No passado, uma das maiores limitações ao uso de PIDs era sua susceptibilidade à umidade presente no ambiente. Os efeitos da umidade são verificados em duas formas:

  • 1) uma redução na resposta aos COVs, devido a um efeito de extinção conforme a umidade aumenta (falso negativo)
  • 2) um aumento acentuado e uma resposta oscilante quando sujeito a umidade muito alta, normalmente >90% UR (falso positivo).
A situação nº 2 poderia ser evitada quando o sensor fosse novo ou havia sido limpo recentemente, mas se tornava um problema em poucos dias de uso, pois uma poeira microscópica poderia se acumular no sensor, provocando um vazamento corrente ao longo das paredes do sensor. Este aumento flutuante nas leituras foi especialmente proeminente ao realizar monitoramento de espaços livres no solo ou em áreas como a Costa do Golfo dos Estados Unidos, quando um instrumento calibrado em um prédio com ar-condicionado foi levado para o lado externo, com a umidade do ar normalmente se aproximando de um UR de 100%.

Diversas soluções foram propostas para minimizar esses efeitos da umidade:

  • 1) o instrumento ser acoplado com um sensor de umidade e a leitura do PID é corrigida utilizando um algoritmo de compensação;
  • 2) tubos dessecantes são colocados na entrada para secar o fluxo de gás;
  • 3) o gás de calibração ser umidificado ao passá-lo por um tubo Nafion® para equilibrá-lo com a umidade do ar ambiente.

Essas abordagens possuem várias limitações. Normalmente, os sensores de umidade possuem uma resposta mais lenta que o sensor do PID, provocando uma compensação da flutuação. Embora os sensores de UR mais novos sejam mais rápidos, o efeito da umidade varia de sensor para sensor, assim o algoritmo de compensação faz com que unidades diferentes do mesmo fabricante tenho uma super ou subcompensação. Os tubos dessecantes são um custo adicional, desaceleram a resposta do PID e podem reduzir a resposta por adsorção, especialmente de compostos mais pesados. Além disso, umidificar o gás de calibração funciona apenas para a umidade específica utilizada, e não é mais precisa quando a umidade é modificada. A compensação e a umidificação do gás de calibração também não fazem nada para resolver as leituras com alta flutuação em umidade muito alta.

Efeito da UR em 100 ppm Isobutileno

Figura 1. Efeito da UR no Tiger e no dispositivo concorrente 1

A figura 1 compara os efeitos da umidade em versões recentes do Ion Science Tiger (firmware v.4.20) e o dispositivo concorrente 1. O dispositivo concorrente 1 pode ser operado com a Compensação de Umidade ligada ou desligada. A unidade é fornecida com Compensação de UR no modo "ligada" e requer um download no computador para troca para o modo "desligada". Por sua vez, o Tiger não possui um modo de Compensação da Umidade, pois o sensor não é afetado de forma inerente pela UR, como apresentado na Figura 1. Com a Compensação de UR desligada, o dispositivo concorrente 1 apresentou leituras em queda para 100 ppm de isobutileno (IBE) conforme a umidade aumentava, com a resposta caindo para apenas 60 ppm próxima a uma UR de 100%.

Figura 2. Efeito da UR no Cub e no dispositivo concorrente 2.

Com a Compensação de UR ligada, o dispositivo concorrente 1 é sobrecompensado, dando leituras de até 160 ppm quando testando 100 ppm IBE em UR próxima a 100%. Em contrapartida, o Tiger apresentou leituras de quase 100 ppm em todas as umidades, com um percentual baixo de erro experimental.
 
Na figura 2, resultados semelhantes são obtidos comparando os dois PIDs portáteis, para ser utilizado no bolso, o Ion Science Cub e o dispositivo concorrente 2 (ambos com lâmpadas de 10.6 eV). Novamente, o Cub não foi afetado pela umidade e apresentou uma leitura próxima a 100 ppm, enquanto o dispositivo concorrente 2 exibiu uma resposta em queda de cerca de 60 ppm, se aproximando a uma UR de 100%. O dispositivo concorrente 2 não possui modo de Compensação de Umidade, e assim sempre terá leituras baixas em altas umidades.

Efeito da UR em Concentração Variável

Testes de umidade adicionais foram conduzidos em concentrações de isobutileno variando de 10 a 1000 ppm em UR de 85%. A Figura 3 mostra que o Tiger apresentou leituras de até 10% do padrão em todas as concentrações, enquanto o dispositivo concorrente 2 apresentava erros muito maiores de até -34% com a Compensação de UR desligada e +62% com a Compensação de UR ligada. O dispositivo concorrente 1 parece supercompensar em concentrações baixas menores que 500 ppm e subcompensar acima de 700 ppm.

Figura 3. Erro de medição com 85% de UR como uma função da concentração de isobutileno.

Conclusões

Compensar os efeitos de umidade nunca é tão preciso quanto ter um sensor que não é afetado de forma inerente pela umidade. O algoritmo de compensação utilizado no dispositivo concorrente 1 para supercompensar de forma significativa em concentrações de isobutileno abaixo de 600 ppm e subcompensar acima de 800 ppm, em UR alta. Com a compensação desligada, a unidade dá uma resposta baixa falsa em UR alta, exceto em altas concentrações de isobutileno acima de 700 ppm. Assim, a pessoa é deixada com a escolha de leituras baixas, o que poderia resultar em superexposições inseguras, ou leituras altas, o que exigiria o uso de equipamento de proteção individual quando não é necessário. Os PIDs da Ion Science não apresentam tais efeitos de umidade, dando uma confiança muito maior na precisão da leitura.

Apêndice: Teoria da Eliminação do Efeito da Umidade

As Figuras 4 e 5 comparam os desenhos do sensor de um PID comum vs. um PID da Ion Science. Na maioria dos PIDs, todo o fluxo de gás é retirado pela membrana e, apesar da filtração, algumas partículas de poeira microscópicas passam pelo sensor, onde podem se acumular e obstruir as paredes. No sensor Ion Science, 99% do fluxo de gás passa pelo sensor e apenas cerca de 1% se dissipa pela membrana, resultando em um sensor muito mais limpo. As ampliações à esquerda das Figuras 4 e 5 exibem uma esquemática exagerada do acúmulo de poeira na parede. Quando essa contaminação está sujeita a altas umidades, ela absorve vapor de água muito mais que uma parede limpa de Teflon® e, assim, se torna um condutor e pode provocar um vazamento de corrente. No PID convencional, o vazamento é registrado como uma flutuação, aumentando constantemente a leitura, enquanto o fence electrode do PID da Ion Science captura a corrente com vazamento e não apresenta resposta falso-positiva. Embora não seja diagramado, o sensor da Ion Science também possui uma extensão leve muito menor, eliminando assim a extinção falso-negativa por vapor de água, como apresentado nas Figuras 1 e 2.

PID Convencional


Figura 4. Desenho do sensor do PID comum com todo o fluxo de gás pela cavidade do sensor e sem o Fence Electrode.

PID da Ion Science

Figura 5. O sensor do PID da Ion Science com desenho anticontaminação e Fence Electrode para eliminar os efeitos de umidade falso-positivos e falso-negativos.


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