PHOTOACOUSTIC TECHNIQUE APPLIED TO MEASUREMENT OF PARTICULATE MATTER DEPOSITS
DISEÑO DE SISTEMA FOTOACÚSTICO PARA DETECCIÓN DE DEPÓSITOS DE PARTICULADO FINO

N. L. Barreiro, V. B. Slezak., A. L. Peuriot, L. Rubial
2014 Anales (Asociación Física Argentina)  
R e cib i do : 2 3 / 1 1/ 13 ; a cep t a do: 1 6 / 09 /2 01 4 El particulado fino puede alcanzar altas concentraciones en la atmósfera debido a múltiples fuentes de origen natural y humano. Su presencia afecta tanto al clima como a la salud humana por lo que su detección y monitoreo es de creciente interés. El objetivo de este trabajo es el diseño de un sensor para medir depósitos de particulado fino ya sea de carbón, nitratos o sulfatos. Para ello se eligió la técnica fotoacústica resonante en
more » ... ústica resonante en la cual se excita el depósito realizado sobre una ventana de una celda con un oscilador paramétrico óptico cuyo haz es modulado mecánicamente y sintonizado a una longitud de onda en resonancia con un pico de absorbancia de la sustancia a medir. La energía absorbida se libera en forma de calor al gas circundante y se genera una onda de presión que se puede medir con un micrófono. La adquisición se realiza mediante un amplificador lock-in, en forma sincrónica con la frecuencia de modulación del láser. Para realizar la medición se modeló y diseñó una celda fotoacústica con forma de paralelepípedo rectangular. Su forma permite incidir en ángulo de Brewster evitando reflexiones internas, las cuales dan lugar a dispersión del haz incrementando el ruido de fondo. Para realizar las muestras se desarrolló un método para hacer depósitos de particulado a partir de un nebulizador ultrasónico. También se diseñó un procedimiento de conteo gráfico para determinar la concentración depositada. Finalmente se describe el estudio de las primeras muestras de hollín y nitrato de potasio. Palabras clave: fotoacústica , particulado fino, depósitos Particulate matter can reach high concentrations in the atmosphere due to its multiple sources which can be natural and anthropogenic. Its presence affects both climate and human health, therefore, its detection and monitoring is of growing interest. The objective of this work is to design a sensor for measuring particulate matter in deposits of soot, nitrates or sulphates. For this purpose, we chose the resonant photoacoustic technique which lies in the periodical excitation of a deposit placed in a photoacoustic cell window by means of a modulated optical parametric oscillator tuned at a wavelength coincident with the maximum absorptivity of the deposited sample. The absorbed energy is released as heat to the surrounding gas and the pressure wave, which is generated, can be measured using a microphone. The signal acquisition is done synchronously by a lock-in amplifier referenced to the modulation frequency of the laser. In order to carry out the photoacoustic measurements we designed and built a special acoustic cavity. Its rectangular section allows Brewster angle incidence which avoids internal reflections and reduces background noise. To make the deposits we designed an easy method by means of an ultrasonic nebulizer and we developed a graphical counting method to determine deposited concentrations. Finally, we show the study on the first samples of soot and potassium nitrate. I. INTRODUCCIÓN El particulado fino atmosférico (aerosoles) son pequeñas partículas (< 100 μm) sólidas o líquidas presentes en suspensión en la atmósfera. Estos son generados tanto por eventos naturales (tormentas de arena, erupciones volcánicas, etc), como por actividades de origen antropogénico alcanzando niveles que afectan tanto al clima como a la salud humana. El efecto climático se produce tanto de una manera directa por fenómenos de absorción y dispersión de la radiación solar como, indirectamente, al funcionar como núcleos de condensación que modifican las propiedades radiativas y la persistencia de las nubes 1,2,3 . Los efectos en la salud humana se deben al hecho de que los aerosoles inferiores a 10 μm pueden ser fácilmente inhalados y por lo tanto son potencialmente dañinos para las funciones tanto pulmonares como cardiovasculares 3,4,5,6 . Además se depositan en todos lados dañando toda clase de construcciones y costando millones de dólares en daños a largo plazo. Entre los componentes químicos más importantes que se encuentran en los aerosoles están los sulfatos, los nitratos, el amonio, los iones inorgánicos, el carbón orgánico y elemental, el agua y los metales pesados 1 . Existen múltiples técnicas para medir este particulado. Entre las técnicas más utilizadas se encuentran las de acumulación en filtros, las de detección remota (DOAS, LIDAR) y las técnicas in situ (basadas en dispersión, en
doi:10.31527/analesafa.2014.25.4.161 fatcat:3lh5cp6lk5ekvcabf5ymm2poi4