ES2286897T3 - Especificamente por ionizacion inducida por laser, particularmente para carbon. - Google Patents
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Abstract
Aparato para el análisis de un material, que comprende: un láser destinado a enviar un impulso de luz láser sobre el material para vaporizar e ionizar una parte del material, y para provocar una emisión espectral del mismo, una serie de medios de detección espectrales para detectar la emisión espectral, provocada por dicho impulso de luz láser procedente del material, detectando cada uno de dichos medios de detección una parte del espectro de la emisión espectral, una serie de medios de captación de datos, cada uno de cuyos medios de captación de datos está asociado con un medio de detección espectral correspondiente de una serie de medios de detección espectrales, de manera tal que cada uno de dichos medios de captación de datos recoge datos de sus medios de detección espectral asociados; medios de control para controlar el disparo del láser y para controlar y sincronizar el funcionamiento de la serie de medios de detección espectral para detectar simultáneamente la emisión espectral del material a través del espectro de la emisión espectral; y medios de determinación conectados a cada uno de dicha serie de medios de captación de datos para recibir datos recogidos de este modo para determinar la presencia y cantidad de uno o varios elementos o especie en el material, analizando de esta manera dichos medios de determinación conectados a cada uno de la serie de medios de recogida de datos, los datos recogidos por cada uno de dichos medios de recogida de datos, caracterizado porque cada uno de la serie de medios de detección espectral incluye su propio espectrómetro dispuesto para detectar una región espectral específica de la emisión espectral, de manera que un único impulso de luz láser que choca sobre el material es suficiente para posibilitar el análisis de una amplia gama de elementos del mismo.
Description
Espectroscopia por ionización inducida por
láser, particularmente para carbón.
La presente invención se refiere a un aparato y
método para el análisis de un material. La presente invención es
particularmente adecuada para el análisis de carbón y, para mayor
comodidad, la invención se describirá a continuación haciendo
referencia a su aplicación al análisis de carbón. No obstante, se
observará que la invención no se debe considerar restringida al
análisis de carbón.
El carbón es una fuente de combustible fósil que
tiene carbono e hidrocarburos como sus componentes principales.
Además, el carbón contiene también en cantidades menores, si bien
significativas, ciertas cantidades de silicio, aluminio, hierro,
calcio, sodio, potasio y otros elementos. Estos elementos pasan, en
general, a las cenizas una vez que el carbón ha sido quemado.
Algunos carbones, tales como los carbones marrón "victoriano",
contienen también cantidades apreciables de agua.
Sería deseable tener la capacidad de analizar
carbón en dos situaciones. La primera de ella comporta el análisis
del carbón en el lugar de la veta de carbón para ayudar a la
planificación de la mina a corto plazo, y también para tener la
capacidad de la estimación más exacta del valor del carbón en la
veta. La segunda aplicación comporta el análisis del carbón poco
antes o durante su combustión. Esto podría ayudar a la predicción de
la probabilidad de ensuciamiento y producción de escorias en una
caldera o dispositivo de combustión con quemador de carbón,
posibilitando por lo tanto de esta manera la toma de acciones
preventivas. Los depósitos que producen ensuciamiento y escorias
son una importante dificultad en la industria de generación de
electricidad, y la gravedad de estos depósitos depende de los
componentes inorgánicos del carbono.
Se han descrito una serie de técnicas que
permiten el análisis del carbón. Las técnicas analíticas conocidas
para determinar la composición del carbón en una veta de carbón
requieren, de manera típica, la extracción de una muestra o una
serie de muestras de la veta y devolver las muestras al laboratorio
para análisis convencional del carbón, tal como se describe en la
página 9.4 de la obra de Perry y otros, "Chemical Engineer's
Handbook" ("Manual del Ingeniero Químico"), Quinta edición,
McGraw Hill International Book Company, 1974.
La patente U.S.A. Nº 4.562.044, a nombre de Bohl
(transferida a The Babcock and Wilcox Company), da a conocer un
método y aparato para el análisis en línea de una muestra de carbón.
El aparato comprende cuatro brazos radiales, cada uno de los cuales
tiene una cubeta de muestras. Un motor que produce el giro
controlado efectúa el giro parcial de cada cubeta de muestra según
una trayectoria circular por delante de una estación de llenado, en
la que la cubeta es llenada con carbón pulverizado. La cubeta pasa a
continuación a una estación de análisis en la que se llevan a cabo
varios análisis químicos. La cubeta se desplaza a continuación a una
estación de vertido y a una estación de limpieza, después de lo
cual la cubeta se encuentra lista nuevamente para el llenado con
carbón pulverizado.
La patente U.S.A. Nº 4.841.153, a nombre de
Wormald (transferida a Cogent Limited), se refiere a un sistema y
método de análisis para el análisis del carbón, en el que el carbón
es bombardeado por neutrones para generar rayos gamma. Los rayos
gamma son detectados y la composición del carbón se determina a
partir de los mismos.
Otros detectores efectúan el bombardeo del
carbón con rayos gamma o rayos X. Estos sistemas requieren estrictas
precauciones de seguridad para evitar la posibilidad de exposición
del personal de funcionamiento a rayos X o a rayos gamma.
Otra técnica cuya utilización se ha indicado a
escala de laboratorio para el análisis de carbón es la
espectroscopia de fraccionamiento inducida por láser (LIBS) o
espectroscopia de emisión de chispas por láser. En esta técnica, un
láser de alta energía (normalmente pulsado) es utilizado para
vaporizar e ionizar una pequeña cantidad del material para
análisis. El material vaporizado o el plasma fraccionado inducido
por láser produce una fuerte emisión óptica. El análisis
espectroscópico de la emisión óptica proporciona información con
respecto a las características del material que está siendo
analizado. Una explicación de una técnica que utiliza LIBS se
describe en un documento de Ottensen y otros, titulado "Laser
Spark Emission Spectroscopy for In-Situ,
Real Time Monitoring of Pulverised Coal Particle Composition"
("Espectroscopia de emisión de chispa por láser para controlar en
tiempo real, in situ, la composición de partículas de carbón
pulverizado"), publicado por Sandia National Laboratories (Nº
SAND 90-8586), por cuenta del Departamento de
Energía, impreso en Agosto de 1990.
El documento
WO-A-9530140, a nombre de Nis
Ingenieurgesellschaft MBH, se refiere a un dispositivo para
determinar la composición elemental de una muestra de material
utilizando espectroscopia de emisión de plasma basada en láser. El
dispositivo transforma la muestra a estado de plasma, generando
sucesivos impulsos láser partes del espectro total de emisión.
El documento
EP-A-0401470, a nombre de Shimadzu
Corporation, se refiere a un aparato para emisión de análisis
espectroquímico. El aparato supera el problema de la disminución de
sensibilidad de análisis al excitar cíclicamente la muestra de
análisis con sucesivos impulsos de energía alta y baja para
vaporizar la muestra y provocar, a continuación, que la muestra
vaporizada emita luz. Se utiliza un dispositivo de circuito
simplificado para almacenar los datos de los espectros de la
emisión a partir de una serie de impulsos de baja energía antes del
análisis de los datos.
Si bien las técnicas LIBS se han mostrado
prometedoras al ser adecuadas para análisis de carbón, los presentes
inventores no tienen conocimiento de que la técnica sea aplicable
más allá del ámbito de laboratorio, debido a las dificultades que
incluyen la interferencia de línea espectral, muestreo y tiempos de
respuesta lentos, e incertidumbre de calibración.
Es un objetivo de la presente invención dar a
conocer un aparato y método mejorados para el análisis de
material.
Según un primer aspecto, la presente invención
da a conocer un aparato para el análisis de un material de acuerdo
con la reivindicación 1.
Cada uno de los espectrómetros puede tener un
detector CCD asociado al espectrómetro. El detector CCD puede pasar
información sobre la región espectral a una tarjeta de adquisición
de datos o un archivo de datos en un ordenador o espacio de
memoria. Estos datos pueden ser analizados a continuación para
determinar la presencia de uno o varios elementos o especies en el
material, y preferentemente para determinar la cantidad o
concentración del elemento o especie en el material.
Los tipos de espectrómetros adecuados para su
utilización en la presente invención incluyen espectrógrafos de
retícula y de prisma; interferómetros, tales como tipos de
interferómetros de calibrado ("etalon") y de escaneado.
También se pueden utilizar detectores distintos
a los CCD (detectores con acoplamiento de carga). Entre otros
detectores que pueden ser utilizados en la presente invención se
incluyen los dispositivos de fotodiodos, vidicones, tubos
fotomultiplicadores y fotodiodos. Los técnicos en la materia
apreciarán fácilmente qué detectores deben ser utilizados.
Preferentemente, el aparato comprende además
medios de control para controlar el disparo del láser y para
controlar y sincronizar el funcionamiento de la serie de medios de
detección. Los medios de control pueden incluir un circuito de
temporización para disparar el láser a tiempos especificados y para
accionar los medios de detección en otros tiempos especificados. Es
especialmente preferente que los medios de control sincronicen
también el funcionamiento de cada uno de la serie de medios de
detección, de manera que la serie de medios de detección detecta
simultáneamente emisiones espectrales procedentes del material.
En lugar del circuito de temporización, los
medios de control pueden comprender software de control para
controlar el funcionamiento del láser y de los medios de
detección.
El aparato incluirá también uno o varios
sistemas ópticos para centrar la luz láser sobre el material y para
enfocar las emisiones espectrales sobre la serie de medios de
detección. El sistema o sistemas ópticos pueden incluir una o
varias lentes, fibras ópticas, prismas, divisores de haz y otros
componentes ópticos. Si bien se requieren sistemas ópticos
adecuados, se comprenderá que el diseño de un sistema óptico no
forma parte del concepto inventivo de la presente invención y que
los técnicos en la materia serán capaces de diseñar un gran número
de sistemas ópticos adecuados sin requerir aportación de actividad
inventiva. De acuerdo con ello, los sistemas ópticos no tienen que
ser explicados de manera adicional.
El láser puede ser cualquier tipo de láser capaz
de provocar la vaporización y la ionización de una parte del
material. Se incluyen entre los láser adecuados, los láser de estado
sólido, tales como el láser Nd:TAG 1064 nm, longitudes de onda
armónicas del láser Nd:YAG, es decir, 532 nm, 355 nm y 266 nm; láser
de gas tales como los láser excimer, por ejemplo, láser excimer
XeCl 308 nm, ó KrF 248 nm; láser de dióxido de carbono; láser de
líquido tales como láser de colorantes; o cualquier desplazamiento
de longitud de onda/frecuencia, generación de armónicos o mezcla de
los anteriores. También se pueden utilizar láser distintos a los
específicamente mencionados. Los técnicos en la materia podrán
seleccionar fácilmente el láser apropiado.
El aparato de la presente invención puede ser
adecuado para analizar material en un laboratorio, o un
transportador o en el suelo.
El aparato de la presente invención posibilita
obtener una elevada resolución de fluorescencia elemental y evita
principalmente o minimiza las interferencias espectrales habituales
en los analizadores LIBS conocidos. La presente invención
posibilita la detección de una gama espectral grande en un impulso
láser único, disminuyendo notablemente el tiempo necesario para el
análisis. Este tiempo reducido para el análisis permite que el
aparato sea utilizado como herramienta analítica en tiempo real.
También minimiza los errores de muestreo. A este respecto, el
aparato puede obtener un análisis de una serie de elementos en la
parte del material vaporizado en cada impulso de rayos láser. Como
contraste, un aparato LIBS conocido requería el análisis secuencial
del material, lo que significaba que se hacía necesaria una serie
de impulsos de láser. Cada uno de los impulsos de láser tenía que
vaporizar una parte distinta del material, lo que podría conducir a
errores, particularmente si el material sometido a análisis tiene
una fuerte heterogeneidad.
La presente invención se refiere también a un
método para el análisis de un material de acuerdo con la
reivindicación 17.
El método puede comprender además una operación
de control del láser y de la serie de medios de detección.
El aparato y método de la presente invención se
describirán adicionalmente haciendo referencia a una realización
preferente de la presente invención. En los dibujos adjuntos:
la figura 1 es una vista esquemática de un
aparato de acuerdo con una realización de la presente invención;
la figura 2 muestra un análisis de carbono
obtenido utilizando el aparato de acuerdo con la presente
invención;
la figura 3 muestra un dispositivo que incorpora
la presente invención para análisis de carbón in situ;
la figura 4 muestra una disposición alternativa
para analizar carbón en una veta de carbón;
la figura 5 muestra una realización de la
presente invención utilizada para análisis sobre un transportador;
y
la figura 6 muestra una disposición alternativa
de la presente invención para análisis de carbón sobre
transportadores.
En la siguiente descripción de una realización
preferente según la presente invención, el método y aparato de la
invención fue utilizado para analizar carbón. No obstante, se
observará que el método y aparato de la presente invención pueden
ser utilizados para analizar una amplia gama de materiales. Los
materiales que pueden ser analizados por el método de la invención
pueden ser sólidos, líquidos o incluso gaseosos. En el aparato
mostrado en la figura 1, un láser (10), que puede ser un láser
Nd:YAG 1064 nm, emite impulsos de luz láser que son enfocados por
un sistema óptico (12) sobre un material a analizar (14). En la zona
pequeña del punto de láser enfocado sobre el material (14), la
densidad de potencia del láser produce un calentamiento e ionización
rápidos de una pequeña muestra del material. La luz es emitida
desde el material vaporizado e ionizado conteniendo información
espectral del material involucrado. La luz emitida desde el material
vaporizado e ionizado es representada esquemáticamente en (16), y
esta luz emitida es detectada por una serie de medios de detección
(20, 22, 24). El aparato mostrado en la figura 1 tiene tres medios
de detección, pero se apreciará que se puede utilizar un número
menor o mayor de medios de detección. Se prevé que se pueda utilizar
un número mayor de medios de detección si se requiere una
resolución especialmente elevada. Los medios de detección (20)
comprenden un espectrómetro (26) que está ajustado a una parte del
espectrómetro de las emisiones espectrales que proceden del
material (14). Los medios de detección (20) incluyen también un
detector CCD (28) que, de manera adecuada, comprende un detector
comercial fácilmente disponible CCD. El detector CCD (28) puede
comprender un detector de 12-16 bits.
De manera similar, los medios de detección (22)
comprenden un espectrómetro (30) y un detector CCD (32). Los medios
de detección (24) comprenden también un espectrómetro (34) y un
detector CCD (36).
Los detectores CCD (28, 32, 36) detectan
información procedente de la región espectral específica
proporcionada por sus espectrómetros asociados. Los detectores CCD
pasan a continuación la información detectada a respectivas
tarjetas de adquisición de datos específicas (38, 40, 42), que están
asociadas a un ordenador central (44). Las tarjetas de captación de
datos pueden incluir paneles/circuitos de conversión analógica a
digital. El ordenador (44) incluye también medios de control (46)
para controlar el funcionamiento del láser (10) y de la serie de
medios de detección (20, 22, 24).
En la utilización del aparato mostrado en la
figura 1, los medios de control (46) envían una señal de control al
láser (10), que provoca que el láser emita un impulso de luz láser.
El impulso de luz láser (10) es enfocado sobre la superficie del
material (14), lo que provoca la vaporización y la ionización de una
pequeña parte de dicho material (14).
Poco tiempo después de que la señal de control
provoque la emisión de un impulso de luz láser (10) por el
dispositivo láser, los medios de control (46) envían señales de
control a los medios de detección (20, 22, 24), que ponen en marcha
los medios de detección. Es preferible que exista un reducido
retraso entre el disparo del láser y la inicialización del
funcionamiento de los espectrómetros, a efectos de asegurar que los
detectores CCD no detectan el impulso de luz de láser y detectan
solamente los espectros emitidos. Esta señal de control provoca que
los espectrómetros (26, 30, 34) recojan luz de la zona espectral
relevante durante un período de tiempo predeterminado para
posibilitar que los detectores CCD (28, 32, 36) detecten dicha luz.
Cada uno de los espectrómetros (26, 30, 34) recoge luz de zonas
específicas del espectro de emisión. Las regiones específicas
pueden ser regiones separadas y distintas del espectro, o puede
haber un cierto solape entre las zonas espectrales recogidas por
uno de los espectrómetros y la zona espectral recogida por otro de
los espectrómetros. Si bien los medios de detección (20, 22, 24)
recogen y detectan luz desde la zona espectral emitida procedente de
la muestra (14), los detectores CCD envían también información a
las respectivas tarjetas de captación de datos (38, 40, 42). Los
detectores CCD están constituidos a partir de áreas individuales de
material sensible a la luz (usualmente silicio) conocidas como
píxels. Cada uno de los píxels convierte la intensidad de luz en un
cambio eléctrico o corriente que es digitalizado a continuación por
las tarjetas de captación de datos. La utilización de tarjetas de
adquisición de datos separadas para cada dispositivo de detección
posibilita una rápida captación de grandes cantidades de datos y
esto, a su vez, permite un rápido análisis del material con una
resolución espectral elevada.
Los datos recogidos por las tarjetas de
captación de datos (38, 40, 42) son analizados a continuación por
el ordenador para determinar los elementos o especies presenten en
el material y también para determinar las cantidades relativas de
cada uno de dichos elementos o especies. La cantidad de cada
elemento o especie en el material se puede determinar integrando el
área situado por debajo de la línea espectral a una longitud de
onda que es característica de la emisión espectral de un elemento o
especie determinado, y comparando esta área con el área situada por
debajo de la misma línea espectral obtenida a partir de un material
que tiene un contenido conocido de dicho elemento o especie
determinados.
En la figura 2 se muestran gráficos de los datos
de emisión espectral recogidos de un aparato de acuerdo con la
presente invención. La figura 2 ha sido marcada para mostrar las
líneas espectrales para el hierro, calcio, sodio, hidrógeno,
carbono, magnesio, silicio y aluminio.
Dado que el aparato permite la medición de los
componentes del carbón incluyendo carbono (C), hidrógeno (H) y
oxígeno (O), así como los componentes que forman las cenizas,
también permite la determinación de características de combustibles
relevantes para la utilización del carbón, en particular, el valor
de calentamiento del carbón (potencia calorífica) y contenido de
agua.
El aparato y método de la presente invención
detectan preferentemente emisiones espectrales procedentes del
material analizado en la gama de luz visible. No obstante, el
aparato puede detectar también radiación de longitud de onda larga
de infrarrojos y longitud de onda corta de rayos ultravioleta.
El aparato de la presente invención proporciona
un aparato que posibilita una determinación de alta resolución de
una gama de materiales. La detección de una gama espectral amplia en
un único impulso de láser es posible, lo que reduce notablemente el
tiempo necesario para el análisis. Esto se traduce, a su vez, en una
reducción de los errores de muestreo porque la totalidad de los
elementos analizados se encuentran presentes en la parte de la
muestra vaporizada en cada impulso de láser, en comparación con la
vaporización por láser de diferentes piezas de muestra cuando se
analizan los elementos de manera secuencial. Si bien un solo impulso
de láser es suficiente para posibilitar el análisis de una amplia
gama de elementos en el material, las técnicas de muestreo por
sonido utilizan información recogida y analizada procedente de una
serie de impulsos de láser. Por ejemplo, se pueden utilizar 20.000
a 1.000 impulsos de láser para incrementar la cantidad de datos
recogidos del material y obtener de esta manera un análisis
más
exacto.
exacto.
Además, una serie de detectores CCD posibilitan
la utilización de dispositivos detectores CCD relativamente cortos,
lo que reduce el tiempo de transferencia de datos desde los CCD al
ordenador en comparación con configuraciones que utilizan
dispositivos CCD muy largos. Además, el aparato proporciona una sola
gama dinámica. La gama dinámica es un importante concepto en
cualquier instrumento analítico. De manera ideal, los instrumentos
son diseñados para detectar concentraciones diluidas de elementos o
compuestos. No obstante, necesitan ser diseñados de manera que
pueden determinar también elevadas concentraciones, ampliando de
esta manera sus aplicaciones potenciales. En el presente aparato,
la gama dinámica está determinada por dos factores.
En primer lugar, la gama dinámica es determinada
por la sensibilidad del sistema de espectrómetro. Esto es una
función de la sensibilidad y de la resolución del CCD, además del
nivel de transmitancia de luz al detector (que puede ser ajustable,
por ejemplo, por la utilización de filtros).
El segundo método de ajuste de la gama dinámica
se refiere a la potencia del láser. La sensibilidad de la técnica
(es decir, el límite de detección) depende de forma crítica de la
potencia del láser. Por lo tanto, ajustando la potencia del láser
se consigue una forma cómoda de ampliar la gama dinámica disponible
para el usuario. El ajuste de la potencia del láser en el presente
aparato puede ser llevado a cabo variando los circuitos de
temporización o de control, o por una serie de otros métodos que
tiene a su disposición el diseñador del instrumento. Ésta es una
ventaja adicional de la presente invención.
Se apreciará que la invención descrita puede ser
susceptible de una serie de variaciones y modificaciones distintas
a las descritas de manera específica.
Los sistemas ópticos utilizados para enfocar la
luz láser sobre la muestra y para enfocar la luz emitida sobre los
medios de detección pueden tener cualquier diseño específico y caen
dentro del ámbito de la presente invención.
El aparato de la presente invención puede ser
utilizado como instrumento de laboratorio o como instrumento de
aplicación práctica. El aparato y método de la presente aplicación
analizan la luz emitida y no la luz reflejada, y por lo tanto no es
necesario que la superficie del material sometido a análisis se
encuentre exactamente alineada con el sistema óptico de captación
de la luz. Esto permite la utilización del aparato en situaciones
en las que la preparación de la muestra no es crítica. Con
particular consideración a su utilización en el análisis de carbón,
el instrumento de aplicación práctica puede ser utilizado para
analizar carbón que se desplaza sobre una cinta transportadora. En
este sistema, el láser puede chocar directamente sobre el carbón
que se desplaza a lo largo de la cinta transportadora, con los
medios de detección dispuestos para detectar las emisiones
espectrales desde el material sobre la cinta transportadora. De
manera alternativa, un aparato de muestreo puede retirar una
muestra de carbón de la cinta transportadora para su análisis por el
aparato en proximidad a la cinta transportadora para proporcionar,
de esta manera, un análisis en tiempo real del carbón sobre la
cinta transportadora. También se debe comprender que la presente
invención puede ser utilizada para analizar materiales distintos de
carbón en aplicación práctica.
El aparato puede ser también utilizado como
instrumento montado en un pozo ("in-hole") o en
el suelo ("in-ground") para analizar el carbón
de las vetas del mineral. En esta realización, se puede hacer bajar
un cabezal de muestreo dentro de un orificio taladrado en la veta
de carbón. De manera alternativa, si la veta del carbón es
relativamente blanda, el cabezal de muestreo puede ser incluido como
parte de un penetrómetro u otro instrumento de penetración que es
empujado hacia adentro de la veta de carbón. El cabezal de muestreo
puede estar conectado ópticamente a los medios de detección por un
sistema óptico que comprende una o varias fibras ópticas, de manera
tal que los medios de detección pueden estar dispuestos de forma
remota con respecto al cabezal de muestreo. Esto permite minimizar
las dimensiones del cabezal de muestreo.
Haciendo referencia a la figura 3, un analizador
incluido en el terreno comprende un sistema de análisis por láser
(50) que incluye un dispositivo láser. El cable de fibra óptica (51)
está enlazado a un sistema de lentes (52) y permite que la luz
láser procedente del sistema de análisis por láser (50) pase a la
zona de material a analizar. Un orificio (54) es pretaladrado en el
suelo o formado mediante un penetrómetro.
El cable de fibra óptica (51) y el sistema de
lentes (52) están alojados dentro de un resistente cuerpo envolvente
(55) insertado en el orificio (54). El cuerpo (55) comprende una
ventana transparente (53) situada adyacente al sistema de lentes
(52). Esto se aprecia más claramente en la figura 3. Esto permite
que la luz láser choque contra el carbón adyacente a la ventana
transparente (53) formando un plasma. El espectro de emisión del
plasma es devuelto con intermedio del cable de fibra óptica (51) al
sistema de análisis láser (50) para su análisis. El sistema de
análisis láser (50) es, en este aspecto, esencialmente idéntico al
aparato mostrado en la figura 1.
Como alternativa a la realización mostrada en la
figura 3, el láser puede ser montado directamente en un cuerpo
envolvente (55), siendo obligado a descender dentro de la
tierra.
La figura 4 muestra un aparato de estructura
alternativa para análisis in situ. El aparato comprende un
sistema de análisis láser (60) que es esencialmente idéntico al
mostrado en la figura 1. A efectos de analizar material del suelo,
una broca de taladrado (61) y el brazo de taladrado (62) excavan un
orificio (63). Se hace pasar aire comprimido en sentido descendente
por el brazo (62) de taladrado (habiéndose mostrado la dirección del
flujo de aire en el brazo de taladrado (62) por la flecha (64)) y,
a continuación, se desplaza hacia arriba por el espacio anular
definido entre la pared externa del brazo (62) de taladrado y el
orificio (63), tal como se ha mostrado por las flechas (65). El
flujo ascendente (65) del aire arrastra los residuos de corte
producidos por la broca de taladrado (61) y estos residuos son
suministrados al sistema de análisis por láser (60) para su
análisis. El suministro de dichos residuos de corte se muestra
esquemáticamente con el numeral de referencia (66).
El análisis del carbón situado sobre una cinta
transportadora se ha mostrado esquemáticamente en la figura 5. En
esta figura, una capa de carbón (70) que se desplaza sobre la cinta
transportadora (71) está sometida a un haz de rayos láser (72)
procedente del sistema de análisis por láser (73). El sistema de
análisis por láser (73) es esencialmente idéntico al aparato
mostrado en la figura 1. Los espectros de fluorescencia (74)
emitidos desde el carbón son analizados por el sistema de análisis
láser (73).
Un aparato alternativo para el análisis del
carbón sobre una cinta transportadora es el que se muestra en la
figura 6. En la figura 6, las características comunes con la figura
5 se han designado con los mismos numerales de referencia que en la
figura 5. El aparato de la figura 6 difiere del de la figura 5 por
el hecho de que el aparato de la figura 6 comprende un sistema de
muestreo (75) que extrae una muestra de carbón de transportador,
cuya muestra es analizada subsiguientemente por el sistema de
análisis láser (73). Después del análisis, la muestra es devuelta
al transportador y se toma una muestra nueva para su análisis.
Los técnicos en la materia apreciarán que la
invención que se ha descrito es susceptible de variaciones y
modificaciones distintas a las que se han descrito específicamente.
Se comprenderá que la presente invención comprende todas las
mencionadas variaciones y modificaciones que queden comprendidas
dentro del ámbito de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (17)
1. Aparato para el análisis de un material, que
comprende:
un láser destinado a enviar un impulso de luz
láser sobre el material para vaporizar e ionizar una parte del
material, y para provocar una emisión espectral del mismo,
una serie de medios de detección espectrales
para detectar la emisión espectral, provocada por dicho impulso de
luz láser procedente del material, detectando cada uno de dichos
medios de detección una parte del espectro de la emisión
espectral,
una serie de medios de captación de datos, cada
uno de cuyos medios de captación de datos está asociado con un
medio de detección espectral correspondiente de una serie de medios
de detección espectrales, de manera tal que cada uno de dichos
medios de captación de datos recoge datos de sus medios de detección
espectral asociados;
medios de control para controlar el disparo del
láser y para controlar y sincronizar el funcionamiento de la serie
de medios de detección espectral para detectar simultáneamente la
emisión espectral del material a través del espectro de la emisión
espectral; y
medios de determinación conectados a cada uno de
dicha serie de medios de captación de datos para recibir datos
recogidos de este modo para determinar la presencia y cantidad de
uno o varios elementos o especie en el material, analizando de esta
manera dichos medios de determinación conectados a cada uno de la
serie de medios de recogida de datos, los datos recogidos por cada
uno de dichos medios de recogida de datos, caracterizado
porque cada uno de la serie de medios de detección espectral incluye
su propio espectrómetro dispuesto para detectar una región
espectral específica de la emisión espectral, de manera que un único
impulso de luz láser que choca sobre el material es suficiente para
posibilitar el análisis de una amplia gama de elementos del
mismo.
2. Aparato, según la reivindicación 1, en el que
cada uno de los espectrómetros tiene un detector con dispositivo
acoplado por carga (CCD) asociado con el mismo.
3. Aparato, según la reivindicación 1 ó 2, en el
que la serie de medios de recogida de datos comprende una serie de
tarjetas de captación de datos.
4. Aparato, según la reivindicación 3, en lo que
depende de la reivindicación 2, en el que cada uno de la serie de
tarjetas de captación de datos recibe información espectral del
detector CCD asociado al espectrómetro correspondiente.
5. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que los espectrómetros son
seleccionados entre espectrógrafos de retícula y de prisma,
interferómetros incluyendo interferómetros de calibrado
("etalon") y de escaneado.
6. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que los medios de control
incluyen un circuito de temporización para disparar el láser en los
momentos de tiempo especificados y para accionar los medios de
detección en otros momentos de tiempo especificados.
7. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, en el que los medios de control comprenden
software de control para la operación de control del láser y de la
serie de medios de detección.
8. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende además un sistema óptico
para enfocar la luz láser sobre el material y para enfocar las
emisiones espectrales sobre la serie de medios de detec-
ción.
ción.
9. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el láser es seleccionado
entre el grupo que comprende láser de estado sólido incluyendo
láser Nd:YAG 1064 nm, longitudes de onda armónicas del láser
Nd:YAG, de 532 nm, 355 nm y 266 nm; láser de gas incluyendo láser
excimer, láser excimer XeCl 308 nm o KrF 248 nm; láser de dióxido
de carbono; láser líquido incluyendo láser de colorantes; o
cualquier desplazamiento de longitud de onda/frecuencia; generación
de armónicos o mezclas de los mismos.
10. Aparato, según la reivindicación 1, en el
que los medios de detección comprenden dispositivos de fotodiodos,
vidicons, tubos fotomultiplicadores y fotodiodos.
11. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, en el que dicho láser choca sobre el
material que se desplaza sobre una cinta transportadora para
analizar de este modo el material situado sobre la cinta
transportadora.
12. Aparato, según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, en el que el aparato comprende un
instrumento dentro de un orificio o en el suelo para analizar el
material situado en tierra.
13. Aparato, según la reivindicación 12, en el
que el aparato comprende un cabezal de muestreo destinado a
descender por un orificio.
14. Aparato, según la reivindicación 12, en el
que el aparato comprende un cabezal de muestreo soportado dentro de
un penetrómetro u otro instrumento de penetración en la tierra.
15. Aparato, según la reivindicación 13 ó 14, en
el que el cabezal de muestreo está conectado ópticamente a los
medios de detección por un sistema óptico que comprende una o varias
fibras ópticas, de manera que los medios de detección quedan
situados en disposición remota con respecto al cabezal de
muestreo.
16. Método para el análisis de un material, que
comprende el someter dicho material a un impulso de luz láser para
vaporizar e ionizar por lo menos parcialmente dicho material para
provocar una emisión espectral, detectando dicha emisión espectral
a partir de dicho impulso de luz láser con una serie de medios de
detección, detectando cada uno de dicha serie de medios de
detección simultáneamente una parte del espectro de la emisión
espectral, recogiendo datos de una serie de medios de detección
para recibir los datos recibidos de esta manera y analizando dichos
datos para determinar la presencia y/o cantidad de uno o varios
elementos o especies en el material, de manera que la etapa de
recoger datos de la serie de medios de detección comprende el paso
de información espectral desde la serie de medios de detección a
tarjetas de captación de datos asociadas a cada uno de la serie de
medios de detección, y en el que dicha detección de la emisión
espectral incluye la detección de una región espectral específica
de la emisión espectral utilizando la serie de medios de detección
espectral, cada uno de los cuales comprende su propio
espectrómetro, de manera que un único impulso de luz láser que
choca sobre el material es suficiente para posibilitar el análisis
de una amplia gama de elementos del material.
17. Método, según la reivindicación 16, en el
que el material sometido a análisis es carbón.
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