Estudo da confiabilidade de dados de umidade relativa por sensores de cerâmica porosa para o Sistema Brasileiro de Coleta de Dados Ambientais

• Ano de defesa: 2019
• Autor(a) principal: Camila Porto Mendes
• Orientador(a): Maria do Carmo de Andrade Nono
• Banca de defesa: Miguel Adriano Inácio, Rodrigo de Matos Oliveira
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Engenharia e Gerenciamento de Sistemas Espaciais
• País: BR
• Resumo em Inglês: The monitoring and contol of relative humidity of the air are fundamental for diverse fields, such as agricultural, industrial process, medical area, human health and civil defense. In Brazil, besides the typical climatic conditions of a tropical country there is also a higher incidence of ionizing radiation from cosmic rays due to South Atlantic Magnetic Anomaly (AMAS). The ceramic sensing elements satisfy the reliability requirement, such as, adaptability, less costbenefit, easy integration with electronic control systems, in addition to presenting greater chemical inertness and better mechanical strength than the polymeric. The main aim of this study was to comparatively analyze data obtained from ceramic sensors for air humidity monitoring in relation to reproducibility in the fabrication and measure reliability of the capacitance change versus room temperature. The data reliability analysis were made by statistical processing of data. It was necessary to document each step, from processing, sintering and confection of sensor elements. In this work, the porous ceramic sensors elements were obtained by mixing of 1:1 mol of powdered monoclinic ZrO2 with rutile TiO2, which were compacted with 100 MPa and sintered at 900, 1000 e 1100 °C. The characterization of the precursor powders and the mixture was made through the technique of x-ray diffractometry (XRD), for the identification of crystalline phases, field emission electron microscopy (SEM-FEG) to the analysis of morphological characteristics and microstructures of powders, nitrogen sorption technique Brunauer-Emmet- Teller method (B.E.T.) to obtain the values of specific surface. The fabrication of the sensing element was made by uniaxial pressing of 100 MPa and thermal treatments of sintering at temperatures of 900, 1000 and 1100 °C in the air. The sensor elements were characterized by XRD, SEM-FEG, nitrogen sorption technique B.E.T. method and mercury porosimetry (obtaining the interconnected pore size distribution). The ceramics were assembled in the form of capacitors in parallel pellets, by using carbono films and after those, the characterizations were made in controlled environment, consisted of climate chambers and one RLC bridge for measuring the capacitance values versus function of enclosed humidity at the range of 25 to 55 °C. Capacitance and temperature measurements were performed in real environment. The air humidity values were obtained by using the curves obtained under controlled environmental conditions (climate chambers). The results analysis indicated that the ceramic sensor elements sintering at 900 °C showed sensitivity to air humidity above 65 % at ambient temperatures of 35 to 55 °C. The sensor elements showed potential for use in monitoring the air humidity in tropical rainforests.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21c/2019/04.23.14.14

O monitoramento e controle da umidade relativa do ar (UR) são fundamentais para diversos setores, tais como o agrícola, em processos industriais, na área médica, para saúde humana e para defesa civil. No Brasil, além das condições climáticas típicas de um país tropical existe também uma maior incidência de radiações ionizantes provenientes dos raios cósmicos devido a Anomalia Magnética do Atlântico Sul (AMAS). Os elementos sensores cerâmicos atendem aos requisitos de confiabilidade, versatilidade, custo baixo, facilidade na integração com sistemas eletrônicos de controle, além de apresentar maior inércia química e melhor resistência mecânica do que os poliméricos. O objetivo deste trabalho foi realizar uma análise comparativa de dados obtidos por sensores cerâmicos de monitoramento de umidade do ar em relação à reprodutibilidade na confecção e a confiabilidade das medições dos valores de variação da capacitância em função da temperatura ambiente. A análise da confiabilidade dos dados obtidos foi feita via tratamentos estatísticos dos dados. Para isso, foi necessário documentar cada etapa, desde o processamento, a sinterização e a confecção dos elementos sensores. Neste trabalho, o elemento sensor cerâmico poroso foi obtido pela mistura de 1:1 em mol dos pós comerciais de zircônia monoclínica com titânia rutília, os quais foram compactados com 100 MPa e sinterizados nas temperaturas de 900, 1000 e 1100 °C. A caracterização dos pós precursores e da mistura foi feita através da técnica de difratometria de raios X (DRX), para a identificação das fases cristalinas, da técnica de microscopia eletrônica de varredura de alta resolução (MEV-FEG) para análise das características morfológicas e das microestruturas dos pós e pela técnica de porosimetria de nitrogênio método Brunauer-Emmet-Teller (B.E.T.) para obter a área superficial específica. A confecção do elemento sensor foi feita por prensagem uniaxial de 100 MPa e tratamentos térmicos de sinterização nas temperaturas de 900, 1000 e 1100 °C ao ar. Os elementos sensores foram caracterizados utilizando DRX, MEV-FEG, porosimetria de nitrogênio método B.E.T. e porosimetria de mercúrio (para a obtenção da distribuição de tamanhos de poros). As cerâmicas foram montadas na forma de capacitores de placas paralelas, utilizando filmes de carbono. Após as montagens destes, foram feitas caracterizações em ambiente controlado, que envolveu o uso de uma câmara climática e de uma ponte RLC para medição da capacitância em função da umidade relativa na faixa de temperatura de 25 a 55 °C. Foram realizadas medições de capacitância e temperatura em ambiente real. Os valores de umidade relativa foram obtidos utilizando as curvas obtidas em condições ambientais controladas (câmara climática). As análises dos resultados indicaram que os elementos sensores de cerâmicas sinterizadas em 900 °C apresentam sensibilidade à umidade relativa acima de 65 % para temperaturas ambiente de 35 a 55 °C. Estes elementos sensores apresentam potencial de utilização no monitoramento de umidade ambiente em florestas tropicais.