Medição de Umidade, Densidade, Viscosidade e Ph
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SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 3
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................. 3
1.1
UMIDADE ....................................................................................................... 3
1.1.1 DEFINIÇÕES DE UMIDADE ................................................................... 3
1.1.2 OUTRAS DEFINIÇÕES IMPORTANTES ............................................... 5
1.1.3
DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO DE UMIDADE ...................................... 6
1.1.3.1 Higrômetros ......................................................................................... 6
1.1.3.2
Psicrômetros ....................................................................................... 15
1.1.4 DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO DE PONTO DE ORVALHO .............. 17
1.1.5 DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO DE TEOR DE UMIDADE .................. 18
1.2 DENSIDADE E GRAVIDADE ESPECÍFICA .......................................... 18
1.2.1
TERMOS BÁSICOS ................................................................................. 18
1.2.2 DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO DE DENSIDADE ................................ 19
1.3 VISCOSIDADE ............................................................................................. 21
1.3.1 TERMOS BÁSICOS ................................................................................. 21
1.3.2 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DE VISCOSIDADE ........................ 22
1.4
MEDIÇÕES DE PH ...................................................................................... 26
1.4.1
TERMOS BÁSICOS ................................................................................. 26
1.4.2 DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO DE PH ................................................. 26
REFERÊNCIAS .......................................................................................................... 30
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INTRODUÇÃO
Uma das exigências de muitos processos industriais é garantir a qualidade do produtofinal. Para isso, o controle de qualidade é realizado rigorosamente a fim de atender as
exigências de qualidade final (ou intermediária) de um processo. Na maioria das vezes, este
controle é realizado por análises químicas ou físicas, para as quais uma grande variedade de
instrumentos especiais é utilizada para executá-las [1].
Para que o objetivo de um processo industrial seja alcançado, algumas variáveis como
pressão, temperatura, densidade, umidade, pH, dentre outras, necessitam ser monitoradas e
controladas. Por exemplo, muitos processos industriais são sensíveis à umidade e, por isso,torna-se necessário controlar a quantidade de vapor de água presente em tais processos, como
é o caso das indústrias de processamento têxtil, madeireiro e químico [2].
Esta revisão bibliográfica ajudará o leitor a compreender os conceitos de umidade,
densidade, viscosidade e pH, bem como as unidades utilizadas em medições, as definições
padrão utilizadas e os instrumentos empregados na medição dessas grandezas [2].
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1 UMIDADE
Como já foi mencionado, conhecer as condições de umidade do ar é de grande
importância nas atividades industriais. A conservação de produtos em sistemas de
refrigeração é influenciada pela umidade, portanto, para se obter uma melhor conservação é
necessário se ter uma mistura apropriada de ar seco e vapor de água. Há também uma grande
influência da umidade do ar na secagem, armazenamento e processamento de grãos, os quais
são limitados pelas condições do ar atmosférico [3].
1.1.1 DEFINIÇÕES DE UMIDADE
De acordo com Dunn (2013, p. 146), “a umidade é uma medida da quantidade relativa
de vapor d’água presente no ar ou em um gás”.
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A umidade relativa (Φ) é a relação entre a quantidade de vapor de água presente em
certo volume de ar ou gás, pela quantidade máxima de vapor de água solúvel no mesmo
volume de ar ou gás saturado com vapor de água. A expressão saturado representa aquantidade máxima de vapor de água que pode ser dissolvida ou absorvida pelo ar ou por um
gás, a certa pressão e temperatura [2].
= á
á á á ú
á×100
Outra definição alternativa apresentada por Dunn (2013, p. 146), relaciona a umidade
relativa às pressões de vapor:
= ã á áã á á
×100
A umidade absoluta é definida como a razão entre a massa de vapor de água (kg) emrelação ao volume de ar (m3) [4].
= á
A umidade específica é definida como a razão entre a massa de vapor de água (kg) em
relação à massa de ar seco (kg) [4].
í = á
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entre as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido, umidade relativa, pressão de vapor de
água, dentre outras [2].
Figura 1- Diagrama psicrométrico para misturas do tipo ar-vapor d'água [3].
1.1.3 DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO DE UMIDADE
1.1.3.1 Higrômetros
Os higrômetros são instrumentos de medição de umidade cuja leitura é realizada,indiretamente, por meio de alterações nas propriedades físicas ou elétricas de materiais
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relacionadas ao teor de umidade. Alguns materiais, como cabelo, membranas, pele e tiras
finas de madeira têm o seu comprimento modificado em virtude da quantidade de água
absorvida pelos mesmos. Esta modificação está diretamente relacionada à umidade. Oshigrômetros são utilizados para medir a umidade relativa de 20% a 90%, com uma precisão de
± 5%. A faixa de temperatura para seu uso deve ser limitada a menos de 70°C [2].
Os tipos mais comuns de higrômetros utilizados são:
O higrômetro laminado, o qual é composto por tiras finas de madeira unidas com tiras
finas de metal, formando um laminado. Este laminado é disposto em forma de uma hélice
(Figura 2a). Conforme a umidade é alterada, a hélice se flexiona devido à alteração nocomprimento da madeira. Uma das extremidades da hélice é fixa, enquanto a outra é
conectada a um ponteiro, o qual indicará a umidade percentual de acordo com a dimensão da
alteração no comprimento [2].
Figura 2- Dois tipos de higrômetros utilizando (a) lâmina de metal/madeira e (b) de cabelo [2].
O tipo mais antigo e simples de higrômetro é o higrômetro de cabelo (Figura 2b). Este
dispositivo utiliza cabelo para medir o teor de umidade, visto que o cabelo humano se
expande em 3% quando há mudanças de umidade de 0% a 100%. Por meio dessa mudança no
comprimento, é possível controlar um ponteiro, obtendo-se leituras visuais, ou um transdutor,
como transformadores diferenciais lineares variáveis (LVDTs), para se obter uma saída
elétrica. A precisão deste tipo de higrômetro é de, aproximadamente, 5% para o intervalo de
umidade de 20% a 90% ao longo de uma faixa de temperatura de 5°C a 40°C [2]. Abaixo,
pode-se observar alguns exemplos de higrômetros de cabelo. Um Higrófago (Figura 5) é um
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equipamento digital que possui um higrômetro de cabelo para a realização da medição de
umidade, porém ele realiza as leituras ao longo do tempo e transcreve as medidas obtidas em
um gráfico.
Figura 3-Funcionamento de um higrômetro de cabelo [6].
Figura 4- Higrômetro de cabelo [7].
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Figura 5- Higrófago [8].
O higrômetro resistivo ou sensor de umidade resistivo é um dispositivo composto de
dois eletrodos com os dedos interdigitados sobre um substrato isolante (Figura 6). Estes
eletrodos são revestidos por um material higroscópico, que absorve água, como o cloreto de
lítio. Um caminho condutivo é formado entre os eletrodos por causa do material higroscópico,sendo o coeficiente de resistência do caminho inversamente proporcional à umidade [2]. Uma
melhor compreensão de como é constituído este sensor pode ser observada na Figura 7.
Figura 6- Eletrodos elétricos com dedos interdigitados cobertos com material higroscópico [2].
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Figura 7- Camadas de um sensor resistivo [9].
Uma solução de cloreto de lítio é usada para revestir completamente o dispositivo
(Figura 8). Com o aumento da umidade, a solução de cloreto de lítio absorve mais vapor de
água, fazendo a resistência diminuir muito. Como a solução está em contato com os eletrodos,
a resistência dos terminais dos eletrodos também diminui. Assim, pode ser feita uma relação
com a diminuição desta resistência em função do aumento da umidade [2]. Este tipo de
higrômetro possui grande exatidão e alta resistência a produtos químicos, são ideais para
aplicações de medição de umidade que requeiram um alto grau de exatidão sem calibração e
para medições de água solúvel em líquidos orgânicos como gasolina, acetona, dentre outros
[10].
Figura 8- Eletrodos elétricos com dedos interdigitados recobertos com material higroscópico [10].
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Figura 9- Comparação do tamanho do sensor ao tamanho de uma moeda de 25 centavos (dólaramericano) [9].
Os higrômetros resistivos são muito utilizados para medir e controlar a umidade nas
indústrias têxtil e de papel, também é a chave em processos de secagem [9]. Um exemplo de
sua utilização neste tipo de indústria pode ser observado na Figura 10.
Figura 10- Medição de umidade em pilha de papel com o uso de um higrômetro resistivo [9].
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Um higrômetro capacitivo funciona como um capacitor de placas (Figura 11), em que
o eletrodo inferior é disposto sobre um substrato base (o mais utilizado é um material
cerâmico) e uma camada fina de polímero higroscópico atua como o dielétrico. Em cima destacamada fica a placa superior, a qual atua como o segundo eletrodo e permite que o vapor de
água passe através do eletrodo para o polímero. As moléculas de vapor de água entram e saem
do polímero até que o teor de vapor de água esteja em equilíbrio com o ar ambiente (ou gás)
[11]. A capacitância, que existe entre as duas placas utilizando o polímero como dielétrico, é
diretamente proporcional à umidade [2], ou seja, conforme a umidade penetra no material
dielétrico, a capacitância aumenta e, esta é medida e processada para dar uma medição de
umidade relativa [6]. O higrômetro capacitivo possui uma vida útil satisfatória, ampla faixa detemperatura operacional (0°C a 100°C) e tempo de resposta rápido [2].
Figura 11- Capacitor de Placas com Dielétrico [12].
O higrômetro capacitivo, como já foi mencionado, possui um sensor que utiliza um
capacitor, o qual é sensível à quantidade de umidade presente no ar. O capacitor é composto
por duas placas adjacentes de metal isoladas, uma da outra, por um dielétrico. A capacitância
depende da área das placas e da distância entre elas. Esta capacitância é alterada com a
umidade relativa, proporcionalmente. Existem dois tipos de higrômetros capacitivos: sensores
com película fina de polímero e os sensores de óxido de alumínio [9].
Os sensores com película fina de polímero, geralmente, possuem 4 camadas (Figura
12). A última camada é um substrato de vidro ou sílica que atua como um suporte para o
capacitor. Um eletrodo de metal é disposto sobre o substrato e coberto com uma fina camada
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Figura 14- Higrômetro de mão com sensor com película fina de polímero [9].
Os higrômetros capacitivos com sensores de óxido de alumínio possuem sensores que
são formados depositando-se uma fina camada de óxido de alumínio poroso em um substrato
condutivo (Figura 15). Depois, esta camada é coberta com uma fina camada de ouro. O
substrato condutivo e a camada de ouro são os sensores do eletrodo. O óxido de alumínio atua
como dielétrico. São mais utilizados em indústrias petroquímicas, mas também podem ser
utilizados para as mesmas aplicações que os sensores com película fina de polímero [9].
Figura 15-Camadas do sensor de óxido de alumínio [9].
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Figura 16- Higrômetro Capacitivo com sensor de óxido de alumínio [13].
Os higrômetros piezoelétricos ou de absorção são dispositivos que utilizam dois
osciladores de cristal piezoelétrico. Um dos osciladores é utilizado como referência, sendo
fechado em atmosfera seca, enquanto o outro é exposto à umidade, a qual será medida. A
massa do cristal aumenta conforme a umidade, o que ocasiona uma diminuição na sua
frequência de ressonância. A umidade é calculada ao se comparar a frequência dos dois
osciladores [2]. O efeito piezoelétrico é uma característica de alguns cristais que, quando estes
não estão sob influência de altas pressões, os mesmos são maus condutores de eletricidade,
porém, quando submetidos a uma pressão em uma determinada direção do mineral, o mesmo
apresenta condutividade elétrica [14].
1.1.3.2 Psicrômetros
Um psicrômetro é um dispositivo que usa o calor latente de vaporização para medir a
umidade relativa do ar. Por exemplo, ao se determinar a temperatura do ar com um
termômetro de bulbo seco e um de bulbo úmido (Figura 17), as temperaturas medidas pelos
dois termômetros podem ser comparadas em um diagrama psicrométrico de modo a se obter a
umidade relativa, a pressão de vapor d’água, a quantidade de calor e o peso de vapor d’ águano ar [2].
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Figura 17- Termômetros de bulbo seco e bulbo úmido [15].
Figura 18- Psicrômetro Digital [16].
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Figura 19- Psicrômetro de Parede [17].
1.1.4 DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO DE PONTO DE ORVALHO
Uma maneira simples de se medir a umidade consiste em se determinar o ponto de
orvalho, o qual pode ser medido por meio do resfriamento do ar ou do gás até que a água se
condense sobre um objeto. Quando a condensação começar a acontecer, faz-se a medida da
temperatura. Geralmente, utiliza-se uma superfície espelhada de aço inoxidável ou uma
superfície prateada, a qual será resfriada na parte traseira. A temperatura vai cair e o ponto de
orvalho será observado quando o orvalho do ar ou do gás começar a se formar na superfície
do espelho. Por meio da reflexão de um feixe de luz, que passará através do espelho até uma
fotocélula, a condensação será detectada. À medida que a condensação ocorre, a intensidade
da luz refletida será reduzida e a temperatura do espelho naquele ponto pode ser medida [2].
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1.1.5 DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO DE TEOR DE UMIDADE
Um método utilizado para medir a umidade em um material é por meio da absorção demicro-ondas pelo vapor d’água presente algum determinado material. As amplitudes das
ondas transmitidas e das micro-ondas que atravessam o material são medidas. A razão destas
amplitudes indica o teor de umidade do material [2].
Outro método é a utilização de raios infravermelhos, ao invés de micro-ondas. Neste
caso, as medições são baseadas na capacidade de absorção e dispersão da radiação
infravermelha (refletância) dos materiais. A refletância depende da composição química e do
teor de umidade dos materiais. Para se determinar o teor de umidade, um feixe infravermelhoé emitido em direção ao material e a energia dos raios refletidos é medida. A amplitude e o
comprimento de onda dos raios refletidos são comparados com a amplitude e o comprimento
de onda do sinal incidente. A diferença destes valores está relacionada com o teor de umidade
[2].
1.2 DENSIDADE E GRAVIDADE ESPECÍFICA
1.2.1 TERMOS BÁSICOS
A densidade (ρ) de um material é definida por Dunn (2013, p.153) “como a massa por
unidade de volume”. Sendo que as suas unidades são dadas em libras (slug) por pé cúbico
[lb(slug)/ft3] (sistema inglês), ou em quilograma por metro cúbico (kg/ft3) (sistema
internacional) [2].
O peso específico (γ) é definido por Dunn (2013, p.153) “como o peso por unidade de
volume do material”. Suas unidades são dadas em libras por pé cúbico (lb/ft3) ou Newton por
metro cúbico (N/m3) [2].
Define-se a gravidade específica de um sólido ou líquido como a divisão da densidade
do material pela densidade da água, ou também pelo peso específico do material dividido pelo
peso específico da água, a uma determinada temperatura. Para um gás, a sua gravidade
específica é dada pela densidade específica (ou peso específico) dividida pela densidade
específica (ou peso específico) do ar a 60°F (15,55°C) e pressão de uma atmosfera (14,7 psia)
[2].
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Relaciona-se a densidade e o peso específico pela equação:
= ×
Onde, g é a aceleração da gravidade (32,2 ft/s2 ou 9,8 m/s2).
1.2.2 DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO DE DENSIDADE
Um dos elementos de medição de densidade mais simples são os densímetros (Figura20), os quais consistem de um tubo de vidro graduado com um peso em suas extremidades, o
qual ocasiona a flutuação do densímetro na posição vertical. O dispositivo, quando colocado
no líquido, afunda até que o equilíbrio entre seu peso e o empuxo seja atingido. Desta
maneira, o peso específico, ou densidade, pode ser medido diretamente a partir das marcações
no tubo graduado [2].
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Figura 20- Medição de densidade com um densímetro de vidro [18].
A combinação de um densímetro com um termômetro forma um termodensímetro, o
qual é um dispositivo que mede tanto o peso específico/densidade quanto a temperatura [2].
O densímetro de indução é um dispositivo que converte o peso específico oudensidade de um líquido em um sinal elétrico. Ele possui um núcleo de ferro macio ou de um
metal semelhante, o qual é posicionado em uma bobina que constitui parte de um circuito em
ponte (Figura 21). Conforme a densidade (peso específico) do líquido sofre mudança, a força
de empuxo sobre o dispositivo de deslocamento muda também. O movimento resultante desta
mudança é medido por uma bobina e convertido em uma leitura de densidade [2].
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Figura 21- Densímetro de Indução [2].
Uma alternativa aos densímetros são os sensores de vibração. Nestes dispositivos, um
fluido passa através de um tubo em U, o qual possui um suporte flexível que vibra quando
acionado por uma fonte externa. À medida que o peso específico/densidade aumenta, a
amplitude de vibração diminui e, por meio desta amplitude, pode-se medir o peso
específico/densidade [2].
1.3 VISCOSIDADE
1.3.1 TERMOS BÁSICOS
A atração molecular existente em um fluido causa uma resistência a qualquer mudança
que possa acontecer em sua forma, seja ela por meio de um fluxo ou movimento. Esta
resistência à mudança de forma, ou resistência que o fluido oferece ao escoamento, é chamada
de viscosidade (µ) [2].
A unidade padrão da viscosidade é o poise, sendo a viscosidade da água a 68,4°F
(20,22°C) igual a um centipoise (poise/100) [2].
A temperatura influencia bastante na viscosidade, sendo que, quanto maior a
temperatura, menor é a viscosidade de um fluido [2].
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1.3.2 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DE VISCOSIDADE
Os instrumentos utilizados para medir a resistência ao movimento de líquidos e gasessão os viscosímetros [2].
O viscosímetro de pistão oscilante (Figura 22) funciona quando um objeto cai em um
líquido e desce até o fundo, do recipiente que contém o líquido, a uma velocidade fixa. A taxa
de deslocamento vertical é medida pelo tamanho, forma, densidade do objeto, bem como pela
densidade e viscosidade do líquido. O tempo para que o objeto atinja o fundo do objeto
dependerá da viscosidade do fluido sendo que, quanto maior a viscosidade, maior será o
tempo. Neste viscosímetro, há um dispositivo de pistão oscilante, que medirá a taxa dedescida do objeto e correlacionará a velocidade de descida com a viscosidade do fluido [2].
Figura 22- Viscosímetro de Pistão Oscilante [19].
O viscosímetro de disco rotativo, ou viscosímetro do tipo arrasto, consiste de dois
cilindros concêntricos, sendo que o espaço entre os dois cilindros é preenchido com o líquido
a ser medido, como mostra a Figura 23. O cilindro que fica na parte interior é movido por um
motor elétrico e a força, que ele causa no cilindro exterior, é medida observando-se o seu
movimento em direção a uma mola de torção, na qual a viscosidade do líquido é medida [2].
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Figura 23- Viscosímetro do tipo arrasto [2].
Figura 24- Viscosímetro Rotativo Analógico [20].
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Figura 25- Viscosímetro Rotativo [21].
O viscosímetro Saybolt universal (Figura 26, 27 e 28) é um instrumento que mede o
tempo que uma dada quantidade de fluido leva para circular por meio de um orifício de
tamanho padrão ou de um tubo capilar com um orifício preciso. A unidade deste tempo
medido é dada em segundos Saybolt, a qual é diretamente relacionada com a viscosidade e
pode ser facilmente convertida em outras formas [2].
Figura 26- Viscosímetro Saybolt Universal [22].
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Figura 27- Viscosímetro Saybolt [23].
Figura 28- Viscosímetro Saybolt [24].
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1.4 MEDIÇÕES DE PH
1.4.1
TERMOS BÁSICOS
Em vários tipos de processos utiliza-se água pura ou neutra para se fazer a limpeza dos
equipamentos ou para a diluição de outros produtos químicos. Como já se sabe, a água é
considerada neutra quando os íons de hidrogênio e os íons hidroxila se encontram na mesma
proporção. Quando existe um excesso de íons hidrogênio na água, a mesma é considerada
ácida e, quando existe um excesso de íons hidroxila, a água é alcalina. O potencial
hidrogeniônico (pH) da água é a medida da sua acidez ou basicidade (alcalinidade). O pH daágua neutra a 77°F (25°C) é igual a 7. Esse pH diminui, quando a água é ácida, e aumenta,
quando a água é alcalina. O logaritmo de base 10 é utilizado para dar os valores de pH, sendo
que, uma alteração de uma unidade de pH significa que a concentração de íons de hidrogênio
aumentou (ou diminuiu) em um fator de 10, já a mudança de 2 unidades de pH significa que
a concentração mudou em um fator de 100 [2]. O valor de pH pode ser encontrado por:
= log ( 1çã í +)
1.4.2 DISPOSITIVOS DE MEDIÇÃO DE PH
O pH pode ser medido por meio de indicadores químicos ou por instrumentos de
medição de pH. A medição feita com indicadores químicos (Figura 29) é feita a partir da cor
final da solução de indicador com o líquido que se deseja analisar. Esta cor depende da
concentração de íons hidrogênio presentes no líquido [2].
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Figura 29-Diversos indicadores químicos [25].
Um sensor de pH (Figura 30), mais conhecido como Phmetro, é composto por um
eletrodo sensor e um eletrodo referência que são imersos em uma solução teste que forma
uma célula eletrolítica, como mostra a Figura 31. O eletrodo referência possui uma solução
saturada de cloreto de potássio, a qual é alcalina. O primeiro eletrodo está interligado
eletricamente à solução teste por meio da junção líquida. O outro eletrodo é constituído de um
tampão responsável por manter o mesmo em contato com a amostra de líquido. Um
amplificador diferencial é conectado aos eletrodos, assim a diferença de tensão entre os
mesmos é amplificada, o que fornece uma tensão de saída proporcional ao pH da solução. A
Figura 32 apresenta o eletrodo sensor de pH [2]. Alguns exemplos são mostrados abaixo
(Figura 33 e 34).
Figura 30- Phmetro [26].
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Figura 31- Arranjo de sensor de PH [2].
Figura 32- Eletrodo de medição de pH [2].
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Figura 33-Phmetro de bolso [27].
Figura 34- Phmetro portátil [28].
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REFERÊNCIAS
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Processos. Departamento de Engenharia Química e de Petróleo-UFF, 2014. Disponível em:. Acesso em: 23 abril 2016.
[2] DUNN, William C. Fundamentos de Intrumentação Industrial e Controle deProcessos. Porto Alegre: Bookman, 2013.
[3] LOPES, Roberto P.; SILVA, Juarez de S. e; REZENDE, Ricardo C. Princípios Básicosde Psicrometria. Universidade Federal de Viçosa, 2002. Disponível em:. Acesso em: 23 abril 2016
[4] BALBINOT, Alexandre.; BRUSAMARELLO, Valner J. Instrumentação eFundamentos de Medidas. 2ª ed. v.2. Rio de Janeiro: LTC, 2011.
[5] GERMER, Eduardo. Fenômenos de Transporte 2: Condicionamento de ar e psicometria.Universidade Tecnológica Federal do Paraná-UFTPR, 2011. Disponível em:. Acesso em: 23 abril 2016.
[6] Disponível em: . Acesso em:28 abril 2016.
[7] Disponível em:. Acesso em: 28 abril 2016.
[8] Disponível em: . Acesso em: 28 abril 2016.
[9] Disponível em:
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[10] Disponível em: . Acesso em: 28 abril 2016.
[11] MCHELL INSTRUMENTS. Tecnologia Capacitiva. Disponível em:. Acesso em: 24 abril2016.
[12] GRAÇA, Cláudio. Capacitores de Placas Planas Paralelas. Departamento de Física-
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[13] Disponível em: . Acesso em: 28 abril 2016.
[14] ARAUJO, Renato S. Disponível em:
. Acesso em:24 abril 2016.
[15] Disponível em: .Acesso em: 27 abril 2016.
[16] Disponível em: . Acessoem: 28 abril 2016.
[17] Disponível em:. Acesso em:28 abril 2016.
[18] Disponível em: . Acesso em: 24 abril 2016.
[19] Disponível em: . Acesso em: 28abril 2016.
[20] Disponível em: . Acesso em: 28 abril 2016.
[21] Disponível em: .Acesso em: 28 abril 2016.
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