sensor de gás para aplicações ambientais inês rito lima esc. sec. carlos amarante (braga) lídia...

Sensor de gás Sensor de gás para aplicações para aplicações

ambientaisambientaisInês 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)

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)

MonitorJoel Pedro Carvalho

jpc@inescporto.pt

28/Ago a 2/Set

Escola de Verão de Física

© Escola de Verão de Física - 2011

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

• 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)

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

Aquecimento global motivado pelos gases de estufa como CO2 e CH4 entre outros

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Fibra Óptica – Reflexão Total Lei de Snell

baínha

núcleo

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

• 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)Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

• Monocromático (comprimento de onda bem definido)• Coerente (organizada, frentes de onda simultâneas) • Colimada ( feixe intenso, concentrado, direccional)

O Laser é um dispositivo que produz uma radiação (feixe de luz) com características muito específicas:

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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 Num meio gasoso a quantidade de luz absorvida num dado comprimento de onda será directamente proporcional à comprimento de onda será directamente proporcional à concentração de gás nesse meio.concentração de gás nesse meio.

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 Num meio gasoso a quantidade de luz absorvida num dado comprimento de onda será directamente proporcional à comprimento de onda será directamente proporcional à concentração de gás nesse meio.concentração de gás nesse meio.

A – absorvância – coeficiente de absorção do gásc – concentração da espécie de gásl – espaço de interaccão luz-gás

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Características dos gasesCaracterísticas dos gasesOs gases possuem um espectro de absorção seu característico que serve como forma de identificação – a sua “impressão digital”

Molécula de Acetileno C2H2

Laser Sintonizável Célula de gás Fotodetector Computador

1525 1530 1535 1540

-22

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

Tra

nsm

issã

o (

dB

)

Comprimento de Onda (nm)

Dados obtidos experimentalmente!

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Monitorização Ambiental (Método da Absorção Directa)

Molécula de Metano CH4

Laser Câmara de gás

U-bench

Fotodetector Computador

© Escola de Verão de Física - 2011 Sensor de gás para aplicações ambientais

0 10 20 30 40 50

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

Po

tên

cia

Óp

tica

(m

W)

Concentração Metano (%)

Pópt

(c)=2.9428 - 0.0204 c + 0.0001 c2

0 10 20 30 40 50 60 70

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0 0 %

2 %3.125 %6.25 %

12.5 %

25 %

50 %

Po

tên

cia

Óp

tica

(m

W)

Tempo (s)

Resposta do sistema face ás variações de concentração de

metano

Curva de calibração do sistema face ás variações de concentração

de metano

Cálculo do limite de detecção

Limite de detecção do sensor → 4040 ppm (0.2 % metano)

Dados obtidos experimentalmente!

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Espectroscopia por modulação de comprimento de onda

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Montagem ExperimentalMontagem ExperimentalLaser

Acoplador Óptico

Célula de gás

Câmarade gás

U-bench

Fotodetector

Controlador laser

Gerador deFunções elétricas

Osciloscópio

AmplificadorLock-In

Computador

Sinal ~500 Hz

Sinal ~1000 Hz

Sinal ~500 Hz

Sinal ~1000 Hz

Sinal ~500 Hz

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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.

© Escola de Verão de Física - 2011 14Sensor de gás para aplicações ambientais

0 10 20 30 40 50 60 70-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

2 %0 %

3.125 %

12.5 %

6.25 %

25 %

A2

(mV

)

Tempo (s)

50 %

0 10 20 30 40 50

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

A2(

mV

)

Concentração de Metano (%)

A2(c) = 0.0039 + 0.1209 c - 0.0010 c2

Resposta do sistema face ás variações de concentração de metano

Curva de calibração do sistema face ás variações de concentração de metano

Cálculo do limite de detecção

Limite de detecção do sensor → 60 ppm (0.003 % de metano)

Dados obtidos experimentalmente!

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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.

• 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

• Ao Prof. Joel Carvalho

• A Faculdade de Ciências da Universidade do Porto

• Ao INESC Porto pelo equipamento optoelectrónico disponibilizado

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