Investigação inicial da estimativa de vazão de uma torneira residencial via vibração medida na válvula registro - Torres, Cleber Lucena [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2022)
Atualmente, os métodos convencionais de medição de vazão são intrusivos, havendo a necessidade de instalação de medidores de vazão nas tubulações que transportam o fluido. Algumas investigações já foram conduzidas para desenvolver técnicas de medição de vazão não intrusivas, principalmente usando sinais vibroacústicos aquisitados diretamente na tubulação, onde a vibração induzida pelo escoamento pode ser utilizada para estimar a vazão. No entanto, tais técnicas são muito precisas para altos valores de vazão que estão relacionados ao nível de vibração, especialmente quando o escoamento é turbulento. Este não é o caso quando se considera a vibração do ruído de componentes geralmente encontrados em residências, como torneiras, onde o fluxo de água é muito menor do que nos casos industriais. Aqui, para ruído gerado pela passagem de água pela torneira, a vibração induzida é medida em uma válvula do tipo registro. Os sinais de vibração aquisitados, para diferentes vazões da torneira, são analisados por meio do processamento de sinais clássicos no domínio do tempo e no domínio da frequência, usando técnicas clássicas de vibração como Root Mean Square (RMS), Assimetria (Skewness), Curtose, Densidade Espectral de Potência (Power Spectral Density - PSD) e Coerência, de forma a caracterizar o problema, verificar a influência de possíveis variações de pressão e vazão da rede de alimentação de água na residência onde se encontra o objeto de estudo, tanto para medições realizadas em pequenos intervalos de medições, quanto com medições realizadas em dias distintos, mantendo-se próximas, em ambos os casos, as condições de medições, para verificar a influência da localização (distância) da torneira ao ponto de medida (válvula), bem como, a influência do uso de acelerômetros com diferentes sensibilidades. Por fim, o método de Decomposição de Modo Variacional (Variational Mode Decomposition – VMD), associado a PSD, são então usados para fornecer uma estimativa das larguras de banda de frequência representativas da resposta de vibração da válvula, devido a excitação de ruído provocada pela passagem de água no mecanismo de abertura e fechamento da torneira. Um método é proposto, filtrando os sinais com as bandas de frequência determinadas para atenuar o ruído de fundo, calculando os valores RMS para estas bandas de frequência, assim como suas frequências centrais e frequências de pico. Verificou-se que o método proposto é eficaz para estimar a vazão das torneiras via vibração de válvulas em duas faixas distintas de vazão, faixa de baixa e alta vazão, atingindo um erro de estimativa, no geral, menor que 10% para a maioria das vazões estimadas. Não foi possível estimar as vazões para uma faixa intermediária de vazão, mas é possível dizer que se trata de vazão moderada em uma faixa de vazão específica. Além de estimar a vazão da torneira via vibração da válvula do tipo registro, os resultados desta pesquisa podem ser usados para outras aplicações, como, por exemplo, para detecção de vazamentos em tubulações e acessórios, uma vez que a energia vibratória relacionada a estes vazamentos se assemelha a energia vibratória de uma torneira em uso. Também é possível, talvez, aplicar nas indústrias, sendo uma alternativa viável de medição de vazão de baixo custo, não intrusiva e de fácil manutenção, quando comparado aos medidores existentes atualmente no mercado.

Actually, conventional flow measurement methods are intrusive, and flow meters need to be installed in pipelines conveying fluid. Some investigations have already been conducted to develop non-intrusive flow measurement techniques, mainly via using vibroacoustic signals acquired straight on the pipe, where the flow induced vibration can be used to estimate the flow rate. However, such techniques are very accurate for high flow rate values which are related to the level of vibration specially when the flow is turbulent. This is not the case when considering water consumption in ordinary residential houses, such as via using a tap, where the vibration associated with the noise induced via the water flow is much smaller than for industrial cases. Hence, for the tap noise, the induced vibration is measured in a register valve. The vibration signals acquired for different flow rates of the tap are analyzed through classic signal processing techniques in the time domain and in the frequency domain, such as the Root Mean Square (RMS), Skewness, Kurtosis, Power Spectral Density (PSD) and Coherence, in order to characterize the problem, verify the influence of possible variations in pressure and flow rate of the water supply network in the residence where the object of study is located, both for measurements carried out in small time intervals between them, as well as with measurements carried out on different days, keeping similar measurement conditions in both cases, to verify the influence of the location (distance) from the tap to the measurement point (valve) and the results when accelerometers with different sensitivities are used. Besides, the Variational Mode Decomposition (VMD) method, associated with PSD, are then used to provide an estimate of frequency bandwidths representative of the valve's vibration response, due to the noise excitation caused by the passage of water in the opening and closing mechanism of the tap. A method is proposed, filtering the signals with the frequency bands determined to attenuate the background noise, calculating the RMS values for these frequency bands, as well as their central and peak frequencies. It was verified that the proposed method is effective in estimating the flow rate of the tap via valve vibration in two different flow ranges, low and high flow range, reaching an estimation error, in general, less than 10% for most of the estimated flows. It was not possible to estimate the flows rate for an intermediate flow range, but it is possible to say that it is a moderate flow in a specific flow range. In addition to estimating the flow rate of the tap via measuring the response of the gate valve connected to the system, the results of this research can be used for other applications, such as, to detect leaks in pipes and fittings, since the vibratory energy related to these leaks resembles the vibrating energy of a tap when used. It is also possible, perhaps, to have an industrial application, so being a viable alternative with low cost, non-intrusive and easy maintenance flow measurement, when compared to the existing methods on the market.
Initial investigation on flow rate estimation of a residential water tap via measuring the vibration response of a gate valve connected to the system
Keywords: Medição de vazão; Vibração de válvulas; Vibração de torneiras; Técnicas não intrusivas de medição de vazão; Decomposição do modo variacional; Flow rate estimation; Valve noise; Tap noise; Non-intrusive flow measurement techniques; Variational mode decomposition