Programa de controle de um sistema de medição de propriedades de líquidos por ultrassom e caracterização de amostras de referência

Resumo

Na espectroscopia ultrassônica, a velocidade de propagação (fase e/ou grupo) e o coeficiente de atenuação de uma onda acústica que se propaga por uma amostra são medidos em função da frequência. A partir desses parâmetros acústicos, outras propriedades da amostra podem ser indiretamente inferidas, como compressibilidade, constantes elásticas, concentração/composição, adulteração, etc. Um dos métodos acústicos para se medir propriedades de materiais é a chamada técnica relativa ou de substituição, na qual primeiro se mede uma amostra de referência (normalmente água destilada, cujas propriedades são bem conhecidas), que depois é substituída pela amostra de interesse. Na medição dos parâmetros acústicos em função da frequência, efetuam-se operações entre os espectros dos sinais da amostra de referência e da amostra de interesse. No cálculo da velocidade de propagação, faz-se a subtração entre as fases espectrais, enquanto que para o cálculo do coeficiente de atenuação, trabalha-se com a divisão entre os espectros de magnitude. Um problema aparece quando as propriedades do líquido de interesse são muito diferentes das propriedades da água destilada, produzindo pouca sobreposição entre os respectivos espectros e grande diferença na magnitude. Essa grande diferença de amplitude/magnitude não é interessante do ponto de vista de aquisição de dados, pois haverá mais ruído no sinal de menor amplitude, já que se trabalha com a mesma escala/ganho na placa de aquisição para os diferentes sinais. Uma das propostas deste trabalho é caracterizar outros líquidos que possam ser utilizados como referência, como por exemplo o glicerol, que está presente em diversos segmentos industriais como matéria-prima, além de ser de fácil preparação, estável e não apresenta riscos de manipulação. A partir de misturas de água e glicerol, pode-se controlar a atenuação na amostra, e serão medidas a velocidade e coeficiente de atenuação dessas amostras em função da temperatura. Posteriormente, misturas de água/glicerol serão utilizadas como amostras de referência para caracterizar amostras de líquidos mais atenuantes, como óleo de rícino, por exemplo. Esses resultados serão comparados com medições realizadas quando a água destilada for utilizada como referência. Com isso, diferentes larguras de banda de medição devem ser obtidas. A célula de medição que será utilizada tem como principais vantagens a facilidade na troca de amostras, o uso de frequências elevadas e o controle de temperatura com variações menores que 0,01°C. Será reformulado também o programa de controle de instrumentação, aquisição dos dados e processamento de sinais em ambiente Matlab que é utilizado atualmente no sistema, de forma a deixá-lo mais intuitivo e prático para o usuário. Para isso, a bolsista deverá entender os conceitos acústicos e de processamento digital de sinais envolvidos no cálculo dos parâmetros de interesse, como transformada de Fourier e filtragem digital. As funções principais do programa consistem de: inicialização e controle dos instrumentos (pulsador/receptor de ultrassom, placa de aquisição de dados e sistema de controle de temperatura); calibração com líquido de referência; medição do líquido de interesse; cálculo e visualização dos resultados intermediários e finais, na forma numérica e gráfica; armazenamento dos dados de interesse. No contexto geral do trabalho, a bolsista se envolverá com conceitos de espectroscopia ultrassônica, instrumentação eletrônica e virtual, processamento digital de sinais, complementando sua formação em engenharia elétrica.