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Sensor de gás para aplicações ambientais Ana Sofia Brandão Esc. Sec. Soares Basto João Oliveira Esc. Sec. Dr. Manuel Laranjeira Maria Leonor Nogueira Esc.

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1 Sensor de gás para aplicações ambientais Ana Sofia Brandão Esc. Sec. Soares Basto João Oliveira Esc. Sec. Dr. Manuel Laranjeira Maria Leonor Nogueira Esc. Sec. Santa Maria dos Olivais Miguel Martins Esc. Sec. Ancorensis Cooperativa de Ensino Monitor Joel Pedro Carvalho Investigador Aluno de Doutoramento 29/Ago a 4/Set

2 © Escola de Verão de Física 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 2 Sensor de gás para aplicações ambientais

3 © Escola de Verão de Física Motivação Ambiental (Efeito de estufa) Aquecimento global motivado pelos gases de estufa como CO 2 e CH 4 entre outros CH 4 potencia o efeito estufa 20 vezes mais que o CO 2 Urge detectar de forma precisa concentrações deste tipo gás nos locais propensos à sua emissão 3 Sensor de gás para aplicações ambientais OBJECTIVO Desenvolvimento de um sistema optoelectrónico que permita determinar a concentração de metano Oportunidade de trabalhar com fibras e fontes ópticas num ambiente laboratorial

4 © Escola de Verão de Física Fibra Óptica 4 Sensor de gás para aplicações ambientais Ângulo crítico É o ângulo mínimo necessário para obter reflexão interna total Lei de Snell

5 © Escola de Verão de Física 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) Caracteristicas espectrais do Laser obtidas recorrendo a um Analisador de Espectros Óptico Suporte com a respectivas entradas de controlo do Laser

6 © Escola de Verão de Física Características 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 MetanoAbsorvância do Metano Molécula de Metano CH 4

7 © Escola de Verão de Física 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. 7 Sensor 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 um meio gasoso é directamente proporcional à concentração de gás num meio.

8 © Escola de Verão de Física Espectroscopia por modulação de comprimento de onda Sensor de gás para aplicações ambientais 8

9 © Escola de Verão de Física Espectroscopia por modulação de comprimento de onda 9 Sensor de gás para aplicações ambientais 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.

10 © Escola de Verão de Física Funcionamento do sistema Laser Câmara de Gás Fotodetector Sensor de gás para aplicações ambientais 10

11 © Escola de Verão de Física Gerador de funções Lock-in Amplificador inversor Amplificador inversor com ganho 1/100 Sensor de gás para aplicações ambientais 11

12 © Escola de Verão de Física Acoplador Óptico Célula de Metano Sensor de gás para aplicações ambientais 12 output 1 95 % input 100 % output 2 5 %

13 © Escola de Verão de Física Montagem Experimental Sensor de gás para aplicações ambientais 13

14 © Escola de Verão de Física Detecção experimental de metano Cálculo do limite de detecção Cálculo da relação sinal-ruído Limite de detecção do sensor 7ppm Sensor de gás para aplicações ambientais Dados obtidos experimentalmente!

15 © Escola de Verão de Física Calibração do sistema Sensor de gás para aplicações ambientais 15 Análise dos dados obtidos experimentalmente

16 © Escola de Verão de Física 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 Sensor de gás para aplicações ambientais 16

17 © Escola de Verão de Física 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 17 Sensor de gás para aplicações ambientais


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