Sistema de Detecção de Metano baseado em Espectroscopia por Modulação de Comprimento de Onda e em Fibras Ópticas Microestruturadas de Núcleo Oco

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1 Sistema de Detecção de Metano baseado em Espectroscopia por Modulação de Comprimento de Onda e em Fibras Ópticas Microestruturadas de Núcleo Oco F. Magalhães 1, J. P. Carvalho 1,2, L. A. Ferreira 1, F. M. Araújo 1, J. L. Santos 1,2 1 Unidade de Optoelectrónica e Sistemas Electrónicos, INESC Porto, Portugal 2 Departamento de Física, Faculdade de Ciências da Universidade do Porto, Portugal Autor correspondente: filipe.magalhaes@inescporto.pt Palavras-chave: fibras ópticas microestruturadas, sensorização de gases, espectroscopia por modulação de comprimento de onda, metano. Resumo: Foi desenvolvido e implementado um sistema optoelectrónico para a detecção e monitorização de metano. A técnica de processamento de sinal usada no sistema é baseada na técnica de Espectroscopia por Modulação de Comprimento de Onda. Quando associado com as revolucionárias fibras microestruturadas, este esquema revelou ser um método eficaz de medição da concentração de gás. Tendo em vista a optimização do desenho da cabeça sensora, foi analisado o tempo de difusão do metano no interior de uma fibra microestruturada de núcleo oco. Foi obtido um erro de 2,8% entre os dados experimentais e os esperados teoricamente, validando assim o modelo adoptado. Estes resultados são extremamente encorajadores no sentido da implementação de uma unidade portátil para monitorização remota de gases. 1 INTRODUÇÃO O metano é um gás extremamente explosivo e um dos principais constituintes do gás natural, logo a sua detecção é um assunto de máxima importância. Existem diversas fontes de emissão deste gás, que podem ser naturais ou directamente relacionadas com a actividade humana. A EMCO é uma técnica muito poderosa e de elevada sensibilidade, largamente usada na detecção de gases, dado que a detecção é deslocada para frequências afastadas do ruído de base, melhorando, assim, significativamente a relação-sinal-ruído. Esta técnica foi então escolhida para a implementação de um esquema optoelectrónico (totalmente controlado por uma aplicação LabVIEW ) para a detecção e monitorização de metano. As fibras ópticas microestruturadas de núcleo oco, ao apresentarem corredores de ar no seu núcleo e baínha, abrem novas oportunidades para a detecção de gases uma vez que facilitam a interacção entre luz e gás no interior da sua estrutura. Uma abordagem possível, para a construção de uma cabeça sensora, consiste na criação de múltiplos espaçamentos entre segmentos de fibra microestruturada permitindo a difusão do gás para o interior do núcleo [1]. O estudo do tempo de difusão do metano no interior da fibra é, por isso, de extrema relevância. 2 ESPECTROSCOPIA POR MODULAÇÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA A Espectroscopia por Modulação de Comprimento de Onda é uma técnica que permite obter excelente relação-sinal-ruído com recurso a uma configuração relativamente simples. Nesta técnica o comprimento de onda da fonte laser contínua é modulado a uma determinada frequência (dithering) e enquanto a fonte lentamente percorre a risca de absorção do gás, a modulação do comprimento de onda é transformada numa modulação de amplitude, apresentando a sua maior amplitude nos pontos de maior declive da risca de absorção. Este método desloca a largura de banda da detecção para frequências mais elevadas onde a intensidade do ruído do laser é reduzida, melhorando, assim, a relação-sinal-ruído. Este conceito é similar à

2 codificação de informação nas bandas laterais de uma onda portadora de transmissão rádio. A Figura 1 mostra a resposta espectral de um laser modulado em frequência com um sinal de rádio, onde pode ser vista a frequência da portadora ωc e as frequências das bandas laterais ωc±ω. Assim, quando o laser varre lentamente a risca de absorção, a quantidade de luz absorvida, que pela lei de Beer-Lambert é proporcional à concentração de gás, é escrita nas bandas laterais. Esquematicamente, isto está representado na Figura 1 c) como um decréscimo na amplitude das bandas laterais. A informação relativa à absorção pode ser obtida com recurso a um amplificador lock-in, onde uma saída em tensão proporcional à concentração de gás pode ser gerada. Figura 1 Resposta spectral de uma fonte laser: a) não modulada; b) modulada sem absorção; c) modulada com absorção. Figura 2 Resultados experimentais obtidos implementando EMCO e usando um lock-in à frequência de dithering. 3 ESQUEMA DE DETECÇÃO As fontes DFB (Distributed FeedBack Laser) são candidatas naturais para a técnica de processamento de sinal idealizada, uma vez que combinam uma risca de emissão estreita com potência elevada, melhorando assim a relação-sinal-ruído. Estes lasers permitem modulações de baixa frequência por ajuste de temperatura e modulações de alta frequência por ajuste da corrente. Na Figura 2, podemos ver a resposta obtida por um amplificador lock-in, após ter sido aplicada a técnica de modulação previamente descrita. Podemos ver que a resposta obtida para o primeiro harmónico (a vermelho) é proporcional à primeira derivada da risca de absorção do gás (a preto) e que é igual a zero quando a emissão se encontra centrada com a risca de absorção. Por outro lado, a resposta à frequência do segundo harmónico (a azul) dá-nos a segunda derivada da risca de absorção e é máxima neste ponto. Eliminando a modulação lenta e estabilizando o comprimento de onda da emissão no pico da risca de absorção, obtém-se um sinal com amplitude dependente da concentração de gás e com frequência dupla da frequência de dithering, tal como é apresentado na Figura 3. O sistema de interrogação implementado pode ser visualizado na Figura 4. Figura 3 Fenómeno de duplicação de frequência quando a emissão está centrada na risca de absorção. Figura 4 Esquema de detecção de metano (a amarelo a parte implementada em LabVIEW ). Neste sistema, parte da luz emitida é direccionada para um célula de gás de referência que é usada para estabilizar a emissão no centro da risca de absorção, através de uma malha de realimentação. A resposta

3 do sistema perante variações de temperatura é apresentada na Figura 5. Figura 7 Resposta do sistema para duas concentrações de metano distintas. Figura 5 Resposta da malha de realimentação a variações de temperatura forçadas. A restante luz é direccionada para a cabeça sensora, sendo, então, obtido e sincronamente detectado o sinal a 2ω. Um dos objectivos era o de que a resposta do sistema fosse independente de flutuações de potência. Para que esta meta fosse cumprida, a seguinte relação é calculada à saída do sistema S = A2ω/DC (1) onde A2ω representa a amplitude do sinal detectado a 2ω, DC o seu nível de offset e S o sinal proporcional à concentração de gás. A Figura 6 representa uma resposta típica do sistema para diferentes atenuações de potência induzidas. Pode-se dizer que até 6 db de atenuação induzida a resposta do sistema permanece praticamente inalterada. Substituindo a fonte laser e a célula de gás de referência, facilmente se pode endereçar outro gás específico. 4 TEMPO DE DIFUSÃO DO GÁS NO INTERIOR DE FIBRAS ÓPTICAS MICROESTRUTURADAS Para o desenvolvimento de um sensor de gás baseado em fibras ópticas microestruturadas, permitindo a interacção directa da luz com os gases na sua estrutura, coloca-se a necessidade de estudar a difusão do gás no interior destas fibras. Para este propósito, consideremos uma fibra microestruturada com ambas as extremidades imersas numa atmosfera de metano. O gás penetrará gradualmente a fibra por difusão. Caracterizamos a difusão através da concentração média relativa de gás no interior da fibra ao longo da sua extensão. Esta concentração pode ser obtida pela integração da concentração local que se obtém resolvendo a equação de difusão com as respectivas condições de fronteira. Para a concentração média relativa usou-se a seguinte expressão, representada na forma de um somatório infinito [2]: C 8 1 j 1 exp D t (2) 2 2 j l j 1,3,5 2 Figura 6 Análise da influência de flutuações de potência na resposta do sistema. Na Figura 7 está representada a resposta do sistema para duas concentrações distintas de gás metano. onde l é o comprimento da fibra, D é o coeficiente de difusão do metano e t é o tempo. O coeficiente de difusão do metano em nitrogénio é 2,2 x 10-5 m 2 s -1 [3]. Usando este valor, a dependência da concentração média relativa com o tempo foi traçada para quatro comprimentos

4 diferentes de fibra. O resultado pode ser visualizado na Figura 8. Na Figura 11 estão representados os resultados experimentais obtidos para a difusão de 5% de metano em nitrogénio no núcleo de um segmento de fibra microestruturada com 13,7cm de comprimento. Da análise do gráfico pode-se verificar que o tempo necessário para atingir 95% do patamar final foi cerca de 248s, enquanto que o tempo teoricamente esperado era de cerca de 241s, levando-nos, assim, a obter um erro relativo de ~2,8%. Este resultado corrobora, assim, a validade do modelo adoptado. Figura 8 - Concentração média relativa de metano no núcleo de diversos comprimentos de fibra microestruturada em função do tempo. A fim de se avaliar experimentalmente a análise teórica apresentada previamente, foi realizada a seguinte experiência. Alinhou-se uma fibra SMF com um segmento de fibra microestruturada, no interior de uma câmara desenhada especialmente para este propósito (ver Figura 9), e optimizou-se a transmissão de luz através desse segmento. Figura 11 - Resultados experimentais para a difusão de uma mistura de 5% de CH 4 em N 2 no interior de um segmento de fibra com 13,7cm de comprimento. O valor teórico esperado (241s) está assinalado a vermelho. O comprimento da fibra, usada como cabeça sensora, está, assim, directamente relacionado com o tempo de resposta do sensor. Figura 9 Fotos da câmara de gás projectada para medição da concentração de metano e do seu tempo de difusão no interior das fibras. De seguida, injectou-se gás na câmara e foi registado, ao longo do tempo, o decaimento da potência de luz transmitida, causado pela absorção do gás no interior da fibra microestruturada. A montagem experimental utilizada está representada na Figura CABEÇA SENSORA Para o desenvolvimento de uma cabeça sensora baseada em fibras ópticas microestruturadas, idealizou-se a utilização de componentes bastante comuns, baratos e de dimensões conhecidas, que permitissem, simultaneamente, o alinhamento dos diversos segmentos de fibra e a difusão do gás para o interior das mesmas. Na Figura 12 pode-se ver uma imagem de uma cabeça sensora, constituída por duas ferrules e uma sleeve de zircónia. Figura 10 Montagem experimental usada para medir o tempo de difusão do gás no interior da fibra microestruturada. Figura 12 Cabeça sensora

5 6 CONCLUSÕES Neste trabalho foi apresentado um sistema baseado na técnica de Espectroscopia por Modulação de Comprimento de Onda para a detecção e monitorização remota de gases, nomeadamente metano, capaz de garantir boa sensibilidade e independência de flutuações de potência. Foi demonstrada a capacidade do sistema endereçar um gás específico e efectivamente detectar variações da sua concentração. Apesar de necessitar ainda de ser calibrado, o sistema conseguiu com facilidade detectar concentrações de metano inferiores ao Limite de Explosão Inferior (5%). REFERÊNCIAS [1] J. P. Carvalho, F. Magalhães, O. V. Ivanov, O. Frazão, F. M. Araújo, L. A. Ferreira, J. L. Santos. Evaluation of coupling losses in hollow-core photonic crystal fibres, EWOFS Third European Workshop on Optical Fibre Sensors, 4 a 6 de Julho, 2007, Nápoles, Itália. [2] Hoo, Y.L., et al., Design and Modeling of a Photonic Crystal Fiber Gas Sensor. Appl. Opt., (18): p [3] Lide, D.R., Handbook of Chemistry and Physics. 78th ed : CRC Press. O facto de cada espectro de absorção representar uma identidade única para um composto químico, torna o nosso sistema imune a detecção cruzada de outros gases. O risco de explosão não se coloca uma vez que as potências ópticas envolvidas são mínimas. Estes aspectos em conjunto com a possibilidade de monitorização remota de múltiplos sensores distribuídos geograficamente, constitui um forte leque de vantagens face aos sensores comerciais mais amplamente usados, sensores eléctricos termo-catalíticos (pelistores). Foi também analisada a problemática da difusão do gás no interior da fibra, usada como cabeça sensora, uma vez que afecta directamente o tempo de resposta do sensor. Apresentou-se também uma solução simples e económica para a construção de uma cabeça sensora. Esta solução permite alinhar eficazmente as fibras constituintes da cabeça sensora, assim como a difusão do gás para o seu interior. Os espaçamentos entre os vários segmentos de fibra permitem aumentar a sensibilidade do sistema sem comprometer o tempo de resposta do sensor. Os resultados obtidos foram bastante conclusivos e motivantes para a continuação do desenvolvimento de uma unidade portátil de detecção e monitorização remota de gases, para ser utilizada, por exemplo, em minas, em aterros e em processos industriais. AGRADECIMENTOS Este trabalho foi desenvolvido no contexto do Projecto Europeu NextGenPCF, financiado pelo IST no âmbito do 6º Programa-Quadro. Os autores gostariam também de agradecer a Jonathan Knight e Rodrigo Correa, da Universidade de Bath, pela disponibilização das fibras usadas nas experiências.