29/Ago a 4/Set
Sensor de gás para
aplicações ambientais
Monitor
Joel Pedro Carvalho
Investigador
Aluno de Doutoramento
[email protected]
Ana Sofia Brandão
João Oliveira
Maria Leonor Nogueira
Miguel Martins
Esc. Sec. Soares Basto
Esc. Sec. Dr. Manuel Laranjeira
Esc. Sec. Santa Maria dos Olivais
Esc. Sec. Ancorensis Cooperativa de Ensino
Sumário
• Motivação e objectivo
• Fibra óptica
• O que é um Laser?
• Caracterização de gases
• Espectroscopia por modulação de comprimento de onda
• Funcionamento do sistema
• Resultados
• Conclusão
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Motivação
• Ambiental (Efeito de estufa)
• Aquecimento global motivado pelos gases de estufa como CO2 e CH4
entre outros
• CH4 potencia o efeito estufa 20 vezes mais que o CO2
• Urge detectar de forma precisa concentrações deste tipo gás nos locais
propensos à sua emissão
Oportunidade de trabalhar com fibras e fontes ópticas num ambiente laboratorial
OBJECTIVO
Desenvolvimento de um sistema optoelectrónico que permita
determinar a concentração de metano
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Fibra Óptica
Lei de Snell
baínha
núcleo
Ângulo crítico
É o ângulo mínimo necessário para obter reflexão interna total
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Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
O Laser é um dispositivo capaz de produzir um feixe de luz com
características muito especiais:
• Monocromático (comprimento de onda bem definido)
• Coerente (organizada, com relações de fase bem definidas)
• Colimada (concentrada, direccional, propaga-se num feixe)
Suporte com a respectivas
entradas de controlo do Laser
Caracteristicas espectrais do Laser obtidas
recorrendo a um Analisador de Espectros Óptico
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Características dos gases
Uma das propriedades dos gases é terem um espectro de
absorção característico – a sua ‘impressão digital’. Este pode ser
utilizado como método de identificação, visto não existirem dois
gases com as mesmas características de absorção.
Transmitância do Metano
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Absorvância do Metano
Molécula de Metano
CH4
Lei de Beer-Lambert
• A lei de Beer-Lambert, é uma relação empírica que, na óptica,
relaciona a absorção de luz com as propriedades do material
atravessado por esta.
Diagrama da absorção de um feixe de luz
atravessando um cubo de tamanho l
Pela lei de Beer-Lambert verifica-se que a quantidade de luz absorvida por um
meio gasoso é directamente proporcional à concentração de gás num meio.
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Espectroscopia por modulação de comprimento de onda
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Espectroscopia por modulação de comprimento de onda
Lock-In
É um amplificador síncrono que mede
o valor eficaz de um sinal com muito
ruído sobreposto
Por meio de um amplificador Lock-In a informação da quantidade de luz absorvida pode ser obtida
visto este, após detecção síncrona, gerar um sinal de tensão proporcional à concentração de gás.
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Funcionamento do sistema
Laser
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Câmara de Gás
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Fotodetector
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Gerador de funções
Lock-in
Amplificador inversor com ganho 1/100
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Acoplador Óptico
output 1
95 %
output 2
5%
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Célula de Metano
input
100 %
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Montagem Experimental
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Detecção experimental de metano
Dados obtidos experimentalmente!
Cálculo da relação sinal-ruído
1,0
2% de metano
A2mV
0,8
0,6
0,4
0,5% de metano
0,2
0% de metano
Cálculo do limite de detecção
0,0
0
500
1000
1500
2000
2500
tempo (ms)
Limite de detecção do sensor → 7ppm
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3000
Calibração do sistema
Análise dos dados obtidos experimentalmente
2,5
C (A2) = 2,56 A2 - 0,35
Concentraçao de Metano (%)
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
A2mV
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Conclusão
• A fibra óptica tem um largo leque de aplicações, que vai para além das
comunicações, sendo uma delas a detecção de gases
• A espectroscopia por modulação de comprimento de onda apresenta-se
como uma técnica poderosa, capaz de detectar baixíssimas
concentrações de metano (no limite 7 ppm)
• Verificou-se que este sistema tem um elevado grau de fiabilidade
• Este sistema de detecção é extremamente versátil, podendo sensorizar
qualquer outro tipo de gás, bastando para isso utilizar um laser que
emita numa das respectivas linhas de absorção
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Agradecimentos
• A Faculdade de Ciências da Universidade do Porto
• Ao Prof. Joel Carvalho
• Às interrupções construtivas dos Profs. Moby, Carlos Gouveia e
da colega Mafalda
• Ao INESC Porto pelo equipamento optoelectrónico
disponibilizado
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