ENQUALAB-2009 – Congresso da Qualidade em Metrologia
Rede Metrológica do Estado de São Paulo - REMESP
01 a 04 de junho de 2009, São Paulo, Brasil
MONTAGEM DO POLARÍMETRO AUTOMÁTICO DE ALTA RESOLUÇÃO
PARA A CALIBRAÇÃO DE PADRÕES DE QUARTZO
A.D. Alvarenga1, N.C.E. Pereira2, L.V.G. Tarelho3, R.S França4
Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial, Duque de Caxias, Brazil,
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
1
Resumo: O Inmetro, num projeto de colaboração com o
PTB está construindo um polarímetro primário de alta
resolução que fará a calibração dos padrões de transferência
de quartzo usados na calibração dos sacarímetros e
polarímetros utilizados nas indústrias sucroalcooleira, de
fármacos e de alimentos. Na etapa atual deste projeto, os
componentes do instrumento estão sendo montados e suas
funções integradas através da programação em LabView.
Apresentaremos os primeiros resultados das calibrações de
padrões de quartzo no novo equipamento automatizado,
comparando estas medições às obtidas no protótipo de
estudos de 2008.
Palavras chave: rastreabilidade metrológica, polarímetro,
automação.
1. INTRODUÇÃO
Um dos fatores muito importantes para a competitividade da
Indústria Nacional é a rastreabilidade metrológica de
padrões. Sua aplicação nos processos industriais tem um
efeito impactante na comercialização dos produtos, na
medida em que o controle de qualidade, em obediência às
regulamentação dos setores, implicará no processo de
superação de barreiras técnicas às exportações.
A modernização do setor sucroalcooleiro no Brasil contou
com a adoção dos métodos de análise de açúcar
internacionalmente reconhecidos e recomendados pela
ICUMSA (International Commission for Uniform Methods
of Sugar Analysis) [1] e pela OIML (Organization
Internationale de Métrologie Légale) [2]. Esta ação
objetivou a padronização dos procedimentos nos
laboratórios das usinas, e a busca da certificação pelas
normas ISO referentes ao setor. O Painel Setorial do Açúcar
e Álcool realizado no Inmetro deixou claras as necessidades
do setor, e foi formado o Grupo de Trabalho de
Sacarimetria, com participantes da Divisão de Metrologia
Óptica (Diopt) e da Divisão de Metrologia Legal Dimel). A
Diopt está construindo um Polarímetro de Referência, que
fará a calibração dos padrões de transferência de quartzo
usados na calibração dos sacarímetros e polarímetros
utilizados nas indústrias sucroalcooleira e também de
fármacos e de alimentos [3]. A Dimel está fazendo a parte
de Regulamentação técnica, com a edição das normas
necessárias.
O método polarimétrico para a calibração de padrões foi
desenvolvido na Alemanha, e desde 1898 se constitui num
serviço regular oferecido pelo PTB (Physikalisch Technisch
Bundesanstalt, em Braunschweig), o instituto nacional de
metrologia alemão. Este método tem sido desde então
aperfeiçoado, e hoje o PTB tem o único polarímetro
primário para calibração de padrões de quartzo. Em busca da
excelência, o Inmetro firmou uma colaboração com o PTB
para a construção de um polarímetro de alta resolução,
baseado em seu novo equipamento [4]. Na etapa atual deste
projeto na Diopt, os componentes do instrumento estão
sendo montados e suas funções integradas através da
programação em LabView. Apresentamos os primeiros
resultados das medições de padrões de quartzo no novo
equipamento, comparando-as às obtidas no Protótipo de
Estudos, um equipamento onde o posicionamento angular
era feito manualmente [5].
2. O MÉTODO EM SACARIMETRIA
O método polarimétrico baseia-se na propriedade de girar o
plano de polarização da luz, que algumas substâncias
apresentam, como a sacarose e o quartzo cristalino. Através
da medição do ângulo de rotação produzido por essas
substâncias, é possível calcular a concentração de sacarose
em uma solução, e ainda fabricar um padrão de quartzo que
substitua uma solução padrão de sacarose, fazendo-o de tal
forma que ambos apresentem o mesmo valor de rotação [35].
Grande parte da indústria sucroalcooleira nacional já aderiu
voluntariamente ao Sistema do Consecana-SP (Conselho
dos Produtores de Cana-de-Açúcar, Açúcar e Álcool do
Estado de S. Paulo) [6] para o pagamento da cana-de-açúcar
pelo teor de sacarose. Neste sistema são levados em conta
critérios técnicos para avaliar a cana-de-açúcar entregue às
usinas pelos plantadores, e também para determinar o preço
a ser pago. O valor a ser pago se baseia no chamado Açúcar
Total Recuperável (ATR), uma formulação onde entram: a
concentração de sacarose, a subtração do percentual de
perdas durante o processamento, e índices de mercado com
os preços do etanol e do açúcar vendidos pelas usinas nos
mercados interno e externo. Um dos principais componentes
da ATR é conhecido como POL, que é justamente a
medição do ângulo de rotação da polarização da luz causada
pelo caldo-de-cana purificado e clareado, feita em um
sacarímetro. Este instrumento é um polarímetro específico
para a indústria sucroalcooleira, pois o valor da POL é
fornecido em graus Z (de açúcar em alemão). A exatidão
dessa leitura sacarimétrica pedida pela indústria
sucroalcooleira é de décimos de graus. Assim, o padrão que
será usado para calibrar estes sacarímetros precisa ter uma
incerteza na casa de centésimos de graus, de acordo com as
normas [1, 2]. Um sacarímetro descalibrado representa
prejuízo: dependendo se para mais ou para menos, é uma
fonte de conflito entre os produtores e usineiros. No final do
processo industrial, o açúcar produzido também é testado, e
sua POL entrará no preço que os compradores internos e
externos pagarão às usinas produtoras. Daí vem a grande
importância econômica da calibração dos sacarímetros.
O projeto de construção do novo polarímetro do Inmetro na
Diopt começou com a montagem de um protótipo feito com
os equipamentos já disponíveis, enquanto esperávamos pela
chegada dos equipamentos importados, definitivos. Esta
montagem, assim como detalhes de medições podem ser
vistas na referência [5], onde relatamos detalhadamente a
análise dos dados, e apresentamos as medições de quatro
padrões previamente calibrados no PTB
3. O NOVO POLARÍMETRO
Um estudo polarimétrico é realizado basicamente pela
irradiação com laser de uma amostra de interesse
posicionada entre dois polarizadores cruzados. A
determinação da rotação óptica da amostra é obtida pela
reconstrução do sinal de nulo dos polarizadores em um
detector de radiação e um multímetro. O primeiro
polarizador é chamado gerador e o segundo é o analisador
cuja rotação permite recuperar o ângulo de desvio
introduzido pela amostra. A medição deste ângulo através da
determinação do ponto de mínimo de um ajuste parabólico é
considerada uma boa técnica para detecção de extinção de
um sinal (sinal nulo). No entanto um ajuste parabólico é
mais complexo e sujeito a maiores incertezas.
Uma evolução desta técnica é a adição de um modulador de
birrefringência (Faraday) entre os polarizadores, permitindo
não somente a otimização da razão sinal-ruído em tais
experimentos, mas favorecendo a componente dispersiva em
detrimento da absorptiva (parte real da susceptibilidade
atômica aumentada em relação à parte imaginária).
Outra melhoria desta técnica secular é a detecção sensível à
fase do sinal do detector, reduzindo o ruído atribuído a um
sinal DC devido à modulação criada pela Bobina de Faraday
em substituição ao multímetro.
A técnica lock-in é referenciada à freqüência de operação do
modulador de Faraday e a condição de extinção do sinal do
detector para polarizadores cruzados pode ser determinada
com alta resolução através de um ajuste de reta.
Nos dois métodos para encontrar o ângulo desejado no qual
o sinal do multímetro (ou lock-in) seja zero, promove-se
uma rotação do polarizador gerador e a informação do
ângulo é gravada do encoder junto com a captura do sinal do
multímetro (ou lock-in). O posicionamento é feito
discretamente (passo a passo) e os valores são atribuídos à
abscissa de um gráfico cuja ordenada é o sinal de saída do
multímetro (ou lock-in). Na vizinhança de um desvio
mínimo (condição de extinção ou nulo), uma parábola (ou
reta) é ajustada aos pontos experimentais. Usando este
ajuste, o ângulo correspondente à condição de nulo é
determinado.
Estes métodos foram utilizados nos protótipos montados, e
uma primeira comparação entre os dois métodos foi
realizada na nova montagem do polarímetro de referência.
Na figura 1 mostramos a nova montagem do sistema. A
maior diferença entre este e o protótipo de 2008 é o
equipamento que gira o analisador, agora um instrumento de
alta resolução, com uma mecânica robusta e dois encoders:
um está acoplado ao sistema mecânico que movimenta o
estágio. O outro, especialmente encomendado é um encoder
óptico de 36000 linhas, com duas cabeças de leitura e um
cartão interpolador, que faz a leitura da posição angular
atingida. Todas as funções e os comandos dos diferentes
instrumentos estão sendo integrados através de programação
em LabView. Os componentes do polarímetro, numerados
na Figura 1 são: (1) laser de He-Ne estabilizado em
freqüência, com λ = 633 nm; (2) isolador óptico; (3) lâmina
de quarto de onda; (4) encoder óptico acoplado a (5); (5)
estágio rotatório; (6) polarizador Glan-Thompson; (7) caixa
de alumínio revestida de grossa camada de isopor de alta
densidade; (8) placa de quartzo padrão montada em trilho
motorizado com deslizamento perpendicular ao feixe; (9)
sensor de temperatura sobre a mesa óptica, termistor modelo
para ar, com exatidão <50 mK; dentro da caixa, perto do
padrão, modelo de alta resolução, com exatidão <5 mK; (10)
íris; (11) autocolimador; (12) modulador de Faraday; (13)
polarizador fixo, Glan-Thompson; (14) fotosensor de Si;
(15) multímetro digital; (16) fonte e drivers para os estágio
rotatório e trilho motorizados; (17) amplificador Lock-in;
(18) amplificador para o modulador de Faraday.
As placas de controle de quartzo usadas nos testes haviam
sido previamente calibradas no PTB e num protótipo
montado na Diopt em 2008 [5]. Na montagem atual, alguns
problemas de alinhamento e termalização do protótipo
antigo foram resolvidos com o uso de um autocolimador e
um sistema de isolamento. O novo sistema de
posicionamento angular também é uma evolução em relação
ao antigo. O sistema de termalização definitivo está sendo
construído nas oficinas do INMETRO e o controle do banho
termalizador já está automatizado.
Na tabela 1 podemos observar os valores das medições no
PTB e no antigo protótipo (com método parabólico)
enquanto os dois métodos são comparados na nova
montagem.
Tabela 1. Comparação entre o valor da rotação da polarização por
dois padrões de quartzo: calibrados no PTB, medições realizadas
no protótipo de 2008, medições realizadas na nova montagem.
Padrão
PTB
IP880
(U k=2)
IP886
-(29,749±0,001)º (29,817±0,001)º
Protótipo Parábola -(29,750±0,003)º (29,814±0,008)º
(2008)
(U k=2)
Protótipo Parábola -(29,752±0,001)º
(2009)
(U k=2)
Reta
(U k=2)
__
__
(29,803±0,004)º
foram os primeiros resultados de medição na nova
montagem, que ainda continua em progresso.
Um dos efeitos que foi estudado para garantia de melhoria
dos resultados foi uma monitoração da temperatura durante
a realização das medições. As temperaturas médias dos
padrões durante as medições foram determinadas com
incertezas menores que 0,0002 ºC e a diferença entre as
temperaturas de início e final de uma seqüência de quatro
medições consecutivas variaram tipicamente na ordem de
0,01 ºC. Estes valores estão dentro das recomendações da
ICUMSA e da OIML para um serviço de calibração, que
requer que a temperatura seja estável e conhecida com
exatidão de 0,1 ºC.
3. CONCLUSÃO
Apresentamos os primeiros resultados da nova montagem
em curso no Inmetro/Diopt, do polarímetro de referência
que fará a calibração dos padrões de quartzo, utilizados na
calibração de sacarímetros e polarímetros. Utilizamos dois
métodos de medição e análise, a fim de estabelecer
condições de comparação dos resultados da nova montagem
às do protótipo montado em 2008, e às calibrações feitas no
PTB. Os primeiros resultados, com o método parabólico,
mostram uma repetitividade com incertezas da ordem das
obtidas no PTB. A reprodutibilidade está sendo melhorada,
através de otimização das rotinas de aquisição dos dados de
três encoders. A técnica de modulação do sinal ainda não
está apresentando resultados dentro da faixa de incerteza
desejável, e está ainda sendo melhor implementada.
AGRADECIMENTOS
A.D. Alvarenga e N.C.E. Pereira agradecem ao CNPq
projeto 55178/2006-0, e à FAPERJ.
REFERÊNCIAS
Observa-se que no protótipo de 2008 a placa levógira
apresentava uma incerteza expandida três vezes maior e uma
diferença percentual de –0,003% em relação ao valor
calibrado no PTB, enquanto a placa dextrógira apresentava
uma incerteza expandida oito vezes maior e uma diferença
de +0,01% em relação ao valor calibrado no PTB.
Comparando a montagem de 2009 com o protótipo de 2008,
observa-se que a incerteza expandida diminuiu três vezes
para a placa levógira (ficando da mesma ordem da incerteza
dada pelo PTB), e comparando o protótipo 2009 com a
calibração no PTB, a diferença percentual aumentou para –
0,01% em relação ao valor calibrado.
Para a placa dextrógira, comparando a montagem de 2009
com o protótipo de 2008, observa-se que a incerteza
expandida permaneceu a mesma (ficando muito maior que a
incerteza expandida dada pelo PTB, e comparando a
montagem de 2009 com a calibração no PTB, a diferença
percentual aumentou para –0,05% em relação ao valor
calibrado.
Esse comportamento demonstra que a repetitividade é boa,
porém a reprodutibilidade ainda pode ser melhorada. Estes
[1]
ICUMSA Specification and Standard SPS-1(1998).
[2]
OIML - International Organization of Legal Metrology, R14
(1995): Polarimetric saccharimeters graduated in accordance
with
the
ICUMSA
International
Sugar
Scale.
http://www.oiml.org/publications/R/R014-e95.pdf.
[3]
A.D. Alvarenga, M. Erin, R.S. França, F.R.T. Luna, H.
Belaidi, and I.B. Couceiro; “A new polarimeter applied to
sugar industry in Brazil”, proceedings of the “Metrology
2005” International Conference, Lyon, France.
[4]
Michael Schulz, Andreas Fricke, Klaus Stock, Ana D.
Alvarenga, Hakima Belaidi; “ High accuracy polarimetric
calibration of quartz control plates”, proceedings of the
“IMEKO XVIII World Congress 2006”, september 17 to 22
Rio de Janeiro, Brazil.
[5]
A.D. Alvarenga, K. Souza, E.M. Borges, R.S. França, H.
Belaidi; “Cálculo da incerteza de medição do ângulo de
rotação do plano de polarização da luz por um padrão de
quartzo”; Enqualab 2008-Congresso da Qualidade em
Metrologia-REMESP, juin 9-12, São Paulo, Brazil.
[6]
“Manual do Consecana”; www.unica.com.br