Dispositivo de espectrometría para el análisis de un fluido.

Dispositivo de espectrometría que comprende:

un dispositivo de iluminación (LSRC,

LSRC1) configurado para generar un haz luminoso que cubre una banda de longitudes de onda,

una sonda (PRB, PRB1-PRB4) configurada de manera que el haz luminoso procedente del dispositivo de iluminación interactúe con un fluido que se desea analizar (20), y

un dispositivo de análisis espectral (SPAN, SPAN1) configurado para recibir el haz luminoso después de que este haya interactuado con el fluido que se desea analizar, y para proporcionar mediciones de intensidad luminosa en diferentes intervalos de longitudes de onda, comprendiendo el dispositivo de análisis espectral (SPAN, SPAN1) una primera guía de luz (21) acoplada a la sonda (PRB, PRB1-PRB4) y a un primer dispositivo de filtrado óptico, recibiendo la primera guía de luz el haz luminoso después de que este haya interactuado con el fluido que se desea analizar (20) y guiándolo mientras lo difunde hacía un primer conjunto de células fotosensibles (24, 24') a través del primer dispositivo de filtrado óptico, estando dispuesto el primer dispositivo de filtrado óptico para transmitir a cada una de las células fotosensibles una parte del haz luminoso que cubre un intervalo de longitudes de onda respectivo situado en la banda de longitudes de onda;

caracterizado porque la primera guía de luz (21) presenta una forma de lámina hecha de un material transparente, que recibe el haz luminoso procedente del fluido que se desea analizar (20) por medio de un borde (210) de la lámina y lo guía mientras lo difunde hacia un borde opuesto (211) de la lámina frente a la cual están dispuestos el primer dispositivo de filtrado óptico (22) y el primer conjunto de células fotosensibles (24, 24').

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/IB2008/002600.

Solicitante: SP3H.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: Domaine du petit Arbois Batiment Laennec 13100 Aix-en-Provence FRANCIA.

Inventor/es: FOURNEL Johan, LUNATI Alain, GERGAUD,Thierry.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01J3/10 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01J MEDIDA DE LA INTENSIDAD, DE LA VELOCIDAD, DEL ESPECTRO, DE LA POLARIZACION, DE LA FASE O DE CARACTERISTICAS DE IMPULSOS DE LA LUZ INFRARROJA, VISIBLE O ULTRAVIOLETA; COLORIMETRIA; PIROMETRIA DE RADIACIONES.G01J 3/00 Espectrometría; Espectrofotometría; Monocromadores; Medida del color. › Instalación de fuentes luminosas especialmente adaptadas a la espectrometría o a la colorimetría.
  • G01J3/12 G01J 3/00 […] › Producción del espectro; Monocromadores.
  • G01N21/85 G01 […] › G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 21/00 Investigación o análisis de los materiales por la utilización de medios ópticos, es decir, utilizando rayos infrarrojos, visibles o ultravioletas (G01N 3/00 - G01N 19/00 tienen prioridad). › Análisis de fluidos o sólidos granulados en movimiento.

PDF original: ES-2454269_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Dispositivo de espectrometría para el análisis de un fluido La presente invención se refiere al análisis de fluidos. La presente invención se refiere más particularmente al análisis cualitativo de fluidos y, en particular, de combustibles a base de hidrocarburos o de biocombustibles, que garantizan el funcionamiento de un motor de combustión, tal como los presentes en los vehículos.

Cada vez con mayor frecuencia, los automóviles están equipados con un sistema de gestión electrónico configurado para optimizar el funcionamiento del motor en función de diferentes parámetros medidos por sensores. Tales sistemas están generalmente configurados para ajustar la cantidad de combustible inyectada en el motor, para regular el tiempo de inyección, el avance del encendido, la presión de admisión y el reciclado de los gases de escape, en función, en particular, de la velocidad del motor, de la temperatura del aceite y del líquido refrigerante, y en función de parámetros exteriores tales como la presión atmosférica y temperatura ambiente.

Sin embargo, esta optimización se encuentra limitada por fluctuaciones de la calidad de los combustibles. En efecto, aunque están definidos por normas, los combustibles están sujetos a variaciones de calidad significativas en función del tiempo atmosférico y del distribuidor de combustible. En términos generales, los combustibles están caracterizados por parámetros físicoquímicos tales como los índices de octano y la presión de vapor en el caso de los motores de encendido por chispa, el índice de cetano, el punto de encendido y la resistencia al frío en el caso de los motores diésel, así como la curva de destilación, la densidad y el contenido de compuestos oxigenados. Así, se estima que los parámetros físicoquímicos de los combustibles basados en hidrocarburos pueden variar entre el 15 y el 40 % o más, alrededor de valores medios normalizados especificados en las normas.

Ahora bien, el funcionamiento de un motor de combustión está optimizado para un combustible normalizado. Si la calidad del combustible presente en el surtidor es demasiado diferente de la calidad del combustible normalizado, esta optimización ya no es aplicable y el motor tenderá a consumir más combustible y a generar mayor cantidad de gases contaminantes.

Por lo tanto, es deseable determinar la calidad del combustible que va a alimentar al motor y tener en cuenta los resultados obtenidos para gestionar el funcionamiento del motor. Para ese propósito, la espectrometría de absorción en el infrarrojo cercano resulta apropiada para la evaluación cualitativa de un hidrocarburo o de una mezcla de hidrocarburos.

Un espectrómetro tradicional de generación de un espectro de absorción de fluido comprende generalmente los elementos siguientes:

- una fuente de luz que cubre por lo menos una banda de longitudes de onda en la cual se deben efectuar las medidas,

- un dispositivo denominado «detector» en la siguiente descripción, en el cual interactúan la luz producida por la fuente de luz y el fluido que se desea analizar, y

- un sensor de análisis espectral el cual analiza la luz que sale de la sonda.

Tal espectrómetro permite obtener un espectro de absorción que se presenta en forma de una curva del tipo T = f (λ) , indicando la cantidad T de luz que ha atravesado el fluido que se desea analizar en función de la longitud de onda λ.

Un espectrómetro está caracterizado principalmente por su gama de análisis espectral (anchura y posición de los espectros generados) , su precisión de análisis o el número de puntos de medición que constituyen el espectro proporcionado, su precisión de medición para el valor de absorción y su sensibilidad, es decir, su capacidad para medir cantidades bajas de luz.

Los espectrómetros actuales presentan generalmente una gran complejidad y, por consiguiente, son muy caros, y

tienen unas dimensiones relativamente grandes. En particular, los espectrómetros actuales comprenden numerosos componentes ópticos (lentes, filtros, prismas, espejos, rejillas de difracción) separados por capas de aire. La alineación de estos componentes es crítica para el correcto funcionamiento del espectrómetro. Por lo tanto, los espectrómetros actuales, generalmente diseñados para laboratorios, no resultan apropiados para el entorno de un motor de combustión o de un vehículo. En particular, estos no están concebidos para soportar las vibraciones intensas generadas por el motor de combustión o el vehículo. De hecho, entre la fuente de luz y el dispositivo de análisis espectral, el haz luminoso atraviesa un número significativo de componentes ópticos separados por capas de aire. Cada interfase entre un componente óptico y el aire es una fuente potencial de desajuste o degradación.

Las fuentes de luz utilizadas tradicionalmente en espectrometría (lámparas de vapor metálico o incandescentes,

halógenas, etc.) no son compatibles con las limitaciones de robustez, vida útil y dimensiones requeridas en una aplicación a bordo de un motor de combustión o en un vehículo. De igual manera, se debe descartar el uso de láseres, dado que sería necesario el mismo número de láseres como puntos de medición en el espectro deseado. El uso de láseres también se debe descartar por razones de vida útil, de estabilidad y de robustez en un entorno hostil.

Asimismo, en las solicitudes de patente FR 2798582 y FR 2789294 se ha contemplado el uso de diodos 5 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 un único alojamiento el cual encierra componentes ópticos de interfase con la muestra y circuitos de adquisición y procesamiento. Los circuitos de adquisición comprenden un filtro óptico variable de manera continua o un filtro matricial acoplado directamente a una hilera o una matriz de fotodetectores.

El documento US 4989942 describe un dispositivo de análisis de un líquido que comprende una fuente de luz transmitida por una fibra óptica a un lente de colimación. Seguidamente, la luz atraviesa el líquido, después es captada por otra lente de colimación y finalmente es transmitida por una fibra óptica hacia un dispositivo de análisis.

El documento FR 2566909 describe un dispositivo de detección de un producto en un líquido que comprende un haz de fibras ópticas, una parte del cual transmite luz hacia el líquido, un espejo bañado por el líquido el cual refleja la luz hacia el haz de fibras, estando unida la otra parte del haz de fibras a un detector.

El documento FR 2583164 describe un dispositivo de análisis del color y la turbidez de un fluido, que comprende una fuente de luz asociada a una óptica de enfoque para iluminar un fluido por medio de una fibra óptica. La luz es captada desde el fluido con ayuda de otra fibra óptica la cual transmite la luz hacia un dispositivo de análisis cromático. El dispositivo de análisis cromático comprende un prisma sobre el cual se enfoca el haz luminoso captado. El espectro lineal que sale del prisma se enfoca sobre un detector de tipo línea de cámaras, el cual puede estar equipado con un atenuador graduado que permite corregir las diferencias de rendimiento luminoso en función de las longitudes de onda.

El documento US 2005/0140270 describe un emisor de luz que comprende varias fuentes de luz roja, verde o azul, tales como LED. La luz emitida por cada fuente es concentrada por un concentrador, y después transmitida por una guía de luz.

El documento US 6560038 describe un acoplador óptico que presenta una simetría de revolución, asociado a un LED o a un conjunto de LED.

Es por lo tanto deseable realizar un dispositivo de espectrometría para el análisis de fluidos que esté adaptado para su instalación a bordo de un motor de combustión o en un vehículo.

Este objeto se consigue proporcionando un dispositivo de espectrometría que comprende: un dispositivo de iluminación configurado para generar un haz luminoso que cubre una banda de longitudes de onda, una sonda configurada de tal manera que el haz luminoso procedente del dispositivo de iluminación interactúe con un fluido que se desea analizar, y un dispositivo de análisis espectral configurado para recibir el haz luminoso después de que este haya interactuado con el fluido que se desea analizar, y para proporcionar mediciones de intensidad luminosa en diferentes intervalos de longitudes de onda, comprendiendo el dispositivo de análisis espectral una primera guía de luz acoplada a la sonda y a un primer dispositivo de filtrado óptico, recibiendo la primera... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo de espectrometría que comprende:

un dispositivo de iluminación (LSRC, LSRC1) configurado para generar un haz luminoso que cubre una banda de longitudes de onda,

una sonda (PRB, PRB1-PRB4) configurada de manera que el haz luminoso procedente del dispositivo de iluminación interactúe con un fluido que se desea analizar (20) , y

un dispositivo de análisis espectral (SPAN, SPAN1) configurado para recibir el haz luminoso después de que este haya interactuado con el fluido que se desea analizar, y para proporcionar mediciones de intensidad luminosa en diferentes intervalos de longitudes de onda, comprendiendo el dispositivo de análisis espectral (SPAN, SPAN1) una primera guía de luz (21) acoplada a la sonda (PRB, PRB1-PRB4) y a un primer dispositivo de filtrado óptico,

recibiendo la primera guía de luz el haz luminoso después de que este haya interactuado con el fluido que se desea analizar (20) y guiándolo mientras lo difunde hacía un primer conjunto de células fotosensibles (24, 24') a través del primer dispositivo de filtrado óptico, estando dispuesto el primer dispositivo de filtrado óptico para transmitir a cada una de las células fotosensibles una parte del haz luminoso que cubre un intervalo de longitudes de onda respectivo situado en la banda de longitudes de onda;

caracterizado porque la primera guía de luz (21) presenta una forma de lámina hecha de un material transparente, que recibe el haz luminoso procedente del fluido que se desea analizar (20) por medio de un borde (210) de la lámina y lo guía mientras lo difunde hacia un borde opuesto (211) de la lámina frente a la cual están dispuestos el primer dispositivo de filtrado óptico (22) y el primer conjunto de células fotosensibles (24, 24') .

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el dispositivo de análisis espectral (SPAN1) comprende una segunda guía de luz (21') , la cual toma una parte del haz luminoso directamente en la salida del dispositivo de iluminación (LSRC, LSRC1) y guía la parte del haz luminoso hacia 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 cubre un intervalo de longitudes de onda respectivo situado en la banda de longitudes de onda.

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2, en el cual la segunda guía de luz (21') presenta una forma de lámina hecha de un material transparente, que recibe la parte del haz de luz procedente del dispositivo de iluminación (LSRC, LSRC1) por medio de un borde de la lámina y lo guía mientras lo difunde hacia un borde opuesto de la lámina frente a la cual están dispuestos el segundo dispositivo de filtrado (22) y el segundo conjunto de células fotosensibles (24') .

4. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, que comprende una guía de luz (12, 12', 4') de fibra 40 óptica acoplada a cada guía de luz de tipo laminar (21, 21') para transmitirle el haz luminoso.

5. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual el dispositivo de análisis espectral (SPAN, SPAN1) comprende una hilera de fotodetectores (24, 24') que forma ya sea el primer o el primer y el segundo conjuntos de células fotosensibles, estando fijada la hilera de fotodetectores al borde opuesto (211) de una de las 45 guías de luz de tipo laminar (21, 21') por medio del primer o del primer y del segundo dispositivos de filtrado óptico (22, 22') .

6. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual cada dispositivo de filtrado óptico (22, 22') comprende un filtro de tipo interferencia de transmisión espectral linealmente variable a lo largo de su longitud, y el

primer dispositivo de filtrado óptico (22) cubre una banda de longitudes de onda comprendidas entre 700 nm y 1100 nm.

7. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, en el cual la sonda (PRB, PRB1-PRB4) comprende una guía de luz de iluminación (4) de fibra óptica que transmite el haz de luz procedente del dispositivo de 55 iluminación (LSRC, LSRC1) al fluido que se desea analizar (20) , y una guía de luz de captación (12, 12') de fibra óptica acoplada a la guía de iluminación, y que recoge al menos parcialmente el haz luminoso que ha atravesado el fluido que se desea analizar y lo envía al dispositivo análisis espectral (SPAN, SPAN1) .

8. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende un reflector (13, 13') acoplado a la sonda para 60 reenviar el haz luminoso después de haber atravesado del fluido que se desea analizar (20) hacia la guía de luz de captación (12) a través del fluido que se desea analizar, comprendiendo la guía de luz de captación una pluralidad de fibras ópticas de captación (12) repartidas alrededor de una guía de luz de iluminación (4) o comprendiendo la sonda (PRB2) un acoplador óptico en Y (25) para transmitir el haz luminoso que sale de la guía de luz de iluminación

(4) hacia el fluido que se desea analizar (20) , y para transmitir el haz luminoso procedente del fluido que se desea 65 analizar hacia la guía de luz de captación (12') .

9. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 8, en el cual el reflector (13, 13') está realizado de manera que refleje cada rayo luminoso incidente de un haz luminoso sustancialmente en una dirección opuesta a la del rayo luminoso incidente con una ligera ampliación angular.

10. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 9, en el cual el reflector (13, 13') es de tipo Scotchlite® o catafoto de prismas retrorreflectores, o presenta la forma de un casquete esférico centrado sustancialmente en el centro de una cara de salida de la guía de luz de iluminación (4) .

11. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 8 y 9, en el cual la sonda comprende una lente 10 convergente (19) dispuesta entre la salida de la guía de luz de iluminación (4) y el fluido que se desea analizar (20) .

12. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7, en el cual la sonda (PRB3, PRB4) comprende una lente convergente (19) dispuesta entre la salida de la guía de luz de iluminación (4) y el fluido que se desea analizar (20) y una lente convergente (19') dispuesta entre la guía de luz de captación (12) y el fluido que se desea analizar.

13. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 12, en el cual el dispositivo de iluminación comprende al menos un diodo electroluminiscente (1a-1g) que emite luz que cubre la banda de longitudes de onda, acoplado a la guía de luz de iluminación (4) .

14. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 13, en el cual el dispositivo de iluminación (LSRC, LSRC1) comprende varios componentes emisores de luz (1a-1g) que emiten luz en intervalos de longitudes de onda distintos incluidos en la banda de longitudes de onda, y una guía de luz de iluminación (4) de fibra óptica acoplada a los componentes emisores de luz para transmitir la luz emitida de los componentes ligeros de la luz emitida por los componentes emisores de luz a la sonda (PRB, PRB1-PKB4) .

15. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 14, en el cual el dispositivo de iluminación (LSRC, LSRC1) comprende un componente óptico mezclador (3) para combinar los flujos luminosos emitidos por los componentes emisores de luz (1a-1g) en un haz luminoso resultante que cubre el banda de longitudes de onda, estando acoplado el componente óptico mezclador a la guía de luz de iluminación (4) para guiar el haz luminoso resultante hacia la guía de iluminación, estando configurado el componente óptico mezclador (3) para presentar al menos una de las características siguientes:

comprende una cara de entrada dispuesta para recibir la luz proveniente de los componentes emisores de luz (1a1g) , una cara de salida acoplada a la guía de luz de iluminación (4) , y una forma sustancialmente de revolución optimizada para transmitir un máximo de luz de los componentes emisores de luz a la guía de iluminación,

comprende una cara de entrada dispuesta para recubrir una superficie emisora de luz de cada uno de los componentes emisores de luz (1a-1g) , y

comprende una cara de entrada acoplada por una o más fibras ópticas (7a, 7b, 7c) a una superficie emisora de luz de cada uno de los componentes emisores de luz (1a-1c) .

16. Dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 15, en el cual el dispositivo de iluminación (LSRC, LSRC1) presenta al menos una de las características siguientes:

produce un haz luminoso que cubre una banda de longitudes de onda comprendidas entre 700 nm y 1100 nm,

comprende varios componentes emisores de luz que emiten luz sustancialmente en el mismo intervalo de longitudes de onda.


 

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