxi para camada de retaguarda: Epo-tek 301, Epoxy Technology,
Billerica, MA, USA);
• Epóxi Condutor: adesivo à base de epóxi, com carga de 75 a 80% de prata
pulverizada (Silver Loaded Epoxy Adhesive, RS Components, RS 186-3616,
Northants, England);
• Película de PVDF: KYNAR
®
Piezo Film, com espessura de 28µm e
superfícies metalizadas com alumínio, (Pennwalt Corporation, Film Code
S028NA, Norristown, PA, USA);
• Fio de cobre;
• Tubo metálico de latão.
II.1.2 ETAPAS E MÉTODOS DA CONSTRUÇÃO
As etapas para a construção dos transdutores são descritas a seguir:
O PVDF é cortado de forma circular do mesmo diâmetro do tubo de borracha. Para
fazer esse corte foi usado um cortador circular de couro. Já estando o PVDF cortado, ele é
prensado entre duas lâminas de vidro, como mostrado na Figura II-1, para deixá-lo
completamente plano e, em um dos lados é posto uma pequena quantidade de vaselina
para o PVDF não enrugar durante o processo de montagem do transdutor.
21
Figura II-1 - Montagem do transdutor – preparação do PVDF.
Após a prensagem, é retirado a lamina de vidro que não está aderido a face
superior do PVDF, e esta é limpa com acetona para continuar o processo de montagem.
Para ser montado a base do transdutor, é colocada uma pequena quantidade de
araldite, com tempo de secagem de 2 minutos, na borda do tubo de borracha, como
mostrado na Figura II-2, e então levemente prensado contra o PVDF.
Figura II-2 – Montagem do transdutor – colando o tubo de borracha.
Após o tubo de borracha ser colado ao PVDF, é colocado o fio que fará contato
com a face superior do PVDF. Para isso é usado um fio metálico, que com uma pequena
quantidade de epóxi condutor em sua ponta, como mostrado na Figura II-3, fará o contato
com o PVDF. O tempo de cura é de aproximadamente 3 horas.
22
Figura II-3 – Montagem do transdutor – soltando o fio condutor.
Depois de testado o contato do fio com o lado superior do PVDF é colocado a
camada de retaguarda do transdutor. O epóxi é introduzido no interior do tubo de borracha
por uma seringa, com uma agulha de 1,2 mm devido a viscosidade do epóxi, pois agulhas
com diâmetro menor do que o usado entopem durante a injeção do epóxi.
para evitar a formação de bolhas de ar no seu interior, como mostrado na Figura
II-4. O tempo de cura do epóxi da camada de retaguarda é de aproximadamente 48 horas
em um ambiente com baixa umidade relativa do ar.
Figura II-4 – Montagem do transdutor – botando a camada de retaguarda.
Estando o epóxi da camada de retaguarda seco, o conjunto já colado no tubo de
borracha é retirado da placa de vidro e a glicerina é limpa com acetona. Em seguida esse
conjunto é introduzido no interior do tubo metálico, como mostrado na Figura II-5, de forma
que a face inferior do PVDF fique rente a borda do tubo metálico.
23
Figura II-5 – Montagem do transdutor – montagem no tubo metalico
Para fixar um tubo ao outro é usado o araldite com secagem de 10 minutos que é
colocado na borda entre os dois tubos como mostrado na Figura II-6
Figura II-6 – Montagem do transdutor – colando as partes do transdutor.
Estando os dois tubos colados, é feito o contato com a face inferior do PVDF com o
tubo metálico com o uso do epóxi condutor, conforme mostrado Figura II-7
Figura II-7 – Montagem do transdutor – contato na parte frontal.
Por fim é testado o contato entre a face inferior do PVDF com o tubo metálico e a
existência de curto entre o fio e o tubo metálico.
Apesar dos dois transdutores terem sido construídos usando o mesmo método, em
um deles (transdutor TR#1), foi colocada, na superfície frontal, uma lente plana. Esta lente
feita de araldite, com tempo de secagem de 24 h, tem como objetivo apenas a proteção da
face frontal do PVDF, pois devido ao tamanho da circunferência do tubo usado nos
experimentos de escoamento, não houve a necessidade de se usar uma lente côncava
para contato entre o transdutor e o tubo.
24
A característica dos transdutores construídos é apresentado na Tabela II-1 e os
mesmo já montados são mostrados nas Figura II-8 e Figura II-9
Tabela II-1 - Característica físicas dos transdutores construídos
TRANSDUTOR
MATERIAL DO
TUBO
TIPO LENTE
TR#1 ALUMÍNIO PLANO SIM
TR#2 LATÃO PLANO NÃO
Figura II-8 – Vista frontal dos transdutores Figura II-9 – Vista lateral dos transdutores
II.1.3 TESTES DOS TRANSDUTORES
Os testes tinham como objetivo determinar a largura de banda e o espectro de
freqüência dos transdutores construídos.
II.1.3.1 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS
Os seguintes equipamentos foram utilizados para realização dos testes:
• Microcomputador PC, processador CELERON 300MHz, 64MB de memória RAM;
• Placa Geradora / Receptora, IPR-100 (Pulser / Receiver Card, 100MHz, saída de
50 a 400V, Physical Acoustics Corporation);
• Programa IPR100 para controle da Placa PAC-IPR-100 (Physical Acoustics
Corporation);
• Pré-amplificador - construído no CEFET, com o integrado AD8000 (esquemático
apresentado no Apêndice 3);
• Fonte estabilizada 12v (Fonte de alimentação modelo FSCC 1503D; número de
serie: 05599/1188; Dawer)
25
• Gerador de Funções (Synthesized Function Generator, modelo DS 345, 30 MHz,
Stanford Research Systems, USA);
• Osciloscópio digital (Hewlett-Packard, modelo 54616B, 500 MHz,2G Sa/s, USA);
• Programa para aquisição de dados e imagens do osciloscópio, BenchLink Scope,
(Hewlett-Packard, HP 34810B, Versão 1.5);
• Cabos coaxiais 50Ω;
• Tanque de vidro;
• Corpo de prova de alumínio.
II.1.3.2 METODOLOGIA
Para determinar o espectro de freqüência do transdutor, o teste foi realizado
posicionando o transdutor perpendicular ao corpo de prova, de modo a obter a melhor
amplitude do sinal de eco.
Na Figura II-10 é mostrado como o sistema foi montado.
Figura II-10 – esquema de montagem do sistema para teste dos transdutores.
O gerador de funções, Stanford Research Systens, é ligado à placa geradora de
pulsos IPR100 para fazer o sincronismo. A freqüência de emissão dos pulsos que excitam
o transdutor é determinada através da freqüência do sincronismo da placa IPR100. Neste
experimento foi usada a freqüência de 1 kHz
O pulso de excitação inicial é enviado ao transdutor posicionado perpendicular ao
corpo de prova (placa de alumínio). O transdutor converte o pulso inicial, que é uma onda
elétrica, em uma onda mecânica ultra-sônica que ao atingir o alvo é refletido gerando um
26
sinal de eco. Esse eco, que é uma onda mecânica ultra-sônica, é recebido pelo transdutor
que o converte em uma onda elétrica.
O sinal de eco é amplificado pelo integrado AD8000. Na placa onde foi montado o
AD8000, foi também implementado um sistema de proteção (expander – limiter) [19], [20]
para proteger o circuito receptor. Em seguida, o sinal de eco é enviado para o osciloscópio
que faz a leitura e aquisição pelo programa BenchLink Scope, que gera um arquivo
contendo uma matriz com a respectiva amplitude do sinal para cada momento de
aquisição, num total de 1000 pontos, numa freqüência de amostragem de 2 G Sa/s.
Os valores usados no programa que controla a placa IPR100 foram:
• Pulser echo: check
• Pulser voltage (v): 350
• Damping (ohms):56
• Energy level (µJ): 78,9
• Wide band: check
• Gain (dB): 18
Os valores de configuração do gerador de pulso foram:
• Modulation: 1MHz
• Function: Onda quadrada
• Sweep: Limi SWP
• Modulate: Single
II.1.3.3 PROCESSAMENTO DOS SINAIS
O arquivo contendo os pontos das amplitudes do sinal de eco é salvo em um
arquivo em forma de texto para ser importado pelo Matlab.
Usando a rotina de programação do Matlab, que está no apêndice 1, é feito o
gráfico com o eco do transdutor. A fim de melhorar a precisão dos testes, os pontos que
efetivamente não fazem parte do eco são descartados da matriz que contem as
amplitudes dos pontos aquisitados , conforme descrito no item II.1.3.2, gerando assim um
novo arquivo.
Para determinar a largura de banda e a freqüência central do transdutor, é usado o
programa do apêndice 2, que é executado no Matlab. Os dados usados na alalise são os
do arquivo contendo a matriz com os pontos do sinal salvos pelo osciloscópio, onde a
transformada rápida de Fourier (FFT) transforma a resposta do transdutor , que está no
tempo, para freqüência.
As fórmulas usadas para levantar os valores característicos do transdutor foram [9]:
• Freqüência de corte inferior (fci):
Freqüência associada ao ponto 6dB à esquerda de maior amplitude da transformada
27
• Freqüência de corte superior (fcs):
Freqüência associada ao ponto 6dB à direita de maior amplitude da transformada
• Freqüência central (fc):
(fcs + fci) / 2 Equação 7
• Largura de banda (BW):
BW = (fcs - fci) / fc * 100% Equação 8
II.2 SIMULADOR DE ESCOAMENTO
Com o objetivo de simular o escoamento bifásico água / ar dentro de uma
tubulação, foi construído um sistema que permitisse simular o comportamento desse fluido
II.2.1 MATERIAIS
Para a construção do tubo de teste, foram usados os seguintes materiais:
• Tubo de acrílico com 63,5 mm de diâmetro (2 ½’’), 500 mm de comprimento
e 6,67 mm de espessura da parede externa;
• Bucha de redução 63,5 mm (2 ½’’) para 50,8 mm (2’’);
• Cap roscavel de 50,8 mm (2’’);
• Luva de 12.7 mm (½’’);
• Plug roscavel de 12.7 mm (½’’);
• Araldite (tempo de cura: 24 horas, Vantico, Brasil);
• Bastão de acrílico;
• Disco de acrílico;
• Lâmina de madeira.
II.2.2 MONTAGEM
O sistema consiste de um tubo de acrílico com um êmbolo para provocar as
oscilações da água em seu interior.
A escolha do acrílico se deve ao fato que sua impedância ser próxima a do PVDF,
facilitando com isso a propagação da onda ultra-sônica na parede do tubo. Além disso, o
acrílico permite que seja observado o fluxo interno do tubo e se comparar os resultados
medidos pela técnica ultra-sônica com o método visual.[5]
O detalhamento do sistema e seu suporte estão nos apêndices 4 e 5
28
II.3 DETERMINAÇÃO DA INTERFACE ÁGUA / AR
Os experimentos de determinação da interface foram realizados no sistema de
simulação de escoamento. Os transdutores usados foram, alem dos dois construídos, um
comercial, para efeito de comparação. Neste experimento, não há movimentação da água
dentro do tubo
II.3.1 EQUIPAMENTOS
Os seguintes equipamentos foram utilizados para realização dos testes:
• Microcomputador PC, processador AMD K6/2 450MHz, 320MB de memória RAM;
• Microcomputador PC, processador CELERON 300MHz, 64MB de memória RAM;
• Placa Geradora / Receptora, PAC-IPR-100 (Pulser / Receiver Card, 100MHz, saída
de 50 a 400V, Physical Acoustics Corporation);
• Programa IPR100 para controle da Placa PAC-IPR-100 (Physical Acoustics
Corporation, USA);
• Pré-amplificador - construído no CEFET, com o integrado AD8000 (esquemático no
apêndice 3);
• Fonte estabilizada 12v (Fonte de alimentação modelo FSCC 1503D; número de
serie: 05599/1188; Dawer);
• Gerador de Funções (Synthesized Function Generator, modelo DS 345, 30 MHz,
Stanford Research Systems);
• Transdutor - NDT SN-02905;
• Cabos coaxiais 50Ω para conexão;
• Tubo de acrílico;
• Labview Versão 6.0;
• Placa de aquisição (NI5112; National);
II.3.2 PROCEDIMENTOS DO TESTE PARA DETERMINAÇÃO DA INTERFACE
O teste tem como objetivo determinar a espessura da lâmina de água dentro do
tubo de acrílico, comparando os resultados das técnicas por ultra-som e visual.
O método utilizado no experimento foi o pulso eco [9], [7], [6], [11]
Na Figura II-11 é mostrado como o sistema foi montado e na Figura II-12 o mesmo
já montado no laboratório.
29
Figura II-11 – esquema de montagem para o teste de determinação da interface.
Figura II-12 – sistema montado para o teste de determinação da interface.
O sistema montado funciona da seguinte forma:
O gerador de funções, que determina a freqüência de emissão de pulsos, é
configurada com os seguintes parâmetros:
• Modulation: 1KHz
• Function: Onda quadrada
30
• Sweep: Limi SWP
• Modulate: Single
Os valores usados no programa que controla a placa IPR100 foram:
• Pulser Echo
• Pulser voltage (v): 350
• Danping (ohms):56 Ω
• Energy level (uJ): 78,9
• Filter:
o LP: 17,5 Hz
o HP: 0,5 Hz
• Gain (dB): 19
O pulso inicial gerado pela placa IPR100 é enviado ao transdutor posicionado na
parte inferior do tubo de acrílico. O transdutor converte o pulso, que é uma onda elétrica,
em uma onda mecânica ultra-sônica que ao atingir cada interface dos diferentes meios
(acrílico - água e água - ar) é refletido, gerando ecos. Esse eco, que é uma onda mecânica
ultra-sônica, é recebido pelo mesmo transdutor que é convertido em uma onda elétrica
novamente.
O sinal de eco é amplificado pela placa IPR-100 e pelo pré-amplificador. Em
seguida, o sinal é enviado para a placa digitalizadora, National NI5112, e para o
osciloscópio.
O osciloscópio, além de permitir a monitoração visual do sinal, atua no
armazenamento e transferência de dados para o computador através do programa
BenchLink Scope, que gera um arquivo contendo uma matriz com a respectiva amplitude
do sinal para cada momento de aquisição, num total de 1000 pontos aquisitados numa
freqüência de amostragem de 2 G Sa/s. Para determinar a espessura da lâmina de água,
foi calculado o tempo gasto pela onda ultra-sônica para percorrer a distância entre o
transdutor e o seu retorno ao mesmo, isto é, o tempo entre o pulso inicial e o eco da
interface água-ar.
A fórmula usada foi:
E = V * t / 2 Equação 9
Onde:
E = espessura da lamina d’água
V = velocidade do som na água (1480 m/s)
31
t= o tempo gasto pela onda ultra-sônica para percorrer a distância entre o
transdutor e o seu retorno ao mesmo (t / 2= tempo gasto pela onda chegar a
interface água-ar)
Os dados coletados através do programa BenchLink Scope são analisados com o
auxilio de uma planilha eletrônica, onde é verificado o tempo entre o pulso inicial e o ponto
de maior amplitude do sinal de eco. Um exemplo de uso da planilha é mostrado na Figura
II-13.
Figura II-13 - Planilha eletrônica usada para os cálculos
A placa NI5112 utilizada para aquisição dos dados possui 16MB de memória
interna. A aquisição dos dados pela placa é feita usando primeiramente a própria memória
para depois os dados serem transferidos para o PC, onde são processados.
O programa elaborado no Labview controla a placa digitalizadora e analisa o sinal,
dando como resposta a medida da lâmina de água dentro do tubo.
Através da tela inicial do programa é possível definir os parâmetros para o
tratamento das informações e geração dos gráficos. Um exemplo da tela do programa em
funcionamento é mostrado na Figura II-14, e as principais funções são descritas abaixo:
• Resource Name – Hardware a ser utilizado;
• Vertical Range – Escala de entrada do dispositivo em volts;
32
• Channel Name – Canal de entrada do sinal (relativo ao hardware
configurado no item resource name).
• Trigger source – Canal utilizado para o trigger;
• Trigger Delay – Tempo inicial da aquisição a ser desprezado;
• Trigger level – Opção de configuração do trigger;
• Timeout – Tempo de espera pela inicialização da aquisição. Se ao final do
tempo estipulado a aquisição não estiver em andamento por falta de sinal
de trigger ou falha do dispositivo, é gerado uma mensagem de erro.
• Min sample rate – Mínima freqüência de amostragem;
• Min record length – Número de pontos amostrados;
• Numbers of records - números de pontos que serão calculados a partir da
amostra aquisitada.
• Plot? - Habilitação da plotagem dos dados de aquisitados pelo programa.
Figura II-14 – Tela do programa desenvolvido no Labview.
33
A lógica do programa para medir a altura da coluna d’água consiste em medir o
tempo decorrido do pulso inicial, gerado pela IPR-100 (pulso do sincronismo), até o sinal
de maior amplitude que for aquisitado antes que inicie o próximo pulso de sincronismo.
Esse tempo é dividido pela metade, pois ele corresponde ao tempo gasto pela onda ir e
voltar até a interface da água com o ar, e depois multiplicado pela velocidade do som na
água, gerando assim a altura da coluna d’água.
Para analise da espessura da lâmina de água pelo método visual, foi posicionada
uma régua graduada perpendicular ao tubo com água.
II.3.3 PROCEDIMENTOS DO TESTE PARA TRAÇAR O PERFIL DE ESCOAMENTO
A metodologia empregada foi a mesma utilizada para os testes de determinação da
interface água-ar. A principal diferença é que agora o sistema é colocado em movimento,
pela pressão sobre o êmbolo e os dados são coletados em tempo real, pois o programa do
Labview é posto à funcionar de modo continuo, isto é, aquisitando e calculando vários
pontos continuamente, e assim traçado o perfil da passagem (nível) da água por um ponto.
34
III RESULTADOS
III.1 TRANSDUTORES
Os transdutores construídos, de acordo com o procedimento descrito no tópico II.1
e com as características apresentada na tabela Tabela II-1, são mostrados na Figura III-1.
e na Figura III-2
Figura III-1 - Vista frontal dos transdutores. Figura III-2 - Vista lateral dos transdutores.
Na Figura III-3 e na Figura III-4 é mostrado o detalhe da face frontal dos
transdutores
Figura III-3 – Detalhe da face frontal do
Transdutor 1.
Figura III-4 - Detalhe da face frontal
do Transdutor 2.
III.2 TESTE DOS TRANSDUTORES
As etapas para obter-se os valores para o espectro de freqüência normalizado dos
transdutores construídos, conforme a metodologia de testes descritos no item II.1.3, são
apresentados, abaixo.
35
Na Figura III-5 e Figura III-6 são mostrados as imagens do pulso e do eco obtidas
diretamente da tela do osciloscópio. Este sinal, conforme mencionado anteriormente, é
salvo e analisado posteriormente, utilizando-se o MatLab.
Figura III-5 - Imagem do pulso-eco no
osciloscópio do transdutor 1
Figura III-6 - Imagem do pulso-eco no
osciloscópio do transdutor 2
A Figura III-7 e Figura III-8 mostra os mesmo sinais de pulso e eco plotados
anteriormente, usando o programa Matlab.
Figura III-7 - Pulso-eco do transdutor
1 processado no Matlab
Figura III-8 - Pulso-eco do transdutor 2
processado no Matlab
Para melhor visualização, deslocou-se a base de tempo de forma a aparecer na
tela apenas o sinal do eco. Isto pode ser observado na Figura III-9 e na Figura III-10. Na
Figura III-11 e na Figura III-12 os mesmos sinais já processados pelo Matlab.
36
Figura III-9 - imagem do eco do transdutor 1
no osciloscópio
Figura III-10 - imagem do eco do transdutor 2
no osciloscópio
Figura III-11 - Eco do transdutor 1
processado no Matlab
Figura III-12 - Eco do transdutor 2 processado
no Mat lab
Pode-se observar, através do calculo da FFT para os dois transdutores, conforme
Figura III-13 e Figura III-14 a resposta em freqüência.
Figura III-13 - espectro de freqüência do
transdutor 1
Figura III-14 - espectro de freqüência do
transdutor 2
37
Para uma análise mais rigorosa da resposta em freqüência, expande-se um pouco
mais a base de tempo do osciloscópio, de forma a visualizar apenas o sinal de eco,
conforme Figura III-15 e Figura III-16 .
Figura III-15 - Eco do transdutor 1 isolado do
sinal
Figura III-16 - Eco do transdutor 2
isolado do sinal
O resultado da FFT, Figura III-17 e Figura III-18, mostra o espectro de freqüência
normalizado para os transdutores construídos.
Figura III-17 - espectro de freqüência do
transdutor 1 feita com o eco isolado
Figura III-18 - espectro de freqüência do
transdutor 2 feita com o eco isolado
Pode-se observar que, quando é feita a FFT com o sinal de eco isolado do restante
dos sinais captados pelo osciloscópio, maior é a precisão dos cálculos para determinação
da resposta do transdutor, pois parte dos ruídos aquisitados no experimento são excluídos
da analise do sinal.
A Figura III-19 e Figura III-20 apresenta o espectro de freqüência dos transdutores
com os pontos de corte superior e inferior, distantes 6dB do ponto máximo.
38
Figura III-19 - pontos da freqüência de corte
superior e inferior do transdutor 1
Figura III-20 - pontos da freqüência de corte
superior e inferior do transdutor 2
Na Tabela III-1 são relacionados os valores dos resultados obtidos durante os
testes. Os valores levantados foram a freqüência de corte inferior (fci), freqüência de corte
superior (fcs), freqüência central (fc) e a largura de banda (BW)
Tabela III-1 - Resultado da resposta dos transdutores construídos
Tradutor
fci
(MHz)
fcs
(MHz)
fc
(MHz)
BW
(%)
TR#1
11,00 40,50 25,75 115%
TR#2
12,30 43,00 27,65 111%
Observa-se que as características dos transdutores são próximas, e que as
diferenças apresentadas se devem ao fato da construção ser um processo artesanal,
podendo haver variações devido a fatores humanos. Pelo fato da lente protetora do
transdutor ser fina e plana, não houve interferência na propagação do sinal, como
observado nos resultados próximos, mostrado na Tabela III-1, obtidos pelos dois
transdutores.
III.3 DETERMINAÇÃO DA INTERFACE ÁGUA / AR - ESTÁTICO
A medida pelo método visual que consiste em medir a altura do nível da água com
uma escala graduada, como descrito no item II.3.2, pode ser observado na Figura III-21 e
na Figura III-22, o resultado das medidas para os dois níveis de água utilizados nos
experimentos
39
Figura III-21 - Resultado da medição pelo método visual (1° medição)
Figura III-22 - Resultado da medição pelo método visual (2° medição)
A determinação da interface, usando a planilha eletrônica para analisar os dados
colhidos pelo método pulso-eco, com o transdutor posicionado na parte inferior do sistema
de simulação de escoamento, conforme descrito no Item II.3.2, obteve-se o resultado, para
um dos testes, conforme mostrado na Figura III-23.
40
Figura III-23 - Resultado do teste do Transdutor 1 para a medição da interface
usando a planilha eletrônica para coluna d’água de 2,5 cm
Os dados de todas as análises dos sinais tratados pela planilha eletrônica são
apresentados na coluna “osciloscópio” na Tabela III-2 para a medida de coluna d’agua de
1,4 cm e na Tabela III-3 para a medida de coluna d’água de 2,6 cm
Para determinação da interface através do programa elaborado no LabView, como
descrito no Item II.3.2, onde o transdutor é posicionado na parte inferior do tubo e o
sistema permanece em repouso, obteve-se o resultado para um dos testes na Figura
III-24, para o sistema em repouso.
Figura III-24 - Resultado do teste do Transdutor 1 para a medição da interface
usando o Matlab para coluna d’água de 1,4 cm
Os resultado do processamento dos sinais tratados pelo Labveiw são apresentados
na coluna “LabVeiw” nas Tabela III-2 e na Tabela III-3
41
Com a finalidade de validar os diversos métodos de determinação da interface
água-ar, foi comparado as diversas técnicas usadas, obtido-se os resultados mostrados na
Tabela III-2 para uma coluna d’agua de 1,4 cm e na Tabela III-3 para uma coluna d’agua
de 2,5 cm
Tabela III-2 - Resultado das medições da interface dos métodos utilizados, para 1,4
cm de coluna d’água (medidas em centímetros)
Transdutor Método Visual LabVeiw Osciloscópio
TR#1 1,40 1,41 1,40
TR#2 1,40 1,43 1,42
TR#3 1,40 1,39 1,39
Tabela III-3 - Resultado das medições da interface dos métodos utilizados, para 2,5
cm de coluna d’água (medidas em centímetros)
Transdutor Método Visual LabVeiw Osciloscópio
TR#1 2,50 2,47 2,46
TR#2 2,50 2,52 2,52
TR#3 2,50 2,52 2,53
Na Tabela III-4 e na Tabela III-5 são apresentados o erro percentual em relação a
medida pelo método visual
Tabela III-4 – Erro percentual em ralação à medida pelo método visual para 1,4 cm
de coluna d’água
Transdutor LabVeiw Osciloscópio
TR#1
-0,71% 0,00%
TR#2
-2,14% 1,41%
TR#3
0,71% -0,72%
Tabela III-5 - Erro percentual em ralação à medida pelo método visual para 2,5 cm
de coluna d’água
Transdutor LabVeiw Osciloscópio
TR#1
1,20% -1,63%
TR#2
-0,80% 0,79%
TR#3
-0,80% 1,19%
42
III.4 PERFIL DO ESCOAMENTO BIFÁSICO
Os gráficos do escoamento são mostrados na Figura III-25, Figura III-26 e Figura
III-27, obtidas pelo método descrito no item II.3.3, onde os dados obtidos através da placa
de aquisição NI5112, e o programa elaborado no LabView que faz o controle da mesma,
faz a análise do sinal, dando a medida da lâmina de água dentro do tubo.
A abscissa do gráfico corresponde ao tempo, em segundos, em que a aquisição foi
feita, enquanto a ordenada corresponde ao nível na água, em centímetros, no momento da
aquisição.
Figura III-25 - Gráfico do escoamento utilizando o transdutor #1 com o nível da
água em 1,4 cm
Figura III-26 - Gráfico do escoamento utilizando o transdutor #2 com o nível da
água em 2,5 cm
43
Figura III-27 - Gráfico do escoamento utilizando o transdutor #3 com o nível da
água em 2,5 cm
Quanto maior o número de pontos calculados, maior será a janela mostrada para o
escoamento. Por limitação de hardware o tempo máximo de aquisição foi de 0,05
segundos (usando a configuração - freqüência mínima de amostragem: 100MHz; Número
de pontos amostrados: 5000; números de pontos que serão calculados a partir da amostra
aquisitada: 1000)
Figura III-28 - Gráfico do escoamento com ruidos
Durante a realização dos experimentos, foi observado o surgimento de “picos
aleatórios” durante a determinação da altura da coluna de água, como mostrado nas setas
da Figura III-28. Esses “picos” são ruídos que o programa interpreta como variações do
nível de água.
No momento em que ondulações da água se tornam mais rápidas, o pulso inicial
não é refletido perpendicular ao transdutor, diminuindo assim sua amplitude. Como a
lógica do programa para medir a altura da coluna d’água consiste em medir o sinal de
maior amplitude entre dois pulsos de sincronismo, no momento em que não há um retorno
44
do eco, um ruído poderá ser interpretado como o sinal de eco, gerando indicações erradas
de mudança da altura do nível da água no interior do tubo.
45
IV DISCUSSÃO
Apesar dos resultados positivos, alguns aspectos devem ser levantados, que de
alguma forma contribuíram para uma análise menos precisa dos dados.
A cura do material de retaguarda deve ser feita, em uma estufa ou em ambiente de
pouca umidade, caso contrário, o epóxi não seca totalmente, tornando-se pegajoso.
Quanto à confecção da lente para proteger o PVDF com araldite, houveram os mesmos
problemas observados na cura do epóxi de retaguarda, com o agravante que se não bem
seco, o sinal de eco é muito atenuado.
O uso de uma bomba de vácuo para retirar bolhas de ar que podem surgir no
interior do epóxi, também deve ser considerado, pois uma bolha de grande volume pode
interferir no funcionamento do transdutor.
Durante a realização dos testes, uma dificuldade foi o surgimento de interferências,
nos sinais analisados, de fontes não identificadas. Essas interferências foram
problemáticas nos transdutores construídos para o experimento, pois a relação da
amplitude do sinal em relação aos ruídos destes é pequena. O uso de amplificadores com
filtros, atenuaria esse efeito. Já nos transdutores do fabricante NDT esse problema não foi
sentido justamente por apresentar melhor resposta a excitação.
Limitação de hardware também deve ser considerada. A placa NI5112, usada no
experimento para aquisição dos dados, tinha 16MB de memória, como a aquisição dos
dados pela placa é feita usando primeiramente a própria memória para depois os dados
serem transferidos para o PC, onde a placa está instalada e os dados são processados,
não é possível fazer aquisições por um longo tempo, restringindo assim o período de
tempo que será analisado.
Uma observação que se faz necessária quanto ao uso da técnica visual de
inspeção, é o erro por paralaxe. Esse tipo de erro parece ser agravado quando a
dificuldade é de se medir um líquido em um recipiente circular.
Por fim, apesar da técnica de construção de transdutores de PVDF ser bastante
difundida e encontrada em vários artigos e dissertações, a qualidade do transdutor está
diretamente associada à habilidade manual do construtor, por se tratar ainda de um
processo artesanal.
46
CONCLUSÃO
A construção dos dois transdutores utilizados nos experimentos foi feita segundo
metodologia descrita em diversos artigos, sendo que um foi posto uma lente de epóxi. Os
transdutores apresentarem respostas satisfatórias para serem usados nos experimentos
de determinação da interface. As características dos transdutores foram próximas, as
diferenças apresentadas devem-se ao fato do processo artesanal de construção, e a
camada frontal de epóxi, utilizada na lente frontal, não acarretou em grandes variações
nas freqüências de corte e central.
Com o objetivo de simular o escoamento bifásico água / ar, dentro de uma
tubulação, foi construído um sistema, composto de um tubo de acrílico com um êmbolo
para provocar as oscilações da água em seu interior, permitindo simular o comportamento
de movimento desse fluido.
Os experimentos de determinação da interface água-ar foram realizados no
sistema de simulação de escoamento. Os transdutores usados foram, além dos dois
construídos, um comercial, para comparação dos resultados. Neste experimento, água
dentro do tubo na foi colocada em movimento. Compara-se a leitura da medida da coluna
d’água extraída pelo programa em Labview e pelo arquivo armazenado pelo osciloscópio,
tomando-se como referência a leitura feita pelo método visual e calcula-se o erro
percentual. Os erros percentuais calculados foram inferiores a 2%, indicando que a
metodologia aplicada possui grande potencial para determinação da medida da coluna
d’água numa interface água-ar.
A metodologia empregada para traçar o perfil de escoamento foi a mesma utilizada
para os testes de determinação da interface água-ar. A principal diferença é que agora o
sistema é colocado em movimento, pela pressão sobre o êmbolo e os dados são
coletados em tempo real, sendo calculando vários pontos da coluna d'água,
continuamente, traçado assim o perfil da passagem (nível) da água por um ponto. Como
resultado deste experimento, obteve-se o gráfico com o perfil de escoamento para um
intervalo de tempo, e a possibilidade de acompanhamento, em tempo real, do nível da
lamina d'água em um determinado ponto.
Comparando os resultados das técnicas usadas para determinação da interface,
percebe-se a potencialidade do ultra-som nesse tipo de medida.
Para tubos metálicos, procura-se um material piezelétrico do transdutor, com
características mais adequadas ao casamento de impedância com o tubo, validando toda
a metodologia apresentada nesta dissertação.
47
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143-156 (setembro 1990)
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Associação Brasileira De
Ensaios Não Destrutivos, 2003
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ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/Introduction/description.
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48
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49
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50
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CNEN, 2002
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velocity and interface profiles of horizontal duct wavy flow by ultrasonic velocity
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NDE” NDTnet V.1 No.09, Setembro 1996.
51
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NDT&E International , V. 27, N 5, pp. 263-268, 1994.
[11] V. I. Ivanov and I. E. Vlasov; “Some Problems of Nondestructive Testing”,
Russian Journal of Nondestructive Testing, V. 38, N. 7, pp. 547–556, 2002.
[12] HUNT J. W., ARDITI M. and FOSTER F> S.; “ Ultrasound Transducers for
Pulse-Echo Medical Imaging”, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol.
BME-30, Nº 8, pp. 453-481, August 1983.
52
APÊNDICES
Apêndice 1 - Programa MatLab
Legenda:
e_a.txt - nome do arquivo
2000000000 - freqüência de amostragem em Hertz
1000 - número de pontos da amostra
500 - metade do número de pontos da amostra
501 - metade do número de pontos da amostra mais 1
Programa para imprimir o gráfico
load e_a.txt
x=e_a(:,2);
t=e_a(:,1);
plot (t,x)
ylabel('Voltage (V)')
xlabel('Tempo (s)')
53
Apêndice 2 - Programa MatLab
Legenda:
e_a.txt - nome do arquivo
2000000000 - freqüência de amostragem em Hertz
1000 - número de pontos da amostra
500 - metade do número de pontos da amostra
501 - metade do número de pontos da amostra mais 1
Programa FFT
load e_a.txt
x=e_a(:,2);
x=x-mean(x);
G=fft(x,1000);
Gyy=G.*conj(G)/1000;
g=2000000000*(0:500)/1000;
Gyy=10*log10(Gyy);
plot(g,Gyy(1:501));
ylabel('Amplitude (dB)')
xlabel('Frequência (Hz)')
54
Apêndice 3 – Esquemático do pré-amplificador
55
Apêndice 4 - Desenho do tubo de acrílico
56
Apêndice 5 - Desenho do suporte do tubo
57
Apêndice 6 - Diagrama de blocos do programa do Labview
CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA
CELSO SUCKOW DA FONSECA - CEFET/RJ
DIRETORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO
COORDENADORIA DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA
DISSERTAÇÃO
CONSTRUÇÃO DE UM SISTEMA PARA SIMULAR ESCOAMENTO BIFÁSICO, COM A
INTERFACE ÁGUA-AR, DETERMINADA POR ULTRA-SOM
Leandro Coutinho Cremonezi
DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO PROGRAMA DE PÓS-
GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA
A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM TECNOLOGIA.
Data da defesa: 27/04/2006
Aprovação:
__________________________________________
Carlos Henrique Figueiredo Alves, D. Sc.
__________________________________________
Maurício Saldanha Motta, D. Sc.
__________________________________________
Carlos Alfredo Lamy, D. Sc.
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