PT855592E - Sensor de gás optoacústico - Google Patents
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Description
1
DESCRIÇÃO
SENSOR DE GÁS OPTOACÚSTICO O presente invento refere-se a um sensor de gás optoacústico, com um corpo sensor, o qual apresenta uma fonte de luz, uma célula de medição com uma membrana permeável ao gás e um microfone de medição, um filtro de medição óptico disposto entre a fonte de luz e a célula de medição bem como um dispositivo electrónico de análise. 0 funcionamento destes sensores de gás baseia-se no efeito fotoacústico, em que aquando de uma irradiação de um gás a ser detectado por luz modulada é provocada uma onda de compressão, cuja amplitude está em relação directa para com a concentração do respectivo gás. A onda de compressão acústica é produzida, dado o gás absorver a radiação da luz e deste modo se aquecer. Resulta assim uma expansão térmica e, correspondendo à modulação da radiação da luz, uma flutuação de pressão.
Uma medição da pressão acústica permite então concluir a concentração do gás a ser detectado. Diferentes gases são distinguidos pela utilização de fontes de luz de diferentes comprimentos de ondas, de acordo com os comprimentos de absorção dos gases. Para este efeito são utilizadas fontes laser ou fontes de luz de banda larga, como por exemplo filamentos incandescentes em combinação com filtros passa-banda ópticos. Sensores de gás optoacústicos do tipo inicialmente mencionado são descritos por exemplo na EP-A-0 151 474 e na EP-A-0 760 474 (documento que cai sob o artigo 54 (3) ΕΡϋ). No sensor de gás mencionado por último o eixo longitudinal da célula de medição decorre na perpendicular para com o eixo longitudinal do corpo sensor e a fonte de luz está disposta de tal modo que a mesma irradia a célula de medição e a membrana permanece sem radiações, não podendo provocar sinais de interferência. O sensor de gás é 2 além disso à prova de explosão, uma vez que a fonte de luz está fechada hermeticamente do ambiente. Este sensor tem-se comprovado muito bem na prática enquanto a concentração do gás a ser detectado se situar acima de uma determinada concentração minima, o que em CO2 é praticamente sempre o caso.
Em contrapartida os solventes inflamáveis, os quais contêm ligações de CH, no âmbito dos 300 - 3000 ppm ou NH3 no âmbito dos 100 - 200 ppm não podem ser detectados com este sensor optoacústico. A detecção de solventes inflamáveis, os quais contêm ligações de CH, seria uma aplicação particularmente importante para sensores de gás optoacústicos, visto que no âmbito mencionado de 300 - 3000 ppm Pellistores (calorimetro miniaturizado) só são utilizáveis de forma limitada e adicionalmente podem facilmente intoxicar, e porque sensores de óxido metálico podem de facto detectar as mencionadas concentrações, contudo são no entanto demasiado instáveis. O motivo para a sensibilidade limitada dos sensores de gás optoacústicos consiste no facto de que os efeitos de parede (sinal ponto zero), flutuações da pressão do ar (provocadas pelo accionamento de portas ou aparelhos de ventilação) e vibrações (provocadas pelo próprio edifício ou por motores ou por pessoas) produzirem sinais de interferência, os quais restringem para baixo o limite de detecção dos sensores de gás optoacústicos. A solução óbvia para minimizar os mencionados sinais consistiria na utilização de células de medição maiores e maiores fontes de luz, o que no entanto acarreta um sensível aumento das dimensões do corpo sensor e um correspondente acréscimo dos custos do sensor. 3
Por meio do invento pretende-se apresentar um sensor de gás optoacústico do tipo inicialmente mencionado com uma sensibilidade nitidamente mais elevada.
Este quesito é solucionado de acordo com o invento pelas caracteristicas da reivindicação 1, pelo que o corpo sensor apresenta separada da célula de medição uma célula de referência com uma membrana permeável ao gás e um microfone de referência, o qual está blindado contra sinais optoacústicos do gás a ser medido, pelo que entre a fonte de luz e a célula de referência se encontra instalado um filtro de referência, o qual ou não deixa passar irradiações directas da fonte de luz para a célula de referência ou somente aquelas que não são ou só ligeiramente absorvidas pelo gás a ser medido, e pelo que no dispositivo electrónico de análise se efectua uma subtracção dos sinais dos dois microfones.
Por meio da solução de acordo com o invento são eliminados os sinais de interferência provocados por vibrações e por flutuações da pressão do ar. A eliminação dos primeiros sinais de interferência efectua-se por meio da utilização do microfone de referência, o qual não recebe sinais optoacústicos do gás a ser medido, e a eliminação dos últimos por meio da separação espacial das células de referência com o microfone de referência.
Pela utilização de um filtro de referência deste género é salvaguardado que na célula de referência não são produzidos sinais optoacústicos do gás a ser detectado, de modo que o microfone de referência também não pode receber estes sinais. Além disso são pelo filtro de referência também eliminados os sinais de ponto zero provocados pelo efeito de parede os quais têm origem principalmente no aquecimento modulado do filtro óptico disposto entre a fonte de luz e a célula de medição. 4
Um sensor de gás optoacústico com células de medição e de referência é conhecido da US-A-4 058 725, em que no entanto neste sensor a célula de referência está fechada em relação ao ambiente, de modo que sinais de interferência provocados por flutuações de pressão não podem ser eliminados.
Na Springer Series in Optical Sciences, Vol. 62,
Photoacustic and Photothermal Phenomena II, pág. 369, é por C. Oehler e H. Blum descrito um sensor optoacústico com duas células de medição, duas fontes de luz, dois filtros ópticos e um microfone simétrico instalado entre as células de medição, cuja membrana está em ligação com o volume de gás das duas células de medição. Ambas as células de medição recebem luz por impulsos com a mesma frequência, mas as duas intensidades de luz estão desfasadas por 180° uma para com a outra. Ambas as células estão através de válvulas ligadas com uma câmara de ensaio, na qual se encontra uma folha de árvore, cujas actividades de gás serão medidas. O ar em todo o sistema é circulado e entre os impulsos de bombagem é feita a medição. O sensor de gás optoacústico com duas células de medição e um microfone, descrito neste artigo, não pode solucionar a questão em causa, visto que por um lado as vibrações mecânicas que são transmitidas para a membrana do microfone não podem ser compensadas, causando por isso sinais de interferência, e porque por outro lado os sinais de ponto zero provocados pelos efeitos de parede também não podem ser compensados. Além disso este sensor de gás é relativamente difícil de ser produzido e é caro. A seguir o invento é explicado em pormenor na base de um exemplo de execução e dos desenhos; mostra:
Figura 1 uma representação explodida de um sensor de gás de acordo com o invento, 5
Figura 2 um corte axial esquemático através do sensor de gás da figura 1; e
Figura 3 um diagrama em bloco do sensor de gás da figura 1.
De acordo com a representação o sensor de gás é composto por duas metades de caixa semi-redondas 1 e 2 de alumínio moldado por injecção ou um outro material adequado, as quais quando unidas formam um corpo sensor cilíndrico, de uma placa de circuitos impressos 3 e de dois anéis de segurança 4 e 5. Cada uma das metades de caixa 1 e 2 contém uma câmara cilíndrica, em que a câmara de uma metade de caixa 1 serve como célula de medição 6 e a outra metade de caixa 2 como célula de referência 7, e uma, anteposta à célula de medição e à célula de referência 6 respectivamente 7, câmara 8 respectivamente 9 prevista para a admissão de uma fonte de luz 10 comum para a célula de
medição e a célula de referência 6 respectivamente 7. A célula de medição 6 e a célula de referência 7 estão fechadas contra a fonte de luz 10 respect ivamente por um filtro óptico de medição 11 respectivamente por um filtro de referência 12. A fonte de luz 10 de preferência está disposta de tal modo que os seus filamentos incandescentes se situam no prolongamento do eixo longitudinal das duas câmara cilíndricas, célula de medição 6 e célula de referência 7.
Na superfície de fundo as células de medição respectivamente de referência 6 respectivamente 7 apresentam cada uma um furo para a passagem de um microfone de medição 13 respectivamente um microfone de referência 14. A face superior das duas metades de caixa 1 e 2 apresentam uma abertura contínua até à célula de medição respectivamente à célula de referência 6, 7, na qual se encontra inserida respectivamente uma membrana 15 permeável 6 ao gás e a seguir a esta, um crivo 16. A membrana 15, a qual é permeável para gás contudo impermeável para goticulas de água, é composta por um material de malha apertada com abertura na ordem de grandeza de nanometros. Os crivos 16 servem de suporte para a membrana 15 e evitam além disso uma radiação directa da membrana pela fonte de luz 10. O microfone de medição 13, o microfone de referência 14 e a fonte de luz 10 estão montados sobre a placa de circuitos impressos 3, que além disso ainda sustenta um foto-diodo 17 para o controlo da intensidade da luz emitida pela fonte de luz 10.
No fundo das câmaras 8 e 9 estão previstos furos 18 e 19 para a passagem da fonte de luz 10 e do foto-diodo 17, estando o furo 18 para a fonte de luz 10 disposto na superfície de separação entre as duas metades de caixa 1 e 2, de modo que a fonte de luz 10 se situa pela metade em uma das metades de caixa 1, 2. O furo 19 para o foto-diodo 17 conforme a representação está previsto no fundo da câmara 8, mas podia de igual modo como o furo 18 situar-se pela metade em cada câmara. Em todo o caso, para que ambas as metades de caixa 1 e 2 sejam idênticas e que para o seu fabrico seja necessário somente um molde de fundição, equipar-se-á também a câmara 9 com este furo. Ambas as metades de caixa 1 e 2 devem nas suas superfícies laterais planas ser equipadas com cavilhas e respectivos furos que servem de guia e ajuste. Quando o sensor estiver pronto para entrar em funcionamento, o filtro de medição e o filtro de referência 11, 12 estão colados na respectiva
metade de sensor 1 respectivamente 2, as metades de sensores 1 e 2 estão encaixadas nas suas superfícies laterais planas, fixadas com os anéis 4 e 5 e firmemente unidas, de preferência coladas ou grudadas e a placa de circuitos impressos 3 é fundida com o corpo sensor. A 7 célula de medição e a célula de referência 6 respectivamente 7 bem como o microfone de medição e o de referência 13 respectivamente 14 são idênticos. A placa de circuitos impressos 3 está conectada com mais outra placa de circuitos impressos não representada, a qual contém uma electrónica driver e uma electrónica de análise. A fonte de luz 10 é uma lâmpada convencional com um filamento incandescente ou uma fonte laser. O foto-díodo 17 é composto por uma célula de silício e um filtro de luz natural. Quando como fonte de luz 10 for utilizada uma lâmpada com filamentos incandescentes, o foto-díodo 17 mede a intensidade de luz numa gama de comprimentos de onda de preferência por volta de 900 nm. Os filamentos incandescentes emitem luz sobre um largo espectro até à área dos infra-vermelhos, e na maioria dos casos é para a detecção de gás utilizada uma linha espectral na área dos infra-vermelhos. Contudo parte-se do princípio que a medição de controlo da intensidade de luz aos 900 nm seja suficientemente comprovativa e fiável para o controlo da intensidade da luz na área dos infra-vermelhos. Quando da fonte de luz 10 irradiar de preferência no espectro do infra-vermelho de ondas longas, pode em vez do foto-díodo de silício 17 também ser utilizado um sensor infravermelho . A electrónica do driver provoca que a fonte de luz 10 se ligue e desligue num ciclo de operação de 1:3, em que o ciclo de ligação dura aproximadamente 1/10 segundos. O aquecimento dos filamentos incandescentes, aquando da ligação da fonte de luz acontece normalmente mais rápido do que o arrefecimento quando for desligada, de modo que o ciclo de operação de 1:3 garante um arrefecimento suficiente dos filamentos incandescentes depois do desligar. Os sinais saída do microfone de medição 13 e do 8 microfone de referência 14 são encaminhados para a electrónica de análise, onde se efectua uma subtracção dos dois sinais (figura 3) . 0 resultado desta subtracção é ampliado e por meio de uma rectificação sensível às fases, convertido numa tensão contínua. 0 apuramento de um valor de concentração de gás efectua-se por meio de uma comparação do sinal de tensão com os valores de calibração, aos quais são atribuídos valores de concentração de gás. 0 filtro de medição e o de referência 11 respectivamente 12 actuam como filtros passa-banda ópticos com uma zona de passagem caracterí st ica para o gás a ser detectado sob forma de uma estreita banda espectral. Para comprovar o CO2 esta banda espectral situa-se pelos 4,25 pm, para comprovar o NH3 pelos 10 pm. Os filtros 11 e 12 estão colados na metade de caixa 1 respectivamente 2 com uma substância adesiva que absorve a luz visível, em que a absorção da luz visível impede a iluminação da célula de medição respectivamente da célula de referência 6 respectivamente 7 com luz indesejada. Pela absorção da luz visível a substância adesiva e o filtro 11 e 12 aquecem. Por este meio é provocado um sinal acústico, o qual é utilizado para controlo de funcionamento dos microfones 13, 14, da fonte de luz 10 e do foto-díodo 17. Pois logo que este sinal desaparece, pelo menos uma das mencionadas componentes já não está apta para funcionar. Os circuitos para este controlo de funcionamento não são representados.
Em estado de funcionamento do sensor de gás, o gás existente na célula de medição é irradiado por luz modulada da fonte de luz 10. O gás absorve a radiação de luz e aquece deste modo. A partir disto realiza-se uma dilatação térmica e, correspondendo à modulação da radiação de luz, uma flutuação periódica da pressão, de modo que é produzida uma onda de pressão acústica, cuja força está directamente 9 relacionada com a concentração do gás. A concentração a ser analisada é apurada por meio da medição da pressão acústica. A dependência do sinal de medição das dimensões e outras caracteristicas da célula de medição 6 e a determinação da curva de calibração são descritas pormenorizadamente no registo europeu de patente n° 95 113 854.4, não sendo aqui mencionadas em pormenor. Neste contexto faz-se referência para o registo europeu de patente.
Quando não forem previstos nem a célula de referência 7 e nem o microfone de referência 14, então ao sinal de medição do respectivo sensor de gás estão sobrepostos sinais de interferência, os quais restringem o limite comprovativo para baixo. Os sinais de interferência são provocados essencialmente por efeitos de parede, flutuações de pressão do ar e vibrações.
Os sinais de interferência provocados por vibrações são eliminados quando em paralelo para com o microfone de medição 13 for utilizado um segundo microfone idêntico (microfone de referência 14) , o qual não recebe sinais optoacústicos S (figura 3) do gás a ser analisado, e os sinais de ambos os microfones serem subtraídos. Os sinais de interferência provocados por flutuações da pressão do ar (aparelhos de ventilação, abrir e fechar de portas e janelas), são eliminados quando em paralelo para com a célula de medição 6, for utilizada uma célula de referência 7 e o microfone de referência 14 for instalado nesta célula de referência. Então os sinais de interferência estão contidos tanto no sinal da célula de medição como também no sinal da célula de referência, não influenciando o sinal de medição obtido por meio da subtracção destes dois sinais. 0 microfone de referência 14 na célula de referência 7 não deve captar sinais optoacústicos S do gás a ser analisado, 10 para que os sinais provocados por vibrações também sejam eliminados. Esta condição é simplesmente cumprida pelo facto de que na célula de referência 7 não haver radiação com luz modulada do gás ali contido ou que a radiação que atinge as células de referência 7 não seja ou só ligeiramente absorvida pelo gás a ser analisado.
Por meio dos efeitos de parede são provocados os assim denominados sinais de ponto zero, o que é derivado principalmente pelo aquecimento modulado do filtro de medição 11. Estes efeitos de parede são eliminados quando na célula de referência 7 for instalado um filtro de referência 12 irradiado por uma fonte de luz idêntica, que de igual modo se aquece de forma modulada. De preferência, tal como está representado nas figuras 1 e 2, é utilizada uma fonte de luz 10 comum para a célula de medição e a de referência 6 respectivamente 7.
Aquando da utilização de um filtro de referência 12 deve no entanto ter-se em conta que o filtro de referência não deixe passar para a célula de referência 7 nenhuma radiação directa da fonte de luz idêntica, a qual poderia ser absorvida pelo gás a ser analisado. Esta condição é por um lado cumprida pelo facto de que o filtro de referência 12, composto no visível por um material pelo menos parcialmente absorvente (por exemplo silício polietileno enegrecido e similares), no seu lado voltado para a célula de referência 7 esteja guarnecido por uma camada espelhada 20 (figura 2), pelo que o filtro de referência apresenta as seguintes características: O filtro de referência 12 é pela absorção da percentagem visível da radiação da fonte de luz 10 aquecido tanto quanto o filtro de medição 11. 11
Na camada espelhada 20 a radiação infra-vermelha não absorvida é reflectida para a célula de medição 6, pelo que aumenta o sinal útil.
Nenhuma radiação infra-vermelha directa da fonte de luz 10 chega à célula de referência 7. O filtro de referência 12 pode por outro lado também ser estruturado sem a camada espelhada 20 e deixar penetrar radiações infra-vermelhas na célula de referência 7. Neste caso deve-se ter em conta que a radiação infra-vermelha que penetrar na célula de referência 7, apresente ou um outro comprimento de onda do que a radiação que penetra na célula de medição 6 ou que seja somente pouco absorvida pelo gás a ser analisado.
Para a montagem do sensor de gás o filtro de medição e o de referência 11 respectivamente 12 são colados na respectiva metade de caixa 1 respectivamente 2, e a placa de circuitos impressos 3 é equipada com as componentes necessárias, a fonte de luz 10, o microfone de medição 13, o microfone de referência 14 e o foto-diodo 17. A seguir as duas metades de caixa 1 e 2 são unidas por colagem e fixadas por meio da colocação dos anéis 4 e 5 e finalmente a placa de circuitos impressos 3 é fundida com o corpo do sensor.
Claims (6)
1 REIVINDICAÇÕES 1. Sensor de gás optoacústico com um corpo de sensor, o qual apresenta uma fonte de luz (10), uma célula de medição (6) com uma membrana (15) permeável ao gás e um microfone de medição (13), um filtro de medição (11) instalado entre a fonte de luz (10) e a célula de medição (6) e uma electrónica de análise, caracterizado por o corpo de sensor apresentar uma célula de referência (7) com uma membrana (15) permeável ao gás separada da célula de medição (6) e um microfone de referência (14), o qual está protegido em relação para com sinais optoacústicos do gás a ser analisado, sendo instalado entre a fonte de luz (10) e a célula de referência (7) um filtro de referência (12) óptico, o qual ou não deixa passar para a célula de referência (7) radiações directas ou somente aquelas da fonte de luz (10) , que não são absorvidas ou somente muito pouco pelo gás a ser analisado e no dispositivo electrónico de análise se realizar uma subtracção dos sinais dos dois microfones (13, 14).
2. Sensor de gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o filtro de referência (12) ser composto por um material transparente para infravermelhos, contudo pelo menos parcialmente absorvente no espectro visível e no lado voltado para a célula de referência (7) estar equipado com uma camada espelhada (20) .
3. Sensor de gás de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por entre a fonte de luz (10) e a célula de referência (7) estar disposto um filtro de referência (12) óptico, o qual deixa passar para a célula de referência (7) somente aquelas radiações da fonte de luz (10), as quais têm um outro comprimento 2 de onda do que aquela radiação que atinge a célula de medição (6) e que não é ou somente um pouco absorvida pelo gás a ser analisado.
4. Sensor de gás de acordo com uma das reivindicações 1 até 3, caracterizado por o corpo de sensor ser composto por duas metades de caixa (1, 2) das quais uma (1) contém a célula de medição (6) com o microfone de medição (13) e o filtro de medição (11) e a outra a célula de referência (7) com o microfone de referência (14) e o filtro de referência (12).
5. Sensor de gás de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por a fonte de luz (10) estar disposta de tal modo que a mesma se situe pela metade em cada uma das duas metades de caixa (1, 2).
6. Sensor de gás de acordo com uma das reivindicações 1 até 5, caracterizado por o filtro de medição (11) e o filtro de referência (12) estarem colados na sua metade de caixa (1 respectivamente 2) com uma substância adesiva que absorve a luz visível.
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