SONDAS DE LAMINA DE LUZ PLANAS.

Un conjunto de sonda de medición de flujo de fluido endoscópica óptica (32) que comprende un endoscopio (38) que tiene un extremo de usuario y un extremo distal (42),

teniendo el extremo distal un emisor de luz (48), un generador de lámina de luz (44) y al menos un adquisidor de luz reflejada (36) y estando provisto el endoscopio (38) de medios de transmisión (50) para transmitir información alejándose del extremo distal, adaptándose el generador de lámina de luz (44) durante el uso para generar una lámina de luz (54) y adaptándose el adquisidor de luz (36) para detectar luz reflejada de la lámina de luz, proporcionándose el generador de lámina de luz (44) y el adquisidor de luz (36) en el mismo endoscopio (38)

Sondas de lámina de luz planas.

La presente invención se refiere a una sonda óptica adaptada para el uso en un espacio cerrado, por ejemplo, una cavidad para permitir la medición de características tales como caudal, tamaño de partículas y concentración de sustancias contenidas en el espacio. Se refiere especialmente, pero no exclusivamente, a PIV. Se refiere a anemómetros de lámina de luz planos (PLSA), especialmente a PLSA en miniatura.

Los dispositivos de inspección de cavidad convencionales (o dispositivos para el uso en espacios confinados) han permitido que se tomen imágenes/que se visualice la cavidad e incluyen endoscopios que tienen varios prismas y espejos que conducen luz blanca desde una fuente a una cavidad. Los endoscopios de la técnica anterior permiten al usuario ver qué hay en la cavidad a simple vista o se pueden usar en combinación con una cámara que permite la visualización de la cavidad en una pantalla o una fotografía.

Los sistemas de análisis de flujo de fluido convencionales tales como Anemómetros de Láser Doppler (LDA), Velocímetros de Imagen de Partículas (PIV) y Anemómetros de Fase Doppler (PDA) son grandes y cuando se desea obtener información de flujo en un espacio confinado, son incapaces de obtener una variedad lo suficientemente amplia de información buscada y es prácticamente imposible usar los mismos debido a la ausencia de acceso óptico disponible en cavidades cerradas (por ejemplo, en la cámara de cojinetes de un motor de aviación).

Por lo tanto, sería beneficioso en una amplia diversidad de campos, incluyendo ingeniería y medicina, tener un sistema de sonda que pueda permitir o no la visualización del interior de una cavidad cerrada, pero, lo que es más importante, permitir que se tomen mediciones relacionadas con los contenidos de la cavidad, por ejemplo, para una cavidad que contiene fluido, la velocidad de las partículas, el tamaño de las partículas y la concentración de las partículas del campo en la cavidad.

La presente invención se ha originado del trabajo en el campo de la Velocimetría de Formación de Imágenes de Partículas (PIV). La Velocimetría de Formación de Imágenes de Partículas (PIV) se benefició del desarrollo de LDV (Velocimetría de Láser Doppler) y constituye una respuesta a la necesidad de mediciones de Campo Completo. Se desarrolló al final de la década de los 70, se implementó de forma práctica al principio de la década de los 80 y su uso comenzó a propagarse al final de la década de los 80. Ahora es una técnica desarrollada. Las ventajas de este tipo de sistema de medición se encuentran en muchos dominios: cuando se usan instalaciones intermitentes se pueden medir campos de flujo sin suponer la repetitibilidad perfecta de las condiciones de ensayo; en muchos casos, los tiempos de ensayo son mucho más cortos que con otros métodos de medición de flujo/fluido; y estas técnicas permiten el acceso a cantidades que serían, de otro modo, imposibles de determinar, tales como campos de vorticidad instantánea. La técnica visualiza típicamente una partícula en dos momentos diferentes y establece la velocidad de la partícula evaluando las imágenes para establecer cómo de lejos se ha desplazado la partícula en un tiempo conocido.

La Velocimetría de Imagen de Partículas y la Fluorescencia Inducida por Láser (LIF) se basan, como la Velocimetría de Láser Doppler, en la medición de la velocidad de partículas trazadoras transportadas por el fluido. Sin embargo, en lugar de concentrar luz en un volumen de sonda pequeño (como en LDV), se ilumina un plano completo del flujo bajo investigación en PIV y LIF. Esto se realiza creando una lámina de luz estrecha que se propaga sobre la región de interés, iluminando la lámina un plano 2-D aislado de interés. Por lo tanto, las partículas trazadoras se hacen visibles y se registran imágenes de las partículas iluminadas. Estos registros contendrán típicamente imágenes sucesivas de trazadores únicos en el tiempo o fotogramas sucesivos de imágenes instantáneas de todo el campo de flujo. El desplazamiento del trazador, después, se determinará mediante el análisis de estos registros.

Se conocen sistemas de PIV para proporcionar información sobre un fluido en un espacio confinado que tienen una primera sonda que comprende un emisor acoplado ópticamente a un láser y diseñado para emitir una lámina de luz de láser y una segunda sonda, separada de la primera sonda, y que comprende un detector/receptor diseñado para detectar luz láser dispersada y proporciona señales a un ordenador. La separación entre el emisor y el detector necesita controlarse de forma precisa, al igual que su orientación angular relativa y posición relativa.

La formación de imágenes por fluorescencia inducida por láser (UF) es otra técnica de formación de imágenes que usa una lámina de luz. Depende de la naturaleza cuántica de moléculas y átomos, por lo que las transiciones de energía pueden tener lugar solamente entre ciertos estados energéticos cuantizados. Una molécula diatómica puede tener varios modos de energía cuántica. Los tres pertinentes para estudios de LIF son electrónico, vibracional y rotacional. El primer modo, el estado electrónico, se indica habitualmente por letras, siendo X el estado electrónico menor (fondo), siendo A el primer estado excitado, B, el segundo, etc. La molécula también tiene energía vibracional, indicada por el número cuántico vibracional v, que tiene valores de números enteros que comienzan en 0. El tercer estado de energía es la energía rotacional, indicada por el número cuántico rotacional J. Se permiten solamente ciertas transiciones de energía por las reglas de selección de la física cuántica. Una molécula en un estado de energía bajo se puede elevar ópticamente solamente hasta un estado de energía mayor por interacción con un fotón de energía exactamente igual a la diferencia de energía entre los estados de energía permitidos de la molécula y una molécula excitada puede relajarse solamente cediendo un cuanto de energía igual a la diferencia entre los estados de energía permitidos, por emisión de un fotón o por colisión con una molécula vecina.

La fluorescencia inducida por láser se aprovecha de este fenómeno excitando ópticamente una especie con fotones de una frecuencia que coincide con un nivel permisible de diferencia de las especies que se están sondando. Se debe señalar que las diferentes especies tienden a tener diferentes transiciones de energía, de tal forma, generalmente es posible elegir una transición para una especie dada que está bien aislada de posibles transiciones de otras especies que puedan estar presentes. La fluorescencia resultante provocada cuando las moléculas excitadas se relajan por emisión de fotones se puede recoger y analizar para determinar la concentración y/o temperatura de especies locales.

La fluorescencia inducida por láser utiliza una lámina de luz láser generada por una fuente de láser ajustable para iluminar un plano bidimensional a través de la muestra y usa una cámara CCD intensificada sensible dispuesta en 90º con respecto a la lámina de luz para visualizar la fluorescencia resultante del área iluminada. El procesamiento de las imágenes adquiridas es similar a PIV excepto por los filtros y detectores adicionales para la separación de fase. Existen varias variaciones del principio; a saber, LIF, PUF (Fluorescencia Inducida por Láser Plana), MLIF (Mediciones Mixtas Usando Fluorescencia Inducida por Láser), etc.

En algunas mediciones de PIV/LIF es necesario mover la lámina de luz y también mover el detector de un modo correspondiente a fin de garantizar la detección óptima de la nueva posición de la lámina de luz. El alineamiento cuidadoso del emisor y detector en sus segundas (y posteriores) posiciones también es importante, pero crítico para el proceso de medición.

Cuando, por ejemplo, se miden los parámetros de lubricante (aceite) en un motor de trabajo (por ejemplo, un motor de aeroplano de banco de pruebas en funcionamiento) tal como un reactor de turbina, es necesario poner dos sondas (emisor y detector) en el flujo de fluido.

Esto aparta el flujo de lo que se está usando sin las sondas. Por supuesto, el tamaño de las sondas se mantiene pequeño en la técnica anterior y los ensayos se realizan con las sondas en diferentes posiciones para observar cómo afecta esto a los resultados.

El documento US 5.883.707 describe un dispositivo para detectar estructuras de flujo 3-D que incluye una fuente de luz para producir al menos dos y preferiblemente tres láminas de luz de diferentes...

1. Un conjunto de sonda de medición de flujo de fluido endoscópica óptica (32) que comprende un endoscopio (38) que tiene un extremo de usuario y un extremo distal (42), teniendo el extremo distal un emisor de luz (48), un generador de lámina de luz (44) y al menos un adquisidor de luz reflejada (36) y estando provisto el endoscopio (38) de medios de transmisión (50) para transmitir información alejándose del extremo distal, adaptándose el generador de lámina de luz (44) durante el uso para generar una lámina de luz (54) y adaptándose el adquisidor de luz (36) para detectar luz reflejada de la lámina de luz, proporcionándose el generador de lámina de luz (44) y el adquisidor de luz (36) en el mismo endoscopio (38).

2. Una sonda de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende una sonda de Visualización de Lámina de Láser (LSV), Velocímetro de Imagen de Partículas (PIV), Fluorescencia Inducida por Láser (LIF), Anemómetro de Lámina de Luz Plana (PLSA) o Velocímetro de Imagen de Partículas 3-D Estereoscópico (PIV) y en la que el generador de lámina de luz (44) comprende un generador de lámina de luz láser adaptado para producir una lámina de luz láser y en la que el adquisidor de luz (36) comprende un dispositivo de formación de imágenes adaptado para capturar una imagen de la lámina de luz.

3. Una sonda de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en la que el emisor de luz (48) está más cerca del extremo distal que el adquisidor de luz (36).

4. Una sonda de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en la que el adquisidor de luz (36) está acoplado ópticamente a un medio de transmisión de imágenes (52) que está adaptado para transmitir una imagen óptica o señal detectada por el adquisidor de luz (36) alejándose del extremo distal al extremo del usuario de la sonda (32).

5. Una sonda de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que comprende una fibra óptica (50) o haz de fibra óptica, que se extiende a lo largo de su longitud y acoplada ópticamente al emisor de luz (48).

6. Una sonda de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, que tiene al menos dos adquisidores de luz y que comprende un sonda estereoscópica (90).

7. Una sonda de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en la que el adquisidor de luz (36) comprende preferiblemente uno o más de lentes, prismas, espejos y generadores de lámina de luz.

8. Una sonda de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en la que el endoscopio tiene un cuerpo tubular alargado provisto de una extensión en o hacia su extremo distal que se extiende alejándose del cuerpo, estando provista la extensión con uno del emisor de luz (48) o adquisidor de luz (36) y en la que el otro del emisor de luz (48) o adquisidor de luz (36) se proporciona en el cuerpo en una posición diferente a lo largo de la longitud axial del cuerpo.

9. Una sonda de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en la que el emisor de luz (48) y el adquisidor de luz (36) se disponen generalmente en la misma posición a lo largo de la longitud axial de un cuerpo alargado de la sonda.

10. Una sonda de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en la que la luz emitida por el emisor de luz (48) se dispone para propagarse en un plano que contiene una línea generalmente paralela con respecto a la longitud axial de un cuerpo alargado de la sonda.

11. Una sonda de acuerdo con la reivindicación 10, en la que se monta un reflector sobre un soporte y se puede mover alrededor de un primer eje y en la que el soporte por sí mismo se puede mover de forma angular alrededor de un segundo eje diferente.

12. Una sonda de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en la que el o cada adquisidor de luz (36) tiene una superficie reflectante que generalmente es paralela con respecto al plano en el que se producirá la lámina de luz por el generador de lámina de luz (44).

13. Un método para determinar un parámetro asociado con un fluido en un motor, una tubería, un colector de escape y/o entrada/combustible, o un sistema de inyección de combustible, que comprende usar una sonda óptica endoscópica (32) que tiene una longitud alargada y provista de un elemento de emisión de luz óptico (48) hacia su extremo distal y provista de un elemento de adquisición de luz óptico (36) hacia su extremo distal, adaptándose la sonda para emitir una lámina de luz por el elemento de emisión de luz (48) y para recoger luz por el elemento de adquisición de luz (36) que se ha emitido por el elemento emisor (48) y que ha interaccionado con el fluido; y transferir la luz adquirida a lo largo de la sonda endoscópica a un sensor remoto, remoto del extremo distal de la sonda endoscópica; y procesar señales producidas por el sensor remoto para evaluar un parámetro del fluido, crear una lámina de luz usando la sonda, formar imágenes de al menos una parte de la lámina de luz usando la sonda y aplicar una de las siguientes técnicas a las señales obtenidas; Visualización de Lámina de Láser (LSV); Velocimetría de Imágenes de Partículas (PIV); Fluorescencia Inducida por Láser (LIF); Anemometría de Lámina de Luz Plana (PLSA); Velocimetría de Imágenes de Partículas 3-D Estereoscópica (PIV).

14. Un método de acuerdo con la reivindicación 13 usado para determinar al menos uno de lo siguiente en un cojinete de motor: flujo de fluido; análisis de partículas; temperatura.

15. Un método de acuerdo con la reivindicación 13 ó 14, en el que se usa un láser para producir la lámina de luz y en el que la lámina de luz se transmite al fluido, o espacio o cavidad confinada, usando fibra óptica.

16. Un método para realizar Visualización de Lámina de Láser (LSV); Velocimetría de Imágenes de Partículas (PIV); Fluorescencia Inducida por Láser (LIF); Anemometría de Lámina de Luz Plana (PLSA); o Velocimetría de Imágenes de Partículas 3-D Estereoscópica (PIV) u otra técnica analítica de flujo de fluido óptica, en un motor, una tubería, un colector de escape y/o entrada/combustible, o un sistema de inyección de combustible, que comprende usar un único endoscopio (38) para emitir una lámina de luz y para visualizar la luz reflejada mediante al menos una adquisidor de imágenes (38) provisto en el endoscopio (38).

17. Un método de acuerdo con la reivindicación 16, en el que hay dos adquisidores de imágenes en el endos- copio (90).

18. Un sistema analizador de flujo de fluido que comprende una sonda de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 acoplado a un láser u otra fuente de luz y acoplado a una cámara u otro detector.

19. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 18 que comprende un dispositivo de control que, durante el uso, controla el funcionamiento del láser y recibe señales del detector y en el que el dispositivo de control también está adaptado, durante el uso, para controlar el movimiento del endoscopio.