Como medir dióxido de carbono (CO₂)

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:

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.

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.