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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)

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Presentation Transcript
sensor de g s para aplica es ambientais

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

sum rio
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
motiva o o problema do efeito de estufa
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

sensores em fibra ptica vantagens
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
slide6

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)
lei de beer lambert
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.

slide8

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

monitoriza o ambiental m todo da absor o directa
MonitorizaçãoAmbiental (Método da AbsorçãoDirecta)

Molécula de Metano

CH4

Laser

Câmara de gás

Fotodetector

Computador

U-bench

slide10

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

montagem experimental
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

espectroscopia por modula o de comprimento de onda1
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.

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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

conclus o
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.

agradecimentos
Agradecimentos

Ao Prof. Joel Carvalho

A Faculdade de Ciências da Universidade do Porto

Ao INESC Porto pelo equipamento optoelectrónico disponibilizado