Uma unidade da AKRIBIS One
Solicitar cotação

Nota de aplicação

Como medir dióxido de carbono (CO₂)

A medição de dióxido de carbono é uma exigência em uma ampla gama de aplicações: da automação predial e estufas até ciências da vida e segurança industrial.

Esta nota resume os fundamentos físicos da medição de CO2 por infravermelho, como compensar a leitura por temperatura, pressão e umidade, onde posicionar os transmissores conforme o caso de uso, e os riscos associados à exposição ao gás.

Esta nota aborda

  • Princípio de funcionamento dos sensores infravermelhos de CO2
  • A lei dos gases ideais e como compensar a medição por fatores ambientais
  • Localizações ideais para transmissores de CO2
  • O efeito da umidade na leitura de CO2
  • Riscos de segurança associados ao CO2

Princípio de funcionamento dos sensores infravermelhos

O dióxido de carbono e outros gases compostos por dois ou mais átomos distintos absorvem radiação infravermelha (IR) de forma característica e única. Isso os torna detectáveis por técnicas ópticas. Vapor d'água, metano, dióxido de carbono e monóxido de carbono são exemplos de gases mensuráveis com um sensor IR, cada um com sua própria banda de absorção.

A detecção por infravermelho é a tecnologia mais utilizada para medir CO2, com vantagens claras em relação aos sensores químicos: são estáveis, altamente seletivos ao gás medido, têm vida útil longa e, como o gás não interage diretamente com o sensor, toleram alta umidade, poeira, sujeira e outras condições adversas.

Os componentes principais de um detector de CO2 por IR são a fonte de luz, a câmara de medição, um filtro de interferência e o detector IR. A radiação infravermelha atravessa o gás medido em direção ao detector; um filtro posicionado à frente do detector bloqueia os comprimentos de onda que não correspondem ao gás de interesse. A intensidade de luz recebida é convertida em um valor de concentração.

O sensor CARBOCAP® da Vaisala aplica essa tecnologia para medir a concentração volumétrica de CO2, com um filtro Fabry-Perot (FPI) sintonizável eletricamente que permite uma medição de dupla comprimento de onda: além da absorção de CO2, o sensor realiza uma medição de referência que compensa variações na intensidade da fonte de luz e o acúmulo de sujeira ou contaminação, mantendo a estabilidade do sensor ao longo do tempo. A AKRIBIS é parceira autorizada da Vaisala para distribuição e suporte técnico na região — conheça a linha completa de instrumentação Vaisala.

Figura 1. Absorção de IR do CO2 e outros gases.
Figura 1. Absorção de IR do CO2 e outros gases.

A lei dos gases ideais

A lei dos gases ideais é útil para estimar o efeito das mudanças de temperatura e pressão sobre a medição de CO2, permitindo compensar as leituras.

Um gás ideal é um gás hipotético composto por partículas pontuais idênticas em movimento aleatório, de tamanho desprezível e sem forças intermoleculares relevantes. Na prática, os gases reais não se comportam exatamente assim, mas a aproximação descreve razoavelmente bem seu comportamento.

A lei relaciona o estado de uma quantidade de gás com sua pressão, volume e temperatura:

pV = nRT

  • p = pressão [Pa]
  • V = volume do gás [m³]
  • n = quantidade de gás [mol]
  • R = constante universal dos gases (= 8,3145 J/mol·K)
  • T = temperatura [K]

A maioria dos sensores de gás fornece um sinal proporcional à densidade molecular (moléculas por volume de gás), embora a leitura seja expressa em partes por milhão (volume/volume). Quando a pressão e/ou a temperatura mudam, a densidade molecular do gás muda conforme a lei dos gases ideais — e esse efeito se reflete diretamente na leitura em ppm do sensor.

Os instrumentos de CO2 típicos não medem pressão e, portanto, não compensam automaticamente suas variações. De fábrica, costumam ser calibrados em condições de pressão ao nível do mar (1013 hPa). Ao medir em altitudes diferentes, recomenda-se compensar o efeito da pressão, seja configurando o valor correto para compensação interna (em condições de pressão constante) ou programando a compensação em um sistema de automação ou PC (em condições de pressão variável). A mesma lógica se aplica ao efeito da temperatura, embora existam cada vez mais equipamentos de CO2 que medem e compensam a temperatura internamente, sem necessidade de compensação externa.

A Tabela 1 mostra, como referência, como a leitura de um sensor de CO2 (gás com 1.000 ppm de CO2 em condições padrão) muda conforme a temperatura e a pressão, de acordo com a lei dos gases ideais.

Tabela 1. Leitura em ppm de um sensor de CO2 ao medir um gás com concentração de 1.000 ppm, sob diferentes condições de temperatura e pressão.

Localizações ideais para transmissores de CO2

Evite locais onde pessoas possam respirar diretamente sobre o sensor. Também evite posicioná-lo próximo a dutos de entrada ou saída de ar, janelas ou portas.

Em ventilação por demanda, sensores montados em parede fornecem dados mais precisos sobre a efetividade da ventilação do que os montados em duto. Sensores de duto são mais adequados para sistemas de zona única e devem ser instalados o mais próximo possível do espaço ocupado, com fácil acesso para manutenção.

Quando o objetivo é medir CO2 por razões de segurança do pessoal, os transmissores devem ser instalados perto dos possíveis pontos de vazamento para permitir detecção precoce. É preciso considerar a geometria, ventilação e fluxo de ar da área monitorada — a quantidade e localização dos transmissores deve se basear em uma avaliação de risco.

O efeito da umidade na medição

As moléculas de uma mistura de gases ocupam o mesmo volume do sistema na mesma temperatura. Segundo a Lei de Dalton das Pressões Parciais, a pressão total de uma mistura de gases é a soma das pressões parciais de cada gás que a compõe.

Isso é relevante para entender a influência do vapor d'água sobre a leitura de um sensor de CO2. Quando se adiciona vapor d'água a um gás seco em condições constantes de pressão, temperatura e volume, a água desloca parte das moléculas de gás na mistura. De forma análoga, quando uma amostra de gás é retirada de um ambiente de alta umidade e seca antes de entrar na câmara de medição de um equipamento de CO2, a perda de moléculas de água muda a composição do gás e afeta a medição.

Esse efeito de diluição pode ser estimado com a Tabela 2. Conhecendo a concentração de CO2 do gás já seco, é possível calcular a concentração de CO2 do ambiente de alta umidade original — para isso é necessário o ponto de orvalho (Td a 1013 hPa) ou a concentração de água (ppm) de ambas as condições, úmida e seca.

Exemplo: uma amostra de gás é retirada de um ambiente com ponto de orvalho de 40 °C (73.000 ppm de água) para um ambiente de 20 °C Td (23.200 ppm de água). A concentração de CO2 medida de 5,263% a 20 °C Td equivale a 5,00% no ambiente de 40 °C Td (5,263% × 0,950 = 5,00%). A leitura mais baixa se deve à diluição causada pelo maior teor de água a 40 °C Td.

Tabela 2. Coeficientes de diluição na secagem de uma amostra de gás.

Dióxido de carbono e segurança

O dióxido de carbono é um gás não tóxico e não inflamável. No entanto, a exposição a concentrações elevadas pode representar risco à vida. Sempre que CO2 gasoso ou gelo seco é usado, produzido, transportado ou armazenado, a concentração pode subir a níveis perigosos. Como o CO2 é inodoro e incolor, os vazamentos são impossíveis de detectar a olho nu — daí a importância de contar com sensores adequados para proteger a segurança do pessoal.

Este conteúdo técnico é baseado na pesquisa da Vaisala sobre sensores de CO2 por infravermelho. A AKRIBIS é parceira autorizada da Vaisala para distribuição e suporte técnico na América Latina — conheça a linha completa de instrumentação Vaisala.

Instrumentos para medir CO2

Ver a landing completa de instrumentação de CO2 →

Instrumentos para medir CO2

Nota de aplicação

Ver tudo

Uma consulta sobre a sua medição

Um especialista responde com a solução, o instrumento e o serviço adequados.

Falar com um especialista

Escrever pelo WhatsApp