DISPOSITIVO DE ESPECTROMETRÍA PARA EL ANÁLISIS DE FLUIDOS.

La presente invención se refiere al análisis de fluidos. Más concretamente, la presente invención se refiere al análisis cualitativo de fluidos, y en particular de carburantes basados en hidrocarburos o biocombustibles que aseguran el funcionamiento de un motor térmico tal como los utilizados en los vehículos. Cada vez es más habitual que los automóviles estén equipados con un sistema de gestión electrónica configurado para optimizar el funcionamiento del motor en función de diferentes parámetros medidos por sensores. Generalmente estos sistemas están configurados para que se ajuste la cantidad de carburante inyectado en el motor y regular la duración de la inyección, el avance del encendido, la presión de admisión y el reciclado de los gases de escape, en particular en función del régimen del motor, de la temperatura del aceite y del líquido de refrigeración, y también en función de parámetros externos tales como la presión atmosférica y la temperatura ambiente. Sin embargo, esta optimización está limitada por las distintas calidades de los carburantes. En efecto, aunque éstas están definidas por una normativa, los carburantes están sujetos a importantes variaciones de calidad dependiendo del tiempo y del distribuidor del carburante. En general, los carburantes se caracterizan por parámetros fisicoquímicos tales como el índice de octanos y la presión de vapor en el caso de los motores de explosión, el índice de cetano, el punto de ignición y el comportamiento en frío en el caso de los motores diésel y también la curva de destilación, la densidad y el contenido de compuestos oxigenados. Así pues, se estima que los parámetros fisicoquímicos de los carburantes basados en hidrocarburos pueden variar entre un 15 y un 40% o más en torno a los valores medios normalizados especificados por las normas. Ahora bien, el funcionamiento de un motor térmico está optimizado para un carburante normalizado. Si la calidad del carburante repostado difiere mucho de la calidad del carburante normalizado, esta optimización ya no tiene efecto y el motor tenderá a consumir más carburante y a generar más gases contaminantes. Por consiguiente, es deseable determinar la calidad del carburante que alimenta el motor y tener en cuenta los resultados obtenidos para gestionar su funcionamiento. Con este fin, la espectrometría de absorción en el infrarrojo cercano ha demostrado ser adecuada para la evaluación cualitativa de un hidrocarburo o de una mezcla de hidrocarburos. En general, un espectrómetro tradicional para la obtención de un espectro de absorción de un fluido incluye los siguientes elementos: una fuente luminosa que abarca al menos la banda de longitudes de onda en la que se han de realizar las medidas; un dispositivo denominado sonda en la siguiente descripción, en el que interactúan la luz producida por la fuente luminosa y el fluido a analizar; y un sensor de análisis espectral que analiza la luz de salida de la sonda. Un espectrómetro de este tipo permite obtener un especto de absorción que se presenta como una curva con la forma T = f(), donde la cantidad T indica la luz que ha atravesado el fluido a analizar en función de la longitud de onda . Un espectrómetro se caracteriza principalmente por el rango de análisis espectral (amplitud y posición de los espectros generados), la finura del análisis o la cantidad de puntos de medida que constituye el espectro suministrado, la precisión de la medida sobre el valor de la absorción y la sensibilidad, es decir, la capacidad para medir una escasa cantidad de luz. En general, los espectrómetros actuales presentan una gran complejidad y, en consecuencia, un alto coste y unas dimensiones relativamente grandes. En particular, los espectrómetros actuales incluyen numerosos componentes ópticos (lentes, filtros, prismas, espejos, redes de difracción) separados por capas de aire. La alineación de estos componentes es crítica para el buen funcionamiento del espectrómetro. Los espectrómetros actuales, habitualmente concebidos para los laboratorios, apenas están adaptados al entorno de un motor térmico o un vehículo. En particular, no están concebidos para soportar las intensas vibraciones generadas por el motor térmico o el vehículo. En efecto, entre la fuente luminosa y el dispositivo de análisis espectral, el haz luminoso atraviesa una gran cantidad de componentes ópticos separados por capas de aire. Cada superficie de contacto entre el componente óptico y el aire es una fuente potencial de desajuste o aberración. Las fuentes luminosas utilizadas tradicionalmente en espectrometría (lámparas de incandescencia o de vapores metálicos, halógenos,...) son incompatibles con las condiciones de solidez, vida útil y dimensiones requeridas en una aplicación a disponer en un motor térmico o en un vehículo. La utilización de láseres también se ha de excluir, ya que serían necesarios tantos láseres como puntos de medida del espectro deseado. La utilización de láseres también queda excluida por razones de vida útil, estabilidad y solidez en un entorno hostil. 2 ES 2 365 649 T3 Por otro lado, en las solicitudes de patente FR 2 798 582 y FR 2 789 294 se prevé la utilización de diodos electroluminiscentes asociados a componentes ópticos tradicionales. El documento US 2007/0084990 describe un dispositivo de espectrometría miniaturizado que integra una fuente de energía y detectores en una única caja que contiene componentes ópticos de acoplamiento con la muestra y circuitos de medida y procesamiento. La selectividad espectral se obtiene mediante filtros ópticos variables de forma continua o mediante un filtro matricial. Este dispositivo permite medir la transmitancia, la absorción, la turbidez y la fluorescencia. Este documento prevé utilizar fuentes luminosas de espectro estrecho o de amplio espectro, como LED blancos. El documento FR 2 583 164 describe un dispositivo que incluye una fuente luminosa asociada a una óptica de enfoque para iluminar un fluido mediante una fibra óptica. La luz se recoge del fluido con ayuda de otra fibra óptica que transmite la luz a un dispositivo de análisis cromático. El documento GB 2 283 091 describe un aparato de análisis espectral de líquidos que incluye una fibra óptica que transmite una radiación hacia una sonda que comprende un reflector y un paso del líquido a analizar. El reflector refleja la radiación en la fibra hacia una unidad de análisis. El documento US 2005/0140270 describe un emisor de luz que incluye varias fuentes de luz roja, verde o azul, tales como LED. La luz emitida por cada fuente es concentrada por un elemento de una matriz de concentradores y después es transmitida por una guía de la luz respectiva de un haz de guías de luz. El documento US 6 560 038 describe un acoplador óptico asociado a un LED o a un conjunto de varios LED. El documento FR 2 566 909 describe un dispositivo de detección de un producto en un líquido, que comprende un haz de fibras ópticas, transmitiendo una parte de éste la luz al líquido, y un espejo bañado por el líquido que refleja la luz hacia el haz de fibras, estando conectada la otra parte del haz de fibras a un detector. El documento US 4 989 942 describe un dispositivo de análisis de un líquido que incluye una fuente de luz transmitida por una fibra óptica a una lente de colimación. A continuación, la luz atraviesa el líquido antes de ser recogida por otra lente de colimación. La luz recogida se transmite después a un dispositivo de análisis a través de una fibra óptica. Por consiguiente, es deseable proporcionar un dispositivo de espectrometría para el análisis de fluidos que esté adaptado para su colocación sobre un motor térmico o en un vehículo. Este objetivo se logra mediante la previsión de un dispositivo de espectrometría que comprende: un dispositivo de iluminación configurado para generar un haz luminoso que abarca cierto rango de longitudes de onda, una sonda configurada para que el haz luminoso procedente del dispositivo de iluminación interactúe con un fluido a analizar y un dispositivo de análisis espectral configurado para recibir el haz luminoso después de que éste haya interactuado con el fluido a analizar y para suministrar las medidas en función de la cantidad de luz recibida para diferentes rangos de longitudes de onda. De acuerdo con un modo de realización, el dispositivo de iluminación comprende varios componentes emisores de luz, que incluyen en cada caso una superficie emisora y emiten luz en intervalos de longitudes de onda diferentes incluidos en el rango de longitudes de onda, y un componente óptico mezclador fijado en la superficie emisora de los componentes emisores de luz para combinar los flujos luminosos emitidos por los componentes emisores de luz en un haz luminoso resultante que abarca la banda de longitudes de onda y para guiar el flujo... [Seguir leyendo]

un dispositivo de iluminación (LSRC, LSRC1) configurado para generar un haz luminoso que abarca un rango de longitudes de onda, una sonda (PRB, PRB1-PRB4) configurada para que el haz luminoso procedente del dispositivo de iluminación interactúe con un fluido a analizar (20), y un dispositivo de análisis espectral (SPAN, SPAN1) configurado para recibir el haz luminoso después de que éste haya interactuado con el fluido a analizar y para suministrar medidas en función de la cantidad de luz recibida para diferentes intervalos de longitudes de onda, caracterizado porque el dispositivo de iluminación (LSRC, LSRC1) comprende varios componentes emisores de luz (1a­ 1g) que incluyen en cada caso una superficie emisora y emiten luz en intervalos de longitudes de onda diferentes incluidos en el rango de longitudes de onda, y un componente óptico mezclador (3) fijado en la superficie emisora de los componentes emisores de luz (1a-1g) para combinar los flujos luminosos emitidos por los componentes emisores de luz en un haz luminoso resultante que abarca el rango de longitudes de onda y para guiar el flujo luminoso resultante hacia la sonda (PRB, PRB1-PRB4). 2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el componente óptico mezclador (3) presenta una cara de entrada que recibe la luz procedente de los componentes emisores de luz (1a-1g), una cara de salida acoplada a una guía de luz de iluminación (4) y esencialmente tiene una forma de revolución optimizada para concentrar y transmitir un máximo de luz desde los componentes emisores de luz hacia la sonda (PRB, PRB1-PRB4), componente óptico mezclador (3) que cubre una superficie emisora de luz de cada uno de los componentes emisores de luz (1a-1g) o que está acoplado mediante una o varias fibras ópticas (7a, 7b, 7c) a una superficie emisora de luz de cada uno de los componentes emisores de luz (1a-1c). 3. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el dispositivo de iluminación (LSRC, LSRC1) presenta al menos una de las siguientes características: produce un haz luminoso que abarca un rango de longitudes de onda comprendido entre 700 nm y 1.100 nm, varios componentes emisores de luz emiten luz esencialmente en el mismo intervalo de longitudes de onda y los componentes emisores de luz (1a-1g) son diodos electroluminiscentes. 4. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la sonda (PRB, PRB1-PRB4) comprende una guía de luz de iluminación (4) de fibra óptica que transmite el haz luminoso procedente del dispositivo de iluminación (LSRC, LSRC1) al fluido a analizar (20) y una guía de luz de recogida (12, 12) de fibra óptica que recoge al menos parcialmente el haz luminoso que ha atravesado el fluido a analizar y lo transmite al dispositivo de análisis espectral (SPAN, SPAN1). 5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque comprende un reflector (13, 13) acoplado ópticamente a la sonda para reflejar el haz luminoso después de que éste haya atravesado el fluido a analizar (20), hacia la guía de luz de recogida a través del fluido a analizar, comprendiendo la guía de luz de recogida bien varias fibras ópticas de recogida (12) repartidas alrededor de la guía de luz de iluminación (4), bien un acoplador óptico en Y (25) para transmitir al fluido a analizar (20) el haz luminoso que sale de la guía de luz de iluminación (4) y para transmitir el haz luminoso al dispositivo de análisis espectral (SPAN, SPAN1). 6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado porque el reflector (13, 13) está realizado de modo que refleja cada rayo luminoso incidente de un haz luminoso esencialmente en una dirección opuesta a la del rayo luminoso incidente. 7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado porque el reflector (13, 13) es de tipo Scotchlite® o catadióptrico de prismas retrorreflectores. 8. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado porque el reflector presenta la forma de un casquete esférico centrado esencialmente sobre el centro de una cara de salida de la guía de luz de iluminación (4). 9. Dispositivo según una de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque la sonda (PRB2) comprende una lente convergente (19) dispuesta entre la salida de la guía de luz de iluminación (4) y el fluido a analizar (20). 10. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque la sonda (PRB3, PRB4) comprende una lente convergente (19) dispuesta entre la salida de la guía de luz de iluminación (4) y el fluido a analizar (20) y una lente convergente (19) dispuesta entre la guía de luz de recogida (12) y el fluido a analizar. 11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el dispositivo de análisis espectral (SPAN, SPAN1) comprende una primera guía de luz (21) acoplada a la sonda (PRB, PRB1-PRB4) y que recibe el haz ES 2 365 649 T3 luminoso después de que éste haya interactuado con el fluido a analizar (20) y lo difunde hacia un primer conjunto de células fotosensibles (24, 24) a través de un primer dispositivo de filtrado óptico (22), dispuesto para transmitir a cada una de las células fotosensibles de al menos una parte del conjunto de células fotosensibles una parte del haz luminoso que abarca un intervalo de longitudes de onda correspondiente situado dentro del rango de longitudes de onda. 12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque la guía de luz de recogida (12, 12) está acoplada a la primera guía de luz (21) para transmitir a ésta el haz luminoso. 13. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado porque el dispositivo de análisis espectral (SPAN1) comprende una segunda guía de luz (21) que toma una parte del haz luminoso directamente a la salida del dispositivo de iluminación (LSRC, LSRC1) y transmite una parte del haz luminoso a un segundo conjunto de células fotosensibles (24) a través de un segundo dispositivo de filtrado óptico (22), dispuesto para transmitir a cada una de las células fotosensibles una parte del haz luminoso que abarca un intervalo de longitudes de onda correspondiente situado dentro del rango de longitudes de onda. 14. Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado porque comprende una guía de luz de fibra óptica (4) acoplada a la segunda guía de luz (21) para transmitir el haz luminoso procedente del dispositivo de iluminación (LSRC, LSRC1) a la segunda guía de luz (21). 15. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque cada guía de luz (21, 21) del dispositivo de análisis espectral (SPAN, SPAN1) presenta la forma de una lámina de un material transparente que recibe el haz luminoso por una sección (210) de la lámina y lo difunde propagándolo hacia una sección opuesta (211) de la lámina, frente a la cual están dispuestos un dispositivo de filtrado óptico (22, 22) y un conjunto de células fotosensibles (24, 24). 16. Dispositivo según la reivindicación 15, caracterizado porque el dispositivo de análisis espectral (SPAN, SPAN1) comprende una regleta de fotodetectores (24, 24) que incluye el conjunto de células fotosensibles fijado a la sección (211) de cada lámina o de las dos láminas de la primera y la segunda guías de luz (21, 21) por medio de un dispositivo de filtrado óptico (22, 22). 17. Dispositivo según una de las reivindicaciones 11 a 16, caracterizado porque cada dispositivo de filtrado óptico (22, 22) presenta al menos una de las siguientes características: comprende un filtro de tipo interferencial de transmisión espectral linealmente variable en su longitud, y abarca un rango de longitudes de onda comprendido entre 700 nm y 1.100 nm. 11 ES 2 365 649 T3 12 ES 2 365 649 T3 13 ES 2 365 649 T3 14 ES 2 365 649 T3 ES 2 365 649 T3 16 ES 2 365 649 T3 17