Desenvolvimento de uma célula para medição de propriedades de líquidos por ultrassom com manipulação de amostras através de cubetas

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de medição de propriedades de líquidos por ultrassom, tais como velocidade de propagação e coeficiente de atenuação, com as seguintes características: modo de operação pulsado em transmissão-recepção, faixa de frequências entre 20 e 80~MHz, controle de temperatura com variações menores do que 0,01ºC, além do uso de cubetas descartáveis e/ou esterilizáveis com volume menor ou igual a 3 ml. Células Peltier controladas eletronicamente foram utilizadas como atuadores térmicos para o controle de temperatura da célula de medição proposta, e também, para o controle da temperatura de uma caixa térmica utilizada para minimizar os efeitos das variações da temperatura ambiente na amostra. Testes de estabilidade com água destilada mostraram que a temperatura controlada apresenta uma variação menor que 0,01ºC, e que a incerteza para medidas de velocidade de propagação é da ordem de 5 cm/s, a uma temperatura de 25ºC e frequência de 50 MHz. Em relação as medidas de atenuação, o sistema apresentou incertezas na ordem de 0,3 dB/cm para água destilada a 25ºC. Foram realizados ensaios com misturas de água e NaCl, que apresentam valores de atenuação mais baixos que os da água destilada e com amostras de óleos de rícino e de silicone, que apresentam valores de atenuação elevados. Como exemplos de aplicação, a célula de medição foi utilizada para medir propriedades de biocombustíveis, tais como concentração de água em misturas de água e etanol, efeitos da termodegradação em amostras de biodiesel de soja e determinação da porcentagem de biodiesel em misturas de diesel e biodiesel.

This work describes the development of an ultrasonic spectrometer for liquids, which operates in the frequency range from 20 MHz to 80 MHz. Important characteristics are its high thermal stability (better than 0.01ºC) and practical sample handling by the use of commercial cuvettes, which have small volumes (<3 ml) and can be easily removed from the spectrometer, cleaned/sterilized or simply discarded. Electronically controlled Peltier cells were used as thermal actuators for the temperature control. Through-transmission operation is used to measure propagation velocity and attenuation coefficient with uncertainty in the order of 5 cm/s and 0.03 db/cm, respectively, at 25ºC and 50 MHz. The spectrometer was tested with mixtures of water and NaCl, which have attenuations smaller than that of distilled water, and higher attenuation samples of silicone and castor oil. As a practical application, the spectrometer was used to measure some properties of biofuels, like concentration of water and ethanol mixtures, thermal-degradation effects in soybean biodiesel and percentage of biodiesel in mixtures of diesel and biodiesel.