Innovative contributions on calibration methodologies towards reliable microflow measurements

Flow measurement is critical in healthcare, chemistry and pharmaceutics, to mention a few. In fact, there are several applications in the microflow and nanoflow range, such as scaled-down process technology, drug development, and special health-care applications, as organ-on-a- chip technology. Nevertheless, the majority of the instruments used for the specified applica- tions are not sufficiently studied regarding their flow accuracy and traceability. Hence these fluid applications at the micro and nanoscale still lack well defined calibration methodologies for the devices working at the mentioned flow range with adequate uncertainty values. The work presented in this thesis focuses on the development and improvement of in- novative applications of calibration methodologies for microflow measuring instruments. The gravimetric method already implemented at IPQ from 120 L/h to 2000 mL/h was used and improved for low flow rates down to 10 L/h. Additionally, other 4 methods were developed to enable the calibration of micro/nano flows in a non-intrusive way. They are interferometry, pending drop, front track and comparison method (where a calibrated flow generator is used as the reference standard). The methodology that is best suited for each specific instrument and each measurement range, with the lowest uncertainty, was successfully identified along with the relevant influence factors in microflow measurements. A specific objective of this work was to increase the measuring range of IPQ-LVC down to 5 nL/min (0.3 L/h) with a 3% target uncertainty (k=2). This objective was possible to achieve and even surpass with the use of the interferometric method, where measurements were per- formed down to 1.6 nL/min (0.1 L/h) with 2 % uncertainty(k=2). This method was internally validated by comparison with the gravimetric method and is now in the process of external validation by EURAMET project 1508.A medição de caudal é extremamente importante em áreas como a saúde, a indústria química ou farmacêutica. Caudais à escala micro/nanométrica são já utilizados em várias aplicações, nomeadamente, processos tecnológicos de redução de escala, desenvolvimento de fármacos e especialmente em novas aplicações na área da saúde, tais como a tecnologia de órgãos-em- chip. Os sistemas de medição utilizados nas aplicações indicadas, por serem relativamente recentes, não estão ainda suficientemente estudados quanto a sua exatidão e rastreabilidade. É, assim, necessário desenvolver metodologias de calibração específicas para os referidos cau- dais com incertezas de medição adequadas. Este trabalho irá focar-se no desenvolvimento e melhoramento de metodologias de cali- bração de instrumentos utilizados na medição de micro/nanocaudal de fluidos. O método gra- vimétrico já implementado no IPQ numa gama de medição de 120 L/h a 2000 mL/h foi me- lhorado de forma se realizarem calibrações até 10 L/h. Foram ainda desenvolvidos 4 novos métodos, a interferometria, o método da gota pendente, o método do deslocamento de me- nisco e o método comparativo (onde um gerador de caudal é utilizado como referência). A metodologia que melhor se aplica a cada instrumento e a gama de medição, com a melhor incerteza foi identificada, assim como fatores de influência na medição de microcaudal. Um objetivo específico deste trabalho foi aumentar o intervalo de medição do IPQ-LVC para 5 nL/min (0.3 L/h) com uma incerteza de (k=2). Isso foi possível e até ultrapassável com a utilização do método interferométrico, em que as foram realizadas medições até 1.6 nL/min (0.1 L/h) com 2% de incerteza (k=2). Este método foi validado internamente por comparação com o método gravimétrico e está agora em processo de validação externa através do projeto EURAMET 1508

Rastreabilidade Metrológica das Medições de Massa Volúmica e das Determinações Reológicas de Líquidos

A massa volúmica é um dos principais elementos impulsionadores de transações económicas dos mais variados produtos, desde combustíveis até produtos alimentícios. O consumo real de líquidos de elevado valor comercial, tal como o vinho, o azeite e os combustíveis, pode e deve ser encarado de elevada importância no seio da economia europeia. As propriedades físicas destes líquidos, tais como: a massa volúmica, tensão superficial, viscosidade e elasticidade, entre outras, cobrem um amplo espectro de variação. Além disso, esses líquidos são frequentemente manipulados num amplo intervalo de temperaturas e pressões, durante as etapas de processamento, controlo e transporte. Dado que os métodos de medição de massa volúmica atualmente disponíveis são influenciados por uma ou mais destas propriedades inerentes aos líquidos, bem como pela temperatura e pela pressão, a sua robustez deve ser cuidadosamente avaliada. Sendo ainda premente, o estabelecimento de uma cadeia de rastreabilidade metrológica de massa volúmica adequada, não só em Portugal, como no espaço europeu, e em todo o mundo. Assim, o objetivo principal deste trabalho prendeu-se com o estudo da influência de tais propriedades dos líquidos no resultado das medições efetuadas por densímetros de tubo vibrante, a pressão ambiente e altas pressões (até 600 bar). A influência da viscosidade, em líquidos Newtonianos, e da viscoelasticidade, em fluidos não-Newtonianos, na exatidão e na precisão dos resultados de medição da massa volúmica foi investigada usando como métodos comparativos a pesagem hidrostática e a picnometria, respetivamente. A caracterização mecânica das amostras viscoelásticas foi realizada por recurso a reometria rotacional. Os conhecimentos adquiridos durante este trabalho serão disseminados em guias e normas internacionais de metrologia científica e aplicada (guias EURAMET e normas ISO) e de metrologia legal (documentos OIML e WELMEC), com intuito de colmatar a falta de documentação existente nesta área de conhecimento. Outro aspeto de elevada importância e impacto, no meio científico, prende-se no desenvolvimento dos métodos de determinação da salinidade da água do mar. Parâmetro que permite descrever as correntes oceânicas que serão utilizadas como base para a modelação climática. Neste sentido, as investigações realizadas conseguiram comprovar a compatibilidade das determinações de salinidade por meio da medição da massa volúmica e do índice de refração