sensor de gás para aplicações ambientais ana sofia brandão esc. sec. soares basto joão oliveira...
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Sensor de gás Sensor de gás para aplicações para aplicações
ambientaisambientais
Ana Sofia Brandão Esc. Sec. Soares BastoJoão Oliveira Esc. Sec. Dr. Manuel LaranjeiraMaria Leonor Nogueira Esc. Sec. Santa Maria dos OlivaisMiguel Martins Esc. Sec. Ancorensis Cooperativa de Ensino
Ana Sofia Brandão Esc. Sec. Soares BastoJoão Oliveira Esc. Sec. Dr. Manuel LaranjeiraMaria Leonor Nogueira Esc. Sec. Santa Maria dos OlivaisMiguel Martins Esc. Sec. Ancorensis Cooperativa de Ensino
MonitorJoel Pedro Carvalho
Investigador
Aluno de Doutoramento
29/Ago a 4/Set
© Escola de Verão de Física - 2010
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
• 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
2Sensor de gás para aplicações ambientais
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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
• 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
3Sensor de gás para aplicações ambientais
OBJECTIVOOBJECTIVODesenvolvimento de um sistema optoelectrónico que permita
determinar a concentração de metano
Desenvolvimento de um sistema optoelectrónico que permita determinar a concentração de metano
Oportunidade de trabalhar com fibras e fontes ópticas num ambiente laboratorial
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Fibra Óptica
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baínha
núcleo
baínha
núcleo
Ângulo crítico É o ângulo mínimo necessário para obter reflexão interna total
Lei de Snell
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Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)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)
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)
Caracteristicas espectrais do Laser obtidas recorrendo a um Analisador de Espectros Óptico
Suporte com a respectivas entradas de controlo do Laser
Suporte com a respectivas entradas de controlo do Laser
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Características dos gasesCaracterísticas 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 MetanoTransmitância do Metano
Absorvância do MetanoAbsorvância do Metano
Molécula de MetanoCH4
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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.
• 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.
7Sensor de gás para aplicações ambientais
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 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 um meio gasoso é directamente proporcional à concentração de gás num
meio.meio.
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Espectroscopia por modulação de comprimento de onda
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Espectroscopia por modulação de comprimento de onda
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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 Câmara de Gás Fotodetector
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Gerador de funções Lock-in
Amplificador inversor Amplificador inversor com ganho 1/100
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Acoplador Óptico Célula de Metano
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outpuoutput 1t 1
95 %
inputinput100 %output 2output 2
5 %
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Montagem ExperimentalMontagem Experimental
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0 500 1000 1500 2000 2500 30000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0% de metano
2% de metano
0,5% de metano
A2m
V
tempo (ms)
Detecção experimental de metano
Cálculo do limite de detecção
Cálculo da relação sinal-ruído
Limite de detecção do sensor → 7ppm
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Dados obtidos experimentalmente!
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Calibração do sistema
Sensor de gás para aplicações ambientais 15
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Con
cent
raça
o de
Met
ano
(%)
A2mV
C (A2) = 2,56 A
2 - 0,35
Análise dos dados obtidos experimentalmenteAnálise dos dados obtidos experimentalmente
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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
• 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
• 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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