Desenvolvimento de célula para medição de viscosidade por ultrassom com conversão de modo interna. - Formigoni, Paulo Orestes (2023)
Esta pesquisa apresenta uma nova célula de medição de viscosidade dinâmica de líquidos em formato de prisma que realiza conversão de modo interna entre ondas longitudinais e de cisalhamento. A célula é composta de um transdutor ultrassônico de ondas longitudinais, um prisma de alumínio com uma superfície inclinada e uma linha de retardo de Rexolite em contato com a amostra líquida ou ar. O transdutor gera as ondas longitudinais que ao atingirem a superfície inclinada ocorrem as conversões de modo entre ondas longitudinais e de cisalhamento. Essa conversão de modo é máxima (~81% da energia) porque a superfície inclinada forma uma interface alumínio-ar e garante um ângulo de incidência de 63.9°. A onda de cisalhamento que se propaga no interior do prisma alcança as interfaces alumínio- Rexolite e Rexolite-amostra com incidência normal, gerando os ecos de normalização e de medição. Esses dois ecos de onda de cisalhamento retornam à interface alumínio-ar, onde há a conversão de modo em onda longitudinal. Assim, as ondas refletidas são medidas pelo mesmo transdutor (emissor de ondas longitudinais). A partir de duas medições na mesma temperatura, uma com a amostra de ar e outra com a amostra de líquido, determinam-se inicialmente a magnitude e a fase do coeficiente de reflexão complexo da onda de cisalhamento na interface Rexolite-líquido. Depois, determina-se a viscosidade dinâmica da amostra líquida. Os valores de viscosidade foram calculados por duas metodologias diferentes, considerando regimes viscoelástico e Newtoniano. Foram desenvolvidas duas estratégias para a medição por ultrassom da viscosidade de amostras de glicerina e óleo Hidra-68. Na primeira estratégia variou a temperatura entre 18 ºC e 26 ºC, utilizando um transdutor de 2,25 MHz na célula de medição. As viscosidades calculadas na frequência de máxima magnitude do sinal resultaram em erros menores do que 25% e 47%, respectivamente, para a glicerina e o óleo Hidra-68. Na segunda estratégia, as medições foram feitas na temperatura fixa de 22 °C, variando os transdutores com frequências de 500 kHz, 1,0 MHz, 2,25 MHz e 5,0 MHz. A implementação desta técnica permitiu a caracterização das amostras de glicerina e óleo Hidra-68, calculando as viscosidades médias na faixa de frequências entre 360 kHz e 6,1 MHz. As viscosidades médias calculadas nesta banda de frequência resultaram em erros menores do que 14% e 40%, respectivamente, para a glicerina e o óleo Hidra-68. A nova abordagem possibilitou obter ondas de cisalhamento com excelente qualidade e boa relação sinal-ruído, devido à maior eficiência na conversão para ondas de cisalhamento. A principal vantagem desta abordagem reside no uso de transdutores de ondas longitudinais, que operam em uma faixa de frequências mais ampla e apresentam melhor resposta de frequência em comparação aos transdutores de ondas de cisalhamento.