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USO DO ULTRASSOM: MEDIÇÃO DE VAZÃO DE GÁS NATURAL NA
INDÚSTRIA DO PETRÓLEO
Conference Paper · January 2015
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Gilson F Lima
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia (IFBA)
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USO DO ULTRASSOM: 
MEDIÇÃO DE VAZÃO DE GÁS NATURAL 
NA INDÚSTRIA DO PETRÓLEO.
Gilson F. Lima
Engenharia Eletrônica, UPE – 1992
X Encontro Nacional de Estudantes de 
Engenharia Elétrica - ENEEEL 2015.
O QUE VEREMOS NESTE MINICURSO?
• O que é o ultrassom e suas características;
• Medição de vazão de fluidos com o ultrassom;
• Calibração de medidores de vazão ultrassônicos.
Conceitos sobre 
Ultrassom
O QUE É ULTRASSOM?
https://www.youtube.com/
watch?v=G74ptOyzDtg
Onda sonora é uma onda mecânica que necessita de um
meio material para se propagar.
Assim, diferentemente da onda eletromagnética, a onda
sonora não se propaga no vácuo.
As ondas sonoras são consideradas ondas de pressão, ou seja,
ondas que se propagam a partir de variações de pressão do
meio. Por exemplo, quando um músico bate em um tambor
musical, a vibração da membrana produz alternadamente
compressões e rarefações do ar, ou seja, produz variações de
pressão que se propagam através do meio, no caso, o ar.
Ondas sonoras que possuem frequência abaixo de 20 Hz
são denominadas infrassons e as ondas que possuem
frequência superior a 20.000 Hz são denominadas
ultrassons.
O QUE É ULTRASSOM? Freq. > 20kHz
Propagação da onda sonora no ar
Sinal de ultrassom produzido
Tensão aplicada x 
Deformação no cristal
PRINCÍPIOS DA GERAÇÃO DO ULTRASSOM:
PRINCÍPIOS DA GERAÇÃO DO ULTRASSOM: 
Modos de propagação dos sinais
A onda ultrassônica é uma onda 
mecânica que se propaga em 
uma frequência fundamental 
superior a 20 kHz. 
Esta onda é gerada com uma 
perturbação em um meio 
material e se propaga 
basicamente de duas maneiras, a 
saber: longitudinalmente e 
transversalmente. 
[Bruno César de Andrade Silva, 
2012]
“ESTUDO DAS INCERTEZAS NA MEDIÇÃO DE ESPESSURA POR ULTRASSOM EM PEÇAS AERONÁUTICAS” -DISSERTAÇÃO MESTRADO –
PPGEMTM – CEFET/RJ 
PRINCÍPIOS DA GERAÇÃO DO ULTRASSOM: 
Modos de propagação dos sinais
São as ondas, cuja direção em 
que vibram as partículas, ou seja 
direção de vibração, é a mesma 
que a direção de propagação da 
onda.
As ondas longitudinais podem 
ser transmitidas em meios 
sólidos, líquidos ou gasosos.
Ondas longitudinais mecânicas 
são também chamadas de ondas 
compressionais ou ondas de 
compressão.
[Cezar Yukata Ofuchi, 2011]
TÉCNICAS AVANÇADAS PARA ANÁLISE DE ESCOAMENTO BIFÁSICO GÁS-LÍQUIDO EM GOLFADAS
PRINCÍPIOS DA GERAÇÃO DO ULTRASSOM: 
Modos de propagação dos sinais
Ondas transversais são 
aquelas em que a direção de 
vibração é perpendicular à 
direção de propagação da 
onda.
As ondas transversais se 
propagam em meio sólido, e 
muito pouco nos meios 
líquidos e gasosos.
No caso do escoamento 
bifásico água - ar, o modo de 
propagação predominante é 
o das ondas longitudinais.
[Cezar Yukata Ofuchi, 2011]
TÉCNICAS AVANÇADAS PARA ANÁLISE DE ESCOAMENTO BIFÁSICO GÁS-LÍQUIDO EM GOLFADAS
- MEDIÇÃO DE VAZÃO DE FLUIDOS
USO DE ULTRASSOM NA INDÚSTRIA
VAZÃO ou FLUXO: 
quantidade de fluido (liquido, gás ou 
vapor) que passa pela seção reta de 
um duto por unidade de tempo.
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL
O termo instrumentação é utilizado para se referir à área de trabalho dos técnicos e
engenheiros que lidam com processos industriais (técnicos de operação,
instrumentistas, engenheiros de processamento, de instrumentação e de
automação), mas também pode estar relacionado aos vários métodos e técnicas
possíveis aplicadas aos instrumentos.
Instrumentação é 
definida como “a 
ciência que estuda, 
desenvolve e aplica 
instrumentos de 
medição e controle de 
processos” em plantas 
industriais.
Instrumentação Para Aquisição do Ultrassom
Um dispositivo típico para Emissão Acústica (EA) consiste dos seguintes 
componentes:
• Sensores: usados para detetar eventos de Emissão Acústica;
• Pré-Amplificadores e Amplificadores: amplificação inicial de sinal. Ganhos 
típicos de amplificação da ordem de 40 a 60 decibéis. 
• Cabos: transferem sinais em distâncias de até 200m dos dispositivos 
sensores de EA. Os cabos são tipicamente do tipo coaxial.
• Dispositivos de Medição e Processamento de dados: filtragem de sinais, 
avaliação de parâmetros, análise e classificação de dados e representação 
gráfica.
MEDIR VAZÃO... Como se Faz Isso?
VAZÃO DE GÁS NATURAL EM TUBULAÇÃO
MEDIDOR DE VAZÃO COM PLACA DE ORIFÍCIO
MEDIDOR DE VAZÃO MAGNÉTICO
EQUAÇÃO GERAL DA MEDIÇÃO DE VAZÃO
MEDIDOR DE VAZÃO MÁSSICO CORIOLIS
MEDIÇÃO DE VAZÃO DE GÁS NATURAL
INDÚSTRIA DO PETRÓLEO & GÁS
MEDIÇÃO DE VAZÃO DE GÁS NATURAL
INDÚSTRIA DO PETRÓLEO & GÁS
• 3.3. BSW (Basic Sediments and Water) - Porcentagem de água e sedimentos em relação ao 
volume total do fluido medido.
• 3.7. Computador de vazão - dispositivo eletrônico, capaz de receber sinal de um medidor de 
vazão e demais dispositivos associados, de uma medição efetuada em determinadas 
condições de escoamento, e efetuar os cálculos necessários paraque este valor de vazão seja 
convertido à condição padrão de medição.
• 3.8. Condição Padrão de Medição - Condição em que a pressão absoluta é de 0,101325 MPa 
e a temperatura de 20ºC, para a qual o volume mensurado do líquido ou do gás é convertido.
• 3.47. Medidor (de vazão ou volume) - Instrumento destinado a medir continuamente , 
computar e indicar o volume ou vazão do fluido que passa pelo sensor sob as condições de 
medição. 
• 3.49. Medidor Padrão de Trabalho - Padrão utilizado rotineira e exclusivamente para calibrar 
ou controlar instrumentos ou sistemas de medição
• 3.54. Ponto de Medição - Localização em uma planta de produção, processo, sistema de 
transferência, transporte ou estocagem onde fica instalado um sistema de medição de 
petróleo ou gás natural utilizado com objetivo de medição fiscal, de apropriação, de 
transferência de custódia e operacional.
• (Resolução Conjunta ANP/INMETRO Nº 1 DE 10/06/2013)
FLUXOGRAMA SIMPLIFICADO DO 
COMPUTADOR DE VAZÃO
SENSORES NO DUTO
P ΔP T
CONFIGURAÇÕES INSERIDAS 
COMPUTADOR VAZÃO
Xi dn placa Dn duto
SIMULADOR
AGA - 8
FATOR COMPRESSIBILIDADE
Z
MASSA MOLECULAR
MM
MASSA ESPECÍFICA
ρ
Saída do CV Apresentação no Supervisório
VISÃO da
INTEGRAÇÃO
MEDIÇÃO DE VAZÃO COM MEDIDOR 
ULTRASSÔNICO
TIT -151
PIT-151
FQIT - 151
SONDA A
SONDA B
MEDIÇÃO DE VAZÃO POR 
CORRELAÇÃO CRUZADA DE SINAIS
Em processamento de sinais, relação cruzada ou correlação cruzada é
uma medida de similaridade entre dois sinais em função de um atraso
aplicado a um deles. Também é conhecida como produto interno
deslizante. A relação cruzada é frequentemente utilizada quando se
deseja procurar por um sinal de curta duração que esteja inserido em um
sinal mais longo. Ela também encontra aplicações em reconhecimento de
padrões, análise de partícula única, criptoanálise e neurofisologia.
MEDIÇÃO DE VAZÃO – CORRELAÇÃO CRUZADA
PRINCÍPIOS 
MEDIÇÃO DE VAZÃO – CORRELAÇÃO CRUZADA
VISÃO DO HARDWARE UTILIZADO
Diferença de Tempo por 
Correlação Cruzada
Ch 1
Ch 2
Normalized cross-correlation function
Δt
)}(max{
21 )()()(
tC
ChCh
tt
dttSStC
=
+=  
Cross-correlation function
O Método de Correlação Cruzada é tipicamente 
aplicado para localização (no tempo) de pontos de 
interesse em sinais contínuos de Emissão Acústica.
MEDIÇÃO DE VAZÃO DE FLUIDOS
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE FLUIDOS COM O MEDIDOR DE 
VAZÃO TIPO ULTRASSÔNICO POR CORRELAÇÃO CRUZADA
Medição de Velocidade por Efeito 
Doppler
Efeito Doppler é uma característica observada nas ondas sonoras, quando 
emitidas ou refletidas por um objeto que está em movimento em relação a 
um referencial, que no caso das ondas sonoras é o ar movimentando as 
partículas que refletem o som.
Som
Subgrave
Som
Agudo
MEDIÇÃO DE VAZÃO DE FLUIDOS
SISTEMA DE MEDIÇÃO BIFÁSICO COM O MEDIDOR VAZÃO TIPO 
ULTRASSÔNICO POR EFEITO DOPPLER
O efeito Doppler se baseia no fato que, quando uma onda de ultrassom de 
frequência ft é transmitida no meio do fluxo, descontinuidade tais como 
bolhas de gás ou partículas sólidas carreadas pelo líquido dispersam a onda 
de ultrassom.
A intensidade de ultrassom recebida no transdutor receptor, dispersa 
(refletida e difratada) pelas partículas em deslocamento ou 
descontinuidades, está associada à frequência Doppler defasada por uma 
quantidade δf, dada por:
MEDIÇÃO DE VAZÃO DE FLUIDOS
SISTEMA DE MEDIÇÃO BIFÁSICO COM O MEDIDOR VAZÃO TIPO 
ULTRASSÔNICO POR EFEITO DOPPLER
MEDIÇÃO DE VAZÃO DE GÁS NATURAL
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE GÁS NATURAL COM O MEDIDOR VAZÃO 
TIPO ULTRASSÔNICO POR TEMPO DE TRÂNSITO
Um medidor de vazão 
ultrassônico utiliza o efeito da 
diferença do tempo de 
propagação, o chamado “tempo 
de trânsito”, de pulsos 
ultrassônicos para a 
determinação da variável 
medida. Este princípio mede o 
efeito da velocidade do fluxo de 
um líquido através sinais 
acústicos bidirecionais. 
Os transdutores são normalmente instalados 
com um ângulo entre 30o e 45o e são 
instalados à montante do fluxo (T1) que 
emite um sinal para um transdutor instalado 
à jusante do fluxo (T2) que, por sua vez, 
emite um sinal de retorno em sentido 
contrário.
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE GÁS NATURAL COM O MEDIDOR 
VAZÃO TIPO ULTRASSÔNICO POR TEMPO DE TRÂNSITO
Tempo de Trânsito – Localização Linear
• Linear location is a time difference method commonly used to locate Acoustic
Emisson (AE) source on linear structures such as pipes. It is based on the 
arrival time difference between two sensors for known velocity.
• Sound velocity evaluated by generating signals at know distances.
( )
1
2
distance from first hit sensor
D = distance between sensors
 wave velocity
d D T V
d
V
= − 
=
=
Material Effective 
velocity in a 
thin rod [m/s]
Shear
[m/s]
Longitudinal 
[m/s]
Brass 3480 2029 4280
Steel 347 5000 3089 5739
Aluminum 5000 3129 6319
PRINCÍPIOS DA MEDIÇÃO POR TEMPO 
de TRÂNSITO (TRANSIT TIME)
A medição de vazão (fluxo) pelo princípio do tempo de trânsito utiliza dois transdutores , 
ambos funcionando como transmissores e receptores de ultrassom. O medidor de fluxo 
opera alternativamente transmitindo e recebendo os pulsos de sinal ultrassônicos entre os 
dois transdutores. Os pulsos são transmitidos ora na direção de escoamento do fluido,
ora em direção contrária ao fluxo.
Devido a energia da onda ser maior 
no mesmo sentido do fluxo, então 
haverá uma diferença entre os 
tempos de trânsito computados.
O tempo de trânsito (ou tempo de 
vôo) dos sinais é precisamente 
medido em ambos as direções e a 
diferença de tempo é calculada.
A diferença de tempo calculada é 
diretamente proporcional à 
velocidade média do fluxo no duto.
Esta velocidade é multiplicada pela 
secção transversal do duto para 
obter-se a vazão medida do fluxo.
MODELAGEM PARA MEDIÇÃO POR 
TRANSIT TIME
Variáveis de interesse da aferição
MODELAGEM MATEMÁTICA DAS 
VARIÁVEIS DE INTERESSE
MONTAGEM E DISPOSIÇÃO DOS 
COMPONENTES DO MEDIDOR
Alinhamento dos 
Transdutores LO medidor de vazão 
ultrassônico é 
utilizado na medição 
da velocidade com 
que o som se propaga 
no fluido ao percorrer 
a distância L entre o 
transdutor que emite 
o sinal e o transdutor 
que o recebe:
V = L tb,a – ta,b
2cos(Θ) tb,a * ta,b
SONDAS E SINAIS ULTRASSÔNICOS
Representação dos pulsos 
recebidos em função do tempo
DESENHO AERODINÂMICO DAS SONDAS
Influência do 
ângulo de ataque 
do vento nas asas 
de um avião
SONDAS E SINAIS ULTRASSÔNICOS
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