A Figura 6 mostra um exemplo da estrutura real de um analisador de gases por infravermelho. Ele consiste em uma combinação de partes principais com as funções listadas na Tabela 1.
Figura 6: Estrutura do analisador de gás infravermelho
| 1) Fonte de luz infravermelha | Emite luz de radiação infravermelha com comprimentos de onda na faixa do infravermelho médio de 2,5 a 25 μm. |
| 2) Helicóptero | Radiação infravermelha intermitente fornecida por uma fonte de luz infravermelha a uma célula de amostra e a uma célula de referência em um ciclo regular (um tipo de mecanismo de modulação). |
| 3) Célula de amostra, Célula de referência | A célula de amostra é uma célula de gás que permite o fluxo de gás de amostra contendo o componente a ser medido. A célula de referência é uma célula de gás que permite o fluxo de gás de referência ou é fechada, e funciona como um caminho óptico para a radiação infravermelha. |
| 4) Filtro óptico | Um filtro de membrana multicamadas que transmite apenas a radiação infravermelha do comprimento de onda específico absorvido pelo componente medido. |
| 5) Detector principal para o componente medido | Mecanismo de detecção incluindo sensores para detectar alterações na absorção infravermelha do componente medido. |
| 6) Detector de compensação para o componente interferente | Mecanismo de detecção, incluindo sensores, para detectar alterações na absorção infravermelha do componente interferente, a fim de compensar a influência desse componente no componente medido. |
| 7) Processamento de sinais | Processamento de sinal para os sinais detectados de 5 e 6 para calcular a concentração do componente medido. |
Foto 1: Exemplo de um analisador de gás infravermelho configurado com os principais componentes.
A foto 1 mostra um exemplo de um analisador de gases por infravermelho configurado com seus principais componentes. Para atender rapidamente às diversas necessidades do mercado, HORIBA fabrica internamente os componentes-chave de um analisador de gases por infravermelho: fonte de luz infravermelha, célula de amostra, célula de referência, filtro óptico e detector.
Esta seção explica os princípios de funcionamento do analisador de gases infravermelho. A estrutura básica do analisador de gases infravermelho (Figura 4) incorpora uma célula de referência, um chopper e um detector pneumático (Figura 5), e pode medir a concentração de gases utilizando as três funções principais da tabela 2 (Figura 6, Foto 1).
| 1) Função de detecção do componente medido | Detecta a radiação infravermelha absorvida correspondente ao componente medido na amostra de gás. |
| 2) Função de Modulação | Para melhorar a precisão da medição, a radiação infravermelha da fonte de luz infravermelha é intermitente em intervalos regulares, e o sinal do detector é emitido como um sinal modulado. |
| 3) Função de compensação para componente interferente | Detectar a absorção infravermelha correspondente à concentração do componente interferente para compensar os efeitos deste componente no componente medido. |
Esta seção descreve o princípio de funcionamento no caso em que o gás da amostra é o gás de escape e o CO presente no gás de escape é medido.
São utilizadas duas células de gás (célula de amostra e célula de comparação). A diferença na quantidade de absorção infravermelha gerada em cada célula de gás, com base no princípio de medição NDIR, é detectada como uma diferença de pressão por um microfone de condensador no detector pneumático, e a concentração do componente analisado no gás da amostra é medida utilizando-se essa diferença de pressão. O detector para medir a concentração do componente analisado é chamado de detector principal do componente analisado (Figura 6).
Funções e operações da célula de amostra, célula de referência e microfone de condensador (Figura 7)
Figura 7: Princípio básico de funcionamento do analisador
Dentro do detector pneumático (Figura 5), o CO, componente a ser medido, está contido em duas câmaras separadas por um diafragma de microfone de condensador. O diafragma do microfone de condensador no detector se move devido à diferença de pressão entre as duas câmaras, alterando a capacitância de um capacitor formado por esse diafragma e a placa traseira, e a diferença de pressão é detectada como um sinal elétrico.
Na célula de referência, um gás inerte, como o N2, que não absorve radiação infravermelha, é contido. Nessa célula, a radiação infravermelha não é absorvida e apenas a radiação infravermelha com comprimento de onda de absorção pelo CO é transmitida através do filtro óptico e entra na câmara direita do detector, abaixo da célula de referência. O CO contido absorve a radiação infravermelha transmitida e gera calor, o que aumenta a pressão na câmara e mantém o diafragma sob pressão constante.
Por outro lado, a radiação infravermelha é absorvida na célula de amostra dependendo da concentração de CO no gás de escape. A radiação infravermelha de um comprimento de onda específico, após ser absorvida na célula de amostra, é seletivamente transmitida pelo filtro óptico para o comprimento de onda de absorção infravermelha do CO e entra na câmara esquerda do detector, abaixo da célula de amostra, pressionando o diafragma com uma pressão correspondente à quantidade de radiação infravermelha absorvida pelo CO contido na câmara esquerda. Nesse momento, o diafragma se move devido à diferença de pressão entre as câmaras esquerda e direita (não se movendo ou se movendo para a câmara esquerda. Em termos de pressão, câmara esquerda ≦ câmara direita). Essa diferença de pressão é convertida e emitida em um sinal elétrico, que representa a absorção infravermelha de CO no gás de escape, e é convertido em um valor de concentração de gás CO pela unidade de processamento de sinal.
O microfone de condensador detecta a variação na capacitância quando há uma diferença na distância entre o diafragma e a placa traseira, que varia em correspondência com a diferença de pressão entre os lados esquerdo e direito do diafragma. Mesmo quando a concentração do gás componente medido varia pouco e o movimento do diafragma é pequeno e lento, a radiação infravermelha da fonte de luz infravermelha é interrompida em intervalos regulares para vibrar o diafragma, permitindo a medição precisa da mínima variação de concentração. Essa sequência de operações é chamada de modulação.
Função e operação do picador
Figura 8: Operação do Chopper vs. Fornecimento de Infravermelho
Especificamente, trata-se de um mecanismo que gira uma placa fina em forma de gravata borboleta, chamada chopper, sob uma fonte de luz infravermelha, que realiza a operação de modulação (Figura 8).
Ao girar esta placa fina, a quantidade de radiação infravermelha de cada fonte de luz infravermelha da célula de amostra e da célula de referência varia continuamente de 0% a 100% periodicamente. Por exemplo, se o modulador sobrepuser completamente a fonte de luz infravermelha de ambas as células (ângulo de rotação: 0 graus), nenhuma radiação infravermelha será gerada em ambas as células e o diafragma do microfone condensador não se expandirá. Por outro lado, quando não houver sobreposição (ângulo de rotação: 90 graus), 100% da radiação infravermelha da fonte de luz infravermelha será fornecida a ambas as células.
Figura 9: Operação do analisador de gases por infravermelho e detecção dos sinais de concentração do componente medido.
Combinando 1) e 2), é possível que o microfone de condensador detecte a pressão lateral diferencial proporcional à concentração do componente medido (CO no gás de escape) que flui para a célula de amostra (Figura 9).
Entre os gases presentes na amostra, além do componente medido, podem coexistir alguns gases com comprimentos de onda que se sobrepõem ao comprimento de onda de absorção infravermelha do componente medido. Esse gás é denominado componente interferente. (Figura 10: gráfico: comprimentos de onda de absorção infravermelha e quantidades de absorção infravermelha para o componente medido e o componente interferente). Quando o componente interferente está presente, o detector principal do sinal de saída do componente medido inclui a radiação infravermelha absorvida pelo componente interferente, sendo necessário, portanto, remover esse efeito. Para isso, um detector de compensação para o componente interferente detecta a absorção infravermelha correspondente à concentração do componente interferente na amostra.
Função e operação do detector de compensação para componentes interferentes
Figura 10: Detector de compensação para o componente interferente e obtenção do sinal do componente medido após a correção do efeito de interferência.
O detector de compensação para o componente interferente é posicionado de forma a utilizar o mesmo caminho óptico de radiação infravermelha e a mesma função de modulação que o detector principal para o componente medido (Figura 10). O detector de compensação de interferência também é do mesmo tipo de detector pneumático (Figura 5) que o detector principal para o componente medido. A radiação infravermelha remanescente, absorvida pelo componente medido e pelo componente interferente no detector principal do componente medido, é transmitida para o detector de compensação do componente interferente. Essa radiação infravermelha transmitida é absorvida pelo gás de correção de interferência contido no detector de compensação do componente interferente e detectada pelo microfone de condensador como uma diferença de pressão. Isso gera um sinal de correção (B) correspondente à concentração do componente interferente (Figura 10: gráfico do sinal de correção do componente interferente). Subtraindo-se o sinal de saída (B) do detector de compensação do componente interferente do sinal de saída (A) do detector principal do componente medido no processamento do sinal, obtém-se a concentração do componente medido com a correção de interferência.
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