BR102014002490A2 - sensor óptico infravermelho incorporando uma célula de medição de transmissão - Google Patents

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Hervé Richard
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Abstract

sensor óptico infravermelho incorporando uma célula de medição de transmissão. a invenção refere-se a um sensor óptico infravermelho para a análise contínua de um líquido fluindo em um cano. referido sensor compreende, em um alojamento (1), uma secção central de duto (2') através do qual o líquido a ser analisado flui, e um dispositivo de análise espectral utilizando um feixe de luz (30), compreendendo uma fonte de infravermelhos (22) que emite um sinal (30) que é recebido por um dispositivo de recepção (28) tendo passado através do liquido, um componente óptico (9) que permite o feixe de luz passar através do líquido, e uma placa de suporte (13) que transporta a fonte de infravermelhos e o dispositivo de recepção. o líquido a ser analisado circula através de um circuito (4) formado por paredes em forma de um arco (52) do componente óptico (9) e por uma projeção (60) do alojamento (1) em referido componente óptico. uma junta de vedação (10) é comprimida entre o componente óptico e o alojamento, a fim de evitar qualquer difusão de líquido no interior do alojamento (1)

Description

SENSOR ÓPTICO INFRAVERMELHO INCORPORANDO UMA CÉLULA DE
MEDIÇÃO DE TRANSMISSÃO
[001] A invenção refere-se a um sensor óptico infravermelho incorporando uma célula de medição de transmissão para a análise em tempo real de líquidos, em que referido sensor pode ser utilizado especificamente para a análise contínua de um liquido fluindo em um cano.
[002] Em sua aplicação principal, mas não exclusiva, a invenção refere-se ao monitoramento da qualidade e composição do combustível em veículos, por meio de sensores a bordo nos referidos veículos. Esse monitoramento tem se tornado essencial na resposta ao uso crescente de biodiesel a partir de várias fontes e de composições variadas.
[003] Se este monitoramento é realizado em tempo real, ele vai permitir o sistema de controle do veículo ajustar, vários parâmetros de configuração do motor no interesse da melhoria da eficiência da combustão, por exemplo, a quantidade de combustível injetado, o tempo de ignição, a pressão de entrada ou configurações de controle de emissões.
[004] A composição dos combustíveis pode ser monitorada na bomba de posto de combustível, onde a qualidade deve ser mantida a um nível constante, dada a grande variedade de combustíveis derivados do petróleo ou biocombustíveis contendo percentagens variáveis de etanol. Uma simples forma de estabelecer esta composição envolve a utilização de sensores instalados no tanque de combustível, ou entre o tanque de combustível e o motor, a fim de permitir o sistema de controle eletrônico do veículo ajustar os parâmetros de configuração do motor. O espectro de infravermelho é agora reconhecido como relevante para a análise óptica das características dos combustíveis e lubrificantes, incluindo o índice de octano, oxidação e diluição.
[005] Muitos tipos de sensores estão disponíveis para a análise de fluidos. No entanto, apenas alguns sensores são projetados para operar em tempo real, o que é um pré-requisito essencial para a gestão da eficiência de combustão de um motor. O documento de patente US 6.842.234 descreve um sensor deste tipo compreendendo uma fibra óptica de duas cadeias, uma extremidade da qual é inserida como uma sonda para o líquido a ser analisado, e a outra extremidade da qual é conectada a um dispositivo de processamento de sinal.
[006] O dispositivo de processamento de sinal gera um sinal óptico infravermelho em que a primeira cadeia da referida fibra, que termina no líquido oposta a um refletor. Este refletor reflete o sinal óptico em direção à segunda cadeia de fibras. Por conseguinte, na outra extremidade da fibra, o dispositivo de processamento analisa um sinal óptico que passou através da sonda que está imersa no líquido a ser analisado. A temperatura e composição do líquido a ser analisado irá modificar o sinal óptico de retorno para o dispositivo de processamento.
[007] A fim de assegurar que o sinal óptico é totalmente refletido dentro das cadeias de fibra óptica, duas condições devem ser satisfeitas: o índice de refração do vidro de fibra óptica tem que ser mais elevado do que o do líquido através do qual a fibra passa, e o raio de curvatura da fibra óptica tem que ser suficientemente grande. Deste modo, um sensor deste tipo é volumoso na construção e dispendioso.
[008] Exemplos de sensores de menos volumosos e menos caros são descritos no documento de patente US 7.339.657. Este documento descreve os sensores baseados no princípio da espectroscopia de infravermelho reflexivo. De acordo com este princípio, um raio infravermelho é emitido por díodos emissores de luz (LEDs) no interior de uma estrutura óptica de tipo de cristal multifacetado, as faces externas da qual estão em contacto com o líquido a ser analisado, e o volume interno da qual acomoda a passagem do raio de luz.
[009] Esta estrutura facetada garante que haverá pelo menos duas reflexões do raio de luz no seu volume interno. O caminho para fora do raio de luz a partir do diodo emissor de luz e o caminho de retorno deste raio o seu ponto de análise corre em paralelo, mas em direções opostas. Este caminho de ida / volta do raio permite o emissor infravermelho e o dispositivo analítico serem instalados em uma única placa de circuito. Reflexões dos raios infravermelhos a partir das paredes internas da estrutura óptica, após a análise do raio de retorno, permite a dedução de' vários parâmetros físicos e químicos do líquido analisado do outro lado da estrutura óptica. A estrutura desses sensores - incorporando LEDs, uma única placa de circuito e um volume limitado - é consistente com custos de produção relativamente baixos e a instalação a bordo dos referidos sensores em um veículo.
[010] No entanto, a estrutura óptica cria uma projeção no interior do volume de líquido a ser analisado. Como resultado desta projeção, o líquido que circula forma uma bolsa de retenção em frente da estrutura óptica (na direção do fluxo), de tal modo que resíduos (fuligem, impurezas, etc) irão acumular na referida bolsa de retenção. Além disso, os cristais utilizados são caros e frágeis.
[011] A invenção destina-se a ultrapassar estes inconvenientes pela aplicação de espectroscopia de infravermelho de transmissão e o uso de um dispositivo para a análise contínua do volume total de passagem de combustível através de um duto sem obstruções, permitindo assim a análise do combustível que flui no referido duto sem a formação de uma bolsa de retenção no líquido, e nenhuma estagnação resultante de resíduos.
[012] Mais especificamente, o objeto da presente invenção é um sensor óptico para a análise do líquido, em que o sensor compreende, em um alojamento, uma secção central do duto através do qual o líquido flui, e um dispositivo de análise espectral utilizando um feixe de luz em uma banda de comprimento de onda. Neste dispositivo, o feixe é emitido por uma fonte de infravermelhos e recebido por um dispositivo de recepção, depois de ter passado através do líquido a ser analisado através de um componente óptico. Uma placa de suporte disposta sobre uma base leva à fonte de infravermelhos e o dispositivo de recepção. Neste sensor, o líquido a ser analisado flui através de um circuito na secção central do duto delimitado por paredes: do componente óptico, que formam um arco, e o alojamento, que forma uma projeção no referido arco. Uma junta de vedação é comprimida entre o componente óptico e o alojamento, a fim de evitar qualquer difusão de líquido para o interior do alojamento.
[013] A configuração em circuito do duto para a circulação de lrguído no interior do componente optico permite a análise do liquido por espectroscopia de transmissão, sem criar qualquer obstáculo no caminho de liquido e, por conseguinte, sem formação de uma bolsa de liquido estagnado e a acumulação resultante de depósitos, como no caso de sensores que utilizam espectroscopia de reflexão.
[014] De acordo com as seguintes características vantajosas específicas: o componente óptico incorpora pelo menos uma combinação constituída por uma primeira e uma segunda parede de reflexão, que são inclinadas em relação ao feixe óptico, formando, assim, um caminho óptico de ida / volta na placa de suporte entre a fonte de infravermelhos e o dispositivo de recepção; - a primeira parede de reflexão e a segunda parede de reflexão são configuradas como superfícies côncavas asféricas ou planas; - o feixe de luz é divergente na direção da primeira parede de reflexão, que é configurada como uma parede côncava, de tal modo que o feixe substancialmente passa através do líquido a ser analisado, o qual flui no circuito formado pela secção central do duto, e é centrado na segunda parede de reflexão antes de atingir o dispositivo de recepção; - pelo menos uma das paredes de reflexão é constituída por um refletor que é fixado ao componente óptico; - em serviço, o componente óptico forma um arco duplo, em que um primeiro arco é formado no plano de propagação do feixe de luz, e um segundo arco é formado em um plano que é perpendicular ao referido plano de propagação; - os arcos e a projeção do alojamento formam o circuito na secção central do duto no núcleo do componente óptico que acomoda o liquido a ser analisado; - a banda de comprimento de onda situa-se no espectro de infravermelho próximo; - a fonte de infravermelho é um diodo emissor de luz (ou "LED"}; - meios de anexação são proporcionados para a fixação segura da placa de suporte para o alojamento, de modo a permitir a compressão ajustável da junta.
[015] A invenção' também se refere a um método para a análise do liquido, em que o sensor acima mencionado é utilizado. Este método envolve o seguinte: - um primeiro passo, no qual o liquido a ser analisado é circulado no circuito do sensor descrito acima; - um segundo passo, no qual a fonte de infravermelhos do sensor para a emissão de um feixe divergente é ligada; - um terceiro passo, no qual o feixe de luz é orientado no componente óptico na direção da primeira parede de reflexão, que torna referido feixe convergente, e é em seguida encaminhado através do circuito, após o que é submetido a uma segunda reflexão na segunda parede de reflexão, e finalmente em direção ao dispositivo de recepção na placa de suporte.
[016] De acordo com uma variante deste método, o feixe de luz é disperso de tal modo que o feixe completo não atinge o dispositivo de recepção, nesse caso, a base é configurada para pelo menos a recepção parcial do referido feixe disperso. Esta recepção pela base complementa recepção pelo dispositivo de recepção, aumentando assim a eficiência óptica de medição.
[017] Informação adicional, características e vantagens da presente invenção irão tornar-se evidentes a partir da descrição que segue, a qual não é fornecida a título de limitação, com referência às figuras anexas em que, respectivamente: - a Figura 1 mostra uma vista de secção transversal de um exemplo de um sensor óptico infravermelho de acordo com a invenção, em um plano de circulação do fluido a ser analisado; - a Figura 2 mostra uma vista de secção transversal em plano X'X na Figura 1 do sensor óptico infravermelho de acordo com a invenção, no plano de propagação dos raios de luz que é perpendicular ao plano de circulação do fluido, e - a Figura 3 mostra uma vista de secção transversal do sensor óptico infravermelho de acordo com a invenção, no plano dos parafusos entre o componente óptico e o alojamento de compressão.
[018] Com referência à vista mostrada ná Figura 1, um exemplo de modalidade do sensor óptico infravermelho 100 está representado em secção transversal em um plano de circulação do fluido 3 a ser analisado. Este fluido 3, um combustível no exemplo ilustrado, flui em um duto constituído por um duto externo 2 para o sensor 3, conectado por fixadores 20 para uma secção central do duto 2' formada no interior do sensor 100. O referido sensor 100 é fornecido com um alojamento 1 de um material plástico que envolve todos os componentes dedicados para a análise do combustível 3 a seguir detalhados. Uma análise óptica do referido combustível 3 vai ser executada com base em um feixe de luz infravermelha que passa através desta secção central do duto 2' . Esta secção central do duto 2' é fornecida com um circuito 4 composto de um perfil abobadado 5, um arco 50 na sua secção superior formado em um componente óptico de vidro 9, e uma superfície inferior 6 de uma projeção 60 do alojamento 1 no referido componente óptico 9. Os pés 51 do arco 50 terminam em niveis 7 e 7' de cada lado da projeção 60.
[019] A Figura 1 também mostra uma placa de suporte de equipamento 13 (ver Figura 2) que assenta sobre uma base 16 e fixada ao componente óptico 9 por meio de parafusos (apenas as cabeças dos referidos parafusos 150 são visíveis, na Figura 1) . Um anel de vedação 10 assegura o pé 51 do componente óptico contra um ângulo de canto circular 19 do alojamento 1, a fim de evitar qualquer fuga de combustível no alojamento 1 a partir da secção central do duto 2' .
[020] Outros parafusos (apenas as cabeças dos quais 170 são visíveis na Figura 1) estão previstos para a fixação fechada da placa de suporte 13 do alojamento 1, comprimindo assim o anel de vedação 10 e garantindo a estanqueidade da seção central do duto 2'.
[021] 0 feixe de luz atravessa a secção central do duto 2' sobre substancialmente a altura superior total H da referida secção central do duto 2', ou seja, entre os ápices do perfil abobadado 5 e da projeção 60. Isto permite a execução de espectroscopia de transmissão, conforme descrito a seguir.
[022] A Figura 2 mostra uma vista de secção transversal do sensor óptico infravermelho 100 em um plano de propagação do feixe luminoso 30 de acordo com a invenção, de forma perpendicular à vista de secção transversal mostrada na Figura 1 no plano Χ'Χ. O circuito 4 do componente óptico de vidro 9 é fornecido com um arco 52, perpendicular ao arco 50 mostrado na Figura 1, em que estes dois arcos têm o mesmo perfil abobadado 5. A secção central do duto 2' está representada no nivel do circuito 4, tal como definido pela sua altura superior Η. O contorno da secção central do duto 2' é, então, formado pelo componente óptico de vidro 9 do sensor 100 em todas suas faces, com exceção da face inferior, que é formada pela face 6 da projeção 60 do alojamento de material plástico 1. " A Figura 2 também mostra o contorno do duto externo 2, que coincide com o contorno da secção central do duto 2' , fora do componente óptico 9.
[023] O anel de vedação 10 é comprimido no ângulo de canto 19 do alojamento 1, fixando desse modo os pés 51 do componente óptico 9.
[024] Esta secção transversal ilustra o caminho do feixe de luz 30 que atravessa o combustível a ser analisado. Ele atravessa referido combustível sobre substancialmente a altura completa H entre os ápices do perfil abobadado 5 e da face 6. Referido feixe de luz 30 emitido pela fonte de infravermelhos 22 presa à placa de suporte 13 e equipada com um diodo emissor de luz para / emissão de luz infravermelha de comprimento de onda que varia entre 1500 nm e 2000 nm, no exemplo considerado.
[025] 0 feixe de luz 30, em seguida, atravessa o componente óptico 9 ao longo de sua largura, descrevendo um caminho que, em média, gera duas reflexões de ângulo reto a partir das faces totalmente inclinadas 91 e 92 do componente óptico 9, retornando, assim, o feixe 30 ao dispositivo de recepção 28 fixado à placa de suporte 13. Os reflexos são gerados por um primeiro refletor 24, preso à face 91 do componente óptico 9, e por um segundo refletor 26, preso à face 92 do componente óptico 9.
[026] O primeiro refletor 24 é um refletor côncavo asférico, e o segundo refletor é um refletor plano 26. 0 feixe de luz divergente 30 é emitido em direção ao primeiro refletor 24, permitindo assim o feixe 30 atravessar a secção central do duto 2' sobre praticamente toda a altura superior H do circuito 4' na secção central do duto 2', antes de convergir em direção ao segundo refletor 26 e, em seguida, ser direcionado para o dispositivo de recepção 28.
[027] A Figura 3 mostra uma vista de secção transversal do exemplo de sensor 100 de acordo com a invenção, no plano dos parafusos 17 para a fixação do componente óptico 9 contra o alojamento 1 através da anexação da base 16 da placa de suporte 13 para o alojamento 1. Os parafusos 17 comprimem o anel de vedação 10 (Figura 1 ou 2) que forma uma vedação entre o componente óptico 9 e o alojamento 1, garantindo assim a estanqueidade dos mesmos. Os restantes parafusos, apenas as cabeças 150 dos quais são visíveis, estão em um plano de secção transversal diferente. Estes parafusos fixam a placa de suporte 13 para o componente óptico 9. Além disso, na Figura 3, linhas tracejadas representam a secção central do duto 2 ' formando o circuito 4 em um plano que é paralelo ao plano da figura, em conjunto com o dispositivo de recepção 28 do sensor 100.
[028] A invenção não se restringe aos exemplos de modalidade descritos e representados. Além de combustíveis, muitos líquidos são adequados para análise por transmissão contínua utilizando um sensor óptico deste tipo, desde que o liquido em questão tenha um coeficiente de transmissão diferente de zero..
[029] Este tipo de sensor pode ser instalado na linha de alimentação de combustível de um motor, na saída de um tanque de combustível, ou em qualquer circuito em que é necessário o monitoramento da qualidade de um fluido.
[030] O feixe de luz pode também ser propagado em um plano perpendicular ou paralelo ao plano de circulação do fluido a ser analisado.
[031] No que diz respeito ao ângulo de abertura do feixe de luz na emissão, esta abertura pode ser definida por divergência ou convergência, de acordo com a curvatura (s) das paredes de reflexão.
[032] Além disso, múltiplos comprimentos de onda podem ser aplicados simultaneamente, no interesse do enriquecimento de resultados obtidos a partir de análises realizadas utilizando um feixe de luz recebido após sua passagem através de um líquido.
[033] Comprimentos de onda fora do espectro de infravermelho próximo podem ser utilizados, por exemplo, infravermelho médio ou infravermelho distante. A medição pode ser efetuada utilizando um único comprimento de onda, ou dentro de uma gama de comprimentos de onda.
[034] 0 circuito formado pelo duto no interior do sensor pode também ser configurado como um arco que é orientado em diferentes direções em relação à gravidade: orientação não só para baixo, mas também para cima ou lateral e possível. A pressão do fluido em circulação impede qualquer deposição de impurezas no circuito.
REIVINDICAÇÕES

Claims (12)

1. Sensor óptico para a análise de um liquido, em que o sensor (100) compreende, em um alojamento (1), uma secção central de duto (2') através do qual o liquido (3) flui, um dispositivo de análise espectral usando uma luz feixe (30) em uma banda de comprimento de onda emitida por uma fonte de infravermelhos (22) e recebido por um dispositivo de recepção (28), depois de ter passado através do liquido a ser analisado (3) através de um componente óptico (9), e uma placa de suporte (13) disposta sobre uma base (16) que. transporta a fonte de infravermelhos (22) e o dispositivo de recepção (28), caracterizado pelo fato de que o liquido a ser analisado (3) flui através de um circuito (4) na secção central de duto (21) envolvido por paredes do componente óptico (9) , que forma um arco (50), em que o alojamento (1) forma uma projeção (60) no referido arco (50), e em que uma junta de vedação (10) é comprimida entre o componente óptico (9) e o alojamento (1), a fim de evitar qualquer difusão do liquido no interior do alojamento (1.) .
2. Sensor óptico para a análise de um liquido, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o componente óptico (9) incorpora pelo menos uma combinação constituída por uma primeira (91) e segunda (92) de parede de reflexão, que são inclinadas em relação ao feixe óptico (30), formando, assim, um caminho óptico de ida / volta na placa de suporte (13) entre a fonte de infravermelhos (22) e o dispositivo de recepção (28).
3. Sensor óptico para a análise de um líquido, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a primeira parede de reflexão (91) e a segunda parede de reflexão (92) são configuradas como superfícies côncavas asfericas ou planas.
4. Sensor óptico para a análise de um liquido, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o feixe de luz (30) é divergente na direção da primeira parede de reflexão (91), que é configurada como uma parede côncava, tal que o feixe (30) passa, substancialmente através do liquido a ser analisado (3), o qual flui no circuito (4), e é focado na segunda parede de reflexão (92) antes de atingir o dispositivo de recepção (28) .
5. Sensor óptico para a análise de um liquido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das paredes de reflexão é constituída por um refletor (24, 26) que é fixado ao componente óptico (9).
6. Sensor óptico para a análise de um líquido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o componente óptico (9) forma um arco duplo (50, 52), em que um primeiro arco (52) é formado no plano de propagação do feixe de luz (30), e um segundo arco (50) é formado em um plano que é perpendicular ao referido plano de propagação.
7. Sensor óptico para a análise de um líquido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os arcos (50, 52) e a projeção (60) do alojamento (1) formam o circuito (4) na secção central do duto (2') no núcleo do componente óptico (9) que acomoda o líquido a ser analisado (3).
8. Sensor óptico para a análise de um líquido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a banda de comprimento de onda situa-se no espectro de infravermelho próximo.
9. Sensor óptico para a análise de um liquido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a fonte de infravermelhos (22) é um diodo emissor de luz.
10. Sensor óptico para a análise de um liquido, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que os meios de anexação (15, 17) são fornecidos para a fixação segura da placa de suporte (13) para o alojamento (1), a fim de permitir a compressão ajustável da junta (10) .
11. Método para a análise de um liquido utilizando o sensor (100) das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que envolve: - um primeiro passo, no qual o liquido a ser analisado (3) é circulado no circuito (4) da secção central do duto (2') no sensor (100); - um segundo passo, no qual a fonte de infravermelhos (22) do sensor para a emissão de um feixe divergente (30) é ligada; - um terceiro passo, no qual o feixe de luz (30) é orientado no componente óptico (9) na direção da primeira parede de reflexão (91), que torna referido feixe convergente, e é em seguida encaminhado através do circuito (4) , após o que ele é submetido a uma segunda reflexão na segunda parede de reflexão (92), e, finalmente, em direção ao dispositivo de recepção (28) na placa de suporte (13) .
12. Método de análise, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o feixe de luz (30) é disperso de modo que o feixe completo nao atinqe o dispositivo de recepção (28), e a base (16) é configurada para pelo menos a recepção parcial de referido feixe disperso (30), em que esta recepção pela base (16) complementa a recepção pelo dispositivo de recepção (28).
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