BRPI1000060B1 - Density sensor to assess voltage, potential and activity of liquids - Google Patents

Abstract

sensor diédrico para avaliar tensão, potencial e atividade de líquidos. no sistema de sensor diédrico, duas placas planas são fixadas em diedro de modo que a distância entre a aresta e o menisco (l) e o afastamento entre placas (a), sobre o menisco, sejam função da tangente do diedro (cl). assim, para água pura a tensão ('1') é igual ao potencial (t) e dado por t = -2 a / [l tg(a)], onde a é a tensão superficial da água. para medir tensão de água no solo, o sistema é acoplado a elementos porosos, enquanto que a aresta do sensor é pressionada diretamente contra raízes e outros órgãos vegetais. o potencial de água, diferentemente, é medido com a aresta posicionada a alguns micrômetros da amostra e a resposta ocorre após a troca de alguns picolitros de água, quando a condição de equilíbrio de temperatura e pressão de vapor é aproximada. visualmente, com paquímetro, mede-se tensões de água entre zero e 0,3 mpa, enquanto que com auxilio de microscópio a leitura estende-se até cerca de 3,0 mpa. a atividade de água correspondente a potenciais de água menores que -3,0 mpa, também pode ser medida adicionando-se um número conhecido de moléculas de solutos adequados à água mantida no sensor.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção: “SENSOR DIÉDRICO PARA AVALIAR TENSÃO, POTENCIAL E ATIVIDADE DE LÍQUIDOS”.

CAMPO DA INVENÇÃO

Sensor diédrico para medir tensão de água e potencial de água de acordo com o acúmulo de líquido entre duas placas fixadas como diedro. Em princípio o sistema pode ser empregado para água e outros líquidos. Ao medir atividade da água ou potencial de água o sistema facilita o equilíbrio térmico que é necessário ao equilíbrio de pressão de vapor. Nas medições de tensão de água, diferentemente, o movimento de água entre amostra e o sensor diédrico ocorre por continuidade da fase líquida, através da aresta do sensor pressionado contra a amostra, razão pela qual, neste caso, o controle de temperatura é muito menos crítico. Em solos o sistema, preferencialmente, deve ser operado com a mediação de um elemento poroso que filtra e facilita a condução de água entre o solo e sensor diédrico. Medições de potencial de água e de tensões de água de até cerca de 3,0 MPa, na planta, são feitas sob microscópio, com ocular micrométrica. Medições de tensão de água entre zero e 0,3 MPa, no solo, são feitas visualmente, com régua ou paquímetro. As aplicações qualitativas e quantitativas do sistema de sensor diédrico abrangem aplicações em manejo de irrigação no campo e vasos, bem como em estudos fisiológicos, e pode se aplicar a órgãos inteiros ou segmentados.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO A atividade da água e o potencial de água estão relacionados entre si pela equação 1: [1] Onde Ψ é o potencial da água (Pa), R é a constante dos gases (8,3145 j K*1 mol'1), T é a temperatura em Kelvin, vw (1.8 10'5m3) é o volume parcial molal da água e aw é a atividade da água, que pode ser tomada como a centésima parte da umidade relativa de equilíbrio com uma amostra. A avaliação da atividade da água é muito importante, por exemplo, em tecnologia de alimentos e no armazenamento de grãos. Para um grande número destes produtos a vida útil de armazenamento e a própria qualidade dependem da atividade da água, que é utilizada como um parâmetro de controle.

Para fisiologia vegetal e para manejo de água no solo, no entanto, a noção de potencial de água com suas subdivisões em componentes, em geral é mais utilizada do que as noções de umidade relativa e de atividade da água. O potencial de água foi definido como a relação entre o potencial químico e volume parcial molal da água. Consequentemente o potencial da água pode ser tratado simplesmente como força por unidade de área, isto é como uma pressão. O potencial da água assim definido é uma soma de componentes de pressão. Dentre estes, na planta, são importantes: o componente osmótico (Ψε), com o qual mediante o acúmulo de solutos a célula succiona a água para o seu interior; o potencial gravitacional (H), uma altura a ser vencida para que a água se movimente entre a raiz no solo e as folhas e outros órgãos aéreos; a pressão de turgescência (Ps) no interior das células, uma decorrência do potencial osmótico e das membranas e paredes celulares; e a tensão da água no xilema e no apoplasma (Pa) em cuja matriz as diferenças de pressão, moduladas pelo crescimento e a transpiração, governam a velocidade do transporte deste fluido entre o solo e cada órgão da planta.

Tensiômetro é a denominação que se pode utilizar para os instrumentos para medir o componente de tensão da água, no solo ou na planta. Variados tipos de tensiômetros encontram aplicações em ramos como a fisiologia vegetal, o manejo de irrigação e a geologia. Instrumentos para medir a atividade da água, umidade relativa de equilíbrio e potencial da água (eq. 1) por outro lado poderíam ser denominados preliminarmente de higrômetros e têm aplicações que variam entre aquelas puramente práticas a outras mais sofisticadas e dirigidas a ciências em áreas como a fisiologia vegetal e a tecnologia de alimentos.

Grande parte da tecnologia clássica sobre construção e usos de tensiômetros e higrômetros para estudos de ecofisiologia de plantas foram revisados por Slavick (Methods of studying plant water relations, Springer, New York, Springer, 1974. ISBN 0-387-06686-1) e no que tange à atividade da água em alimentos, vários dos métodos freqüentemente utilizados são brevemente descritos por Zapata et al. (Bol.SBCTA, v30, η. 1, p 91-96, 1996). O tensiômetro comum (Soil Science, v. 53, p. 241-248,1942), usado para manejo de irrigação, é constituído por uma cápsula porosa com cavidade cheia de água ligada hermeticamente a um vacuômetro. Sua faixa de trabalho é entre zero e a pressão barométrica, porém na prática é usado principalmente entre zero e 70 kPa. O maior uso do tensiômetro comum é como um instrumento de referência em manejo de irrigação. A grande limitação do tensiômetro comum, por sua vez, é a ocorrência de embolia, isto é, acumulação de ar na água contida na cavidade da cápsula porosa. Este gradativo acúmulo de ar faz com que o tensiômetro perca velocidade de resposta e soffa uma relacionada redução na tensão máxima de trabalho, enquanto o volume de ar acumulado aumenta na cavidade do sensor. A manutenção necessária para o tensiômetro voltar a funcionar é abrir a tampa, adicionar água, fechá-lo e esperar uma nova resposta de equilíbrio dinâmico. Parece uma manutenção fácil, porém este trabalho tem sido o grande empecilho para que o tensiômetro comum seja utilizado em automação, face à demanda por sensores que operem com baixa ou nenhuma manutenção.

Tensões de água de módulo maior que pressão barométrica e que se estendam até 1500 kPa, ou mais, podem ser mensuradas pelo tensiômetro desenvolvido por Ridley & Burland 1993 (Géotechnique, v.43, p. 321-324, 1993). O principio deste tensiômetro de alto desempenho é similar ao do tensiômetro comum, do qual difere por possuir uma cavidade de volume reduzido sobre um elemento poroso de elevada pressão de borbulhamento, um transdutor de pressão eletrônico e por ser pré-hidratado a mais de 4000 kPa por pelo menos 24 h, em câmara hiperbárica, para dissolver as bolhas de ar. E um instrumento de alto desempenho no sentido das elevadas tensões de água que mede, no entanto, trata-se de um instrumento instável, cuja operação é sempre interrompida por ocorrência de embolia, após, no máximo, algumas horas de operação. A embolia neste instrumento possui efeito muito mais devastador e instantâneo do que se experimenta em um tensiômetro comum, quando as tensões de água medidas são muito maiores do que o módulo da pressão barométrica. Apesar desta limitação, trata-se de um sistema valioso para geofísicos e engenheiros que precisam medir propriedades mecânicas de solos em uma ampla faixa de tensões de água.

Um sistema de medir tensão de água que não possui a limitação de embolia é o descrito no documento BR PI 0004264-1. Neste sistema, cápsulas porosas com a cavidade cheia de ar e sem água são submetidas à pressão de ar para ter a tensão da água medida por diferença entre o parâmetro pB (pressão de borbulhamento) e a pressão de ar (p) necessária para forçar a permeação do gás através da parede do elemento poroso. Elementos porosos com propriedades adequadas para diferentes aplicações agrícolas e diferentes instrumentos de uso do sistema estão disponíveis comercialmente. A maioria dos instrumentos para medir tensão de água no solo é aferida em câmara de pressão com membrana ou disco poroso, a denominada câmara de Richards (Soil Science, v. 51, p.377-386, 1941). Nesta câmara de pressão a água é forçada para fora do equipamento através da membrana porosa sobre a qual repousa a amostra sob estudo, usualmente solo. O tempo de equilíbrio de tensão de água depende de fatores, dentre os quais são importantes a espessura da camada do solo e a pressão de borbulhamento da membrana. A tensão da água no equilíbrio é igual à pressão de ar aplicada. Este instrumento tem sido utilizado principalmente para estabelecer curvas entre a umidade e a tensão da água no solo, as denominadas curvas de retenção ou curvas de pressão volume. Trata-se, no entanto, de um dispositivo de aferição e não de um sensor de tensão de água propriamente dito. Como limitação, o ajuste de tensões elevadas é demasiadamente lento, porque a condutividade hidráulica do solo diminui exponencialmente com a tensão da água.

Para a conservação de grãos e produtos alimentares diversos a manutenção da atividade de água que corresponde a potenciais matriciais e de potenciais hídricos totais muito maiores que 3,0 MPa (aw>0.98) são indispensáveis. Por exemplo, grãos em equilíbrio higroscópico com uma umidade relativa de 50%, teriam aw=0,50 e potencial de água de 96 MPa. Para a aferição destes instrumentos, que medem atividade da água, são utilizadas técnicas de equilíbrio higroscópico com soluções salinas e instrumentos de preparo de umidade relativa de referência. Um sistema simples que faz uso de sais higroscópicos para ajuste de umidade relativa em câmara sob temperatura controlada foi inventado por Greaves em 1991 e é descrito no documento GB 2255190. Outros sistemas intemacionalmente aceitos para a aferição de higrômetros são: 1) misturas gasosas de ar proveniente de duas pressões, uma de saturação e outra de medição, ambas em ambiente isotérmico; 2) misturas de ar provenientes de duas temperaturas, uma de saturação mais reduzida e uma de medição mais elevada; 3) e o sistema gravimétrico em que uma massa conhecida de água é vaporizada no interior de um recipiente de volume conhecido e temperatura finamente ajustada (PI BR 0104475-3). A atividade da água ou umidade relativa de equilíbrio é a principal variável relacionada à conservação de alimentos (Boi. SBCTA, v.30, p.91-96,1996). Os métodos para a determinação da atividade da água em alimentos são variados e incluem: a) Métodos gravimétricos, que são baseados na determinação da curva de secagem (dessorção) ou de umedecimento (sorção ou adsorção) de um alimento ou solo durante o equilíbrio com soluções salinas saturadas de referência em condição isotérmica. Trata-se de um método cuja velocidade diminui rapidamente em função do aumento das dimensões dos órgãos, ou unidades de amostra, e dependendo do material pode demorar semanas ou até meses. É um método que precisa ser aplicado sob temperatura rigorosamente controlada para evitar a condensação de água. Adicionalmente, de preferência as soluções saturadas empregadas devem ajustar a atividade da água de modo praticamente independente da temperatura, isto é, com um diminuto coeficiente térmico. Por envolver uma espera longa este é um método que somente pode ser usado para alimentos pouco perecíveis, como o são diversas sementes. b) Um procedimento isopiéstico envolve tiras de papel de filtro embebidas em diferentes soluções salinas saturadas, de referência. Estas tiras são pesadas e colocadas nas câmaras com o produto por 24 a 48 horas. Cada tira pode ganhar ou perder massa dependendo da sua atividade de água ser maior ou menor do que a atividade da água da amostra, assim utilizando-se de interpolação gráfica estima-se a atividade da água da amostra, na qual uma tira embebida com solução adequada salina não sofreria variação de massa. É um método de qualidade e baixo custo, porém trata-se de um procedimento que envolve “tentativas”, e é considerado um método lento. c) O método do equilíbrio com sensor de material absorvente de referência, feito de celulose ou caseína, por exemplo, envolve o estabelecimento preliminar de uma curva de calibração que relaciona a massa do sensor e a atividade da água de soluções salinas padronizadas. A seguir o sensor de material absorvente é colocado juntamente com a amostra e após um período de 24 a 48 horas sua massa final de equilíbrio é determinada, tomando-se o cuidado de evitar qualquer perda de água até a pesagem. A atividade da água é então calculada de acordo com a massa do sensor, utilizando-se a curva de calibração. Esta é uma técnica que funciona para sobremesas e podería ser utilizada para órgãos vegetais com atividade de água entre 0,8 e 0,99. É um método de baixo custo, interessante e com precisão da ordem de 0,002 unidades de atividade de água. Também se trata de um método lento, cuja estabilidade de resposta depende do material absorvente. Uma limitação importante desta tecnologia é que ela não é adequada para potenciais de água próximos a zero. d) São simples e práticos os higrômetros de fibra para a medição de umidade relativa, como descrito no documento GB 344341 de 1931. Estes instrumentos, no entanto, requerem calibrações freqüentes tendo-se em vista que fibras como as de fio de cabelo desengordurado, por exemplo, perdem a elasticidade com o tempo. Adicionalmente, são instrumentos que não têm sido construídos especificamente para medir a atividade da água em alimentos. e) Higrômetros eletrônicos resistivos que em geral são feitos de uma lâmina de material inerte revestida por uma camada higroscópica de cloreto de lítio, por exemplo. Nestes sistemas a condutância elétrica varia em função da umidade relativa do ar. A precisão deste tipo de dispositivo é da ordem de 0,005 unidades de aw. Bonne e outros em 1996 desenvolveram um microsensor de resposta rápida estabilizado para medidas de umidade absoluta e de temperatura de ponto de orvalho baseado na higroscopicidade do cloreto de lítio conforme descrição no documento US 05533393. O atual grau de sofisticação destes dispositivos de resistência pode ser elevado, como se pode observar no sensor resistivo com elemento poroso e aquecimento descrito no documento de Speldrich WO 2005/121781, no qual o aquecimento eletrônico do elemento poroso vaporiza gotículas de água condensada e possibilita, inclusive, a determinação de umidades relativas superiores a 100%. A resposta dos dispositivos de resistência elétrica, no entanto, tende a se deteriorar, por exemplo, pela diluição ou pelo acúmulo de íons sobre a matriz inerte. f) Uma segunda categoria de higrômetros eletrônicos são os de capacitância que fazem uso da elevada constante dielétrica do vapor de água, em comparação com o ar. Um destes sistemas com agregação de complexidade para melhoria da precisão é descrito no documento US 5922939. De uma maneira geral estes são sensores de umidade absoluta que respondem rapidamente e que requerem de correções térmicas para a medição de umidade relativa. Adicionalmente, tendem a ser pouco sensíveis em medições de umidade relativa próximo à saturação. Sensores capacitivos, assim como os sensores resistivos, em geral, requerem calibração ffeqüente. g) Método da temperatura do ponto de orvalho para medir a atividade da água, em geral requer medida de temperatura sobre uma superfície de termopar ou de um espelho resfriado, por exemplo. Os sistemas de ponto de orvalho também podem produzir estimativas errôneas da atividade da água, caso a superfície resfriada esteja contaminada por impurezas, e também no caso da presença de substâncias voláteis. Em geral, os instrumentos baseados em temperatura do ponto de orvalho são mais estáveis e menos sujeitos a interferência do que os higrômetros de resistência elétrica e os de capacitância. h) No método psicrométrico a temperatura de um termômetro com o bulbo úmido e a temperatura do termômetro de bulbo seco, de referência, são utilizados para estimar a atividade da água. Usualmente o bulbo úmido é umedecido graças à prévia condensação de água sobre uma superfície resfriada por aplicação de corrente elétrica (efeito Peltier).

Dentre os instrumentos para medir atividade da água aqueles que têm sido considerados melhores são os que utilizam o método do ponto de orvalho, de acordo com a temperatura em que é iniciada a condensação de água em uma superfície plana limpa e hidrofílica. Campbell em 1974 desenvolveu um higrômetro baseado em termopares e efeito Peltier para a medição de osmolaridade, atividade da água, ou potencial hídrico de soluções e amostras de plantas. O dispositivo, a eletrônica e a metodologia para uso do instrumento no modo ponto de orvalho e no modo psicrômetro de bulbo úmido estão descritos no documento US 3797312. Uma das qualidades do equipamento descrito é a portabilidade e o fato de não requerer sofisticado sistema de banho térmico para medições de atividade de água em amostras diminutas de planta e de solução. No modo psicrométrico a temperatura do bulbo úmido formado após a condensação de água e a temperatura do bulbo seco de referência são utilizados para estimar a atividade da água. Outros dispositivos que usam o método do ponto de orvalho fazem uso de espelho como no dispositivo de Zlochin (2005) descrito no documento US 6926439, no qual um espelho sempre livre de impurezas trazidas pelo ar é utilizado para a aplicação do método do ponto de orvalho. Zlochin argumenta que um dos grandes problemas do método do ponto de orvalho é a acumulação de impurezas carreadas pelo ar. A remoção destas impurezas é uma dificuldade, visto que há uma demanda de limpeza freqüente da superfície resfriada para que a qualidade das medições não seja prejudicada.

Segundo Campbell & Lewis (1998), no sistema de medição de atividade de água pelo método de ponto de orvalho do documento US 5816704, e em outros dispositivos que fazem uso deste princípio, o erro na estimativa da temperatura do ponto de orvalho é dado pela equação: Erro2 = 2 r a w / s onde r é a resistência da camada laminar (s m1), a é a inclinação entre a pressão de vapor de saturação e a temperatura, w é a taxa de condensação emgm' s' e s é a concentração de vapor de saturação em g m'3. Desta equação fica evidente que métodos que diminuem a camada laminar e as quantidades de água condensadas para a medição também diminuem o erro na estimativa da temperatura do ponto de orvalho e aumentam a velocidade de resposta do instrumento.

Diferentemente do caso de solos, considerado inicialmente, o desenvolvimento de dispositivos para medir a tensão de água em plantas tem sido mais raro, apesar de ser uma variável fundamental para explicar a ascensão de seiva. No estado da arte o método mais utilizado para medir tensão de água em plantas tem sido a câmara de pressão de Scholander (Proceedings National Academy of Sciences USA, v. 52, p.l 19-125,1964). Para uso, uma folha, por exemplo, é fixada ao orifício da borracha de vedação, para que o pecíolo possa atravessar a tampa que fecha a câmara hermeticamente. Na medição, aumenta-se a pressão de gás na câmara, lentamente, até que a primeira gota de seiva escoe através do pecíolo. A pressão de gás aplicada, nesta condição, é então tomada como estimativa da tensão da água na folha. Na literatura corrente, no entanto, há posições controversas sobre a validade deste método, cujo ponto fraco é não possuir uma forma de aferição. Apesar disto, e mesmo envolvendo amostragens destrutivas, a câmara de pressão de Scholander é o instrumento mais utilizado para estudar relações hídricas em plantas. A tensão da água na planta também tem sido medida inserindo-se um capilar no interior dos vasos do xilema (Plant Physiology, v. 61, p. 158-163, 1978.). Este método denominado método da sonda de pressão, no entanto, é extremamente difícil, laboratorial e não tem possibilitado medições de tensões superiores a 800 kPa, na planta. Nas medições comparativas de tensão de água em plantas fazendo uso da sonda de pressão e da câmara de pressão de Scholander, adicionalmente, os resultados nem sempre têm sido equivalentes, dentro das margens de erro.

Na presente invenção descreve-se um sistema simples para medir potencial de água, tensão de água e atividade de água que pode ser aferido por calibração por diferentes procedimentos. Nas medições de tensão de água o sistema desta invenção não é sujeito a problemas de embolia, problema típico do tensiômetro; para medir potencial de água o sistema pode apresentar rápido equilíbrio térmico, utilizando uma micro-câmara de contato. Em medições de tensão de água no solo, possibilita leituras com simples uso de paquímetro na faixa de 0 a 0,3 MPa. O potencial de água pode ser mensurado com microscópio entre zero e 3,0 MPa. Em plantas, adicionalmente, sob microscópio, a tensão de água medida, encostando-se o sensor contra a amostra, por aplainamento, é da mesma ordem que a medição de potencial de água.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO O sistema de placas em diedro desta invenção possibilita medidas lineares da tensão de água, quando o transporte entre o diedro e a amostra ocorre através da fase líquida e medidas também lineares de potencial de água neste sistema são efetuadas utilizando-se transporte de água entre a amostra e o sensor diédrico por meio da fase gasosa. Para medir potencial de água a aresta do diedro é posicionada a alguns micrômetros de distância da amostra. No diedro o ângulo é tal que uma evaporação de poucos picolitros possa ser detectada, como movimentação do menisco. Desta forma o equilíbrio hídrico com a amostra, em geral é detectado em alguns minutos. Nas medidas de tensão de água no solo os volumes de água trocados pelo diedro são muito maiores, da ordem de microlitros, para possibilitar avaliações visuais com paquímetro. Para solos, as placas são fixadas sobre elementos porosos apropriados. O elemento poroso pode ser de superfície ou de inserção em profundidade definida. A face externa de uma das placas pode ser pintada de preto para facilitar a distinção do menisco que separa a faixa mais escura cheia de água ao lado da aresta e a faixa mais clara cheia de ar e afastada da aresta. Nas medições, a distância L tomada entre a aresta e o menisco multiplicada pela tangente do ângulo de diedro (a) é igual ao afastamento a entre as placas. Deste modo, caso o diedro contenha água pura, então a tensão da água (Ψ) e o potencial de água (T) são iguais e dados pela expressão: Ψ = T = -2 σ / [L tg(a)], onde σ é a tensão superficial da água em Nm'1. Nas leituras com paquímetro, mede-se tensões de água de zero a 0,3 MPa, enquanto que nas leituras em microscópio são medidas tensões de água e de potenciais de água de zero a 3,0 MPa.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Figura 1: Ilustração do sensor diédrico de placas hidrofílicas de vidro para medida de tensão de água de acordo com a distância entre o vértice e o menisco. A - vista frontal. B - vista de topo.

Figura 2: Sensor diédrico de placas hidrofílicas de vidro transparente para medir a tensão de água de solo contendo elementos porosos acoplados por cimento permeável. A - elemento poroso em disco para medição superficial. B - elemento poroso alongado, para a inserção no solo.

Figura 3: Sensor diédrico em microscópio com micro-câmara para equilíbrio de pressão de vapor de água para facilitar o posicionamento e equilíbrio rápido de pressão de vapor de água necessário em medições de potencial de água e atividade de água.

Figura 4: Sensor diédrico com placas móveis para possibilitar limpeza.

Figura 5: Sensor diédrico cujas laterais são vedadas para medir a tensão da água por aplicação de pressão de ar entre as placas.

Figura 6: Sensor diédrico no interior de uma câmara de equilíbrio higroscópico durante medidas do potencial de água de fluidos como homogenatos de frutas e geléias.

Figura 7: Sistema para aplicação de volumes conhecidos de solução ao sensor diédrico.

Figura 8: Sistema com orifício e substâncias hidrofílicas em meio sólido para aferição de medições de atividade de água e umidade relativa com o sensor diédrico.

Figura 9: Curva entre tensão de água ajustada em câmara de Richards de pressão negativa e leitura no sensor diédrico.

Figura 10: Curva de atividade de água de referência e atividade de água calculada com o sensor diédrico, medida efetuada com auxílio de soluções de NaCl.

Figura 11: Resposta de equilíbrio de potencial de água para um sensor diédrico com micro câmara de 20 pm na aresta pressionada contra a superfície de uma raiz de cenoura.

Figura 12: Massa da raiz de cenoura e potencial de água medido com o sensor diédrico.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Na presente invenção um sistema de placas planas e hidrofílicas, de vidro ou de material finamente poroso, fixadas (Fig. 1; 1 e 2) em diedro é usado para medir tensão de água e outros componentes do potencial de água de solo, planta e produtos alimentares. Este sensor diédrico ilustrado em sua forma mais simples (Fig. 1) possibilita medidas de tensão de água, de potencial de água e atividade de água de acordo com a posição do menisco (4), em condição de equilíbrio. O material das placas, os acessórios de leitura, a faixa de medição, possibilidade de revestimento hidrofóbico externo e o dimensionamento do sensor diédrico são definidos de acordo com a finalidade de uso.

Conforme a Figura 1, das placas em diedro (1, 2), pelo menos, a placa superior (1), preferencialmente, deve ser transparente para facilitar a visualização da água (7) e da posição do menisco (4). Para atender a diferentes usos a placa inferior (2), por outro lado, pode ser transparente, negra, espelhada ou micro-porosa. A medição de tensão de água no solo, preferencialmente, deve ser feita com o sistema de diedro fixado sobre elementos porosos (9), como é ilustrado na Figura 2. Neste caso, o sensor diédrico é fixado sobre o elemento poroso (9) com cimento poroso (8). Caso seja fixado sobre um disco de elemento poroso (9) o sensor diédrico é ideal para medir a tensão de água da superfície do solo de vasos (Fig. 2A). Por outro lado, para medir a tensão de água em profundidades especificadas o sensor diédrico precisa ser fixado sobre elemento poroso alongado (9) como se ilustra na Figura 2B, cujas paredes laterais podem ser impermeabilizadas até a profundidade desejada de leitura. O elemento poroso deve possuir porosidade e pressão de borbulhamento, ou tensão crítica de trabalho adequada à faixa de operação que se tenha em vista para o sensor.

Para medições de tensão e potencial de água em plantas o sensor diédrico deve ser utilizado com auxílio de microscópio (13) (Fig. 3 A). Para este uso o diedro é apoiado em um bloco (15) para manipulação. No arranjo simples da ilustração o produto sobre um paralelepípedo (19) e a fonte de luz (20) sobre uma base plana são movimentados por deslizamento sobre a base de deslizamento (18). Para medição de tensão de água a “aresta” do sensor diédrico é pressionada contra amostras vegetais de elevada condutividade hidráulica, raízes, por exemplo, para que a tensão da água na planta governe a tensão da água no sensor diédrico mediante o transporte de água diretamente em fase. Nesta aplicação o sensor diédrico possibilita medições de tensão de água na planta de modo ainda não efetuado por sistemas anteriores. A leitura de potencial da água requer procedimento ligeiramente diferenciado, no qual a aresta é aproximada até poucos micrômetros, sem, no entanto, encostar-se à amostra. Neste sistema a troca de água através da aresta entre amostra e sensor ocorre através da fase gasosa. Esta troca de água na fase gasosa deve ocorrer através de uma finíssima camada de ar estagnado, de alguns micrômetros, na qual condições de equilíbrio térmico e higroscópico são obtidas rapidamente. Nas medições de potencial de água, o uso de sensor diédrico de vidro lapidado, que forma uma micro-câmara (12) (Fig. 3B) pressionada contra o órgão vegetal (11) é de grande utilidade. A micro-câmara é formada pela junção de placas de vidro com lapidação frontal, o que facilita o equilíbrio de temperatura e pressão de vapor de água necessários para medir a atividade de água. Nesta micro-câmara, a aresta (3), por onde ocorre a troca de água, em fase gasosa, se encontra em uma condição favorável para o rápido equilíbrio térmico e hídrico mesmo sem o recurso de sofisticado controle térmico. A placa lapidada também facilita a aplicação de revestimento hidrofóbico nas laterais do sensor diédrico, por fricção, por exemplo. Esta aplicação hidrofóbica é valiosa, por exemplo, para evitar fuga de água pela superfície do vidro, o que tende a atrasar a resposta do sistema.

Manipulação e microscopia O acessório de manipulação auxiliar da ilustração (Fig. 3) pode possuir corpo em poliacetal com base de deslizamento (18), suporte vertical (17) e suporte superior ou estágio (16). Para a manipulação a amostra biológica (raiz, por exemplo) é colocada sobre paralelepípedos de altura adequada (19), com auxílio de uma massa plástica (21). O paralelepípedo (19) é preferencialmente constituído de plásticos como o poliacetal para facilitar o deslizamento suave sobre a base (18), mesmo sem uso de lubrificante. Na vertical, um bloco (15) em poliacetal é movimentado até a altura adequada e a posição é a seguir fixada por aperto em parafuso. A fonte de luz (20) é posicionada por deslizamento em baixo do diedro para que o menisco água/ar (4) seja observado por transparência ao microscópio (13). O microscópio (13), por outro lado, é movimentado verticalmente, em rosca ou cremalheira, para a focalização. A movimentação horizontal do microscópio para facilitar a visualização e a medida da distância L entre o menisco (4) e a aresta (3) ocorre de acordo com um conjunto micrométrico (22) que movimenta o suporte do microscópio (14) sobre o estágio (16). A ocular do microscópio para estas medições, preferencialmente, deve ser micrométrica.

Fixação das placas Na Figura 1 ilustra-se as placas em diedro fixadas com cola (6). Para esta montagem o espaçador traseiro (5) de espessura conhecida é colocado sobre a placa 2, aplicam-se minúsculas porções de cola com a ponta de uma agulha, posiciona-se a placa 1 e aplica-se radiação ultravioleta para endurecimento da cola.

Nos usos em solos e substratos (Fig. 2) as placas do diedro e um elemento poroso (9) são unidas por cimento poroso (8) com o seguinte procedimento: As placas 1 e 2 são fixadas ao espaçador traseiro (5), de maneira preliminar ao longo do comprimento, com auxílio de fita adesiva. O conjunto é então assentado com massa de cimento e água sobre o elemento poroso (9), previamente umedecido. A camada de cimento poroso (8) entre as placas de vidro e o elemento poroso (9) deve ser finíssima. A cura do cimento ocorre em uma bandeja, com uma camada de água ao fundo, durante um período de alguns dias. Após a cura, a fita de fixação preliminar das placas de vidro é removida, e a superfície externa do sensor diédrico é cuidadosamente lavada, para remover do vidro partículas aderidas de cimento e da fita adesiva.

Em usos nos quais é importante a possibilidade de limpeza das faces internas do sensor diédrico, o sistema pode ser montado conforme ilustrado na Figura 4. Neste caso, as placas de vidro (1, 2) do diedro são coladas em placas de maior flexibilidade (23, 24), por exemplo, de PVC “rígido”. Na placa 23 fixa-se um parafuso guia (25), cuja haste eleva-se de um orifício próximo à placa de vidro (2). A placa flexível superior (24) recebe um orifício para a passagem, livre, do parafuso guia (25), próximo à placa de vidro superior (1). Adicionalmente, a placa flexível superior (24), na traseira, recebe um orifício com rosca, no qual o parafuso de movimentação (27) das placas de vidro gira. Neste sistema o espaçador traseiro (5), serve, também, para posicionar os parafusos que compõem o limitador de altura (26).

Para avaliações de calibração direta do sistema com ar comprimido e também para que o sensor diédrico possa funcionar no modo tensiometria a montagem do sistema pode ser do tipo ilustrado na Figura 5. Neste formato, as placas de vidro têm suas laterais coladas, com resina de alta viscosidade, que não penetram entre as placas 1 e 2 durante a cura. Uma perfuração na placa de vidro (2) é usada como entrada para o tubo de ajuste de pressão de ar (28), que é também conectado a um manômetro (29). A tensão da água neste caso é dada pela equação 2: T = Tr-p [2] Onde Tr é a pressão de ar para ajustar o menisco na posição de referência, quando a aresta está exposta à água livre, p é a pressão de ar necessária para a medição e T é a tensão de água estimada da amostra.

Outra forma de preparar diedro é sob uma tampa de vidro como está ilustrado na Figura 6. Este tipo de montagem do sensor diédrico é valioso para medir a atividade da água em fluidos biológicos, doces e homogenatos de tecidos de plantas e animais. A medição com este tipo de sistema, no entanto é mais lenta e requer bom banho isotérmico.

Tensão da água A tensão T com que a água é retida entre as placas do sensor diédrico pode ser calculada com a expressão: T = -2 σ/a [3] Onde σ é a tensão superficial da água na temperatura do ensaio e a é o afastamento entre as placas (1, 2) na linha do menisco (4), expressa em metros. Quando o ângulo de molhamento (Θ) sobre a placa for maior do que zero, então, a equação 3 deve ser corrigida multiplicando-se o T obtido, na equação 3, por [cos Θ]. Nas aplicações aqui consideradas para placas de vidro e cerâmicas altamente hidrofílicas o valor de [cos Θ] será considerado igual a 1,00. Adicionalmente, para as aplicações em manejo de irrigação sob baixas tensões de água uma correção para altura de ascensão capilar no elemento poroso (9) pode também tomar-se necessária. A equação 3 pode ser modificada para representar o afastamento a em função da distância da linha do menisco à aresta L (em metros), sabendo-se que a = L (tg a). Substituindo-se este valor de a na equação 3 se obtém. T = -2 σ / [L (tg a)] [4] Em um sistema com placas de 60 mm de comprimento por 30 mm de largura, encostadas na aresta e separadas de 50 pm no espaçador traseiro (5) fixado a 50 mm da aresta (3), calcula-se que a cada milímetro de distância L o afastamento a entre as placas aumenta de 1 pm. Caso L seja de 30 mm e considerando que a tensão superficial da água (σ) a 20 °C é 0,0728 N m'1, então, a tensão da água no solo equilibrado com o sensor, calculado com a relação T = -2 σ/a, é de 4853 Pa, ou 4,85 kPa. O sistema de placas em diedro configurado como na Figura 2 é adequado para uso com substratos e possibilita medições de tensões de água entre 2,91 kPa e 29,1 kPa, enquanto a posição do menisco muda de uma distância Lj=50 mm em substrato de vaso com tensão de água de 2,91 kPa para L2=5 mm em substrato, mais seco, no qual a tensão de água já atingiu 29,1 kPa. Evidentemente, este sensor também possibilita medir tensões de água maiores, porém, para isto, o uso de lente de aumento é necessário.

Para estudos de campo, nos quais há interesse de medir tensões de água maiores, o espaçador (5) podería ser de espessura menor, por exemplo, de 10 pm. Deste modo, a cada milímetro de distância horizontal (Fig. 1) o afastamento a, entre as placas, aumentaria de apenas 0,2 pm. Com esta especificação o sistema de placas em diedro se presta para medir tensões de água cinco vezes maiores que o anterior, isto é, possibilita medidas de tensão de água entre 14,6 kPa e 145,6 kPa, enquanto a distância L do menisco durante a secagem é reduzida de 50 mm para 5 mm, segundo as equações 1 e 4.

Sensores diédricos acoplados a elementos porosos (9) como os da Figura 2, assim como os tensiômetros comuns, requerem correção de altura, tendo-se em vista a comunicação hidráulica que há entre o sensor diédrico em que o elemento poroso (9) de condução hidráulica se abre para o contato com o solo. Esta necessidade toma-se mais importante quando as tensões que devem ser mantidas nos substratos são diminutas, como ocorre, por exemplo, no manejo de irrigação de plantas em vaso.

Sensor sobre elemento poroso O contato direto do sensor diédrico com o solo ou a planta pode introduzir partículas, cuja acumulação entre as placas prejudica a resposta. Para reduzir este problema e para assegurar um efetivo acoplamento hidráulico entre o solo e o sensor diédrico, o diedro pode ser fixado ao elemento poroso (9) por meio de cimento poroso (8). O elemento poroso (9) filtra a água enquanto o cimento poroso (8) é o acoplamento hidráulico. Sob o ponto de vista geométrico o elemento poroso pode ser um disco cerâmico, quando o sensor é preparado para repousar sobre o substrato, em um vaso de plantas, por exemplo, ou ser uma haste cilíndrica, quando este sensor diédrico precisar ser inserido no solo para a avaliação da tensão da água em uma profundidade maior.

Os vasos de plantas, em geral, são de pequena profundidade e por isto devem ser cheios com substratos de textura grossa. Em substratos de textura grossa, após a rega, os poros maiores permanecem cheios de ar, diferentemente dos substratos de textura fina que em vasos são completamente preenchidos por água. O ar entre as partículas do substrato, ou solo, é fundamental para que o oxigênio continue alimentando as células com oxigênio, para que as raízes respirem. Assim, nos substratos de vasos e em solos arenosos, que retêm a água fracamente a tensão crítica na qual a irrigação deve ser aplicada é baixa, usualmente inferior a 10 kPa. Caso se espere o substrato secar mais do que isto, então, nestes substratos de partículas grandes, as plantas não terão mais quantidades suficientes de água para absorver. Em aplicações deste tipo, portanto, o sensor diédrico, na especificação considerada, indicará que a irrigação deve ser aplicada logo que a faixa escura, que corresponde à distância L, se tomar rpenor que 14 mm.

Para a medição da tensão de água em profundidade especificada, por exemplo, 20 cm, o elemento poroso (9) em forma de haste alongada deve ser revestido com tinta ou fita isolante, até a mencionada profundidade, para assegurar que a troca de água com o solo ocorra na profundidade, ou na faixa de profundidade de interesse.

Com o elemento poroso (9), a variação total do volume de água envolvida em uma medida é a variação da água contida no sensor diédrico, adicionada da variação da quantidade de água contida no elemento poroso (9). Para tensões de água elevadas, em casos nos quais a condutividade hidráulica no elemento poroso independe da tensão de água, a variação do volume de água no elemento poroso é dada pelo produto da compressibilidade da água pela variação da tensão de água. Esta aproximação é valiosa para a obtenção rápida de estimativas de tempo de meia resposta para o sistema. Do ponto de vista prático, no entanto, as medições de tensão de água em manejo de irrigação com sensor diédrico são muito facilitadas pelo fato de que tempos de resposta da ordem de horas são suficientes e facilmente obtidos.

Leituras alternativas Com a introdução de um tubo de ar (28), através da placa (2) e um fechamento lateral hermético do sensor diédrico (Fig. 5) pode-se medir tensão de água com o uso da equação 2. O uso da relação T = Tr - p (Eq. 2) para o sensor diédrico, no entanto, é diferente daquele descrito no documento BR PI 0004264-1, visto que no sensor diédrico a medição é feita sem passagem de ar, enquanto que no documento BR PI 0004264-1 a medição é feita mediante a permeação de um elemento poroso com ar. Outro aspecto interessante relativo a este sistema com fechamento lateral hermético (Fig. 5) é o seu potencial para uso como instrumento para medir a tensão superficial não só da água como também de qualquer outro fluido.

Adicionalmente, o sensor diédrico pode funcionar como se fosse um elemento poroso para medição de tensão de água aos moldes do documento BR PI 0004264-1, no entanto, para isto a placa da Figura 5 deve receber mais um orifício, no caso um orifício de escape de ar (10) colocado a uma distância L da aresta. Ainda nesta aplicação o sistema em diedro da presente invenção difere da BR PI 0004264-1 pelo fato de se poder definir a tensão crítica Tr ou pB, simplesmente, mediante a localização do orifício de escape de ar (10).

Forma mais sofisticada de localização da posição do menisco com o uso de interferência óptica, por exemplo, também poderá se mostrar valiosa em medições de tensões; de água elevadas no qual o afastamento a é da ordem de um comprimento de onda de luz visível (400 a 700 nm).

Calibrações de tensão de água As respostas esperadas a 20 °C para tensão de água, volumes de água e distância L de um sensor diédrico com tg(oc)=0,001 estão ilustrados na tabela 1. Estas respostas em solos e substratos podem ser comparadas, aferidas, com auxílio de uma câmara de Richards de pressão negativa. Neste método, ajusta-se a tensão de água em uma fina camada de solo e afere-se a leitura obtida no sensor diédrico contra este método de referência conforme se ilustra na Figura 9.

Tabela 1: Afastamento entre placas (a), tensão de água T, distância do menisco à aresta L, volume de água contido entre as placas considerando que o ângulo de diedro tem tg(a) igual a 0,001 e atividade de água de equilíbrio. Para ensaio a 20 °C no qual σ = 0,0728 N m‘.

Para tensões de água maiores que o módulo da pressão barométrica local a aferição pode ser feita em câmara de Richards comum, isto é câmara de Richards de pressão positiva. Neste caso, dependendo da membrana utilizada, pode ocorrer um erro de retomo de água (“rebound”), logo que a pressão aplicada na câmara de Richards retoma a zero. Este problema pode ser diminuído utilizando-se uma camada de solo mais espessa, de modo que não haja significativo “rebound”, no período entre a abertura da câmara de Richards e a leitura do sensor diédrico equilibrada sobre a superfície do solo em seu interior.

Limitações em medições de tensão de água O funcionamento do sensor diédrico (Eq. 3 e 4) depende da tensão superficial da água (σ) enquanto que σ diminui de maneira linear em função da temperatura. Assim, sabendo-se que a tensão superficial da água é de 0,0756 N m'1 a 0 °C e que diminui para 0,0696 N m'1 a 40 °C, então, pode-se calcular o valor da mesma em qualquer temperatura até que a tensão superficial se toma nula. A pequena variação da tensão superficial da água na faixa de 0 a 40 °C é um aspecto favorável, visto que para aplicações de menor precisão pode-se, em geral, considerar o ambiente como isotérmico, ainda que ocorram variações de temperatura da ordem de 5 ou 10 °C. A tensão superficial da água, adicionalmente, é influenciada por agentes tensoativos como o são os detergentes, uréia e alguns poluentes, que podem causar erros de leitura para este instrumento em aplicações sobre solos e substratos poluídos. Sais utilizados como adubo, por outro lado, possuem efeito quase negligível sobre a tensão superficial da água e não são importantes causas de erros.

Em manejo de irrigação, as variações na tensão superficial da água, do ponto de vista de curva de retenção de água, são automaticamente corrigidas, visto que os efeitos de agentes tensioativos, da temperatura e da tensão superficial da água são sempre proporcionais aos efeitos destes fatores sobre a capacidade de retenção da água do solo ou do substrato. Assim, a eventual adição de fertilizantes, espalhantes adesivos e outras substâncias com ação tensioativa que diminuam a força de retenção da água no solo ou no substrato também terão efeito proporcional na leitura do sensor diédrico. Consequentemente, o parâmetro L é um índice mais robusto do que a própria tensão da água para representar adequadamente a quantidade de água retida no solo. Do ponto de vista da restauração da resposta do instrumento, por outro lado, sabe-se que uma simples limpeza restaura, ainda que transientemente, a resposta de tensão de água correta, nestes sistemas poluídos.

Soluções e atividade da água O aplicador de solução da Figura (7) possibilita a coleta de minúsculos volumes conhecidos de soluções ao sensor diédrico. O aplicador de solução funciona da seguinte forma: coloca-se a ponta do aplicador (32) na solução (33); o enchimento do capilar do aplicador fixado em uma rolha (31) é espontâneo, isto é por capilaridade. A aplicação da solução é feita a seguir, no local designado, pressionando-se o êmbolo (30). O volume de solução coletado pode ser diretamente aplicado sobre a aresta, no caso de uso de placas lapidadas (12) (Fig. 3B), que preferencialmente devem possuir sua superfície externa coberta por substância hidrofóbica. Altemativamente, as placas podem conter orifício, ou corte em ângulo próximo à aresta para facilitar a penetração da solução. Também pode ser interessante o uso do sistema de abertura do diedro ilustrado na Figura 4, no qual as placas sejam separadas para a aplicação da solução.

Tendo-se introduzido um volume de solução, sabe-se também que o potencial osmótico (Ψδ) é dado por: Ψδ = -n R T / V = RTCo [5] Onde V é o volume de água contido entre as placas e n é o número de moléculas dissolvidas na água em moles e Q é a concentração molar da solução adicionada. O volume de água V contido no diedro, por cm de largura, por outro lado pode ser expresso por: V = 0,005 L2 tg α [6] Onde L é a distância do menisco à aresta e α é o ângulo entre as placas do diedro, ou simplesmente diedro. Caso a componente de tensão da água possa ser desprezada como diminuta no sensor diédrico, então o potencial de água total Ψ passa a depender apenas do potencial osmótico (eq. 5). Assim, dividindo-se a expressão que representa Ψ pela expressão que representa Ψο, de acordo com as equações 1 e 5 tem-se: [7] Substituindo-se, a seguir, V da equação 6 na equação 7 tem-se a equação 8 que representa a atividade da água em função do comprimento da lâmina de água (L) contida entre as placas.

[8] Similarmente, substituindo-se V da equação 6 na equação 5 tem-se: Ψδ = -n R T/ (0,005 L2 tg a) [9] Deste modo, caso o potencial osmótico varie entre Ψ$ο e Ψβ então de acordo com a equação 7 tem-se: [10] Onde C é a concentração da solução entre as placas em um dado momento. O potencial de água total, considerando-se também a tensão com que a água é retida entre as placas, pode ser obtido a seguir, somando-se a equação 4 à equação 10.

[Π] O tempo de equilíbrio total na medição de potencial de água (Fig. 11) depende em grande parte do equilíbrio térmico entre a aresta e a amostra, porém como mencionado anteriormente pode também depender da adsorção de água nas superfícies externas do sensor. Idealmente, sem adsorção nas superfícies externas equilíbrios térmicos dinâmicos com diferenças de temperatura entre a superfície da amostra e da aresta do sensor diédrico com diferença da ordem de (±0,001 °C) podem ser obtidos em minutos, caso a distância entre a amostra e o sensor diédrico seja menor que 30 pm, dentro da geometria indicativa ilustrada na Figura 3.

Um aspecto importante que se deve ter em mente ao se utilizar as equações 10 e 11 para medidas de Ψνν e Ψ8 é que a maior parte do volume da solução adicionada ao sensor é evaporada em poucos segundos após a aplicação. Deste modo, o valor de L0 deve ser estimado de acordo com diedro (a) como é ilustrado na tabela 1.

Em tese as equações 10 e 11 consideradas para medir atividade da água poderíam também ser utilizadas para medir a atividade de outras substâncias voláteis, que como o etanol, por exemplo, tenham afinidade, e molhem as placas internas do sensor.

Resposta e aferições em atividade e potencial de água Na Figura 8 ilustra-se um sistema com orifício (35) e substrato hidrofílicos de partículas sólidas (34) impregnadas por substância higroscópica de atividade de água conhecida com a qual se faz aferições das medidas de atividade de água e umidade relativa efetuadas com o sensor diédrico. O conjunto de calibração, portanto, é uma caixa (36) com tampa (37), contendo um substrato hidrofílico com atividade de água conhecida (34) e um orifício (35) no qual a aresta do diedro (3) é acomodada para possibilitar equilíbrio higroscópico necessário à aferição da atividade da água, ou do potencial de água. Este é um tipo de calibrador durável e robusto para aferições. A flexibilidade deste aferidor decorre da gama de substâncias disponíveis para obtenção de atmosferas com atividade de água de referência (Windyon & Hates, Ecology, v. 41, p. 232-237, 1960).

Utilizando-se de solução salina (como de NaCl) conforme descrito (eq. 8 e eq. 10) pode-se efetuar medições em uma ampla faixa de atividade de água, como se ilustra na Figura 10. Este tipo de medição é importante para uso em alimentos processados como doces, por exemplo.

Nas medições de atividade e potencial da água com o sensor diédrico, com ou sem o uso de solução entre as placas, um aspecto importante é o tempo de equilíbrio. Em ensaios de determinação de potencial de água em matérias vegetais como raízes de cenoura a resposta típica do sensor no tempo é do tipo ilustrado na Figura 11. Estes tçmpos de resposta são proporcionais aos volumes de água trocados, por unidade de comprimento do sensor e proporcionais ao quadrado da distância entre a aresta (3) do sensor diédrico e a superfície do órgão vegetal (11). A condutividade hidráulica e gradientes internos de potencial de água existentes no produto ao início da medição podem ser causa de demora adicional nas medições de potencial de água ou atividade da água.

Em estudos de potencial de água, que podem ser efetuados sem o uso de solução salina entre as placas do diedro, resultados esperados de potencial de água medido; em função de perda de água para produtos como raízes de cenoura são do tipo ilustrado na Figura 12.

Limitações e potencialidades adicionais Imperfeições nas placas do sensor diédrico são um problema e ao mesmo tempo uma necessidade para que a água flua e o instrumento funcione. Se as placas fossem perfeitas, como a analogia do nome diedro sugere, o sensor diédrico simplesmente não funcionaria, pelo fato de que a aresta seria perfeitamente impermeável à passagem de líquidos ou gases. Deste modo, rugosidade e planura das placas utilizadas devem ser adequadas às aplicações que se tenha em vista. Assim, placas de vidro comuns e placas de elementos porosos de tensão crítica maior que 2,0 MPa aplainadas são adequadas para a maioria das aplicações de tensão de água em solos. Materiais de maior perfeição e planura, no entanto, são requeridos para medições de potencial de água e tensões de água mais elevadas até a ordem de 3,0 MPa, quando as imperfeições de superfície já devem ser inferiores a 100 nm.

Sensor diédrico com superfície externa hidrofílica pode se constituir em eventual problema por pelo menos duas razões: Primeiro a superfície hidrofílica é um local de deposição de camadas moleculares de água, o que pode atrasar o equilíbrio em medições de potencial de água, da mesma forma que ocorre em outros sistemas; Segundo, sendo as superfícies externas hidrofílicas estas podem ser drenos, ou vias de saída, para a água ou a solução contida no diedro. Isto é um problema no caso particular de haver soluções no diedro, visto que a substância colocada, por exemplo, para monitorar a atividade da água no ar, pode migrar para as superfícies externas do sensor. Consequentemente, para aplicações específicas em que estes fenômenos não podem ocorrer, as faces externas do diedro requerem revestimento com moléculas hidrofóbicas, que impeçam adsorção e fuga superficial de solutos polares.

Diferentemente dos sistemas de higrometria de ponto de orvalho por resfriamento de superfícies, o sistema da presente invenção é pouco propenso à impregnação de suas superfícies por impurezas do ar. Isto ocorre porque o ar entra no diedro principalmente por difusão, o que reduz a velocidade de contaminação com impurezas. Este problema é particularmente menor nos sensores diédricos com fechamento hermético das laterais. Em todas as configurações, no entanto, podem ocorrer contaminações mediante movimentos de água contaminada e por impurezas orgânicas voláteis.

Um segundo aspecto é que a temperatura da superfície da aresta pode ser ajustada por efeito Peltier e medida com uso de termopares, aos moldes do que se usa em microscopia de tunelamento. Estas melhorias podem ser obtidas por deposição dos metais adequados sobre a superfície do vidro. Assim adiciona-se às qualidades da presente técnica a possibilidade de medir atividades de água mais baixas ou simplesmente produzir condensação de água inicial para a operação do sistema em monitoração da atividade da água.

Caso o sistema seja hermético e a posição do menisco seja mantida em uma posição de referência graças à aplicação de pressão de gás, então o método passa a ser de equilíbrio isopiéstico, isto é a peso constante, no sentido de que no equilíbrio a massa de água contida no diedro se mantém inalterada durante as medições. A condição isopiéstica possibilita o monitoramento do potencial de água com maior rapidez e influenciando menos o potencial de água de pequenas amostras biológicas mais sensíveis às variações da quantidade absoluta de água.

REIVINDICAÇÕES

Claims (11)

1) Sensor para avaliar tensão, potencial e atividade de líquidos, sendo constituído de duas placas, uma placa superior (1) e uma placa inferior (2) fixadas em diedro, caracterizado por o diedro ser configurado sob um ângulo fixo (a) e a aresta (3) formada pela junção entre tais placas proporcionar a constituição de uma abertura delgada de contato com a amostra, sendo a placa superior (1) transparente e por meio da qual se faz a leitura da posição (L) do menisco (4).

2) Sensor para avaliar tensão, potencial e atividade de líquidos, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar-se acoplado, notadamente por meio de sua aresta, a elemento poroso de contato direto com a amostra.

3) Sensor para avaliar tensão, potencial e atividade de líquidos, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por apresentar elemento poroso de contato direto com a amostra alongado dotado de parede lateral impermeabilizada em sua região apical e permeável em sua porção distai.

4) Sensor para avaliar tensão, potencial e atividade de líquidos, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar pelo menos um orifício (10), em uma das placas do diedro, em posição que corresponda a tensões críticas específicas para medições discretas de tensões de líquido mediante teste de passagem de fluxo de ar ou de gás.

5) Sensor para avaliar tensão, potencial e atividade de líquidos caracterizado por ser constituído de duas placas fixadas em diedro de ângulo (a), cuja aresta (3) representa uma junção entre tais placas, proporcionando a constituição de uma abertura delgada de contato com a amostra, bem como apresentar laterais fechadas hermeticamente, e apresentar uma abertura na região oposta à extremidade da aresta, por meio da qual o interior do sensor se comunica a um modulador de pressão dotado de manômetro.

6) Sensor para avaliar tensão, potencial e atividade de líquidos caracterizado por apresentar pelo menos uma das placas chanfradas na interface de formação da aresta (3) de modo a possibilitar a formação de uma micro-câmara côncava (12) frontal no sensor diédrico.

7) Processo de medição de tensão, potencial e atividade de líquidos, usando um sensor constituído de duas placas, sendo uma superior (1) e outra inferior (2) configuradas em diedro de ângulo (a) fixo, e dotado de uma abertura delgada de contato com a amostra proporcionada pela aresta (3) de junção entre as ditas placas, sendo ainda a placa superior (1) transparente e por meio da qual se faz a leitura da posição (L) do menisco (4), caracterizado por compreender as seguintes etapas: (i) estabelecimento de contato, direto ou indireto, entre a aresta (3) do sensor diédrico e a amostra; (ii) leitura da posição do menisco (4) a uma distância ortogonal (L) da aresta (3), após o atmgimento do equilíbrio; e (iii) cálculo, com base em (L), da incógnita desejada.

8) Processo de medição de tensão, potencial e atividade de líquidos, de acordo coma reivindicação 7, caracterizado por possibilitar, com a aplicação de volume conhecido de solução de concentração conhecida, de substâncias como o NaCl, a medição de atividade de água mais reduzida do que se consegue medir empregando água pura entre as placas do sensor, isto mediante as variações da distância ortogonal (L).

9) Processo de medição de tensão, potencial e atividade de líquidos, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por possibilitar a medição da tensão superficial em líquidos com afinidade pelas superfícies internas das placas do sensor diédrico.

10) Processo de medição de tensão, potencial e atividade de líquidos, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por possibilitar a medição da atividade de líquidos voláteis que tenham afinidade pelas superfícies internas das placas dos sensor diédrico.

11) Processo de medição de tensão, potencial e atividade de líquidos, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por possibilitar operação isopiéstica, isto é mantendo-se fixa a posição do menisco (4) por médio de variação pneumática da pressão interna do diedro, mediante impermeabilização das laterais, exceto na aresta, para medições de tensão de água e de potencial de água a volume constante no diedro e também em calibrações de distância ortogonal (L) versus pressão aplicada.