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Analisadores de gás infravermelho determinam a concentração de gás medindo a absorção de radiação infravermelha em comprimentos de onda característicos. Sua operação é baseada na lei de Lambert–Beer, que relaciona a absorção óptica à concentração de gás e ao comprimento do caminho óptico. Em instrumentos práticos, no entanto, o sinal medido também é influenciado pela temperatura da amostra, pressão da amostra, estabilidade óptica e condição de operação do detector.

Temperatura e pressão estão entre as variáveis ambientais e de processo mais importantes que afetam a precisão, repetibilidade e estabilidade a longo prazo das medições de gás infravermelho.

A relação entre a intensidade infravermelha incidente e transmitida pode ser expressa em forma simplificada como:

Essa relação assume que as condições de medição relevantes permanecem controladas. Mudanças na temperatura ou pressão podem alterar a densidade molecular do gás, as características de absorção, as condições do caminho óptico e a resposta de componentes sensíveis à temperatura. Os efeitos resultantes podem aparecer como desvio de zero, desvio de span, aumento de ruído ou redução da repetibilidade.

A variação de temperatura pode interferir na análise de gás infravermelho tanto pelo gás da amostra quanto pelo hardware do analisador.

• Mudanças nas características de absorção do gás: A temperatura afeta a distribuição do estado de energia molecular e pode alterar a posição e a intensidade das características de absorção infravermelha. Consequentemente, a mesma concentração de gás pode produzir uma resposta de absorção diferente em uma temperatura diferente, resultando em desvio de span ou faixa.
• Variação na densidade do gás: Quando a pressão permanece constante, o aumento da temperatura do gás reduz o número de moléculas por unidade de volume. A diminuição da temperatura tem o efeito oposto. Se essa relação não for devidamente compensada, a concentração indicada pode desviar do valor real.
• Mudanças no caminho óptico: A expansão e contração térmica da célula de gás e sua estrutura de suporte podem causar pequenas mudanças no comprimento do caminho óptico ou no alinhamento óptico. Como o comprimento do caminho é parte da relação de Lambert–Beer, essas mudanças podem perturbar a linha de base da medição.
• Instabilidade da fonte de luz: A saída da fonte infravermelha pode variar com a temperatura, afetando a quantidade e a distribuição espectral da radiação que entra na câmara de medição.
• Resposta do filtro e do detector: Filtros ópticos e detectores infravermelhos são sensíveis à temperatura. Flutuações de temperatura podem deslocar a resposta do componente ou desestabilizar a linha de base do detector, contribuindo para o desvio de zero e a má repetibilidade dos dados.
• Risco de condensação: Em baixas temperaturas, a umidade ou outros componentes condensáveis na amostra podem liquefazer. O condensado pode contaminar as janelas da câmara, absorver energia infravermelha, restringir o fluxo da amostra e interferir na operação normal do analisador.

Mudanças rápidas de temperatura são geralmente mais difíceis de corrigir do que mudanças lentas e estáveis, pois a célula de gás, a eletrônica, a fonte de luz e o detector podem não atingir o equilíbrio térmico na mesma taxa. Isso pode criar desvio temporário mesmo quando a compensação de temperatura está disponível.

A absorção infravermelha depende do número de moléculas de gás absorventes dentro do caminho óptico. Por esse motivo, a pressão da célula de amostra tem uma influência direta no sinal medido. A pressão ambiente também se torna relevante quando o sistema de amostra ou a câmara de medição acompanham a pressão atmosférica.

• Alta pressão: Um aumento na pressão da amostra aumenta a densidade numérica molecular. Isso geralmente fortalece a absorção infravermelha e pode causar uma leitura maior do que a concentração real se os efeitos da pressão não forem compensados.
• Baixa pressão: Uma diminuição na pressão da amostra reduz a densidade numérica molecular e enfraquece a absorção, o que pode produzir uma leitura falsamente baixa.
• Pressão instável: Flutuações severas de pressão podem perturbar o fluxo de gás através da câmara e produzir leituras instáveis, maior ruído ou repetibilidade reduzida.
• Mudanças de pressão transitórias: Variações rápidas de pressão podem exceder a capacidade de resposta ou a faixa de correção de algoritmos de compensação convencionais. Isso pode levar a erros de medição temporários, mesmo quando um sensor de pressão está instalado.

Sistemas industriais de análise de gás infravermelho geralmente combinam estabilização de hardware, condicionamento de amostra e compensação de software. A configuração apropriada depende da composição do gás, das condições do processo e do projeto do analisador.

1. Estabilizar a temperatura da célula de gás. Manter a câmara e os componentes ópticos críticos dentro de uma faixa de temperatura controlada reduz o desvio térmico e suporta medições de absorção repetíveis.
2. Aplicar compensação de temperatura e pressão. Sensores integrados podem fornecer dados em tempo real para corrigir a saída do analisador. A compensação é mais eficaz quando os sensores representam com precisão as condições dentro ou perto da célula de medição.
3. Regular a pressão da amostra. Reguladores de pressão, restritores ou outros dispositivos de condicionamento podem minimizar as diferenças entre as condições de calibração e medição.
4. Manter fluxo de amostra estável. A estabilização do fluxo reduz a turbulência e a variação do tempo de residência na câmara, ajudando a melhorar a consistência do sinal.
5. Prevenir condensação. Linhas de amostra, filtros e a câmara de gás devem ser mantidos sob condições que impeçam a liquefação de água ou outros componentes condensáveis.
6. Permitir aquecimento e estabilização suficientes. Medições realizadas antes que a fonte, o detector, a eletrônica e a câmara de gás atinjam condições de operação estáveis podem apresentar desvio temporário.
7. Calibrar sob condições representativas. Sempre que prático, a pressão de calibração, a temperatura e as condições de manuseio da amostra devem ser consistentes com a operação normal.

Por que um analisador de gás infravermelho desvia quando a temperatura ambiente muda?
A temperatura pode afetar a resposta de absorção do gás, o caminho óptico, a saída da fonte infravermelha, a linha de base do detector, os filtros e os componentes eletrônicos. O efeito combinado pode aparecer como desvio de zero, desvio de span ou repetibilidade reduzida.

A pressão atmosférica é sempre igual à pressão dentro da célula de gás?
Não. A pressão da célula depende do sistema de amostra, da conexão do processo, da resistência ao fluxo, do arranjo de exaustão e dos componentes de controle de pressão. A correção da medição deve ser baseada na pressão que representa as condições reais da célula de gás.

A compensação por software pode eliminar completamente os erros de temperatura e pressão?
A compensação pode reduzir substancialmente erros previsíveis, mas não pode necessariamente corrigir transientes severos, condensação, óticas contaminadas, fluxo instável ou condições de operação fora da faixa de correção do analisador. O condicionamento estável da amostra continua sendo essencial.

Por que a condensação é particularmente prejudicial à medição infravermelha?
O condensado pode revestir as janelas ópticas, absorver ou espalhar radiação infravermelha, alterar a composição da amostra e restringir o fluxo. Esses efeitos não podem ser corrigidos de forma confiável apenas por um algoritmo padrão de temperatura ou pressão.

Temperatura e pressão influenciam diretamente o processo de absorção de gás e a estabilidade operacional dos analisadores de gás infravermelho. Mudanças de temperatura podem alterar a absorção molecular, a densidade do gás, as condições do caminho óptico e a resposta dos componentes, enquanto mudanças de pressão afetam o número de moléculas absorventes na câmara de medição. Flutuações rápidas também podem aumentar o ruído e exceder a capacidade dos métodos de compensação convencionais.

Portanto, temperatura estável da câmara, compensação eficaz de temperatura e pressão, pressão e fluxo de amostra controlados e prevenção adequada de condensação são essenciais para manter medições de gás infravermelho precisas e repetíveis em aplicações industriais.