[pt] As propriedades mecânicas, reológicas e elétricas do polímero poli (fluoreto de vinilideno) – PVDF – têm sido extensivamente estudadas, mas em particular é sua propriedade piezoelétrica que motiva a maior parte dos trabalhos, visto que a piezoeletricidade ocorre em poucos materiais e é mais intensa no PVDF em relação a outros polímeros. O fator chave que define a faixa de aplicação de polímeros piezoelétricos é a sua utilização na concepção de transdutores, sensores e atuadores. Neste sentido, a presente pesquisa analisa a aplicabilidade do polímero PVDF em tubulações para medição de vazão de água, empregando como método de medição de vazão a técnica de Flow Induced Vibration (FIV), considerando as propriedades piezoelétricas peculiares do polimorfo PVDF-B(beta). De modo geral, a FIV é um fenômeno que causa instabilidade das tubulações que transportam fluidos, tido como um problema operacional que ocorre em muitas plantas industriais. No entanto, este fenômeno passou a ser investigado como uma técnica de medição de vazão, a qual considera que a massa de um fluido pode ser indiretamente medida, medindo-se a aceleração que ela transmite para outro corpo, de modo que o desvio padrão do sinal da vibração medida aumenta com a vazão, sendo mais bem ajustado por um polinômio de segundo grau. A metodologia de trabalho consistiu em caracterizar o material espectroscopicamente, por meio de técnicas de Espectroscopia no Infravermelho com Transformada de Fourier (FTIR) e Difração de Raios-X (DRX); eletromecanicamente, em um shaker mecânico no Laboratório de Sensores a Fibras Ópticas do Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio; e finalmente em um circuito hidráulico de testes do Laboratório de Escoamento de Fluidos do Departamento de Engenharia Mecânica da PUC-Rio. Ensaios foram realizados de forma a identificar os níveis de tensões elétricas geradas pela vibração oriunda da passagem da água no tubo de PVDF. Visando à comparação com os sinais de vibração, foram realizadas medições simultâneas com acelerômetros e um filme de PVDF. Para medir a deformação no tubo adotaram-se sensores de Rede de Bragg. Os resultados dos ensaios de FIV permitiram concluir que o desvio padrão do sinal da tensão medida pelo tubo de PVDF é proporcional à vazão. No entanto, algumas variáveis precisaram ser controladas. As incertezas associadas à medição de vazão pelo tubo mostraram uma considerável redução nos níveis mais altos de vazão. Por outro lado, nos níveis mais baixos de vazão observou-se uma instabilidade muito grande, possivelmente devido ao processo de acomodação mecânica inicial do tubo. Apesar disso, uma forte relação entre o sinal gerado pelo tubo de PVDF e a vazão que induziu esta vibração permitiu que a aplicabilidade do tubo de PVDF como medidor de vazão de água fosse comprovada. / [en] The mechanical, rheological and electrical properties of polymer poly (vinylidene fluoride) - PVDF - have been extensively studied, but in particular it is its piezoelectric property that motivates most of the works, since the piezoelectricity occurs in few materials and is more intense in PVDF relative to other polymers. The key factor that defines the range of applications of piezoelectric polymers is their use in the conception of transducers, sensors and actuators. In this sense, the present research analyzes the applicability of the PVDF polymer in pipes for the measurement of water flow rate, using as flow measurement method the Flow Induced Vibration (FIV) technique, considering the peculiar piezoelectric properties of the polymorph PVDF-B(beta). In general, the FIV is a phenomenon that causes instability of the pipes that transport fluids, considered as an operational problem that occurs in many industrial plants. However, this phenomenon has been investigated as a flow rate measurement technique, which considers that the mass of a fluid can be indirectly measured by measuring the acceleration it transmits to another body, so that the standard deviation of the signal of the measured vibration increases with the flow rate, being better adjusted by a second degree polynomial. The work methodology consisted in characterizing the material spectroscopically, using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and X-Ray Diffraction (XRD) techniques; electromechanically, in a mechanical shaker at the Optical Fiber Sensors Laboratory of the Mechanical Engineering Department of PUC-Rio; and finally in a test hydraulic circuit of the Laboratory of Fluid Flow of the Department of Mechanical Engineering of PUC-Rio. Tests were carried out in order to identify the levels of electrical voltages generated by the vibration caused by the passage of water in the PVDF tube. In order to compare the vibration signals, simultaneous measurements were made with accelerometers and a PVDF film. To measure the deformation in the tube, Bragg Network sensors were
adopted. The results of the FIV tests allowed concluding that the standard deviation of the voltage signal measured by the PVDF tube is proportional to the flow rate. However, some variables had to be controlled. The uncertainties associated with flow rate measurement by tube showed a considerable reduction in the higher flow rates. On the other hand, in the lower levels of flow rate a very great instability was observed, possibly due to the process of initial mechanical accommodation of the tube. Nevertheless, a strong relationship between the signal generated by the PVDF tube and the flow rate that induced this vibration allowed that the applicability of the PVDF tube as a water flow meter was proved.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:36025 |
| Date | 09 January 2019 |
| Creators | KHRISSY ARACELLY REIS MEDEIROS |
| Contributors | JOSE ROBERTO MORAES D ALMEIDA |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | TEXTO |
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