A medição de CO₂ é uma das principais formas de monitorar as condições de ventilação de ambientes internos. Durante décadas, sensores baseados em NDIR (Non-Dispersive Infrared) foram uma das principais tecnologias utilizadas para essa finalidade. Esses sensores utilizam a absorção de luz infravermelha pelo CO₂ para determinar sua concentração. Leia mais aqui

Uma evolução desse princípio é a tecnologia fotoacústica, também conhecida como Photoacoustic NDIR (PA-NDIR). Em vez de medir diretamente a quantidade de luz que atravessa uma câmara, o sensor fotoacústico detecta as pequenas variações de pressão geradas quando as moléculas de CO₂ absorvem luz infravermelha pulsada. Essa mudança no princípio de detecção permite reduzir significativamente o tamanho da estrutura de medição e abre novas possibilidades para integração de sensores de CO₂ em dispositivos compactos.

O que é a tecnologia fotoacústica?

O efeito fotoacústico ocorre quando um material absorve energia luminosa modulada ou pulsada e essa energia produz variações periódicas de temperatura e pressão. No caso da medição de gases, a luz é escolhida de acordo com uma região do espectro que seja absorvida pelo gás de interesse. Para o CO₂, uma fonte de infravermelho é utilizada para excitar as moléculas presentes na câmara de medição.

A energia absorvida provoca alterações periódicas no estado energético das moléculas e, consequentemente, pequenas variações de temperatura e pressão no interior da câmara. Essas variações geram uma onda acústica, que pode ser detectada por um microfone.

Como funciona um sensor fotoacústico de CO₂

De forma simplificada:

Luz infravermelha → absorção pelo CO₂ → variação de pressão → onda acústica → microfone → concentração de CO₂

Esse é o princípio fundamental utilizado nos sensores Photoacoustic NDIR. (Sensirion)

Como funciona um sensor fotoacústico de CO₂?

O funcionamento pode ser dividido em quatro etapas principais.

1. Emissão da luz infravermelha

• Uma fonte de infravermelho emite radiação em uma faixa espectral na qual o CO₂ apresenta forte absorção.

Diferentemente de uma fonte contínua utilizada em algumas arquiteturas NDIR convencionais, no princípio fotoacústico a radiação é modulada ou pulsada. Essa modulação é importante porque permite transformar a absorção de luz em um sinal acústico periódico.

2. Absorção da radiação pelo CO₂

• A luz infravermelha entra na câmara de medição e interage com as moléculas do gás.

As moléculas de CO₂ absorvem parte da energia em comprimentos de onda específicos. Quanto maior a quantidade de CO₂ presente na câmara, maior a quantidade de energia infravermelha absorvida.

3. Geração da onda acústica

• A energia absorvida pelas moléculas é convertida em energia térmica.

Como a fonte de infravermelho é modulada, esse processo também ocorre de maneira periódica. O resultado são pequenas variações de temperatura e pressão dentro da câmara. Essas variações produzem uma onda acústica cuja amplitude está relacionada à quantidade de CO₂ presente.

4. Detecção pelo microfone

• Um microfone integrado à estrutura do sensor detecta a variação de pressão.

• A eletrônica do dispositivo processa esse sinal e determina a concentração de CO₂.

Quanto maior a concentração de moléculas de CO₂, maior tende a ser a amplitude do sinal fotoacústico detectado.

Fotoacústico e NDIR convencional: qual é a diferença?

As duas tecnologias utilizam uma propriedade fundamental do CO₂: sua capacidade de absorver radiação infravermelha. A principal diferença está na forma como essa absorção é detectada.

• NDIR convencional

No NDIR transmissivo, a luz atravessa a câmara de medição e um detector óptico mede a intensidade da radiação que chega ao outro lado. O princípio pode ser representado por:

Fonte IR → Câmara → CO₂ → Detector óptico

Quanto maior a concentração de CO₂, maior a absorção e menor a intensidade de luz que chega ao detector. A relação entre absorção e concentração pode ser descrita pela Lei de Beer-Lambert, em que a intensidade transmitida depende da concentração do gás e do caminho óptico percorrido pela radiação.

• Fotoacústico

No sensor fotoacústico, a luz também é absorvida pelo CO₂, mas o sistema não precisa determinar a concentração medindo diretamente a quantidade de luz que atravessou a câmara. O processo passa a ser:

Fonte IR pulsada → Câmara → Absorção pelo CO₂ → Onda acústica → Microfone

Essa diferença aparentemente simples tem uma consequência importante para o projeto do sensor: a sensibilidade do princípio fotoacústico não depende da dimensão da cavidade óptica da mesma forma que no NDIR transmissivo. (Sensirion)

Por que a tecnologia fotoacústica permite sensores menores?

A miniaturização é uma das características mais interessantes do princípio fotoacústico. Em um NDIR transmissivo convencional, a radiação precisa percorrer um determinado caminho óptico dentro da câmara antes de chegar ao detector. Esse caminho faz parte da arquitetura de medição e influencia diretamente o projeto físico do sensor.

A tecnologia fotoacústica utiliza uma abordagem diferente. Como o sinal de medição é obtido a partir da onda acústica produzida pela absorção da radiação, a sensibilidade não depende da mesma maneira do comprimento do caminho óptico. Isso permite reduzir significativamente o volume da câmara de medição.

Na prática, a tecnologia deixa de depender de uma estrutura óptica relativamente grande e passa a utilizar uma arquitetura formada principalmente por:

• Fonte de infravermelho
• Câmara de medição
• Elementos ópticos de seleção
• Microfone
• Eletrônica de processamento

A combinação desses elementos em tecnologias MEMS e processos de fabricação de semicondutores permite colocar a medição de CO₂ em um volume muito menor.

O papel do MEMS na miniaturização

A miniaturização não depende apenas do princípio fotoacústico. Ela também está relacionada à integração de diferentes componentes em tecnologias de fabricação de semicondutores e MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems).

MEMS permite fabricar estruturas mecânicas extremamente pequenas diretamente sobre substratos utilizados na fabricação de dispositivos eletrônicos. No contexto de sensores fotoacústicos, essa integração pode ser utilizada para:

• Microfones
• Estruturas de detecção
• Elementos térmicos
• Fontes de infravermelho
• Estruturas de medição

A combinação entre fotoacústica, MEMS e processamento digital permite reduzir o número de componentes externos e o espaço ocupado pelo sistema. No caso do SCD4x, por exemplo, a solução integra a medição de CO₂ com sensores de temperatura e umidade utilizados na compensação do sinal. (Sensirion)

Miniaturização não significa apenas ocupar menos espaço

Reduzir o tamanho de um sensor não é apenas uma questão de engenharia mecânica. Um sensor menor pode mudar completamente a forma como a medição de CO₂ é incorporada a um produto.

Quando o sensor ocupa menos espaço, torna-se possível integrar a medição em equipamentos que anteriormente não possuíam volume suficiente para um sensor convencional. Isso amplia as possibilidades de aplicação em:

• Termostatos
• Sensores de qualidade do ar
• Equipamentos de ar-condicionado
• Sistemas de ventilação
• Purificadores de ar
• Air quality monitors
• Dispositivos IoT
• Equipamentos residenciais
• Sistemas de automação predial

Fabricantes de sensores fotoacústicos já apontam aplicações como sistemas compactos de ventilação, sondas de dutos, purificadores de ar, termostatos, aparelhos de ar-condicionado e monitores de qualidade do ar. (Sensirion)

Quais são os desafios de um sensor fotoacústico?

Apesar das vantagens de miniaturização, desenvolver um sensor fotoacústico exige controlar diversos fatores. O sinal acústico gerado pela absorção de CO₂ é extremamente pequeno e precisa ser diferenciado de outras fontes de variação de pressão e ruído. Entre os fatores que podem influenciar o sistema estão:

• Ruído acústico
• Vibração mecânica
• Temperatura
• Umidade
• Pressão atmosférica
• Interferência de outros gases
• Características acústicas da câmara
• Estabilidade da fonte infravermelha
• Frequência de modulação

Por isso, a miniaturização exige não apenas reduzir o tamanho dos componentes, mas também desenvolver uma arquitetura capaz de manter uma relação sinal-ruído adequada. A literatura científica sobre sensores fotoacústicos mostra que o aumento da relação sinal-ruído é um dos principais temas de desenvolvimento da tecnologia, envolvendo desde a interação entre luz e moléculas até o projeto da célula acústica e a detecção do sinal. (ScienceDirect)

Fotoacústico x NDIR: comparação das tecnologias

A tabela mostra uma diferença de arquitetura, e não uma substituição completa de uma tecnologia pela outra.

NDIR convencional continua sendo uma tecnologia consolidada para medição de CO₂. A tecnologia fotoacústica acrescenta uma nova possibilidade de projeto, principalmente quando tamanho, integração e volume de produção são fatores importantes.

Por que isso importa para a automação predial?

A evolução dos sensores de CO₂ tem impacto direto na automação predial. Quanto mais fácil for incorporar sensores em equipamentos e pontos de medição, maior pode ser a capacidade de monitorar as condições reais do ambiente. A concentração de CO₂ pode então ser utilizada pela automação para:

• Controlar renovação de ar
• Ajustar vazão de ventilação
• Monitorar ocupação
• Criar alarmes
• Registrar históricos
• Otimizar o funcionamento do HVAC

O sensor deixa de ser apenas um instrumento de medição e passa a funcionar como uma fonte de dados para a tomada de decisão do sistema de automação.

CO₂ como variável de controle

Uma das aplicações mais importantes da medição de CO₂ é a ventilação sob demanda (Demand Controlled Ventilation – DCV). Em vez de operar a ventilação sempre com uma vazão fixa, o sistema pode utilizar informações sobre a ocupação e a qualidade do ar para ajustar a renovação de ar. Uma arquitetura simplificada pode ser representada como:

• Sensor de CO₂ → Controlador → Sistema HVAC → Renovação de ar

Quando a concentração de CO₂ aumenta, o sistema pode aumentar a renovação de ar. Quando a ocupação diminui e a concentração retorna a níveis mais baixos, a estratégia de controle pode reduzir a ventilação, respeitando os requisitos aplicáveis ao projeto. Essa abordagem pode contribuir simultaneamente para a qualidade do ar e para a eficiência energética do edifício.

O futuro dos sensores de qualidade do ar

A miniaturização dos sensores de CO₂ faz parte de uma tendência maior de integração de múltiplas variáveis ambientais em um único dispositivo. Um sensor compacto, como o transmissor WELL da Aeris, pode ser combinado com:

• Temperatura
• Umidade relativa
• CO₂
• VOC
• Material particulado
• Pressão

Isso permite criar dispositivos capazes de monitorar diferentes aspectos da qualidade do ar em tempo real.

A evolução do CO₂ fotoacústico é importante justamente porque reduz uma das principais barreiras para essa integração: o tamanho do elemento de medição. Em vez de pensar no sensor de CO₂ como um módulo separado, ele pode passar a ser tratado como mais um componente eletrônico dentro do equipamento.

Conclusão

A tecnologia fotoacústica representa uma evolução importante na forma de realizar a medição de CO₂. O princípio continua baseado na absorção de infravermelho pelas moléculas de CO₂, mas a detecção passa a ser realizada a partir da onda acústica gerada pela absorção da radiação.

Essa mudança permite uma arquitetura muito mais compacta e abre espaço para sensores de CO₂ que podem ser integrados diretamente a dispositivos eletrônicos e sistemas de automação. Mais do que reduzir o tamanho do sensor, a tecnologia permite repensar onde a medição de CO₂ pode ser utilizada.

Em HVAC, IoT e qualidade do ar, sensores menores facilitam a criação de dispositivos mais inteligentes e com maior capacidade de monitoramento. Para a automação predial, essa evolução representa um passo importante em direção a sistemas cada vez mais distribuídos, conectados e orientados por dados.