Escola de Verão de Física
28/Ago a 2/Set
Sensor de gás para
aplicações ambientais
Monitor
Joel Pedro Carvalho
[email protected]
Inês Rito Lima
(Braga)
Lídia Manuel Fragoso Gonzalez
(Braga)
Pedro Manuel Trocado Vianez
(Póvoa de Varzim)
Davide Pereira Dias
(Vila Real)
André Martins McCord
(Lisboa)
Esc. Sec. Carlos Amarante
Esc. Sec. de Maximinos
Esc. Sec. Eça de Queirós
Esc. Sec. da Sé
Esc. Sec. de Eça de Queirós
Sumário
• Motivação
• Fibra óptica
- Reflexão interna total;
- Vantagens (Sensores);
• Características espectrais dos gases
• Monitorização Ambiental
- Medições por Absorção Directa
- Espectroscopia por modulação de comprimento de onda
• Conclusões
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Motivação (O Problema do Efeito de Estufa)
Aquecimento global motivado pelos gases de
estufa como CO2 e CH4 entre outros
A necessidade de averiguar a
concentração destes gases
na atmosfera permite criar
postos de trabalho no ramo
de investigação
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CH4 potencia o
efeito estufa 20
vezes mais que
o CO2
Fibra Óptica – Reflexão Total
Lei de Snell
baínha
núcleo
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Sensores em Fibra Óptica - Vantagens
• Matéria prima abundante
• Leves
• Tamanho reduzido
• Integridade do sinal
– Imune a interferência electromagnética
– Imune a interferência das rádio frequências
• Multiplexagem
• Multifuncionalidade
• Transmissão a longa distância
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Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
O Laser é um dispositivo que produz uma radiação
(feixe de luz) com características muito específicas:
• Monocromático
(comprimento de onda bem definido)
• Coerente
(organizada, frentes de onda simultâneas)
• Colimada
( feixe intenso, concentrado, direccional)
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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.
Num meio gasoso a quantidade de luz absorvida num dado
comprimento de onda será directamente proporcional à
concentração de gás nesse meio.
A – absorvância
 – coeficiente de absorção do gás
c – concentração da espécie de gás
l – espaço de interaccão luz-gás
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Características dos gases
Os gases possuem um espectro de absorção seu característico que serve como forma de
identificação – a sua “impressão digital”
Laser Sintonizável
Fotodetector
Célula de gás
Computador
Dados obtidos experimentalmente!
0
-2
-4
-6
Transmissão (dB)
Molécula de Acetileno
C2H2
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22
1525
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1530
1535
Comprimento de Onda (nm)
1540
Monitorização Ambiental (Método da Absorção Directa)
Molécula de Metano
CH4
Laser
Câmara de gás
Fotodetector
U-bench
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Computador
Resposta do sistema face ás variações de
concentração de metano
Curva de calibração do sistema face ás
variações de concentração de metano
Dados obtidos experimentalmente!
0%
3.0
3.125 %
3.0
2%
Pópt(c)=2.9428 - 0.0204 c + 0.0001 c
2
Potência Óptica (mW)
Potência Óptica (mW)
6.25 %
2.8
12.5 %
2.6
25 %
2.4
50 %
2.2
0
2.8
2.6
2.4
2.2
10
20
30
40
50
60
70
0
Tempo (s)
10
20
30
Concentração Metano (%)
Cálculo do limite de detecção
Limite de detecção do sensor
→ 4040 ppm (0.2 % metano)
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Sensor de gás para aplicações ambientais
40
50
Espectroscopia por modulação de comprimento de onda
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Montagem Experimental
Laser
Acoplador Óptico
Célula
de gás
Controlador
laser
Gerador de
Funções elétricas
Câmara
de gás
U-bench
Fotodetector
Sinal ~
500 Hz
Sinal ~
1000 Hz
Sinal ~
1000 Hz
Amplificador
Lock-In
Sinal ~
500 Hz
Osciloscópio
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Sinal ~
500 Hz
Computador
Espectroscopia por modulação de comprimento de onda
Lock-In
É um amplificador síncrono que mede
o valores eficazes de sinais com muito
ruído sobreposto
Por meio do amplificador Lock-In a informação da quantidade de luz absorvida na câmara de gás é
obtida visto este monitorizar a amplitude do segundo harmónico que é proporcional à
concentração de gás.
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Curva de calibração do sistema face ás
variações de concentração de metano
Resposta do sistema face ás variações de
concentração de metano
Dados obtidos experimentalmente!
4.0
4.0
50 %
3.5
3.5
3.0
3.0
25 %
2
2.5
2.0
1.5
A2(mV)
A2(mV)
2.5
A2(c) = 0.0039 + 0.1209 c - 0.0010 c
12.5 %
1.0
6.25 %
2.0
1.5
1.0
0.5
3.125 %
2%
0.5
0%
0.0
0.0
-0.5
0
10
20
30
40
50
60
70
0
Tempo (s)
10
20
30
40
50
Concentração de Metano (%)
Cálculo do limite de detecção
Limite de detecção do sensor
→ 60 ppm (0.003 % de metano)
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Sensor de gás para aplicações ambientais
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Conclusão
• A fibra óptica, para além das comunicações, tem um largo leque de
aplicações na área dos sensores sendo uma delas a detecção de gases.
• A espectroscopia por modulação de comprimento de onda apresenta-se
como uma técnica extremamente eficaz, capaz de detectar baixíssimas
concentrações de metano (no limite 60 ppm).
• Este sistema de detecção é extremamente versátil, podendo operar para
qualquer outro tipo de gás, bastando para isso utilizar um laser que
emita numa das respectivas linhas de absorção e uma célula de
calibração com o gás que pretendemos sensorizar.
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Agradecimentos
• Ao Prof. Joel Carvalho
• A Faculdade de Ciências da Universidade do Porto
• Ao INESC Porto pelo equipamento optoelectrónico
disponibilizado
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