Prática 1 - Instrumentação Parte1

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

LABORATÓRIO DE ENGENHARIA QUÍMICA

PRÁTICA 1 – INSTRUMENTAÇÃO

Fernando Wesley Cavalcanti de Araújo

Recife, Março de 2011

Laboratório de Engenharia Química Fernando Wesley C. de AraújoPrática 1: Instrumentação

Sumário

1 Introdução3

2 Objetivos 4

3 Fundamentação Teórica4

3.1 Viscosímetro de Ostwald 43.2 Rotâmetro 53.3 Termopar 7

4 Procedimento Experimental9

4.1 Determinação da viscosidade9

4.2 Calibração do Rotâmetro Líquido9

4.3 Calibração do Rotâmetro com Banho Termostático10

4.4 Calibração do Termopar 10

5 Resultados e Discussão11

5.1 Viscosímetro de Ostwald 115.2 Calibração do Rotâmetro Líquido

115.3 Calibração do Rotâmetro com Banho Termostático

125.4 Calibração de Termopar 13

6 Conclusões16

7 Bibliografia 16

8 Anexo 1 17

9 Anexo 2 20

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1. Introdução

O conhecimento sobre a instrumentação laboratorial é fundamental para os estudantes e profissionais da Engenharia Química. Através da instrumentação, o estudante ou profissional responsável pela medição poderá obter dados, e assim encontrar valores aceitáveis para uso na indústria e no laboratório, e que sejam coerentes com a base teórica aprendida em livros e apostilas da área.

Assim, a instrumentação nas indústrias desempenha um papel expressivo na coleta de dados a cerca do funcionamento dos equipamentos, bem como na transmissão de dados recolhidos sobre a estabilidade da produção. Ela auxilia a formar parâmetros que indicam onde e quando devem haver ajustes. Os valores medidos para a formação de um parâmetro são diversos parâmetros físicos e comparação incluem: grau de viscosidade, densidade, radiação, temperatura, frequência, fluxo, medição de nível, tensão, capacitância, resistividade, composição química, indutância e propriedades químicas.

Portanto, é necessário conhecer o balanço de material do processo em controles industriais. Levando em conta que sempre que é possível, os materiais são transportados em forma de fluidos, pois assim tudo se torna mais fácil e econômico. É de grande importância medir a velocidade ou vazão com que um fluido circula através de uma tubulação ou outra condução qualquer. Para esta tarefa, utilizam-se industrialmente diferentes tipos de medidores, incluindo o equipamento indicador de vazão (rotâmetro) utilizado nesta prática.

Para calibrar os rotâmetros, uma série de medidas de vazões de líquidos e de gases foi realizada. A medição de vazão em líquidos foi realizada medindo-se o volume de água em uma proveta graduada e o tempo para determinados pontos da escala do rotâmetro foi medido por um cronômetro. No caso da temperatura, o equipamento foi calibrado conectando ao calibrador de temperatura inserido em um gerador de calor (cuba com água) e outro em um banho de gelo, sendo medida a força eletromotriz gerada por dois termopares conectados entre si.

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Para o viscosímetro foi medido o tempo de escoamento desde a abertura do orifício até o término do escoamento utilizando-se um cronômetro, utilizando para isso o viscosímetro de Ostwald.

Os resultados obtidos através das medições realizadas são levados a uma curva de calibração, e cada instrumento terá um ponto específico para cada vazão medida para cada escala do equipamento. Os pontos obtidos são colocados em um gráfico e comparados com a escala do equipamento. Através do método de regressão linear, saber-se-á se a reta obtida é confiável e poderá ser utilizada para as demais medições.

A finalidade geral dessa prática é a obtenção de uma curva de calibração para cada equipamento utilizado, e o além do aprendizado prático de manuseio dos instrumentos no laboratório, que poderá ser somado às informações obtidas na aula teórica.

2. Objetivos

O objetivo desta prática é discutir sobre os principais parâmetros da instrumentação dentro da Engenharia Química e através de medidas de experimentos utilizados no dia-a-dia da indústria e laboratório, como o viscosímetro, determinação de vazões de líquidos e de gases através de rotâmetros e medição de temperaturas com auxílio de termopares.

Ainda se tem como objetivo dessa prática a obtenção de curvas de calibração para os equipamentos de acordo com os valores obtidos na prática e compará-los com o dos demais grupos para verificar o comportamento das substâncias estudadas frente à literatura conhecida.

3. Fundamentação Teórica

3.1 Viscosímetro de Ostwald

Utilizado para a medição de viscosidade, o viscosímetro de Ostwald (figura 1) pode ser representado através da equação abaixo que é de fácil manejo. Basicamente o aparelho é composto de bojos desnivelados, e ligados por um tubo capilar de diâmetro regular (figura 1). Neste aparelho o que é medido é o intervalo de tempo que o volume de fluido contido num dos bojos superiores leva para escoar através do capilar. Dependendo do fluido, viscosímetros com capilares de diferentes diâmetros podem ser utilizados.

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n1,2=n1n2

=ρ1 t1ρ2 t2

(1)

Onde: 1 - viscosidade do líquido de referência (Pa.s ou cP); 2 -viscosidade do líquido estudado (Pa.s); 1 - massa específica do líquido de referência (g/mL); 2 - massa específica do líquido estudado (g/mL); t1 - tempo de escoamento do líquido de referência (s); t2 - tempo de escoamento do líquido estudado (s).

De acordo com a equação 1, uma vez conhecida a viscosidade de um dos fluidos, podemos determinar a viscosidade de um outro fluido. Para isto basta medirmos os tempos de escoamento t1 e t2 para um mesmo volume V dos referidos fluidos, sob as mesmas condições.

Se o escoamento não obedece ao regime laminar, a equação 1 não é válida, e assim é importante certificar tal exigência. Em geral, para tubos cilíndricos regulares e retilíneos, de raio r, o escoamento de um fluido de densidade, viscosidade, deixa de ser laminar - passando a ser turbulento - quando o número de Reynolds for maior que um certo valor crítico. O escoamento tende se tornar turbulento após altos valores de Reynolds.

Figura 1: Viscosímetro de Ostwald

3.2 Rotâmetro

O rotâmetro é um medidor de fluxo, e serve para fluidos na forma líquida, gasosa, em suspensão, etc. Ele é constituído de um tubo que possui uma área variável, e é constituído por um tubo com material transparente e uma espécie de peça (flutuador) que fica em equilíbrio em uma altura determinada pela vazão do fluido em questão, como exemplifica a figura 2.

Sabe-se que a medida que o fluxo de fluido (vazão) aumenta, mais a bóia tende a subir devido à força de arraste que o fluido exerce sobre a

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bóia. A medida que o flutuador sobe, a área lateral também cresce, favorecendo ao fluido passar pelas laterais, e resultando um equilíbrio entre a força gravitacional e a força de arrasto.

Para que o flutuador funcione corretamente, este deve ser a principio mais denso que o fluido que o arrasta. Outro fator importante é a geometria do flutuador. Ele pode ser esférico, e as forças assim, são distribuídas uniformemente por toda a superfície da esfera. Outro formato que é largamente utilizado é cilíndrico, mas com um pedaço de material um pouco superior, que permite a bóia ficar girando em torno de si mesmo e equilibrar as forças no flutuador.

Figura 02 – Representações do rotâmetro

As vantagens do rotâmetro é o fato de depender apenas do fluxo para medir a vazão, utilizando a força gravitacional como auxiliar na medição. O fato de utilizar a força gravitacional, implica necessariamente que a medição deve ser feita na vertical. Além de ser um dispositivo simples que pode ser fabricado com materiais de baixo custo.

Caso o rotâmetro não seja colocado na vertical, com uma angulação por exemplo para a horizontal, os erros relativos à variação gravitacional serão significativos. Se o fluido utilizado for corrosivo, poderá acarretar danos ao flutuador, e também poderá manchar o material transparente que seja utilizado, prejudicando a leitura. Leitura essa que é realizada manualmente, embora alguns receptores magnéticos possam reconhecer a altura da bóia, o custo é menor se ele for manual.

O rotâmetro é um aparelho muito seguro, e os cuidados para manutenção são muito simples. Deve-se apenas verificar o acumulo de metais ou do próprio fluido na bóia, ou no tubo, e se o rotâmetro for de metal, deve-se verificar através da desmontagem do mesmo, e injeções de um jato de liquido de limpeza são bem eficientes nesse caso.

É recomendada também a verificação do peso do flutuador, para verificar se massa foi perdida ou ganha devido á ação oxidativa e abrasiva do fluido.

O rotâmetro funciona na vertical, e quando não há vazão, a bóia se encontra no fundo do rotâmetro. Quando o fluído começa a passar, a bóia fica a uma altura em que há o equilíbrio entre as forças de arraste e a força gravitacional. Considerando assim, haverá apenas um valor no qual a

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vazão e a altura estarão relacionadas uma com a outra no rotâmetro. Isso pode ser visto através de três equações de equilíbrio.

W = vc pc E = vc pf

F = Cd pf ac v²/2g

W = peso do flutuadorVc = volume do flutuadorpc = densidade específica do flutuadorPf = densidade específica do fluído F = força de arrasto do fluídoac = área da seção do flutuadorcd = coeficientes de arraste do fluído

Então, resolvendo as equações:Resolvendo as equações anteriores temos:

V=√ 2. g .vc .( pc−p f )Cd . pf . Ac

Rearranjado e a equação acima de modo conveniente obtemos:

V=Cd .√ 2. g .vc .( pc−p f ). pf . AcSabendo que a vazão é igual a: Q = V.Aw temos:

V=Cd . Aw .√ 2 .g .vc .( pc−pf ).ρ f . AcPortanto, como não há termos quadráticos, ou que variam de forma a

depender de outro termo, pode-se concluir que a vazão varia linearmente com a área de passagem do fluído.

Os Flutuadores podem ter vários perfis de construção. Na Figura 03,

podemos ver os tipos mais utilizados:Esférico - Para baixas vazões e pouca precisão; sofre uma influência

considerável da viscosidade do fluido .Cilindro com Borda Plana - Para vazões médias e elevadas; sofre uma

influência média da viscosidade do fluido .Cilindro com Borda Saliente de Face Inclinada para o Fluxo - Sofre

menor influência da viscosidade do fluido.Cilindro com Borda Saliente contra o Fluxo - Sofre a mínima

influência da viscosidade do fluido

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Figura 03 – tipos de flutuadores

3.3 Termopar

A temperatura é uma variável importante nos processos químicos, principalmente naqueles onde o controle é fundamental para que a reação desejada ocorra com melhor rendimento possível. Para a aferição da temperatura do meio em questão, vários métodos podem ser utilizados, desde o conhecido termômetro de mercúrio a sistemas que utilizam as radiações liberadas pelos corpos para reconhecimento da temperatura desejada.

Contudo, cada método apresenta suas vantagens e desvantagens, e para um processo industrial, onde a temperatura pode atingir valores altíssimos, o termômetro de mercúrio se mostraria ineficaz, e o pirômetro se mostraria muitas vezes com alta imprecisão em relação aos valores obtidos. Entre esses métodos se encontra o termopar.

O termopar foi observado em 1821 por Seeback. São formados por dois metais diferentes, que tem suas extremidades fundidas. Quando em determinada temperatura, os metais geram uma corrente elétrica, e com auxílio de um medidor de DDP, obtém-se uma DDP única para cada temperatura em questão. As voltagens obtidas possuem valores nas escalas de milivolts.

Para o uso na indústria, o cuidado deve ser tomado em relação à escolha do termopar. Cada tipo de termopar funciona em uma situação específica (temperatura, meio oxidante, meio ácido, etc.). Entre os tipos mais comuns estão o T, J, E e K. A principal vantagem dos termopares é o fato de serem baratos e de fácil instalação e se pode utilizar em diversos tipos e ocasiões, como sondas médicas, espaciais, marinhas e industriais.

Figura 04: Esquema de representação de um termopar.

A maior deficiência dos termopares é a precisão, pois valores que variam entre 1°C ou menos são difíceis de serem medidos. Entretanto as

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vantagens obtidas em relação ao preço e facilidade de instalação e manutenção fazem do termopar um dos melhores métodos utilizados para medição da temperatura dos meios desejados.

Para uma correta indicação da temperatura no termopar, deve-se seguir certas regras para a utilização de um modo eficaz: O ponto de medição do termopar deve estar em uma situação isotérmica, de preferência imerso no meio em que se quer medir a temperatura; Como o fem é obtido a uma diferença de temperatura, ele deve estar conectado a um sistema com temperatura conhecida.

Figura 05 – Esquema do termopar utilizado

4. Procedimento Experimental

4.1 Determinação da viscosidade

Material:

Viscosímetro de Ostwald; Pipeta volumétrica; Cronômetro; Água destilada; Uma Pera; Glicerina.

Método:

Foram adicionados 10 ml de água destilada no viscosímetro com ajuda de uma pipeta. Conectou-se a pera ao viscosímetro para quando a apertasse o líquido subisse até acima da segunda marca do lado onde havia

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duas marcações, tampando uma extremidade do tubo com um dedo podíamos controlar a altura do líquido (como se faz com uma pipeta). Fizemos a água atingir a marca superior que o viscosímetro possui, e o cronômetro foi acionado quando passou pela marca superior e pausado quando passou na marca inferior. Esse método foi repetido cinco vezes. Depois repetiu se o mesmo processo para a glicerina.

4.2 Calibração do rotâmetro líquido

Material:

Proveta graduada; Mangueiras de borracha; Rotâmetro para líquidos; Bomba; Cronômetro. Água e açúcar (1ª dose)

Método:

O esquema de montagem para a calibração de um rotâmetro de líquido, no caso em questão a água, é composto por: rotâmetro de cone e proveta de 100 mL. Para a determinação da vazão de líquido, selecionou-se a posição 10 no rotâmetro (composto de oito posições crescentes de baixo para cima, a marcação é feita no topo do cone) e com o auxílio da proveta se mediu o tempo necessário para se encher um volume qualquer escolhido (o volume pode ser variável), a divisão desse volume pelo tempo gasto para enchê-lo é assim a vazão do líquido, o procedimento foi repetido três vezes.

O procedimento de medição foi repetido para cada três marcações no rotâmetro. Com as medidas realizadas foi possível construir a curva de calibração entre a vazão real do líquido e a respectiva marcação no rotâmetro.

4.3 Calibração do rotâmetro com banho termostático

Material:

Rotâmetro; Cronômetro; Proveta; Torneira em funcionamento; Mangueiras de borracha; Banho Ultratermostático.

Método:

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O princípio de funcionamento é o mesmo do rotâmetro líquido, pois se trata de um. A montagem e procedimento seguem o mesmo roteiro, com exceção de que a temperatura é ajustada através de uma resistência, sendo ela igual a 45ºC para a prática em questão. A Vazão foi medida para quatro valores na escala do rotâmetro, para efeitos de calibração.

4.4 Calibração de termopar

Material:

Aquecedor; Recipiente para banho quente; Agitador magnético; Recipiente para banho frio; Gelo em cubos; 2 Termopares; Termômetro digital; Termômetro de mercúrio; Multímetro Digital; Fiação elétrica para conexão.

Método:

O esquema de montagem instrumental para a calibração do termopar é composto por aquecedor ou banho termostático, termopar, multímetro digital, béquer com banho de gelo, termômetro e um béquer com água (torneira), fiação elétrica para conexão. O experimento foi realizado sem agitação.

Após montado do esquema, tomou as leituras das temperaturas do banho de gelo com o termômetro Ti bem como a DDP inicial na água no multímetro. Ligou-se o refervedor e se tomou as leituras de temperatura da água no termopar e as de DDP a cada variação de temperatura de 10°C, até o ponto de ebulição. Finalmente, tomou-se a leitura da temperatura no banho de gelo Tf. A partir dos dados medidos é possível se construir uma curva que relaciona a DDP com a temperatura, sendo desta forma uma calibração tanto para a determinação da DDP a uma determinada temperatura, quanto para a determinação da temperatura em si

5. Resultados e Discussão

5.1 Viscosímetro de Ostwald

Foram realizadas cinco medições do tempo de escoamento para 10mL de água destilada (t1) e para 10mL do líquido em estudo (t2) a glicerina, sob as mesmas condições de trabalho. Os resultados dos tempos medidos, a média dos mesmos assim como os valores do desvio padrão estão apresentados na tabela 01 do anexo 01.

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A viscosidade de um fluido conhecido (neste caso a água) pode ser relacionada com a viscosidade de um fluido desconhecido (neste caso glicerina) através da relação apresentada pela equação 1.

Substituindo os valores de 1 = 0,0009 cP, 1 = 1g/cm³, 2 = 1,26 g/cm³, t1 e t2 médios temos o valor para a viscosidade do líquido em estudo.

n1n2

=ρ1t 1ρ2t 2

0,0009n2

= 1∗4,551,26∗5,26

Assim, o valor experimental encontrado para n2 é 0,0013 cP. A aproximação para o valor da viscosidade do líquido em estudo a partir do viscosímetro de Ostwald é bastante satisfatória uma vez que na literatura encontramos para a glicerina temos valor da viscosidade igual a 0,00125 cP, O erro obtido é cerca de 3,8%, considerando somente os algarismos significativos.

5.2 Rotâmetro líquido

A vazão do líquido foi regulada com uma válvula localizada antes da coluna do rotâmetro, a medida da escala foi anotada tomando base à parte de cima do flutuador. A vazão foi calculada fazendo uso da medida do volume, com o auxílio de uma proveta, e do tempo, medida com um cronômetro.

A tabela 02 do anexo 01, apresentam os valores dos tempos cronometrados para um certo volume, a sua média e o desvio padrão, o valor da vazão e seu o erro de medida.

Comparando-se as vazões médias calculadas, podemos observar no gráfico 01 dos dados que estão na tabela 02 do anexo 01, que a vazão da água é sempre maior que a da solução de açúcar, para a mesma marcação da escala do rotâmetro. Este fato se deve às propriedades entre as substâncias, dependendo, dentre outras coisas, da massa específica do fluido, e por conseqüência, da viscosidade. Portanto, para dois fluidos com propriedades diferentes, é necessário se fazer curvas de calibração correspondentes a cada espécie.

Percebe-se, pelo gráfico 01 e pelos dados dispostos no anexo 2, que quanto maior a densidade do fluido, maior é a vazão para uma mesma quantidade no rotâmetro.

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Gráfico 01: Calibração do rotâmetro líquido

Percebe-se também que um ajuste linear muito bom foi obtido para três das quatro retas, com coeficiente de correlação linear (Pearson) muito próximo de 1. Apenas para o experimento de água e açúcar (2ª dose) os valores obtidos ficaram um pouco distante da linearidade, e a causa disso pode ter sido variáveis externas na hora do experimento. Os valores obtidos estão na Tabela 02 do anexo 01.

Neste ajuste linear se percebe que a vazão do rotâmetro está linearmente relacionada com a vazão volumétrica do fluido em movimento no rotâmetro.

5.3 Rotâmetro com banho termostático

Seguindo o mesmo procedimento do item anterior, desta vez foi medido o valor da vazão média de água no rotâmetro para diferentes temperaturas, cada grupo teve um valor predefinido para acompanhar. Na Tabela 03 do Anexo 01, estão os valores encontrados por cada grupo nesse experimento.

Os dados obtidos foram plotados no gráfico 03, onde mostra que há um aumento, que tende a ser linear, mas devido a muitos pontos fora de uma linha imaginária, há uma certa imprecisão na hora de determinar a reta que melhor exemplifica a calibração. Na Tabela 03 há os valores obtidos na experiência para todos os grupos.

Percebe-se, nesse experimento, que quanto maior a temperatura, maior é a vazão volumétrica do fluido em questão, conforme gráfico 02 e dados dispostos no anexo 02.

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Gráfico 02 – Curva de Calibração para o Rotâmetro em banho termostático

5.4 Termopar

Utilizando as Temperaturas em função da DDP nos experimentos, obtemos uma relação linear entre as duas propriedades para o processo temperatura de referência igual a 10°C (mantida constante durante todo o processo) bastando o mesmo apenas manter-se constante para o processo, o que é verificado em todos os grupos.

O gráfico 03 mostra a variação da DDP em função da temperatura para todos os grupos, sendo em um dos casos, a variação em agitação e em outra sem agitação do sistema que está sendo aquecido com um mergulhão. O gráfico 04 mostra a variação da resistência em Ohms também com agitação e sem agitação. Em todos os casos a temperatura inicial varia da ambiente até próximo de 100ºC, que é o ponto de ebulição da água.

Percebe-se no gráfico 3 que há um aumento linear da temperatura com o ddp, que pode ser verificado através das equações que estão na tabela 04 no anexo o1. Os coeficientes de correlação linear estão muito próximos de 1, mostrando que as equações obtidas podem ser utilizadas como medida de calibração e assim, através de uma das duas variáveis se encontrar a outra através das funções obtidas.

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Gráfico 03 – Calibração de termopar (ddp x T)

Gráfico 04 – Calibração do termopar (Resistência x T)

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Percebe-se que para o gráfico 04, também há um ajuste linear muito bom, onde o coeficiente de correlação fica muito próximo de 1. Assim, essa relação obtida através da regressão linear pode ser utilizada como curva de calibração. Todos os dados dos pontos utilizados pelas equipes, e as equações obtidas com as regressões lineares estarão no anexo 02 desse trabalho.

Pode-se afirmar, que existe relação linear entre a resistência no sistema e a temperatura da água. Deve-se lembrar que a temperatura padrão, no béquer utilizado ao lado sempre esteve o mais próximo de zero, pois era água com gelo em seu ponto de fusão. Pequenas alterações de temperatura devido à absorção de calor ambiente não foram consideradas durante os cálculos das curvas de calibração.

Dispõe-se das regressões e equações das retas no Anexo 02, onde pode se perceber que há dados muito precisos na medição da resistência em função da temperatura, onde os valores do Coeficiente de Pearson atingiu o valor unitário, mostrando que a relação linear e a calibração se deram de forma perfeita.

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6. Conclusão

A instrumentação é de fundamental importância para a indústria, pois através dela se pode calibrar diversos instrumentos utilizados para realizar medidas revelantes para os processos industriais.

Usando um viscosímetro de Ostwald e uma solução padrão podemos determinar a viscosidade de um líquido a partir de relações matemáticas. No experimento realizado, obtivemos um valor experimental para a viscosidade da glicerina bem preciso, uma vez que o valor encontrado mostrou-se muito próximo do valor encontrado na literatura.

Podemos considerar que todos os resultados experimentais obtidos nos experimentos realizados são satisfatórios visto que estes se responderam adequadamente a um ajuste linear tendo um valor para a regressão linear muito próximo do valor unitário.

Observamos que a calibração de termômetros a partir do uso de termopares padrões é possível desde que tenhamos todo um sistema estável e controlado.

7. Bibliografia

1 RIBEIRO, A. B.; MARTINS, E. B.; MEDEIROS, D. - Construção de um

sistema eletrônico de medição de temperatura usando termopar. Projeções,

v. 19/20, p. 23-27, Jan./Dez. 2001/2002.

2 PERRY’S, Chemical Engeneers’ Handbook. Mídia digital, McGraw-Hill, 1999.

3 FOX, W. R. & MacDonald, A. T. “Introdução à Mecânica dos Fluidos” Quarta Edição. Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 1995;

4 GÜTHS, S., PAULO, V. , 1998 “Instrumentação em ciências térmicas”. São Paulo. http://www.emc.ufsc.br/labtermo/apostilainstrum.pdf acessado em 24/03/2011 às 03:15.

5 KAW, AUTAR; KALU, EGWU (2008). Numerical Methods with Applications.Cap 6 - linear and non-linear regression

6 HALLIDAY, RESNICK & WALKER. Fundamentos da Física 7 ed. v.1 cp 2

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