Método y dispositivo para la detección y medida de la concentración de gases.

Método y dispositivo para la detección y medida de la concentración de gases.

La presente invención está dirigida a un método y un dispositivo para la detección y medida de la concentración de gases con firma infrarroja de manera no intrusiva. El método está basado en la obtención y procesado de imágenes multiespectrales (en diferentes bandas espectrales a diferentes longitudes de onda) en el infrarrojo (IR) para la detección y medida, a distancia y en tiempo real, de la concentración de mezclas de gases o materiales en fase vapor. La medida se puede realizar mediante cualquier sensor o dispositivo de imagen IR que pueda proporcionar imágenes del gas o vapor, en modo activo o pasivo, en diferentes bandas seleccionadas con la única condición de que lo haga de forma cuasi-instantánea.

MÉTODO Y DISPOSITIVO PARA LA DETECCIÓN Y MEDIDA DE LA CONCENTRACÓN DE GASES

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención está dirigida a un método y un dispositivo para la detección y medida de la concentración de gases con firma infrarroja de manera no intrusiva. El método está basado en la obtención y procesado de imágenes multiespectrales (en diferentes bandas espectrales a diferentes longitudes de onda) en el infrarrojo (IR) para la detección y medida, a distancia y en tiempo real, de la concentración de mezclas de gases o materiales en fase vapor. La medida se puede realizar mediante cualquier sensor o dispositivo de imagen IR que pueda proporcionar imágenes del gas o vapor, en modo activo o pasivo, en diferentes bandas seleccionadas con la única condición de que lo haga de forma cuasi-instantánea.

El conjunto de medidas en modo activo comprende aquellas medidas de radiación infrarroja de una mezcla de gases tomadas en un sensor de imagen, de modo que tras la mezcla de gases existe al menos una fuente de radiación externa, por ejemplo un foco, el sol, un cuerpo negro, etc. de al menos un orden de magnitud mayor que las emisiones de la atmósfera o la de los gases a medir. En esta medida se considera la radiación debida a la fuente de radiación externa, despreciando toda emisión radiativa de los propios gases en la mezcla y de la atmosfera. Cuando la emisión radiométrica de la fuente de radiación externa sea del mismo orden de magnitud que la emisión radiométrica de la mezcla de gases, es necesario considerar la emisión de esta segunda, aunque esta situación no sea la óptima.

El conjunto de medidas en modo pasivo comprende aquellas medidas de radiación infrarroja de una mezcla de gases tomadas en un sensor de imagen, de modo que tras la mezcla de gases no hay ninguna fuente de radiación externa.

El campo técnico donde se ubica la invención con especial interés es el de la medida a distancia de gases mediante sensores IR de base multiespectral. El control de procesos y la protección del medio ambiente son otros campos técnicos donde se puede ubicar la invención.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Son conocidos en el estado de la técnica métodos de detección de gases con firma infrarroja. Sin embargo, no son conocidos métodos de medida de concentración de determinados gases en una mezcla de gases a distancia y cuya temperatura es desconocida.

Los métodos espectométricos de detección de gases se basan en la radiación detectada dada una imagen en una banda del IR determinada. La radiación varía con la temperatura y la concentración de los gases que comprende la mezcla. Por este motivo, sin conocer la temperatura de la mezcla de gases, los métodos encontrados en el estado de la técnica no determinan el valor de la concentración de determinados gases de interés a una distancia dada hasta la mezcla.

Actualmente existen equipos y metodologías de detección y cuantificación de gases basados en espectro radiometría y de imagen infrarroja. Se pueden resumir las principales características de estos equipos y procedimientos en las siguientes:

 Alta resolución espectral, imagen hiperespectral, y alta precisión de medidas con bajos niveles de ruido.  Están basados en sistemas complejos, difíciles de calibrar y de utilizar.  Están basados en sistemas de elevado peso y tamaño, lo que hace igualmente compleja su integración para su uso comercial, restringiéndose su empleo en el ámbito fundamentalmente científico y en laboratorios.

 Los sistemas más habituales necesitan un considerable tiempo de adquisición y un complejo procesado de datos. La mayoría de estos sistemas son dispersivos (con red de difracción) o basados en la transformada de Fourier IR (FTIR) . Esto implica que la energía del emisor se distribuye espectralmente en toda la banda útil del detector, lo que da lugar a una energía muy débil en la banda útil de cada gas. Ello implica la necesidad de compensar la baja energía espectral mediante un tiempo de observación muy alto (integrando en el tiempo, sumando espectros, etc.) . Además estos sistemas requieren un procesado de datos complejo (inversión de la TF, etc.) .

 Lo anterior impide a los sistemas dispersivos o por FTIR, por lo general, la medida en tiempo real de un gran número de fenómenos.

 Lo anterior hace que estos sistemas no sean válidos para medir gases que varíen de forma rápida en el tiempo (fenómenos dinámicos) . Lo que es un grave inconveniente cuando nos enfrentamos a la medida de emisiones de gases o vapores cuyas concentraciones pueden variar con frecuencias de hercios.

 Otro tipo de sistemas habituales de detección y medida de gases son los basados en Infrarrojo no-dispersivo (NDIR) . Estos a diferencia de los anteriores suelen ser sistemas de respuesta más rápida y se basan en la selección de filtros ópticos adecuados a cada gas. Los sistemas NDIR tienen sin embargo una serie de problemas:

• El primero es que no son sistemas in-situ, es decir no pueden medir a distancia y al aire libre. Son sistemas que actúan sobre cámaras donde el gas a medir se introduce por diferentes procedimientos (bombas aspirantes u otros) .

• Al no medir in-situ no tienen en cuenta el efecto de la temperatura en la absorción/emisión de los gases o vapores. Lo compensan midiendo a una temperatura fijada por un calefactor o bien considerando que el gas está a temperatura ambiente. Estos procedimientos alteran el estado original del gas en la situación real por lo que modifican su concentración no considerando por ello la gran influencia de la temperatura en la medida por IR de la concentración del gas.

 Los algoritmos habitualmente utilizados no separan el efecto conjunto de las magnitudes temperatura y concentración. Se basan fundamentalmente en la medida de concentración a partir de:

• Una estimación de la temperatura basada en otros principios de medida (como por ejemplo mediante el uso de termopares) o bien en el conocimiento del proceso de estudio.

• Uso de factores de corrección a partir de medidas sobre gases trazadores.

• Ajuste iterativo e independiente de ambas magnitudes (concentración y temperatura) .

Los dispositivos basados en estos principios tienen un campo de aplicación limitado, debido a su complejidad, poca robustez, gran volumen de datos y largo tiempo de adquisición. De esta forma surge la necesidad de desarrollar dispositivos más simples, operativos y de menor coste que puedan resolver problemas específicos en tiempo real.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve los problemas anteriormente descritos mediante un método según la reivindicación 1 y un dispositivo según la reivindicación 8. Las reivindicaciones dependientes definen realizaciones preferidas de la invención.

Un primer aspecto inventivo presenta un método no intrusivo para la medida de la concentración de gases con firma infrarroja en una masa formada por una mezcla de gases que comprende gases con firma infrarroja caracterizado porque comprende las etapas de:

a) seleccionar un conjunto de gases con firma infrarroja presentes en la masa de mezcla de gases cuya concentración se quiere medir,

b) seleccionar una primera ventana (0) de lectura con una longitud de onda de centrado , en el espectro infrarrojo, y un ancho de banda tal que la radiación a detectar de un primer gas del conjunto de gases es sensible a cambios de temperatura del gas en esa ventana,

c) seleccionar una segunda ventana (1) de lectura con una longitud de onda de centrado , en el espectro infrarrojo, y un segundo ancho de banda tal que la radiación a detectar del primer gas del conjunto de gases es sensible a cambios de la concentración del gas en esa ventana, donde la longitud de onda λ y el ancho de banda es distinto que los de la primera ventana,

d) para cada uno de los gases , =2..del conjunto de gases distinto del primero, seleccionar una ventana i-ésima (i) de lectura con una longitud de onda de centrado

, en el espectro infrarrojo, y un ancho de banda tal que la radiación a detectar del gas i-ésimo del conjunto de gases es sensible al menos a cambios de la concentración del gas en esa ventana, donde la longitud de onda λ y el ancho de banda es distinto que los del resto de las ventanas,

e) proveer de medios de lectura de la radiación en cada una de las ventanas de lectura;

f) proveer (T, λ) =1.., para cada gas al menos en el ancho de banda de y en un rango de temperaturas T preestablecido,

 donde es la absortividad espectral,  es...

1. Método no intrusivo para la detección y medida de la concentración de gases con firma infrarroja en una masa formada por una mezcla de gases que comprende gases con firma infrarroja caracterizado porque comprende las etapas de:

a) seleccionar un conjunto de gases con firma infrarroja presentes en la masa de mezcla de gases cuya concentración se quiere medir,

b) seleccionar una primera ventana (0) de lectura con una longitud de onda de centrado , en el espectro infrarrojo, y un ancho de banda tal que la radiación a detectar de un primer gas del conjunto de gases es sensible a cambios de temperatura del gas en esa ventana,

c) seleccionar una segunda ventana (1) de lectura con una longitud de onda de centrado , en el espectro infrarrojo, y un ancho de banda tal que la radiación a detectar del primer gas del conjunto de gases es sensible a cambios de la concentración del gas en esa ventana, donde la longitud de onda λ y el ancho de banda es distinto que los de la primera ventana,

d) para cada uno de los gases , =2..del conjunto de gases distinto del primero, seleccionar una ventana i-ésima (i) de lectura con una longitud de onda de centrado , en el espectro infrarrojo, y un ancho de banda tal que la radiación a detectar del gas i-ésimo del conjunto de gases es sensible al menos a cambios de la concentración del gas en esa ventana, donde la longitud de onda λ y el ancho de

banda es distinto que los del resto de las ventanas,

e) proveer de medios de lectura de la radiación en cada una de las ventanas de lectura;

f) proveer (T, λ) =1.., para cada gas al menos en el ancho de banda de y en un rango de temperaturas T preestablecido, .

 donde es la absortividad espectral,  es la temperatura,  es la longitud de onda considerada,

g) definir el sistema de ecuaciones:

=, , , …,

º

=, , , …,

º

= , , , …, …

º

= (, , , …, )

º

donde con =0, …, es el valor de una lectura de la radiación llevada a cabo por los medios de lectura en la ventana i-ésima y es la función que modeliza el 5 proceso de transferencia radiativa de la mezcla hasta los medios de lectura;

h) llevar a cabo una lectura con los medios de lectura de las variables con =0, …, sobre la misma mezcla y en el mismo instante de tiempo, o en un intervalo de tiempo en el que no haya evolución de la temperatura y concentraciones de la mezcla, para cada ventana; y, resolver el sistema de ecuaciones en las variables , , , …, ;

º

i) proveer al menos uno de los valores , , …, como valores de la concentración de

º

gases.

2. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque las ventanas de lectura son tales que las variaciones de la lectura de la radiación para un gas determinado se consideran despreciables ante variaciones de la concentración o temperatura de los otros gases, donde el sistema de ecuaciones definido está simplificado de la siguiente forma:

=,

º

=,

º

= ,

º

…= (, )

3. Método según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque para cualquiera de los gases, se define:

 una ventana de lectura adicional con una longitud de onda de centrado, situado en el espectro infrarrojo, y con un ancho de banda tal que la radiación a detectar en el gas es tal que es sensible a cambios de la concentración en esa ventana, donde la longitud de onda y el ancho de banda es distinto que los de las otras ventanas; y,  una ecuación adicional de la forma s=W (T, c) para dicho gas.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dadas dos ventanas de lectura de un mismo gas cada una de ellas se selecciona de acuerdo a los siguientes criterios:

 una ventana de lectura seleccionada de forma que en su ancho de banda las variaciones de la radiación a detectar debido a variaciones en la temperatura del gas son máximas,

 la otra ventana de lectura seleccionada de forma que en su ancho de banda las variaciones de la señal debido a variaciones en la concentración del gas son 10 máximas.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la función (, ) es la radiación (, , ) en función de la temperatura de la mezcla y la concentración de cada uno de los gases, integrada en a lo largo del ancho de banda de la 15 ventana de lectura..

º

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la función (, , , …, ) contempla:

 la presencia de una masa de gases adicional, preferentemente la atmósfera, 20 dispuesto entre la masa de gases sobre los que se lleva a cabo la lectura y los medios de lectura,  la presencia de radiación de fondo por la presencia de una fuente de radiación dispuesta tras la masa de gases; y,  la presencia de cualquiera de los dos anteriores 25 de tal modo que adopta la expresión:

(, ) = (, ) ·ó (, , ) +ó (, , ) + (T, )

· (, , ) · (, , ) · ()

ó

siendo • (, , ) la transmitancia de la mezcla de gases,

• (, , ) la transmitancia de la atmósfera dependiente de las concentraciones de los gases involucrados en la detección, 30 • (, , , ) la radiación espectral de la mezcla,

óº

• (, , ) la radiación espectral de la atmósfera;

• (T, ) la radiación espectral del fondo,

óº

• () es la transmitancia espectral del filtro de medida.

• , los límites de integración, en un ejemplo particular mayores que el ancho de

banda del filtro óptico utilizado,

y donde ó o es nula caso de no estar presentes en un escenario de medida.

7. Método espectroscópico no intrusivo para la detección de gases contaminantes según cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 2 caracterizado porque la etapa de obtener una aproximación por polinomios en la banda de interés de la absortividad espectral de los gases a detectar en función de la temperatura, utilizando datos reales de absortividad proporcionados por una base de datos, se realiza aproximando por polinomios la envolvente definida por los mínimos de absortividad en función de la temperatura, donde los polinomios adoptan la forma:

(, ) =·

8. Dispositivo no intrusivo para la medida de la concentración de gases con firma infrarroja en una masa formada por una mezcla de gases que comprende gases con firma infrarroja adaptados para llevar a cabo un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende:

 unos medios de lectura de radiación en un conjunto de n+1 ventanas de lectura con una longitud de onda de centrado con i=0, 1, …, n y un ancho de banda tales que todas las ventanas son distintas y donde todos los medios de lectura llevan a cabo la observación de la misma mezcla de gases,

 una unidad de proceso adaptada:

iii. para recibir los valores de las lecturas de los medios de lectura iv. para llevar a cabo las etapas f) a j) según la reivindicación 1.

9. Dispositivo según la reivindicación 8 caracterizado porque los medios de lectura son sensores de infrarrojo sensibles únicamente en la ventana de lectura.

10. Dispositivo según la reivindicación 8 caracterizado porque los medios de lectura son un sensor de infrarrojos que comprende al menos un filtro donde este filtro es de longitud y ancho de banda de acuerdo a la ventana de lectura.

11. Dispositivo según la reivindicación 10 caracterizado porque el mismo sensor dispone de más de un filtro, desplazable, adaptado para que en un periodo de tiempo en el que no se produce evolución de las variables de la mezcla es capaz de llevar a cabo lecturas con distintas ventanas de lectura.

.

12. Dispositivo según la reivindicación 11 caracterizado porque el desplazamiento de los filtros es rotatorio.

13. Dispositivo según la reivindicación 8 caracterizado porque los medios de lectura son 10 sensores de infrarrojo situados en la línea de visión de la mezcla y tras un elemento óptico de separación o discriminación de longitudes de onda.

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Q7

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O

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3.5 2269 c 2255 c 2246 c

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