ENQUALAB-2005 – Encontro para a Qualidade de LaboratóriosRede Metrológica do Estado de São Paulo - REMESP

07 a 09 de junho de 2005, São Paulo, Brasil

ESTUDO DA ESTABILIDADE E DE OUTRAS CARACTERÍSTICAS DE UMDISPOSITIVO ELETRÔNICO PARA A CALIBRAÇÃO DE ELETRODOS DE

MEDIÇÃO DE pH

Francisco José de Oliveira Maia 1, Joaquim de Oliveira Maia 2

1 Instituto Superior de Ensino Santo Andreense – IESA/Faculdade Termomecânica/Consultor, São Bernardo do Campo,Brasil, fjomaia@uol.com.br

2 Consultor, São Bernardo do Campo, Brasil, jomaia91039@uol.com.br

Resumo: A calibração de medidores de pH é extremamenteimportante para laboratórios químicos. No Brasil iniciou-sea acreditação de laboratórios de calibração de pH, com o usode soluções padrão rastreadas e produzidas em laboratóriosacreditados por órgãos internacionais reconhecidos peloInmetro.

Podemos realizar a calibração de medidores de pH com oeletrodo utilizando-se soluções rastreadas e a calibração domedidor sem o eletrodo com a injeção de sinais elétricos,mas devido à problemas de casamento de impedância entreo eletrodo e os multímetros não podemos realizar acalibração do eletrodo isolado sem o medidor de pH.

Devido à fragilidade dos eletrodos temos, na rotina diáriados laboratórios, várias quebras de eletrodos quando sãousados os medidores de pH, portanto os laboratórios sãoobrigados a manter eletrodos de reserva que devemcalibrados em conjunto com o medidor.

O presente trabalho pretende apresentar a estabilidade eoutras características importantes de um dispositivoeletrônico que foi desenvolvido para ser utilizado para ocasamento de impedância entre o eletrodo de pH e omultímetro de leitura do sinal eletrônico, fornecendo assimsubsídios para uma possível acreditação para a calibração deeletrodos de pH independente do medidor de pH, facilitandoa rotina dos laboratórios.

Palavras chave: Metrologia, Metrologia Química,Calibração, Medidores de pH, eletrodos de pH, calibração.

1. INFORMAÇÕES BÁSICAS

Em 1909 o dinamarquês S. P. L Sørensen provou que opH é essencial para muitos processos enzimáticos e servepara expressar pequenas concentrações de íons dehidrogênio, sendo que pH é a abreviação de “pondushidrogenii”.

Atualmente nós medimos a atividades dos íons:

pH = - log10 aH+

A medida de pH é de grande importância dentro de váriasáreas, tais como saúde, química, meio ambiente e alimentosdentre outras. Por isso há a necessidade de mediçõesconfiáveis para se garantir a eficácia dos processos.

Para evitar resultados incorretos nas medições de pHrealizadas os laboratórios devem realizar a calibração deseus medidores através do uso de soluções padrãocertificadas [1].

2. O MEDIDOR DE pH

O medidor de pH mede a diferença de potencial (em mV)entre seus eletrodos, apresentando o valor já transformadoem pH no seu mostrador. Para que isso possa ocorrer há anecessidade de que essa diferença de potencial sejaamplificada e convertida eletronicamente para o valorcorrespondente de pH.

2.1. Os eletrodos

Os eletrodos de pH são construídos formando uma célulagalvânica, cuja diferença de potencial da saída (tensãoelétrica) é proporcional ao valor do pH da solução que sedeseja medir. O valor do pH irá depender da temperatura dasolução, portanto podemos dizer que um medidor de pH éum milivoltímetro com compensação da temperatura.

O eletrodo de pH apresenta uma impedância da ordem de100 MΩ [2], sendo que para que não haja problemas deleitura da diferença de potencial, a impedância da entrada docircuito amplificador deve ser sensivelmente maior do que aimpedância do eletrodo, ou seja da ordem de TΩ [3].

A tensão medida pelos eletrodos pode ser expressa pelaequação de Nerst:

E = Eeletr – Eref (em mV)

Em que Eeletr é a tensão no eletrodo de medição e Eref é atensão medida no eletrodo de referência, podendo tambémreescrever a equação:

E = E’T – R . T / F.ln aH+ (em mV)

Em que E’T é a constante que depende da temperatura, R é aconstante dos gases (8,3144 J/K), T é a temperatura absoluta(em K) e F é a constante de Faraday (96485 C)

2.2. O circuito eletrônico

O circuito eletrônico de medição da diferença de potencialdos eletrodos é composto basicamente de um circuitoamplificador (usualmente utilizando-se circuitos integradosdo tipo “amplificadores operacionais”) e um circuitoconversor analógico-digital para realizar a leitura da tensão,podendo ainda incluir um circuito digital de controle(utilizando microcontroladores”) que poderá converter ovalor de leitura em pH e ainda realizar comunicação commicrocomputadores ou controladores de processo.

Os componentes eletrônicos utilizados devem ter um baixocoeficiente de temperatura para não sofrerem influencias datemperatura ambiente ou deve existir um circuito eletrônicoque compense as variações da temperatura ambiente.

Devido a alta impedância de entrada, o circuito éextremamente sensível às altas freqüências e outros ruídos.Para que as interferências externas sejam minimizadasdevemos ter um bom sistema de aterramento do medidor depH com os eletrodos. Além disso, os cabos dos eletrodosdevem permanecer distantes de cabos de alimentação(energia elétrica da rede) ou outros cabos que possam gerarinterferências nas medições.

2.3. Calibração de medidores de pH

Como outros instrumentos de medida, o medidor de pHnecessita da realização de uma calibração periódica. Pararealizar essa calibração utilizamos soluções tampão quepossuam valor de pH conhecido e que sejam rastreadas aórgãos reconhecidos pelo Inmetro, ou caso disponível aopróprio Inmetro.

Após a limpeza dos eletrodos e da vidraria utilizada,colocamos a solução tampão junto com os eletrodos em umrecipiente apropriado e realizamos a leitura no medidor depH. Devemos tomar cuidado com a temperatura ambiente,pois suas variações acarretarão erros na leitura do pH.

Para a realização de melhores medições podemos colocar orecipiente dentro de um banho termostático e realizar aleitura somente após um tempo de estabilização adequadopara que o banho atinja a temperatura desejada, se possívelrealizando a agitação da solução tampão dentro dorecipiente.

Podemos realizar a calibração do medidor de pHisoladamente sem os eletrodos através do uso de fontesmilivoltimétricas, em que aplicamos tensões elétricascorrespondentes aos valores de pH (tabela 1) na entrada quenormalmente é destinada aos eletrodos de medição de pH eassim podemos levantar a curva do medidor.

Tabela 1. Tabela pH x milivolts

pH mV0 414

1 355

2 2963 237

4 177

5 118

6 597 0

8 -59

9 -118

10 -17811 -237

12 -296

13 -355

14 -414

Os eletrodos assim como outros sensores possuem umavariação de suas características durante a fabricação, porisso é interessante que também possam ser calibradosindividualmente. Para que a calibração dos eletrodos possaser realizada há o inconveniente de sua impedância ser devalor alto conforme já mencionado. Devido a esse problemaquando tentamos realizar a calibração do eletrodo utilizandoa solução tampão e um milivoltímetro para a leitura datensão dos eletrodos ocorre um valor medidoincorretamente, pois os milivoltimetros ou multímetros comescalas de milivolts apresentam impedâncias de entradamenores ou no máximo iguais à impedância dos eletrodos.

Para resolver esse problema é necessária a construção de umdispositivo eletrônico que possa realizar a elevação daimpedância de entrada dos multímetros. Esse dispositivopode ser construído utilizando um circuito integradochamado “amplificador operacional”.

2.4. O dispositivo eletrônico:

O dispositivo eletrônico pode ser construído utilizando-seum amplificador operacional (Figura 1) e alguns resistores ecapacitores para a eliminação de ruídos indesejáveis. Hámister que façamos uma boa blindagem e que seuaterramento seja feito com cuidado, podendo ser utilizadascaixas metálicas para o seu acondicionamento.

Para que sejam diminuídos problemas com o uso de fontesde alimentação podemos utilizar baterias em suaalimentação

2.5. Cu

Para a restado limpezados eleelétricabanho adequa

Um exem queA, são tais compadrão

2.5. Re

Devidoamplifi1TΩ nãimpedâmilivol

A variambienmilivol

O ruídmilivol

A incerse na fade pH 6

3. CON

Os valcalibraçpara o c

Deve especiacolocadáreas blindagforrada

Com o uso de baterias foi reduzida a interferência da fontede alimentação reduzindo o nível de ruído na saída dodispositivo eletrônico.

Deve ser observado que para o cálculo da incerteza damedição utilizando o dispositivo eletrônico deverão serlevadas em conta outras fontes de incerteza além dodispositivo eletrônico, tais como a variação da temperaturasaída para o

R1

Figura 1 – Circ

idados com as mediçõ

ealização das mediçõedos equipamentos e da dos eletrodos e vidr

trodos de forma a evits, com as condições e além disso deve

do incluindo o cálculo

emplo de cálculo de i no caso da medição dapresentadas as influêo: resolução do instr

e variabilidade da solu

sultados Obtidos

ao fato de se utilizacador operacional) do tivemos problemas ncia de entrada – abts).

ação da tensão devidte (23±3°C) ficou abts (para 59mV medido

o gerado foi ficou ats (para 59mV medido

teza padrão devido aoixa de ± 0,08 % da le (59mV) menor do qu

CLUSÃO

ores obtidos foram coão dos eletrodos de álculo da incerteza é u

se tomar cuidado nlmente no que tangeo na placa de circuit

livres, devem ser uem para aterramento e internamente com pap

a

R2

ambiente, a incerteza do certificado da solução padrão e aincerteza do voltímetro (ou multímetro de leitura).

milivoltímetro

CI1 entrad

uito simplificado

es

s deve se tomar cuidado com os soluções de referência, com aaria utilizadas, com a fixaçãoar vibrações, com as conexõesambientais e estabilidade dose utilizar um procedimentodas incertezas das medidas.

ncerteza é apresentado em [4],e pH além da incerteza do tiponcias de incertezas do tipo B

umento, certificado da soluçãoção com a temperatura.

r um circuito integrado (tipoe alta impedância (acima dede variação de tensão devido àaixo de 0,6% da leitura em

o a variação da temperaturaaixo de 0,3% da leitura em

s).

baixo de 0,3% da leitura ems).

dispositivo eletrônico situou-itura em milivolts, ou no casoe ± 0,005 (pH).

nsiderados adequados para apH visto que sua contribuiçãom valor aceitável.

a montagem do dispositivo, ao aterramento, devendo sero impresso plano de terra nassados cabos com malha de a caixa deverá ser metálica ouel alumínio aterrado.

Deverá ainda ser realizado um estudo para a verificação daestabilidade no decorrer do tempo.

AGRADECIMENTOS

Agradecimentos especiais a Comissão Organizadora doEnqualab, bem como do pessoal de apoio e ao Sr. EmersonMauro do IPEI.

REFERÊNCIAS[1] I. C. S. Fraga, P. R. G. Couto, R. V. Ribeiro e V. de Souza,

"Confiabilidade Metrológica de algumas Soluções Tampãoutilizadas na Medição de pH", Enqualab, pp. 68-73, 2002.

[2] Radiometer, "pH Theory and Practice", Radiometer, Lyon,France, edição 918-518.

[3] Micronal, "pH-metro B474- Instruções de Uso", Micronal,São Paulo, SP, agosto de 1996.

[4] W. Link, "Tópicos Avançados da Metrologia Mecânica", 1a.edição, novembro de 2000.