Sensor de gás para aplicações ambientais

1. Escola de Verão de Física 28/Ago a 2/Set Sensor de gás para aplicações ambientais Inês Rito Lima Esc. Sec. Carlos Amarante (Braga) Lídia Manuel Fragoso Gonzalez Esc. Sec. de Maximinos (Braga) Pedro Manuel Trocado Vianez Esc. Sec. Eça de Queirós (Póvoa de Varzim) Davide Pereira Dias Esc. Sec. da Sé (Vila Real) André Martins McCord Esc. Sec. de Eça de Queirós (Lisboa) Monitor Joel Pedro Carvalho jpc@inescporto.pt

2. 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

3. 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 CH4 potencia o efeito estufa 20 vezes mais que o CO2

4. Fibra Óptica – Reflexão Total Lei de Snell

5. 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

6. 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)

7. Lei de Beer-Lambert A – absorvância  – coeficiente de absorção do gás c – concentração da espécie de gás l – espaço de interaccão luz-gás 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.

8. Características dos gases Os gases possuem um espectro de absorção seu característico que serve como forma de identificação – a sua “impressão digital” Fotodetector Computador Célula de gás Laser Sintonizável Dados obtidos experimentalmente! Molécula de Acetileno C2H2

9. MonitorizaçãoAmbiental (Método da AbsorçãoDirecta) Molécula de Metano CH4 Laser Câmara de gás Fotodetector Computador U-bench

10. 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! Cálculo do limite de detecção Limite de detecção do sensor → 4040 ppm (0.2 % metano) Sensor de gás para aplicações ambientais

11. Espectroscopia por modulação de comprimento de onda

12. Montagem Experimental Laser Acoplador Óptico Célula de gás Câmara de gás Controlador laser U-bench Gerador de Funções elétricas Fotodetector Sinal ~ 500 Hz Sinal ~ 1000 Hz Sinal ~ 1000 Hz Amplificador Lock-In Computador Sinal ~ 500 Hz Sinal ~ 500 Hz Osciloscópio

13. 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.

14. 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! Cálculo do limite de detecção Limite de detecção do sensor → 60 ppm (0.003 % de metano) Sensor de gás para aplicações ambientais

15. 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.

16. Agradecimentos Ao Prof. Joel Carvalho A Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Ao INESC Porto pelo equipamento optoelectrónico disponibilizado