BR102015020553B1 - método e sistema para determinar a concentração de um componente - Google Patents
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Abstract
A presente invenção refere-se à análise de gás dissolvido com o uso de espectroscopia. O método (700) compreende emitir (702) um feixe de luz para um componente (104) em uma célula de absorção (102); gerar (704) uma primeira pluralidade de sinais de resposta (122) na célula de absorção (102) quando o componente (104) é mantido em uma primeira condição ambiente; e gerar (704) uma segunda pluralidade de sinais de resposta (124) na célula de absorção (102), quando o componente (104) é mantido em uma segunda condição ambiente; detectar a primeira e a segunda pluralidades de sinais de resposta (122, 124) por meio de um fotodetector (108); determinar uma concentração do componente (104) por meio de processar as pluralidades de sinais de resposta (122, 124) detectadas para gerar um gráfico (500), o eixo x (502) representativo dos primeiros sinais de resposta (122) e o eixo y (504) representativo dos segundos sinais de resposta (124), o gráfico (500) compreendendo uma pluralidade de curvas (506, 508, 510) correspondentes a combinações exclusivas dos valores dos sinais de resposta (122, 124); determinar (716) a partir do gráfico (500), um primeiro ponto (518) representativo de uma concentração particular do componente (104) na primeira condição ambiente e um segundo ponto (520) representativo de uma concentração particular na segunda condição ambiente, em que o coeficiente angular de uma linha (516) que une o primeiro e segundo pontos (518, 520) é representativo da concentração do componente (104); e determinar a concentração do componente (104) com base no valor do coeficiente angular.
Description
[001] A presente invenção refere-se à análise de gás dissolvido com o uso de espectroscopia. Especificamente, a invenção refere-se à medição precisa de concentrações de gás com o uso de espectroscopia de modulação de comprimento de onda.
[002] Os equipamentos elétricos, tais como transformadores, usam fluidos como óleo de rícino, óleo mineral e óleos sintéticos para propósitos de isolamento. Os parâmetros do fluido são indicativos de falhas incipientes nos equipamentos elétricos. Os parâmetros do fluido, entre outras coisas, incluem informações de gás combustível total (TCG). Os exemplos de gás combustível total incluem monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrocarbonetos, oxigênio e nitrogênio. Especificamente, monóxido de carbono e dióxido de carbono aumentam em concentração com o envelhecimento térmico e a degradação do isolamento dos equipamentos elétricos. Adicionalmente, os hidrocarbonetos, tais como acetileno e etileno aumentam em concentração devido à ruptura dielétrica causada devido à radiação e centelhação. Adicionalmente, as concentrações de oxigênio e nitrogênio são indicativas da condição de um sistema de pressurização de gás dos equipamentos. Portanto, a técnica de análise de gás dissolvido (DGA) é empregada para determinar a concentração dos componentes de gás no fluido usado nos equipamentos elétricos para predizer a falha incipiente.
[003] Os métodos para analisar as concentrações de gás a partir das amostras de fluido extraídas a partir dos equipamentos empregam técnicas espectroscópicas. As técnicas espectroscópicas convencionais incluem técnicas de DGA não conectado e técnicas à base de espectroscopia de absorção. Contudo, as técnicas de DGA não conectado são afetadas por problemas de manutenção e problemas de incerteza. Adicionalmente, as técnicas que empregam sinais espectroscópicos de absorção direta são menos sensíveis com relação de sinal para ruído insatisfatória. Em geral, as técnicas espectroscópicas convencionais determinam as concentrações do componente de gás em uma faixa limitada de concentrações e têm por base a modulação do feixe de luz para aperfeiçoar a sensibilidade de detecção. As medições a partir de técnicas espectroscópicas, tais como espectroscopia modulada de comprimento de onda, são afetadas pelas condições ambiente do gás, especialmente as condições de pressão ambiente do gás dissolvido.
[004] Por essas e outras razões, técnicas mais novas são necessárias para medir a concentração de componentes de gás sobre uma faixa extensa.
[005] De acordo com um aspecto da presente invenção, é revelado um método. O método inclui emitir um feixe de luz a partir de uma fonte de luz para um componente em uma célula de absorção, em que o feixe de luz compreende uma pluralidade de feixes de comprimento de onda. O método inclui adicionalmente gerar uma pluralidade de sinais de resposta devido à presença do componente, que corresponde à pluralidade de feixes de comprimento de onda do feixe de luz. O método também inclui detectar a pluralidade de sinais de resposta por meio de um fotodetector acoplado à célula de absorção. O método inclui determinar uma concentração do componente com base na pluralidade de sinais de resposta.
[006] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é revelado um sistema. O sistema inclui uma célula de absorção que tem um componente e uma fonte de luz que emite um feixe de luz que compreende uma pluralidade de feixes de comprimento de onda, para o componente na célula de absorção para gerar uma pluralidade de sinais de resposta. O sistema também inclui um fotodetector acoplado à célula de absorção para detectar a pluralidade de sinais de resposta que corresponde à pluralidade de feixes de comprimento de onda do feixe de luz. O sistema inclui adicionalmente um processador acoplado de maneira comunicativa ao fotodetector e configurado para receber a pluralidade de sinais de resposta e determinar uma concentração do componente com base na pluralidade de sinais de resposta.
[007] Esses e outros recursos e aspectos das realizações da presente invenção serão mais bem compreendidos quando a descrição detalhada a seguir é ida com referência às figuras anexas, nas quais os caracteres similares representam partes similares por todas as figuras, em que:
a Figura 1 é uma ilustração diagramática de um sistema para determinar uma concentração de um componente de acordo com uma realização;
a Figura 2 é um gráfico que ilustra uma pluralidade de sinais de resposta de referência que corresponde a uma pluralidade de comprimentos de onda para concentrações diferentes do componente, de acordo com uma realização;
a Figura 3 é um gráfico em sistema de coordenadas tridimensional que ilustra a concentração do componente conforme uma função de uma pluralidade de sinais de resposta, de acordo com uma realização;
a Figura 4 é um gráfico em sistema de coordenadas bidimensional da Figura 3 que ilustra combinações exclusivas da pluralidade de sinais de resposta, de acordo com uma realização;
a Figura 5 é um gráfico que ilustra uma pluralidade de curvas que representa a concentração conforme uma função de pluralidade de sinais de resposta que corresponde a uma pluralidade de condições ambiente de acordo com uma realização;
a Figura 6 é um gráfico que ilustra técnica de projeção não ortogonal para determinar a concentração de um componente com o uso do sistema da Figura 1; e
a Figura 7 é um fluxograma de um método para determinar a concentração de um componente de acordo com uma realização.
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a Figura 6 é um gráfico que ilustra técnica de projeção não ortogonal para determinar a concentração de um componente com o uso do sistema da Figura 1; e
a Figura 7 é um fluxograma de um método para determinar a concentração de um componente de acordo com uma realização.
[008] As realizações de sistemas e métodos revelados no presente documento incluem emitir um feixe de luz a partir de uma fonte de luz para um componente em uma célula de absorção. O feixe de luz compreende uma pluralidade de feixes de comprimento de onda. Em resposta ao feixe de luz modulado e devido à presença do componente, uma pluralidade de sinais de resposta é gerada na célula de absorção. A pluralidade de sinais de resposta corresponde à pluralidade de feixes de comprimento de onda do feixe de luz. A pluralidade de sinais de resposta é detectada por um fotodetector acoplado à célula de absorção. Uma concentração do componente é determinada com base na pluralidade de sinais de resposta. Em determinadas realizações, a pluralidade de sinais de resposta inclui uma primeira pluralidade de sinais de resposta gerada mantendo-se o componente em uma primeira condição ambiente e uma segunda pluralidade de sinais de resposta gerada mantendo-se o componente em uma segunda condição ambiente. A concentração do componente é determinada com base na primeira pluralidade de sinais de resposta e na segunda pluralidade de sinais de resposta.
[009] Os termos “feixe”, “feixe de radiação” e “feixe de luz”, usados no presente documento de maneira equivalente e intercambiável, se referem à saída da fonte de luz 106. O termo “feixe de comprimento de onda” se refere a um feixe de radiação que tem um comprimento de onda especificado. O termo “componente” se refere a um elemento químico ou um composto químico na forma gasosa ou líquida dissolvido ou suspenso em outro líquido ou gás. O termo “célula de absorção”, usado no presente documento, se refere a uma câmara ou um recipiente, em que o componente interage com o feixe de luz para gerar sinais espectroscópicos. O termo “sinal de resposta” mencionado no presente documento inclui, porém sem limitação, sinais espectroscópicos gerados durante a interação do feixe de luz modulado com o componente. O termo “concentração” se refere à intensidade do componente em um fluido ou o número de moléculas por unidade de volume. O termo “resposta armazenada” mencionado no presente documento inclui, porém sem limitação, uma resposta espectroscópica pré-calibrada de um componente em uma pluralidade de concentrações que interagem com um feixe de luz que tem uma pluralidade de feixes de comprimento de onda. A resposta armazenada é determinada a priori e está disponível para recuperação a partir de um armazenamento de memória. O termo valor de referência é qualquer um ou uma combinação de uma pluralidade de valores de resposta, uma intensidade de concentração e um valor de coeficiente angular selecionado a partir da resposta armazenada.
[010] A Figura 1 é um sistema 100 para determinar uma concentração de um componente de acordo com uma realização. O sistema 100 inclui uma célula de absorção 102 que tem um componente 104. O sistema 100 inclui uma fonte de luz 106, um fotodetector 108 e um sistema de computador 110. Em uma realização, o sistema 100 é um sistema espectroscópico. A fonte de luz 106 gera radiações eletromagnéticas na forma de feixes de luz com múltiplos comprimentos de onda.
[011] A célula de absorção 102 é uma câmara de dimensão adequada com uma entrada 112 e uma saída 114 para introduzir o componente na câmara e extrair o componente da câmara, respectivamente. Em uma realização, o comprimento da célula de absorção é de cerca de um metro. A célula 102 é uma célula de absorção passagem múltipla que tem superfícies refletivas 116 para aumentar o comprimento de trajetória do feixe de luz. Na realização alternativa, a célula 102 pode ser uma célula de absorção de passagem única. A célula de absorção 102 pode ter um meio para manter ou medir condições ambiente do componente 104. As condições ambientes incluem, porém sem limitação, uma configuração de temperatura, uma configuração de pressão e combinações das mesmas. Em uma realização, mecanismos de controle adicionais (não mostrados na Figura 1) podem ser fornecidos com a entrada 112 e a saída 114 para controlar a pressão ambiente do componente variando-se a pressão dentro da célula de absorção. Em outra realização, a temperatura da célula de absorção pode ser alterada e, assim, a temperatura ambiente do componente pode ser controlada. Em algumas realizações, a célula de absorção pode conter o componente dissolvido ou suspenso em um líquido, um gás ou um material sólido. Como um exemplo, em uma realização, a célula de absorção contém um fluido que tem o componente dissolvido em um líquido. O componente pode incluir acetileno, hidrogênio, metano, etano, etileno, CO2 e as combinações dos mesmos.
[012] Em uma realização, a fonte de luz 106 pode ser uma fonte de luz laser que gera um feixe de luz modulado. Em uma realização, o feixe de luz é um feixe de laser modulado por comprimento de onda emitido a partir de uma fonte de luz modulada. Em algumas realizações, o feixe de luz é varrido ou modulado por comprimento de onda. Em algumas realizações, a fonte de luz 106 é uma fonte de laser de diodo ajustável (TD), ou uma fonte de laser de cascata quântica. Alternativamente, a fonte de luz 106 pode gerar um feixe de luz modulado por frequência. Na realização, em que a fonte de luz 106 é modulada por comprimento de onda, o feixe de luz inclui uma pluralidade de feixes de comprimento de onda 118, 120. Em uma realização, a pluralidade de feixes de comprimento de onda 118, 120 é multiplexada em intervalos de tempo sequenciais. Embora a pluralidade de feixes de comprimento de onda 118, 120 seja ilustrada no feixe de luz, somente um dos feixes de comprimento de onda é transmitido através da célula de absorção 102. Cada um dentre a pluralidade de comprimentos de onda 118, 120 interage com o componente 104 durante a transmissão através da célula de absorção 102. A interação da pluralidade de feixes de comprimento de onda com o componente na célula de absorção gera uma pluralidade de sinais de resposta 122, 124. O sinal de resposta 122 corresponde ao feixe de comprimento de onda 118 e o sinal de resposta 124 corresponde ao feixe de comprimento de onda 120. Nas realizações reveladas no presente documento, a pluralidade de sinais de resposta 122, 124 é sinais de resposta espectroscópicos. Deve-se observar que o tipo de sinais de resposta não é limitado para ser gerado por meio de técnicas espectroscópicas, e o número da pluralidade de sinais de resposta não é limitado a dois sinais 122, 124.
[013] Em algumas realizações, a pluralidade de sinais de resposta é gerada devido à absorção da energia de radiação do feixe pelo componente. A pluralidade de sinais de resposta gerada a partir de uma técnica espectroscópica de absorção direta é mencionada no presente documento como “sinal de absorbância direta”. Em outras realizações, o feixe de luz modulado gera uma pluralidade de sinais de resposta (através do componente) que corresponde a uma pluralidade de harmônicas da frequência de modulação. Um ou mais dentre a pluralidade de sinais de resposta que corresponde à pluralidade de harmônicas podem ser considerados para o processamento adicional, conforme explicado nos parágrafos subsequentes.
[014] Em uma realização, uma primeira pluralidade de sinais de resposta é gerada quando o componente é mantido em uma primeira condição ambiente. Uma segunda pluralidade de sinais de resposta é gerada quando o componente é mantido em uma segunda condição ambiente. A primeira pluralidade de sinais de resposta e a segunda pluralidade de sinais de resposta incluem sinais espectroscópicos gerados devido à interação do componente com o primeiro feixe de comprimento de onda e o segundo feixe de comprimento de onda. A concentração do componente é determinada com base na primeira pluralidade de sinais de resposta e na segunda pluralidade de sinais de resposta. O funcionamento dessa realização não exige informações sobre as condições ambientes e, desse modo, a medição de concentração do componente não é afetada pela presença de erros na medição de pressão ambiente ou medições de temperatura ambiente. Os detalhes da técnica para medir a concentração do componente com base na primeira pluralidade de sinais de resposta e na segunda pluralidade de sinais de resposta são revelados no presente documento com referência às figuras subsequentes.
[015] O fotodetector 108, acoplado à célula de absorção, detecta a pluralidade de sinais de resposta 122, 124 e fornece os mesmos para o sistema de computador 110. Em uma realização, a detecção da pluralidade de sinais de resposta inclui medir um sinal de absorbância direta. Em outra realização, o fotodetector 108 detecta uma primeira amplitude de um primeiro sinal de resposta e uma segunda amplitude de um segundo sinal de resposta, em que o primeiro sinal de resposta e o segundo sinal de resposta correspondem a duas harmônicas distintas de frequência de modulação do feixe de laser modulado por comprimento de onda. Em outra realização, o fotodetector 108 detecta sinais de resposta devido a dois sinais harmônicos consecutivos. Em uma realização, o fotodetector 108 detecta a primeira resposta que corresponde à primeira condição ambiente e a segunda resposta corresponde à segunda condição ambiente. Em uma realização, o sistema de computador 110 inclui um processador 126 acoplado de maneira comunicativa ao fotodetector e configurado para receber a pluralidade de sinais de resposta. O processador 126 pode processar adicionalmente a pluralidade de sinais de resposta. Em uma realização, em que o primeiro sinal de resposta harmônica e os segundos sinais de resposta harmônica são recebidos, sendo que o segundo sinal de resposta harmônica é normalizado pelo primeiro sinal de resposta harmônica. Especificamente, a primeira amplitude do primeiro sinal de resposta é normalizada pela segunda amplitude do segundo sinal de resposta. Em outra realização, em que dois sinais de resposta que correspondem a sinais harmônicos sucessivos são recebidos, a resposta que corresponde a um sinal harmônico é normalizada pela resposta que corresponde a outro sinal harmônico. O sistema de computador 110 também inclui uma memória 128 para armazenar programa e a pluralidade de sinais de resposta detectada 122, 124. O processador 126 também é configurado para determinar uma concentração do componente com base na pluralidade de sinais de resposta 122, 124. Em algumas realizações, o sistema de computador 110 também pode incluir uma pluralidade de dispositivos de entrada, tais como teclado, mouse e uma pluralidade de dispositivos de saída, tais como um monitor, e alto-falante.
[016] O processador 126 inclui pelo menos uma unidade de lógica aritmética, um microprocessador, um controlador de propósito geral ou um arranjo de processador para realizar as computações desejadas ou executar o programa de computador. Em uma realização, a funcionalidade do processador 126 pode ser limitada a controlar a operação da fonte de luz 106. Em outra realização, a funcionalidade do processador 126 pode ser limitada a controlar a operação do fotodetector 108. Em outra realização, a funcionalidade do processador 126 é limitada a determinar a concentração do componente presente na célula de absorção. Em algumas realizações, a funcionalidade de pelo menos um módulo de processador incluiria auxiliar a operação de um ou mais dentre a fonte de luz e o fotodetector. Embora o processador 126 seja mostrado como uma única unidade, pode existir mais de um módulo de processador embutido na fonte de luz e no fotodetector que opera de maneira cooperativa para detectar a concentração do componente.
[017] A memória 128 pode ser um meio de armazenamento não transitório. Por exemplo, a memória 128 pode ser um dispositivo de memória de acesso aleatório dinâmico (DRAM), um dispositivo de memória de acesso aleatório estático (SRAM), memória flash ou outros dispositivos de memória. Em uma realização, a memória 128 pode incluir uma memória não volátil ou dispositivo de armazenamento permanente similar, meios, tais como unidade de disco rígido, uma unidade de disquete, um dispositivo de memória somente para leitura de disco compacto (CD-ROM), um dispositivo de memória somente para leitura de disco versátil digital (DVD-ROM), um dispositivo de memória de acesso aleatório de disco versátil digital (DVD-RAM), um dispositivo regravável de disco versátil digital (DVD-RW), um dispositivo de memória flash, ou outros dispositivos de armazenamento não volátil. Em uma realização específica, um meio legível por computador não transitório pode ser codificado com um programa para instruir o processador 126 a determinar a concentração do componente.
[018] Em algumas realizações, a memória 128 armazena a resposta armazenada na forma de tabelas. As realizações para determinar as concentrações do componente com o uso da resposta armazenada são explicadas no presente documento. Em algumas realizações, a resposta armazenada inclui uma pluralidade de entradas em uma tabela, sendo que cada entrada tem uma pluralidade de valores de comprimento de onda do feixe de luz, uma pluralidade de sinais de resposta espectroscópicos que corresponde aos valores de comprimento de onda, um valor de coeficiente angular de uma linha característica que une uma pluralidade de espectroscópicas sinais de resposta que corresponde a uma pluralidade de condições ambiente e um valor de concentração correspondente. Em algumas outras realizações, a resposta armazenada pode ser armazenada na forma de duas tabelas, uma primeira tabela que fornece um valor de coeficiente angular e uma segunda tabela que fornece o valor de concentração. A resposta armazenada corresponde a uma condição ambiente de referência. A resposta armazenada pode ser representada como um gráfico e é mencionada no presente documento como “resposta de referência”. A pluralidade de entradas da resposta armazenada corresponde a pontos na resposta de referência e são mencionadas no presente documento como valores de resposta de referência. O processador 126 é configurado para determinar um valor de resposta de referência a partir da pluralidade de entradas da resposta armazenada. Em uma realização alternativa, o processador 126 é configurado para projetar a pluralidade de sinais de resposta em uma resposta de referência para determinar um valor de resposta de referência.
[019] A Figura 2 é um gráfico 200 que ilustra uma pluralidade de curvas de resposta de referência que corresponde a uma pluralidade de feixes de comprimento de onda para concentrações diferentes de um componente de acordo com uma realização. O gráfico 200 inclui um eixo geométrico x 202 representativo de concentração em unidades de partes por milhão (ppm). O gráfico 200 também inclui um eixo geométrico y 204 representativo de sinal de resposta que corresponde à segunda harmônica da frequência de modulação do feixe de comprimento de onda. O gráfico 200 ilustras as curvas 206, 208, 210 representativas de resposta de acetileno (C2H2) que interage com os feixes de luz com comprimentos de onda de 3021,65 nm, 3021,5 nm e 3021 nm, respectivamente.
[020] A curva 206 que corresponde ao comprimento de onda 3021,65 nm exibe tendência crescente quando a concentração do componente é abaixo de 400 ppm. Acima de 400 ppm, a curva 206 exibe uma tendência decrescente. Para uma faixa de concentrações com concentrações tanto acima como abaixo de 400 ppm, os valores de sinal de resposta e os valores de concentração correspondentes não são definidos exclusivamente. Como um exemplo, um valor de sinal de resposta seria de 0,03 para dois valores de concentração de 200 ppm e 3.500 ppm. Portanto, o feixe de comprimento de onda de 3021,65 nm pode ser usado para detectar concentrações somente até 400 ppm. Semelhantemente, o feixe de comprimento de onda de 3021,5 nm (curva de resposta 208) é usado para detectar a concentração de acetileno até 10.000 ppm. Como outro exemplo, o feixe de comprimento de onda de 3021 nm (curva de resposta 210) tem capacidade para detectar concentrações de acetileno até 15.000 ppm. Os limites de detecção para as curvas 206, 208, 210 são representados por pontos de pico correspondentes 212, 214, 216 na ilustração. As curvas 206, 208, 210 exibem tendência decrescente além dos pontos 212, 214, 216, respectivamente. As realizações relacionadas às figuras subsequentes revelam técnicas para medir a concentração do componente sobre uma faixa extensa. Como um exemplo, os sinais de resposta que correspondem aos feixes de comprimento de onda 3021,5 nm e 3021 nm podem ser usados para medir a concentração do componente até uma faixa de 35.000 ppm.
[021] A Figura 3 é um gráfico 300 que ilustra a concentração do componente para uma pluralidade de sinais de resposta de acordo com uma realização. O gráfico 300 é um gráfico em 3D da concentração do componente, conforme uma função de uma primeira resposta e dos segundos sinais de resposta que correspondem a dois feixes de comprimento de ondas de 3021,5 nm e 3021 nm. O eixo geométrico x 302 do gráfico 300 é representativo da primeira resposta que corresponde a um primeiro feixe de comprimento de onda e o eixo geométrico y 304 é representativo da segunda resposta que corresponde ao segundo feixe de comprimento de onda. O eixo geométrico z 306 é representativo de concentração em partes por milhão (ppm) do componente. A curva 308 é tridimensional e não é entrecruzada sobre uma faixa de concentração de 0 ppm a 35.000 ppm. Como um exemplo, um ponto 310 na curva 308 corresponde a uma concentração de 5.000 ppm e tem uma primeira magnitude de pico de resposta de 0,01 no eixo geométrico x 302 e uma segunda magnitude de pico de resposta de 0,1 no eixo geométrico y 304.
[022] A Figura 4 é um gráfico 400 que ilustra a vista de topo da Figura 3 que ilustra combinações exclusivas da pluralidade de sinais de resposta de acordo com uma realização. O eixo geométrico x 402 é representativo da primeira resposta que corresponde ao primeiro feixe de comprimento de onda e o eixo geométrico y 404 é representativo da segunda resposta que corresponde ao segundo feixe de comprimento de onda. A curva 406 é resposta bidimensional que ilustra uma vista de topo da curva em 3 D 308 da Figura 3. A curva 406 não é entrecruzada e cada ponto na curva corresponde a uma combinação exclusiva do primeiro valor de resposta e do segundo valor de resposta. Uma pluralidade de pontos 408, 410, 412 é marcada na curva 406 para propósitos de ilustração. O ponto 408 corresponde à concentração de 1.500 ppm do componente, o ponto 410 corresponde à concentração de 5.000 ppm do componente e o ponto 412 corresponde à concentração de 25.000 ppm do componente.
[023] A Figura 5 é um gráfico 500 que ilustra uma pluralidade de sinais de resposta bidimensionais que corresponde a uma pluralidade de condições ambiente de acordo com uma realização. O eixo geométrico x 502 do gráfico 500 é representativo de uma primeira resposta e o eixo geométrico y 504 é representativo de uma segunda resposta. O gráfico 500 inclui seus sinais de resposta bidimensionais que correspondem a seis condições ambientes distintas do componente. Para propósitos de ilustração, três curvas 506, 508, 510 entre a pluralidade de curvas são consideradas. Na ilustração, as curvas 506, 508, 510 correspondem a uma pluralidade de sinais de resposta a partir do componente mantido a uma pressão ambiente de 0,03 MPa (235 Torr a 250 Torr) e 0,04 MPa (265 Torr), respectivamente. Uma pluralidade de linhas 512, 514, 516 ilustradas no gráfico 500 são linhas características que correspondem a uma pluralidade de valores de concentração. A pluralidade de linhas 512, 514, 516 inclui pontos na pluralidade de curvas 506, 508, 510 que correspondem à mesma concentração do componente. Cada uma dentre a pluralidade de linhas 512, 514, 516 tem um valor de coeficiente angular correspondente. O valor de coeficiente angular indica um parâmetro característico da concentração do componente.
[024] Uma realização para determinar a concentração do componente com base na primeira pluralidade de sinais de resposta e na segunda pluralidade de sinais de resposta é explicada no presente documento. O gráfico 500 inclui um primeiro ponto 518 representativo da primeira pluralidade de sinal de resposta que corresponde ao primeiro valor de pressão ambiente, isto é, 0,04 MPa (265 Torr). O gráfico também inclui um segundo ponto 520 representativo da segunda pluralidade de sinais de resposta que corresponde ao segundo valor de pressão ambiente, isto é, 0,03 MPa (235 Torr). O primeiro ponto 518 e o segundo ponto 520 são representativos da mesma concentração do componente mantido em dois valores de pressão ambiente diferentes. A linha 516 que une o primeiro ponto 518 e o segundo ponto 520 inclui outros pontos representativos da mesma concentração do componente mantido em outros valores de pressão ambiente. O valor de coeficiente angular da linha 516 é característico da concentração do componente. A concentração do componente é determinada com base no valor de coeficiente angular da linha 516.
[025] Em uma realização, as combinações da primeira resposta que corresponde ao primeiro feixe de comprimento de onda e da segunda resposta que corresponde ao segundo feixe de comprimento de onda em uma pluralidade de condições ambiente são armazenadas na memória. Para cada combinação que envolve a primeira resposta e a segunda resposta, um valor de concentração também é armazenado. A primeira resposta e a segunda resposta são usadas para recuperar a concentração do componente a partir da memória. Em uma realização, uma equação de uma linha característica que une a primeira resposta e a segunda resposta é determinada. Um valor de resposta de referência é determinado como um ponto de interseção da linha característica com a resposta de referência. A concentração do componente é determinada com base no valor de resposta de referência. Em outra realização, um valor de coeficiente angular associado a cada combinação da primeira resposta e da segunda resposta é armazenado na memória. Nas realizações, em que um coeficiente angular da linha característica representativa das variações de pressão ambiente está disponível, a concentração do componente é determinada com base no valor de coeficiente angular.
[026] A Figura 6 é um gráfico 600 que ilustra uma técnica para determinar a concentração do componente projetando-se uma medição em uma resposta de referência de acordo com uma realização. O gráfico 600 tem um eixo geométrico x 602 representativo da primeira resposta que corresponde ao primeiro feixe de comprimento de onda e um eixo geométrico y 604 representativo da segunda resposta que corresponde ao segundo feixe de comprimento de onda. Um ponto 606 é representativo de uma pluralidade de sinais de resposta que compreende valores específicos da primeira resposta e da segunda resposta. O gráfico 600 ilustra uma curva 608 representativa de uma resposta de referência que corresponde a uma condição ambiente de referência para uma pluralidade de concentrações. Cada ponto na resposta de referência 608 está associado a uma concentração específica. A resposta de referência 608 inclui um ponto de referência verdadeiro representativo da concentração do componente.
[027] O ponto 606 é projetado na curva 608 e o valor de concentração que corresponde ao ponto projetado na curva 608 é determinado como a concentração do componente. A projeção do ponto 606 na curva 608 se refere à projeção da pluralidade de sinais de resposta na resposta de referência. A operação de projeção é realizada determinando-se um ponto mais próximo 610 na curva 608 ao ponto 606. O ponto mais próximo pode ser determinado com o uso de qualquer um dos métodos padrão disponíveis. Em uma realização, o ponto mais próximo 610 é determinado com o uso de uma técnica de projeção ortogonal. Um valor de concentração que corresponde ao ponto mais próximo 610 é determinado com a concentração do componente.
[028] Deve-se observar no presente documento que, em determinados casos, o valor de projeção ortogonal para determinar o ponto mais próximo 610 pode não ser uma projeção ideal do ponto medido 606 na resposta de referência 608 e poderia ocasionar grandes erros na concentração determinada. Em tais casos, uma técnica de projeção não ortogonal explicada no presente documento pode determinar uma estimativa melhor 612 do ponto de referência verdadeiro. Um valor de coeficiente angular de uma linha característica representativo do valor de concentração é recuperado a partir da memória com base no ponto mais próximo 610. Uma linha de projeção 614 é determinada com base no ponto de medição 606 e no valor de coeficiente angular recuperado. O ponto de interseção da linha 614 com a resposta de referência 608 é determinado como a melhor estimativa 612. A concentração do componente que corresponde ao ponto 612 é determinada. Em uma realização alternativa, um valor de coeficiente angular que corresponde ao ponto 612 é recuperado a partir da memória. Em uma realização, a linha de projeção 614 é determinada com base nos parâmetros adicionais associados ao ponto mais próximo 610. Em tal realização, a linha de projeção 614 não é uma linha reta. Como um exemplo, uma curva quadrática que tem o ponto mais próximo 610 pode entrecruzar a resposta de referência 608 para determinar a melhor estimativa 612.
[029] A Figura 7 é um fluxograma 700 de um método para determinar a concentração de um componente de acordo com uma realização. Na etapa 702, o método inclui emitir um feixe de luz modulado a partir de uma fonte de luz para um componente em uma célula de absorção, em que o feixe de luz modulado compreende uma pluralidade de feixes de comprimento de onda. O feixe de luz modulado que transmite na célula de absorção interage com o componente para gerar sinais espectroscópicos. Na etapa 704, uma pluralidade de sinais de resposta, representativa de sinais espectroscópicos, é gerada devido à presença do componente, que corresponde à pluralidade de feixes de comprimento de onda do feixe de luz modulado.
[030] Em algumas realizações, podem existir variações em condições ambiente do componente. Em tais condições, uma técnica modificada para determinar a concentração do componente é revelada. A condição ambiente do componente também é mencionada no presente documento como “primeira condição ambiente” e a pluralidade de sinais de resposta que corresponde à primeira condição ambiente também é mencionada no presente documento como “primeira pluralidade de sinais de resposta”. As variações em pressão ou temperatura ambiente do componente modificam a primeira pluralidade de sinais. Na etapa 706, um teste condicional é realizado para determinar a presença de variações (ou erros) nas condições ambiente. Se não houver erro no valor de pressão ou temperatura ambiente, a concentração do componente é determinada na etapa 708 com base na primeira pluralidade de sinais de resposta.
[031] No caso de variações nos valores de pressão ambiente, a medição da primeira pluralidade de sinais pode se diferir de uma resposta de referência. Na etapa 710, um teste condicional é realizado para determinar a disponibilidade de uma segunda pluralidade de sinais de resposta em uma segunda condição ambiente. Se a segunda pluralidade de sinais de resposta não estiver disponível, a primeira pluralidade de sinais de resposta é projetada na resposta de referência. Na etapa 712, uma técnica de projeção não ortogonal é usada para determinar um valor de resposta de referência. Na etapa 714, a concentração do componente é determinada com base no valor de resposta de referência.
[032] Em uma realização, uma segunda pluralidade de sinais de resposta pode ser medida em uma segunda condição ambiente na etapa 704. Nas realizações, em que a segunda pluralidade de sinais de resposta está disponível, uma equação de linha para uma linha característica é determinada com base na primeira pluralidade de sinais de resposta e na segunda pluralidade de sinais de resposta, conforme na etapa 716. Um valor de resposta de referência é determinado na etapa 718 com base na equação de linha. Nessa realização, o valor de resposta de referência é um ponto de interseção da equação de linha com a resposta de referência. Uma concentração do componente é determinada com base no valor de resposta de referência, conforme explicado anteriormente com o uso da etapa 714. Em uma realização, um valor de coeficiente angular da equação de linha é determinado e a concentração do componente é determinada com base no valor de coeficiente angular.
[033] Deve-se compreender que não necessariamente todos tais objetivos ou vantagens descritos acima podem ser alcançados de acordo com qualquer realização particular. Desse modo, por exemplo, técnicos no assunto irão reconhecer que os sistemas e técnicas descritas no presente documento podem ser incorporadas ou realizadas de uma maneira que alcance ou aperfeiçoe uma vantagem ou grupo de vantagens, conforme mostrado no presente documento, sem necessariamente alcançar outros objetivos ou vantagens conforme pode ser mostrado ou sugerido no presente documento.
[034] Embora a tecnologia tenha sido descrita em detalhes em conexão com somente um número limitado de realizações, deve-se compreender prontamente que o relatório descritivo não é limitado a tais realizações reveladas. De preferência, a tecnologia pode ser modificada para incorporar inúmeras variações, alterações, substituições ou disposições equivalentes não descritas até o momento, mas que são comensuráveis com o escopo das reivindicações. Adicionalmente, embora diversas realizações da tecnologia tenham sido descritas, deve-se compreender que os aspectos do relatório descritivo podem incluir somente algumas das realizações descritas. Consequentemente, o relatório descritivo não deve ser visto como limitado pela descrição mencionada anteriormente, mas é apenas limitado pelo escopo das reivindicações anexas.
Claims (11)
- MÉTODO (700) PARA DETERMINAR A CONCENTRAÇÃO DE UM COMPONENTE (104), caracterizado por compreender:
emitir (702) um feixe de luz a partir de uma fonte de luz (106) para o componente (104) em uma célula de absorção (102), em que o feixe de luz compreende uma pluralidade de feixes (118, 120) tendo múltiplos comprimentos de onda;
gerar (704) uma primeira pluralidade de sinais de resposta (122) na célula de absorção (102) correspondente à pluralidade de feixes (118, 120) tendo múltiplos comprimentos de onda , quando o componente (104) é mantido em uma primeira condição ambiente; e
gerar (704) uma segunda pluralidade de sinais de resposta (124) na célula de absorção (102) correspondente à pluralidade de feixes (118, 120) tendo múltiplos comprimentos de onda, quando o componente (104) é mantido em uma segunda condição ambiente;
detectar a primeira pluralidade de sinais de resposta (122) e a segunda pluralidade de sinais de resposta (124) a partir da célula de absorção (102) por meio de um fotodetector (108) acoplado à célula de absorção (102); e
determinar uma concentração do componente (104) com base nas pluralidades de sinais de resposta (122, 124) por meio de:
processar a primeira e a segunda pluralidades de sinais de resposta (122, 124) detectadas para gerar um gráfico (500), o eixo geométrico x (502) do gráfico (500) representativo dos primeiros sinais de resposta (122) correspondentes a um feixe (118) tendo um primeiro comprimento de onda; e o eixo geométrico y (504) representativo dos segundos sinais de resposta (124) correspondentes a um feixe (120) tendo um segundo comprimento de onda, o gráfico (500) compreendendo uma pluralidade de curvas (506, 508, 510), cada curva (506, 508, 510) sendo não entrecruzada, cada curva (506, 508, 510) correspondente a uma condição ambiente distinta; e cada curva (506, 508, 510) representando uma faixa de concentrações do componente (104) como uma função dos primeiros e segundos sinais de resposta (122, 124) dos feixes de luz (118, 120) tendo primeiro e segundo comprimentos de onda, em que cada ponto em uma curva (506, 508, 510) corresponde a uma combinação exclusiva de valores dos primeiros e segundos sinais de resposta (122, 124) correspondentes aos feixes de luz (118, 120) tendo primeiro e segundo comprimentos de onda;
determinar (716) a partir do gráfico (500), um primeiro ponto (518) em uma primeira curva (506) no gráfico (500), o primeiro ponto (518) representativo de uma concentração particular do componente (104) na primeira condição ambiente e um segundo ponto (520) em uma segunda curva (508) no gráfico (500), o segundo ponto (520) representativo da mesma concentração particular na segunda condição ambiente, em que o coeficiente angular de uma linha (516) que une o primeiro e segundo pontos (518, 520) é representativo da concentração do componente (104); e
determinar a concentração do componente (104) com base no valor do coeficiente angular. - MÉTODO (700), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por cada uma dentre a primeira condição ambiente e a segunda condição ambiente compreender pelo menos uma dentre uma configuração de temperatura e uma configuração de pressão.
- MÉTODO (700), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por emitir (702) o feixe de luz compreender emitir um feixe de laser modulado por comprimento de onda a partir de uma fonte de luz modulada (106).
- MÉTODO (700), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por detectar (704) a pluralidade de sinais de resposta (122, 124) compreender medir uma primeira amplitude de um primeiro sinal de resposta (122) e uma segunda amplitude de um segundo sinal de resposta (124), em que o primeiro sinal de resposta (122) e o segundo sinal de resposta (124) correspondem a duas harmônicas distintas de frequência de modulação do feixe de laser modulado por comprimento de onda.
- MÉTODO (700), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por compreender adicionalmente normalizar a primeira amplitude pela segunda amplitude.
- MÉTODO (700), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por detectar (704) a pluralidade de sinais de resposta (122, 124) compreender medir um sinal de absorbância direta.
- MÉTODO (700), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por determinar (718) a concentração do componente (104) com base no valor do coeficiente angular compreender:
fornecer (718) uma curva (608) representativa de uma resposta de referência correspondente a uma condição ambiente de referência para uma pluralidade de concentrações, cada ponto na resposta de referência (608) associado a uma concentração específica;
projetar um ponto (606) representativo de valores específicos da primeira e segunda pluralidade de sinais de resposta (122, 124) na resposta de referência (608); e
determinar (714) um valor de concentração correspondente ao ponto projetado (606) na resposta de referência (608) como a concentração do componente (104). - MÉTODO (700), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por projetar o ponto (606) na resposta de referência (608) compreender:
determinar um ponto mais próximo (610) na curva de resposta de referência (608) ao ponto (606);
determinar um valor de coeficiente angular de uma linha representativa do valor da concentração com base no ponto mais próximo (610);
determinar uma linha de projeção (614) com base no ponto (606) e no valor determinado do coeficiente angular;
determinar um ponto de intersecção (612) na linha de projeção (614) com a resposta de referência (608);
determinar um valor de concentração correspondente ao ponto de intersecção (612) como a concentração do componente (104). - MÉTODO (700), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo componente (104) compreender acetileno, hidrogênio, metano, etano, etileno, dióxido de carbono, umidade, monóxido de carbono, ou combinações dos mesmos.
- SISTEMA (100) PARA DETERMINAR A CONCENTRAÇÃO DE UM COMPONENTE (104), caracterizado por compreender:
uma célula de absorção (102) que tem o componente (104);
uma fonte de luz (106) que emite um feixe de luz que compreende uma pluralidade de feixes (118, 120) tendo múltiplos comprimentos de onda, para o componente (104) na célula de absorção (102) para gerar uma primeira pluralidade de sinais de resposta (122) na célula de absorção (102) quando o componente (104) é mantido em uma primeira condição ambiente e uma segunda pluralidade de sinais de resposta (124) na célula de absorção (102) quando o componente (104) é mantido em uma segunda condição ambiental;
um fotodetector (108) acoplado à célula de absorção (102), para detectar a primeira e segunda pluralidades dos sinais de resposta (122, 124) que corresponde à pluralidade de feixes (118, 120) tendo múltiplos comprimentos de onda; e
um processador (126) acoplado de maneira comunicativa ao fotodetector (108) e configurado para:
receber a primeira e segunda pluralidades dos sinais de resposta (122, 124);
processar a primeira e a segunda pluralidade de sinais de resposta (122, 124) detectadas para gerar um gráfico (500), o eixo geométrico x (502) do gráfico (500) representativo dos primeiros sinais de resposta (122) correspondentes a um feixe (118) tendo um primeiro comprimento de onda e o eixo geométrico y (504) representativo dos segundos sinais de resposta (124) correspondentes a um feixe (120) tendo um segundo comprimento de onda, o gráfico (500) compreendendo uma pluralidade de curvas (506, 508, 510), cada curva (506, 508, 510) sendo não entrecruzada, cada curva (506, 508, 510) correspondente a uma condição ambiente distinta; e cada curva (506, 508, 510) representando uma faixa de concentrações do componente (104) como uma função dos primeiros e segundos sinais de resposta (122, 124) dos feixes de luz (118, 120) tendo primeiro e segundo comprimentos de onda, em que cada ponto em uma curva (506, 508, 510) corresponde a uma combinação exclusiva de valores dos primeiros e segundos sinais de resposta (122, 124) correspondentes aos feixes de luz (118, 120) tendo primeiro e segundo comprimentos de onda;
determinar a partir do gráfico (500), um primeiro ponto (518) em uma primeira curva (506) no gráfico (500), o primeiro ponto (518) representativo de uma concentração particular do componente (104) na primeira condição ambiente e um segundo ponto (520) em uma segunda curva (508) no gráfico (500), o segundo ponto (520) representativo da mesma concentração particular na segunda condição ambiente, em que o coeficiente angular de uma linha (516) que une o primeiro e segundo pontos (518, 520) é representativo da concentração do componente (104); e
determinar a concentração do componente (104) com base no valor do coeficiente angular. - SISTEMA (100), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por cada uma dentre a primeira condição ambiente e a segunda condição ambiente compreender pelo menos uma dentre uma configuração de temperatura e uma configuração de pressão.
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