Sistema de Detecção de Metano baseado em Espectroscopia por
Modulação de Comprimento de Onda e em Fibras Ópticas
Microestruturadas de Núcleo Oco
F. Magalhães1, J. P. Carvalho1,2, L. A. Ferreira1, F. M. Araújo1, J. L. Santos1,2
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2
Unidade de Optoelectrónica e Sistemas Electrónicos, INESC Porto, Portugal
Departamento de Física, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto, Portugal
Autor correspondente:
[email protected]
Palavras-chave: fibras ópticas microestruturadas, sensorização de gases, espectroscopia por modulação de comprimento de
onda, metano.
Resumo:
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Foi desenvolvido e implementado um sistema optoelectrónico para a detecção e monitorização de metano.
A técnica de processamento de sinal usada no sistema é baseada na técnica de Espectroscopia por
Modulação de Comprimento de Onda. Quando associado com as revolucionárias fibras microestruturadas,
este esquema revelou ser um método eficaz de medição da concentração de gás. Tendo em vista a
optimização do desenho da cabeça sensora, foi analisado o tempo de difusão do metano no interior de uma
fibra microestruturada de núcleo oco. Foi obtido um erro de 2,8% entre os dados experimentais e os
esperados teoricamente, validando assim o modelo adoptado. Estes resultados são extremamente
encorajadores no sentido da implementação de uma unidade portátil para monitorização remota de gases.
INTRODUÇÃO
O metano é um gás extremamente explosivo e um
dos principais constituintes do gás natural, logo a
sua detecção é um assunto de máxima importância.
Existem diversas fontes de emissão deste gás, que
podem ser naturais ou directamente relacionadas
com a actividade humana. A EMCO é uma técnica
muito poderosa e de elevada sensibilidade,
largamente usada na detecção de gases, dado que a
detecção é deslocada para frequências afastadas do
ruído
de
base,
melhorando,
assim,
significativamente a relação-sinal-ruído. Esta técnica
foi então escolhida para a implementação de um
esquema optoelectrónico (totalmente controlado por
uma aplicação LabVIEW®) para a detecção e
monitorização de metano. As fibras ópticas
microestruturadas de núcleo oco, ao apresentarem
corredores de ar no seu núcleo e baínha, abrem
novas oportunidades para a detecção de gases uma
vez que facilitam a interacção entre luz e gás no
interior da sua estrutura. Uma abordagem possível,
para a construção de uma cabeça sensora, consiste
na criação de múltiplos espaçamentos entre
segmentos de fibra microestruturada permitindo a
difusão do gás para o interior do núcleo [1]. O
estudo do tempo de difusão do metano no interior da
fibra é, por isso, de extrema relevância.
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ESPECTROSCOPIA POR
MODULAÇÃO DE
COMPRIMENTO DE ONDA
A Espectroscopia por Modulação de Comprimento
de Onda é uma técnica que permite obter excelente
relação-sinal-ruído com recurso a uma configuração
relativamente simples. Nesta técnica o comprimento
de onda da fonte laser contínua é modulado a uma
determinada frequência (dithering) e enquanto a
fonte lentamente percorre a risca de absorção do gás,
a modulação do comprimento de onda é
transformada numa modulação de amplitude,
apresentando a sua maior amplitude nos pontos de
maior declive da risca de absorção. Este método
desloca a largura de banda da detecção para
frequências mais elevadas onde a intensidade do
ruído do laser é reduzida, melhorando, assim, a
relação-sinal-ruído. Este conceito é similar à
codificação de informação nas bandas laterais de
uma onda portadora de transmissão rádio. A Figura
1 mostra a resposta espectral de um laser modulado
em frequência com um sinal de rádio, onde pode ser
vista a frequência da portadora ωc e as frequências
das bandas laterais ωc±Ω. Assim, quando o laser
varre lentamente a risca de absorção, a quantidade
de luz absorvida, que pela lei de Beer-Lambert é
proporcional à concentração de gás, é “escrita” nas
bandas laterais. Esquematicamente, isto está
representado na Figura 1 c) como um decréscimo na
amplitude das bandas laterais. A informação relativa
à absorção pode ser obtida com recurso a um
amplificador lock-in, onde uma saída em tensão
proporcional à concentração de gás pode ser gerada.
Figura 2 – Resultados experimentais obtidos
implementando EMCO e usando um lock-in à
frequência de dithering.
Figura 1 – Resposta spectral de uma fonte laser: a) não
modulada; b) modulada sem absorção; c) modulada com
absorção.
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ESQUEMA DE DETECÇÃO
As fontes DFB (Distributed FeedBack Laser) são
candidatas naturais para a técnica de processamento
de sinal idealizada, uma vez que combinam uma
risca de emissão estreita com potência elevada,
melhorando assim a relação-sinal-ruído. Estes lasers
permitem modulações de baixa frequência por ajuste
de temperatura e modulações de alta frequência por
ajuste da corrente. Na Figura 2, podemos ver a
resposta obtida por um amplificador lock-in, após ter
sido aplicada a técnica de modulação previamente
descrita. Podemos ver que a resposta obtida para o
primeiro harmónico (a vermelho) é proporcional à
primeira derivada da risca de absorção do gás (a
preto) e que é igual a zero quando a emissão se
encontra centrada com a risca de absorção. Por outro
lado, a resposta à frequência do segundo harmónico
(a azul) dá-nos a segunda derivada da risca de
absorção e é máxima neste ponto. Eliminando a
modulação lenta e estabilizando o comprimento de
onda da emissão no pico da risca de absorção,
obtém-se um sinal com amplitude dependente da
concentração de gás e com frequência dupla da
frequência de dithering, tal como é apresentado na
Figura 3.
O sistema de interrogação implementado pode ser
visualizado na Figura 4.
Figura 3 – Fenómeno de duplicação de frequência
quando a emissão está centrada na risca de absorção.
Figura 4 – Esquema de detecção de metano (a amarelo a
parte implementada em LabVIEW®).
Neste sistema, parte da luz emitida é direccionada
para um célula de gás de referência que é usada para
estabilizar a emissão no centro da risca de absorção,
através de uma malha de realimentação. A resposta
do sistema perante variações de temperatura é
apresentada na Figura 5.
Figura 7 – Resposta do sistema para duas concentrações
de metano distintas.
Figura 5 – Resposta da malha de realimentação a
variações de temperatura forçadas.
A restante luz é direccionada para a cabeça sensora,
sendo, então, obtido e sincronamente detectado o
sinal a 2ω. Um dos objectivos era o de que a
resposta do sistema fosse independente de flutuações
de potência. Para que esta meta fosse cumprida, a
seguinte relação é calculada à saída do sistema
S = A2ω/DC
Substituindo a fonte laser e a célula de gás de
referência, facilmente se pode endereçar outro gás
específico.
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TEMPO DE DIFUSÃO DO GÁS
NO INTERIOR DE FIBRAS
ÓPTICAS
MICROESTRUTURADAS
(1)
onde A2ω representa a amplitude do sinal detectado a
2ω, DC o seu nível de offset e S o sinal proporcional
à concentração de gás.
A Figura 6 representa uma resposta típica do sistema
para diferentes atenuações de potência induzidas.
Pode-se dizer que até 6 dB de atenuação induzida a
resposta do sistema permanece praticamente
inalterada.
Para o desenvolvimento de um sensor de gás
baseado em fibras ópticas microestruturadas,
permitindo a interacção directa da luz com os gases
na sua estrutura, coloca-se a necessidade de estudar
a difusão do gás no interior destas fibras. Para este
propósito, consideremos uma fibra microestruturada
com ambas as extremidades imersas numa atmosfera
de metano. O gás penetrará gradualmente a fibra por
difusão. Caracterizamos a difusão através da
concentração média relativa de gás no interior da
fibra ao longo da sua extensão. Esta concentração
pode ser obtida pela integração da concentração
local que se obtém resolvendo a equação de difusão
com as respectivas condições de fronteira. Para a
concentração média relativa usou-se a seguinte
expressão, representada na forma de um somatório
infinito [2]:
C
1
8
2
j 1, 3, 5
Figura 6 – Análise da influência de flutuações de potência
na resposta do sistema.
Na Figura 7 está representada a resposta do sistema
para duas concentrações distintas de gás metano.
1
exp
j2
j
l
2
D t
(2)
onde l é o comprimento da fibra, D é o coeficiente
de difusão do metano e t é o tempo.
O coeficiente de difusão do metano em nitrogénio é
2,2 x 10-5 m2s-1 [3]. Usando este valor, a
dependência da concentração média relativa com o
tempo foi traçada para quatro comprimentos
diferentes de fibra. O resultado pode ser visualizado
na Figura 8.
Na Figura 11 estão representados os resultados
experimentais obtidos para a difusão de 5% de
metano em nitrogénio no núcleo de um segmento de
fibra microestruturada com 13,7cm de comprimento.
Da análise do gráfico pode-se verificar que o tempo
necessário para atingir 95% do patamar final foi
cerca de 248s, enquanto que o tempo teoricamente
esperado era de cerca de 241s, levando-nos, assim, a
obter um erro relativo de ~2,8%. Este resultado
corrobora, assim, a validade do modelo adoptado.
Figura 8 - Concentração média relativa de metano no
núcleo de diversos comprimentos de fibra
microestruturada em função do tempo.
A fim de se avaliar experimentalmente a análise
teórica apresentada previamente, foi realizada a
seguinte experiência. Alinhou-se uma fibra SMF
com um segmento de fibra microestruturada, no
interior de uma câmara desenhada especialmente
para este propósito (ver Figura 9), e optimizou-se a
transmissão de luz através desse segmento.
Figura 11 - Resultados experimentais para a difusão de
uma mistura de 5% de CH4 em N2 no interior de um
segmento de fibra com 13,7cm de comprimento. O valor
teórico esperado (241s) está assinalado a vermelho.
O comprimento da fibra, usada como cabeça
sensora, está, assim, directamente relacionado com o
tempo de resposta do sensor.
Figura 9 – Fotos da câmara de gás projectada para
medição da concentração de metano e do seu tempo de
difusão no interior das fibras.
De seguida, injectou-se gás na câmara e foi
registado, ao longo do tempo, o decaimento da
potência de luz transmitida, causado pela absorção
do gás no interior da fibra microestruturada. A
montagem experimental utilizada está representada
na Figura 10.
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CABEÇA SENSORA
Para o desenvolvimento de uma cabeça sensora
baseada em fibras ópticas microestruturadas,
idealizou-se a utilização de componentes bastante
comuns, baratos e de dimensões conhecidas, que
permitissem, simultaneamente, o alinhamento dos
diversos segmentos de fibra e a difusão do gás para
o interior das mesmas. Na Figura 12 pode-se ver
uma imagem de uma cabeça sensora, constituída por
duas ferrules e uma sleeve de zircónia.
Figura 10 – Montagem experimental usada para medir o
tempo de difusão do gás no interior da fibra
microestruturada.
Figura 12 – Cabeça sensora
6
CONCLUSÕES
Neste trabalho foi apresentado um sistema baseado
na técnica de Espectroscopia por Modulação de
Comprimento de Onda para a detecção e
monitorização remota de gases, nomeadamente
metano, capaz de garantir boa sensibilidade e
independência de flutuações de potência. Foi
demonstrada a capacidade do sistema endereçar um
gás específico e efectivamente detectar variações da
sua concentração. Apesar de necessitar ainda de ser
calibrado, o sistema conseguiu com facilidade
detectar concentrações de metano inferiores ao
Limite de Explosão Inferior (5%).
O facto de cada espectro de absorção representar
uma identidade única para um composto químico,
torna o nosso sistema imune a detecção cruzada de
outros gases. O risco de explosão não se coloca uma
vez que as potências ópticas envolvidas são
mínimas. Estes aspectos em conjunto com a
possibilidade de monitorização remota de múltiplos
sensores distribuídos geograficamente, constitui um
forte leque de vantagens face aos sensores
comerciais mais amplamente usados, sensores
eléctricos termo-catalíticos (pelistores).
Foi também analisada a problemática da difusão do
gás no interior da fibra, usada como cabeça sensora,
uma vez que afecta directamente o tempo de
resposta do sensor. Apresentou-se também uma
solução simples e económica para a construção de
uma cabeça sensora. Esta solução permite alinhar
eficazmente as fibras constituintes da cabeça
sensora, assim como a difusão do gás para o seu
interior. Os espaçamentos entre os vários segmentos
de fibra permitem aumentar a sensibilidade do
sistema sem comprometer o tempo de resposta do
sensor.
Os resultados obtidos foram bastante conclusivos e
motivantes para a continuação do desenvolvimento
de uma unidade portátil de detecção e monitorização
remota de gases, para ser utilizada, por exemplo, em
minas, em aterros e em processos industriais.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho foi desenvolvido no contexto do
Projecto Europeu NextGenPCF, financiado pelo IST
no âmbito do 6º Programa-Quadro.
Os autores gostariam também de agradecer a
Jonathan Knight e Rodrigo Correa, da Universidade
de Bath, pela disponibilização das fibras usadas nas
experiências.
REFERÊNCIAS
[1] J. P. Carvalho, F. Magalhães, O. V. Ivanov, O. Frazão,
F. M. Araújo, L. A. Ferreira, J. L. Santos. “Evaluation of
coupling losses in hollow-core photonic crystal fibres”,
EWOFS 2007 - Third European Workshop on Optical
Fibre Sensors, 4 a 6 de Julho, 2007, Nápoles, Itália.
[2] Hoo, Y.L., et al., Design and Modeling of a Photonic
Crystal Fiber Gas Sensor. Appl. Opt., 2003. 42(18): p.
3509-3515.
[3] Lide, D.R., Handbook of Chemistry and Physics. 78th
ed. 1997-1998: CRC Press.