Métodos de medição da atividade da água: ponto de orvalho, TDL, capacitância e sensores eletrolíticos resistivos

O processo de medição

Independentemente do instrumento ou da tecnologia do sensor, todas as medições da atividade da água começam da mesma maneira. Uma amostra representativa é colocada em uma câmara de medição selada, onde é deixada para atingir o equilíbrio com o ar no espaço livre acima dela. Durante esse processo de equilíbrio, as moléculas de água se movem entre a amostra e o ar até que a pressão de vapor (ou densidade de vapor) no espaço livre atinja um valor estável. Uma vez atingido o equilíbrio, a atividade da água é determinada usando uma das quatro tecnologias de sensores, divididas entre dois métodos primários (diretos) e dois métodos secundários (indiretos).

Métodos primários (diretos)

Os métodos primários medem uma propriedade física fundamental do próprio vapor de água — seja sua pressão de vapor, seja sua concentração —, em vez de inferir a atividade da água a partir de um efeito elétrico secundário. Isso os torna inerentemente mais precisos e menos suscetíveis a desvios, contaminação ou interferência.

Sensor de ponto de orvalho com espelho resfriado. Um sensor de ponto de orvalho com espelho resfriado mede diretamente a temperatura do ponto de orvalho do ar em equilíbrio acima da amostra. Um pequeno espelho é resfriado até que as primeiras gotículas microscópicas de condensação se formem em sua superfície. Um sistema óptico detecta o início da condensação, identificando a temperatura do ponto de orvalho, enquanto um sensor separado mede a temperatura ambiente da câmara. Utilizando essas duas temperaturas, o instrumento calcula a umidade relativa — e, portanto, a atividade da água — da amostra. Por se basear na relação termodinâmica fundamental entre o ponto de orvalho e a pressão de vapor, a tecnologia de espelho resfriado é considerada um método direto e primário de medição da atividade da água e é amplamente reconhecida como a técnica mais precisa para amostras não voláteis.

Sensor de laser de diodo sintonizável (TDL). Um sensor de laser de diodo sintonizável mede diretamente a concentração de moléculas de vapor de água no espaço livre. O sensor emite um feixe de laser infravermelho finamente sintonizado através do ar acima da amostra. O comprimento de onda do laser, com largura inferior a um nanômetro, é sintonizado especificamente para o isótopo mais abundante da água. As moléculas de vapor de água absorvem uma parte da energia do laser, enquanto outros compostos voláteis — incluindo álcoois, gasolina, solventes orgânicos e propilenoglicol — não interferem na medição. Ao medir o grau de atenuação do feixe de laser, o instrumento determina diretamente a concentração de vapor de água e calcula a atividade da água. Por medir diretamente a densidade do vapor de água, em vez de se basear em alterações nas propriedades elétricas, o laser de diodo sintonizável também é considerado um método direto e primário, sendo a única tecnologia de sensor capaz de medir com precisão a atividade da água em amostras que contenham concentrações significativas de compostos voláteis.

Métodos secundários (indiretos)

Os métodos secundários não medem o vapor de água diretamente. Em vez disso, eles inferem a atividade da água a partir de uma alteração na propriedade elétrica de um material sensor à medida que este absorve umidade. Esses métodos podem ser úteis, mas geralmente são mais suscetíveis à deriva do sensor, à contaminação e à interferência do que os métodos diretos.

Sensor de capacitância. Os sensores de capacitância determinam a atividade da água indiretamente, medindo as variações nas propriedades elétricas de um polímero higroscópico. O sensor é composto por dois eletrodos separados por um material dielétrico polimérico. À medida que o vapor de água da amostra é absorvido pelo polímero, sua constante dielétrica aumenta, fazendo com que a capacitância do sensor se altere. O instrumento correlaciona essa variação na capacitância com a umidade relativa do espaço livre e, em seguida, calcula a atividade da água. Como a medição é inferida a partir de variações em uma propriedade elétrica, em vez de uma medição direta da pressão do vapor de água ou da concentração de vapor, os sensores de capacitância são considerados um método indireto e secundário.

Sensor eletrolítico resistivo. Os sensores eletrolíticos resistivos também medem a atividade da água indiretamente, por meio de alterações nas propriedades elétricas. O sensor é composto por duas finas hastes de vidro com eletrodos metálicos, separadas por uma solução eletrolítica. À medida que o vapor de água é absorvido pelo eletrólito, os grupos funcionais iônicos se dissociam, alterando a impedância elétrica (resistência) do sensor. Essa alteração na impedância está correlacionada à umidade relativa do espaço livre, permitindo que o instrumento estime a atividade da água. Assim como os sensores capacitivos, os sensores eletrolíticos resistivos são considerados métodos indiretos e secundários, pois se baseiam em respostas elétricas, em vez de medir diretamente o próprio vapor de água.

Por que a AQUALAB utiliza sensores de ponto de orvalho e sensores a laser de diodo sintonizável

Os instrumentos AQUALAB utilizam principalmente as tecnologias de ponto de orvalho com espelho resfriado e laser de diodo sintonizável (TDL), pois se tratam de métodos diretos e primários de medição da atividade da água. Ambos os sensores quantificam diretamente o estado termodinâmico da água no espaço livre — seja medindo a pressão de vapor por meio do ponto de orvalho, seja medindo diretamente a concentração de vapor de água com espectroscopia a laser. Em contrapartida, os sensores eletrolíticos capacitivos e resistivos são métodos secundários, pois inferem a atividade da água a partir de alterações nas propriedades elétricas dos materiais sensíveis. Embora esses métodos indiretos possam fornecer medições úteis, eles são geralmente mais suscetíveis a desvios do sensor, contaminação e interferências do que as técnicas de medição direta empregadas pela AQUALAB.

‍