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CENTRO PAULA SOUZA

PROGRAMA DE MESTRADO EM TECNOLOGIA

WALTER PICHI JUNIOR

Construção de Protótipo Para Ensino na Área Tecnológica: Cromatografia como estudo de caso

SÃO PAULO -SP OUTUBRO 2011

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Walter Pichi Junior

Construção de Protótipo Para Ensino na Área Tecnológica: Cromatografia como estudo de caso

SÃO PAULO - SP OUTUBRO 2011

Dissertação apresentada como exigência para obtenção do título de Mestre em tecnologia no Centro Estadual de Educação tecnológica Paula Souza, no Programa de Mestrado em Tecnologia: Gestão Desenvolvimento e Formação, sob orientação da Prof.ª Dr.ª Maria Lúcia Pereira da Silva

3

FICHA ELABORADA PELA BIBLIOTECA NELSON ALVES VIANA

FATEC-SP / CEETEPS

Pichi Junior, Walter

P592c Construção de protótipo para ensino na área tecnológica:

cromatografia como estudo de caso / Walter Pichi Junior. – São

Paulo : CEETEPS, 2011.

140 f. : il.

Orientadora: Profª. Drª Maria Lúcia Pereira da Silva.

Dissertação (Mestrado) – Centro Estadual de Educação

Tecnológica Paula Souza, 2011.

1. Ensino em engenharias. 2. Interação de fluídos. 3. Miniaturização. 4. Cromatografia. I. Silva, Maria Lúcia Pereira da. II. Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza. III. Título.

5

Agradecimentos Agradeço ao Dr. Roberto Rocha Lima pela infra-estrutura oferecida e pela

oportunidade de trabalhar ao seu lado

À Profª Drª Maria Lucia Pereira da Silva com quem eu tive o prazer de trabalhar e

aprender um pouco de seu vasto conhecimento, o meu obrigado pela oportunidade.

Aos meus amigos, em especial, André, Christian, Leonardo, Edson R, Edson S.,

Roberto, Wilson, pelo apoio e pela ajuda no desenvolvimento deste protótipo.

À FAPESP e ao CNPq pelo apoio financeiro.

6

Resumo – O ensino tecnológico demanda, muitas vezes, equipamentos de alto

custo e que, na maioria das vezes, não facilitam a compreensão dos fenômenos

ocorrendo durante o seu uso. Uma solução possível é a simulação, mas esta, se

desprovida de experimentação, não contribui para elucidar os problemas reais da

utilização destes equipamentos. O cromatógrafo a gás é um dos casos, onde a

correta manipulação de fluidos aquecidos em microcanais é essencial para a

performance do instrumento. Portanto, o objetivo deste trabalho foi criar protótipo, e

correspondente simulação, para utilização no ensino de cromatografia.

O protótipo foi produzido com materiais de baixo custo e equipamento convencional

de usinagem ou por produção de placas de circuito impresso convencional. A

simulação utilizou o programa FEMLAB® e foi feita em 1D.

O conjunto pode ter duas funções distintas, pois, devido à miniaturização, é pequeno

o suficiente para o uso em demonstrações em sala de aula (em um arranjo

denominado kit do professor), mas também permite a atuação de um grupo de

alunos (arranjo denominado kit do aluno).

Os testes efetuados apresentam como performance do protótipo: possibilidade de

compreender a relação entre a programação de temperatura e o perfil do pico

cromatográfico, com bom limite de detecção para compostos orgânicos voláteis (da

ordem de ppm ou menos).

7

Abstract – Many times, technological teaching requires high cost equipment;

however, such equipment usually does not facilitate the knowledge the phenomena

that rules its performance. A possible solution is the use of simulation; nonetheless,

without experimentation it is impossible to sort out the actual problems involved on

using complex equipment. Gas chromatograph is a useful example, in which the

proper manipulation of heated fluids in microchannels is essential for a good

performance. Thus, the aim of this work was to produce a prototype, and respective

simulation, to be used on chromatography teaching.

The prototype was produced with low cost material and conventional tools or using

conventional printed circuit boards. The 1D simulation was performed using

FEMLAB® program.

The whole system shows two different uses because is portable enough to be used

on demonstration during class (teacher‟s kit) whereas, due to miniaturization also

allows manipulation by student team (students´ kit).

Tests pointed out as prototype performance: understanding correlation between

temperature profile and chromatogram shape, good detection limit (ppm or less) to

organic volatile compounds.

Palavras-chave: Ensino em engenharias, Interação de fluidos, Miniaturização,

Cromatografia.

8

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1 Esquema dos blocos que forma um cromatógrafo a gás 18

Figura 2.2 Representação do tempo morto e do tempo de retenção 20

Figura 2.3 Representação de um ciclo de cromatografia ............... 21

Figura 2.4(a) Difusão longitudinal, (b) Transferência da massa

móvel

23

Figura 2.4 (c) Contribuição dos diferentes termos da equação de

Van Deemter.....................................................................................

23

Figura 2.5 Evolução do numero de publicações................................ 25

Figura 2.6 Estrutura de acrílico, capilares em aço inoxidável.......... 28

Figura 2.7(a) Montagem da coluna com a resistência de

aquecimento envolvida pelo celerol 2.7(b). Vista do conjunto..........

29

Figura 3.1 Principais funções abordadas pela engenharia do

processo, pela engenharia do produto e pelo gerenciamento..........

32

Figura 3.2 As etapas do ciclo de vida do projeto de software.......... 34

Figura 3.3 Descrição das etapas do pré projeto............................... 35

Figura 3.4 Etapas do trabalho.......................................................... 36

Figura 3.5 Fluxograma de decisão adotado...................................... 41

Figura 4.1 Esquema de blocos de um cromatógrafo a gás.............. 44

Figura 4.2 Gráfico da sensibilidade do sensor.................................. 48

Figura 4.3 Diagrama de testes da bancada de testes....................... 55

Figura 4.4 Válvula de teste e dimensões da mesma......................... 57

Figura 4.5 Coluna ilustrativa e sistema de aquecimento................... 68

Figura 4.6 Perfil genérico de uma rampa de temperatura e seu

respectivo cromatograma..................................................................

69

Figura 4.7(a)e (b) Variações de temperatura em função do tempo. 70

Figura 4.8 Rampas de aquecimento obtidas com numero de

intervalos implementados.................................................................

71

Figuras 4.9(a) a(d) perfis do componente dentro da coluna............ 73

Figuras 4.10(a) Injeção de propanol a temperatura ambiente e a

(b) temperatura de 28°C

74

Figura 4.11 Família de microcontroladores....................................... 78

9

Figura 4.12 Controlador 18f2550 e diagrama esquemático.............. 79

Figura 4.13 Elementos de programação assembly........................... 79

Figura 4.14 Diagrama de programação em linguagem “C”............... 80

Figura 4.15 Fluxograma do software desenvolvido........................... 81

Figura 4.16 Retificação e filtragem.................................................... 82

Figura 4.17 Estabilização da fonte e filtragem................................... 83

Figura 4.18 Circuito montado de aquisição de dados...................... 84

Figura 4.19 Circuito de entrada de dados......................................... 85

Figura 4.20 (a)Interior do sensor e (b) Esquema elétrico do TGS

2620 ..................................................................................................

86

Figura 4.21 Aspecto final do módulo................................................ 87

Figura 4.22 Vista do painel frontal .................................................. 88

Figura 4.23 Vista do interior do módulo de aquisição....................... 89

Figura 4.24 Vista superior do módulo............................................ 90

Figura 4.25 Vista em detalhe do módulo de aquecimento................ 90

Figura 4.26..Detalhes das válvulas de admissão.............................. 91

Figura 4.27 Vista do sistema de distribuição de para as válvulas

superiores

92

Figura 4.28 Simbologia equivalente das três válvulas soldadas....... 93

Figura 4.29 Vista em detalhes das válvulas superiores.................... 94

Figura 4.30 Representação esquemática das válvulas..................... 94

Figura 4.31 Representação real da posição da válvula..................... 95

Figura 4.32 conexão da válvula superior com o microreator............. 95

Figura 4.33 Indica o estado que se encontra o sistema eletrônico.. 96

Figura 4.34 injeção de álcool isopropilico 50 µl 98





Figura C1(a) Controlador utilizado e (b) Funções do teclado............ 113

Figura C2 Possíveis esquemas de ligação do controlador............... 114

Figura C3 Esquema de ligação do rele com o resistor de

aquecimento......................................................................................

115

10

Figura C4 curva do PT100................................................................ 116

Figura E.1 Lista de arquivos do programa aquisitor.......................... 123

Figura F.1 Controlador de emissor de gases.................................... 125

Figura F.2 Identificação da porta....................................................... 126

Figura F.3a Seleção da porta selecionada........................................ 127

Figura F.3b Identificação do controlador ao computador.................. 128

Figura F.4 Identificação de canais amostrados................................. 129

Figura F.5 Identificação do numero de amostras por segundo ........ 130

Figura F.6 Identificação do tempo de amostragem .......................... 131

Figura F.7a Identificação da pasta de arquivos................................. 132

Figura F.7b Seleção da pasta destino............................................... 133

Figura F.7c Seleção da pasta destino............................................... 133

Figura F.7 d Identificação da pasta destino....................................... 134

Figura F.7e Seleção de iniciar/parar amostragem............................. 135

Figura F.7f Seleção de iniciar/parar amostragem............................. 136

Figura F.7g Identificação dos dados adquiridos.............................. 137

Figura H.1 Esquema elétrico .......................................................... 139

Figura H.2 circuito impresso vista de cima ...................................... 139

Figura H.3 circuito impresso vista de baixo...................................... 140

Figura H.4 máscara de solda........................................................... 140

Figura H.5 Circuito com componentes.............................................. 140

11

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1.1 tipos de cromatografia.................................................... 17

Tabela 2.2 tipos de cromatógrafos.................................................... 26

Tabela 3.1 detalhamento das etapas a serem cumpridas, de

acordo com o referencial teórico......................................................

40

Tabela 4.1 elementos utilizados na bancada de teste....................... 56

Tabela 4.2 parâmetros do programa FEMLAB, parâmetros

utilizados e as justificativas para a escolha ......................................

73

Tabela C.1 comparação das placas de circuito impresso............ .... 118

12

SUMÁRIO

CAPÍTULO I

1. Introdução...................................................................................... 13

CAPITULO II

2. Aspectos teóricos.......................................................................... 15

2.1 Cromatografia.............................................................................. 15

2.1.1 Definição e métodos de cromatografia..................................... 16

2.1.2 Cromatografia gasosa e parâmetros de análise....................... 18

2.2 Miniaturização.............................................................................. 23

2.2.1 O uso da miniaturização no ensino.......................................... 26

2.2.2 Outras Informações.................................................................. 30

CAPÍTULO III

3. Metodologia, Métodos e Materiais................................................. 31

3.1 Metodologia................................................................................ 31

3.2 Métodos....................................................................................... 42

3.2.1 Ligação do detector com o sistema de aquisição de dados..... 42

3.2.2 Ligação da bancada de testes ao sistema de detecção........... 43

3.3 Materiais...................................................................................... 43

CAPÍTULO IV

4 Resultados e Discussões............................................................... 44

4.1 Descrição do conjunto................................................................. 44

4.2 Descrição dos blocos................................................................... 46

4.2.1 Sistema de admissão de amostra............................................ 47

4.2.1.1 O limite de detecção do sistema de detecção....................... 47

4.2.1.1.1 Conclusão parcial .............................................................. 54

4.2.1.2 Testes dos elementos mecânicos ........................................ 54

4.2.1.2.1 Testes efetuados ............................................................... 58

4.2.1.2.2 Conclusão parcial.............................................................. 68

4.2.2 Sistema de aquecimento e respectiva coluna ......................... 68

4.2.2.1 Testes efetuados................................................................... 69

4.2.2.2 Performance obtida............................................................... 70

13

4.2.2.3 Simulação do comportamento na coluna e comparação

com resultados experimentais ..........................................................

71

4.2.2.3.1 Simulação do comportamento na coluna .......................... 71

4.2.2.3.2 Comparação com os resultados experimentais.................. 74

4.2.2.4 Conclusão parcial................................................................. 75

4.2.3 Sistema de aquisição de dados ............................................... 76

4.2.3.1 Característica do hardware construído................................. 76

4.3 Descrição do conjunto................................................................ 86

4.3.1 Descrição geral do conjunto do conjunto................................ 88

4.3.2 Testes de funcionamento da parte mecânica ......................... 91

4.3.3 Testes de funcionamento da parte elétrica .............................. 95

4.3.4 Testes de detecção ................................................................. 98

4.3.4 Testes de detecção ................................................................. 98

4.4 Conclusão ................................................................................... 103

CAPÍTULO V

5 Conclusões. e trabalhos futuros

.....................................................

103

Referências Bibliográficas................................................................. 104

Anexos

Anexo A programa do controlador CTM 45...................................... 109

Anexo B características e esquema de ligação do sensor utilizado.. 111

Anexo C Controlador CTM 45, acessórios e esquemas de

ligação...

113

Anexo D Relação de material e custos para o sistema de aquisição

de dados...........................................................................................

119

Anexo E Programa do controlador de aquisição de gases................ 123

Anexo F identificação do programa de controlador de aquisição de

gases................................................................................................

124

Anexo G Fluxograma de gravação no microcontrolador .................. 138

Anexo H esquemas da placa eletrônica........................................... 139

14

1. Introdução

O ensino tecnológico nem sempre pode prescindir do uso de equipamentos

sofisticados. Esse uso, contudo, pode apresentar duas dificuldades: tais

equipamentos em geral são altamente integrados – o que não permite acesso aos

módulos que o compõem – e, também, de alto custo. Assim, neste contexto além

das dificuldades de aprender os conceitos fundamentais agrega-se a dificuldade de

se observar, mesmo que em aula demonstrativa, o funcionamento dos instrumentos.

Um caso especialmente importante é a área de análises químicas. Em recente

revisão sobre o ensino de Química Analítica na Polônia [1], foi avaliado que, devido

à grande necessidade de controles, tanto de poluição como de novas tecnologias,

ocorreu aumento da demanda desse ensino pelos alunos. A sugestão, então, é uma

estratificação do ensino e do conhecimento, desde a graduação até o doutorado,

devido, entre outras coisas, ao alto custo dos equipamentos e à infra-estrutura

necessária. Nesta proposta, aos graduandos oferecem-se conceitos e, muitas vezes

apenas aos doutorandos, acesso a equipamento sofisticado. A área de análises

químicas utiliza conceitos comuns à área de Engenharia Química e, também nesta,

questões similares aparecem [2,3].

Nickerson [4] resume as propostas para fazer frente ao problema em três grandes

correntes: laboratórios reais, simulações de laboratórios e uma situação

intermediária, com laboratórios acessados remotamente. No primeiro caso, embora

o custo seja alto, há a vantagem do contato direto com o objeto de estudo além de

todas as variáveis e possibilidades de um problema real. No segundo caso o custo e

a infra-estrutura necessária são bem menores, principalmente porque, muitas vezes,

em condições reais (no laboratório ou no campo) o tempo gasto para otimizar o

experimento é bem maior que o utilizado na experimentação propriamente dita. O

acesso remoto a laboratórios, por sua vez, permite que a infra-estrutura seja rateada

entre vários usuários, o que diminui o custo e viabiliza o conhecimento de situações

reais [5,6].

É observado em todas essas propostas que não se cogita outra situação

intermediária, em que o ensino seja feito em equipamentos miniaturizados,

aproveitando-se adequadamente da diminuição de custo para compra e manutenção

15

que decorre dessa escolha, além da menor infra-estrutura necessária. Um caso

emblemático é o ensino de cromatografia; processo de separação de misturas

igualmente importante tanto para a análise química como para a extração de

compostos de misturas complexas. Apesar das controvérsias sobre o início da

técnica [7-9], Grob ressalta que registros de extração de pigmentos de extrato de

plantas pelo uso de tecido como suporte datam de 1834 (por F. F. Runge) [10]. A

extração de pigmentos, até hoje, é bastante dependente da técnica de

cromatografia.

Atualmente, a técnica de cromatografia está amplamente disseminada e apresenta

uma grande gama de variações; porém, de modo geral os principais conceitos

podem ser ensinados através da cromatografia gasosa [10] e líquida [11], muito

embora Von Mühlen e Lanças [12] considerem que nos dois casos os princípios de

funcionamento são os mesmos, e que, portanto, ocorrerá a unificação. Os

equipamentos utilizados para tais análises são extremamente precisos e também

bastante complexos [10,11], mas, por outro lado, o ensino de cromatografia ainda se

baseia no uso de materiais simples, como giz [13], e vidraria comum em laboratórios

de química [14]. Estes experimentos, apesar de bastante úteis já que demonstram o

conceito de separação de compostos, não delineiam questões relevantes que

necessariamente estarão presentes nos equipamentos, como é o caso de

aquecimento e transporte de fluido em um microcanal, o que certamente ocorre com

a técnica de cromatografia, principalmente devido às dimensões reduzidas onde

ocorre a separação.

Assim, foi objetivo deste trabalho desenvolver protótipo, e respectiva simulação para

explicar os resultados obtidos, para o ensino de cromatografia. Devido à

complexidade dos cromatográficos, apenas cromatografia gasosa e em coluna

capilar foi abordada.

16

2. Aspectos teóricos

Este item dará ênfase a conceitos de cromatografia. Entre os modernos sistemas de

análise, a cromatografia ocupa um lugar de destaque devido a sua facilidade,

identificação e quantificação das espécies químicas, por si mesma ou em conjunto

com outras técnicas instrumentais de análise [15]. Após esse breve resumo analisa-

se a importância da miniaturização, tanto para a cromatografia como para o ensino.

2.1 Cromatografia

A palavra cromatografia deriva das palavras gregas Chroma (cor) e graphe

(escrever); embora o nome cor apareça no título, o processo não depende da cor,

exceto para facilitar a identificação dos componentes separados [16].

O primeiro cientista a reconhecer, no seu tempo, a cromatografia como um método

eficiente de separação foi o botânico russo Michael Semenovich Tswett. Por volta

dos anos 1900, em seus estudos sobre a clorofila, ele usou uma forma simples de

cromatografia liquido/sólido para separar pigmentos de folhas de plantas. As faixas

coloridas (por isso a descrição como cor) que ele produziu no leito adsorvente

sugeriam a um tipo de separação: a cromatografia. Apesar da cor hoje ter pouca

relação com a cromatografia moderna, o nome tem persistido e ainda é usado para

todas as técnicas de separação que empreguem os mesmos conceitos [16].

Durante anos a técnica de separação em bandas coloridas, descrita por Tswett,

permaneceu ignorada, até que em 1931 Khun e Lederer resolveram aperfeiçoá-la e

a usaram com êxito. A partir desse período houve um aumento crescente de

publicações e aperfeiçoamento de diferentes métodos cromatografia, até que em

1952, Martin & Synge receberam o premio Nobel da Química pelos trabalhos em

cromatografia de alta pressão, cromatografia gasosa e cromatografia gasosa de alta

eficiência [15,16, 17].

Outros desenvolvimentos na década de 60, como a cromatografia de alta eficiência,

com o aperfeiçoamento dos sistemas de bombeamento e detecção entre outros,

criou diferentes formas de cromatografia [16].

As aplicações da cromatografia gasosa são inúmeras, dentre as quais sobressaem

às áreas de:

17

Ambiente – determinação de resíduos de pesticidas em produtos alimentares;

águas ou esgotos, determinação de gases e solventes orgânicos na atmosfera,

solos ou rios.

Química – determinação de antioxidantes, nutrientes ou contaminantes em

alimentos, análise de produtos derivados de petróleo, gases e líquidos. Neste último

caso, a técnica de cromatografia gasosa está limitada a componentes que possuam

pesos moleculares abaixo de 2000, pois é necessário que estes se vaporizem. [18,

19,20]

2.1.1 Definição e Métodos de cromatografia

Varias definições se estendem ao longo da cromatografia, uma delas:

“Cromatografia é um método físico químico de separação de componentes de

uma mistura, realizada através da distribuição desses componentes em duas fases,

que estão em contato. Uma delas permanece estacionária, enquanto a outra se move

através dela. Durante a passagem da fase móvel sobre a fase estacionária, os

componentes da mistura são distribuídos pelas duas fases de tal forma que cada um

deles é seletivamente retido pela fase estacionária, o que resulta em migrações

diferentes desses componentes.” [15]

Essencialmente a cromatografia é uma separação técnica, sendo utilizada não só

em análises como também em processos de separação para isolação de

quantidades relativamente pequenas de materiais que têm alto valor intrínseco. A

cromatografia é provavelmente a técnica mais poderosa e versátil disponível para o

analista moderno. Em um único processo pode-se separar uma mistura em seus

componentes individuais e, simultaneamente, fornecer uma estimativa quantitativa

de cada componente. As amostras podem in natura ser gasosas, líquidas ou sólidas

e variar em complexidade de uma simples mistura de dois materiais a uma mistura

de múltiplos componentes contendo ampla variedade de espécies químicas. Além

disso, a análise pode ser realizada utilizando desde um sistema de alta sofisticação,

adequado somente para especialistas, até por um instrumento de extrema

simplicidade, que pode ser facilmente manipulado por não peritos, e mantendo uma

boa precisão em sua realização. [15,17]

18

Os critérios usados para a classificação das modalidades de cromatografia estão

relacionados com a tecnologia empregada, com o mecanismo de separação

envolvido e aos diferentes tipos de fases cromatográficas. A tabela 2.1 apresenta

uma visão genérica dos diversos tipos de cromatografia, com ênfase especial dada à

cromatografia gasosa [15,21], e a seguir faz-se, também, breve descrição destes.

1- Classificação pela forma física do sistema cromatográfico: Pode ser dividida

em cromatografia planar ou de coluna. A cromatografia planar, por sua vez,

subdivide-se em cromatografia centrífuga, cromatografia em camada delgada

(CCD) e cromatografia planar (CP)

2- Classificação pela fase móvel empregada: Neste item têm-se três tipos de

cromatografia: a cromatografia gasosa – que corresponde à gasosa (CG) e à

gasosa de alta resolução (CGAR); a cromatografia líquida – que se divide em

clássica e de alta eficiência (CLAE) – e a cromatografia supercrítica (CSC)

3- Classificação pela fase estacionária utilizada: distingue-se entre fases

estacionárias sólidas, líquidas e quimicamente ligadas.

4- Classificação pelo modo de separação: Por esse critério, as separações

cromatográficas se devem mecanismos de adsorção, partição, troca iônica e

exclusão, ou mesmo a misturas desses mecanismos.

Tabela 2.1 tipos de cromatografia

Fonte [22]

19

2.1.2 Cromatografia gasosa e parâmetros de análise

A Figura 2.1 apresenta os blocos que formam um cromatógrafo convencional.

Assim, na cromatografia gasosa, a fase móvel é um gás retido em um cilindro sob

pressão. Este serve como fonte de gás de arraste para a amostra sob análise, que

deve ser injetada para dentro de uma coluna, onde irá atingir a fase estacionária. Os

gases mais usuais na fase móvel são hidrogênio, hélio e argônio [15,17]. O gás de

arraste não deve interagir com o adsorvente presente na coluna.

Figura 2.1 – Esquema dos blocos que forma um cromatógrafo ao gás

Fonte [23]

A coluna é formada, principalmente, por um tubo de ¼` preenchido com material

adsorvente (coluna empacotada) ou um capilar com um filme fino adsorvente

presente sob sua superfície (coluna capilar). Nesse segundo caso é comum

capilares entre 10 m e 100 m de comprimento e com diâmetro interno da ordem de

centenas de micras. Na cromatografia gasosa a separação é muito dependente da

temperatura, o que exige a utilização de um forno com boa precisão de medida e

controle estrito das variações de temperatura.

As substâncias presentes na amostra passam através da coluna, onde são

separadas, e chegam ao sistema de detecção. [18,24] Um detector é um dispositivo

que indica a presença de um fenômeno sempre que o limiar de uma grandeza é

excedido, ou seja, quando é atingido por uma perturbação sofre uma variação e uma

resposta é gerada. Como se trata de um sensor ativo precisa de energia externa

20

para sua operação [19]. Um detector de cromatografia é um dispositivo capaz de

identificar componentes de uma mistura que tenha sido submetida a um processo

cromatográfico e, assim, apreciar a sua separação [25]. O resultado obtido –

variação no detector em função do tempo é denominado cromatograma, e a Figura

2.1 apresentam um esquema de um possível resultado para uma única substância

inserida no cromatógrafo (2o pico), com o solvente usado para preparar a amostra

também sendo detectado (1o pico). Este tempo corresponde ao tempo que o gás de

arraste demora a percorrer a coluna e é denominado tempo de retenção do

composto não retido (ou tempo morto).

Várias informações são relevantes para permitir a análise de um cromatograma,

entre elas:

Tempo de retenção: Na figura 2.2, o tempo de retenção em uma coluna

cromatográfica pode ser definido como o tempo transcorrido entre a injeção da

amostra e o máximo do pico cromatográfico. Assim, mesmo que a substância não

interaja com a fase estacionaria, o tempo de retenção não será nulo, pois

transcorrerá algum tempo entre a sua entrada e sua medição no detector. Portanto,

o parâmetro que realmente reflete as características físico-químicas de retenção de

um determinado composto é o tempo de retenção descontado o tempo morto,

chamado de tempo de retenção ajustado ou tempo de retenção corrigido. O tempo

de retenção é correlacionado, principalmente, à adsorção na fase estacionária e à

velocidade da fase móvel [25,26].

21

tR

Figura 2.2 Representação de um cromatograma. Parâmetros de tempo

morto e do tempo de retenção

Fonte [27]

tR = tempo de retenção

Para o tempo de retenção, a resposta ideal seria a de um pulso gaussiano

totalmente simétrico [16], como mostrado na figura 2.2., ou seja, nesse caso as

condições experimentais estão de acordo com a teoria. Além disso, em um

cromatograma ideal, os picos se apresentariam separados e simétricos; na prática,

porém, os picos podem estar sobrepostos, indicando que os componentes adsorvem

de modo similar na coluna. A figura 2.3 apresenta um cromatograma completo. Além

do tempo de retenção pode-se determinar o volume de retenção, o que é relevante

para garantir que a coluna não recebeu amostra em quantidade maior do que é

possível manipular. A largura do pico, ou a largura a meia altura, também é

importante para determinar a eficiência da coluna.

22

Figura 2.3 Representação de um ciclo de cromatografia Fonte [28] Eficiência: A eficiência de uma coluna é medida em pratos teóricos. Um prato teórico

corresponde a uma etapa de equilíbrio da substância entre a fase estacionária e a

fase móvel; ou seja, para a separação entre dois ou mais componentes da mistura é

necessário que ocorram sucessivas interações. Portanto, quanto maior o numero de

pratos maior será a eficiência (picos mais estreitos). O numero de pratos teóricos

pode ser calculado pela expressão 1a

N= 16 ( dR –Wb) 2 expressão 1a

Onde N representa o numero de pratos teóricos, dR o tempo da retenção, Wb a

largura do pico na linha base (ver figura 2.3)

Outro modo de considerar a eficiência é pela altura equivalente a um prato teórico

(H), que corresponde ao comprimento da coluna dividido pelo número de pratos

teóricos.

23

Muitos fatores afetam o desempenho de uma coluna cromatográfica, tais como:

comprimento da coluna, diâmetro interno da coluna capilar, temperatura, vazão da

fase móvel, técnica de injeção, etc. Assim, informação significativa pode ser obtida

através da análise dos picos obtidos no cromatograma, e, Van Deemter e

colaboradores desenvolveram uma equação que relaciona a altura equivalente a

um prato teórico, velocidade linear do gás de arraste e fatores que provocam o

alargamento do pico. A equação de Van Deemter é dada pela expressão 1b :

H = A + B/u + Cu expressão 1b

Onde, H é a altura equivalente a um prato teórico; u – a velocidade do gás de

arraste, é dado por u = L/tM, sendo L o comprimento da coluna e tM o tempo em que

as moléculas do soluto ficam na fase móvel, o termo A refere-se ao alargamento

dos picos devido aos diferentes caminhos do componente na coluna; o termo B está

relacionado com a difusão molecular do soluto na fase móvel – que é proporcional à

difusibilidade do soluto nesse gás, e o termo C está relacionado com a facilidade de

transferência de moléculas do soluto da fase estacionária para a fase móvel.

Uma representação pictórica da equação de Van Deemeter pode ser observada na

Figura 2.4. Assim, a Figura 2.4.a corresponde à influência da difusão longitudinal; ou

seja, diferentes caminhos levam os diferentes tempos de retenção. A Figura 2.4b

considera a mudança no formato do pico de acordo com a transferência da massa

da fase móvel para a fase estacionária. Finalmente a Figura 2.4.c apresenta a

composição desses fenômenos na equação de Van Deemter em função da

velocidade linear da fase móvel. O mínimo da curva, nesse caso corresponde à

melhor velocidade de fase móvel, ou seja, melhor eficiência (maior número de pratos

teóricos ou menor altura equivalente de prato teórico).

24

Figura 2.4a difusão longitudinal Figura 2.4b transferência da massa

móvel para a estacionaria

Fonte [15]

2.2 Miniaturização

Com a invenção do circuito integrado e a conseqüente diminuição dos componentes

eletrônicos a partir dos anos 60, ocorreu uma verdadeira revolução na indústria,

principalmente na eletrônica [29]. Contudo, essa revolução, mesmo considerando-se

apenas dentro da área de eletrônica, criou um rápido avanço na produção de outros

componentes miniaturizados que não os eletrônicos. Um exemplo é o

Figura 2.4c contribuição dos diferentes termos da equação de Van

Deemter no valor de altura do prato em função da velocidade linear

da fase móvel

Fonte [15]

25

desenvolvimento de sistemas eletromecânicos (Microelectromechanical systems),

que são responsáveis por produção de dispositivos miniaturizados em várias áreas

do conhecimento, e em especial na área de Engenharia Química e de análises

Químicas. [21,23] .

Quanto às análises químicas, “como os microchips revolucionaram o universo dos

computadores e da eletrônica de um modo completo, os microchips analíticos tem

revolucionado a química nos últimos anos, na qual a principal razão para a

miniaturização era a de aumentar o desempenho analítico. Entretanto a redução do

tamanho trouxe outras vantagens, tais como: diminuição dos reagentes, redução do

volume utilizado, análise em tempo reduzido, entre outros.”[29]. Assim, o número de

publicações sobre sistemas miniaturizados úteis na área de análise tem crescido

exponencialmente, como demonstra a figura 2.5. [29]

Trabalhos recentes também demonstraram que o uso de sistemas miniaturizados é

um modo interessante de aplicar os princípios da engenharia verde ao ensino. “Para

o uso no ensino, e o desenvolvimento de equipamentos ambientalmente corretos,

permite a análise química com pequenas quantidades de amostra e baixa produção

de residual,já que tais dispositivos podem diminuir o volume de recursos necessários

para o ensino” .[21,30,31,32]

A miniaturização sempre foi uma “driving force” no desenvolvimento de

cromatógrafos. A primeira versão do cromatógrafo miniaturizado foi apresentada na

década de 70. Em uma lâmina circular de silício com diâmetro de 5 cm, “foi

construída uma válvula de injeção e uma coluna de separação de 1,5 m de

comprimento. Um detector de condutividade térmica foi fabricado em outro

substrato, sendo posteriormente prensado mecanicamente para integrá-lo ao

substrato contendo a coluna de separação. Apesar da capacidade de fazer rápidas

separações o dispositivo não foi bem aceito pela comunidade cientifica devido à falta

de experiência tecnológica em métodos de separação... O renascimento dos

microdispositivos analíticos ocorreu no inicio da década de 90, com a apresentação

de um microsistema para cromatografia em fase líquida. Simultaneamente à

apresentação desse microdispositivo, Manz e colaboradores propuseram o conceito

de microsistemas para análises totais, ou simplesmente µTAS. Com o

desenvolvimento dos µTAS, tornou-se possível integrar várias etapas analíticas,

como introdução da amostra, pré-tratamento da amostra, reações químicas,

26

separação analítica e detecção em um único dispositivo” [29]. Para finalizar, a

miniaturização atualmente se estende para a área de processamento da amostra,

compatibilizando ainda mais a idéia de se utilizar um sistema analítico completo em

campo. Esse sistema é finalizado com tratamento de dados e impressão dos

resultados obtidos. [29,33]

Figura 2.5 Evolução do numero de publicações relacionadas à

microsistemas entre 1996 e 2006

Fonte [33]

Quanto à produção comercial de cromatógrafos portáteis, Yashin [29,34] criou uma

classificação, que é apresentada na tabela 2.2. Os cromatógrafos portáteis foram

primeiramente usados para os laboratórios móveis e as características desses são

similares aos usados em laboratórios de análise. Contudo, as tendências atuais

indicam uma significativa diminuição do tamanho sem o sacrifício das características

de performance, ou seja, dispositivos miniaturizados em um único chip.

27

Tabela 2.2 Tipos de cromatógrafos

Fonte [34]

2.2.1 O uso da miniaturização no ensino

O uso de sistemas miniaturizados é um modo interessante de aplicar os princípios

da engenharia verde aos processos de produção de um modo geral, e ao ensino em

particular. Para a utilização no ensino, e no desenvolvimento, de equipamentos

ambientalmente corretos, o sistema permite uma análise química com pequenas

quantidades de amostra e baixa produção de resíduo, já que tais dispositivos podem

diminuir o volume de recursos necessários para sua aplicação [21, 30,35]. Neste

contexto, o grupo onde esse trabalho se insere desenvolveu uma série de projetos;

assim, como essa proposta decorre de linhas de pesquisa desenvolvidas

anteriormente, as realizações já obtidas são sumariadas a seguir.

A construção de microestruturas exige processamento estrito, com processos

semelhantes aos utilizados em Microeletrônica. As estruturas MEMS, por sua vez,

são da ordem de centenas de micrômetros, ou seja, processamento mais simples.

Estas estruturas, apesar da função bem ampla, de válvulas a sistemas de análise

química, têm exemplos de fabricação por processo barato [36,37]. Contudo, o grupo

28

onde o trabalho foi desenvolvido escolheu uma abordagem diferente, atuando numa

região de dimensões intermediárias entre as estruturas MEMS e as estruturas de

pequena dimensão, comuns na Engenharia Química. Assim, as estruturas são

produzidas em dimensões da ordem de poucos centímetros e denominadas de

estruturas miniaturizadas. Além disso, a proposta de ensino é por resolução de

problemas (PBL – problem based learning) e o propósito e o desenvolvimento de

equipamentos de baixo custo.

Assim, operações unitárias foram miniaturizadas e permitiram sugerir processos de

produção adequados [38,39]. As estruturas correspondem a escalamento linear das

estruturas macroscópicas usadas em plantas químicas, que são manufaturadas em

acrílico e utilizam ferramentas comuns de usinagem. Estas estruturas também

podem ser facilmente desmontadas ou avaliadas por microscopia óptica, devido à

sua transparência. A parte responsável pela atuação da estrutura em geral é

formada por um microcanal ou uma constrição. Entre as sete estruturas

miniaturizadas que foram obtidas e testadas [40,41,42,43] encontram-se

microcolunas cromatográficas. Todas as estruturas foram testadas em meio gasoso

ou líquido, usando ar ou água como fluido de arraste. O modo de teste das

estruturas já foi provado ser, no mínimo, semi-quantitativo [44]. A maioria das

estruturas foi simulada quanto ao seu comportamento fluídico e o uso educacional

destas foi testado por grupo da Universidade de Porto Rico. Para a produção das

colunas cromatográficas, vários filmes finos adsorventes foram desenvolvidos

[45,46,47,48,49,50] para modificar a superfície da estrutura, alterando, deste modo,

sua função e/ou performance [51]. Tais filmes foram caracterizados quanto à

adsorção de VOCs (compostos orgânicos voláteis) [52,53].

Devido à importância da coluna cromatográfica anteriormente desenvolvida, esta

será pormenorizada a seguir. A figura 2.6 permite uma visão de uma destas

estruturas. A usinagem é em acrílico e os capilares são em aço inoxidável. Neste

caso não é possível o aquecimento.

29

Figura 2.6 esquema da estrutura de acrílico e desenho da estrutura

com microcanais

Fonte [30]

Para que ocorra o aquecimento, a coluna, nesse caso, possui uma resistência de

aquecimento na sua parte interior e uma cápsula protetora em celerol®, o que

mantém constante o calor e distribuído de forma uniforme por toda a coluna. O

controle da temperatura é essencial para obter uma boa separação em se referindo

a cromatografia gasosa e a figura 2.7a apresenta uma montagem como exposto

acima e usada para ensino. [30]. O sistema de detecção é de baixo custo e possui

bom limite de detecção (5,81.10-4μg/ΔΩ) para compostos orgânicos voláteis (VOC),

mas número de pratos teóricos baixos (<5). Arranjo semelhante foi utilizado nesse

trabalho, vide figura 2.7b.

30

Figura 2.7(a) montagem da coluna com a resistência e o celerol

Fonte [30]

Figura 2.7b vista do conjunto

Fonte [30]

31

2.2.2 Outras informações

A construção de qualquer destes sistemas miniaturizados implica no conhecimento

de processos de produção mecânicos e/ou eletrônicos. De modo geral, tais

informações estão disponíveis para qualquer profissional que tenha interesse em

reproduzir o protótipo aqui proposto. Contudo, para facilitar a manipulação das

informações, vários desses conceitos estão disponíveis nos anexos.

32

3.Metodologia, Métodos e Materiais

3.1 Metodologia

Como o objetivo final é a obtenção de um protótipo, seguiu-se a metodologia de

projeto e produto, em especial considerando-se as propostas para a área de

eletroeletrônicos.

Como proposto às seguintes etapas devem ser consideradas para a produção de

um novo produto: [54]

1. Requisitos básicos do produto: “As necessidades e desejos relatados

pelos usuários considerados como ponto de partida para a formulação dos

requisitos básicos do produto.”

2. análises em produtos similares encontrados no Mercado:

Análise em relação ao uso: “úteis à formulação adequada dos requisitos do projeto

evitando a repetição de detalhes problemáticos.” Análise diacrônica do

desenvolvimento histórico: “com objetivo de entender equipamentos similares em

relação: (i) as tecnologias empregadas; (ii) aos recursos disponíveis; (iii) aos

materiais utilizados; e (iv) ao design.” Análise sincrônica: “por finalidade conhecer

a posição do produto similar atualmente encontrado no mercado” Análise

estrutural: viabiliza “o conhecimento dos princípios de montagem e características

mecânicas do produto.”

Análise funcional: verifica “as características técnico-físicas dos sistemas e

subsistemas que compõe o atual produto similar, as aplicações e relações quanto ao

aspecto funcional.” Análise morfológica: Com objetivo de “conhecer a concepção

formal do produto similar.”

3. Resultados das análises: “organização sistemática dos requisitos sugeridos

pelos usuários em comparação com os dados obtidos pela aplicação do

processo analítico”,

4. Estruturação: “ordenar os requerimentos, segundo afinidades, facilitando a

execução.”

5. Descrição do conceito

33

6. Projeto: “da definição do conceito do produto... realiza-se o projeto que

determina os parâmetros dos sistemas mecânico e eletrônico, e gera a

documentação para a construção do protótipo.”

7. Prototipagem: “essencialmente prática e constituída por três fases: (i)

construção e montagem das placas de circuitos impressos; (ii) construção do

painel frontal e adaptação da estrutura mecânica; e (iii) montagem e

interligação eletro-mecânica dos componentes.”

8. Verificação: “ revisão bem elaborada de um projeto pode oferecer uma série

de vantagens como: (i) mostra o quanto o projeto atende aos requisitos do

cliente; (ii) fornece informações sobre custos e potencial de lucro; e (iii)

fornece dados sobre o desempenho e confiabilidade do produto.”

As funções de uma empresa de software encontram-se em três grupos principais,

abordados pela engenharia do processo, pela engenharia do produto e pelo

gerenciamento de projeto [55] de acordo com a Figura 3.1.

Figura 3.1 Principais funções abordadas pela engenharia do processo, pela

engenharia do produto e pelo gerenciamento de projeto,

Fonte [55]

34

Assim, a engenharia do produto “é encarregada do desenvolvimento e

manutenção dos produtos e serviços” e a “principal figura da engenharia do produto

é a metodologia de desenvolvimento, que engloba uma linguagem de

representação, um modelo de ciclo de vida e um conjunto de técnicas.” A

engenharia de processo “deve ser capaz de facilitar a definição, a análise e a

simulação de um processo, assim como estar apta a implantá-lo, avaliá-lo, medi-lo e

melhorá-lo.” O gerenciamento de projeto “objetiva assegurar que processos

particulares sejam seguidos, coordenando e monitorando as atividades da

engenharia do produto.”

Seguindo as etapas do ciclo de vida do projeto de software são delineados de

acordo com a Figura 3.2.[55]. Na prospecção identifica-se “necessidades de um

cliente, ou uma demanda de mercado e a construção de um protótipo é um exemplo

de atividade desta fase.” Na proposta ocorre “a formalização de uma proposição da

empresa para um determinado cliente interno ou externo. As características

principais desta fase são: a existência de uma requisição formal, a delimitação do

escopo do projeto e o processo decisório do que deverá ser realizado. A execução

se caracteriza pela realização de um escopo definido por um projeto… garantia

estabelece um esforço técnico, para a revisão de alguns problemas encontrados

após o término do projeto” após o que ocorre a finalização. Cada uma destas etapas

pode utilizar como artefatos para cumprimento das tarefas “documentos de

requisitos e atas de reunião, relatórios de teste”, etc.

35

Figura 3.2. As etapas do ciclo de vida do projeto de software

Fonte [55]

Existe a necessidade de se estruturar um projeto de produto a partir de um pré-

projeto e, para um “pré-projeto feito dentro da academia é recomendado os

seguintes quesitos: definição e delimitação; objetivos; justificativa; metodologia;

cronograma; orçamento; bibliografia... A definição trata do que projetar não é

possível definir e delimitar um projeto sem entrevistas com usuários e vivências

participativas. Os objetivos dividem-se em: um objetivo principal que se relaciona

com a definição do projeto; vários objetivos secundários elaborados a partir da

constatação do seu contexto e abrangências. A justificativa do projeto está baseada

na veracidade da definição. A metodologia detalha o que será feito em cada fase e

etapa proposta, servindo de guia para orientação do cronograma e

consequentemente do orçamento do projeto. A bibliografia lista o referencial

bibliográfico utilizado para o pré-projeto e previsto para o projeto.” A partir dessas

etapas Rodrigues cria uma tabela para requisitos (Figura 3.3). [56]

36

Figura 3.3 Descrição das etapas do pré-projeto

Fonte [56]

Sobre o desenvolvimento de software educacional, este “deve considerar a

integração entre os desenvolvedores, professores e estudantes, sendo justificada

nos seguintes termos: (1) os professores detêm as estratégias de ensino, a

experiência em relação à receptividade dos estudantes e o conhecimento profundo

do tópico; (2) os estudantes, ao participarem da avaliação, contribuem para dar a

medida da eficiência do software e (3) os desenvolvedores, quando em contato com

professores, têm condições para estruturar o código de modo mais eficiente.

Justifica-se desta maneira a necessidade de propor uma metodologia participativa

para o desenvolvimento de software educacional”. Alem disso, acrescenta-se que

uma abordagem orientada a prototipação é adequada em casos que o cliente não

definiu requisitos de entrada, processamento e saída detalhados ou em que o

desenvolvedor não tem certeza da eficiência de um algoritmo ou da forma que a

integração homem – máquina deve assumir. A autora define protótipo “como um

modelo operacional, modificável e extensível de um sistema, porém não

necessariamente representativo do sistema completo, e que fornece aos usuários da

37

aplicação final uma representação física dos principais aspectos do sistema depois

de sua implementação.”

Para o desenvolvimento do protótipo, um dos modelos que a autora apresenta, é o

CESD (Cooperative Experimental System Development), que sugere “integrar

ativamente o usuário durante todo o processo; testar protótipos em situações reais

ou muito próximas das reais e fazer projetos sob medida.” As etapas de

desenvolvimento, segundo a autora, são apresentadas na Figura 3.4.

.Por fim, a autora alerta sobre a dificuldade dos usuários em utilizar o computador, o

que leva, a “em média 48% do código de um sistema interativo ser dedicado à

interface. Quanto ao tempo total de desenvolvimento, consome-se com a interface o

equivalente a 48% do tempo de projeto de todo o sistema, 50% de toda a

implementação e 37% da manutenção.”. O que se reflete na existência de uma série

de “normas internacionais que buscam orientar as etapas de produção e avaliação

de interfaces homem-computador. Este conjunto é composto pelas normas ISO

13407 e ISO 9241.”

Figura 3.4: Etapas do trabalho, de acordo como proposto pela autora

Fonte [37]

38

Para determinar requisitos de sistema, considera-se como ferramenta bastante útil,

reuniões com o formato JAD (Joint Application Development). “Neste processo de

grupo, os participantes interagem livremente, o que substitui a técnica de empregar

entrevistas com usuários para determinar requisitos de um sistema.” Outra

ferramenta para “auxiliar no levantamento inicial de requisitos do projeto educacional

é nativa da engenharia de produção, chamada Design Macroergonômico – DM que

contempla as seguintes etapas:

1. identificação do usuário e coleta organizada de informações acerca de sua

demanda ergonômica;

2. priorização dos itens de demanda ergonômica;

3. incorporação da opinião de especialistas;

4. listagem dos itens de design a serem considerados;

5. determinação da relação de força entre os itens de demanda ergonômica e

os itens de design. O objetivo é identificar grupos de itens de design a

priorizar;

6. tratamento ergonômico dos itens de design;

7. implementação do novo design e acompanhamento.”

A avaliação da interface pode ocorrer por Checklists, “verificações que podem ser

conduzidas por não especialistas” e que a autora, informa apresentar as seguintes

características: não exigem especialistas; sistematiza a avaliação; facilita a

identificação dos problemas de usabilidade; reduz a subjetividade; reduz o custo. A

autora complementa ressaltando que “o teste com usuários deve ser executado, pois

é o que têm maior capacidade de encontrar problemas.” Em relação à quantidade de

usuários necessária para a avaliação, a autora, informa que 5 usuários encontram

cerca de 80% dos problemas.

Para o desenvolvimento de protótipo em tempo curto, pode-se também aplicar a

engenharia simultânea, uma vez que esta permite a integração do projeto do produto

e do processo em toda a empresa. Isso é consistente com uma nova forma de

pensar o projeto academicamente através de uma metodologia não linear. 4P‟s do

Design que fortalece o modo de pensar do ser humano que é reconhecidamente não

linear”, o que os autores também consideram adequados à procura da

Sustentabilidade; portanto, adequados aos 12 princípios de Engenharia Verde [58].

39

A Figura 3.5 apresenta o fluxograma de decisão adotado nessa dissertação para

construção do referido protótipo. Para esse fluxograma, a Tabela 3.1 apresenta cada

etapa cumprida, de acordo com o referencial teórico usado nessa metodologia. A

comprovação das necessidades do projeto foi feita, através da pesquisa on line,

sobre o tema educação e cromatografia. Como já abordado na introdução teórica,

não foi encontrado experimento didático em equipamento de baixo custo que

demonstre a teoria, ou algum conceito a ela relacionado, de cromatografia, e isso é

especialmente verdadeiro para o ensino médio. Portanto, o interesse é ensinar os

principais conceitos sobre cromatografia gasosa usando equipamentos de baixo

custo.

Quanto ao pré-projeto, estudo prévio, apresentado por pessoas que pertenceram ao

grupo de estudo onde se insere essa dissertação sugere que alunos de nível médio

ou início de graduação em nível superior podem se beneficiar de equipamentos de

baixo custo. A partir de estudos prévios, também é possível definir adaptações aos

projetos já existentes, com o objetivo de melhorar a performance do conjunto, de

acordo com a lista de requisitos. Quanto a essa lista é importante observar que a

cromatografia gasosa normalmente implica em:

Manipulação de pequena quantidade de amostra (<=1 uL);

Determinação com boa precisão de pequena quantidade de componentes de

uma amostra;

Fluxo contínuo de gás inerte, geralmente He ou H2;

Controle preciso de temperatura e perfil de temperatura;

Existência de microcanal longo ou região com partículas muito pequenas, para

permitir a adsorção de componentes de uma amostra.

A análise de produtos semelhantes implica em comparação direta com

cromatográficos, e, por comparação com seu desenvolvimento histórico, o ensino

usando tal equipamento pode ter como objetivo a performance encontrada em

sistemas comerciais da década de 60, quando a análise em sistemas miniaturizados

começou a ser proposta. Isto significa que o número de pratos teóricos pode ser

baixo e a análise pode demonstrar a separação apenas por processos físicos, tais

como variação no aquecimento. Além disso, os procedimentos não precisam

considerar mais do que dois reagentes analisados simultaneamente.

40

Quanto ao menor custo, o valor da aquisição de dados pode ser diminuído

sensivelmente pela definição de placas de aquisição de dados que aceitem mais de

um ponto de entrada, ou seja, o número de computadores necessários para o

atendimento de vários alunos simultaneamente pode ser reduzido, ou um único.

A construção dos blocos deve considerar dois momentos: o teste em separado de

cada um e o uso em conjunto com outro bloco, ou mesmo já no conjunto final. Por

fim, cada bloco precisa ser descrito, em relação à solução que se mostrou mais

adequada, não só pelo aspecto construtivo como de procedimentos de uso.

Após o estudo das necessidades de cada bloco é possível proceder a uma

montagem e, por fim, avaliar a performance do protótipo.

41

Tabela 3.1 detalhamento das etapas a serem cumpridas, de acordo com o referencial teórico usado nessa metodologia.

Etapa de construção do

protótipo

Detalhamento dos Marcos de

referência

Pessoal envolvido

Ferramenta utilizada

Parâmetro atendido

Definição do escopo

Comprovação das necessidades

2 pesquisadores Ferramentas de

busca on line

Definição do conteúdo a ser

abordado

Definição do pré-projeto

Definição dos Blocos do sistema

a partir de desenvolvimento

anteriores

pessoas pertencentes ao

grupo de pesquisa anteriormente à

dissertação

--- Estudos

específicos, público alvo

Descrição dos Blocos do sistema

a partir de desenvolvimento

anteriores

2 pesquisadores JAD Lista de requisitos

Adaptação de blocos existentes e

definição de necessidades específicas a serem neste

trabalho

3 pesquisadores brainstorm Lista de requisitos/

análise de produtos similares

brainstorm

Análise de alternativa e

redesenho das alternativas

Descrição dos procedimentos

3 pesquisadores JAD

Definição do conteúdo a ser

abordado durante o ensino com o uso do protótipo

Construção dos blocos

3 pesquisadores e

2 alunos de graduação

Seleção parcial de soluções

Desenho técnico das soluções encontradas

Otimização dos blocos

3 pesquisadores e


Ferramenta de avaliação: checklist

Implementação de soluções

Desenho técnico das soluções

Montagem dos blocos

3 pesquisadores e


Ferramenta de avaliação: checklist

Desenho final do protótipo Testes de

protótipo para definição de performance

42

Figura 3.5 Fluxograma de decisão adotado nessa dissertação para construção do referido protótipo Fonte [57]

43

3.2 Métodos

A simulação utilizou o programa FEMLAB® e computador Pentium IV, plataforma,

2.4 GHz, 2 GB de RAM.

A construção de cada bloco do protótipo seguiu regras de projeto mecânico e

eletrônico. As partes e peças foram construídas em bancada eletrônica ou em

equipamentos comerciais de usinagem.

Testes, para cada bloco do protótipo e para o conjunto final, foram desenvolvidos e

são descritos na maioria das vezes em conjunto com resultados e discussão. Dois

testes, por sua especificidade, necessitaram construção de arranjo experimental e

são descritos a seguir.

3.2.1 Ligação do detector (sensor TGS 2620) com o sistema de aquisição de dados

Foi montada uma câmara para a adição controlada de contaminante. A câmara

consistiu em um recipiente de volume 1.1litro, sendo o frasco de polietileno da

NALGON®, vedado por uma tampa de rosca. O sensor foi colocado no centro da

câmara, através da tampa por uma mangueira látex que o isolava do meio externo,

evitando assim a mistura do contaminante com o meio ambiente. A adição do

sistema de reagente consistia na abertura da tampa injeção do reagente que estava

contido na seringa, e em seguida o fechamento da tampa. O processo obtenção do

reagente para inserção foi a coleta do vapor saturado de dentro do recipiente de

isopropanol p.a. e injeção de vapor na câmara de teste. Cabe ressaltar que a

câmara de teste sempre mantida na temperatura ambiente. O tempo de medida

variou de acordo com volume inserido na câmara e da necessidade de se obter um

equilíbrio do reagente nesta câmara; assim, o tempo variou entre 3 (três) minutos e

10 (dez) minutos. O tempo foi tanto maior quanto menor a quantidade de reagente

inserida. O reagente usado para fazer o teste foi o isopropanol p.a., com a ajuda de

injeções descartáveis de polietileno de 1, 0,5 e 0,3 ml. Os erros aproximados das

injeções foram da ordem de 0,001ml, o erro aumenta para as amostras injetadas em

menor quantidade, pois a medida é feita por diluição e nesse caso pode haver

44

interação com as paredes da câmara. Foram obtidas 3 ( três) amostras por segundo

em cada amostra.

3.2.2 Ligação da bancada de testes ao sistema de detecção

A finalidade desta bancada foi de averiguar a performance de cada elemento

mecânico utilizado para a construção do protótipo. As principais características

avaliadas foram a existência de volume morto considerável e a estanqueidade do

elemento. Por sua especificidade os procedimentos de teste são descrito juntos com

os respectivos resultados.

3.3 MATERIAIS

Esse trabalho utilizou como condição de contorno os 12 princípios de Engenharia

Verde, assim, os reagentes são ambientalmente corretos e utilizados em pequenas

quantidades, podendo ser descartados sem qualquer tratamento. Apenas água

destilada foi utilizada para a lavagem do material e vidraria comum de laboratório foi

empregada em várias etapas de teste.

45

4. Resultados e discussões

Esse capítulo é apresentado nos seguintes itens: descrição dos blocos que formam

o sistema; construção e teste de cada bloco encerrando-se, então, com a descrição

e testes do conjunto.

4.1 Descrição do conjunto

Para a construção do protótipo foi considerado que um cromatógrafo a gás é

constituído de alguns blocos [59], como descrito na figura 4.1. Assim, em um

sistema comercial, um cilindro de gás provê um fluxo, que é mantido constante

através de medidor de fluxo. Esse gás é admitido em um capilar cuja superfície é

modificada para ocorrer adsorção seletiva de uma classe de compostos. Esse

capilar é denominado de coluna cromatográfica e, em geral apresenta diâmetro

inferior a 100 μm e comprimento superior a 10 m. A amostra para análise é inserida

imediatamente antes da coluna por um septo de látex e utilizando seringa de

microlitro. A temperatura da coluna pode ser variada através do controle de

temperatura do forno onde a coluna se encontra. Um detector, localizado

imediatamente após a coluna, registra o cromatograma, ou seja, a intensidade do

sinal em função do tempo. Portanto, o sensor deve ser de algum modo sensível à

presença da amostra.

Figura 4.1 – Esquema dos blocos que forma um cromatógrafo ao gás

Fonte [23]

46

A definição de cada um dos blocos ocorreu como segue:

1. fase móvel – fluxo, provido por um cilindro de gás, que é mantido constante

através de medidor de fluxo.

Nesse caso optou-se pelo uso de um compressor de aquário e rotâmetro

(medidor de fluxo) opcional (conforme descrito posteriormente). Arranjo

similar já foi utilizado para teste de sistemas miniaturizados e não

apresentou dificuldades de construção [60]

2. injeção de amostra

testes anteriores demonstraram que é possível adicionar de modo

reprodutível pequena quantidade de amostra gasosa, mesmo que usando

sistema manual. A concentração dessa pequena quantidade, por sua vez,

dependendo do detector utilizado, pode ser da ordem de 10 ppb [30,31,32]

Muito embora a injeção manual seja possível e corresponda a situação de

baixo custo, é necessário encontrar um septo que apresente boa

resistência à manipulação e válvulas de admissão com baixo volume

morto e boa conexão, isto é, baixo vazamento.

3. o tipo de forno e seu aquecimento é dependente da escolha da coluna

cromatográfica. Coluna cromatográfica miniaturizada já foi produzida em

acrílico e usada para separação e/ou retenção de compostos. Essa mesma

coluna foi adaptada para catálise ocorrendo aquecimento 300 ºC. Este

sistema já foi testado com sucesso para uso no ensino [31,61]

a coluna cromatográfica desenvolvida por Lima e modificada por Carvalho

pode ser utilizada sem muitas adaptações. Por outro lado, o sistema de

aquecimento para um reator não se preocupa com rampas de

aquecimento bem definidas, o que implica que o sistema de aquecimento

deve ser adaptado para este trabalho.

4. a escolha do modo de detecção é bastante dependente da amostra a ser

analisada. Os trabalhos citados anteriormente e que serão adaptados têm em

comum a análise de compostos orgânicos voláteis (VOCs) [52,53], um

problema ambiental sério. Nesse caso, o uso de detectores de baixo custo

(sensores a base de óxido de estanho) é possível e apresenta limite de

detecção na ordem de ppb.

47

O uso de VOCs em um experimento, mesmo que dentro de uma sala

fechada, desde que ocorra uma escolha criteriosa de reagentes e os

procedimentos sejam exaustivamente ensinados para o conjunto de

alunos, não implica em qualquer risco para a saúde dos envolvidos ou

para o ambiente.

5. A aquisição de dados é necessária para permitir que os alunos manipulem a

informação e a compare com outros resultados obtidos ao longo do período

de uso do equipamento, ou mesmo com resultados obtidos por simulação.

Um modo de diminuir o custo envolvido na análise é o uso de aquisição de

dados em vários pontos e agregados em um único sistema de aquisição e

sistema de baixo custo já foi desenvolvido utilizando sensores simples

[32]; contudo, este sistema é limitado em algumas propriedades. Assim, o

referido sistema apresenta taxa de amostragem alta, mas, para tanto,

diminui a faixa de linearidade da medida. Este trabalho colocou como

prioridade a diminuição do limite de detecção à expensas da taxa de

amostragem de medidas. Portanto, sistema de aquisição de dados foi

desenvolvido.

Observações finais:

É oportuno lembrar que esse trabalho utilizou algumas outras condições de

contorno. Assim, projetou-se, inicialmente, como meta que o conjunto em

desenvolvimento apresentasse custo inferior a R$2000. Esse valor foi obtido como

média de resultados de entrevista com 10 professores do ensino médio, onde se

questionou qual valor de equipamento poderia ser considerado baixo para as

condições de ensino que ele enfrentava no período.

4.2 Descrição dos blocos

A descrição dos blocos do sistema seguirá a utilizada anteriormente, para a

descrição de um equipamento de cromatografia.

48

4.2.1 Sistema de admissão de amostra

O sistema de admissão de amostra, mesmo que adaptado de Kameoka [31] precisa,

para ser construído, de definição de elementos mecânicos a serem utilizados e de

compatibilidade com o sistema de detecção, quanto ao limite de detecção e volume

máximo de admissão. Portanto, anteriormente à construção1 do sistema de

admissão, testou-se a sensibilidade do sistema de admissão e o comportamento em

fluido gasoso de cada elemento mecânico escolhido.

4.2.1.1 O limite de detecção do sistema de detecção

Como será abordado posteriormente, o sistema escolhido para detecção é composto

por sensor para VOC, TGS 2620, da Figaro Ltd.[62]. O teste objetivou identificar a

menor faixa possível de detecção, o que corresponde o inicio da sensibilidade do

equipamento (limite de detecção) – e a maior faixa de valor do equipamento, o que

corresponderia à faixa de saturação do equipamento, quando se atinge um valor

aproximado de 3V na sua saída (no sistema de aquisição de dados construído nesse

trabalho). Além disso, é preciso verificar se existe e qual a faixa de linearidade da

medida, ou seja, a região onde a resposta obtida no sensor é diretamente

proporcional à concentração. Isso é necessário porque a resposta do sensor, cujas

características são apresentadas no gráfico da figura 4.2, é normalmente obtida em

taxa de variação da resistência, e esta não é linear com a concentração; portanto, a

tensão que será medida neste trabalho, também não o deve ser. Assim, deseja-se

verificar se, dentro de um erro aceitável, existe uma faixa que possa ser considerada

linear, para facilitar o ensino usando este equipamento. Considera-se faixa aceitável

um acerto de curva linear onde a correlação obtida seja de 0,8 ou maior, o que está

de acordo com medidas semi-quantitativas feitas em análise química.

Os testes utilizaram a câmara de teste descrita na metodologia e os resultados

foram divididos em quatro grupos (faixas) de concentração (O que corresponde à

comparação com a sensibilidade indicada pelo fabricante, figura 4.2.):

Primeira faixa 0,001 ppm até 0,7 ppm

Segunda faixa 0,7 ppm até 7,6 ppm

Terceira faixa 7,6 ppm até 38 ppm

Quarta faixa 38 ppm até 304 ppm

49

Figura 4.2 gráfico de sensibilidade do sensor publicado pela FIGARO

Anexo B

Fonte [62]

As respostas obtidas são como segue.

a) Primeira faixa: 0,001 ppm até 0,7 ppm

O gráfico 4.1 apresenta resultado típico. Os valores estão extremamente dispersos;

embora exista uma tendência de aumento entre 0,1 e 0,7 ppm, não se obtém um fit

linear nem polinomial – de ordem 2,3 ou 4 – de nenhum desses valores, como o

melhor fit polinomial ocorrendo com ordem 2. Assim, os valores estão muito

dispersos, mas o sensor ainda é sensível ao produto; porém, não consegue

proceder a uma determinação mesmo que semi-quantitativa da concentração. Isto

pode dever-se, entre outras coisas, à perda do reagente para a superfície por

adsorção, ou seja, a dificuldade da medida pode decorrer de fenômenos

secundários atuando no sistema e não necessariamente apenas ao erro no sensor

ou do valor admitido dentro câmara de teste.

50

Gráfico 4.1 Tensão obtida em função da concentração de 2-propanol e

sistema de medida descrito na metodologia. Faixa de medida de 0,001 ppm

até 0,7 ppm

b) Segunda faixa de 0,7ppm a 7,6ppm

O gráfico 4.2 apresenta resultado típico. Ainda existe uma dispersão grande dos

dados, principalmente na região de 1ppm, contudo existe uma tendência mais clara

de aumento da tensão com o aumento da concentração. Ainda é possível fazer um

FIT linear ou polinomial de ordem 1. Contudo, principalmente para os valores que

ficam próximos a 1 ppm, o erro é grande, provavelmente pelos mesmos motivos

expostos para o gráfico 4.1. Assim, a correlação é da ordem de 0,8, ou seja, o

resultado é semi-quantitativo.

51

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24

0,26

0,28T

en

soم

(V

)

concentraçمo (ppm)

2a. faixa 2 (0,7 ppm - 7,6 ppm)

fit linear

fit polinomial grau 1


sistema de medida descrito na metodologia. Faixa de medida de 0,7 ppm até

7,6 ppm

c) Terceira faixa 7,6 ppm até 38 ppm

O gráfico 4.3 apresenta resultado típico. Nota-se uma melhor resposta do

sensor em função da concentração, ou seja, uma dispersão menor nesta faixa. Essa

faixa, para uso em equipamentos de ensino pode ser considerada adequada, uma

vez que a correlação obtida é de 0,9.

52

5 10 15 20 25 30 35 40

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Te

nsã

o (

V)

concentração (ppm)

3a faixa (7,6 ppm - 38 ppm)

fit linear


sistema de medida descrito na metodologia. Faixa de medida de 7,6 ppm até

38 ppm

d) Quarta faixa de 38ppm a 350ppm

O gráfico 4.4 apresenta resultado típico. Nesta faixa a dispersão é muito menor

(correlação 0,95), tornando-se a melhor região para se fazer medidas, o que é

consistente com o apresentado como resposta do sensor pela empresa (figura 4.2).

A saturação do sinal ocorre nesta faixa, atingindo-se a resposta de saturação (~

3,5V no equipamento utilizado) para concentrações da ordem de 300 ppm. A

dificuldade do uso de concentrações de centenas de ppm, contudo, é a possível

saturação do microcanal utilizado como coluna cromatográfica.

53

0 50 100 150 200 250 300 350

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5T

en

sã

o (

V)


4a faixa (38 ppm - 350 ppm)

fit linear


sistema de medida descrito na metodologia. Faixa de medida de 38 ppm até

350ppm

Para facilitar a visualização dos resultados obtidos, os gráficos 4.5 e 4.6 apresentam

a variação de concentração em função da tensão utilizando-se gráficos de barra

enquanto o gráfico 4.7 mostra a variação do sistema em função de toda a faixa de

concentração. Nos gráficos observa-se a tendência de resposta linear até o limite

de aproximadamente 20 ppm, quando não mais se observa claramente esse

comportamento, para qualquer modo de apresentação dos dados. Portanto, quando

do uso do protótipo proposto nesse trabalho, uma possibilidade é o desenvolvimento

de aula prática para determinação de limites de detecção, onde as diferenças de

pessoas e de apresentação dos dados pode levar a conclusões distintas sobre a

região de linearidade da medida.

54

0

50

100

150

200

250

300

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

Tensão (V)

co

nce

ntr

açã

o (

pp

m)

2-propanol

Gráficos 4.5 e 4.6 Gráficos de barra da variação de concentração em função

da tensão no sistema de medida pelo uso do reagente 2-propanol

0 50 100 150 200 250 300 350

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

ten

são

(V

)


2-propanol

fit linear

Gráfico 4.7 Variação da tensão no sistema de medida em função da

concentração

Este sistema de aquisição de dados, que foi desenvolvido neste trabalho, foi usado

para a maioria dos experimentos utilizados no desenvolvimento do protótipo. Assim,

inicialmente as medidas com este sistema de aquisição foram comparadas com as

produzidas em um sistema anteriormente avaliado contra equipamento comercial

[21]. Portanto, foi possível uma comparação de performance antes do uso do

sistema construído nesse trabalho em outras medidas para o desenvolvimento do

protótipo.

55

O sistema de aquisição semelhante e anteriormente avaliado foi produzido por A. R.

Leite [32] que, por informação pessoal, indicou que o sistema em questão tem

possibilidade de detecção entre 10 ppm a 100 ppm e é compatível com equipamento

comercial desenvolvido para análise de contaminantes em fase gasosa.

4.2.1.1.1 Conclusão parcial

O sistema apresentou-se bastante adequado para ser usado com as estruturas

miniaturizadas que possuem a função de coluna cromatográfica, como descrito nos

aspectos teóricos, uma vez que a faixa entre 50ppm a 300ppm é mais adequada

para se efetuar as medidas, restringindo-se, se possível, ao valor de 100 ppm, para

se evitar o preenchimento do canal [30]

4.2.1.2 Testes dos elementos mecânicos

Na descrição do conjunto, este sistema corresponde aos itens listados como

componentes para admissão da fase móvel e para injeção de amostra.

Nesse item descrevem-se os testes efetuados nos elementos mecânicos (septo,

válvula e conexões) utilizados para a fabricação do sistema de admissão. Os testes

tiveram como objetivo determinar as propriedades mais relevantes para o

comportamento do fluido (fase móvel) dentro desses elementos, tais como,

reprodutibilidade, espaço morto, contaminação, etc. Para tanto, uma bancada de

teste foi construída e a Figura 4.3 apresenta do diagrama desta bancada enquanto a

Tabela 4.1 lista os elementos utilizados em sua construção.

56

Figura 4.3 Diagrama de blocos da bancada de testes Fonte própria

57

Tabela 4.1 elementos utilizados na bancada de teste

Elemento: descrição fornecedor Foto do dispositivo Compressor de ar

Precision SR 7500

Distribuidor Hartmann

Válvula de 3 vias Hartmann

Suporte para sensor e

sensor e tgs 2620

Fígaro

Para os testes dos elementos citados na Tabela 4.1 utilizaram-se sensores TGS

2620, Figaro, Japão, [39] em um arranjo de dez sensores monitorados por um

sistema de aquisição de dados, que serão descritos posteriormente, no item sistema

de aquisição. Entre a saída das válvulas utilizadas no sistema de teste na bancada

da Figura 4.1 variou-se o tipo de conexão (macho ou fêmea) [63] e a distância média

entre sensor e saída da válvula. O uso de três válvulas em série permite que se

verifique estanqueidade (dificuldade de vazamento) [63] entre os elementos do

58

conjunto e/ou problemas de divisão de fluxo. A adição de amostra ocorreu

manualmente, com um único operador e por uso de injeção descartável.

Como a válvula de três vias tem a função mais importante, isto é, injeção da amostra

via septo, uma delas foi desmontada e seu interior medido. A foto da Figura 4.4

apresenta o resultado obtido, onde o volume interno da região onde deve ocorrer a

inserção de amostra deve ser da ordem de 6. 10-3 mL, aceitável para um sistema de

ensino. Observe-se que em cromatografia a inserção de amostra é no valor de 1 µL

ou menos.

Figura 4.4 Foto da válvula de três vias e diâmetros do seu interior.

59

4.2.1.2.1 Testes Efetuados

Os testes em bancada de testes tiveram como objetivo, os testes de volume morto e

de vazamento das válvulas além da resposta do sensor em conjunto com estas. Por

fim, verificou-se se o distribuidor de fluxo influía na obtenção dos resultados, ou seja,

adicionava desuniformidade na distribuição desse fluxo e se o compressor podia

alimentar todas as saídas de fluxo e respectivas válvulas.

Para se evitar distorções na resposta do conjunto e, com o intuito de se minimizar o

erro, todas as medições foram feitas por um único operador. Todos os sensores

foram posicionados a distâncias por volta de1 mm do sensor. A injeção de amostra

utilizou seringa descartável de 0,3 mL de volume total.

Apesar de o sistema oferecer ate dez sinais de entrada, a bancada possui apenas

cinco pontos de medidas, ou seja, os sensores devem ser testados em blocos

distintos. Isto se deve à concepção final do protótipo, como será descrito

posteriormente.

Como esses procedimentos podem ser úteis para testar qualquer conjunto de

elementos mecânicos, por exemplo, sistemas de vedação, outras tubulações, etc.,

será feita uma descrição mais detalhada destes procedimentos. Nos resultados cada

conjunto válvula/sensor é denominado canal de medida (ou simplesmente canal, nos

gráficos).

Procedimento 1

Objetivo: avaliar a rapidez de resposta do sensor nesse sistema. Injetou-se reagente

vapor de 2-propanol, 0,1 mL. O uso do 2-propanol foi privilegiado porque se trata de

um reagente ambientalmente correto e, que pode ser manipulado por alunos sem

nenhum conhecimento de química (não deve provocar reações alérgicas de

qualquer tipo quando do contato). Para esse procedimento o reagente foi aplicado

na região entre a entrada do sensor e a saída da válvula. Neste teste não foi usada

o compressor de ar. Com o compressor de ar desligado, e aplicando-se a mesma

quantidade de reagente em todos os sensores observa-se que os mesmos foram

levados a saturação rapidamente, mas exigiram tempo longo para retornar ao seu

estado natural. Esse tempo é semelhante em todos os casos, ou seja, é pouco

dependente do uso de conexão macho ou fêmea.

60

Gráfico 4.8 Resposta do sistema tensão (v) x tempo (seg) para o

procedimento 1

Procedimento 2

Objetivo: avaliar se o operador do sistema pode influir significativamente no

resultado, como por exemplo, pela manipulação da seringa de injeção, tempo de

injeção, posição da injeção, etc. Este teste foi realizado com compressor de ar

desligado e de modo semelhante ao Procedimento 1. Resultado típico pode ser

observado no gráfico 4.9; uma grande modificação no comportamento só é obtida se

a seringa é mantida em ângulo agudo em relação ao sensor (canal 4).

61


procedimento 2

Procedimento 3

Objetivo: Ainda com o compressor de ar desligado, verificar se há comunicação

entre os fluxos de ar através do distribuidor. O procedimento é semelhante ao

anterior, mas os canais 4 e 5 não recebem reagentes. Como pode ser observado no

gráfico 4.10, o canal 1 que tem a saída diretamente alocada no compressor,

enquanto os canais 2 e 3 passam por divisores. Contudo, independente da

configuração, os canais 1,2 e 3 apresentam praticamente o mesmo resultado

enquanto os canais 4 e 5 permaneceram sem variação na linha de base, indicando

que não há vazamento no conjunto pelas tubulações.

62


procedimento 3

Procedimento 4

Objetivo: verificar como o operador pode influenciar o resultado. Repetiu-se o teste

do procedimento 2, mas na configuração do procedimento 3, obtendo-se resultado

semelhante (no caso, o canal 2 corresponde ao canal afetado, gráfico 4.8).

63


procedimento 4

Procedimento 5

Objetivo: Avaliar a influência do tempo de injeção da amostra. Nesse caso, ainda

sem a operação do compressor, o operador injetou a mesma quantidade de

reagente, mas com velocidades diferentes (o mais rapidamente possível, gráfico

4.12a e sem a preocupação com o tempo, mas continuamente, e, sem paradas,

gráfico 4.12b). É possível observar que a diferença pode ser significativa, o que

exige um único operador para o protótipo proposto.

64

Gráficos 4.12a e 4.12b Resposta do sistema tensão(v) x tempo (seg) para o

procedimento 5, injetando-se o reagente (a) mais rapidamente ou (b) lenta, mas

continuamente

Esse conjunto de medidas demonstra a necessidade do sensor ser mantido fora de

caixa fechadas, como é o caso do cromatógrafo convencional, pois isso pode levar à

saturação. Isso já havia sido notado por Carvalho [30]

Procedimento 6

Objetivo: avaliar a adsorção do reagente na região entre sensor/válvula. Nesse caso,

injeta-se o reagente, como nos processos anteriores, e, liga-se o compressor e

avalia-se o sinal obtido. Resultado típico para um canal encontra-se no gráfico 4.13.

Neste caso, a variação da linha de base (0,2 V) é consistente com uma

concentração de 7 ppm, ou seja, no início da faixa adequada de medida nessa

montagem (ver item 4.2.1.1.).

65


procedimento 6

Procedimento 7

Objetivo: verificar a influência do operador na introdução do reagente se a injeção

deste deve ser em intervalos de tempo curtos (10s) e ocorrer com o uso de um septo

acoplado às válvulas. Neste caso o compressor está ligado e apenas o canal 1 foi

monitorado. O gráfico 4.14 apresenta o resultado para uma condição onde o sistema

foi pouco utilizado – poucas medidas contínuas efetuadas (gráfico 4.14a) – ou muito

utilizado (gráfico 4.14b). Para permitir melhor visualização dos dados o gráfico 4.1c

apresentam uma única medida efetuada após uso intenso. Observa-se que a linha

de base não retorna rapidamente ao nível anterior (150 s no gráfico 4.14c) e

permanece alta, ou seja, diminui a quantidade de amostra que poderia ser analisada

em um protótipo de ensino. Portanto, é importante manter as amostras utilizadas em

tal protótipo abaixo de um volume de 0,03 mL. De qualquer modo, com a mesma

quantidade de gás o dispositivo respondeu da mesma forma, mas operador não

consegue injetar a mesma quantidade de gás continuamente, por isso ocorre à

irregularidade. Por fim, o comportamento é semelhante com ou sem septo, ou seja,

este não adiciona volume morto significativo.

66

Gráficos 4.14 (a), (b) e (c) Resposta do sistema tensão (v) x tempo (seg) para o

procedimento 7, para a condição onde o sistema foi pouco utilizada (a), muito

utilizada(b), ou uma única medida efetuada após uso intenso(c)

Procedimento 8

Objetivo: verificar se a existência do septo e a injeção de reagente em um canal

influem significativamente nos outros, e em essencial no que se encontra ligado por

uma derivação. A adição utilizou o menor volume mensurável na seringa descartável

(0,05 mL). O gráfico 4.15 apresenta vários resultados obtidos em diferentes

configurações e após uso intensivo de cada canal onde foi injetado o reagente. A

seqüência de medidas apresenta adição de reagente em um canal com todos os

outros fechados, ou seja, com máximo fluxo naquela tubulação (gráfico 4.15.a) e

após 1 minuto da adição (gráfico 4.15.b). Contudo, uma injeção de quantidade

mínima após muito uso (gráfico 4.15.c, d, f, h) não é facilmente identificada, o que

exige o uso de maior quantidade de amostra (0,3 ml; gráficos 4.15 e, g, i) para

identificação inequívoca. De qualquer modo, não parece haver vazamento

significativo entre os vários elementos da bancada e o sistema funciona de modo

semelhante não importando se todas (gráfico 4.15.a, b) ou apenas um das válvulas

(gráfico 4.15.i) encontra-se aberta.

67

gráfico 5.15a gráfico 5.15b

gráfico 5.15c gráfico 5.15d

gráfico 5.15e gráfico 5.15f

68

gráfico 5.15g gráfico 5.15h

gráfico 5.15i

Os gráficos 4.15 (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g), (h) e (i) Tem como resposta do sistema

tensão (v) x tempo (seg) para o procedimento 8. As figuras apresentam sequências

obtidas em diferentes configurações e após uso intensivo de cada canal onde foi

injetado o reagente

69

4.2.1.2.2 Conclusão parcial As válvulas e conexões testadas mostraram-se eficientes para a utilização com

pequenas quantidades de amostra, ou seja, são adequadas para o desenvolvimento

do protótipo. O compressor de ar mostrou-se eficiente não importa quantos canais

fossem mantidos abertos. O comportamento semelhante do reagente inserido, não

importa qual canal utilizado, indica que o distribuidor de fluxo funciona

adequadamente. Por fim, não se observou vazamento significativo no conjunto.

4.2.2 Sistema de aquecimento e respectiva coluna

O conjunto utilizado para prover o aquecimento do canal é formado por uma

resistência de alumina [64] e um controlador de temperatura [65]. Os dois

elementos, mais as conexões elétricas necessárias, têm um custo total de R$

280,00. A Figura 4.5 apresenta foto ilustrativa da coluna e do sistema de

aquecimento utilizado.

Figura 4.5 a coluna ilustrativa Figura 4.5.b sistema de aquecimento Figura 4.5 Foto ilustrativa da coluna (a) e sistema de aquecimento utilizado (b) Fonte [30]

70

4.2.2.1 Testes efetuados O uso de um controlador de temperatura e celerol® como isolante elétrico, contudo,

apresenta limitações, pois não se trata de um forno e a temperatura pode elevar-se

sensivelmente acima do pretendido antes do controlador desligar o aquecimento.

Desligar o aquecimento, por sua vez, não é garantia de atingir a temperatura

desejada, devido à massa térmica do conjunto resistência/canal. Contudo, em um

cromatógrafo a gás, a rampa de temperatura costuma ser ampla, na faixa de

ambiente a 200 ºC, e ser rápida, não sendo incomum o aumento a 10 ºC/min. Além

disso, não podem ocorrer picos, ou seja, a transição entre aumento de temperatura

e patamar em temperatura fixa deve ser suave. Para tanto, os equipamentos utilizam

fornos controlados eletronicamente (com controles microprocessados e fornos

selados e com resfriamento, o que é inviável, devido ao alto custo, para a finalidade

do trabalho – dispositivos educacionais) e obtêm perfis semelhantes ao indicado na

Figura 4.6. A imagem é meramente ilustrativa, mas perfis reais são facilmente

encontrados na literatura [por exemplo, [66]. Portanto, avaliou-se o melhor modo de

obter um perfil de temperatura no sistema em desenvolvimento foi efetuado.

Figura 4.6 Perfil genérico e uma rampa de temperatura e seu respectivo cromatograma

71

4.2.2.2 Performance obtida Estas variações podem ser obtidas e registradas através de um sensor de

temperatura colocado em três pontos da coluna onde podemos obter diferentes

pontos de aquecimento ao longo da mesma. Os gráficos das figuras 4.7a e b,

mostram em duas situações diferentes o comportamento da temperatura na coluna

através do tempo.

Figuras 4.7 (a) e (b) As variações da temperatura em função do tempo Portanto, a solução encontrada foi, na programação do controlador de temperatura,

a criação de pequenos degraus, ou seja, pequenos intervalo de tempo em

temperatura fixa intercalado com igual região de rampa de aquecimento. Isso

representa uma atenuação nos picos de temperatura fazendo com que as rampas se

tornem menos íngremes, representando assim um aumento gradual de temperatura,

ao longo da coluna. Os programas de programação da coluna podem ser vistos no

apêndice A.

Dentre as várias programações de rampas que formam feitas as melhores rampas

obtidas são apresentadas na Figura 4.8, para estas o número de intervalos

implementados são de 6, 18 e 34 para as taxas de 8 ºC/min, 6 ºC/min e 3 ºC/min,

respectivamente. Observe-se que o limite está no atuador, ou seja, controlador de

temperatura, que apresenta uma retificação da temperatura a cada minuto.

72

Figura 4.8– Rampas de aquecimento obtidas com número de intervalos

implementados de (a) 6 [8 ºC/min.], (b) 18 [6 ºC/min.] e (c) 34 [3 ºC/min.], além de (d)

rampa de aquecimento programada

4.2.2.3 Simulação do comportamento na coluna e comparação com resultados experimentais

4.2.2.3.1 Simulação do comportamento na coluna

Em um cromatógrafo a gás, o filme depositado sobre o capilar, para favorecer a

adsorção, é denominado fase estacionária enquanto o gás de arraste é chamado de

fase móvel. A separação da amostra depende da interação que ocorrer entre os

componentes da mistura e a fase estacionária, ou seja, principalmente de dois

parâmetros: solubilidade e volatilidade. Assim, quanto maior a solubilidade do

componente na fase estacionária mais lentamente este percorre a coluna; por outro

lado, quanto mais volátil, mais rápido sua saída. Outro parâmetro importante é o

movimento aleatório da amostra no canal (eddy diffusion), portanto, quanto maior o

tempo que a amostra permanece na coluna maior a região que ela ocupa. Os

processos que ocorrem na coluna geram na saída, um perfil aproximadamente

gaussiano, e, quanto maior o tempo que amostra permanece na coluna, mais

73

“larga”, e, portanto “menos intensa”, será a gaussiana obtida. Nessa condição o

limite de detecção piora; portanto, para diminuir tal interferência, é comum mesmo

para análises complexas, como as análises de frações de petróleo raramente

ultrapassam meia hora [66,67]. Para tanto, um modo de favorecer a saída de um

componente que tem alta afinidade pela fase móvel e/ou baixa volatilidade é com

aquecimento controlado da coluna, o que torna o perfil de aquecimento crítico para

definir a performance do instrumento. Por fim, a grande quantidade de amostra na

coluna também favorece a dispersão. Em trabalhos anteriores, a questão de

saturação do canal já foi abordada [31] e neste trabalho, a superfície não é aderente;

portanto, serão avaliados apenas os comportamentos devido à volatilidade dos

componentes e sua difusão aleatória.

O programa FEMLAB® permite a simulação do perfil de concentração de um

componente na coluna desde que os parâmetros constantes da Tabela 4.2 sejam

fornecidos e, para permitir a compreensão dos valores utilizados, também se

apresentam as justificativas para a escolha. Dois parâmetros foram variados para

simular, volatilidade e eddy diffusion, respectivamente, difusão efetiva e coeficiente

de difusão. A difusão do componente é tanto maior quanto maior sua volatilidade;

por outro lado, na fase vapor, a maioria dos compostos orgânicos voláteis tem

coeficiente de difusão de 10-8 m2 /s [68], mas pode atingir valores de até 10-4

m2/s se

alguma condição externa favorecer a dispersão (rápido aquecimento, etc.) [69]. No

programa, a difusão efetiva tem valores normalizados; onde o valor 1 corresponde à

condição mais comum em cromatografia. O tempo de permanência na coluna foi

fixo, e inferior a 180s, compatível com valores experimentais.

74

Tabela 4.2 – Parâmetros do programa FEMLAB®, valores utilizados e as justificativas para a escolha.

Parâmetro Valor assumido nesse trabalho/justificativa

Comprimento da coluna 3500 mm, como canal produzido

Área superficial da coluna 1145mm2, como canal produzido

Porosidade da coluna 1(sem porosidade), porque não há material para adsorção dentro do canal

Velocidade da fase móvel ~3m/s(velocidade linear), definida pela vazão no medidor de fluxo

Difusão efetiva Variável, nesse caso (0,5; 1;2)

Constante de adsorção <<0,01, porque não há adsorção na coluna (1.10-4

)

Concentração na fase estacionária

<< 1.10-6

mol/m2 porque não há adsorção, portanto o valor

que se encontra na superfície é menor que o obtido em uma superfície mediante adsorvente (1.10

-8 mol/m

2 )

Concentração do analito (componente da mistura)

1 mol/m3, definido pela massa admitida de amostra dividida

pelo volume do canal

Coeficiente de difusão Variável, nesse caso (10-8

m2/s ou 10

-4 m

2/s)

A Figura 4.9 apresenta o perfil do componente (denominado analito) dentro da

coluna quando o escoamento atinge a metade do comprimento do canal. Muito

embora a volatilidade favoreça o alargamento da gaussiana, o que diminui o valor

máximo do pico, ou seja, aumenta o limite de detecção (Figuras 4.8a e 4.8b), o

aquecimento é mais significativo no espalhamento do fluido (Figuras 4.8c e 4.8d), ou

seja, o aquecimento só se justifica se a amostra puder sair muito mais rapidamente

da coluna.

Figura 4.9 Perfil do componente (analito) dentro da coluna quando o escoamento atinge a metade do comprimento do canal. Difusão efetiva de 0,5 (a) ou 2,0 (b). Coeficiente de difusão de 10-8

(c) ou 10-8 (d)

75

4.2.2.3.2 Comparação com resultados experimentais

Essa taxa pequena também explica as maiores variações na linearidade (picos) das

curvas com rampa de 8 ºC/min, que não podem ser minimizadas pelo aumento do

número de intervalos. Apenas para comparação a Figura 4.9d apresenta a rampa de

aquecimento programada, ou seja, a ser obtida apenas em um sistema ideal. É

possível também observar que a dispersão nos valores de temperatura entre os três

sensores é tanto menor quanto menor for a rampa de aquecimento. Considerando-

se, assim, as duas variáveis mais importantes, formação de picos e dispersão entre

os três sensores da temperatura ao longo da coluna, a melhor rampa de

aquecimento é a de 3 ºC/min taxas, contudo, está é muito distante dos valores

comuns em cromatografia, portanto a rampa de 6 ºC/min corresponde a uma

condição de desempenho. Por fim, uma correlação entre simulação e medidas no

arranjo experimental pode ser obtida pela injeção de 0,02 ml de 2-propanol a 1ml

padrão/min ou a 10mlpadrão/min na temperatura ambiente comparadas à injeção a

10mlpadrão/min e 28 ºC ou 48 ºC (Figura 4.10). Como pode ser observado na figura,

há uma maior dispersão na gaussiana, devido à maior temperatura, o que é

coerente com os resultados de simulação. O maior fluxo, por sua vez, diminui o

tempo de residência do fluido e a gaussiana é mais aguda.

Figura 4.10 – Injeção de 0,02 ml de 2-propanol na temperatura ambiente e a (a) 1ml padrão/min ou a 10mlpadrão/min. (b) injeção a 10 ml padrão/min e 28 ºC ou 48 ºC.

76

4.2.2.4 Conclusão parcial

Foi possível definir um conjunto coluna, aquecedor onde as rampas de temperatura

são semelhantes às obtidas em cromatógrafos a gás de mediana performance. A

boa reprodutibilidade permite a admissão da amostra por meio manuais.

77

4.2.3 Sistema de aquisição de dados

Neste item descrevem-se as principais características do hardware e do software

projetado e construído com a função de fornecer a tensão de alimentação dos

detectores, bem como interligá-los ao computador além de permitir a manipulação

do sinal.

O programa utilizado nos testes, bem como os esquemas de ligação e custos podem

ser encontrados no anexos A ,C e D.

4.2.3.1. Características do hardware projetado e construído

Devido à crescente demanda por aparelhos cada mais sofisticados, e, em

conseqüência, cada vez mais caros, a utilização destes equipamentos por alunos

dos cursos de graduação, ou mesmo de pós-graduação, torna-se cada vez mais

restrita. Assim, a especificação do projeto foi elaborada a fim de atender essas

necessidades com um dispositivo capaz de adquirir dados de forma simples e

barata, em relação ao aos existentes profissionais, e eficazes, para que possa ser

utilizado em tanto em laboratório para ensaios gerais como um instrumento de

complemento de pesquisa.

A especificação do projeto indica qual a funcionabilidade que o projeto terminado

deve fornecer e que possa incluir uma variedade de exigências elétricas [70]. A

especificação inicial é basicamente uma descrição técnica detalhada de como o

circuito terminado que ira realizar determinadas funções como: sinais que o circuito

receberá quais os sinais de saída, quais as tensões de alimentação disponíveis,

além dos parâmetros físicos que o projeto deve respeitar, tais como, tamanho e

peso do conjunto, resistência a umidade, vibração, ambientes agressivos, etc.[71]

Bloco aquisitor

O bloco aquisitor é composto por uma placa de circuito impresso contendo um

microcontrolador que rege todas as funções, e componentes que fazem parte do

ajuste/proteção do sistema. Sua função básica é a captura e tratamento de dados

para a futura entrega dos mesmos a um computador que contenha o software de

aquisitor de gases.

O tamanho deste bloco é limitado pelos terminais de colocação dos detectores, de

onde são recebidas informações a serem tratadas. Os detectores são pequenos

78

soquetes onde se encontram os sensores (TGS 2620, Figaro), que detectam as

variações na concentração de compostos orgânicos voláteis e componentes

adequados para a alimentação e obtenção do sinal de saída. A saída do sensor

(tensão) é amplificada para compensar as perdas provenientes do cabo.

Os dados amplificados nessa etapa são encaminhados para o microcontrolador, que

converterá variações de tensão em níveis binários e que serão encaminhados ao

computador através de uma saída USB tipo B, para armazenamento e futura

análise.

Optou-se por construir um aquisitor de dados com dez entradas devido à relação

custo/ beneficio. O custo do microcontrolador unitário seria superior em comparação

a um único controlador de dez entradas, com isso os canais de entrada dependem

agora somente do controlador utilizado e apenas um computador é necessário para

fazer o diagnóstico das entradas.

Microcontrolador A Microchip Technology Inc. é uma empresa de grande porte, com sede no Arizona,

EUA, que possui uma expressiva participação em semicondutores e

microcontroladores. Entre seus principais produtos destaca-se o microcontrolador

PIC® (Periferal Interface Controler), que possui boa diversidade de recursos,

capacidade de processamento, custo e flexibilidade de aplicações, mas, sem duvida,

o ponto mais forte desta tecnologia está na simplicidade de aplicação, o que permite

a aplicação deste microcontrolador em projetos de pequeno porte, facilitando a

implementação e diminuindo o custo de desenvolvimento. A figura 4.11, destaca

essa família de microcontroladores

79

Fig 4.11 Família de microcontroladores Microchip PIC

Fonte [72]

Microcontrolador 18F2550 Antes de iniciar o projeto desses circuitos, foram realizados estudos sobre os

microcontroladores PIC da Microchip pertencentes à família 18F. Os tipos mais

conhecidos desta família são o 18F4550 e 18F2550; foram, então, estudados

nesses dispositivos os blocos de E/S, conversor A/D, timer, consumo, entre outros.

Os microcontroladores desta família são ideais para aplicações que necessitam de

processamento de 10 a 16 MIPS (milhões de instruções por segundo), além disso

são otimizados para executar códigos gerados por compiladores da linguagem “C”,

esta família permite ainda a implementação de USB. Após estudos relacionados

com as características dos microcontroladores optou-se pelo 18F2550, de 28 pinos

que atende perfeitamente as necessidades do projeto. A figura 4.12 apresenta foto e

o símbolo esquemático do microcontrolador

80

Figura 4.12 Foto e diagrama esquemático do controlador Fonte [72] Linguagem de programação As linguagens “assembly” (figura 4.13) e “C” (figura 4.14) são as mais usadas para a

programação dos microcontroladores. Assembly, que significa montagem, é o termo

que melhor define o processo de criação de arquivo em linguagem binária. Para que

isso ocorra, faz-se necessário o uso de um programa montador, chamado

assembler. A linguagem C é bastante poderosa e versátil, e é conhecida pelo seu

equilíbrio entre estruturação e eficiência. Desta forma, o programa fonte gerado pelo

programador é processado em outro programa, conhecido por “compilador”, que irá

gerar o programa em linguagem binária. No caso o programa foi construído em “C”

pelas características abordadas anteriormente.

Figura 4.13 Elementos de programação assembly

Fonte[73]

81

Figura 4.14 Diagrama de programação em linguagem C

Fonte [73]

O software foi desenvolvido a fim de atender os parâmetros do projeto mencionado anteriormente nos itens de produção e requerimento do equipamento. A figura 4.15 mostra um fluxograma do projeto.

82

Figura 4.15 Fluxograma do software desenvolvido Fonte própria Fonte de alimentação A fonte de alimentação tem como função alimentar eletricamente o sistema com

tensão continua. Para tanto, são necessários apenas um transformador abaixador

de tensão, uma ponte retificadora, um filtro capacitivo e três reguladores de tensão.

O esquema da figura 4.16 ilustra o exposto. O transformador (fabricante genérico)

deve possuir as seguintes características: entrada 110/220V/0-9V-1A. Os diodos que

formam a ponte retificadora (fabricante genérico) e o capacitor eletrolítico (fabricante

83

genérico) devem possuir as seguintes características: capacidade 2200μF/16V, com

uma tensão mínima de trabalho. A fonte de retificação e filtragem encontra-se fora

da placa de aquisição de dados para evitar interferências, como ripple (ondulação),

que possa ser introduzida na placa de aquisição de dados.

T1D11N4004

D21N4004

D31N4004

D41N4004

C12200uF-POL

primario secundario

Figura 4.16 Retificação e filtragem Fonte própria

A figura 4.17 apresenta a etapa de estabilização da fonte, que se encontra montada

na placa de aquisição de dados. A fonte foi projetada a ter três sistemas de saída

estabilizada; duas delas com sinalização visual. Os capacitores colocados na

entrada da fonte têm como objetivo principal eliminar qualquer ruído que possa vir

da retificação e filtragem ou qualquer interferência que possa ser introduzida na

placa. As sinalizações têm como objetivo indicar o nível de tensão de saída. As

duas saídas com sinalizações (leds amarelos) servem: uma para alimentar os

sensores de gás e outra para alimentação dos amplificadores operacionais. No caso

de um dos sensores entrarem em curto circuito ou se tornar um circuito aberto, o

sistema não ficará prejudicado, continuando a funcionar e o mesmo ocorre em

relação aos amplificadores operacionais. A terceira alimentação é só para a

alimentação do microprocessador, pois se houver alguma pane em alguns dos

sensores ou nos amplificadores operacionais o sistema continuará a adquirir os

dados normalmente, sem interrupção do sistema.

84

Figura 4.17 Estabilização da fonte e filtros A figura 4.18 apresenta foto do modelo completo do aquisitor de dados, contendo todos seus componentes, já com a ligação do sensor Figura 4.18 Foto do modelo completo do aquisitor de dados

85

Entrada de dados Após haver uma variação de corrente no sensor, uma variação de tensão é sentida

no resistor RL, que está em série com o sensor (vide figura 4.20b). Como esta

variação é muito pequena, é então amplificada por meio de um amplificador

operacional. Esse amplificador operacional tem duas finalidades: a primeira é de

compensar as perdas que podem acontecer no cabo dando um ganho de

aproximadamente 4,83; a segunda é uma proteção da entrada do controlador, pois

se uma entrada do sinal for acima de 5V poderá queimar a entrada do controlador.

Neste caso isso é evitado porque o operacional saturaria e a saída máxima seria de

aproximadamente 3,5V, evitando a queima de uma entrada do controlador. Na

entrada do amplificador operacional foi colocado um resistor de 1KΩ para evitar que

qualquer ruído pudesse ser inserido na entrada do mesmo, o que poderia acarretar

algum erro na saída

Como pode ser observado no esquema da figura 4.19, existem duas tensões; uma

para os sensores e uma para os amplificadores operacionais. O motivo é proteção;

assim, se algum sensor entrar em curto ou ficar em aberto, o restante dos sensores

pode enviar seus dados sem qualquer perda. O mesmo se aplica aos amplificadores

operacionais, caso algum deles apresente algum problema os outros continuarão a

funcionar normalmente. A saída amplificada é levada então a entrada do

microcontrolador onde é convertida para digital e depois armazenada conforme o

canal de amostra. Os resistores pertinentes a este circuito são todos de tolerância

de 1% para minimizar o erro e os capacitores são de acoplamento para evitar

qualquer entrada de ruído no sistema. A figura 4.19 ilustra o descrito acima

86

Figura 4.19 Circuito de entrada de dados Sensor utilizado Sensores de pequenas dimensões são muito comuns em diversas áreas, e

apresentam características muito interessantes. O sensor utilizado neste trabalho, o

TGS2620 fabricado pela Figaro – Japão é um sensor desenvolvido para a detecção

de vapores de solventes orgânicos voláteis, sendo usado para identificação de

gases combustíveis. Suas principais características são: baixo consumo, alta

sensibilidade, baixo custo e longa durabilidade.

Na presença de gases combustíveis – como, por exemplo, etanol – a razão de

oxigênio disponível diminui, o que implica em uma diminuição da resistência do

sensor, e, por conseqüência, maior queda de tensão em RL. As figuras 4.20 (a) e

(b) apresentam o interior do sensor e o b o diagrama elétrico para sua a ligação,

respectivamente. Mais informações são apresentadas pelo fabricante, e cópia se

encontra no anexo B

87

Figura 4.20(a) estrutura interna (b) Esquema elétrico Fonte 62

4.3 Descrição do conjunto Os sub-sistemas (descritos nos itens de 4.1 a 4.3) formam um conjunto que tem

características similares a um cromatógrafo convencional com coluna capilar. Para

este conjunto de elementos foi elaborado um projeto e finalizada a construção de um

equipamento portátil (protótipo). Esse equipamento, denominado analisador de

gases uma vez que a coluna capilar utilizada não apresenta filme adsorvente, é

descrito a seguir.

Os sub-sistemas foram colocados dentro de um rack para maior segurança e

também para permitir transporte. Os racks têm a sua principal utilização na

aplicação, proteção e organização de uma variedade de equipamentos, que incluem

desde equipamentos eletroeletrônicos, cabeamento estruturado, abrangendo

também os segmentos de telecomunicações, CPDs, entre outros. Os racks mais

“usuais“ têm um padrão de 19” e 23”. Para “uma largura útil de 19” ou 23”, os racks

mais comuns têm a sua altura em Us (U = 44,45mm) e a profundidade em

milímetros. É importante frisar que cada fabricante pode padronizar alturas e

profundidades. Portanto, é necessário verificar as dimensões e peso de cada

equipamento (altura, largura e profundidade), totalizar e a partir destas informações

compatibilizar o dimensional do rack. Os principais itens para configurar um rack

estão relacionados com o tipo de produto que se pretende acondicionar, a

quantidade, o grau de proteção necessário, o controle de temperatura, de ventilação,

etc. É também relevante o espaço para a passagem e fixação de cabos, dissipação

de calor e acessórios como bandejas leves, pesadas, deslizantes, réguas de

88

alimentação, unidade de ventilação, passa cabos, etc. Por fim, deve ser verificado o

local de instalação do módulo, ou seja, se o ambiente está condizente com o grau de

aplicação e proteção exigido para o mesmo. [74,75].

No presente projeto utilizou-se um “rack de 19”, altura de 4,9Us (220 mm) e a

profundidade de 431mm e a figura 4.21 propicia uma idéia geral do conjunto obtido.

Figura 4.21 aspecto final do módulo

89

4.3.1 Descrição geral do conjunto

O painel frontal do equipamento é mostrado na figura 4.22, com a descrição de cada

componente do conjunto apresentada em seqüência.

Figura 4.22 vista do painel frontal [1= aciona controlador de

temperatura (3) e sistema eletrônico (4); 2= alimentação; 5= disjuntor; 6= rotâmetro;

7=8= válvula para seleção de N2 ou ar; ]

A chave azul (1) aciona o controlador de temperatura (3) e o sistema eletrônico (4) e

a chave verde (2) põe em operação os controles internos. Quando qualquer uma das

chaves está acionada, uma LED em seu interior provoca variação de luminosidade.

Com chave azul ligada, o controlador de temperatura (3) ficará em espera e a parte

eletrônica do circuito (4) também estará energizada, o que poderá ser verificado por

uma lâmpada na cor amarela, que deverá estar acesa. O disjuntor (5) é a parte que

permite a alimentação do sistema de aquecimento do conjunto. O rotâmetro (6)

indica a vazão do gás advindo do compressor de ar ou de um torpedo,

preferencialmente de N2. A escolha da alimentação do rotâmetro é feita com ás

90

válvulas metálicas (7,8). O conjunto de três válvulas de três vias (9) permite

direcionar o fluxo de gás para cada um dos 10 terminais (10) utilizados para a

injeção do gás a ser analisado. O bloco sistema de aquecimento (11) é formado de

dois blocos distintos, cada um com até 5 colunas e respectivos detetores. Esse

bloco é guardado no interior do rack quando não está em uso.

A figura 4.23 mostra a vista interior do rack e como são distribuídos alguns dos seus

componentes enquanto a figura 4.24 apresenta a vista superior do rack, com

destaque para as dez válvulas e respectivos septos para injeção de amostra além

das colunas suportadas no módulo de aquecimento. Por fim, na figura 4. 25

visualiza-se com melhor o módulo de aquecimento e colunas.

Figura 4.23 vista do interior do módulo de aquisição

91

Figura 4.24 vista superior do módulo

Figura 4.25 vista do sistema de aquecimento

92

4.3.2 Testes de funcionamento da parte mecânica Antes de se iniciar o uso do protótipo, deve-se escolher qual será a fonte da fase

móvel (compressor interno de ar ou torpedo de gás externo), bem como conectar o

computador para a aquisição dos dados.

A escolha da fase móvel é feita pelas válvulas existentes na parte inferior esquerda

da região frontal rack (números 7 e 8 da figura 4.22 e detalhe na figura 4.26). A

válvula mais a esquerda (8) admite em fonte externa de gás; esta fonte pode ser

acoplada ao equipamento por meio de uma conexão existente na parte traseira do

protótipo. Quando o sistema utiliza fonte externa, devido à grande diferença de

pressão entre compressor e torpedo, a válvula 7 deve ser mantida fechada ou o

sistema pode sofrer danos, tais como rompimento da câmara do compressor,

vazamento de gás, etc. Por outro lado, quando se utiliza o compressor de ar interno

ao conjunto, a válvula 8 deve estar fechada e a 7 aberta. Nesse caso liga-se o

compressor por meio da chave verde (2) no painel frontal. Quando do uso do

compressor o gás a ser injetado é o ar comum sem nenhum tratamento ou

filtragem.

Figura 4.26 detalhes das válvulas 7 e 8 (entrada de gás externo e

entrada de compressor de ar)

93

Após a seleção da fase móvel, ajusta-se o fluxo desejado de gás para ser distribuído

para os 10 terminais através do rotâmetro (6), situado na frente do painel. Após esse

ajuste seleciona-se quais módulos de aquecimento e/ou terminais serão

alimentados. Isso é possível selecionando-se a combinação das vias das válvulas

que estão soldadas na placa de acrílico no painel frontal (figura 4.22), vista eme

detalhe na figura 4.27. A figura 4.28 apresenta o modo de conexão das válvulas.

Figura 4.27 Vista do sistema de distribuição de para as válvulas superiores

94

Figura 4.28 Distribuição do fluxo nas válvulas. Entrada por compressor ou rotâmetro e saída através de distribuidores de fluxo de quatro ou duas vias (simboliza os pelos números 4 e 2, respectivamente) Através dessas válvulas seleciona-se os terminais (em detalhe a figura 4.29) que

receberão a fase móvel. Assim, a primeira válvula de três vias abastece os quatro

primeiros terminais (da esquerda para a direita, válvulas de 1 a 4 e agrupadas na

figura sob o número 4), a válvula do meio abastece as duas em seqüência (válvulas

5 e 6, agrupadas na figura sob o número 2) enquanto a última válvula abastece as

quatro ultimas válvulas (válvulas 7 a10). A seleção se o terminal será usado para

inserir amostra, para alimentar a coluna ou mesmo se permanecerá fechado é feita

individualmente nas 10 válvulas.

Figura 4.29 vista em detalhes das válvulas superiores

95

O sistema de admissão de ar pelo compressor foi avaliado usando-se um

bolhometro para determinar a vazão em cada uma das 10 válvulas, mas sem o uso

da coluna. O compressor de ar permite uma vazão de até 20 ml/s e não se observou

mudança significativa nesse valor mesmo com todas as válvulas abertas. Esse valor

é também bem maior do que o máximo necessário para a utilização de colunas

capilares (em geral menor que 2 ml/min [10]). Portanto, o sistema pode ser utilizado

mesmo com um grande número de alunos. Além disso, para a utilização de todas as

colunas simultaneamente sem incorrer no risco de diminuição do fluxo de gás ainda

se pode recorrer ao uso de torpedo de gás.

4.3.3 Testes de funcionamento da parte elétrica

Uma vez que a parte mecânica do sistema encontra-se a contento, deve-se iniciar o

uso da parte elétrica, e as figuras 4.30 a 4.32 apresentam uma possível seqüência.

Em um experimento em que somente a ultima válvula de três vias fosse selecionada

(figuras 4.30 e 4.31) até quatro válvulas na parte superior poderiam receber gás.

Caso a última válvula dos terminais fosse adaptada a uma coluna (figura 4.32),

desde que as outras três que se encontram na seqüência estejam fechadas, é

possível fazer uma análise, sendo necessário, contudo, previamente a definição do

fluxo desejado no rotâmetro.

Figura 4.30 representação esquemática das válvulas

96

Figura 4.31 representação real da posição da válvula

Figura 4.32 conexão da válvula superior com a coluna

97

Após estes primeiros procedimentos, conecta-se o cabo USB (encontra-se na parte

interna do protótipo) a um computador para efetuar as aquisições de dados. A chave

azul é acionada e, como abordado anteriormente, o sistema fica energizado, os

módulos eletrônicos (4) e controlador de temperatura (3) ficam em regime de espera

e o controle das condições elétricas passa a ser feito no painel central (figura 4.22 e

detalhe na figura 4.33). O controle da condição do módulo eletrônico em espera é

feita pela lâmpada E; se conectado a um computador pela C, pronto para adquirir

dados, A, ou sem reconhecer o programa, B ou D. Portanto, caso o programa não

seja reconhecido pelo computador, às lâmpadas C e D não acendem e a lâmpada B

irá acender e piscar; maiores detalhes podem vistos no anexo F. É importante

salientar que esse módulo de aquisição de dados é completamente auto-suficiente,

e pode ser usado pelo professor para o desenvolvimento de aulas expositivas. Esse

módulo, portanto, foi denominado kit do professor

Figura 4.33 conjunto de lâmpadas que indicam o estado em que se encontra

o sistema eletrônico. A = pronto para adquirir dados; B = programa é acionado junto

com o computador ( piscando) C, D = sem reconhecer o programa; E = dispositivo

energizado.

O controlador de temperatura deve ser acionado para que o sistema seja aquecido e

o programa de rampas de temperatura já está incluído no protótipo dispositivo, mas

maiores detalhes de programação pode ser visto no anexo C.

Para a liberação programa usa-se:

98

● PG1 indica o programa que ser executado

▼ pulsar ate “STAT”

◄► pulsar OFF/ RUN

Deixar em OFF o sistema vai para STAT

▼ pulsar ate RUN

O sistema começa a rodar

O disjuntor (7, figura 4.22), situado ao lado rotâmetro, permite a ligação do sistema

de aquecimento. Quando ligado aquece a coluna até a temperatura programada no

controlador de temperatura. Toda vez que for encerrada uma medição com

temperatura alta recomenda-se que o disjuntor seja desligado.

4.3.4.Testes de detecção

É preciso avaliar qual a influência da proximidade dos detectores no protótipo, ou

seja, possível contaminação cruzada e, também, qual o mínimo valor medido pelo

conjunto (limite de detecção). Estes parâmetros foram obtidos com um set de

experimentos como segue.

TESTE 1 :

Injeção de vapor de álcool isopropilico (50 µl a cada 30 segundos) no septo

acoplado à última válvula superior (figura 4.32), compressor interno ligado, sem

aquecimento e tempo de aquisição de 3 minutos. A figura 4.34 evidencia que o

sistema saturou no canal 1, como esperado, mas sem afetar o canal 2.

99

0:00:19:00:00:39:00:00:59:00:01:19:00:01:39:00:01:59:00:02:19:00:02:39:00:02:59:0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0va

ria

çoم

(v)

tempo (min))

canal1

canal2

Figura 4.34. Injeção de vapor de álcool isopropilico (50 µl a cada 30 segundos) no

septo acoplado à última válvula superior, conforme descrito no teste 1.

TESTE 2:

Semelhante ao teste 1, mas com o aquecimento a 60 ⁰C, tempo de aquisição de 5

minutos e injeção de 10 µl de vapor de isopropanol após 2 minutos. A separação dos

canais foi mantida por anteparo de papel. A figura 4.35 apresenta resultado típico,

onde se observa que, como esperado, o sistema foi capaz de detectar a amostra

injetada (canal 1), mas ocorre pequena interferência (<20% do valor total). Esta

interferência, não observada no teste 1, provavelmente decorre da difusão do gás

aquecido - que espalha após a saída do capilar. Esta interferência, contudo, não

impede utilização do conjunto.

100

0:00:49:0 0:01:39:0 0:02:29:0 0:03:19:0 0:04:09:0 0:04:59:0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

va

ria

çoم

(v)

tempomin

canal 1

canal 2

Figura 4.35. Injeção de álcool isopropilico (10 µl após 2 minutos) no septo acoplado

à última válvula superior, conforme descrito no teste 2

TESTE 3

Este teste tem como objetivo verificar se injeções freqüentes em uma coluna

aumentam a interferência no detector contiguo. Assim, com o aquecimento a 60 °C,

compressor interno ligado, tempo de aquisição 5 minutos, injetou-se 10 µl de vapor

de isopropanol após 1 minuto e 2 minutos. O sistema foi capaz de detectar as

amostras injetadas e sem forte influencia de um canal sobre o outro, ou seja, a

contaminação cruzada não tende a ser cumulativa (figura 4.36).

101

0:00:49:0 0:01:39:0 0:02:29:0 0:03:19:0 0:04:09:0 0:04:59:0

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8va

ria

çoم

(v)

tempomin

canal1

canal2

Figura 4.36. Injeção de álcool isopropilico (10 µl após 1 e 2 minutos) no septo

acoplado à última válvula superior, conforme descrito no teste 3

TESTE 4

Este teste tem como objetivo avaliar o limite de detecção do conjunto. Assim,

repetiram-se as condições do teste 4 (aquecimento a 60 °C, compressor de ar

ligado, tempo de aquisição 5 minutos), mas a injeção de vapor de isopropanol no

canal 1 foi de apenas de 5 µl. O sistema foi capaz de detectar amostra injetada e

apresentou pouca ou nenhuma interferência, devido à menor quantidade inserida

(figura 4.37).

102

0:00:49:0 0:01:39:0 0:02:29:0 0:03:19:0 0:04:09:0 0:04:59:0

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00va

ria

çoم

(v)

tempomin

canal 1

canal 2

Figura 4.37. Injeção de vapor de álcool isopropilico (5 µl após 2 minutos) no septo


TESTE 5

Neste caso atinge-se o limite de detecção. Para tanto, repete-se o teste 4, mas

adiciona-se apenas 3 µl de isopropanol no canal 1. Como se pode observar na figura

4.38, o sistema não foi capaz de detectar amostra injetada e, por conseguinte, não

interfere no canal contiguo. As variações obtidas na linha de base são apenas

ruídos, já que os valores são muito baixos.

103

0:00:50:0 0:01:40:0 0:02:30:0 0:03:20:0 0:04:10:0 0:05:00:0

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70va

ria

çoم

(v)

tempo (min)

canal 1

canal 2

figura 4.38. Injeção de vapor de álcool isopropilico (3 µl após 2 minutos) no septo


4.4 Conclusão

Os testes efetuados evidenciaram que a performance do sistema satisfaz os

requisitos para situações onde o nível de detecção não seja muito crítico (isto é,

limite de detecção aproximando de 3 µl, aquecimento não superior a 100 ºC, coluna

de apenas 72 cm e sem filme adsorvente na superfície, entre outros parâmetros de

cromatografia utilizados).

Por outro lado, por ser um instrumento de uso em laboratório e de baixo custo, além

adequado para a demonstração de todas as etapas de cromatografia, o protótipo

mostrou-se uma opção viável mesmo para instituições com pouco capital para

investimento em aulas de laboratório.

104

5 . Conclusões e Trabalhos futuros

A proposta desse mestrado foi a composição de um protótipo para ensino de

cromatografia com desempenho similar a equipamento comercial e baixo custo. O

protótipo proposto, composto principalmente por um compressor de ar, um

aquecedor, um microcanal e um sistema de detecção, conseguiu atender a essa

expectativa.

A abordagem utilizada para se obter essas vantagens foi o uso compartilhado dos

vários sistemas que formam o cromatógrafo, tais como aquecimento e detecção

único, além de utilização de apenas um microcomputador para aquisição dos dados,

mas que atenda até 10 alunos. Essa abordagem é inovadora e pode ser adaptada

para o desenvolvimento de outros instrumentos. Outras vantagens são boa

sensibilidade e robustez do conjunto. Além disso, pelo uso do sistema de detecção

(sensores e aquisição de dados) como um sistema de bancada, o professor tem

condições de desenvolvimento de aulas expositivas.

Como trabalhos futuros recomenda-se o uso de um aquecedor de cobre para

melhorar a estabilidade térmica para o todo o sistema, muito embora o sistema

mostrou-se eficaz. A melhoria das condições de aquecimento permite, por exemplo,

o estudo e/ou desenvolvimento de microrreatores e de outras operações unitárias,

igualmente importantes para o ensino na área de engenharias.

105

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http://www.htsoft.com/products/picccompiler.php.

110

Anexo A Programa do controlador CTM 45 PROGRAMA PARA 60 Graus

Feito com 10 rampas para evitar os picos de temperatura

1 Prog 42 ↔ 83 45 124 ↔ 165 PAL 206 ↓

2 ↓ 43 PRT 84 ↔ 125 0 01 166 ↔ 207 PRT

3 Pg fn 44 ↓ 85 SP3 126 ↔ 167 OFF 208 ↔

4 ↔ 45 PAL 86 ↓ 127 T5 168 ↔ 209 TIME

5 Edit 46 ↔ 87 PRT 128 ↓ 169 PAL 210 ↔

6 ↔ 47 OFF 88 ↔ 129 SP5 170 ↓ 211 PRT

7 Pg fn 48 ↔ 89 TIME 130 ↔ 171 T7 212 ↓

8 ↓ 49 PAL 90 ↔ 131 53 172 ↔ 213 PAL

9 Pg pu

50 ↓ 91 PRT 132 ↔ 173 0 01 214 ↔

10 ↔ 51 T2 92 ↓ 133 SP5 174 ↔ 215 OFF

11 No 52 ↔ 93 PAL 134 ↓ 175 T7 216 ↔

12 ↔ 53 0 01 94 ↔ 135 PRT 176 ↓ 217 PAL

13 Pg pu

54 ↔ 95 OFF 136 ↔ 177 SP7 218 ↓

14 ↓ 55 T2 96 ↔ 137 TIME 178 ↔ 219 T9

15 Mod 56 ↓ 97 PAL 138 ↔ 179 58 220 ↔

16 ↔ 57 SP2 98 ↓ 139 PRT 180 ↔ 221 0 01

17 0 58 ↔ 99 T4 140 ↓ 181 SP7 222 ↔

18 ↔ 59 40 100 ↔ 141 PAL 182 ↓ 223 T9

19 Mod 60 ↔ 101 0 01 142 ↔ 183 PRT 224 ↓

20 ↓ 61 SP2 102 ↔ 143 OFF 184 ↔ 225 SP9

21 SP 0 62 ↓ 103 T4 144 ↔ 185 TIME 226 ↔

22 ↔ 63 PRT 104 ↓ 145 PAL 186 ↔ 227 60

23 25 64 ↔ 105 SP4 146 ↓ 187 PRT 228 ↔

24 ↔ 65 TIME 106 ↔ 147 T6 188 ↓ 229 SP9

25 SP 0 66 ↔ 107 50 148 ↔ 189 PAL 230 ↓

26 ↓ 67 PRT 108 ↔ 149 0 01 190 ↔ 231 PRT

27 T1 68 ↓ 109 SP4 150 ↔ 191 OFF 232 ↔

28 ↔ 69 PAL 110 ↓ 151 T6 192 ↔ 233 TIME

29 0 01 70 ↔ 111 PRT 152 ↓ 193 PAL 234 ↔

30 ↔ 71 OFF 112 ↔ 153 SP6 194 ↓ 235 PRT

31 T1 72 ↔ 113 TIME 154 ↔ 195 T8 236 ↓

32 ↓ 73 PAL 114 ↔ 155 56 196 ↔ 237 PAL

33 SP1 74 ↓ 115 PRT 156 ↔ 197 0 01 238 ↔

34 ↔ 75 T3 116 ↓ 157 SP6 198 ↔ 239 OFF

35 35 76 ↔ 117 PAL 158 ↓ 199 T8 240 ↔

36 ↔ 77 0 01 118 ↔ 159 PRT 200 ↓ 241 PAL

37 SP 1 78 ↔ 119 OFF 160 ↔ 201 SP8 242 ↓

38 ↓ 79 T3 120 ↔ 161 TIME 202 ↔ 243 T10

39 PRT 80 ↓ 121 PAL 162 ↔ 203 60 244 ↔

40 ↔ 81 SP3 122 ↓ 163 PRT 204 ↔ 245 0 01

111

41 TIME 82 ↔ 123 T5 164 ↓ 205 SP8 246 ↔ 247 T10 248 ↓ 249 SP10 250 ↔ 251 60 252 ↔ 253 SP10 254 ↓ 255 PRT 256 ↔ 257 TIME 258 ↔ 259 PRT 260 ↓

261 PAL

262 ↔

263 OFF

264 ↔

265 PAL

266 ↓

267 END

112

Anexo B Características e esquema de ligação do sensor utilizado

114

Anexo C Controlador CTM 45, acessórios e esquemas de ligação [76] A figura C19a ilustra o controlador utilizado e a figuraC19(b) indica as funções do teclado Figura C1a controlador utilizado

Figura C1b funções do teclado

115

A figura C2 mostra os possíveis esquemas de ligação do controlador CTM45

Figura C2 possíveis esquemas de ligação A figura C3 mostra o esquema de ligação do Relé Solido CR1-, com a resistência de aquecimento

Figura C3 esquema de ligação do rele com a resistência de aquecimento

116

O download explicativo contendo todas as informações pode ser obtido pelo site http://www.contemp.com.br/downloads/pdf/CTM45_view.pdf

117

Termopar PT100 O termopar PT-100 é um termômetro de resistência elétrica feito de platina. É

chamada de termoresistor, possuindo uma resistência de aproximadamente 100Ω a

0º C. A norma DIN IEC 751 padronizou a faixa das termoresitências de -200 a 850ºC

A platina é um metal especialmente indicado para a construção de sensores de

temperatura. O PT 100 é considerado sensor de alta precisão e ótima repetitibilidade

de leitura. O princípio físico de funcionamento deste dispositivo é baseado numa

relação linear da variação da resistência em função da variação da temperatura,

segundo a expressão:

Rt = R0 ( 1+ a Δt + b Δt2 ) Onde: R é a resistência em função da temperatura

R0 a resistência inicial

Δt é a variação da temperatura

“a” é o coeficiente de temperatura do metal, pela norma DIN 43760 a= 0,00385

“b” pode ser considerado nulo para a platina, logo a curva resistência versus

temperatura é teoricamente linear, a figura C4 abaixo mostra esta curva

Figura C4 curva do PT100 Controlador

118

Os controladores CPM possuem uma entrada analógica universal configurável por

software que permite a conexão de diversos tipos de sensores de temperatura e

outras grandezas elétricas sem a necessidade de qualquer alteração de hardware.

Uma utilidade é definir rampas e patamares que atenda um determinado perfil

térmico. A finalidade é que o tempo seja mantido durante o tempo de processo.

Durante a programação das rampas é possível definir a prioridade será o tempo ou a

temperatura, nesse trabalho a prioridade foi dada para o tempo.

Placa de circuito impresso

Compósitos poliméricos reforçados com fibra (CPRF) têm sido largamente utilizados

na construção componentes estruturais para a indústria aeronáutica e aeroespacial

em função das suas propriedades mecânicas e físicas. Uma outra aplicação

importante de CPRF, mais especificamente os reforçados com fibra de vidro, é a

indústria eletro-eletrônico, onde este material é usado para a produção de placas de

circuito impresso [77,78]

As principais propriedades das fibras de vidro são: alta resistência à tração, superior

a das demais fibras utilizadas na indústria têxtil; boa resistência ao calor e ao fogo,

devido à sua natureza inorgânica; boa resistência química e biológica, pois não

degrada na presença de diversos agentes químicos e não sofre dano por fungos e

bactérias; não absorve umidade, conservando suas propriedades mecânicas em

ambientes úmidos; excelente desempenho em ambientes aquecidos em virtude do

baixo coeficiente de expansão térmica e do alto coeficiente de condutividade

térmica; não são condutoras de eletricidade em face de alta resistência dielétrica e

baixa constante dielétrica, sendo adequadas para emprego em isolamentos elétricos

[79].

Portanto, a placa de circuito impresso é um meio prático para montagem de circuitos

eletrônicos, onde a corrente elétrica é transportada por uma fina camada de material

condutor, geralmente o cobre. A determinação do material a ser utilizado depende

das características e especificações desejadas, sendo mais usadas as placas de

119

fenolite e fibra de vidro. Na tabela C. 1 procura-se mostrar algumas das diferenças

entre os tipos acima citados

Tabela C.1 comparação das placas de circuito impresso

Fonte [80]

COMPARAÇÃO ENTRE MATERIAIS USADOS NAS PLACAS

Tipo Custo Resistência

mecânica

Resistência

térmica

Isolação

galvânica

Resistência

a furação

Fenolite baixo Razoável Baixa Baixa Baixa

Fibra de

vidro

Alto Alta Alta Alta Alta

Projeto eletrônico

O projeto eletrônico começa com as especificações para uma implementação das

especificações, que indica funcionabilidade que o projeto terminado deve fornecer.

O processo começa normalmente com a conversão da especificação em um

diagrama de blocos das várias funções que o circuito deve executar. Cada etapa do

circuito é considerada um „ bloco‟ isoladamente. Cada bloco é então considerado

mais detalhadamente, nos detalhes das funções elétricas a serem fornecidas. Os

blocos individuais do circuito são interligados e varias conexões elétricas de cada

componente, ou bloco, esta disposição é parte do formulário para a produção da

placa de circuito impresso. [77,78].

120

Anexo D Relação de material e custos para o sistema de aquisição de dados

A estrutura apropriada de um projeto incorpora considerações econômicas e

técnicas, os custos de manufatura são aplicáveis neste projeto e a tabela abaixo nos

mostra um quadro comparativo para o projeto em questão de um canal e sua

capacidade máxima de 10 canais

Placa de aquisição

Quantidade Identificação Descrição

1 U1 18F2550 microcontrolador – microchip

1 Soquete 28 pinos torneado

2 IC7,IC8 7805 – regulador de tensão

1 IC6 78L05 - regulador de tensão encapsulamento TO-92

1 D1 1N 4007 – diodo retificador

2 LED5, LED6 Led amarelo redondo Φ1mm

3 LED1 LED3,LED4 Led verde redondo Φ1mm

2 LED2, LED7 Led vermelho redondo Φ1mm

5 IC1,I2,IC3,IC4,IC5 LM358 – amplificador operacional

5 Soquete 8 pinos torneado

1 C18 2200Μf/16V – capacitor eletrolítico

2 C12,C19 220 μ/16v – capacitor eletrolítico

13 C3,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11,C13,C14,C15,C16,C17

100nF - capacitor cerâmico disco

1 C4 470nF – capacitor cerâmico disco

2 C1,C2 33pF – capacitor cerâmico disco

1 Xtal 12MHZ – cristal

1 R1 10KΩ – resistor de carbono 1/4W-5%

2 R37, R38 270KΩ – resistor de carbono 1/4W-5%

7 R2,R3,R4,R5,R6,R39,R40, 1KΩ – resistor de carbono 1/4W-5%

10 R7,R10,R13,R16,R19,R22,R25,R28,R31,R34

42,2KΩ – 1% - resistor de precisão

10 R8,R11,R14,R17,R20,R23,R26,R29,R32,R35

5,9KΩ – 1% - resistor de precisão

10 R9,R12,R15,R18,R21,R24,R27,R30,R33,R36

1KΩ – 1% - resistor de precisão

1 Terminal USB tipo B

21 Terminal tipo borne de ligação

1 Placa de circuito impresso

121

Sensor/detecção

Quantidade Identificação descrição

1 Sensor TGS 2620 - figaro

1 1K Ω 1 %resistor de precisão

1 Soquete de 16 pinos torneado

0,5m 0,5m fio flexível de 4 vias

Fonte de alimentação


1 Transformador 110/220 – 0-5V – 1A

1 Ponte retificadora para 1A

1 2200µf/ 25V – capacitor eletrolítico

Controlador


1 Controlador universal CPM45

1 Rele de estado sólido CR1

1 Termopar PT 100

122

CUSTOS

As tabelas apresentadas abaixo indicam o custo aproximado para 1 canal e no

maximo para 10 canais


Descrição Quantidade 1 canal (R$) quantidade 10 canais(R$)

18F2550 1 25,00 1 25,00

Soquete 28 pinos 1 2,10 1 2,10

1N 4004 1 0,10 1 0,10

LM358 1 0,80 5 4,00

Soquete 8 pinos 1 0,60 5 3,00

7805 2 2,00 2 2,00

78L05 1 0,25 1 0,25

Cristal 1 0,75 1 0,75

Leds 3 mm 7 4,20 7 4,20

Resistor 1% 3 0,30 10 3,00

Resistor 5% 10 1,00 10 1,00

2200μF/16V 1 0,80 1 0,80

220μF/16V 1 0,25 1 0,25

Cap cer 16 6,40 16 6,40

Conector USB 1 1,50 1 1,50

Borne de ligação 3 1,20 21 8,40

Sub total 47,05 62,55

Sensor de aquisição

TGS 2620 1 130,00 10 1300,00

Resistor 1% 1 0,20 10 2,00

soquete 1 0,80 10 8,00

Fio 1m 1,00 10m 10,00

Subtotal 132,50 1320,00

Fonte de alimentação

transformador 1 16,65 1 16,65

Ponte retificadora 1 0,60 1 0,60

capacitor 1 0,80 1 0,80

Placa cir. Imp. 1 2,00 1 2,00

Subtotal 19,85 19,85

outros


1 80,00 1 80,00

Softwares 200,00 1 200,00

Caixa alumínio 1 42,00 1 42,00

CTM 45 1 250,00 1 250,00

CR1 1 25,00 1 25,00

PT100 1 38,00 1 38,00

rack 150,00

subtotal 610,00 760,00

123

Total geral

1 canal 809,40

10 canais 2167,40

124

Anexo E Programa controlador de aquisição de gases Guia de instalação Para fazer a instalação à seqüência é:

1-descompacte o arquivo

2- com todos os arquivos na mesma pasta execute o setup.exe

3-siga as instalações na tela

4-após a instalação, quando conectar o controlador pela primeira vez, o Windows

pedirá um arquivo de driver para o controlador. O arquivo está na pasta de

instalação do programa e é o Ceg_usb.ini.

5 após isso, está pronto para uso

A figura E.1apresenta a lista de arquivos do programa

figura E.1 arquivos do programa

125

ANEXO F Identificação do programa de controlador de aquisição de gases IMPORTANTE - este sistema foi desenvolvido para o sistema operacional com 32

bits, ou seja, o sistema operacional que o computador trabalha (para fazer a

verificação – vá a meu computador > propriedades), dentre outros, incorpora desde

WIN 98 até WIN XP e WIN-7 ( 32 bits).

Uma vez o programa inserido no computador, abra uma pasta para o sistema e

outra pasta para que os resultados dos adquiridos pelo CEG possam ser guardados.

O sistema a ser descompactado é o CEG.EXE.RAR, após a descompactação todos

os elementos devem colocados em uma mesma pasta e executa-se o SET UP EXE;

é interessante que após a instalação do programa reinicie o computador. A outra

pasta será explicada mais adiante.

Quando o cabo da placa de aquisição é conectado ao computador via conector USB,

sinal é emitido pelo computador (semelhante a quando inserimos um PEN DRIVE

ao mesmo), um LED na placa de aquisição acende (segundo LED de cima para

baixo, cor verde, na figura 4.18), indicando que o computador reconheceu o

dispositivo, isto deve levar apenas poucos segundos. Caso o sistema não reconheça

o dispositivo retire e insira novamente o conector USB no computador. Lembre-se

que o computador deve emitir um sinal indicando que um novo dispositivo foi

conectado ao mesmo. Isto deve resolver o problema.

Dependendo do tipo de configuração do computador é necessário dar um reinicio no

mesmo. Caso o sistema não reconheça o dispositivo será preciso fazer uma

atualização de driver. Nesse caso, entrar no sistema do computador HARDWARE>

PORTAS COM/LPT> ( aparecerá dispositivo não conhecido),>ATUALIZAR DRIVER

e a partir daí é acompanhar a seqüência indicada pelo computador.

126

Identificação do painel principal

Clicando-se em CEG.USB.ini obtemos a tela principal, como mostrado abaixo (na

barra de ferramentas do computador já aparece este ícone). Na figura F.1 abaixo

tem-se o aspecto do captador de dados

. Figura F.1 controlador de emissor de gases

127

PORTAS - Deve-se agora seguir os seguintes passos a fim de configurar CEG para

sua aquisição.

Embora fosse possível fazer um circuito eletrônico USB (universal serial bus), que o

computador reconhecesse automaticamente e operasse, isso exigiria autorização do

consórcio dos desenvolvedores de circuitos USB para a realização. O consórcio

determina uma seqüência de números particulares (em especial o VENDOR ID e o

PRODUCT ID) para que o computador pudesse entender de forma única o circuito, e

para isso teríamos que pagar uma taxa de inscrição para o consórcio.

Como o circuito não é comercial, apenas público, a opção foi tratar a comunicação

computador circuito como se fosse uma porta de comunicação convencional PC.

Por isso, o circuito precisa ser ligado ao PC primeiramente, ou seja, antes de ativar o

programa, de forma que o computador possa se preparar e identificar a porta e, na

seqüência, o programa. A figura F.2 mostra a pasta a ser selecionada

Figura F.2 identificação da porta Uma vez identificada a porta, que em um PC de mesa normal deve se situar entre

COM5 e COM8, (no caso do laptop ou notebook, pode variar de COM1 a COM8),

basta clicar no botão CONECTAR CONTROLADOR

128

O circulo vermelho ao lado do botão, simula uma lâmpada do painel, se a conexão

for bem sucedida, ela passará de vermelho para verde.

Se a porta não for à correta ou o circuito não estiver conectado ao PC, o circuito

continua vermelho e um programa emite um aviso de erro. A solução, se o circuito

está alimentado, é desconectar e conectar novamente (o windows gera um sinal

sonoro, tal qual quando ligamos um pen drive a uma porta USB) e fazer uma nova

tentativa, ou escolher uma outra porta. A figura F.3a identifica a porta a ser

selecionada. E figura F.3b identifica a conexão do controlador ao computador

Figura F.3 seleção da porta selecionada

129

Figura F.3b identificação do controlador ao computador

130

Nº DE CANAIS AMOSTRADOS: o número de canais amostrados pode variar de 1

a 10, o sistema automaticamente adiciona ou subtrai os nomes dos arquivos

correspondentes, deixando habilitados apenas os canais correspondentes. A figura

F.4 abaixo mostra o enunciado

Figura F.4 identificação de canais amostrados

131

Nº DE AMOSTRAS POR SEGUNDO determina quantas amostras por segundo são

retiradas, os valores podem ir de 1 a 5, o sistema retira as amostras dos canais

selecionados simultaneamente, com uma diferença de 20µs de uma para outra,

conforme mostra a figura F.5 abaixo.

Figura F.5 identificação do numero de amostras por segundo

132

TEMPO DE AMOSTRAGEM – o tempo de amostragem pode variar de 1 a 250

minutos conforme indica a figura F.6 abaixo

Figura F.6 identificação do tempo de amostragem

133

PASTA DE ARQUIVOS – esta caixa informa para o sistema em qual pasta do

computador os arquivos serão gerados. Se não for informado um caminho, o

sistema informa a necessidade do mesmo. Ao lado existe um botão com o ícone de

uma pasta que dá a opção de buscar pastas destino com uma janela do windows,

em lugar de digitar manualmente. Para cada canal é gerado um arquivo, e o nome

do arquivo do canal é o que está na caixa correspondente.

Para cada amostragem é necessário abrir uma nova pasta, pois caso contrário os

dados serão gravados no arquivo salvo anteriormente. As figuras F.7a a figura F.7d

indicam a sequência de operação

Figura F.7a identificação da pasta de arquivos

134

Figura F.7b seleção da pasta destino

Figura F.7c seleção da pasta destino

135

Figura F.7d identificação da pasta destino

136

Depois de realizada a programação na tela principal do CEG, pode-se dar início à

coleta de dados clicando-se no botão “iniciar amostragem”. A luz na tela irá tornar-

se verde, indicando que o sistema iniciou a aquisição de dados. Caso aconteça

qualquer restrição, o sistema pode ser interrompido no botão parar amostragem, os

dados só serão gravados até o instante que o operador interferiu. A figura F.7e

indica iniciara amostragem e parar amostragem

Figura F.7e seleção de iniciar/parar amostragem

137

Após o término da coleta de dados, o programa indica em uma tela fim de aquisição.

É suficiente ir até a pasta destinada à entrada de dados e temos uma tabela

conforme mostra a figura F.7f. Os dados podem importados para o Excel ou outro

dispositivo para a obtenção de gráficos.

Figura F.7f identificação do fim do período de amostragem Uma observação deve ser feita quando do uso de várias aquisições: deve-se, a cada

término da aquisição, fechar o quadro do CEG, e abri-lo novamente para uma outra

amostra, caso contrário o sistema irá gravar sobre os dados obtidos anteriormente,

resultando na perda de dados já adquiridos.

138

Os arquivos de cada aquisição terão o seguinte formato, conforme mostra a figura F.7g

Controle de Emissão de Gases

Data da Coleta: 26/01/2011 10:19

Canal Amostrado: 01

Quantidade de Amostragens por segundo: 1

N° Amostra Tempo Valor Faixa

1 0:00:01:0 0,63 mV

2 0:00:02:0 0,63 mV

3 0:00:03:0 0,63 mV

4 0:00:04:0 0,63 mV

5 0:00:05:0 0,63 mV

6 0:00:06:0 0,63 mV

7 0:00:07:0 0,63 mV

8 0:00:08:0 0,63 mV

9 0:00:09:0 0,63 mV

10 0:00:10:0 0,63 mV

11 0:00:11:0 0,63 mV

12 0:00:12:0 0,63 mV

13 0:00:13:0 0,63 mV

Figura F.7g identificação dos dados adquiridos

139

Anexo G Fluxograma programa de gravação no microcontrolador conforme mostra a figura G.1

140

ANEXO H Esquemas da placa eletrônica Esquema elétrico, figura H.1 placa de circuito impresso vista de cima, figura H.2; placa de circuito impresso vista por baixo H3; mascarar de solda figura H.4 e circuito com componentes figura H.5

Figura H.1 esquema elétrico

Figura H.2 circuito impresso vista de cima

141

Figura H.3 circuito impresso vista de baixo Máscara de solda

Figura H.4 máscara de solda

Figura H.5 Circuito com componentes

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