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Sensor de gás para aplicações ambientais Inês Rito Lima Esc. Sec. Carlos Amarante (Braga) Lídia Manuel Fragoso Gonzalez Esc. Sec. de Maximinos (Braga)

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1 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 28/Ago a 2/Set Escola de Verão de Física

2 © Escola de Verão de Física 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 © Escola de Verão de Física 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 CH 4 potencia o efeito estufa 20 vezes mais que o CO 2 Aquecimento global motivado pelos gases de estufa como CO 2 e CH 4 entre outros

4 © Escola de Verão de Física Fibra Óptica – Reflexão Total Lei de Snell

5 © Escola de Verão de Física 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 © Escola de Verão de Física 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:

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. Num meio gasoso a quantidade de luz absorvida num dado comprimento de onda será directamente proporcional à concentração de gás nesse meio. A – absorvância – coeficiente de absorção do gás c – concentração da espécie de gás l – espaço de interaccão luz-gás

8 © Escola de Verão de Física Características dos gases Os gases possuem um espectro de absorção seu característico que serve como forma de identificação – a sua impressão digital Molécula de Acetileno C 2 H 2 Laser Sintonizável Célula de gás FotodetectorComputador Dados obtidos experimentalmente!

9 © Escola de Verão de Física Monitorização Ambiental (Método da Absorção Directa) Molécula de Metano CH 4 Laser Câmara de gás U-bench Fotodetector Computador

10 © Escola de Verão de Física Sensor de gás para aplicações ambientais 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!

11 © Escola de Verão de Física Espectroscopia por modulação de comprimento de onda

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

13 © Escola de Verão de Física 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 © Escola de Verão de Física Sensor de gás para aplicações ambientais 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!

15 © Escola de Verão de Física 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. 15

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


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