Sensor calorimétrico de vazão para sistemas microfluídicos

Abstract

Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sensor térmico de vazão do tipo calorimétrico, aplicável a sistemas microfluídicos e construído com materiais de baixo custo, tais como acrílico, isopor e fita dupla face. O dispositivo consiste em um elemento aquecedor e dois termopares, posicionados antes e depois do aquecedor. Os materiais foram processados com fresa a laser de CO2 de 40 W de potência e pelo plotter de recorte. A construção do dispositivo teve foco na redução das perdas térmicas, melhorando, assim, a sensibilidade térmica. Isto foi feito por meio do uso de poliestireno expandido (isopor) e da inclusão de cavidades vazias na estrutura, para reduzir os efeitos da condução de calor, que são algumas ordens de grandeza maiores do que os efeitos da convecção de calor. A aquisição de dados foi realizada utilizando termopares ligados a amplificadores para termopar, estes ligados a um conversor analógico-digital (AD) com resolução de 16 bits que, por sua vez, foi conectado à plataforma Arduino Due. O controle de potência no aquecedor também foi realizado através da plataforma Arduino Due e a alimentação foi feita por uma fonte de computador para garantir estabilidade de tensão. A resolução de temperatura obtida é de 0,005 ºC/bit e o nível de ruído inferior a 0,05 ºC. O dispositivo caracterizado é capaz de realizar medidas de vazão em duas faixas, sendo a primeira de 0,2 a 3,0 µl/min e a segunda na faixa de 10 a 100 µl/min. Palavras-chave: sensor calorimétrico de vazão, microfluídica, usinagem laser.

Abstract: This work presents the development of a thermal flow sensor of the type calorimetric, applicable to microfluidic systems, that it was constructed using low cost materials like Plexiglas, Styrofoam and polymeric double side adhesive tapes. The device consists of a resistive heater and two thermocouples positioned in both inlet and outlet. All the materials were machined with a 40 W CO2 laser and a cutting plotter. The device constructive structure was conceived focusing on the materials performance in a way to reduce thermal losses, therefore improving thermal sensitivity. This was done by using expanded polystyrene (Styrofoam) and including air voids in the structure to reduce the effects of thermal conduction, which are a few orders of magnitude higher than convective heat conduction effects. Data acquisition was performed using thermocouples, connected to thermocouple amplifiers, then to a 16 bit resolution multiplexed Analog to Digital Converter (ADC) and finally to an Arduino Due platform. The heater power control was also performed with the Arduino platform using a Personal Computer power source to guarantee a stable voltage source. The temperature resolution obtained with this system was 0.005 oC/bit and the final noise level was below 0.05 oC. The device is able to detect flow rates in two different ranges, the first from 0.2 to 3.0 ?l/min and the second from 10 to 100 ?l/min. Keywords: calorimetric flow sensor, microfluidics, laser machining