BR112012017661B1 - Método para estimar o conteúdo de cinzas em um material biológico e aparelho para estimar o conteúdo de cinzas em um material biológico - Google Patents
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Abstract
método para estimar o conteúdo de cinzas em um material biológico e aparelho para estimar o conteúdo de cinzas em um material biológico um método para medir o conteúdo de cinzas em um material biológico em um procedimento automatizado ou semiautomatizado é apresentado. o método compreende as etapas de varrer o material biológico com radiação eletromagnética de pelo menos dois níveis de energia diferentes; determinar a quantidade de radiação transmitida através da dita amostra do material biológico nos ditos níveis de energia e estimar o conteúdo de umidade no material biológico com base em uma relação entre a dita quantidade de radiação determinada transmitida através do material biológico nos ditos níveis de energia. consequentemente, o conteúdo de cinzas no material biológico é estimado, com base no dito conteúdo de umidade estimado no material biológico e nos coeficientes de atenuação médios para o material biológico sem umidade, nos coeficientes de atenuação para uma parte combustível do material biológico e nos coeficientes de atenuação para as cinzas do material biológico nos ditos níveis de energia. um aparelho correspondente também é apresentado.
Description
MÉTODO PARA ESTIMAR O CONTEÚDO DE CINZAS EM UM MATERIAL BIOLÓGICO E APARELHO PARA ESTIMAR O CONTEÚDO DE CINZAS EM UM MATERIAL BIOLÓGICO
CAMPO DA TÉCNICA DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a um método e um aparelho para medir o conteúdo de cinzas de um material biológico em um procedimento automatizado ou semiautomatizado. A invenção é particularmente útil para medir o conteúdo de cinzas em biocombustíveis, tais como lascas de madeira e hulha.
ANTECEDENTES
Combustíveis de biomassa são comumente usados em processos de queima para a geração de calor e energia. Um dos mais importantes combustíveis de biomassa é a madeira. No entanto, combustíveis de biomassa diferentes geram diferentes quantidades de calor e diferentes quantidades e tipos de resíduos após a queima. Grandes desvios existem também para diferentes tipos e qualidades de madeira. Isso torna difícil controlar um processo de queima ou de combustão efetivamente.
O valor térmico efetivo de um combustível de biomassa específico pode ser determinado relativamente de modo preciso se o conteúdo de umidade e o conteúdo de cinzas para o combustível de biomassa é conhecido. No entanto, até o presente momento, a estimativa rápida e precisa tanto do conteúdo de umidade quanto do conteúdo de cinzas tem sido difícil de alcançar na prática.
As cinzas de biomassa, tais como madeira, tipicamente vêm a partir dos minerais presentes na estrutura de, por exemplo, árvores e arbustos, além disso, a qualquer contaminação de solo e outras contaminações. As propriedades das cinzas de madeira dependem de uma variedade de fatores incluindo o tipo de árvore ou arbusto, a parte da árvore ou do arbusto (casca, madeira, folhas), o tipo de refugo
2/20 (resíduo de madeira, polpa, ou de papel) , tipo de solo e clima e condições de combustão.
Os resíduos agrícolas tipicamente geram significativamente mais cinzas do que biomassa lenhosa. Tipicamente, o conteúdo de cinzas na madeira é de cerca de 0,5 por cento, enquanto que o mesmo é de 5 a 10 por cento em diversos materiais de safra agrícola, e de até 30 a 40 por cento em casca de arroz e milefólio.
A composição e a quantidade de cinzas afetam o comportamento de biomassa em temperaturas elevadas de combustão e gasificação. Por exemplo, cinzas fundidas podem causar problemas tanto em reatores de combustão quanto de gasificação. Esses problemas podem, por exemplo, ser sistemas de remoção de cinzas entupidos causados por cinzas formadoras de escória, incrustação de queimadores e caldeiras de vapor da deposição de cinzas, e problemas operacionais graves em sistemas de leito fluidizado. Quando madeira é combustada sozinha, a deposição de cinzas não é tipicamente um problema visto que as temperaturas de combustão são provavelmente baixas. No entanto, quando a biomassa é abrasada juntamente à hulha, as temperaturas de combustão são consideravelmente mais altas e podem atingir um nível em que a formação de escória pode ocorrer.
Existe, portanto, a necessidade por um método e sistemas rápidos e precisos para determinar o conteúdo de cinzas de um material biológico, e em particular para combustíveis de biomassa, que podem, por exemplo, serem usados diretamente por pessoas em operação de trabalho de campo, serem usados em processos automatizados e similares.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
É, portanto, um objetivo da presente invenção fornecer um método e aparelho aprimorados para estimar o conteúdo de cinzas em um material biológico em um processo
3/20 automatizado ou semiautomatizado, que supera ou pelo menos alivia os problemas da técnica anterior discutidos acima.
Este objetivo é alcançado por meio da invenção conforme definido nas reivindicações anexas.
De acordo com um primeiro aspecto da invenção é fornecido um método para estimar o conteúdo de cinzas em um material biológico, que compreende as etapas de:
varrer o material biológico com radiação eletromagnética de pelo menos dois níveis de energia diferentes;
determinar a quantidade de radiação transmitida através da dita amostra do material biológico nos ditos níveis de energia;
estimar o conteúdo de umidade no material biológico com base em uma relação entre a dita quantidade de radiação determinada transmitida através do material biológico nos ditos níveis de energia; e estimar o conteúdo de cinzas no dito material biológico, com base no dito conteúdo de umidade estimado no material biológico, e os coeficientes de atenuação médios para o material biológico sem umidade, coeficientes de atenuação para uma parte combustível do material biológico e os coeficientes de atenuação para as cinzas do material biológico nos ditos níveis de energia.
A presente invenção é particularmente usável para estimar o conteúdo de cinzas em combustíveis de biomassa, mas também é usável para outros materiais biológicos. Em particular, é usável para estimar o conteúdo de cinzas de lascas de madeira, mas o mesmo também pode ser usado para outras formas de madeira, assim como para outros tipos de material biológico, tais como polpa, combustível de biomassa, hulha, etc. 0 mesmo também pode ser usado para biomassa processada, tais como lignite, biomassa tostada e carbono hidrotérmico (HTC). A invenção é particularmente útil para
4/20 materiais biológicos em uma forma líquida ou separada, e preferencialmente na forma de lascas.
conteúdo de cinzas é usado no presente pedido de patente para denominar o resíduo restante após a calcinação, e preferencialmente o resíduo restante após a queima/combustão a 575 ± 25°C. O conteúdo de cinzas pode ser expresso em porcentagem de material seco, isto é, (peso da amostra após a calcinação) conteúdo de cinzas = ----—:------------------: —---— » 100 (peso de amostra seca antes da calcinação)
Por conteúdo de umidade neste pedido de patente significa a razão entre a quantidade de umidade (isto é, água) em uma determinada quantidade de material e a quantidade total de material. Consequentemente, estimativa de conteúdo de umidade em um material também é, indiretamente, uma estimativa do conteúdo de não umidade. Em, por exemplo, lascas de madeira, o material consiste essencialmente de umidade por um lado e fibras e conteúdo de cinzas por outro.
As cinzas de combustíveis de biomassa tipicamente compreendem materiais tais como silício, magnésio, alumínio, ferro e cálcio. O conteúdo de cinzas tem uma grande 20 influência no valor térmico da biomassa. Um conteúdo de cinzas aumentado corresponde a um valor térmico diminuído. Assim, mediante a estimativa do conteúdo de cinzas também é possível deduzir o valor térmico da biomassa, e assim a sua utilidade. Também é possível controlar o processo de queima / . 25 combustão em relação ao conteúdo de cinzas, com a finalidade de obter uma queima / combustão mais efetiva, e evitar ' problemas relacionados às cinzas, tais como a formação de escória e similares.
A parte combustível do material biológico, isto é a 30 parte que não constitui umidade ou conteúdo de cinzas, tipicamente compreende predominantemente carboidratos e • lignina. Para madeira, a concentração de carboidrato está
5/20 tipicamente na faixa de 65 a 75%. A concentração de lignina está tipicamente na faixa de 18 a 35%.
Deve ser conhecido pelo técnico no assunto que a estimativa do conteúdo de umidade no material biológico, e o cálculo dos coeficientes de atenuação médios para o material biológico sem umidade nos ditos níveis de energia não precisam ser etapas distinguíveis ou feitas explicitamente. Também é possível integrar essas etapas em uma equação integrada ou rotina de cálculo, que chega diretamente na estimativa do conteúdo de cinzas no material biológico.
O método da presente invenção faz uso de irradiação de dois ou mais níveis de energia diferentes, e determina o conteúdo de cinzas do material, diretamente ou indiretamente, da energia de transmissão medida, isto é a quantidade da radiação de cada comprimento de onda que é absorvida no material.
A etapa de determinar o coeficiente de atenuação para umidade em pelo menos dois níveis de energia é preferencialmente feita por meio de medições de referência. De maneira similar, a etapa de determinar os coeficientes de atenuação para a parte combustível do material biológico e para as cinzas do material biológico nos dois ou mais níveis de energia também é preferencialmente feita por meio de medições de referência.
A irradiação do material é preferencialmente feita mediante a varredura do material biológico com radiação eletromagnética de pelo menos dois níveis de energia diferentes, em que o material biológico é disposto em uma forma separada, e preferencialmente na forma de lascas.
método/aparelho em uma forma é muito adequado para o uso em medições em linha ao longo de linhas transportadoras em que o material é transportado, em encanamentos, nas faixas transportadoras etc. Isso é
6/20 possível, pelo fato de que, por exemplo, a presente invenção pode ser usada para várias e variáveis alturas e formas do material biológico.
No entanto, a presente invenção também é muito usável para medir amostras de material disposto in recipientes de amostra, por exemplo, para o teste de amostra em indústrias de processo, nas medições de campo, etc.
Assim, a presente invenção pode ser usada em procedimentos totalmente ou parcialmente automatizados, e não requer nenhuma, ou muito limitada, interação do operador.
O conteúdo de cinzas determinado pode ser usado como entrada para o controle de processamento subsequente do material biológico. Por meio disso, o uso subsequente do material biológico se torna mais eficiente. Por exemplo, essas informações podem ser usadas para obter uma purificação, incineração, combustão mais eficiente e etc. Ademais, o conteúdo de cinzas pode ser usado para gerar um alarme ou similares, por exemplo, quando um valor limite predeterminado é excedido. O envio dessas informações para o sistema de controle e o uso das ditas informações para o controle do processo subsequente também podem ser automatizados. Quando usado em um sistema em linha, o processo subsequente pode, por meio do disso, ser controlado em tempo real com base nas ditas informações. No entanto, também é possível armazenar as informações para uso posterior em associação com a amostra ou lote específico de material biológico.
Assim, em uma linha de modalidades, a varredura do material biológico com radiação eletromagnética de pelo menos dois níveis de energia diferentes compreende dispor o material biológico em um recipiente de amostra.
Em outra linha de modalidades, a varredura do material biológico com radiação eletromagnética de pelo menos
7/20 dois níveis de energia diferentes compreende a varredura do material biológico conforme o mesmo é transportado continuamente através de um ponto de medida.
A quantidade de radiação transmitida através da amostra do material biológico nos dois níveis de energia é preferencialmente determinada em relação a um valor de referência de calibração. 0 valor de referência de calibração pode, por exemplo, ser determinado através da medição da transmissão de radiação através de um material de referência de uma espessura predeterminada, que é preferencialmente feito imediatamente antes e/ou após a cada medição através do material biológico, o material de referência, por exemplo, é alumínio. Por meio disto, é garantido que calibração adequada esteja sempre próxima.
Ademais, o conteúdo de umidade da amostra de material biológico é preferencialmente com base em uma determinação de um valor K para o material biológico, o dito valor K é calculado como:
K WW) ln(#02/V2) em que NOi, N02 são valores de referência calibrados para a transmissão nos dois níveis de energia e Nx, N2 são os valores de transmissão através do material biológico nos ditos níveis de energia, e a estimativa do conteúdo de umidade do dito material biológico mediante a comparação do dito valor K calculado com valores K correspondentes a um tipo de material similar, por exemplo, fornecido na forma de um banco de dados de referência. Foi constatado pelos presentes inventores que o valor K é relativamente linear para muitos tipos de material biológico, em particular para muitos tipos de madeira, e consequentemente, relativamente poucos valores específicos no banco de dados de referência para cada tipo de material biológico podem ainda serem usados
8/20 para fornecer estimativas precisas de uma faixa ampla de valores de conteúdo de umidade no material de amostra. O conteúdo de cinzas para cada amostra pode ser considerado como mais ou menos constante. Quando os valores K são dependentes de forma linear no conteúdo de umidade, pode até mesmo ser suficiente armazenar apenas dois valores K diferentes no banco de dados de referência.
A varredura da amostra do material biológico com radiação eletromagnética de pelo menos dois níveis de energia diferentes pode compreender uma primeira varredura com um primeiro nível de energia, e uma segunda varredura subsequente com um segundo nível de energia.
Os pelo menos dois níveis de energia diferentes são ambos preferencialmente de comprimentos de onda de radiação de raios X. Ademais, a radiação de ambos os ditos níveis de energia são preferencialmente emitidos de uma única fonte de radiação que opera na faixa de energia de 2 0 a 150 kVp. Neste, kVp (quilovoltagem de pico) denota a tensão máxima aplicada através de um tubo de raios X. O mesmo determina a energia cinética dos elétrons acelerados no tubo de raios X e a energia de pico do espectro de emissão de raios X. A tensão real através do tubo pode flutuar.
De acordo com outro aspecto da invenção, é fornecido um aparelho para estimar o conteúdo de cinzas em um material biológico que compreende:
um dispositivo de varredura para varrer uma amostra do material biológico com radiação eletromagnética de pelo menos dois níveis de energia diferentes;
um detector para determinar a quantidade de radiação transmitida através da dita amostra do material biológico nos ditos níveis de energia;
um processador para estimar o conteúdo de umidade no material biológico com base nas ditas quantidades de
9/20 radiação transmitida determinadas através da amostra, e estimar o conteúdo de cinzas no dito material biológico, com base no dito conteúdo de umidade estimado no material biológico e nos coeficientes de atenuação médios para o material biológico sem umidade, nos coeficientes de atenuação para a parte combustível do material biológico e os coeficientes de atenuação do conteúdo de cinzas do material biológico nos ditos níveis de energia.
Este aspecto da invenção fornece vantagens similares conforme discutido acima em relação ao primeiro aspecto.
A irradiação de dois ou mais níveis de energia diferentes é preferencialmente alcançada por meio de duas ou mais fontes de radiação, tais como dois ou mais tubos de raios X. Preferencialmente, a irradiação em cada nível de energia deriva de uma fonte de radiação separada.
Alternativa ou adicionalmente, a irradiação de dois ou mais níveis de energia diferentes é preferencialmente detectada por meio de dois ou mais detectores. Preferencialmente, a irradiação em cada nível de energia é detectada em um detector de radiação separado.
Estes e outros aspectos da invenção serão aparentes e elucidados tendo como referência as modalidades descritas doravante no presente documento.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Para propósitos de exemplificação, a invenção será descrita em detalhes mais minuciosos no seguinte com referência às modalidades da mesma ilustrada nos desenhos anexos, em que:
A Figura 1 ilustra esquematicamente um dispositivo de medição para detectar o conteúdo de cinzas em um material biológico transportado em uma linha transportadora; e
A Figura 2a e b ilustra esquematicamente uma
10/20 modalidade da invenção em que o material a ser medido é disposto em um recipiente de amostra.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERENCIAIS
A Figura 1 ilustra esquematicamente uma modalidade de um dispositivo de medição 100 para estimar o conteúdo de cinzas presente em um material biológico 102 transportado em uma linha transportadora 103. 0 material biológico 102 pode ser tipicamente lascas de madeira, ou outros combustíveis de biomassa.
Com a finalidade de varrer todo o material movido além do dispositivo de medição, o dispositivo de medição compreende uma fonte de radiação 104 adaptada para irradiar uma área alvo 105 que abrange através da largura da linha transportadora. A fonte de radiação 104 é adaptada para fornecer radiação de pelo menos dois níveis de energia diferentes / comprimentos de onda. Preferencialmente, a fonte de radiação é um tubo de raios X para o fornecimento de radiação de raios X de dois ou mais comprimentos de onda diferentes. Preferencialmente, o tubo de raios X opera na faixa de 2 0 a 150 kVp. A radiação de saída da fonte de radiação é preferencialmente direcionada em direção à área alvo através de um colimador e uma lente (não mostrados) . A fonte de radiação 104 é controlada por meio de um controlador 106 .
De modo alternativo, a fonte de radiação 104 pode compreender dois ou diversos tubos de radiação justapostos separados, em que as fontes de radiação justapostas irradiam os comprimentos de onda diferentes ou simultaneamente ou sequencialmente. No entanto, preferencialmente a radiação de comprimento de onda diferente atravessa o material a ser medido ao longo essencialmente da mesma trajetória. Quando a radiação de dois (ou mais) comprimentos de onda é emitida simultaneamente da fonte de radiação a intensidade dos dois
11/20 sinais deveria preferencialmente ser medido individualmente. Isso pode ser efetuado diretamente fazendo provisões de modo que certas porções do detector por filtração apenas meça a radiação que tem um certo nível de energia enquanto outros meçam outros níveis de energia. Isto também pode ser efetuado mediante o tratamento subsequente de sinais, que permite que os sinais sobrepostos sejam separados.
No lado oposto da área alvo 105, um detector 107 é disposto para receber a radiação transmitida através do material localizado na área alvo 105. 0 detector é preferencialmente um detector semicondutor que compreende um conjunto linear de áreas de detector semicondutor 107a a c distribuídas através da largura da linha transportadora. O número de áreas de detector pode variar devido às variações esperadas de conteúdo de cinzas no material, etc. O detector 107 é conectado a uma unidade de controle 108 com um processador, por exemplo, um computador pessoal comum. A unidade de controle recebe os dados de detecção do detector através de uma interface adequada, tal como através de uma porta USB.
Durante a operação, a fonte de radiação 104 irradia o material na área alvo 105 com a radiação eletromagnética de pelo menos dois níveis de energia diferentes. Isso pode ser alcançado mediante a irradiação sequencial do material com radiação de um primeiro comprimento de onda, e a radiação de um segundo comprimento de onda, isto é a fonte de radiação inicialmente emite raios que tem um comprimento de onda e então, mediante a alteração a tensão através do tubo de radiação, um comprimento de onda diferente.
Para cada nível de energia, a quantidade de radiação transmitida através do material localizado na área alvo 105 é medida no lado oposto da área alvo 105 pelas áreas de detector de 107a a c do detector, em que cada área de
12/20 detector de 107a a c recebe radiação que penetrou no material 102 ao longo de uma trajetória de radiação diferente de 109a a c .
Com a finalidade de obter um valor de referência para calibração, é preferencial medir um material de referência. Isso pode ser alcançado, por exemplo, através da medição sem qualquer material biológico presente. Assim, nesse caso, uma medição de referência é obtida com ar como um material de referência. De modo alternativo, o material biológico pode ser substituído com um material de referência com propriedades conhecidas, tais como alumínio. As medições de referência podem ser obtidas antes da medição do material biológico, durante a inicialização, ou repetidamente durante o processo. De modo alternativo, as medições de referência podem ser obtidas mediante a relocação da fonte de radiação 104 e do detector 107 para um local próximo à linha transportadora de modo que a radiação passe através do ar apenas em seu percurso a partir da fonte de radiação para o detector. Também é possível usar fontes de radiação e detectores adicionais situadas em cada um ou em ambos os lados da faixa transportadora.
Com base nestas medições de referência, os valores de referência de calibração são determinados como:
N0i,02 = NArl>2 exp (μχ) em que NOi e N02 são os valores de referência de calibração para o nível de energia 1 e 2, respectivamente, NAri e NAr2 são os valores de transmissão detectados após a passagem através da distancia conhecida de ar, μ é o coeficiente de atenuação conhecido para o ar (cm-1) e x é a distancia conhecida de ar (cm) que separa a fonte de radiação e o detector.
Um valor K para o material é determinado para a radiação recebida por cada área de detector de 107a ac. O
13/20 valor K é calculado como:
K = ln(V01/M) ln(V02/V2) em que N01, N02 são os valores de referência calibrados para a transmissão nos dois níveis de energia e Ni, N2 são os valores de transmissão através do material biológico nos níveis de energia.
Com base nestes dados de medição, o conteúdo de umidade no material biológico é assim estimado. A estimativa do conteúdo de umidade do material biológico pode, por exemplo, ser estimado mediante a comparação do valor K calculado com os valores K correspondentes a um tipo de material similar disponível a partir de um banco de dados de referência.
banco de dados de referência 113 pode ser conectado preferencialmente à unidade de controle 108, com os dados que dizem respeito a pelo menos os valores de transmissão detectados para a radiação nos diferentes níveis de energia e os valores de conteúdo de umidade, para diferentes tipos de material biológico, tais como para vários tipos diferentes de madeira. A seleção de um tipo adequado de material biológico no banco de dados de referência pode ser fornecida por meio de entrada manual.
No entanto, também é possível determinar o tipo de material biológico automaticamente. Tal determinação automatizada do tipo de material pode, por exemplo, ser obtida da maneira descrita no pedido PCT com o número de pedido EP2009/062767 pelo mesmo depositante, o dito documento é incorporado no presente documento a título de referência.
Os dados para o banco de dados de referência são preferencialmente montados através da transmissão de medição de radiação eletromagnética de pelo menos dois níveis de energia diferentes através de uma pluralidade de tipos de
14/20 material diferentes, e através da medição do conteúdo de umidade dos ditos materiais por meio de um método convencional, e preferencialmente mediante secagem controlada. Os tipos de materiais podem, por exemplo, ser de diferentes tipos de madeira, tais como bétula, espruce, pinheiro, carvalho e alnus, e também hulha e outros biocombustíveis. Desse modo, o mesmo tipo de dados de medição conforme obtido com a medição subsequente dos novos materiais pode ser relacionada aos dados de conteúdo de umidade medidos exatamente. Pelo fato de que o banco de dados de referência precisa apenas ser criado durante a inicialização, e pode então ser reutilizado repetidamente, não existe necessidade particular para processos acelerados durante esse banco de dados de medições de referência.
A combinação do valor K com os valores K no banco de dados de referência pode ou ser com base na identificação do valor K mais próximo identificável no banco de dados de referência para o tipo de material específico disponível, e mediante o uso do valor de umidade correspondente como a estimativa para a amostra. Uma correção também pode ser usada com a finalidade de compensar pela diferença entre o valor K real e o valor K mais próximo identificado no banco de dados de referência.
De modo alternativo, os valores K para o tipo de material específico podem ser usados em uma representação linear ou polinomial da correspondência entre o valor K e o conteúdo de umidade, e essa função pode então ser usada para uma estimativa do conteúdo de umidade correspondente ao valor K do material de amostra.
Consequentemente, os coeficientes de atenuação médios para o material biológico sem umidade nos ditos níveis de energia são calculados. A atenuação total através do material em cada nível de energia compreende três partes: a
15/20 atenuação no conteúdo de umidade (água) e a atenuação no conteúdo de não umidade, isto é material combustível seco e cinzas. A atenuação no conteúdo de umidade depende do coeficiente de atenuação para umidade em um nível de energia específico. A atenuação no conteúdo de não umidade de maneira similar depende do coeficiente de atenuação médio para o conteúdo de não umidade em um nível de energia específico, isto é no coeficiente médio para o material combustível seco e o coeficiente de atenuação médio para as cinzas. Por meio da estimativa do conteúdo de umidade discutido acima, a quantidade de umidade e de não umidade no material são agora conhecidos. Ademais, o coeficiente de atenuação para umidade (água) em um nível de energia específico é facilmente determinável, por exemplo, a partir da literatura de referência ou de medições de referência específicas.
Visto que todos os outros parâmetros são conhecidos, os coeficientes de atenuação médios para o material biológico sem umidade nos ditos níveis de energia podem então serem estimados, com base na quantidade de radiação transmitida através da amostra do material biológico nos dois níveis de energia e os coeficientes de atenuação for umidade nesses níveis de energia.
Os coeficientes de atenuação médios para o material seco biológico são deste modo estimados e podem então serem finalmente usados para estimar o conteúdo de cinzas no material biológico. A atenuação no conteúdo de não umidade em cada nível de energia também compreende duas partes: a atenuação no conteúdo de cinzas do material biológico, e a atenuação na parte combustível do material biológico.
Os coeficientes de atenuação para a parte combustível do material biológico e as cinzas do material biológico, respectivamente, nos dois níveis de energia são determináveis, por exemplo, a partir da literatura de
16/20 referência ou de medições específicas, pelo fato de que o tipo de material biológico é conhecido, e os constituintes esperados das cinzas também podem ser conhecidos, ou determinados através de medições de referência específicas.
Consequentemente, neste ponto existem, consequentemente, duas equações disponíveis, uma para cada nível de energia, com um total de duas desconhecidas - a quantidade de material biológico combustível e a quantidade de conteúdo de cinzas, respectivamente. Mediante a resolução desse conjunto de equações, uma estimativa é obtida para a quantidade de material biológico seco combustível por um lado, e para a quantidade de conteúdo de cinzas por outro.
Assim, como uma etapa final, o conteúdo de cinzas do material biológico é estimado, com base nos coeficientes de atenuação médios para o material biológico sem umidade e os coeficientes de atenuação para uma parte combustível do material biológico e as cinzas do material biológico nos dois níveis de energia. O conteúdo de cinzas determinado do material biológico pode ser usado como uma medida indireta da quantidade de energia que pode ser obtida do material biológico. Isso também pode ser usado para emitir um sinal de alarme ou similares se o conteúdo de cinzas exceder um valor limite determinado ou similares.
Todos os cálculos são preferencialmente feitos na unidade de controle 108.
As Figuras de 2a a b ilustram esquematicamente uma modalidade alternativa de um dispositivo de medição de acordo a invenção. 0 dispositivo de medição 100 compreende uma fonte de radiação 104 para irradiar uma área alvo com pelo menos dois níveis de energia. A fonte de radiação é controlada por meio de um controlador 106. Um detector 107 é disposto no lado oposto da área alvo. O detector é conectado em uma unidade de controle 108 que recebe os dados de detecção do
17/20 detector. Nessa modalidade, o material a ser medido é disposto em um recipiente de amostra 301. 0 recipiente de amostra é então disposto em um carreador 302, que é móvel de uma tal maneira que o recipiente de amostra é movido através da área alvo, e assim através da trajetória de radiação 109. O carreador pode, por exemplo, ser movido por meio de um transportador 103. No entanto, outros meios para mover o carreador também são praticáveis, tais como motores lineares, disposições de rosca, disposições de trilhos e similares.
Durante a operação, o recipiente de amostra é movido através da área alvo de modo que preferencialmente todo o material no recipiente de amostra seja varrido. Na primeira passagem, a amostra de material é irradiada com radiação de um primeiro comprimento de onda, e na segunda passagem, durante o movimento de retorno, com radiação de um segundo comprimento de onda. Com a finalidade de obter um valor de referência para calibração, é preferencial medir um material de referência, preferencialmente uma quantidade predeterminada de alumínio, no início e no fim da passagem do recipiente de amostra.
Com base nestas medições de referência, os valores de referência de calibração são determinados como:
N0i,02 = Nau,2 exp (μχ) em que NOi e N02 são os valores de referência de calibração para o nível de energia 1 e 2, respectivamente, Nau e Nai2 são os valores de transmissão detectados após passagem através da espessura conhecida de alumínio, μ é o coeficiente de atenuação conhecido para o alumínio (cm'1) e x é a espessura conhecida do alumínio (cm).
Consequentemente, um valor K para o material biológico pode ser calculado como:
K Jn(V01/V.) ln(JV02/V2)
18/20 em que ΝΟχ, N02 são os valores de referência calibrados para a transmissão nos dois níveis de energia e Ni, N2 são os valores de transmissão através do material biológico nos níveis de energia.
conteúdo de cinzas do material biológico pode então ser determinado da mesma maneira como foi previamente descrito para a modalidade ilustrada na Figura 1.
De acordo com outra modalidade, o conteúdo de cinzas é diretamente estimado com base na energia de radiação medida transmitida através do material nos dois níveis de energia e o conteúdo de umidade estimado, estimado de acordo com o método discutido acima.
Com base nestes valores de entrada, o seguinte sistema de equação com três equações pode ser formulado:
Ni= Nd exp(pviX + PtiY + PaiZ)
N2= No2 exp(pv2x + Pt2Y + Pa2Z)
F = X/ (X + Y + Z) em que μνι, pti e pai são os coeficientes de atenuação de massa para o primeiro nível de energia para água, biomaterial combustível seco e cinzas. De maneira similar, μν2, μt2 e μa2 são os coeficientes de atenuação de massa para o segundo nível de energia para água, biomaterial combustível seco e cinzas.
X, Y e Z são massas de área (g/cm2) para água, biomassa combustível seca e cinzas. O valor F resultante é o conteúdo de umidade definido como ((peso de biomaterial não seco-peso de biomaterial seco)/peso de biomaterial não seco).
Todos os coeficientes de atenuação de massa para água, cinzas e biomaterial combustível seco são conhecidos (consulte acima). Os mesmos podem, por exemplo, ser determinados por medições de referência separadas no sistema. 0 conteúdo de umidade pode ser determinado com base no valor K conforme discutido acima.
19/20
Consequentemente, é possível formular uma equação direta para Z (o conteúdo de cinzas) para o biomaterial de acordo com o seguinte:
_ (F 1)μί2/?ι 4 4F Avi ) 4~ Pai (/^t2 F4 FfJ,·^ ) 4” F^ptzPvy Pt-iPvz ) em que Ri é ln (N01/Ni) e R2 é In (N02/N2) .
As modalidades específicas da invenção foram agora descritas. No entanto, diversas alternativas são possíveis, como se tornaria evidente para um técnico no assunto. Por exemplo, a radiação não precisa ser raios X, mas outros tipos de radiação eletromagnética também podem ser usados. Ademais, outras relações entre as duas quantidades de radiação medidas transmitidas através da amostra do material biológico nos dois níveis de energia podem ser usadas, ao invés do valor K discutido acima. Ainda adicionalmente, também seria possível usar três ou mais níveis de energia, com a finalidade de obter até mesmo um grau mais elevado de precisão. Ademais, existem várias maneiras de determinar o tipo de material biológico, tanto automaticamente quanto semiautomaticamente. Dependendo da linha de uso destinada, o banco de dados de referência pode ser personalizado para compreender apenas os tipos de materiais mais prováveis, ou compreender uma grande variedade de tipos de material diferentes. Ainda adicionalmente, a implantação do método de controle e processamento pode ser executada de diferentes maneiras, tais como em hardware ou em software especialmente dedicados para o controle de meios de controle já existentes.
Estas e outras modificações óbvias precisam ser consideradas para estarem dentro do escopo da presente invenção, como é definido pelas reivindicações anexas. Deve ser constatado que as modalidades acima mencionadas ilustram ao invés de limitar a invenção, e em que os técnicos no
20/20 assunto serão capazes de projetar muitas modalidades alternativas sem se afastar do escopo das reivindicações anexas. Nas reivindicações, quaisquer referências numéricas colocadas entre parênteses não deveriam ser construídas como 5 limitantes da reivindicação. A palavra compreende não exclui a presença de outros elementos ou etapas do que as listadas na reivindicação. A palavra um ou uma que precede um elemento não exclui a presença de uma pluralidade de tais elementos. Ademais, uma unidade única pode executar 10 as funções de diversos meios citados nas reivindicações.
Claims (14)
1. MÉTODO PARA ESTIMAR O CONTEÚDO DE CINZAS EM UM MATERIAL BIOLÓGICO (102), caracterizado por compreender as etapas de:
varrer o material biológico (102) com radiação eletromagnética de pelo menos dois níveis de energia diferentes;
determinar a quantidade de radiação transmitida através da dita amostra do material biológico nos ditos níveis de energia;
estimar o conteúdo de umidade no material biológico com base em uma relação entre a dita quantidade de radiação determinada transmitida através do material biológico nos ditos níveis de energia; e estimar o conteúdo de cinzas no dito material biológico, com base no dito conteúdo de umidade estimado no material biológico e nos coeficientes de atenuação médios para o material biológico sem umidade, nos coeficientes de atenuação para uma parte combustível do material biológico e nos coeficientes de atenuação para as cinzas do material biológico nos ditos níveis de energia.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que compreende adicionalmente a etapa de determinar o coeficiente de atenuação para a umidade nos ditos níveis de energia por meio de medições de referência.
3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado em que compreende adicionalmente a etapa de determinar os coeficientes de atenuação para a parte combustível do material biológico e as cinzas do material biológico nos ditos níveis de energia por meio de medições de referência.
4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado em que a varredura do
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2/4 material biológico com radiação eletromagnética de pelo menos dois níveis de energia diferentes compreende dispor o material biológico em uma forma separada, e preferencialmente na forma de lascas.
5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado em que a varredura do material biológico com radiação eletromagnética de pelo menos dois níveis de energia diferentes compreende dispor o material biológico em um recipiente de amostra.
6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado em que a varredura do material biológico com radiação eletromagnética de pelo menos dois níveis de energia diferentes compreende a varredura do material biológico conforme o mesmo é transportado continuamente através de um ponto de medida.
7. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado em que a quantidade de radiação transmitida através da amostra do material biológico nos ditos dois níveis de energia é determinada em relação a um valor de referência de calibração.
8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado em que o valor de referência de calibração é determinado através da medição da transmissão de radiação através de um material de referência de uma espessura predeterminada, sendo que a dita medição de calibração é preferencialmente feita imediatamente antes e/ou após cada medição através do material biológico, sendo que o material de referência é preferencialmente alumínio.
9. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado em que o conteúdo de umidade da dita amostra de material biológico é determinado mediante a determinação de um valor K para o dito material biológico, sendo que o dito valor K é calculado como:
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3/4 K = ln( V01/ N) ln( No2/ N2) em que N01, N02 são valores de referência calibrados para a transmissão nos dois níveis de energia e N1, N2 são os valores de transmissão através do material biológico nos ditos níveis de energia e a estimativa do conteúdo de umidade do dito material biológico mediante a comparação do dito valor K calculado com os valores K correspondentes a um tipo de material similar.
10. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado em que a varredura da amostra do material biológico com radiação eletromagnética de
reivindicações 1 a 10, caracterizado em que pelo menos dois níveis de energia diferentes são ambos de comprimentos de onda de radiação de raios X.
12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado em que a radiação de ambos os ditos níveis de energia é emitida de uma única fonte de radiação que opera na faixa de energia de 20 a 150 kVp.
13 . APARELHO PARA ESTIMAR O CONTEÚDO DE CINZAS EM UM MATERIAL BIOLÓGICO (102), caracterizado por compreender:
um dispositivo de varredura para varrer uma amostra do material biológico (102) com radiação eletromagnética de pelo menos dois níveis de energia diferentes;
um detector (107; 107 a-c) para determinar a quantidade de radiação transmitida através da dita amostra do material biológico (102) nos ditos níveis de energia; e um processador (108) para estimar o conteúdo de
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4/4 umidade no material biológico (102) com base nas ditas quantidades de radiação transmitida determinadas através da amostra, e estimar o conteúdo de cinzas no dito material biológico, com base no dito conteúdo de umidade estimado e nos coeficientes de atenuação médios para o material biológico sem umidade, nos coeficientes de atenuação para a parte combustível do material biológico e nos coeficientes de atenuação para o conteúdo de cinzas do material biológico nos ditos níveis de energia.
14. APARELHO, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado em que compreende adicionalmente pelo menos duas fontes de radiação (104) para a geração dos pelo menos dois níveis de energia diferentes, e preferencialmente pelo menos uma fonte de radiação (104) para cada nível de energia específico.
15. APARELHO, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado em que é fornecido pelo menos dois detectores (107; 107 a-c) para determinar a quantidade de radiação transmitida através da dita amostra do material biológico nos ditos níveis de energia, e preferencialmente pelo menos um detector para cada nível de energia específico.
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