Para que serve um sistema de medição com diluição (FMS 375)

Subtítulo: Por que a diluição controlada é decisiva para medições confiáveis de aerossol em ensaios de eficiência fracionária e contagem de partículas.

Resumo técnico: Um sistema de medição com diluição como o FMS 375 viabiliza medições estáveis e rastreáveis em ampla faixa de concentrações, reduzindo saturação de sensores e melhorando a reprodutibilidade em teste de filtros.

1. Conceitos Fundamentais

Sistemas de teste e medição de filtros dependem de quantificar concentrações de partículas a montante (upstream) e a jusante (downstream) do elemento filtrante. A eficiência é obtida pela relação entre essas concentrações; em especial, a eficiência fracionária exige que essa relação seja calculada por classes de tamanho (bins), correlacionando o desempenho ao comportamento de partículas em diferentes regimes físicos.

Em filtros de alta eficiência, como filtros HEPA e ULPA, a concentração a jusante pode ser várias ordens de grandeza menor que a montante. Essa assimetria impõe desafios metrológicos: instrumentos podem saturar a montante, enquanto a jusante opera próxima ao limite de detecção. A diluição controlada resolve esse problema ao trazer a concentração para a faixa operacional ideal do sensor, mantendo a linearidade e reduzindo vieses.

Do ponto de vista de física de aerossóis, a penetração de partículas pelo meio filtrante é governada por mecanismos como:

• Difusão (Browniana): dominante em partículas ultrafinas; aumenta a captura em diâmetros menores.

• Intercepção: relevante quando o diâmetro da partícula é comparável à distância ao redor das fibras do meio.

• Impactação inercial: cresce com o tamanho e velocidade, favorecendo captura em partículas maiores.

• Atração eletrostática: pode afetar meios filtrantes eletretados e modificar a curva de eficiência ao longo do tempo e da carga.

Esses mecanismos produzem a curva típica com MPPS (Most Penetrating Particle Size), região crítica em que a eficiência é mínima. Ensaios com análise granulométrica são essenciais para localizar essa região e comparar tecnologias de mídia e construção do filtro.

Outro parâmetro crítico é a pressão diferencial (Δp), associada à perda de carga do filtro e ao consumo energético do sistema. Em ensaios laboratoriais, Δp deve ser monitorada simultaneamente à eficiência, pois variações de vazão e regime de escoamento alteram tanto a captura quanto a leitura dos instrumentos.

2. Métodos e Técnicas de Medição

Um sistema de medição com diluição é utilizado quando a concentração do aerossol de teste excede a faixa linear de medidores (ou quando se deseja reduzir coincidência e incerteza). A diluição pode ser aplicada tipicamente no canal upstream, downstream ou em ambos, dependendo do método e do alvo de desempenho.

2.1 Medição por contagem versus medição por massa

Em teste de filtros, coexistem métodos por contagem e por massa, cada um com aplicações e limitações.

• Contagem de partículas: mede número de partículas por volume e, frequentemente, por tamanho. É indicada para eficiência fracionária e avaliação em MPPS. Sensível a coincidência (múltiplas partículas no mesmo evento de detecção) em altas concentrações.

• Gravimetria: determina massa coletada em substrato ao longo de um período. É robusta para altas cargas e avaliação de capacidade de retenção, mas não fornece distribuição por tamanho em tempo real.

Em filtros HEPA/ULPA e em qualificação de ambientes, a abordagem por contagem e distribuição de tamanhos é geralmente mandatória, pois a performance deve ser comprovada na faixa de maior penetração.

2.2 Instrumentação óptica e espectrometria de aerossol

Instrumentos ópticos estimam tamanho a partir de espalhamento de luz; já um espectrômetro de aerossol (por exemplo, por mobilidade elétrica, dependendo da tecnologia) pode oferecer resolução superior na região submicrométrica. Em ambos os casos, a estabilidade do aerossol e o controle de concentração são determinantes para a incerteza total.

Principais limitações técnicas em altas concentrações:

• Saturação do detector e perda de linearidade.

• Coincidência em contadores, elevando subcontagem.

• Deposição em linhas e sondas, alterando a fração amostrada.

• Dependência do índice de refração e forma da partícula em sensores ópticos.

O uso de diluição controlada mitiga esses efeitos ao manter o instrumento na faixa especificada e ao reduzir a probabilidade de coincidência, especialmente em upstream de testes com aerossóis concentrados (p. ex., NaCl, DEHS/PAO, conforme o método).

2.3 O papel da diluição (FMS 375) na cadeia de medição

Um sistema como o FMS 375 atua como um módulo de condicionamento da amostra, implementando um fator de diluição conhecido e estável. Tecnicamente, ele permite:

• Expandir a faixa dinâmica do sistema de medição, mantendo leituras upstream dentro da faixa do sensor.

• Proteger instrumentos contra sobrecarga de partículas e contaminação acelerada.

• Melhorar reprodutibilidade, reduzindo variações associadas a não linearidade e coincidência.

• Viabilizar comparação entre métodos, ao estabilizar a concentração em níveis comparáveis entre laboratórios e bancadas.

O fator de diluição precisa ser calibrável/verificável e compatível com a vazão de amostragem do instrumento (contadores e espectrômetros). Em sistemas bem projetados, a diluição é feita com ar limpo e seco (ou gás de diluição) e com controle de vazão para manter estabilidade temporal.

2.4 Normas e enquadramento metrológico

Os requisitos de medição e aceitação variam por aplicação. Entre as normas de ensaio (ex.: ISO 16890, EN 1822, etc.), destacam-se:

• ISO 16890: classificação para filtros de ventilação geral baseada em eficiência por faixas (ePM1, ePM2,5, ePM10), com medições relacionadas a partículas e metodologia de ensaio específica.

• EN 1822 / ISO 29463: classificação e teste de filtros HEPA/ULPA, incluindo determinação de eficiência no MPPS e testes de varredura (scan) para detecção de vazamentos.

Em qualquer enquadramento normativo, a rastreabilidade do fator de diluição e a gestão de incerteza (instrumento, amostragem, estabilidade do aerossol, vazão, Δp) são partes centrais do resultado.

3. Equipamentos Usados no Setor

Em laboratórios e linhas de produção, o arranjo típico inclui geração de aerossol, condicionamento, medições upstream/downstream e controle de vazão/Δp. Tecnologias frequentemente encontradas incluem:

• Geradores de aerossol de teste: NaCl (partículas sólidas) e DEHS/PAO (gotículas) para diferentes normas e faixas de tamanho.

• Espectrômetro de aerossol: para análise granulométrica e eficiência fracionária com resolução por tamanho.

• Contadores de partículas: para contagem de partículas em faixas discretas, com atenção a coincidência em altas concentrações.

• Medição de pressão diferencial: transdutores de Δp com adequada resolução e estabilidade térmica.

• Módulos de diluição (ex.: FMS 375): condicionamento da amostra para manter concentração dentro da faixa metrológica do detector.

• Bancadas de teste (ex.: sistemas TOPAS): plataformas integradas para teste de filtros e meios filtrantes, combinando controle de vazão, instrumentação e aquisição de dados.

A escolha do conjunto depende do tipo de filtro, faixa de eficiência esperada, faixa granulométrica de interesse e exigências normativas. Em filtros HEPA/ULPA, a capacidade de medir penetrações muito baixas impõe instrumentação de alto desempenho e controle rigoroso do aerossol.

4. Aplicações Reais em Indústria e Laboratórios

Um sistema de medição com diluição é particularmente relevante em cenários onde a diferença upstream/downstream é extrema ou onde se trabalha com aerossóis altamente concentrados para garantir sinal estatístico.

• Fabricação e qualificação de filtros HEPA e ULPA: medições no MPPS exigem estabilidade, baixa incerteza e capacidade de medir penetrações muito pequenas. A diluição ajuda a manter upstream em regime linear enquanto downstream permanece mensurável.

• Salas limpas e indústria farmacêutica: testes de integridade e verificação de desempenho exigem correlação entre geração, contagem e varredura. A diluição pode ser crítica para evitar saturação durante desafios controlados.

• Filtros automotivos e industriais (admissão de ar, HVAC, turbinas a gás): ensaios comparativos de meios filtrantes e elementos completos usam eficiência fracionária e Δp para otimização de desempenho versus energia e vida útil.

• Laboratórios de P&D de meios filtrantes: estudos de tratamento eletrostático, estrutura de fibras e gradiente de porosidade dependem de análises por tamanho e repetibilidade entre lotes.

Em todos esses casos, a diluição controlada melhora a consistência ao reduzir efeitos instrumentais em altas concentrações e facilitar a comparação entre campanhas de ensaio.

5. Boas Práticas e Parâmetros Críticos

Para maximizar qualidade metrológica em sistemas com diluição, recomenda-se estruturar o protocolo com foco em incerteza e controle de processo.

5.1 Recomendações técnicas

• Verificação do fator de diluição: validar estabilidade temporal e repetibilidade do fator em diferentes vazões de amostragem.

• Controle de vazão e isocineticidade: garantir amostragem representativa; variações de vazão alteram contagem e distribuição aparente.

• Gestão de deposição em linhas: minimizar comprimentos, curvas e superfícies rugosas; usar materiais e diâmetros adequados.

• Monitoramento simultâneo de pressão diferencial: correlacionar Δp com eficiência fracionária, evitando interpretação incorreta por mudanças de regime.

• Evitar coincidência: manter concentração dentro da faixa recomendada do contador/espectrômetro por meio de diluição e ajuste do gerador.

• Estabilidade do aerossol de teste: controlar temperatura/umidade e garantir homogeneidade antes da seção de medição.

• Reprodutibilidade interlaboratorial: padronizar pontos de amostragem, tempos de integração e critérios de limpeza/condicionamento do sistema.

5.2 Tabela conceitual: quando a diluição é crítica

6. Conclusão Técnica

Um sistema de medição com diluição como o FMS 375 serve para tornar medições de aerossol mais confiáveis em teste de filtros, especialmente quando a concentração upstream excede a capacidade linear de contadores e espectrômetros. Ao controlar a concentração amostrada, a diluição reduz saturação, coincidência e deriva, elevando a reprodutibilidade e a comparabilidade de resultados.

Em aplicações exigentes — como filtros HEPA e ULPA, ensaios conforme EN 1822/ISO 29463 e classificações relacionadas à ISO 16890 — a diluição não é apenas um acessório, mas um elemento de engenharia de medição que impacta diretamente a incerteza e a confiabilidade do laudo.

CTA Técnico Final

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