Aplicabilidade de sensores de baixo custo a redes de monitorização da qualidade do ar

Leite, João Miguel Barrote Lopes

http://hdl.handle.net/10400.19/3158

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Authors

Leite, João Miguel Barrote Lopes

Advisor(s)

Pinho, Paulo Gabriel Fernandes de

Marques, Bruno Filipe Lopes Garcia

Abstract(s)

A crescente consciencialização da comunidade internacional para a problemática das alterações climáticas, bem como o agravamento de patologias associadas à má qualidade do ar, levou a comunidade científica a repensar as suas políticas de controlo e monitorização da qualidade do ar, onde as atuais redes pontuais de malha pouco densa, compostas por estruturas de elevadas dimensões, elevados custos e elevados processos de manutenção e operacionalidade,per si, não se adequam à escala à qual serão exigidos resultados num futuro próximo. Assim sendo, o paradigma da monitorização convencional e de referência (de acordo com métodos e equipamentos que cumprem todas as exigências normalizadas) está desta forma a mudar, tirando partido da evolução técnica de sensores de baixo custo, promovendo, por exemplo, a criação de novas redes de monitorização complementar, o controlo de emissões na fonte e o combate às emissões fugitivas, bem como a avaliação da qualidade do ar ao nível da microescala da exposição individual. No entanto, surgem novos condicionalismos associados à dúbia qualidade dos dados e inexistência de regulamentação para a comercialização de sensores ou sistemas de monitorização de baixo custo, o que faz com que, praticamente na generalidade dos casos, se esteja a seguir o perigoso caminho da disponibilização de dados em quantidade, mas de fraca qualidade. O objetivo geral do presente trabalho foi o desenvolvimento e avaliação de desempenho de um sistema de monitorização de ozono (03) e dióxido de azoto (N02) no ar ambiente utilizando sensores de baixo custo, com a capacidade de aquisição e partilha de dados em tempo real. A avaliação do desempenho do sistema de monitorização através da avaliação da sua sensibilidade (resposta a uma dada concentração de gás), da influência da sua resposta a variação controlada de condições ambientais de humidade relativa e temperatura e a avaliação do seu desempenho em situação real de monitorização da qualidade do ar. A avaliação foi realizada através de múltiplos ensaios realizados em condições controladas, com vários sistemas de monitorização semelhantes compostos por elementos individuais distintos. Nos ensaios laboratoriais de determinação da sensibilidade, foi possível constatar que a totalidade dos sistemas de monitorização tiveram um bom desempenho em termos de tempos de resposta, estabilização de sinal e linearidade, quando testados com diferentes concentrações de gás (03 e N02) injetadas permitindo determinar um fator de sensibilidade (voltagem vs. concentração do gás). No entanto, verificou-se que o fator de sensibilidade de cada sistema de monitorização obtido nos ensaios de laboratório foi distinto do determinado pelo fabricante dos sensores eletroquímicos (especificações do mesmo quando estes foram adquiridos). O facto da sensibilidade do sistema de monitorização depender do sistema de aquisição e partilha de sinal para além da dependência do sensor electroquímico veio confirmar, a já esperada necessidade de efetuar a calibração para cada sistema de monitorização de forma individualizada. Os ensaio laboratoriais para a determinação dos zeros de tensão de cada sistema de monitorização (voltagens gerada pelo elétrodo de trabalho e pelo elétrodo auxiliar do sensor eletroquímico quando o sistema de monitorização é exposto a concentrações nulas dos gases a que é reativo) e da influência da humidade relativa do ambiente em que os sistemas de monitorização se encontram, permitiram constatar que a mesma não influencia de forma significativa a resposta dos sistemas, podendo ser desprezada no cálculo da concentração do poluente. No que respeita à avaliação da influência da temperatura ambiente nos zeros de tensão gerados pelos sistemas de monitorização foi possível concluir que, para temperaturas entre os 15°C e os 30°C, esta tem uma influência linear inversa nos zeros de tensão, isto é, à medida que sobe a temperatura o zero de tensão diminui. No caso dos sistemas de monitorização de N02, verificou-se uma maior dependência da temperatura, com a descida de 1°C a significar um acréscimo aproximado de 2m V na corrente gerada pelo elétrodo de trabalho. A avaliação do desempenho dos sistemas de monitorização quando colocados em condições ambientais de temperatura e humidade relativa não controladas foi efetuada através de ensaios de determinação da concentração de 03 e N02 no ar ambiente exterior. Para o caso particular dos sensores do tipo Ox foi notória a boa resposta dos sensores avaliados, com as curvas de concentração a acompanharem o padrão traçado pelo método de referência tanto no ensaio de Fase 1 como Fase 2. Foi assim possível concluir que os níveis de concentração de 03 obtidos, beneficiam significativamente com a correção dos zeros de tensão em função da temperatura, reduzindo o seu desvio, em termos médios 42% e 27%, fixando-se os desvios médios relativamente ao método de referência em -1 % e 7%, %, para o Sistema 1 (Sensor OX 158) e para o Sistema 2 (Sensor OX 155), respetivamente. Pelo contrário, no caso dos sensores do tipo N02 os resultados obtidos revelaram que os níveis de concentração de N02 obtidos em sensores do tipo N02, são prejudicados com a correção dos zeros de tensão em função da temperatura, aumentando o seu desvio, em termos médios 98% e 236%, fixando-se os desvios relativamente ao método de referência em 62% e 199%, para o Sistema 1 (Sensor N02 515) e Sistema 2 (Sensor N02 520), respetivamente. No ensaio de Fase 2, foi possível constatar, essencialmente através da análise das dispersões obtidas, a dificuldade, por parte dos sensores N02 515 e N02 520, na determinação de N02 isoladamente (e respetiva blindagem ao 03) como consta das especificações técnicas dos mesmos que se reflete em resultados, essencialmente, para concentrações baixas onde a dispersão revela uma elevada variabilidade de valores. Foi ainda possível concluir sobre a necessidade de calibrações e ajuste de cada sistema produzido através de ensaios em contínuo, em ar ambiente, por ajuste com analisadores de referência, revelando-se insuficiente a simples calibração laboratorial.