A Evolução Da Medição de PH Pelos Eletrodos Digitais

5/24/2018 A Evolu o Da Medi o de PH Pelos Eletrodos Digitais

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A evoluo da medio de pH pelos

eletrodos digitais(Vitor Sabadin, Gerente de Produto - Diviso analtica da Endress+Hauser)[email protected]


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Em meados do sculo XIX adescoberta de novos conceitos eletroqumicos

fervilhava com estudos que levaram definiode on, proposta em 1833 por Michael Faraday(1791-1867). Aps Faraday, outra contribuioimportante para evoluo da medio de pH foidada por um bilogo em 1906, nesta data, M. Z.Cremer (1865-1935), utilizando uma membranade vidro, percebeu o aparecimento de umpotencial entre duas solues alcalinas, o quedeu origem ao nosso conhecido eletrodo de pHde vidro. Aps pouco mais de 100 anos, tivemosgrandes descobertas como a tecnologia demedio ISFET, mas se olharmos para a grandemaioria das aplicaes industriais atuais, o

potencial do vidro descoberto por Cremer, ainda a base de nossa tecnologia, que comea sermudada recentemente com a evoluo doseletrodos analgicos a eletrodos digitais.

Algumas vezes por semana, o pessoalde instrumentao recebe um chamado paracorreo em uma falha de alguns dos sistemasde medio de pH da planta, este logo agarra oseu Kit de Sobrevivncia que contmminimamente os buffers de calibrao, soluesqumicas de limpeza, gua em uma pisseta delaboratrio e papel higinico e segue para oprocesso, todo equipado com seus EPIs e

munido de uma grande boa vontade para dedicaralguns minutos ou horas resoluo doproblema. Aps desmontar o eletrodo de seusuporte, ele testa o eletrodo, tenta todo o tipo delimpeza qumica e em muitas vezes acabadescobrindo que o problema vem de uma baixaisolao do cabo, que foi atacado por corrosoou umidade, levando ento troca de cabo eeletrodo, pois o ponto de medio est fora do ar

j faz algum tempo e a sala de controle j estimpaciente com a falta da medio de pH portanto tempo no supervisrio.

Quem j teve a experincia de lidar comum sistema industrial de medio de pH j deveter passado por algo parecido com o descritoacima, e por este motivo que sistemas de pHso a grande dor de cabea das equipes deinstrumentao. Pensando nisso, fabricantescomearam a pensar em como fazer a vidadestas pessoas mais fcil e aumentar acredibilidade de sistemas de medio todelicados e importantes.

Como funciona a medio de pH:

No o objetivo deste artigo detalhartodos os potenciais envolvidos nos eletrodos dereferncia e medio de um sensor de pH, mas

importante mencionar que o resultado dediversos fenmenos eletroqumicos que ocorremdentro daquele misterioso tubinho de vidro, uma diferena de potencial dada em milivolts que enviada ao transmissor. No transmissor, estesinal fraco e analgico amplificado, convertidopara digital e juntamente com a medio datemperatura calculado com o auxlio daEquao de Nernst (Figura 01) e apresentado natela do transmissor em valores de pH.

Figura 01: Equao de Nernst, onde U=Voltagemdo eletrodo; U0 = Voltagem a pH7; R=Constantedos gases; T=Temperatura; n=Carga do on H+;

F=Constante de Faraday

A raiz dos problemas:

Tudo funciona perfeitamente at que ao

primeiro sinal de perda de isolao do cabo entreo sensor e transmissor, causada por diversosfenmenos como umidade, sujeira, oxidao determinais e muitos outros, levam a uma variaoda resistncia deste mesmo cabo, que a partirdeste momento entrega ao transmissor um valorde milivolt afetado de um erro, erro este queacarreta um desvio do valor calculado de pH,mas que no uma variao real de pH doprocesso, mas sim um simples erro de medio.

Neste momento iniciamos uma reaoem cadeia, onde os sistemas automticos decorreo de pH comeam a atuar, dosando

qumicos, abrindo e fechando vlvulas etrabalhando de forma a corrigir uma variao depH que no real e s leva a erros maiores quesero percebidos somente na prximainterveno preventiva, ou no momento em que oerro se torne to grande que algum de processoperceba e intervenha corretivamente. Nestemomento o instrumentista chamado paracompensar o erro trocando o cabo e/ou limpandoterminais se este for um caso crtico de desvio,se for um caso mais simples, ele promove umanova calibrao, para que os efeitos destavariao sejam compensados no conjunto


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transmissor, cabo e eletrodo, de forma que o errodesaparea momentaneamente, at que oprximo fenmeno altere novamente a condio

do cabo e novos erros apaream.O importante aqui observarmos que acalibrao foi uma ao corretiva que foi eficaz,pois compensou o erro, mas foi motivada poralgo externo ao eletrodo e seus componentesinternos, mas poucas vezes temos esta viso.Sempre que vamos calibrar um sistema de pHestamos considerando sujeira no diafragma,corroso ou recobrimento da camada de gel damembrana entre outros problemas no sensor, ouseja, o eletrodo sempre o grande vilo. Masobservaes e estudos com eletrodos digitais deltima gerao, mostram que o nmero deintervenes pode diminuir em at 40%,principalmente onde temos reas abertas, ouseja, em plantas onde cabos esto expostos ao de fenmenos climticos e daagressividade da prpria atmosfera corrosiva dosprodutos qumicos.

A nova percepo aqui que um dosgrandes viles da medio de pH no oeletrodo em si, e sim os problemas queaparecem no caminho entre o sensor e otransmissor de pH, ou seja, a forma como estesinal delicado em milivolt trafega at otransmissor. Esta percepo no nova para osfabricantes de sistemas de medio que sempre

se preocuparam em desenvolver conectoresrobustos, com banho de ouro, blindagensespeciais dos condutores e complexasprotees contra umidade, tentando minimizar oimpacto devastador deste efeito, porm issoresulta ainda hoje em cabos que devem serextremamente bem cuidados e protegidos emeletrodutos individuais, devem ter poucos metrosde comprimento e exigem calibraes freqentesde conjunto completo de medio no local, a fimde compensar tais desvios inevitveis.

Era evidente que a evoluo para umamelhor qualidade na transmisso e no tratamento

deste sinal teria que ser uma comunicao digital.

Os primeiros sensores digitais:

O grande desafio a ser vencido era terum sensor que manipulasse dados digitais demaneira a facilitar a vida da instrumentao eevitar calibraes to freqentes no campo. Ossistemas analgicos tinham a configuraomostrada na figura 2.

Figura 02: Cadeia de medio analgica.

O primeiro passo na evoluo para osensor de pH digital chegou por meio de umalinha paralela ao trfego de dados analgicoscom informaes que fluam de maneira digital eeram tratados no transmissor. Os dados digitaiscontinham excelentes informaes dediagnstico e rastreabilidade dos sensores e se

propunham a fazer algo bastante desejvel queera a calibrao remota ou no laboratrio dossensores. Para isso, o sensor tinha uma memriaonde eram armazenados os dados de calibraoque podiam ser feitos em um sistema de pHmontado em laboratrio e depois, este sensorera desmontado e seguia para o campo, ondeera montado no sistema de campo, eliminandoassim a necessidade de calibrao no campo,em condies adversas.

O grande problema deste conceito quefoi ignorado o fato de que os dados de medioprincipais continuavam a mandar suas

informaes entre sensor e transmissor emmilivolt, e que os dados de slope e ponto zero deuma calibrao feita no laboratrio, com um cabocurto se seco, no seriam exatamente osmesmos de um cabo de comprimento diferente e

j afetado por um pouco de corroso ou umidadeno campo, e pior de tudo, os cabos durante aoperao de processo continuavam a apresentaros mesmos problemas e pedindo grandefreqncia de calibrao para que funcionassemde forma confivel.

Esta gerao de sensores semi-digitais atualmente oferecida por alguns fabricantes e

so conhecidos por sensores inteligentes ou degerenciamento inteligente, e tem sua cadeia demedio mostrada na figura 3.

Figura 03: Cadeia de medio Semi-digital.


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Finalmente o sensor digital:

Os sistemas de gerenciamento digital de

sensores j existiam com pequenas variaes defabricante para fabricante, porm eles tinham emcomum a necessidade de trabalhar com umtransmissor de alto nvel e conseqentemente dealto custo, o que inviabilizou sua vastacomercializao em plantas ao redor do mundo,porm, o desejo pela calibrao remota e dadosde gerenciamento de rastreabilidade estava cadavez mais latente na indstria, assim como anecessidade de resoluo definitiva dosproblemas da fragilidade dos cabos e conectores.

Neste cenrio aparece uma tecnologiaque resolve de maneira efetiva todos osproblemas de comunicao entre sensor etransmissor, e que ainda podia manipular earmazenar dados digitais de rastreabilidade,diagnstico avanado e possibilitar manutenopreditiva.

Funcionamento do sensor digital:

O conceito do sensor digital baseadona idia de fazer todos os processamentoscrticos ainda dentro do sensor, converter osdados de analgico para digital ainda dentro delee s ento estabelecer uma conexo entresensor e transmissor, livre de interferncias e

livre de conectores metlicos passivos de efeitoda umidade e corroso.

Um grande desafio vencido nodesenvolvimento da tecnologia Memosens1,nome dado a esta plataforma, foi desenvolveruma pequena eletrnica na cabea do prpriosensor que tivesse quase tudo o que existia numtransmissor analgico de pH. Este desafio foivencido com o uso de uma eletrnica pequenaem seu tamanho e grande na sua capacidade deresistir s condies de temperatura deprocessos industriais e para tanto, foramutilizados componentes de aplicao militar,

altamente resistentes e confiveis. O prximodesafio foi o envio destes dados ao transmissor,tambm descobrir a maneira de alimentar estecircuito na cabea do sensor sem contatoseltricos metlicos e sem o uso de baterias,resultando no conector mostrado nas figuras 4 e5.

Figura 04: Conector digital sem contato metlico.

Figura 05: Conector digital indutivo, viso interna.

O conector possui uma eletrnica decada lado, na cabea do sensor esto o pr-amplificador, processador, memria e conversoranalgico digital, alm de uma bobina que servecomo receptor de energia e para o trfego dedados digitais bidirecionais entre o outro lado do

conector. No lado, o lado do cabo, o conectorpossui a outra bobina que envia a alimentaoeltrica ao sensor, alm do controle do trafego deinformao bidirecional. Desta forma, otransmissor envia indutivamente energia eltricapara os componentes que esto do lado dosensor, estes ao receber energia, iniciam aoperao de seus componentes, lem a memriapara resgatar os dados de calibrao e comeama medir a amostra, convertendo os valores demilivolt em informao digital. Ainda dentro dacabea do sensor, os valores de medio sotransmitidos de maneira digital para o cabo e

conseqentemente para o transmissor, semperda, sem desvio, e com toda a segurana deum verificador de paridade existente emprotocolos de comunicao digital, ou seja, osensor envia um valor de leitura, este valor enviado ao transmissor e retorna com umaverificao de que realmente chegou a seudestino de maneira exata (comunicaobidirecional).

A cadeia de medio do sistema digital esquematizada na figura 6.

Figura 06: Cadeia de medio digital.

Os benefcios de uma cadeia de mediodigital em relao analgica e semi-digital soinmeros, resultando em maior confiabilidade do


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processo e medio, observada nos seguintespontos:

1- Diagnstico ativo: Em um sistema

digital, erros de comunicao entresensor e transmissor so imediatamentereportados pela comunicaobidirecional com verificao de paridade,ou seja, se um valor de pH sair dosensor em 7,62 pH e chegar algodiferente disso no transmissor, noteremos uma indicao do valor erradona tela, o que teremos um sinal dealarme e a medio desaparece da tela,alertando para uma falha e evitando queo sistema supervisrio tente fazercorrees reais de pH dosando qumicos.

2- Umidade e corroso no maisproblema (final da conexo de altaimpedncia): Em um sistema digital, aumidade e corroso no afetam mais acomunicao, pois simplesmente noexiste nenhum componente metlico aser afetado, isso permite que o conectorcontinue trabalhando, mesmo que osuporte tenha sofrido uma falha devedao e tenha deixado o sensor e seuconector totalmente imersos no meio demedio.

3- Fim de problemas de aterramento desoluo: Em sistemas analgicos ousemi-digitais, o cabo do sensor pode serusado como uma porta de sada paracargas parasitas que esto na soluode medio, provenientes de rudos deagitadores, motores, bombas oupuramente gerado por energia estticaem tubos plsticos. Quando issoacontece, a medio prejudicada poreste rudo e ento necessrio o uso depinos de aterramento auxiliares, para

minimizar tal interferncia. No sistemadigital, existe uma separao galvnicatotal no conector e, portanto, esta portaaberta para cargas parasitas deixa deexistir, assim como a necessidade deuso de qualquer tipo de aterramento desoluo.

4- Cabos mais longos e mais simples:Em sistemas analgicos ou semi-digitais,so evitados cabos mais longos do que10 metros, a fim de minimizar efeitos deperda de sinal, em sistemas digitais,

como o sinal que trafega no tem perda,o cabo pode ter at 100 metros decomprimento e at passvel de

emendas, alm de no necessitar demalhas e blindagens especiais.

5- Dados de diagnstico e preditiva:Dados digitais so armazenadosautomaticamente na memria do sensor,permitindo que informaes referentes arastreabilidade, condies de uso,calibrao e vida til entre outros sejamfacilmente acessados na tela dotransmissor via comunicao digitaldireto na sala de controle ou emHandhelds e ainda permite a integraodestes dados com softwares degerenciamento de ativos que podem, porexemplo, utilizar funes de conditionmonitoring e enviar um alarme quando acondio de calibrao atual do sensoresteja muito diferente da calibrao defbrica do mesmo. Neste momento, ooperador pode acessar a memria digitale verificar dados como quantas horas deoperao tem este sensor, qual foi a datae hora da ltima calibrao, qual atemperatura mxima que este sensor jsofreu e tomar uma deciso de se horaou no de proceder com alguma

interveno.

6- Menor quantidade de intervenes:Asintervenes em sistemas digitaisocorrem somente quando uma falha realno sensor acontece. Estudo promovidopor uma empresa petroqumica Alem degrande porte, que utiliza anualmenteperto de 4.000 sensores entre pH e ORP,mostrou uma reduo de 40% nonmero de intervenes de manutenoe calibrao em seus pontos digitais,comparados com a tecnologia analgica.

Muito alm da calibrao em laboratrio:

Todas as barreiras que inviabilizavam asfontes de erro e discrepncia entre um ponto demedio no campo e uma calibrao nolaboratrio foram eliminadas. No importa qual otamanho do cabo, se ele tem maior ou menorumidade, sujeira ou incrustao no conector, poisos dados de medio so sempre entregues aotransmissor sem nenhuma possibilidade dedesvio. A figura 7 mostra um teste de campo real


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de sensores digitais e a montagem de sensoresdiretamente em contato com gua se sujeira.

Figura 07: Teste de campo de sensor digital.

Os usurios da tecnologia digital j sebeneficiam de estaes remotas de calibraomontadas em laboratrios de metrologia, decontrole de qualidade ou mesmo em oficinas deinstrumentao e manuteno, abrindo um novoconceito de estratgia de manuteno ecalibrao de sensores.

Neste novo conceito, pontos de mediodigitais trabalham com a circulao de sensorespela planta toda e no s com um sensordedicado a um nico TAG. Assim, algunssensores esto disponveis no laboratrio jlimpos, tratados e pr-calibrados, ou seja,

prontos para substituir um determinado sensorque esteja terminando seu ciclo de operao.Desta maneira, o j mencionado Kit deSobrevivncia no tem mais funo, pois todasas solues de calibrao, limpeza e demaisferramentas de uso comum do especialista deinstrumentao analtica ficam dentro dolaboratrio, este especialista no trabalha maisdebaixo de sol e chuva, tentando desmontarpeas delicadas de vidro em reas perigosas. Otrabalho em campo fica resumido a uma simplestroca, que pode ser feita por qualquer operadorda planta preventivamente ou em uma

emergncia pelo operador disponvel no turno,mesmo que ele no tenha nenhum treinamentoem analtica.

A nova estratgia de manuteno representada pela figura 8, onde vemos osseguintes passos:

1- O sensor que saiu de um regime deoperao no campo, desmontado do processoe levado para o laboratrio;

2- No laboratrio, o sensor de vai serlimpo, calibrado, opcionalmente seus dadossero armazenados em banco de dados

eletrnico em um PC via software baseado emSQL (Memobase);

3- O sensor est pronto para voltar a

operao e fica mantido em KCl, esperando omomento de retorno ao processo;4- sensor que estava limpo, regenerado

e pr-calibrado novamente montado noprocesso.

Figura 08: Nova estratgia de manuteno.

importante ressaltar que embora acalibrao em laboratrio tenha grandes

benefcios, dos quais podemos citar o menortempo de parada do ponto de medio, menortempo de resposta em chamados e menor custode manuteno envolvido, pois o especialista emanaltica vai fazer s a parte crtica da calibraoe no perder tempo em desmontagem desensores e testes eltricos de cabos, umaestao de calibrao remota tem seu custo e,portanto, se o usurio no quiser fazer talinvestimento no momento da aquisio doprimeiro sistema digital, qualquer transmissor decampo pode fazer uma calibrao em campo,como na plataforma analgica comum.

Para os usurios de muitos pontos demedio digital, existe ainda a possibilidade deincrementar produtividade e principalmentesegurana de processo por meio derastreabilidade, com o uso de um softwareopcional, o Memobase que ligado ao sistemade calibrao em laboratrio e armazena todosos passos do sensor, desde sua aquisio, todasas calibraes e TAGs onde foi instalado comdata e hora, at o momento em que o mesmo vaiser descartado no final de sua vida til.

Este registro pode ser consultado aqualquer momento e pode ser bastante til em


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momentos crticos. Imagine que um produtomuito sensvel ao pH teve um recall demercado, porm este produto passou pelo

tanque de ajuste de pH a mais de 5 meses, dataem que este lote foi fabricado. Com filtros deTAG, data e nmero de srie do eletrodo, possvel fazer uma busca no banco de dadosque vai apontar quantas horas de uso tinha osensor naquele momento, quando ele tinha sidocalibrado pela ltima vez, qual era o desvio queele apresentava em comparao com a suacalibrao de fbrica, alm de outros indicadoresde uso sob condio de stress, como porexemplo, at aquele momento, quantas horaseste sensor havia trabalhado durante toda suavida acima de 100 oC de temperatura, ou seja,seria fcil identificar se a medio naquelemomento era confivel ou no.

Vale a pena migrar para digital?

Sempre que vemos uma tecnologiasuperior aparecer no mercado, comeamos anos perguntar. Ser que vai ser compatvel commeu equipamento atual? Quanto isso vai mecustar? (normalmente carssimo) Ser que vouficar na mo de um nico fornecedor?

Compatibilidade: A plataformaMemosens no absolutamente nova, ela j vaipara o quarto ano de mercado e j padro em

grandes corporaes em todo o mundo, inclusiveno Brasil, porm fcil imaginar que um sensordigital, no vai conseguir trocar dados com umaeletrnica (transmissor) analgica, ento oinvestimento tem que ser no transmissor, sensore cabo. Os suportes retrteis ou fixos socompatveis e no precisam ser substitudos.

Preo:Os sensores analgicos possuemcabos e conectores carssimos, com ouro eblindagem especial. OK, um sensor digital temuma eletrnica na cabea e eletrnica tambmtem seu custo, porm hoje vemos eletrnicoscada vez mais baratos quando produzidos em

larga escala e o resultado disso que temos hojeo preo de um conjunto digital, exatamente igualao de um conjunto analgico e mais, o custo dereposio de um sensor analgico o mesmo deum sensor digital.

Plataforma fechada:Hoje o mercado jensinou que no existe vida longa paraprotocolos proprietrios, um grande exemplo emnossa indstria de instrumentao o protocoloHart, que ganhou muita fora e largamente

utilizado por diversos fabricantes devido a suaabertura de mercado. Nos mesmos moldes, aplataforma Memosens passar em pouco tempo

a uma fundao onde outros fabricantes alm docriador da tecnologia, podero oferecer osbenefcios a seus clientes, que tero todos osavanos de uma nova tecnologia com preoscompetitivos e diversidade de fornecedores. Hoje,alm do desenvolvedor da tecnologia, que jfabrica mais eletrodos digitais do que analgicos,

j existem dois outros fabricantes de eletrodos depH no mundo, um Europeu e outro Americanoproduzindo eletrodos digitais de pH baseados naplataforma Memosens.

Concluso

evidente que nos processos industriaismodernos, cada vez mais a medio analticavem migrando do laboratrio para o controle on-line, porm experincias ruins e falta deconfiana na medio em muitos casos, fizerama velocidade desta migrao ser muito lenta nosltimos 20 anos. Hoje, se olharmos para osnovos sensores digitais existentes, qualidade denovos desenhos de sensores, novos materiaisenvolvidos entre outras melhorias, fica fcilperceber um importante avano resultando numcrescimento de pontos de aplicao nunca vistodesde a poca de Cremer e Faraday.

Hoje, temos sensores confiveis,rastreabilidade na ponta de nossos dedos,diagnstico fcil e preciso, preo acessvel econcorrncia saudvel para o mercado, ou seja,aqueles momentos de sufoco em que oinstrumentista tinha que contar com ferramentascomo a intuio e a experincia, alm de umagrande dose de sorte para achar o problema nasprimeiras etapas do tentativa e erro faz parte dopassado ou apenas uma questo de tempo,pois a tecnologia existe e est disponvel.

Notas:

- Memosens uma marca registrada daEndress + Hauser.

Referncias:

McMillan, G., "pH Measurement and Control,"2nd ed., ISA, Research Triangle Park, NC(1994).

Endress + Hauser: www.br.endress.com

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