BR102015008771B1

BR102015008771B1 - MEASUREMENT HEAD APPLICABLE TO A SPECTROMETER AND SPECTROMETER

Info

Publication number: BR102015008771B1
Application number: BR102015008771-3A
Authority: BR
Inventors: Washington Luiz De Barros Melo
Original assignee: Embrapa-Empresa Brasileira De Pesquisa Agropecuaria
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2021-07-20
Also published as: WO2016164995A3; WO2016164995A2; BR102015008771A2

Abstract

cabeça de medição aplicável a um espectrômetro e espectrômetro. descreve-se uma cabeça de medição (1) aplicável a um espectrômetro (40), a cabeça de medição (1) compreendendo uma forma cilíndrica, definindo uma superfície plana e uma face convexa, a cabeça de medição (1) é configurada de modo a receber uma pluralidade de componentes semicondutores (20,21) na superfície plana.a cabeça de medição (1) é dotada ainda de um centro (10) disposto na superfície plana, de modo que no centro (10) é acomodado um primeiro componente semicondutor (21) da pluralidade de componentes semicondutores (20,21), e circularmente ao redor do centro (10) é acomodado um conjunto de componentes semicondutores (20) da pluralidade de componentes semicondutores (20,21). a presente invenção refere-se ainda a um espectrômetro dotado da cabeça de medição proposta.measuring head applicable to a spectrometer and spectrometer. a measuring head (1) applicable to a spectrometer (40) is described, the measuring head (1) comprising a cylindrical shape, defining a flat surface and a convex face, the measuring head (1) is configured so receiving a plurality of semiconductor components (20,21) on the flat surface. The measuring head (1) is further provided with a center (10) disposed on the flat surface, so that at the center (10) a first component is accommodated semiconductor (21) of the plurality of semiconductor components (20,21), and circularly around the center (10) an array of semiconductor components (20) of the plurality of semiconductor components (20,21) is accommodated. the present invention further relates to a spectrometer provided with the proposed measuring head.

Description

[1] A presente invenção refere-se a uma cabeça de medição aplicável a um espectrômetro utilizada para discriminar alterações na composição de substâncias líquidas e sólidas. A invenção trata ainda de um espectrômetro utilizando a cabeça de medição proposta.[1] The present invention relates to a measuring head applicable to a spectrometer used to discriminate changes in the composition of liquid and solid substances. The invention also deals with a spectrometer using the proposed measuring head.

Description of the state of the art

[2] A presente invenção aborda os princípios da física óptica que trata da interação da radiação eletromagnética com a matéria a ser analisada pelo espectrômetro. Esta área é denominada por Espectrometria óptica ou Espectrofotometria de absorção a qual consiste na incidência de um feixe de luz sobre a amostra (substância em análise) e a captação por um fotodetector da luz transmitida, ou refletida e/ou espalhada.[2] The present invention addresses the principles of optical physics that deals with the interaction of electromagnetic radiation with the matter to be analyzed by the spectrometer. This area is called Optical Spectrometry or Absorption Spectrophotometry, which consists of the incidence of a light beam on the sample (substance under analysis) and the capture by a photodetector of the transmitted, or reflected and/or scattered light.

[3] Dentre as técnicas que compõem a espectrofotometria, as mais utilizadas são a espectrofotometria por transmissão, esta caracterizada por fornecer informações de absorbância e transmitância da amostra, e a refletância difusa, esta caracterizada por fornecer informações complementares ou similares a respeito da amostra sob análise.[3] Among the techniques that make up spectrophotometry, the most used are transmission spectrophotometry, which is characterized by providing information on the sample's absorbance and transmittance, and diffuse reflectance, which is characterized by providing complementary or similar information about the sample under analysis.

[4] Para amostras de baixas concentrações, a técnica mais usada é a espectrofotometria por transmissão, mas no caso de amostras altamente concentradas e que ainda tenham, em sua composição, partículas em suspensão, pós, micelas, entre outros, a técnica mais comumente utilizada é a refletância difusa.[4] For low concentration samples, the most used technique is transmission spectrophotometry, but in the case of highly concentrated samples that still have, in their composition, suspended particles, powders, micelles, among others, the most common technique used is diffuse reflectance.

[5] O uso da refletância difusa em ambiente industrial tem tomado espaço como ferramenta para monitorar o processo de produção e controle de qualidade. Como exemplo marcante, cita-se a variada composição do leite cru quanto a qualidade: normal, instável, ácido e adulterado. Outros exemplos são encontrados nos estudos e análise de solos intactos, composição de superfícies, pigmentos para indústrias de tintas e de cosméticos, e tantos mais.[5] The use of diffuse reflectance in an industrial environment has gained space as a tool to monitor the production process and quality control. As a striking example, the varied composition of raw milk in terms of quality is cited: normal, unstable, acidic and adulterated. Other examples are found in studies and analysis of intact soils, surface composition, pigments for paint and cosmetic industries, and so much more.

[6] A presente invenção tem como base os princípios da refletância difusa usando fontes discretas de iluminação, isto é, diodos emissores de luz (LED), devido a sua praticidade, baixo consumo de energia e pequeno volume.[6] The present invention is based on the principles of diffuse reflectance using discrete light sources, ie, light emitting diodes (LED), due to their practicality, low power consumption and small volume.

[7] Mais especificamente, a presente invenção refere-se a uma cabeça de medição e a um espectrômetro dotado de tal componente. O referido espectrômetro e consequentemente sua cabeça de medição é considerado sintonizável por operar em faixas estreitas do espectro eletromagnético conforme as bandas de absorção da substância em análise e também por possibilitar, com facilidade, a troca do conjunto dos emissores de luz (LED) de acordo com a faixa espectral de interesse.[7] More specifically, the present invention relates to a measuring head and a spectrometer provided with such a component. Said spectrometer and consequently its measuring head is considered tunable because it operates in narrow bands of the electromagnetic spectrum according to the absorption bands of the substance under analysis and also because it allows, with ease, the exchange of the set of light emitters (LED) according to with the spectral range of interest.

[8] O uso do espectrômetro pode ocorrer tanto em uma planta industrial (alimentos, laticínios e outros) como no campo, próximo ao local de produção e/ou de coleta do produto a ser analisado. Pode ser disposto em caminhões de coleta de matéria-prima, como o leite cru, máquinas agrícolas, entre tantos outros.[8] The use of the spectrometer can occur either in an industrial plant (food, dairy and others) or in the field, close to the production and/or collection site of the product to be analyzed. It can be disposed of in raw material collection trucks, such as raw milk, agricultural machinery, among many others.

[9] Além do mais, pode ser instalado em tanques de conservação de produtos na forma líquida com a finalidade de monitorar a variação da qualidade destes ao longo do tempo de armazenamento. Portanto, é um instrumento que também pode operar mergulhado no líquido em análise, sem necessidade de qualquer aparato de proteção.[9] Furthermore, it can be installed in storage tanks for products in liquid form in order to monitor the variation in their quality over the storage time. Therefore, it is an instrument that can also operate immersed in the liquid under analysis, without the need for any protective apparatus.

[10] Deve-se mencionar que a aplicabilidade do espectrômetro/cabeça de medição descritos na presente invenção não se restringe aos exemplos mencionados acima.[10] It should be mentioned that the applicability of the spectrometer/measuring head described in the present invention is not restricted to the examples mentioned above.

[11] Em relação aos conhecimentos revelados no estado da técnica, pode-se citar alguns documentos que abordam espectrômetros com a mesma finalidade do proposto na presente invenção, porém, como será visto a seguir, os espectrômetros do estado da técnica apresentam diferenças principalmente quando se compara a cabeça de medição utilizada e a proposta na presente invenção.[11] In relation to the knowledge revealed in the prior art, it is possible to cite some documents that address spectrometers with the same purpose as proposed in the present invention, however, as will be seen below, prior art spectrometers present differences, especially when the measuring head used and the one proposed in the present invention are compared.

[12] Mais especificamente, as diferenças marcantes entre os equipamentos do estado da técnica e a criação aqui proposta são a configuração da cabeça de medição (arranjo óptico) e as disposições de seus componentes de modo que possa ser usado submerso ou não em líquido. Nesse sentido, é válido destacar o conteúdo revelado nos documentos WO 2008 124542, W02000 64242 e US 006844931.[12] More specifically, the striking differences between the state of the art equipment and the creation proposed here are the configuration of the measuring head (optical arrangement) and the arrangements of its components so that it can be used submerged or not in liquid. In this sense, it is worth highlighting the content disclosed in documents WO 2008 124542, W02000 64242 and US 006844931.

[13] Em relação ao documento WO 200064242, este revela uma cabeça de medição em configuração base planar composta por dive;rsos LEDs distribuídos em tomo de um guia óptico cônico, ou seja, os LEDs estão dispostos circularmente em uma base plana em forma de disco.[13] In relation to the document WO 200064242, this reveals a measuring head in a planar base configuration composed of several LEDs distributed around a conical optical guide, that is, the LEDs are arranged circularly on a flat base in the shape of a disco.

[14] Tal disco é conectado a anéis concêntricos moldados formando duas cavidades, de modo que, em uma delas se encaixa um anel de acrílico que faz o papel de janela óptica de saída e, na outra, no centro do molde, sobressai uma formação cônica (guia óptico), cuja base plana é a janela óptica de entrada.[14] This disk is connected to concentric molded rings forming two cavities, so that an acrylic ring is fitted in one of them, which acts as an optical exit window, and in the other, in the center of the mold, a formation stands out. conical (optical guide), whose flat base is the optical input window.

[15] No topo do mencionado guia óptico se encontra o fotodetector, ainda, os LEDs circundam o guia óptico concentricamente, tal como pode ser observado nas figuras 3 e 4 da referida publicação internacional.[15] At the top of the mentioned optical guide is the photodetector, yet the LEDs surround the optical guide concentrically, as can be seen in figures 3 and 4 of the referred international publication.

[16] A distribuição de luz que emerge da cabeça de medição do WO 2000 64242 é similar a de uma lanterna de iluminação por não ter os feixes de luzes colimados a uma região focal, assim, o feixe de luz ilumina divergentemente a superfície da amostra que reflete difusamente a luz.[16] The light distribution that emerges from the measuring head of WO 2000 64242 is similar to that of a flashlight in that it does not have the light beams collimated to a focal region, thus the light beam divergently illuminates the sample surface which diffusely reflects light.

[17] É importante destacar que não há colimação de luz sobre a amostra para aumentar a eficiência da captação desta pelo fotodetector, parte da luz espalhada difusamente retoma à cabeça de medição seguindo o guia óptico até atingir o fotodetector.[17] It is important to note that there is no collimation of light on the sample to increase the efficiency of its capture by the photodetector, part of the diffusely scattered light returns to the measurement head following the optical guide until reaching the photodetector.

[18] Desta forma, a captação de luz não é eficiente, pois os feixes de luz espalhados em ângulos baixos não são detectados, já que não penetram no guia óptico. Não é um sistema robusto por conter partes móveis e coladas que podem facilmente ser danificadas.[18] Thus, light gathering is not efficient, as light beams scattered at low angles are not detected, as they do not penetrate the optical guide. It is not a robust system as it contains moving and glued parts that can easily be damaged.

[19] Ainda, por ser um dispositivo aberto (componentes ópticos expostos), não pode ser usado em contato direto com a amostra e muito menos pode ser mergulhado em líquidos. A cabeça de medição revelada no WO 2000 64242 sempre necessita de uma janela transparente de proteção, desta maneira, o uso deste dispositivo obriga a amostra a sempre estar em um recipiente (porta-amostra) para realizar a análise.[19] Also, as it is an open device (exposed optical components), it cannot be used in direct contact with the sample and even less can be immersed in liquids. The measuring head disclosed in WO 2000 64242 always requires a transparent protective window, so the use of this device forces the sample to always be in a container (sample holder) to carry out the analysis.

[20] A cabeça de medição e espectrômetro propostos na presente invenção diferem da matéria revelada no WO 2000 64242 quanto a configuração e funcionalidade do sistema óptico, na robustez deste, simplicidade de montagem e em diversas aplicações.[20] The measuring head and spectrometer proposed in the present invention differ from the material disclosed in WO 2000 64242 regarding the configuration and functionality of the optical system, its robustness, assembly simplicity and in various applications.

[21] Na presente invenção, a cabeça de medição é uma peça única que serve tanto para a saída da luz convergente como para a entrada da luz refletida e colimada na região do fotodetector. Mais especificamente, a luz difusa ou refletida é orientada sempre na direção do fotodetector devido ao efeito do formato de lente convergente, aumentando a captação de luz e melhorando a relação sinal/ruído.[21] In the present invention, the measuring head is a single piece that serves both for the output of converging light and for the input of reflected and collimated light in the region of the photodetector. More specifically, diffused or reflected light is always oriented towards the photodetector due to the effect of the converging lens shape, increasing light pickup and improving the signal-to-noise ratio.

[22] A montagem dos componentes é de muita praticidade por não envolver diversas peças individuais a serem integradas ao espectrômetro. Quando se trata de diferentes peças para montar, a chance de perder o alinhamento óptico é grande, podendo causar deficiência no funcionamento, necessitando correções.[22] The assembly of components is very practical as it does not involve several individual parts to be integrated into the spectrometer. When it comes to different parts to assemble, the chance of losing optical alignment is great, which can cause malfunction, requiring corrections.

[23] Na presente invenção, não há esta diversidade de peças para a montagem, então, a dificuldade exposta acima não ocorre. Isto é uma grande vantagem, já que, por se tratar de uma peça única, não necessita de manutenção para correção de alinhamento óptico. Uma vez montada, assim permanece.[23] In the present invention, there is not this diversity of parts for the assembly, so the difficulty exposed above does not occur. This is a great advantage, since, as it is a single piece, it does not require maintenance to correct the optical alignment. Once assembled, it remains so.

[24] Ainda, por ser um dispositivo vedado, a cabeça de medição aqui proposta pode ser mergulhada diretamente no líquido, ou, pode ainda operar em ambientes agressivos (tomando certas precauções quanto a distância de operação) como em estudos espectroscópicos de solos intactos, isto é, in loco, o que não ocorre com o dispositivo descrito em WO 2000 64242, já que, conforme dito, seus componentes são expostos.[24] Also, because it is a sealed device, the measuring head proposed here can be immersed directly in the liquid, or it can even operate in aggressive environments (taking certain precautions regarding the operating distance) such as in spectroscopic studies of intact soils, that is, in loco, which does not occur with the device described in WO 2000 64242, since, as said, its components are exposed.

[25] Utilizando-se a cabeça revelada no WO 2000 64242, a amostra deverá sempre ser condicionada a um recipiente com paredes transparentes, já na presente invenção, o uso de recipientes para receber a amostra é opcional.[25] Using the head revealed in WO 2000 64242, the sample must always be conditioned to a container with transparent walls, in the present invention, the use of containers to receive the sample is optional.

[26] Já a patente US 6844931 apresenta um dispositivo formado por diversas partes montadas, fixadas e componentes ópticos, como lentes, espelhos e LEDs.[26] The patent US 6844931 presents a device formed by several assembled parts, fixed and optical components, such as lenses, mirrors and LEDs.

[27] O dispositivo revelado tem um formato circular com os LEDs dispostos em círculos concêntricos, de modo que para cada LED há um conjunto de lentes associado. As luzes dos LEDs passam pelo conjunto de lentes que colimam na superfície de espelhos dispostos em variados ângulos para direcionar os feixes de luz em uma área focal sobre a amostra.[27] The disclosed device has a circular shape with the LEDs arranged in concentric circles, so that for each LED there is an associated set of lenses. The LED lights pass through a set of lenses that collide on the surface of mirrors arranged at varying angles to direct the light beams into a focal area over the sample.

[28] Essa disposição de lentes e espelhos com ângulos diferentes decorre do fato do dispositivo ter mais de um círculo concêntrico de LEDs, assim, os ângulos devem ser diferentes para compensar as distâncias radiais de cada círculo com a finalidade de obter uma região focal iluminada sobre a amostra.[28] This arrangement of lenses and mirrors with different angles stems from the fact that the device has more than one concentric circle of LEDs, so the angles must be different to compensate for the radial distances of each circle in order to obtain an illuminated focal region about the sample.

[29] Ainda, o dispositivo utiliza uma combinação de LEDs brancos com ultravioleta e um arranjo adicional de LEDs azul, verde e vermelho (RGB) que misturadas contribuem para distribuir o espectro no visível. Ao centro do círculo, encontra-se uma lente larga que serve para captar a luz refletida.[29] Furthermore, the device uses a combination of white and ultraviolet LEDs and an additional array of blue, green and red (RGB) LEDs that mixed together help to distribute the spectrum in the visible. In the center of the circle is a wide lens that serves to capture the reflected light.

[30] Assim, trata-se de uma cabeça de iluminação de amostra cuja parte da luz refletida difusamente é captada perpendicularmente à superfície da amostra e parte da luz refletida é direcionada e colimada pela lente em um ponto focal onde pode ser instalado um fotodetector ou cabo de fibra óptica e este, por sua vez, conduz a luz até a entrada de um monocromador ou de uma esfera integradora.[30] Thus, it is a sample illumination head whose part of the diffusely reflected light is captured perpendicular to the surface of the sample and part of the reflected light is directed and collimated by the lens at a focal point where a photodetector or fiber optic cable and this, in turn, conducts the light to the input of a monochromator or an integrating sphere.

[31] A montagem do dispositivo revelado nesta patente estadunidense é complexa devido aos multi-ângulos dos espelhos para direcionar os feixes de luz na área focal na amostra. Adicionalmente, as lentes devem ser instaladas em blocos e com comprimentos focais diferentes. Devido a esta complexidade, esse dispositivo apresenta baixa robustez para operação em campo.[31] The assembly of the device disclosed in this US patent is complex due to the multi-angles of the mirrors to direct the light beams in the focal area in the sample. Additionally, the lenses must be installed in blocks and with different focal lengths. Due to this complexity, this device has low robustness for field operation.

[32] Adicionalmente, a iluminação é policromática, o que necessita de um monocromador ou de um filtro de interferência para decompor a luz refletida e obter o espectro de refletância da amostra. Para proteção do sistema óptico, há uma janela óptica fechando o conjunto de componentes semicondutores e as lentes. Nesse sentido, sabe-se que, quanto mais componentes ópticos no caminho da luz, maiores serão as perdas de intensidade e pior será a relação sinal/ruído, assim, devido ao modo de construção desse dispositivo, espera-se baixa intensidade de luz atingindo o fotodetector.[32] Additionally, the illumination is polychromatic, which requires a monochromator or an interference filter to decompose the reflected light and obtain the reflectance spectrum of the sample. For protection of the optical system, there is an optical window enclosing the semiconductor component assembly and the lens. In this sense, it is known that the more optical components in the light path, the greater the loss of intensity and the worse the signal/noise ratio, thus, due to the construction mode of this device, low intensity of light reaching the photodetector.

[33] Comparando à cabeça de medição proposta na presente invenção com a revelada na patente US 6844931, notam-se significantes diferenças: na presente invenção, a cabeça de medição não necessita de conjuntos de lentes e de espelhos para a orientação e colimação da luz, sua configuração na forma de lente convergente com os LEDs instalados paralelos ao eixo óptico da lente em um único bloco permite a colimação e a detecção de luz, sem a necessidade de multi-ângulos para orientação dos feixes de luz.[33] Comparing the measuring head proposed in the present invention with the one disclosed in the patent US 6844931, significant differences are noted: in the present invention, the measuring head does not need sets of lenses and mirrors for the orientation and collimation of light , its converging lens configuration with LEDs installed parallel to the optical axis of the lens in a single block allows collimation and light detection, without the need for multi-angles to guide the light beams.

[34] Ainda, os LEDs usados na cabeça de medição aqui proposta, são monocromáticos com os comprimentos de onda instalados de acordo com a aplicação ou o intervalo de interesse. Já o dispositivo revelado na US 6844931 não pode ser usado no modo “mergulhável” devido aos componentes ópticos estarem expostos e alojados em cavidades abertas.[34] Still, the LEDs used in the measurement head proposed here are monochromatic with the wavelengths installed according to the application or range of interest. However, the device disclosed in US 6844931 cannot be used in "divetable" mode because the optical components are exposed and housed in open cavities.

[35] Devido suas partes móveis e montagem complexa e frágil, não é possível para o dispositivo da US 6844931 apresentar a robustez e praticidade apresentadas na cabeça de medição e espectrômetro propostos na presente invenção.[35] Due to its moving parts and complex and fragile assembly, it is not possible for the device of US 6844931 to present the robustness and practicality presented in the measuring head and spectrometer proposed in the present invention.

[36] Em relação a publicação WO 2008/124542, tem-se que a cabeça de medição revelada é bastante similar àquela da patente US 6844931 quanto a concepção de suas partes.[36] Regarding the publication WO 2008/124542, it is noted that the disclosed measuring head is quite similar to that of the US patent 6844931 regarding the design of its parts.

[37] O WO 2008/124542 revela oito LEDs dispostos em círculo e alojados em uma peça denominada por “diffuser colar” (referência numérica 15) que, por sua vez, se encaixa no chamado “aperture cone ” (referência 18). Cada LED tem uma lente para colimação da luz, que por sua vez, é direcionada à parede da peça refletora "aperture cone", seguindo para a saída do cone, onde se coloca a amostra.[37] WO 2008/124542 reveals eight LEDs arranged in a circle and housed in a piece called a “diffuser necklace” (number 15) which, in turn, fits into the so-called “aperture cone” (reference 18). Each LED has a lens for collimating the light, which in turn, is directed to the wall of the reflective piece "aperture cone", going to the exit of the cone, where the sample is placed.

[38] Neste documento WO 2008/124542 também se usa uma lente colimadora para captar a luz refletida da amostra e focá-la na região de um filtro de interferência ou em uma das extremidades de um cabo de fibras ópticas. Pode-se considerar que o dispositivo revelado no documento em análise seja uma miniaturização da cabeça de medição exposta na patente US 6844931, a principal diferença reside no fato de que no dispositivo revelado no WO 2008/ 124542 são usados oito LEDs ultravioleta (395 nanômetro (nm)) ou azul (em tomo de 470 nm) associados aos filmes feitos de materiais fluorescentes, tal como fósforo amarelo, para converter em luz branca, dentre esses LEDs apenas um não recebe a cobertura fluorescente.[38] In this document WO 2008/124542 a collimating lens is also used to capture light reflected from the sample and focus it on the region of an interference filter or on one end of an optical fiber cable. It can be considered that the device disclosed in the document under analysis is a miniaturization of the measuring head exposed in patent US 6844931, the main difference lies in the fact that in the device disclosed in WO 2008/124542 eight ultraviolet LEDs (395 nanometers) are used ( nm)) or blue (around 470 nm) associated with films made of fluorescent materials, such as yellow phosphor, to convert to white light, among these LEDs only one does not receive fluorescent coverage.

[39] Dita cobertura fluorescente é a parte inovadora desse dispositivo, enquanto na patente estadunidense as luzes dos diferentes LEDS são combinadas para formar a emissão branca (princípio de funcionamento das telas de computador e de aparelho de televisão), o principio de detecção do WO 2008/124542 ocorre por meio de um filtro de interferência associado a uma matriz de fotodetectores dispostos linearmente do tipo “Charge Coupled Device ” (CCD) ou através de um cabo de fibras ópticas cuja extremidade externa é distribuída sobre a janela do CCD.[39] Said fluorescent coating is the innovative part of this device, while in the US patent the lights from different LEDs are combined to form the white emission (working principle of computer and television screens), the detection principle of WO 2008/124542 occurs through an interference filter associated with an array of linearly arranged “Charge Coupled Device” (CCD) photodetectors or through an optical fiber cable whose outer end is distributed over the CCD window.

[40] O filtro de interferência decompõe a luz refletida em comprimentos de ondas e o distribui sobre o CCD, assim, cada comprimento de onda é detectado por um dos fotodiodos que compõem o CCD. Portanto, é importante frisar que a diferença marcante ou inovadora entre os dois dispositivos está no uso de materiais fluorescentes associados a um tipo de LED.[40] The interference filter decomposes reflected light into wavelengths and distributes it over the CCD, so each wavelength is detected by one of the photodiodes that make up the CCD. Therefore, it is important to emphasize that the striking or innovative difference between the two devices is the use of fluorescent materials associated with a type of LED.

[41] Ainda sobre esse dispositivo sensor, o circuito eletrônico de alimentação, controle e detecção é montado na mesma placa de circuito impresso juntamente com os LEDs. Desta maneira, não permite a substituição do conjunto de LEDs, com facilidade. Adicionalmente, não é robusto e possui alto grau de complexidade devido às diversas partes integrantes, como também ao tipo de filtro de interferência.[41] Still on this sensor device, the electronic power supply, control and detection circuit is mounted on the same printed circuit board together with the LEDs. In this way, it does not allow the replacement of the LED set easily. Additionally, it is not robust and has a high degree of complexity due to the different parts, as well as the type of interference filter.

[42] Em comparação com a cabeça de medição proposta na presente invenção, o efeito de colimação é naturalmente conseguido através do formato de lente convergente da cabeça e não por uma superfície espelhada ou refletora. Os LEDs são monocromáticos conforme determinado pelos fabricantes, não necessitando de introdução de filmes ou filtros de cores (ou materiais fluorescentes) para obter a banda espectral desejada.[42] Compared to the measuring head proposed in the present invention, the collimation effect is naturally achieved through the converging lens shape of the head and not through a mirrored or reflective surface. LEDs are monochromatic as determined by the manufacturers, not requiring the introduction of films or color filters (or fluorescent materials) to obtain the desired spectral band.

[43] Devido à facilidade de montar e desmontar este dispositivo, o conjunto de LEDs, distribuídos circularmente, operando em um determinado intervalo de comprimento de onda, podem ser removidos e substituídos por outros, de diferentes faixas espectrais, sem qualquer modificação do sistema. Assim, o espectrômetro (e cabeça de medição) da presente invenção pode ser sintonizável em faixas espectrais de interesse.[43] Due to the ease of assembling and disassembling this device, the set of LEDs, distributed circularly, operating in a certain wavelength range, can be removed and replaced by others, from different spectral ranges, without any modification to the system. Thus, the spectrometer (and measuring head) of the present invention can be tunable to spectral ranges of interest.

[44] O detector é um foto-transistor ou fotodiodo de ampla resposta de largura espectral, desde 350 a 1150 nm, cobrindo toda a faixa de interesse. O fotodetector está na região focal da cabeça de medição, captando toda luz que entra no material deste dispositivo, assim, a mesma lente que colima a luz incidente sobre a amostra é também a mesma que capta e colima sobre o detector a luz refletida desta.[44] The detector is a broad-response phototransistor or photodiode with a wide spectral width, from 350 to 1150 nm, covering the entire range of interest. The photodetector is in the focal region of the measuring head, capturing all light that enters the material of this device, thus, the same lens that collimates the light incident on the sample is also the same that captures and collimates the light reflected from it on the detector.

[45] Tal característica é extremamente vantajosa, pois dispensa o uso de uma lente extra diante do detector para fazer esta captação de luz espalhada, como é visto nos documentos do estado da técnica anteriormente citados. Em tais documentos, observa-se que a lente colimadora é um componente fundamental no funcionamento dos dispositivos descritos.[45] This feature is extremely advantageous, as it does not require the use of an extra lens in front of the detector to capture scattered light, as seen in the prior art documents mentioned above. In such documents, it is observed that the collimating lens is a fundamental component in the functioning of the described devices.

[46] Como o fotodetector usado no espectrômetro (e cabeça de medição) descrito na presente invenção é de larga faixa espectral de detecção e está na região focal interna à cabeça de medição, então, dependendo da aplicação, dispensa os arranjos com CCD ou fibra óptica que eleva o custo do equipamento, correspondendo a um sistema otimizado em termos de construção e detecção de luz.[46] As the photodetector used in the spectrometer (and measurement head) described in the present invention has a wide spectral detection range and is in the focal region inside the measurement head, so, depending on the application, it does not require CCD or fiber arrangements. optics that increase the cost of the equipment, corresponding to an optimized system in terms of construction and light detection.

[47] O uso do CCD é vantajoso quando se deseja detecção rápida versus número de comprimentos de onda discretos a determinar. Para um número pequeno de LEDs, a relação custo/benefício é alta devido ao preço de um CCD versus ao de um fotodiodo ou foto-transistor de propósito geral. Isto é, o CCD pode custar várias dezenas ou centenas de dólares quando comparado ao custo de alguns centavos de dólares de um foto-transistor (fotodetector) de propósito geral.[47] The use of CCD is advantageous when you want fast detection versus the number of discrete wavelengths to be determined. For a small number of LEDs, the cost/benefit ratio is high due to the price of a CCD versus a general purpose photodiode or phototransistor. That is, the CCD can cost several tens or hundreds of dollars compared to the cost of a few cents of dollars for a general purpose phototransistor (photodetector).

[48] A cabeça de medição proposta na presente invenção apresenta a vantagem de ter os LEDs distribuídos circularmente em tomo do eixo de uma peça cilíndrica e em que ao centro se encontra o fotodetector. Como os LEDs são acionados aos pares, então, o feixe de luz co limado forma uma área simétrica na região focal.[48] The measuring head proposed in the present invention has the advantage of having the LEDs distributed circularly around the axis of a cylindrical part and in which the photodetector is located in the center. As the LEDs are driven in pairs, then the co limated light beam forms a symmetrical area in the focal region.

[49] Nos documentos anteriormente citados não ocorre tal distribuição simétrica de luz para um dado comprimento de onda, ficando limitados à emissão de um LED por vez (WO 2000/64242) ou de todos os emissores simultaneamente, como descrito nos documentos WO 2008 124542 e US 6844931.[49] In the aforementioned documents, there is no such symmetric light distribution for a given wavelength, being limited to the emission of one LED at a time (WO 2000/64242) or all emitters simultaneously, as described in the documents WO 2008 124542 and US 6844931.

[50] O uso direto de LEDs que emitem na região de interesse é muito mais eficaz se comparado a técnica revelada acima. A distribuição simétrica de luz sobre a amostra fornece alta relação sinal/ruído e fácil detecção, como ocorre na cabeça de medição e espectrômetro propostos na presente invenção. Ainda, o uso de substâncias fluorescentes ou combinação de LEDs não garante iluminação homogênea em todos os comprimentos de onda.[50] The direct use of LEDs that emit in the region of interest is much more effective compared to the technique revealed above. The symmetrical distribution of light over the sample provides high signal-to-noise ratio and easy detection, as occurs in the measuring head and spectrometer proposed in the present invention. Furthermore, the use of fluorescent substances or combination of LEDs does not guarantee homogeneous illumination at all wavelengths.

[51] Assim, como demonstrado acima, os dispositivos revelados nos documentos do estado da técnica apresentam desvantagens tanto em caráter estrutural quanto operacional frente à cabeça de medição e espectrômetro propostos na presente invenção.[51] Thus, as shown above, the devices disclosed in the prior art documents present disadvantages both in structural and operational nature compared to the measuring head and spectrometer proposed in the present invention.

Objectives of the invention

[52] A presente invenção tem por objetivo a provisão de uma cabeça de medição e de um espectrômetro dotado de tal cabeça de medição em que a configuração estrutural especificamente da cabeça de medição e seus componentes otimizem o acoplamento óptico das partes.[52] The present invention aims to provide a measuring head and a spectrometer equipped with such a measuring head in which the specific structural configuration of the measuring head and its components optimize the optical coupling of the parts.

[53] Um segundo objetivo da presente invenção é a provisão de uma cabeça de medição e de um espectrômetro dotado de tal cabeça de medição que seja portátil, computadorizado e sintonizável em faixas de comprimentos de onda da radiação eletromagnética.[53] A second objective of the present invention is the provision of a measuring head and a spectrometer provided with such a measuring head that is portable, computerized and tunable in wavelength ranges of electromagnetic radiation.

[54] Um objetivo adicional da presente invenção é a provisão de uma cabeça de medição e de um espectrômetro dotado de tal cabeça de medição que possam ser utilizados diretamente em contato com uma amostra líquida.[54] A further objective of the present invention is the provision of a measuring head and a spectrometer equipped with such a measuring head that can be used directly in contact with a liquid sample.

[55] A presente invenção também tem como objetivo a provisão de uma cabeça de medição e de um espectrômetro dotado de tal cabeça de medição que podem ser utilizados tanto em uma planta industrial, como no campo, próximo ao local de produção e/ou coleta do produto a ser analisado.[55] The present invention also aims to provide a measuring head and a spectrometer equipped with such a measuring head that can be used both in an industrial plant and in the field, close to the production and/or collection site. of the product to be analyzed.

[56] Um objetivo adicional da presente invenção é a provisão de uma cabeça de medição e de um espectrômetro dotado de tal cabeça de medição cuja obtenção dos dados sobre a amostra seja rápida, inferior a 30 segundos.[56] An additional objective of the present invention is the provision of a measuring head and a spectrometer equipped with such a measuring head whose sample data collection is fast, less than 30 seconds.

[57] É também um objetivo adicional da presente invenção a provisão de uma cabeça de medição e de um espectrômetro dotado de tal cabeça de medição aptos a serem utilizados em caminhões de coleta de matéria-prima.[57] It is also an additional objective of the present invention to provide a measuring head and a spectrometer equipped with such measuring head, suitable for use in raw material collection trucks.

[58] Adicionalmente, a presente invenção tem como objetivo a provisão de uma cabeça de medição e de um espectrômetro dotado de tal cabeça de medição em que LEDs sejam dispostos diametralmente ao redor de um centro, ponto este que recebe um fotodetector.[58] Additionally, the present invention aims to provide a measuring head and a spectrometer equipped with such a measuring head in which LEDs are arranged diametrically around a center, which point receives a photodetector.

Brief description of the invention

[59] A presente invenção refere-se a uma cabeça de medição aplicável a um espectrômetro, a cabeça de medição dotada de uma forma cilíndrica, definindo uma superfície plana (traseira) e uma face convexa (frontal).[59] The present invention relates to a measuring head applicable to a spectrometer, the measuring head provided with a cylindrical shape, defining a flat surface (back) and a convex face (front).

[60] A cabeça de medição é configurada de modo a receber uma pluralidade de componentes semicondutores inseridos em cavidades, longitudinais à forma cilíndrica, abertas na superfície plana e dispostas radialmente em torno de um ponto central, e é dotada ainda de uma cavidade central, disposta na superfície plana, cuja profundidade deve alcançar a região focal, no interior do corpo cilíndrico desta cabeça, da lente convexa (face frontal).[60] The measuring head is configured to receive a plurality of semiconductor components inserted in cavities, longitudinal to the cylindrical shape, open on the flat surface and arranged radially around a central point, and is further provided with a central cavity, disposed on the flat surface, whose depth must reach the focal region, inside the cylindrical body of this head, of the convex lens (front face).

[61] Na cavidade central é acomodada um primeiro componente semicondutor da pluralidade de componentes semicondutores, e circularmente ao redor do centro são acomodados um conjunto de componentes semicondutores da pluralidade de componentes semicondutores. A presente invenção refere-se ainda a um espectrômetro dotado da referida cabeça de medição.[61] In the central cavity a first semiconductor component of the plurality of semiconductor components is accommodated, and circularly around the center a set of semiconductor components of the plurality of semiconductor components are accommodated. The present invention further relates to a spectrometer provided with said measuring head.

Brief description of drawings

[62] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:[62] The present invention will be described in more detail below, based on an example of execution represented in the drawings. The figures show:

[63] Figura 1 - é uma vista em perspectiva da cabeça de medição proposta na presente invenção;[63] Figure 1 - is a perspective view of the measuring head proposed in the present invention;

[64] Figura 2 - é uma vista em corte da cabeça de medição proposta na presente invenção;[64] Figure 2 - is a sectional view of the measuring head proposed in the present invention;

[65] Figura 3 - é uma vista adicional em corte da cabeça de medição proposta na presente invenção;[65] Figure 3 - is an additional sectional view of the measuring head proposed in the present invention;

[66] Figura 4 - é uma representação da disposição dos diodos emissores de luz e do fotodetector na cabeça de medição proposta na presente invenção;[66] Figure 4 - is a representation of the arrangement of the light emitting diodes and the photodetector in the measuring head proposed in the present invention;

[67] Figura 5 - é uma vista em corte representando os feixes de luz emitidos, refletidos internamente e transmitidos ao meio externo utilizando-se a cabeça de medição proposta na presente invenção;[67] Figure 5 - is a sectional view representing the light beams emitted, internally reflected and transmitted to the external environment using the measuring head proposed in the present invention;

[68] Figura 6 - é uma vista em corte representando os feixes de luz emitidos, refletidos internamente, refletidos devido a amostra e transmitidos ao meio externo;[68] Figure 6 - is a sectional view representing the light beams emitted, internally reflected, reflected due to the sample and transmitted to the external medium;

[69] Figura 7 - é uma representação do feixe de luz que configura a reflexão interna total, conforme discutido na presente invenção;[69] Figure 7 - is a representation of the light beam that configures the total internal reflection, as discussed in the present invention;

[70] Figura 8 - é uma representação do corpo de suporte para fixação da cabeça de medição proposta na presente invenção;[70] Figure 8 - is a representation of the support body for fixing the measuring head proposed in the present invention;

[71] ] Figura 9 - é uma representação de uma modalidade de uso do espectrômetro e cabeça de medição propostos na presente invenção;[71] ] Figure 9 - is a representation of a modality of use of the spectrometer and measuring head proposed in the present invention;

[72] Figura 10 - é uma representação do defletor que pode ser utilizado como acessório ao espectrômetro e cabeça de medição propostos na presente invenção;[72] Figure 10 - is a representation of the deflector that can be used as an accessory to the spectrometer and measuring head proposed in the present invention;

[73] Figura 11 - é uma representação do gabinete de blindagem que pode ser utilizado como acessório ao espectrômetro e cabeça de medição propostos na presente invenção;[73] Figure 11 - is a representation of the shielding cabinet that can be used as an accessory to the spectrometer and measuring head proposed in the present invention;

[74] Figura 12 - é uma representação do copo que pode ser utilizado como acessório ao espectrômetro e cabeça de medição propostos na presente invenção;[74] Figure 12 - is a representation of the cup that can be used as an accessory to the spectrometer and measuring head proposed in the present invention;

[75] Figura 13 - é uma representação alternativa do gabinete de blindagem que pode ser utilizado como acessório ao espectrômetro e cabeça de medição propostos na presente invenção;[75] Figure 13 - is an alternative representation of the shielding cabinet that can be used as an accessory to the spectrometer and measuring head proposed in the present invention;

[76] Figura 14 - é uma representação alternativa do copo que pode ser utilizado como acessório ao espectrômetro e cabeça de medição propostos na presente invenção;[76] Figure 14 - is an alternative representation of the cup that can be used as an accessory to the spectrometer and measuring head proposed in the present invention;

[77] Figura 15 - é uma representação da tampa de blindagem que pode ser utilizada como acessório ao espectrômetro e cabeça de medição propostos na presente invenção;[77] Figure 15 - is a representation of the shielding cover that can be used as an accessory to the spectrometer and measuring head proposed in the present invention;

[78] Figura 16 - é uma representação de uma modalidade adicional de uso do espectrômetro e cabeça de medição propostos na presente invenção;[78] Figure 16 - is a representation of an additional modality of use of the spectrometer and measuring head proposed in the present invention;

[79] Figura 17 - é uma representação do suporte que pode ser utilizado como acessório ao espectrômetro e cabeça de medição propostos na presente invenção;[79] Figure 17 - is a representation of the support that can be used as an accessory to the spectrometer and measuring head proposed in the present invention;

[80] Figura 18 - é uma ilustração de um primeiro modo de uso prático do espectrômetro e cabeça de medição propostos na presente invenção;[80] Figure 18 - is an illustration of a first practical use of the spectrometer and measuring head proposed in the present invention;

[81] Figura 19 - é uma ilustração de um segundo modo de uso prático do espectrômetro e cabeça de medição propostos na presente invenção;[81] Figure 19 - is an illustration of a second practical use mode of the spectrometer and measuring head proposed in the present invention;

[82] Figura 20 - é uma ilustração de um terceiro modo de uso prático do espectrômetro e cabeça de medição propostos na presente invenção;[82] Figure 20 - is an illustration of a third practical use mode of the spectrometer and measuring head proposed in the present invention;

[83] Figura 21 - é uma ilustração de um quarto modo de uso prático do espectrômetro e cabeça de medição propostos na presente invenção; e[83] Figure 21 - is an illustration of a fourth practical use mode of the spectrometer and measuring head proposed in the present invention; and

[84] Figura 22 - é uma ilustração do espectrômetro e cabeça de medição associados a um condicionador de sinais.[84] Figure 22 - is an illustration of the spectrometer and measuring head associated with a signal conditioner.

Detailed description of figures

[85] A figura 1 ilustra uma vista em perspectiva da cabeça de medição (1) proposta na presente invenção. A cabeça de medição (1) é uma peça única, feita de material transparente, tal como polímeros (poli-metil-metacrílato (PMMA) ou acrílico, policarbonato, politereftalato de etileno (PET)).[85] Figure 1 illustrates a perspective view of the measuring head (1) proposed in the present invention. The measuring head (1) is a single piece, made of transparent material such as polymers (poly-methyl-methacrylate (PMMA) or acrylic, polycarbonate, polyethylene terephthalate (PET)).

[86] A cabeça de medição (1) pode ser também feita de vidros com qualidade espectroscópica (Borosilicato - BK.7), quartzo e sílica fundida, ou quaisquer outros materiais transparentes, na região espectral de interesse, que possam ser moldados na forma apresentada na Figura 1.[86] The measuring head (1) can also be made of spectroscopic-quality glass (Borosilicate - BK.7), quartz and fused silica, or any other transparent materials, in the spectral region of interest, that can be molded into the shape. shown in Figure 1.

[87] Nesta configuração preferencial, o material utilizado na fabricação da cabeça de medição (1) foi o acrílico (PMMA), já que este é um polímero de alta transparência óptica, com índice de retração próximo ao da água, do vidro, do quartzo e sílica (n=l,5 a 1,55), transparente desde a região do ultravioleta (300 nm), passando pelo visível, chegando até parte do infravermelho próximo (1200 nm).[87] In this preferred configuration, the material used in the manufacture of the measuring head (1) was acrylic (PMMA), as this is a polymer with high optical transparency, with a shrinkage index close to that of water, glass, and quartz and silica (n=1.5 to 1.55), transparent from the ultraviolet region (300 nm), passing through the visible, reaching part of the near infrared (1200 nm).

[88] Ainda, o acrílico é mais resistente a choque mecânico do que o vidro, facilmente trabalhável em máquina de tornearia mecânica e fornece ótimo acabamento final.[88] In addition, acrylic is more resistant to mechanical shock than glass, easily workable in a mechanical lathe machine, and provides a great final finish.

[89] Observa-se da figura 1 que a cabeça de medição (1) aqui proposta possui uma forma cilíndrica, definindo uma superfície plana e uma face convexa, a extremidade ou face convexa forma uma lente convergente (11) cuja região focal dista de 4 centímetros do centro desta face. O raio de curvatura da lente convergente (11) é o mesmo da face cilíndrica, mas pode ser trabalhado para fornecer lentes com distâncias focais diferentes conforme a necessidade da aplicação.[89] It can be seen from Figure 1 that the measuring head (1) here proposed has a cylindrical shape, defining a flat surface and a convex face, the convex end or face forms a converging lens (11) whose focal region is distant from 4 centimeters from the center of this face. The radius of curvature of the converging lens (11) is the same as the cylindrical face, but it can be tailored to provide lenses with different focal lengths as needed in the application.

[90] Especificamente quanto à superfície plana, esta é apta a receber uma pluralidade de componentes semicondutores (20) e (21), estes descritos a seguir:[90] Specifically regarding the flat surface, it is able to receive a plurality of semiconductor components (20) and (21), which are described below:

[91] Mais especificamente, um primeiro componente semicondutor (21) é posicionado no centro (10) da superfície plana e por meio de uma segunda cavidade de acoplamento (3). Nesta configuração preferencial da cabeça de medição (1), o primeiro componente semicondutor (21) é um fotodetector, assim, a partir deste ponto, o primeiro componente semicondutor (21) será referenciado como fotodetector (21).[91] More specifically, a first semiconductor component (21) is positioned at the center (10) of the flat surface and via a second coupling cavity (3). In this preferred configuration of the measuring head (1), the first semiconductor component (21) is a photodetector, so from this point on, the first semiconductor component (21) will be referred to as photodetector (21).

[92] Circularmente ao redor do centro (10) são acomodados um conjunto de componentes semicondutores (20) da pluralidade de componentes semicondutores. Nesta configuração preferencial, tal conjunto de componentes semicondutores (20) são diodos emissores de luz (LEDs), doravante referenciados como LEDs (20). Tais LEDs (20) são acomodados nas cavidades de acoplamento (2).[92] Circularly around the center (10) a set of semiconductor components (20) of the plurality of semiconductor components are accommodated. In this preferred configuration, such a set of semiconductor components (20) are light-emitting diodes (LEDs), hereinafter referred to as LEDs (20). Such LEDs (20) are accommodated in the coupling cavities (2).

[93] Os LEDs (20) e o fotodetector (21) são voltados em direção à lente convergente (11) da cabeça de medição (1), e orientados paralelamente ao eixo óptico da lente, tal como pode ser observado pelas figuras 1 ou 2.[93] The LEDs (20) and the photodetector (21) are turned towards the converging lens (11) of the measuring head (1), and oriented parallel to the optical axis of the lens, as can be seen in figures 1 or two.

[94] As cavidades de acoplamento (2) e (3) podem ser mais bem visualizadas a partir das figuras 2 e 3, estas representando vistas em corte da cabeça de medição (1) proposta.[94] The coupling cavities (2) and (3) can be better visualized from figures 2 and 3, these representing sectional views of the proposed measuring head (1).

[95] As cavidades (2) e (3) servem para encaixar (acomodar) os componentes semicondutores, LEDs (20) e o fotodetector (21) (FD). Preferencialmente, tais cavidades são circulares e possuem diâmetro de 3 ou 5 milímetros, dependendo apenas do tamanho dos LEDs (20) e fotodetector (21) utilizados.[95] The cavities (2) and (3) serve to fit (accommodate) the semiconductor components, LEDs (20) and the photodetector (21) (FD). Preferably, these cavities are circular and have a diameter of 3 or 5 millimeters, depending only on the size of the LEDs (20) and photodetector (21) used.

[96] A região das cavidades (2) e (3) que irá receber os LEDs (20) (topo das cavidades (2) e (3)) e o fotodetector (21) possui uma forma arredondada, cooperante ao formato dos diodos emissores de luz (20) e o fotodetector (21). A razão para os topos das cavidades (2) e (3) ser da mesma forma dos semicondutores (20) e (21) é para maximizar o acoplamento óptico entre a lente do encapsulamento dos semicondutores (20) e (21) o material da cabeça de medição (1).[96] The region of cavities (2) and (3) that will receive the LEDs (20) (top of cavities (2) and (3)) and the photodetector (21) has a rounded shape, cooperating with the shape of the diodes light emitters (20) and the photodetector (21). The reason that the tops of the cavities (2) and (3) are of the same shape as the semiconductors (20) and (21) is to maximize the optical coupling between the lens of the semiconductor housing (20) and (21) the material of the measuring head (1).

[97] Os topos das cavidades (2) e (3) são polidos para evitar espalhamento de luz em diversas direções, melhorando o acoplamento óptico entre o encapsulamento dos semicondutores e o material da cabeça de medição (1).[97] The tops of the cavities (2) and (3) are polished to prevent scattering of light in various directions, improving optical coupling between the semiconductor housing and the measuring head material (1).

[98] Como já mencionado, tendo os materiais da lente dos semicondutores (20) e (21) e da cabeça de medição (1) valores de índices de refração muito próximos ou similares como no caso do acrílico (PMMA), espera-se que no acoplamento entre as partes, nesta interface não existam perdas significantes por reflexões internas, assemelhando-se a um único corpo. Desta maneira, a luz emitida pelos LEDs (20) seguirá para a cabeça de medição (1) (para a lente convergente (11)) como se não houvesse diferença no meio.[98] As already mentioned, having the materials of the semiconductor lens (20) and (21) and the measuring head (1) refractive index values very close or similar as in the case of acrylic (PMMA), it is expected that in the coupling between the parts, in this interface there are no significant losses due to internal reflections, resembling a single body. In this way, the light emitted by the LEDs (20) will go to the measuring head (1) (to the converging lens (11)) as if there was no difference in the middle.

[99] A profundidade das cavidades de acoplamento (2) e (3) depende da distância focal da lente convergente (11) (lente (11)), pois, se for profundo, próximo da curvatura da lente (11), pode causar interferência luminosa no fotodetector (21).[99] The depth of the coupling cavities (2) and (3) depends on the focal length of the converging lens (11) (lens (11)), as if it is deep, close to the curvature of the lens (11), it can cause light interference on the photodetector (21).

[100] Nesta configuração preferencial da presente invenção, e em referência à figura 3, observa-se que o fotodetector (21) é disposto a uma primeira distância Dl do centro da superfície convexa da cabeça de medição (1), já os LEDs (20) estão dispostos a uma segunda distância D2 tomada também do centro da superfície convexa da cabeça de medição (1). Observa-se que a primeira distância Di é inferior à segunda distância D2 quando tomada do centro da superfície convexa. Em outras palavras, deve-se ter os LEDs (20) atrás do fotodetector (21). Observa-se que sendo a distância D2 tomada a partir do centro da superfície convexa da cabeça de medição (1), seu valor deve ser maior do que Di somada a duas vezes o comprimento do encapsulamento do LED.[100] In this preferred configuration of the present invention, and with reference to Figure 3, it is observed that the photodetector (21) is arranged at a first distance D1 from the center of the convex surface of the measuring head (1), as the LEDs ( 20) are arranged at a second distance D2 also taken from the center of the convex surface of the measuring head (1). It is observed that the first distance Di is smaller than the second distance D2 when taken from the center of the convex surface. In other words, you must have the LEDs (20) behind the photodetector (21). It is observed that if the distance D2 is taken from the center of the convex surface of the measuring head (1), its value must be greater than Di added to twice the length of the LED package.

[101] A primeira distância Di, quando tomada do centro da superfície convexa, define também a região focal (interna) da lente convergente. Nesta configuração preferencial da cabeça de medição a região focal interna dista do centro da superfície convexa em valores entre o raio de curvatura da lente a duas vezes este raio.[101] The first distance Di, when taken from the center of the convex surface, also defines the focal (inner) region of the converging lens. In this preferred configuration of the measuring head, the inner focal region is distanced from the center of the convex surface by values between the radius of curvature of the lens and twice this radius.

[102] Ainda em referência a figura 3 e de acordo com esta configuração preferencial da cabeça de medição (1), as cavidades (2) em que os LEDs (20) são encaixados (acomodados) distam de uma terceira distância D3 de uma borda (13) da superfície plana.[102] Still referring to figure 3 and according to this preferred configuration of the measuring head (1), the cavities (2) in which the LEDs (20) are fitted (accommodated) are distant a third distance D3 from an edge (13) of the flat surface.

[103] Para uma melhor compreensão da presente invenção, a borda (13) deve ser entendida como a junção da superfície plana com a parede cilíndrica que se estende e configura a lente convergente (11).[103] For a better understanding of the present invention, the edge (13) should be understood as the junction of the flat surface with the cylindrical wall that extends and configures the converging lens (11).

[104] Nesta configuração preferencial, a terceira distância D3 pode assumir valores entre 5 e 15 mm, assim, os LEDs (20) são distribuídos circularmente em tomo da região central (10), região nesta em que se tem a segunda cavidade de acoplamento (3) para disposição do fotodetector (21). Preferencialmente, o valor da terceira distância D3 é 10 mm e, conforme pode ser observado da figura 3, a distância D3 é tomada a partir do centro da cavidade de acomodação dos LEDs até a borda (13) lateral da cabeça de medição (1).[104] In this preferred configuration, the third distance D3 can take values between 5 and 15 mm, thus, the LEDs (20) are distributed circularly around the central region (10), in which region there is the second coupling cavity (3) for arrangement of the photodetector (21). Preferably, the value of the third distance D3 is 10 mm and, as can be seen from Figure 3, the distance D3 is taken from the center of the LED housing cavity to the lateral edge (13) of the measuring head (1) .

[105] Deve-se observar que as dimensões mencionadas devem ser ajustadas quando da variação no tamanho da cabeça de medição e/ou alteração no número de LEDs (20). Ademais, deve se ter em mente que se a cavidade do LED for deslocada em direção do centro pode resultar em problemas no sensor e se for deslocada mais para a borda pode causar reflexão interna total, as duas situações sendo indesejáveis.[105] It should be noted that the dimensions mentioned must be adjusted when changing the size of the measuring head and/or changing the number of LEDs (20). Furthermore, it should be borne in mind that if the LED cavity is moved towards the center it can result in sensor problems and if it is moved further to the edge it can cause total internal reflection, both situations being undesirable.

[106] Em relação específica a disposição dos LEDs (20) e do fotodetector (21), e fazendo referência a figura 4, nesta configuração preferencial da cabeça de medição (1) são utilizados oito diferentes comprimentos de onda escolhidos nos intervalos Ultravioleta (UV)/Visível (Vis)/Infravermelho próximo (N1R) (300 a 1200 nm) conforme a necessidade da aplicação e a largura espectral.[106] In relation specifically to the arrangement of the LEDs (20) and the photodetector (21), and referring to Figure 4, in this preferred configuration of the measuring head (1), eight different wavelengths chosen in the Ultraviolet (UV) intervals are used )/Visible (Vis)/Near Infrared (N1R) (300 to 1200 nm) according to application needs and spectral width.

[107] Assim, nesta configuração preferencial da cabeça de medição (1) são utilizados 16 cavidades de acoplamento (2) para os LEDs (20) e uma cavidade (segunda cavidade (3)) para o fotodetector (21). De modo preferencial, e para evitar que os terminais dos componentes semicondutores (LEDs (20) e fotodetecor (21)) entrem em curto-circuito dentro das cavidades de acoplamento (2) e (3), pelo menos um destes terminais de cada componente deve ser isolado eletricamente por um pedaço de capa plástica.[107] Thus, in this preferred configuration of the measuring head (1), 16 coupling cavities (2) are used for the LEDs (20) and one cavity (second cavity (3)) for the photodetector (21). Preferably, and to prevent the terminals of the semiconductor components (LEDs (20) and photodetector (21)) from short-circuiting within the coupling cavities (2) and (3), at least one of these terminals of each component must be electrically insulated by a piece of plastic cover.

[108] A distribuição dos LEDs (20) ocorre aos pares, conforme o comprimento de onda, assim, os LEDs (20) de mesmo comprimento de onda são diametralmente acomodados ao redor do centro (10) da superfície plana.[108] The distribution of the LEDs (20) occurs in pairs, according to the wavelength, thus, the LEDs (20) of the same wavelength are diametrically accommodated around the center (10) of the flat surface.

[109] Mais especificamente, e em referência a figura 4, se o LED (20A) for de comprimento de onda 470 nm (luz azul), diametralmente no círculo haverá outro LED (20A’) também emitindo a luz azul, mesmo comprimento de onda. A luz azul emergindo para o meio externo forma uma região focal composta por estes dois feixes. Com isto, obtém-se o efeito de distribuição simétrica da luz sobre a superfície da amostra produzindo uma distribuição de energia sobre ela.[109] More specifically, and referring to Figure 4, if the LED (20A) is of a wavelength 470 nm (blue light), diametrically in the circle there will be another LED (20A') also emitting the blue light, same length of wave. The blue light emerging towards the external environment forms a focal region composed of these two beams. With this, the effect of symmetrical distribution of light over the surface of the sample is obtained, producing an energy distribution over it.

[110] De maneira similar, os LEDs (20B), (20C), (20D), (20E), (20F), (20G) e (20H) possuem o mesmo comprimento de onda que os LEDs (20B’), (20C’), (20D’), (20E’), (20F’), (20G’) e (20FT) respectivamente. Lembrando que o acionamento dos LEDs ocorre aos pares.[110] Similarly, the LEDs (20B), (20C), (20D), (20E), (20F), (20G) and (20H) have the same wavelength as the LEDs (20B'), (20C'), (20D'), (20E'), (20F'), (20G') and (20FT) respectively. Remembering that the activation of the LEDs occurs in pairs.

[111] A Figura 5 representa a mesma vista em corte ilustrada na figura 2, mas agora destacando as linhas representativas dos feixes de luz emitidos (5), refletidos intemamente (6) e transmitidos ao meio externo (7), formando pontos ou regiões focais intemamente e extemamente à cabeça de medição (1).[111] Figure 5 represents the same sectional view illustrated in Figure 2, but now highlighting the lines representing the emitted light beams (5), internally reflected (6) and transmitted to the external environment (7), forming points or regions focal internally and externally to the measuring head (1).

[112] Os feixes de luz representados foram obtidos considerando a disposição preferencial dos LEDs (20) e fotodetector (21) comentadas acima, isto é, para os valores das primeira, segunda e terceira distâncias Di, D2 e D3 mencionados. Tal configuração ocasiona o fato de que o feixe refletido pela amostra atinge a região focal interna da interna da lente (11), e mais especificamente, atingem o fotodetector (21), tal como melhor observado na figura 6.[112] The light beams represented were obtained considering the preferential arrangement of the LEDs (20) and photodetector (21) mentioned above, that is, for the values of the first, second and third distances Di, D2 and D3 mentioned. This configuration causes the fact that the beam reflected by the sample reaches the inner focal region of the inner lens (11), and more specifically, reaches the photodetector (21) as best seen in Figure 6.

[113] Ainda especificamente em relação a figura 6, nesta se evidencia o efeito refletivo dos feixes transmitidos ao meio externo (7) ao encontrarem a superfície de uma janela óptica (25), ou da amostra acima desta.[113] Still specifically in relation to Figure 6, this shows the reflective effect of the beams transmitted to the external environment (7) when they meet the surface of an optical window (25), or the sample above it.

[114] Considera-se na figura 6 que a janela óptica (25) é suficientemente fina para não causar desvios significativos nos feixes de luz refletidos (7A) devido às superfícies da janela óptica (25), isto é, múltiplas reflexões. Assumiu-se que o feixe refletido (7A) e (7B) seja principalmente devido à amostra. Estes feixes ao retomarem à cabeça de medição (1) difratam seguindo um caminho (7B) para a região focal no interior do material, onde se encontra o fotodetector (21). Esta orientação do feixe de luz maximiza a relação sinal/ruído e pode captá-la de diferentes direções. Preferencialmente a janela óptica (25) é concretizada na torma de um disco de faces preferencialmente planas e paralelas feita de material transparente no intervalo de comprimento de onda de interesse, podendo se empregar vidro, quartzo, polímeros transparentes, entre outros em sua confecção.[114] It is considered in Figure 6 that the optical window (25) is thin enough not to cause significant deviations in the reflected light beams (7A) due to the surfaces of the optical window (25), that is, multiple reflections. The reflected beam (7A) and (7B) was assumed to be mainly due to the sample. These beams, when returning to the measuring head (1), diffract following a path (7B) to the focal region inside the material, where the photodetector (21) is located. This light beam orientation maximizes the signal to noise ratio and can pick it up from different directions. Preferably, the optical window (25) is made in the form of a disk with preferably flat and parallel faces made of transparent material in the range of wavelength of interest, and glass, quartz, transparent polymers, among others, can be used in its manufacture.

[115] Estudos mostraram que dependendo da posição dos LEDs (20) com relação a sua distância ao centro (10) ou à borda (13) lateral da cabeça de medição (1), diferentes efeitos de reflexão podem ocorrer.[115] Studies have shown that depending on the position of the LEDs (20) with respect to their distance from the center (10) or the lateral edge (13) of the measuring head (1), different reflection effects can occur.

[116] Por exemplo, se os LEDs (20) forem dispostos muito próximos ao centro (10), então, o feixe refletido intemamente (feixe (6) na figura 6) pode atingir o fotodetector (21) junto com o feixe refletido pela amostra (feixe (7B) na figura 6).[116] For example, if the LEDs (20) are arranged too close to the center (10), then the internally reflected beam (beam (6) in Figure 6) can reach the photodetector (21) along with the beam reflected by the sample (beam (7B) in figure 6).

[117] Tal fato é indesejado para a aplicação da cabeça de medição (1) proposta na presente invenção, pois, o feixe de luz vindo da amostra (feixe (7B) na figura 6) teria sua detecção prejudicada pelo feixe refletido internamente (feixe (6) na figura 6) na fronteira da lente (11), gerando sinal saturado, isto é, saturação óptica do fotodetector (21).[117] This fact is undesirable for the application of the measuring head (1) proposed in the present invention, because the light beam coming from the sample (beam (7B) in Figure 6) would have its detection impaired by the internally reflected beam (beam (6) in figure 6) at the edge of the lens (11), generating a saturated signal, that is, optical saturation of the photodetector (21).

[118] Por outro lado, se os LEDs (20) forem localizados muito próximos à borda (13), o feixe de luz emitido sofre reflexão interna total, contorna a superfície da lente (11) e emerge no lado oposto radialmente à posição do LED (20) que o emitiu, isto é, o feixe não sai para o meio externo e contorna a face convexa e volta à face plana e emerge dela. Teoricamente, neste caso, a amostra não receberia luz, portanto, a detecção do feixe refletido da amostra seria desprezível.[118] On the other hand, if the LEDs (20) are located too close to the edge (13), the emitted light beam undergoes total internal reflection, contours the lens surface (11) and emerges on the opposite side radially to the position of the LED (20) that emitted it, that is, the beam does not go out to the external environment and goes around the convex face and returns to the flat face and emerges from it. Theoretically, in this case, the sample would not receive light, therefore, the detection of the beam reflected from the sample would be negligible.

[119] A referida reflexão interna total é ilustrada na figura 7, em que se observa o comportamento do feixe refletido intemamente (6).[119] Said total internal reflection is illustrated in Figure 7, in which the behavior of the beam reflected internally is observed (6).

[120] Importante mencionar que a figura 7 exibe a ilustração de testes realizados em laboratório utilizando um equipamento de raio laser (e não LEDs), no entanto, caso LEDs tivessem sido utilizados, o comportamento do feixe refletido intemamente (6) seria o mesmo, portanto, a figura 7 é válida para uma melhor compreensão da referida reflexão interna total.[120] It is important to mention that figure 7 shows the illustration of tests performed in the laboratory using laser beam equipment (and not LEDs), however, if LEDs had been used, the behavior of the internally reflected beam (6) would be the same , therefore, figure 7 is valid for a better understanding of the referred total internal reflection.

[121] Assim, determinou-se uma posição intermediária (LEDs (20) dispostos a uma distância D3 da borda (13)) tal que o feixe refletido internamente não passasse pelo fotodetector (21) e nem tivesse reflexão interna total.[121] Thus, an intermediate position was determined (LEDs (20) arranged at a distance D3 from the edge (13)) such that the internally reflected beam did not pass through the photodetector (21) and did not have total internal reflection.

[122] Em sequência a configuração estrutural da cabeça de medição (1), e conforme melhor observado a partir das figuras 2, 3, 5 e 6, esta compreende ainda uma saliência (4) serve para a fixação da cabeça de medição (1) ao suporte desta.[122] As a result of the structural configuration of the measuring head (1), and as best seen from figures 2, 3, 5 and 6, this further comprises a protrusion (4) serving to fasten the measuring head (1 ) to support this.

[123] Tal saliência (4) é apta a receber um elemento de fixação, tal como um parafuso, impedindo assim a movimentação circular da cabeça de medição (1) e evitando, desta forma, danos irrecuperáveis aos LEDs (20) e ao fotodetector (21).[123] Such protrusion (4) is able to receive a fastening element, such as a screw, thus preventing the circular movement of the measuring head (1) and thus avoiding irrecoverable damage to the LEDs (20) and the photodetector (21).

[124] Em uma configuração alternativa da cabeça de medição (1) proposta na presente invenção, os LEDs (20) e fotodetector (21) poderiam ser dispostos (encapsulados) diretamente no material deste dispositivo, eliminando o invólucro individual dos LEDs (20) e Fotodetector (21), evitando assim a construção das cavidades de acoplamento (2) e (3) para encaixes e, portanto, a emissão será totalmente direta.[124] In an alternative configuration of the measuring head (1) proposed in the present invention, the LEDs (20) and photodetector (21) could be arranged (encapsulated) directly in the material of this device, eliminating the individual housing of the LEDs (20) and Photodetector (21), thus avoiding the construction of the coupling cavities (2) and (3) for fittings and, therefore, the emission will be totally direct.

[125] A presente invenção refere-se também a um espectrômetro (40) que faz uso da cabeça de medição (1) proposta na presente invenção. Dito espectrômetro pode ser utilizado de diversas maneiras, cada uma destas maneiras requerendo ou não a utilização de componentes adicionais.[125] The present invention also refers to a spectrometer (40) that makes use of the measuring head (1) proposed in the present invention. Said spectrometer can be used in several ways, each of these ways requiring or not the use of additional components.

[126] A seguir, os diversos usos possíveis para o espectrômetro (40) serão abordados bem como os componentes requeridos para cada uma destas utilizações.[126] Next, the various possible uses for the spectrometer (40) will be discussed, as well as the components required for each of these uses.

[127] Por exemplo, a cabeça de medição (1) pode ser fixada a um corpo de suporte (8), este ilustrado na figura 8 da presente invenção.[127] For example, the measuring head (1) can be fixed to a support body (8), this one illustrated in figure 8 of the present invention.

[128] O corpo de suporte (8) é preferencialmente fabricado de PVC, no entanto, outros tipos de materiais poderiam ser utilizados, tais como materiais metálicos (alumínio).[128] The support body (8) is preferably made of PVC, however, other types of materials could be used, such as metallic materials (aluminium).

[129] O corpo de suporte (8) compreende uma porção interna (41) definindo uma primeira cavidade (9) em que deve-se dispor uma placa de circuito impresso para fixação (19) da pluralidade de componentes semicondutores (20) e (21).[129] The support body (8) comprises an inner portion (41) defining a first cavity (9) in which a printed circuit board must be arranged for fixing (19) the plurality of semiconductor components (20) and ( 21).

[130] O corpo de suporte (8) compreende ainda uma segunda cavidade (12) que tem como função acomodar a cabeça de fixação (1). A segunda cavidade (12) compreende ainda meios de vedação (14), preferencialmente anéis de borracha (o- ring) para evitar a entrada de líquidos na primeira cavidade (9), assim, a primeira cavidade (9) é fluidicamente isolada (vedada) da segunda cavidade (12), evitando o contato de líquidos com a placa de circuito impresso para fixação (19) que é disposta na cavidade (9).[130] The support body (8) further comprises a second cavity (12) whose function is to accommodate the fixation head (1). The second cavity (12) further comprises sealing means (14), preferably rubber rings (o-ring) to prevent liquids from entering the first cavity (9), thus the first cavity (9) is fluidly insulated (sealed ) of the second cavity (12), avoiding the contact of liquids with the printed circuit board for fixation (19) which is disposed in the cavity (9).

[131] A isolação fluídica (vedação) entre as cavidades (9) e (12) é importante pois permite mergulhar o espectrômetro (40) diretamente no líquido, sem que os componentes eletrônicos sejam afetados.[131] Fluid isolation (sealing) between cavities (9) and (12) is important as it allows the spectrometer (40) to be immersed directly in the liquid, without affecting the electronics.

[132] A cabeça de medição (1) uma vez acoplada (disposta) na segunda cavidade (12), é travada por um primeiro meio de fixação, tal como um parafuso que deve ser inserido no orifício (42) e este se encaixa na saliência (4) da cabeça de medição (1) e ilustrada nas figuras 2, 3, 5 e 6.[132] The measuring head (1) once coupled (arranged) in the second cavity (12), is locked by a first fastening means, such as a screw that must be inserted in the hole (42) and this fits in the protrusion (4) of the measuring head (1) and illustrated in figures 2, 3, 5 and 6.

[133] O corpo de fixação (8) compreende ainda em sua porção posterior uma tampa (15) feita, preferencialmente, do mesmo material que o corpo (8) e que tem a finalidade de fechar a primeira cavidade (9) e também servir de suporte para um conector elétrico (16) responsável por enviar a polarização elétrica dos LEDs (20) e fotodetector (21) e receber o sinal elétrico proveniente do fotodetector (21).[133] The fixing body (8) also comprises in its rear portion a cover (15) preferably made of the same material as the body (8) and which is intended to close the first cavity (9) and also serve support for an electrical connector (16) responsible for sending the electrical polarization of the LEDs (20) and photodetector (21) and receiving the electrical signal from the photodetector (21).

[134] A fixação da tampa (15) ao conector (16) é realizada, de modo apenas preferencial, com os parafusos (18) passando através dos orifícios (26) e (27) e rosqueados enfim no orifício (28).[134] The fixation of the cover (15) to the connector (16) is carried out, only preferentially, with the screws (18) passing through the holes (26) and (27) and finally threaded into the hole (28).

[135] O espectrômetro (40) com a cabeça de medição (1) devidamente associada ao corpo de fixação (8) é ilustrado na figura 9.[135] The spectrometer (40) with the measuring head (1) properly associated with the fixing body (8) is illustrated in figure 9.

[136] Na figura 9 observa-se ainda que o conector (16) é conectado à placa de circuito impresso (19) por meio de cabos elétricos (36) por onde passam as correntes elétricas que alimentam os LEDs (20) e os sinais elétricos proporcionais às intensidades de luz refletida pela amostra.[136] In Figure 9 it is also observed that the connector (16) is connected to the printed circuit board (19) by means of electrical cables (36) through which the electrical currents that power the LEDs (20) and the signals pass. proportional to the intensities of light reflected by the sample.

[137] O cabo elétrico (36) é soldado diretamente na placa de circuito impresso (19) seguindo o esquema elétrico de ligação previamente definido. Na configuração preferencial desta invenção, o conector (16) é do tipo DB25, sendo utilizados 20 pinos para atender às necessidades de comunicação com um sistema de coleta de dados {datalogger), a ser descrito.[137] The electrical cable (36) is soldered directly to the printed circuit board (19) following the electrical connection diagram previously defined. In the preferred configuration of this invention, the connector (16) is of the DB25 type, 20 pins being used to meet the communication needs with a data collection system (datalogger), to be described.

[138] Os LEDs (20), fotodetector (21) e cabos elétricos (36) são soldados em uma das faces da placa de circuito impresso (19), enquanto a outra face não se coloca nenhuma solda para não prejudicar o acoplamento desta placa à parede da primeira cavidade (9).[138] The LEDs (20), photodetector (21) and electrical cables (36) are soldered on one side of the printed circuit board (19), while the other face is not placed any solder so as not to harm the coupling of this board to the wall of the first cavity (9).

[139] Uma vez montados todos os componentes, a placa de fixação (19) é inserida na primeira cavidade (9) e os LEDs (20) e fotodetector (21) penetram nas cavidades de acoplamento (2) e (3) até atingirem o topo destas.[139] Once all components are assembled, the fixing plate (19) is inserted into the first cavity (9) and the LEDs (20) and photodetector (21) penetrate into the coupling cavities (2) and (3) until they reach the top of these.

[140] A placa de circuito impresso (19) não é fixada por parafusos no interior da primeira cavidade (9), é apenas encaixada, pois tem praticamente o mesmo diâmetro desta.[140] The printed circuit board (19) is not fixed by screws inside the first cavity (9), it is only fitted, as it has practically the same diameter as this one.

[141] Para mantê-la no encaixe, os cabos elétricos (36) fazem o papel de uma mola de baixa constante de Hooke. Caso ocorra a necessidade de remover a placa (19), basta retirar a tampa (15) juntamente com o conector (16), então, todo o conjunto elétrico de LEDs (20) e fotodetector (21) é também removido. Esta é uma ação rápida e prática por não haver diversas partes integrantes frágeis no sistema.[141] To keep it in the socket, the electrical cables (36) act as a Hooke's constant low spring. If there is a need to remove the board (19), just remove the cover (15) together with the connector (16), then the entire electrical set of LEDs (20) and photodetector (21) is also removed. This is a quick and practical action as there are not many fragile components in the system.

[142] Nesta configuração preferencial do espectrômetro (40), o circuito eletrônico de controle e alimentação não é montado juntamente com os LEDs (20) e o fotodetector (21). Isto toma o sistema de fácil montagem, mais simples e robusto, pois, se houver a necessidade de remoção da cabeça de medição (1), a eletrônica não será afetada.[142] In this preferred configuration of the spectrometer (40), the control and power electronics are not mounted together with the LEDs (20) and the photodetector (21). This makes the system easier to assemble, simpler and more robust, as if there is a need to remove the measuring head (1), the electronics will not be affected.

[143] Dependendo da utilização do espectrômetro (40), este pode receber um defletor (37), tal como ilustrado na figura 10. Esse defletor (37) é uma peça cilíndrica que pode ser feita tanto de metal como de plástico resistente.[143] Depending on the use of the spectrometer (40), it can receive a deflector (37), as illustrated in figure 10. This deflector (37) is a cylindrical piece that can be made of either metal or resistant plastic.

[144] Como ilustrado na figura 10, intemamente há uma superfície cônica (38) que deve ser espelhada. Se o material do defletor (37) for metálico, este deve ser polido para obter a superfície cônica (38) espelhada.[144] As illustrated in Figure 10, internally there is a conical surface (38) that must be mirrored. If the material of the deflector (37) is metallic, it must be polished to obtain the mirror conical surface (38).

[145] Se o material for plástico, este deve receber uma cobertura metálica por evaporação para formar a superfície cônica (38) espelhada.[145] If the material is plastic, it should receive a metallic coating by evaporation to form the mirror conical surface (38).

[146] O defletor (37) tem como objetivo redirecionar a luz espalhada lateralmente de volta à amostra e desta para a cabeça de medição (1). A cabeça de medição (1) penetra a abertura cônica pelo lado estreito do defletor (27) (lado inferior) que, por sua vez, está fixado à base interna de um gabinete de blindagem (29).[146] The deflector (37) is intended to redirect laterally scattered light back to the sample and from there to the measuring head (1). The measuring head (1) penetrates the conical opening through the narrow side of the deflector (27) (underside) which, in turn, is fixed to the inner base of a shield cabinet (29).

[147] Importante mencionar que o defletor (37) é um acessório que aumenta a intensidade de sinal detectado em 5%, mas o espectrômetro (40) pode funcionar sem ele, já que a resposta espectral não se altera, apenas melhorando a relação sinal/ruído.[147] It is important to mention that the deflector (37) is an accessory that increases the detected signal strength by 5%, but the spectrometer (40) can work without it, as the spectral response does not change, only improving the signal ratio /noise.

[148] O referido gabinete de blindagem (29) (gabinete (29)) é ilustrado na figura 11. O gabinete (29) é uma peça cilíndrica que envolve a cabeça de medição e é dotado ainda de uma porção conectável (31) ao corpo de suporte (8) e de uma porção de amostragem (30), dita porção de amostragem configurada de modo a receber ao menos uma porção de uma amostra a ser analisada pelo espectrômetro (40).[148] Said shielding cabinet (29) (cabinet (29)) is illustrated in Figure 11. The cabinet (29) is a cylindrical piece that surrounds the measuring head and is further provided with a connectable portion (31) to the support body (8) and a sampling portion (30), said sampling portion configured to receive at least a portion of a sample to be analyzed by the spectrometer (40).

[149] Observa-se da figura 11 que o gabinete (29) compreende ainda uma cavidade passante (42) da cabeça de medição (1) e um anel de vedação (43) para vedação do gabinete (29) com a cabeça de medição (1).[149] It can be seen from Figure 11 that the cabinet (29) further comprises a through cavity (42) of the measuring head (1) and a sealing ring (43) for sealing the cabinet (29) with the measuring head (1).

[150] O gabinete (29) deve ser feito de material enegrecido como poliacetal preto ou outro polímero, pode ser feito até mesmo de material metálico, desde que seu interior esteja pintado de preto.[150] The cabinet (29) should be made of blackened material such as black polyacetal or other polymer, it can even be made of metallic material, as long as its interior is painted black.

[151] Dependendo da utilização do espectrômetro (40) com o gabinete (29), deve-se também utilizar uma porta-amostra (23), conforme exibido na figura 12.[151] Depending on the use of the spectrometer (40) with the cabinet (29), a sample holder (23) must also be used, as shown in figure 12.

[152] Nesta configuração preferencial o porta-amostra (23) é referenciado como um copo (23). Este copo (23) pode ser fabricado com os seguintes materiais: poliméricos, tais como Polietileno Tereftalato ou Politereftalato de Etileno (PET), Polimetilmetacrilato (PMMA - acrílico) ou Policarbonato, Poliacetal, metal (alumínio) com janela transparente no fundo, vidro e outros materiais que não absorvam na região espectral de interesse.[152] In this preferred configuration the sample holder (23) is referred to as a cup (23). This cup (23) can be manufactured with the following materials: polymeric, such as Polyethylene Terephthalate or Polyethylene Terephthalate (PET), Polymethylmethacrylate (PMMA - acrylic) or Polycarbonate, Polyacetal, metal (aluminium) with transparent window at the bottom, glass and other materials that do not absorb in the spectral region of interest.

[153] Sendo de material polimérico, o copo (23) pode ser descartável para evitar contaminação entre amostras, ainda, este tem utilidade quando se pretende que a amostra não entre em contato direto com a cabeça de medição (1).[153] Being made of polymeric material, the cup (23) can be disposable to avoid contamination between samples, yet it is useful when it is intended that the sample does not come into direct contact with the measuring head (1).

[154] O gabinete de blindagem (29) representado na figura 11 é estruturalmente configurado para uso com o copo (23) da figura 12. Neste caso, o copo (23) desce suavemente na porção de amostragem (30) devido ao ar que é expelido lentamente da cavidade inferior do copo (23) pela ação da gravidade. Esta configuração de copo (23) ilustrada na figura 12 podería ser utilizada também com o modelo de gabinete de blindagem (29A) representado na figura 13.[154] The shielding cabinet (29) shown in Figure 11 is structurally configured for use with the cup (23) of Figure 12. In this case, the cup (23) descends smoothly into the sampling portion (30) due to the air that it is slowly expelled from the lower cavity of the cup (23) by gravity. This cup configuration (23) shown in Figure 12 could also be used with the shield cabinet model (29A) shown in Figure 13.

[155] Neste, além dos mesmos elementos já mencionados quando da descrição da figura 11, há um encaixe lateral (30B) da mesma altura que a porção do copo que recebe a amostra, ou cavidade superior (24) do copo.[155] In this, in addition to the same elements already mentioned when describing Figure 11, there is a side fitting (30B) of the same height as the portion of the cup that receives the sample, or upper cavity (24) of the cup.

[156] O gabinete de blindagem (29A) representado na figura 13 pode também ser utilizado com o copo (23A) da figura 14. Em comparação com o copo (23), nota-se que o copo (23A) não tem a cavidade inferior (32) ilustrada na figura 12, então deve- se apoiá-lo na borda do encaixe (30B) do gabinete (29A). Desta maneira, evita-se que este ou qualquer outro copo (porta-amostra) fique em contato direto com a cabeça de medição (1).[156] The shield cabinet (29A) shown in Figure 13 can also be used with the cup (23A) of Figure 14. In comparison with the cup (23), it is noted that the cup (23A) does not have the cavity bottom (32) illustrated in figure 12, then it must be supported on the edge of the housing (30B) of the cabinet (29A). In this way, this or any other cup (sample holder) is prevented from coming into direct contact with the measuring head (1).

[157] O gabinete de blindagem (29) (ou (29A)) é uma peça importante no funcionamento do espectrômetro (40) já que protege a cabeça de medição (1) contra a entrada de luz externa, danos, sujeiras, e permite que a superfície da amostra fique sempre na mesma distância com relação à cabeça de medição (1).[157] The shielding cabinet (29) (or (29A)) is an important part in the operation of the spectrometer (40) as it protects the measuring head (1) against external light ingress, damage, dirt, and allows that the surface of the sample is always at the same distance from the measuring head (1).

[158] Para evitar influência da luz externa, o topo do gabinete (29) (29A) pode ser fechado por uma tampa de blindagem (34) de mesmo material preto, conforme figura 15.[158] To avoid the influence of external light, the top of the cabinet (29) (29A) can be closed by a shield cover (34) of the same black material, as shown in figure 15.

[159] Observa-se que a tampa de blindagem (34) tem uma saliência que serve de puxador e um canal (35) para acoplar à borda do copo (23) ou (23A). Este canal (35) veda a borda do copo (23) ou (23A), de forma que o líquido, ou sólido particulado, não vaze de seu interior. Assim, a amostra e o espectrômetro ficam protegidos de influências externas. A estrutura ilustrada para a tampa (34) na figura 15 é apenas uma configuração preferencial,[159] It is noted that the shield cover (34) has a protrusion that serves as a handle and a channel (35) for engaging the rim of the cup (23) or (23A). This channel (35) seals the rim of the cup (23) or (23A), so that liquid, or particulate solid, does not leak from its interior. Thus, the sample and the spectrometer are protected from external influences. The structure illustrated for the cap (34) in Figure 15 is only a preferred configuration,

[160] A figura 16 ilustra o espectrômetro (40) dotado do corpo de suporte (8), copo (23), defletor (37), gabinete de blindagem (29), tampa de blindagem (34) e ainda uma amostra (30C). O topo central da lente na cabeça de medição (1) fica a 1 mm da janela óptica (25), significando que a região focal externa está dentro da amostra (30C), já que esta região também dista em 4 cm acima do centro da superfície convexa.[160] Figure 16 illustrates the spectrometer (40) equipped with the support body (8), cup (23), deflector (37), shielding cabinet (29), shielding cover (34) and also a sample (30C ). The central top of the lens in the measurement head (1) is 1 mm from the optical window (25), meaning that the outer focal region is within the sample (30C), as this region is also 4 cm above the center of the convex surface.

[161] Em relação específica a amostra (30C), esta pode ocupar todo o volume da área interna do copo (23) (ou (23A)), ou parte dele, conforme o comprimento de absorção da substância analisada. Quando a amostra (30C) a ser analisada é um líquido, recomenda-se que todo o volume do copo (23) (23A) seja ocupado, evitando reflexão de luz devido a parede deste.[161] In specific relation to the sample (30C), it can occupy the entire volume of the internal area of the cup (23) (or (23A)), or part of it, depending on the absorption length of the analyzed substance. When the sample (30C) to be analyzed is a liquid, it is recommended that the entire volume of the cup (23) (23A) be occupied, avoiding light reflection due to its wall.

[162] Quando da utilização do espectrômetro (40) na análise de líquidos, este deve ser disposto em posição vertical, para tal, um suporte (43), conforme preferencialmente ilustrado na figura 17, pode ser utilizado. Como dito, a configuração ilustrada do suporte (43) é apenas preferencial, de modo que qualquer outra configuração estrutural que atinja o objetivo de dispor o espectrômetro (40) em posição vertical pode ser utilizada.[162] When using the spectrometer (40) in the analysis of liquids, it must be placed in a vertical position, for that, a support (43) can be used, as preferably illustrated in Figure 17. As stated, the illustrated configuration of the support (43) is only preferred, so that any other structural configuration that achieves the objective of arranging the spectrometer (40) in a vertical position can be used.

[163] Especifícamente em relação ao uso do espectrômetro (40) para análise de amostras sólidas e líquidas, têm-se seis opções de uso deste: i) A amostra disposta dentro do copo (23) (23A) e utilizando-se o gabinete de blindagem (29) (29A), conforme figura 16; ii) Para análises em campo (solos intactos), basta remover a tampa de blindagem (34) e, sem qualquer copo dentro do gabinete de blindagem (29) (29A), retirar o espectrômetro do suporte (43), virá-lo com a boca do gabinete (29) (29A) para baixo e colocá-lo sobre o solo devidamente aplainado (figura 18). Este modo é muito útil no campo ou sobre qualquer superfície com o material (amostra) que se deseja analisar; iii) Altemativamente, pode-se utilizar o espectrômetro conforme ilustrado na figura 19. Nessa modalidade, o copo (23) (23A), ou qualquer outro copo ou recipiente de dimensões apropriadas, pode ser preenchido com amostra (30C). Sobre ele se coloca o espectrômetro (40) com a boca para baixo até que esta atinja a borda do encaixe (30B) ou o defletor (37). A superfície da amostra deve-se distanciar de um a quatro milímetros abaixo do topo central da cabeça de medição (1); iv) Altemativamente, pode-se utilizar o espectrômetro conforme ilustrado na figura 20. Para tal, remove-se o defletor (37) e qualquer copo (23) (23A), então, o gabinete de blindagem (29) (29A), tendo a boca voltada para cima, pode ser enchido com a amostra (30C). Neste caso, a cabeça de medição (1) fica mergulhada na amostra (30C), assim, pode-se utilizar o espectrômetro (40) mergulhado em corpo d'água (rios, lagoas e lagos) para monitoramento constante quanto ao estado de poluentes, clorofila e sedimentos dissolvidos. v) O espectrômetro pode ainda ser utilizado para analisar líquidos armazenados em grandes recipientes e sob refrigeração, como o leite em tanque de armazenamento e coleta. Para isso, remove-se o gabinete de blindagem (29) (29A) e instala-se o espectrômetro (40) diretamente na parede do reservatório ou tubulação, conforme ilustrado na figura 21. vi) O espectrômetro pode ainda ser utilizado em mergulho e sem o gabinete de blindagem (29) (29A). Neste caso, remove-se o gabinete (29) (29A) deixando a cabeça de medição (1) exposta. Usando-se um copo de qualquer formato (23) (23A) cheio com líquido, mergulha-se apenas a cabeça (1) dentro do líquido, em seguida, processa-se a medição. Os copos devem ter paredes opacas para que a luz ambiente não interfira na medida. 261X2[163] Specifically regarding the use of the spectrometer (40) for analysis of solid and liquid samples, there are six options for its use: i) The sample placed inside the cup (23) (23A) and using the cabinet shielding (29) (29A), as shown in figure 16; ii) For field analysis (intact soils), simply remove the shield cover (34) and, without any cup inside the shield cabinet (29) (29A), remove the spectrometer from the support (43), turn it over with the mouth of the cabinet (29) (29A) downwards and place it on the properly leveled ground (figure 18). This mode is very useful in the field or on any surface with the material (sample) you want to analyze; iii) Alternatively, the spectrometer can be used as illustrated in figure 19. In this modality, the cup (23) (23A), or any other cup or container of appropriate dimensions, can be filled with sample (30C). On top of it, the spectrometer (40) is placed with the mouth down until it reaches the edge of the socket (30B) or the deflector (37). The surface of the sample must be distanced from one to four millimeters below the central top of the measuring head (1); iv) Alternatively, the spectrometer can be used as shown in figure 20. To do so, remove the deflector (37) and any cup (23) (23A), then the shielding cabinet (29) (29A), having the mouth facing upwards, it can be filled with the sample (30C). In this case, the measuring head (1) is immersed in the sample (30C), thus, the spectrometer (40) can be used immersed in a water body (rivers, lakes and lakes) for constant monitoring of the state of pollutants , chlorophyll and dissolved sediments. v) The spectrometer can also be used to analyze liquids stored in large containers and under refrigeration, such as milk in a storage and collection tank. To do this, remove the shielding cabinet (29) (29A) and install the spectrometer (40) directly on the wall of the reservoir or pipe, as shown in figure 21. vi) The spectrometer can still be used in diving and without the shield cabinet (29) (29A). In this case, remove the cabinet (29) (29A) leaving the measuring head (1) exposed. Using a cup of any shape (23) (23A) filled with liquid, only the head (1) is immersed in the liquid, then the measurement is carried out. The glasses should have opaque walls so that ambient light does not interfere with the measurement. 261X2

[164] Independentemente de como utilizado, para que o espectrômetro (40) forneça dados sobre a amostra, circuitos eletrônicos para a aquisição de dados e alimentação elétrica estão associados formando um datalogger, ou condicionador de sinais (44).[164] Regardless of how it is used, for the spectrometer (40) to provide data about the sample, electronic circuits for data acquisition and power supply are associated to form a datalogger, or signal conditioner (44).

[165] O referido condicionador de sinais (44) pode preferencialmente compreender um teclado em que o operador dá os primeiros comandos e preenche as informações requeridas para realizar as aquisições. O circuito eletrônico do condicionador de sinais deve compreender um microprocessador dotado de um programa embarcado, escrito em linguagem de máquina, que ativa um circuito Multiplex e este aciona um amplificador de ganho juntamente com um par de LED (excitadores) de mesmo comprimento de onda.[165] Said signal conditioner (44) can preferably comprise a keyboard in which the operator gives the first commands and fills in the information required to carry out the acquisitions. The electronic circuit of the signal conditioner must comprise a microprocessor equipped with an embedded program, written in machine language, which activates a multiplex circuit and this activates a gain amplifier together with a pair of LEDs (exciters) of the same wavelength.

[166] Por exemplo, um determinado par de LEDs (20) iluminará a amostra (30C), esteja esta no copo (23) (23A) ou em uma das modalidades acima mencionadas. A luz refletida é detectada pelo fotodetector (21) e seu sinal elétrico é proporcional à intensidade da luz refletida.[166] For example, a certain pair of LEDs (20) will illuminate the sample (30C), whether it is in the cup (23) (23A) or in one of the aforementioned modes. The reflected light is detected by the photodetector (21) and its electrical signal is proportional to the intensity of the reflected light.

[167] Este sinal vai ao conversor analógico/digital (A/D) do microprocessador para digitalizá-lo, convertê-lo em dado válido e armazená-lo na Memória. Este procedimento se repete para todos os pares de LED (20) de mesmo comprimento de onda. A varredura espectral dura 20 segundos (tempo aceitável para acionamento dos LEDs sequencialmente, não necessitando uso de CCD), possibilitando diversas repetições para posterior tratamento estatístico, determinação do valor médio e desvio padrão.[167] This signal goes to the analog/digital (A/D) converter of the microprocessor to digitize it, convert it into valid data and store it in memory. This procedure is repeated for all pairs of LED (20) of the same wavelength. The spectral scan lasts 20 seconds (acceptable time to activate the LEDs sequentially, not requiring the use of CCD), allowing several repetitions for later statistical treatment, determination of the mean value and standard deviation.

[168] Os dados armazenados podem ainda ser processados para aparecerem em um display e/ou serem enviados a outro computador via interface de comunicação serial RS232 ou USB, ou ainda, por Bluetooth, ou qualquer outro protocolo desejado.[168] Stored data can be further processed to appear on a display and/or be sent to another computer via RS232 or USB serial communication interface, or via Bluetooth, or any other desired protocol.

[169] O programa embarcado nesse computador controla a aquisição remota, o recebimento dos dados para análise estatística e o armazenamento destes em unidade de memória de massa.[169] The program embedded in this computer controls the remote acquisition, the receipt of data for statistical analysis and the storage of these in a mass memory unit.

[170] A alimentação elétrica do espectrômetro (40) pode ser à bateria (12V) e/ou pela rede elétrica convencional para recarrega ou uso direto. Este também pode ser alimentado pela bateria de um caminhão de coleta de amostra ou de uma máquina agrícola.[170] The electrical supply of the spectrometer (40) can be from the battery (12V) and/or by the conventional electrical network for recharge or direct use. It can also be powered by the battery of a sample collection truck or agricultural machine.

[171] A figura 22 é apenas uma representação preferencial do espectrômetro (40) conectado ao referido condicionador de sinais (44).[171] Figure 22 is just a preferred representation of the spectrometer (40) connected to the signal conditioner (44).

[172] Para a correta utilização do espectrômetro (40) e cabeça de medição (1) propostos na presente invenção, deve-se primeiramente realizar uma calibração destes. Tal calibração se deve ao fato de que os LEDs (20) têm intensidades variadas em função de seus comprimentos de onda (baixa no ultravioleta, aumenta no visível e decai no infravermelho).[172] For the correct use of the spectrometer (40) and measuring head (1) proposed in the present invention, one must first perform a calibration of these. Such calibration is due to the fact that LEDs (20) have varying intensities as a function of their wavelengths (low in the ultraviolet, increase in the visible and decay in the infrared).

[173] Assim, não se tem uma resposta energética constante em todo o comprimento de onda do espectro. Também os fotodiodos (21) não respondem linearmente em função do comprimento de onda, sendo que a maioria dos fotodiodos (fotodetector) (21) semicondutores comerciais tem um máximo de reposta no infravermelho próximo, estende-se decrescentemente no infravermelho em direção aos altos comprimentos de onda, enquanto decresce monotonamente (lentamente) na região do visível até o ultravioleta.[173] Thus, there is no constant energy response across the entire wavelength of the spectrum. Also the photodiodes (21) do not respond linearly as a function of wavelength, and most photodiodes (photodetector) (21) commercial semiconductors have a maximum response in the near infrared, extending downwards in the infrared towards the high lengths of wave, while decreasing monotonously (slowly) in the visible to the ultraviolet region.

[174] Portanto, a curva de emissão dos LEDs (20) e de resposta do fotodetector (21) se sobrepõem resultando na curva de resposta espectral do instrumento. Para compensar esta curva de resposta instrumental é realizada a medição de linha da base, ou “o branco”, através da obtenção do espectro de uma amostra de referência usada para a normalização espectral.[174] Therefore, the emission curve of the LEDs (20) and the response of the photodetector (21) overlap resulting in the spectral response curve of the instrument. To compensate for this instrumental response curve, the baseline measurement, or “the blank”, is performed by obtaining the spectrum of a reference sample used for spectral normalization.

[175] Este processo ocorre automaticamente em espectrofotômetros de duplo feixe, onde o sinal elétrico no detector, devido ao feixe de luz de referência, é usado para normalizar o sinal elétrico obtido do feixe de luz emergindo da amostra.[175] This process occurs automatically in double-beam spectrophotometers, where the electrical signal at the detector, due to the reference light beam, is used to normalize the electrical signal obtained from the light beam emerging from the sample.

[176] Assim, considerando o espectrômetro (40) e cabeça de medição (1) propostos na presente invenção, projetou-se um circuito de ganho para o fotodetector (21) em função do LED 20 acionado, denominado por amplificador de ganho (já mencionado).[176] Thus, considering the spectrometer (40) and measuring head (1) proposed in the present invention, a gain circuit was designed for the photodetector (21) as a function of the activated LED 20, called gain amplifier (already mentioned).

[177] Como para cada LED (20) há um ganho na sensibilidade do fotodetector (21), isto consiste em aumentar ou diminuir a polarização elétrica deste semicondutor, por exemplo: para LED (20) violeta, que fornece baixa intensidade de luz, o fotodetector (21) também é menos sensível, então, aumenta-se o seu valor de polarização elétrica, causando, com isso, um crescimento da foto-sensibilidade desse detector. Realizado tal procedimento, o espectrômetro pode ser devidamente calibrado.[177] As for each LED (20) there is a gain in the sensitivity of the photodetector (21), this consists of increasing or decreasing the electrical polarization of this semiconductor, for example: for violet LED (20), which provides low light intensity, the photodetector (21) is also less sensitive, so its electrical polarization value is increased, thus causing an increase in the photosensitivity of this detector. Once this procedure is performed, the spectrometer can be properly calibrated.

[178] A maneira como tal calibração deverá ocorrer não representa o aspecto preferencial da presente invenção, sendo que, como já mencionado, pode-se (i) ajustar o amplificador de ganho para cada LED (20), (ii) obter o espectro de uma substância branca como referência de refletância, (iii) usar uma substância padrão com espectro conhecido para comparação ou (iv) usar filtros de interferência ou de cores com espectros conhecidos.[178] The way in which such calibration should take place does not represent the preferred aspect of the present invention, and, as already mentioned, one can (i) adjust the gain amplifier for each LED (20), (ii) obtain the spectrum of a white substance as a reflectance reference, (iii) use a standard substance with known spectrum for comparison, or (iv) use interference or color filters with known spectrum.

[179] Quanto aos procedimentos para análise da amostra (30C), estes são referenciados abaixo:[179] As for the procedures for analyzing the sample (30C), these are referenced below:

[180] Primeiramente é preciso obter o espectro do espectrômetro (40) vazio, sem qualquer dispositivo ou amostra (30C), utilizando apenas o gabinete de blindagem (29) (29A) fechado pela tampa de blindagem (34).[180] First, it is necessary to obtain the spectrum of the spectrometer (40) empty, without any device or sample (30C), using only the shielding cabinet (29) (29A) closed by the shielding cover (34).

[181] Assim, a resposta do espectrômetro (40) na condição de escuro é obtida. Este procedimento é válido tanto para o uso com ou sem o copo (23) (23A), porém não é necessário realizá-lo todas as vezes que seja feita uma medição de uma amostra (30C). Estes dados já podem estar armazenados na memória do condicionador de sinais (44) antes da medição.[181] Thus, the response of the spectrometer (40) in the dark condition is obtained. This procedure is valid for use with or without the cup (23) (23A), but it is not necessary to perform it every time a measurement is taken on a sample (30C). This data can already be stored in the memory of the signal conditioner (44) before the measurement.

[182] Na sequência, é preciso obter o espectro com um copo (23) (23A) vazio. Este procedimento é obrigatório para quando se usa o copo (23) (23A) como suporte de amostra (30C). Também é preciso obter o espectro de um dispositivo feito de PTFE (politetrafluoretileno - teflon), introduzindo-o no copo (23) (23A) e, em seguida, no gabinete (29) (29A) com a tampa de blindagem (34). Feito isto, os dados são guardados em memória no condicionador de sinais (44) para uso posterior.[182] Next, it is necessary to obtain the spectrum with an empty glass (23) (23A). This procedure is mandatory when using the cup (23) (23A) as a sample holder (30C). It is also necessary to obtain the spectrum of a device made of PTFE (polytetrafluoroethylene - teflon), introducing it into the cup (23) (23A) and then into the cabinet (29) (29A) with the shield cover (34) . Once this is done, the data is stored in memory in the signal conditioner (44) for later use.

[183] Posteriormente deve-se obter o espectro da amostra (30C) posta no copo (23) (23A), introduzindo o copo (23) (23A) no gabinete de blindagem (29) (29A) e usando a tampa de blindagem (34). Obtido o espectro e os dados armazenados no condicionador de sinais (44), pode-se proceder à normalização das amostras.[183] Afterwards, the spectrum of the sample (30C) placed in the cup (23) (23A) must be obtained, introducing the cup (23) (23A) in the shielding cabinet (29) (29A) and using the shielding cap (34). Having obtained the spectrum and the data stored in the signal conditioner (44), the samples can be normalized.

[184] Quando o espectrômetro (40) for utilizado mergulhado na amostra (30C), mas sem a utilização do copo (23) (23A) e gabinete (29) (29A), deve-se usar dois copos (23) (23A), um de PTFE e outro preto, sem janela óptica, com o solvente que contém o soluto a ser analisado.[184] When the spectrometer (40) is used immersed in the sample (30C), but without using the cup (23) (23A) and cabinet (29) (29A), two cups (23) (23A) must be used ), one of PTFE and the other black, without optical window, with the solvent that contains the solute to be analyzed.

[185] O copo (23) (23A) preto com solvente (água) - é utilizado para obtenção da resposta espectral do espectrômetro 40 no escuro ou baixa refletância, enquanto que o copo (23) (23A) branco (PTFE), também com solvente, serve para obter a referência de alta reflexão e de espalhamento.[185] The beaker (23) (23A) black with solvent (water) - is used to obtain the spectral response of the spectrometer 40 in dark or low reflectance, while the beaker (23) (23A) white (PTFE), also with solvent, serves to obtain the high reflection and scattering reference.

[186] Esses dados são usados para determinar o espectro da amostra (30C) líquida na condição de mergulho do espectrômetro (40). Já a amostra (30C) que se deseja analisar deve ser colocada no copo branco (23) (23A) para obtenção de seu espectro.[186] This data is used to determine the spectra of the liquid (30C) sample at the spectrometer's (40) diving condition. The sample (30C) to be analyzed must be placed in the white cup (23) (23A) to obtain its spectrum.

[187] Quando o espectrômetro 40 é usado sem o copo (23) (23A), a primeira etapa citada acima deve ser realizada (obter o espectro vazio, sem amostra, apenas com o gabinete (29) (29A) e tampa (34).[187] When the spectrometer 40 is used without the cup (23) (23A), the first step mentioned above must be performed (obtain the empty spectrum, without sample, only with the cabinet (29) (29A) and lid (34 ).

[188] A referência branca deve ser posta na mesma distância entre a cabeça de medição (1) e a amostra (30C). Para isto, basta virar o espectrômetro com o gabinete (29) (29A) de boca para baixo, sem tampa (34), e acoplar à superfície branca, seguindo-se o acionamento eletrônico para realizar a medição.[188] The white reference must be placed at the same distance between the measuring head (1) and the sample (30C). To do this, just turn the spectrometer with the cabinet (29) (29A) upside down, without cover (34), and attach it to the white surface, followed by the electronic drive to perform the measurement.

[189] Para medições de amostras sólidas particuladas - por exemplo, solos - deve-se tomar o cuidado de aplainar as superfícies destas. Diferentes distâncias geram deslocamento do nível de sinal, dificultando comparações com outras amostras (30C). O passo seguinte é a realização da normalização no espectrômetro.[189] For measurements of solid particulate samples - eg soils - care must be taken to flatten their surfaces. Different distances generate a shift in the signal level, making comparisons with other samples difficult (30C). The next step is to carry out the normalization in the spectrometer.

[190] A normalização é feita para se obter o espectro de refletância da amostra (30C) e/ou a equivalente absorbância. Para isto, aplica-se a equação abaixo (equação 1):

[190] Normalization is done to obtain the reflectance spectrum of the sample (30C) and/or absorbance equivalent. For this, apply the equation below (equation 1):

[191] Na equação 1, Sa, Sd, Sr e R referem-se aos sinais referentes à amostra, ao espectrômetro vazio ou com copo preto, à referência branca (PTFE) ou copo branco e a refletância da amostra, respectivamente. Para se obter o espectro equivalente ao de absorbância, aplica-se a equação 1 na função de Kubelka-Munk (K-M), abaixo:

[191] In equation 1, Sa, Sd, Sr and R refer to the signals referring to the sample, the empty or black cup spectrometer, the white reference (PTFE) or white cup and the sample reflectance, respectively. To obtain the spectrum equivalent to the absorbance, apply equation 1 in the Kubelka-Munk (KM) function below:

[192] Na equação KM, S, Ke R são os parâmetros referentes ao espelhamento, à absorção da amostra e à reflexão de luz dada pela equação 1, respectivamente.[192] In equation KM, S, Ke R are the parameters referring to mirroring, sample absorption and light reflection given by equation 1, respectively.

[193] Considerando que o copo (23) (23A) para a amostra (30C) pode ter variações em seus constituintes materiais e/ou defeitos, toma-se necessário que a cada uso de um novo copo (23) (23A), primeiramente, seja obtido o espectro de linha de base. Isto é realizado colocando-se o dispositivo de PTFE, ou outro de alta refletância, dentro do copo (23) (23A) e obtendo-se a curva espectral deste conjunto. Se esta condição de variação não for significante, então, este procedimento pode ser eliminado. Depois disso, usa-se o copo (23) (23A) com a amostra (30C) para análise.[193] Considering that the cup (23) (23A) for the sample (30C) may have variations in its material constituents and/or defects, it is necessary that with each use of a new cup (23) (23A), first, obtain the baseline spectrum. This is done by placing the PTFE device, or other high reflectance device, inside the cup (23) (23A) and obtaining the spectral curve of this set. If this variation condition is not significant, then this procedure can be eliminated. Thereafter, the cup (23) (23A) with the sample (30C) is used for analysis.

[194] Assim, a presente invenção revela uma cabeça de medição (1) e espectrômetro (40) que apresentam vantagens frente aos dispositivos conhecidos no estado da técnica. Por exemplo, de acordo com 0 diâmetro da cabeça de medição (1), pode-se colocar mais LEDs (20) de diferentes comprimentos de onda sem necessitar de orientação de espelho.[194] Thus, the present invention reveals a measuring head (1) and spectrometer (40) that have advantages over devices known in the state of the art. For example, according to the diameter of the measuring head (1), more LEDs (20) of different wavelengths can be placed without requiring mirror orientation.

[195] Consequentemente, ampliando a quantidade de emissores em um intervalo definido de comprimento de onda, aumenta-se a resolução espectral conforme o critério de largura de banda.[195] Consequently, by increasing the number of emitters in a defined wavelength range, the spectral resolution is increased according to the bandwidth criterion.

[196] Na presente invenção, a quantidade de LEDs (20) distribuídos diametralmente pode ser aumentada ou diminuída de acordo com a aplicação, isto é, se espectroscópica ou de monitoramento de processo, ou ainda, para determinar a presença de algum constituinte de interesse em uma substância.[196] In the present invention, the amount of diametrically distributed LEDs (20) can be increased or decreased according to the application, that is, if spectroscopic or process monitoring, or even to determine the presence of any constituent of interest in a substance.

[197] No caso espectroscópico, o aumento do número de LEDs (20) com comprimentos de onda distribuídos ao longo do espectro visível, por exemplo, fornece condições para definir o perfil espectral das amostras, principalmente quando estas fornecem espectros com largas bandas de absorção.[197] In the spectroscopic case, the increase in the number of LEDs (20) with wavelengths distributed along the visible spectrum, for example, provides conditions to define the spectral profile of the samples, especially when they provide spectra with wide absorption bands .

[198] Em diversas aplicações agronômicas, não é necessário determinar o espectro completo da amostra (30C), como de solos. No caso de monitoramento da qualidade de alimentos, muitas vezes, tomar uma determinada substância presente no produto como um marcador é procedimento convencional.[198] In many agronomic applications, it is not necessary to determine the full spectrum of the sample (30C), as in soils. In the case of monitoring the quality of food, often taking a certain substance present in the product as a marker is a conventional procedure.

[199] Assim, tomando como exemplo o leite, a gordura pode ser usada como substância a ser monitorada para se saber a maneira como o manejo foi realizado para um animal específico.[199] Thus, taking milk as an example, fat can be used as a substance to be monitored to know how management was carried out for a specific animal.

[200] Ainda, outra vantagem da presente invenção reside no fato de que na cabeça de medição (1) são instalados os LEDs (20) e o fotodiodo (21), mas como estes componentes eletrônicos têm formatos arredondados, então, os topos das cavidades de acoplamento (2) e (3), onde são instalados, também os têm. Esses topos têm as mesmas dimensões do corpo dos LEDs (20) e do fotodetector (21), e suas paredes (topos) são polidas para otimizar o acoplamento óptico. Esta situação não é observada nos documentos do estado da técnica citados anteriormente.[200] Yet another advantage of the present invention resides in the fact that in the measuring head (1) the LEDs (20) and the photodiode (21) are installed, but as these electronic components have rounded shapes, so the tops of the coupling cavities (2) and (3), where they are installed, also have them. These tops have the same dimensions as the body of the LEDs (20) and the photodetector (21), and their walls (tops) are polished to optimize optical coupling. This situation is not observed in the prior art documents mentioned above.

[201] Outra vantagem é o fato de que o espectrômetro (40) com a cabeça de medição (1) é um dispositivo portátil espectrofotométrico computadorizado sintonizável em faixas de comprimentos de onda da radiação eletromagnética.[201] Another advantage is the fact that the spectrometer (40) with the measuring head (1) is a portable computerized spectrophotometric device tunable in the wavelength ranges of electromagnetic radiation.

[202] O espectrômetro (40) é considerado sintonizável por operar em faixas estreitas do espectro eletromagnético conforme as bandas de absorbâncias da amostra (30C) em análise e também por possibilitar a troca dos LEDs (20) de acordo com a faixa espectral de interesse.[202] The spectrometer (40) is considered tunable because it operates in narrow bands of the electromagnetic spectrum according to the absorbance bands of the sample (30C) under analysis and also because it allows the exchange of LEDs (20) according to the spectral range of interest .

[203] A obtenção dos espectros ou dos dados sobre a amostra (30C) é rápida, 20 segundos, pois não tem partes móveis que dificultem a análise devido à inércia. Ainda, o espectrômetro (40) pode ser utilizado de diferentes modos: mergulhado (deve-se usar o gabinete (29) (29A)) no líquido (contato direto), ou usando um suporte de amostra, ou ainda sobre a amostra, mas sem contato.[203] Obtaining spectra or data on the sample (30C) is fast, 20 seconds, as it has no moving parts that hinder the analysis due to inertia. Furthermore, the spectrometer (40) can be used in different ways: immersed (the cabinet (29) (29A) must be used) in the liquid (direct contact), or using a sample holder, or even over the sample, but no contact.

[204] Prático por não precisar da preparação prévia da amostra, seu uso pode ocorrer tanto em uma planta industrial (alimentos, laticínios, e outros) como no campo, próximo ao local de produção e/ou de coleta do produto a ser analisado. Quando disposto diretamente em uma tubulação, deve ser usado sem o gabinete (29) (29A). Pode ainda ser disposto em caminhões de coleta de matéria-prima, como o leite cru, máquinas agrícolas, entre tantos outros.[204] Practical, as it does not require prior sample preparation, its use can occur either in an industrial plant (food, dairy, and others) or in the field, close to the production and/or collection site of the product to be analyzed. When laid directly in a pipeline, it must be used without the enclosure (29) (29A). It can also be disposed of in raw material collection trucks, such as raw milk, agricultural machinery, among many others.

[205] Tendo sido descrito exemplos de concretizações preferidas, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.[205] Having described examples of preferred embodiments, it should be understood that the scope of the present invention encompasses other possible variations, being limited only by the content of the appended claims, including possible equivalents.

Claims

1. Measuring head (1) applicable to a spectrometer (40), whose measuring head (1) is characterized by the fact that: it has a cylindrical shape, defining a flat surface and a convex face, the measuring head (1) is configured to receive a plurality of semiconductor components (20,21) on the flat surface, and the measuring head (1) is further provided with a center (10) disposed on the flat surface, so that at the center (10 ) a first semiconductor component (21) of the plurality of semiconductor components (20,21) is accommodated, and circularly around the center (10) a set of semiconductor components (20) of the plurality of semiconductor components (20,21) are accommodated .

2. Measuring head (1) according to claim 1, characterized in that it comprises a plurality of coupling cavities (2,3) configured to receive the plurality of semiconductor components (20,21).

3. Measuring head (1) according to claims 1 to 2, characterized in that the first semiconductor component (21) and the set of semiconductor components (20) are accommodated respectively in the center (10) and circularly around from the center (10) by means of the plurality of coupling cavities (2,3).

4. Measuring head (1) according to claims 1 to 3, characterized in that the convex face defines a converging lens (11) whose inner focal region is a first distance from the convex surface (Di) greater than the radius of convergence or equal to twice this radius.

5. Measuring head (1) according to claims 1 to 4, characterized in that the plurality of semiconductor components (20,21) is turned towards the converging lens (11) of the measuring head (1), and oriented parallel to the optical axis of the converging lens (11).

6. Measuring head (1) according to claims 1 to 5, characterized in that the first semiconductor component (21) is the first distance (Di) from the convex surface of the measuring head (1) and the set of semiconductor components (20) is at a second distance (D2) from the convex surface of the measuring head (1), the first distance (Di) less than the second distance (D2).

7. Measuring head (1) according to claims 1 to 6, characterized in that the set of semiconductor components (20) are accommodated at a third distance (D3) from an edge (13) of the flat surface of the head measuring distance (1), the third distance (D3) has a value between 5 millimeters and 15 millimeters.

8. Measuring head (1) according to claims 1 to 7, characterized in that the first semiconductor component (21) is a photodetector and the set of semiconductor components (20) are light-emitting diodes.

9. Measuring head (1) according to claims 1 to 8, characterized in that the light emitting diodes of the same wavelength are diametrically accommodated around the center (10) of the flat surface.

10. Spectrometer (40) characterized in that it comprises the measuring head (1) as defined in claim 1 and comprising a support body (8), defining an inner portion (41) and comprising means for securing the measuring head (1) on the inner portion (41) of the support body (8).

11. Spectrometer (40) according to claim 10, characterized in that the inner portion (41) of the support body (8) comprises a first cavity (9) for disposition of a printed circuit board for fastening (19 ) of the plurality of semiconductor components (20,21).

12. Spectrometer (40) according to claims 10 to 11, characterized in that the inner portion (41) of the support body (8) comprises a second cavity (12) fluidly isolated from the first cavity (9), the second cavity (12) associated with first means for fixing the measuring head (1) to the support body (8).

13. Spectrometer (40) according to claims 10 to 12, characterized in that it further comprises a shielding cabinet (29), the shielding cabinet (29) configured to surround the measuring head (1) and provided of a connectable portion (31) to the support body (8) and further provided with a sampling portion (30), the sampling portion (30) capable of receiving at least a portion of a sample to be analyzed by the spectrometer (40 ).

14. Spectrometer (40) according to claims 10 to 13, characterized in that the sampling portion (30) is able to also receive a sample holder (23), said sample holder (23) provided with a internal area in which at least a portion of the sample to be analyzed by the spectrometer (40) is disposed.

15. Spectrometer (40) according to claims 10 to 14, characterized in that the shielding cabinet (29) is made of blackened material, the shielding cabinet (29) further comprising a shielding cover (34) configured in order to enclose the sampling portion (30), the shield cap (34) also made of blackened material.