BR112016006681A2 - sensor fluorimétrico multicanal e método de uso do mesmo - Google Patents
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Abstract
resumo "sensor fluorimétrico multicanal e método de uso do mesmo" a presente invenção refere-se a um sensor óptico que pode incluir vários emissores ópticos configurados para emitir luz em uma amostra de fluido através de um caminho óptico. a luz a partir dos emissores pode causar a fluorescência a partir da amostra e/ou dispersão a partir da amostra. a luz fluorescente e dispersa pode ser recebida por um detector óptico no sensor através do caminho óptico, e utilizada para determinar ao menos uma característica da amostra de fluido. um segundo detector óptico pode fornecer medições de referência da quantidade de luz emitida para a amostra. em um exemplo, o detector óptico pode detectar a luz fluorescente e dispersa simultaneamente. em outro exemplo, a luz é emitida e detectada alternadamente. o sensor pode fazer parte de um sistema que inclui um ou mais controladores configurados para controlar a emissão e a detecção de luz para e a partir da amostra de fluido. o controlador pode utilizar a luz detectada para determinar ao menos uma característica da amostra de fluido.
Description
SENSOR FLUORIMÉTRICO MULTICANAL E MÉTODO DE USO DO MESMO
CAMPO DA TÉCNICA
[001]Esta descrição refere-se a dispositivos de medição óptica e, mais particularmente, a fluorômetros para monitorar a concentração de uma ou mais substâncias em uma amostra.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
[002]Em operações de limpeza e antimicrobianas, usuários comerciais (por exemplo, restaurantes, hotéis, plantas de alimentos e bebidas, supermercados, etc.) dependem da concentração de um produto de limpeza ou antimicrobiano para fazer o produto funcionar de forma eficaz. A falha de um produto de limpeza ou antimicrobiano em funcionar eficazmente (por exemplo, devido a problemas de concentração) pode fazer com que um usuário comercial perceba o produto como de qualidade inferior. Os consumidores finais também podem perceber o provedor comercial de tais produtos como fornecendo serviços de qualidade inferior. Em adição, os usuários comerciais podem ser investigados e/ou sancionados por órgãos governamentais de regulação e de saúde. Por conseguinte, há a necessidade de um sistema que possa monitorar as características de soluções fluidas, por exemplo, para determinar se a concentração de um produto está dentro de uma gama de concentração especificada. O mesmo pode ser verdadeiro para outras aplicações, tal como tratamento de água comercial e industrial, controle de pragas, operações de bebidas e engarrafamento, operações de processamento e refinamento de petróleo e gás.
[003]Um método para monitorar a concentração de um produto depende do monitoramento da fluorescência do produto que ocorre quando a amostra (e o produto dentro da amostra) é exposta a um comprimento de onda de luz predeterminado. Por exemplo, os compostos dentro do produto ou um traçador
2/60 fluorescente adicionado ao produto pode fluorescer quando expostos a certos comprimentos de onda de luz. A concentração do produto pode então ser determinada usando um fluorômetro, que mede a fluorescência dos compostos e calcula a concentração do produto químico com base na fluorescência medida.
[004]Geralmente, a espectroscopia fluorimétrica exige direcionar a luz a partir de uma fonte de luz radiante para uma amostra e, em seguida, receber a luz a partir da amostra em um detector. A fim de fazer isso, a fonte e o detector precisam estar em comunicação óptica com a amostra. Nos sistemas existentes, fornecer acesso óptico à amostra pode ser um processo dispendioso que exige modificação significativa para o sistema e tempo de inatividade significativo para efetuar tal modificação.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[005]Em geral, esta descrição refere-se a fluorômetros e técnicas para monitorar amostras de fluidos. Em alguns exemplos, um fluorômetro de acordo com a descrição inclui um primeiro emissor óptico configurado para gerar emissões fluorescentes em uma amostra de fluido sob análise e um segundo emissor óptico configurado para emitir luz para medir uma quantidade de dispersão na amostra de fluido sob análise. O fluorômetro pode também incluir ao menos um detector que recebe a luz fluorescente emitida a partir da amostra de fluido e/ou a luz dispersa a partir da amostra de fluido. Durante a operação, o detector pode detectar uma quantidade de luz fluorescente emitida a partir da amostra de fluido sob análise e o fluorômetro pode então determinar, com base na luz fluorescente, uma concentração de uma espécie fluorescente na amostra de fluido. O fluorômetro pode também detectar uma quantidade de luz dispersa pela amostra de fluido sob análise e determinar, com base na luz dispersa, outras propriedades da amostra de fluido sob análise. Por exemplo, o fluorômetro pode determinar uma concentração de uma espécie não fluorescente na amostra de fluido sob análise. Como outro exemplo, o
3/60 fluorômetro pode ajustar a quantidade de luz fluorescente detectada com base na informação de dispersão de luz, por exemplo, para explicar o efeito de turbidez de fluido na intensidade medida das emissões fluorescentes.
[006]Para ajudar a fornecer um modelo de fluorômetro compacto que é fácil de instalar e que resiste à incrustação, o fluorômetro pode ser configurada com uma única lente óptica através da qual a luz é emitida para a amostra de fluido sob análise e recebida a partir da mesma. O fluorômetro pode incluir um alojamento que contém o primeiro emissor óptico, o segundo emissor óptico, e ao menos um detector. O primeiro emissor óptico, o segundo emissor óptico e ao menos um detector podem ser dispostos dentro do alojamento, de modo que todos os componentes estejam em comunicação óptica com a única lente óptica (por exemplo, pode direcionar a luz através da lente óptica e/ou receber a luz a partir da lente óptica). Ao configurar o fluorômetro com uma única lente óptica, os emissores ópticos podem direcionar a luz e o detector pode receber a luz a partir substancialmente da mesma porção do fluido adjacente à lente óptica. Isso pode ajudar a evitar leituras ópticas inconsistentes que podem, de outra forma, ocorrer se diferentes emissores ópticos fossem emitir luz através de diferentes partes de fluido através de lentes ópticas separadas fisicamente. Além disso, a configuração do fluorômetro com uma única lente óptica pode fornecer um modelo de fluorômetro comparativamente compacto que pode ser utilizado em um número de diferentes aplicações. Por exemplo, dependendo do modelo, o alojamento do fluorômetro pode ser configurado para ser inserido em uma porta de um recipiente de fluido, uma perna de uma secção em T do tubo, ou outro ajuste mecânico de um sistema de processo. Isso pode permitir que o fluorômetro seja facilmente instalado como um fluorômetro em linha para controlar opticamente o processo.
[007]Embora o modelo de fluorômetro possa variar, em alguns exemplos adicionais, o fluorômetro compreende um ou mais sensores complementares que
4/60 são configurados para medir as características não ópticas da amostra de fluido sob análise. Por exemplo, o fluorômetro pode incluir um sensor de temperatura, um sensor de pH, um sensor de condutividade elétrica, um sensor de taxa de fluxo, um sensor de pressão, e/ou qualquer outro tipo adequado de sensor. Tais sensores complementares pode ter interfaces de sensor localizadas na superfície externa do alojamento do fluorômetro, por exemplo, adjacente à lente óptica do fluorômetro, com a eletrônica do sensor posicionada dentro do alojamento. Os sensores complementares podem medir as propriedades não ópticas substancialmente da mesma porção de fluido sendo analisada opticamente pelo fluorômetro. Ao medir tanto as propriedades ópticas quanto as propriedades não ópticas do fluido sob análise, um processo que utiliza o fluido pode ser aferido e controlado com mais precisão do que se apenas as propriedades ópticas ou não ópticas do fluido fossem medidas.
[008]Em um exemplo, um sensor óptico que é descrito inclui um alojamento, um primeiro emissor óptico, um segundo emissor óptico, e um detector óptico. De acordo com o exemplo, o alojamento define um caminho óptico configurado para direcionar a luz através de uma lente opticamente acoplada ao caminho óptico em uma amostra de fluido e para receber luz a partir da amostra de fluido. O primeiro emissor óptico é configurado para emitir luz em um primeiro comprimento de onda através do caminho óptico para a amostra. O segundo emissor óptico é configurado para emitir luz em um segundo comprimento de onda através do caminho óptico para a amostra. Além disso, o detector óptico é configurado para receber luz a partir da amostra de fluido através do caminho óptico.
[009]Em algumas modalidades, o primeiro e o segundo comprimento de onda são tais que o primeiro comprimento de onda excita a fluorescência na amostra, enquanto o segundo comprimento de onda dispersa a amostra. O detector pode detectar a luz fluorescente a partir da amostra, a fim de determinar uma
5/60 característica da amostra, tal como a concentração de um fluoróforo. Em algumas modalidades, o detector também mede a luz dispersa a partir da amostra, a fim de determinar outra propriedade da amostra que pode ter um efeito sobre sua fluorescência, tal como a turbidez da amostra. A quantidade de luz dispersa detectada nestes exemplos pode ser usada para ajustar a quantidade de luz fluorescente detectada e, correspondentemente, quaisquer características do fluido determinadas com base nas emissões fluorescentes detectadas. Por exemplo, uma amostra de fluido altamente turva pode gerar menos emissões fluorescentes do que uma amostra de fluido menos turva, mesmo que a amostra de fluido altamente turva tenha uma concentração mais alta de fluoróforos. Isso pode ocorrer se a turbidez na amostra de fluido bloqueia as emissões fluorescentes que, de outro modo, seriam detectadas pelo fluorômetro. Por conseguinte, com o conhecimento da turbidez da amostra de fluido, a emissão fluorescente detectada a partir da amostra de fluido pode ser ajustada consequentemente.
[010]Um sensor óptico de acordo com a descrição pode ter um número de diferentes configurações de detectores. Em um exemplo, o sensor óptico inclui um único detector óptico que recebe as emissões fluorescentes emitidas a partir de uma amostra de fluido sob análise e também recebe a luz dispersa a partir da amostra de fluido sob análise. O detector óptico pode receber a luz através de uma única lente óptica montada em uma superfície externa do alojamento do detector óptico. Em tais exemplos, o sensor óptico pode alternadamente emitir luz a partir do primeiro emissor óptico configurado para gerar emissões fluorescentes enquanto o segundo emissor óptico configurado para gerar luz dispersa está desligado e, em seguida, emitir luz a partir do segundo emissor óptico enquanto o primeiro emissor óptico está desligado. Nestes exemplos, o único detector óptico pode alternativamente receber emissões fluorescentes emitidas a partir da amostra de fluido em resposta à luz a partir do primeiro emissor óptico e a luz dispersa a partir da amostra de fluido em
6/60 resposta à luz a partir do segundo emissor óptico, fornecendo diferentes canais de detecção para o mesmo detector óptico. Em outros exemplos, o sensor óptico inclui vários detectores ópticos, incluindo um detector óptico configurado para medir as emissões fluorescentes emitidas a partir de uma amostra de fluido em resposta à luz a partir do primeiro emissor óptico e um segundo detector óptico configurado para medir a luz dispersa a partir da amostra de fluido em resposta à luz a partir do segundo emissor óptico. O primeiro e o segundo emissor óptico podem emitir luz para a amostra de fluido simultaneamente nestes exemplos.
[011]Em alguns exemplos adicionais, o sensor óptico inclui um detector de referência configurado para medir a luz a partir do primeiro e do segundo emissor óptico antes de ela ser incidente na amostra. Desta forma, a quantidade de luz incidente na amostra para causar dispersão e fluorescência pode ser determinada. Essa informação pode ser usada para escalonar a luz dispersa e fluorescente detectada, à medida que a quantidade de luz dispersa e fluorescente é geralmente uma função da quantidade de luz incidente na amostra. Assim, quando utilizado, o detector de referência pode agir para calibrar o detector e fornecer um ponto de referência para as medições feitas pelo primeiro detector óptico.
[012]Em várias modalidades, o sensor óptico inclui um caminho óptico através do qual a luz é guiada a partir dos emissores ópticos para a amostra e orientada de volta a partir da amostra para o detector óptico. Vários componentes ópticos, incluindo janelas ópticas parcialmente reflexivas e filtros podem direcionar a luz em direção ao seu destino desejado, evitando a luz indesejada de interferir nas medições. Os caminhos ópticos adicionais podem ser fornecidos para orientar a luz para e a partir desses componentes ópticos. Por exemplo, em algumas modalidades, o sensor óptico inclui uma janela óptica parcialmente reflexiva que funciona para direcionar porções de luz a partir do primeiro e do segundo emissor óptico tanto para o segundo detector óptico (por exemplo, detector de referência) quanto em direção
7/60 ao caminho óptico. Nessas modalidades, outra janela óptica parcialmente reflexiva pode direcionar porções de luz a partir de cada emissor para a amostra via o caminho óptico. Em algumas modalidades, a luz dispersa e/ou fluorescente a partir da amostra viaja de volta através do caminho óptico e é transmitida através da janela óptica parcialmente reflexiva em direção ao primeiro detector óptico.
[013]Em um exemplo, um sistema que é descrito inclui um sensor óptico e um controlador. O sensor óptico inclui um alojamento tendo um caminho óptico configurado para direcionar a luz através de uma lente opticamente conectada ao caminho óptico para uma amostra de fluido sob análise e receber luz a partir da amostra de fluido através da lente. O sensor óptico inclui ainda um primeiro emissor óptico, um segundo emissor óptico, e um detector óptico. De acordo com o exemplo, o controlador é configurado para controlar o primeiro emissor óptico para emitir luz em um primeiro comprimento de onda através do caminho óptico para a amostra de fluido sob análise, detectar emissões fluorescentes emitidas pela amostra de fluido e recebidas através do caminho óptico via o detector óptico, controlar o segundo emissor óptico para emitir luz em um segundo comprimento de onda diferente do primeiro comprimento de onda através do caminho óptico e para a amostra de fluido sob análise, e detectar a luz dispersa pela amostra de fluido e recebida através do caminho óptico pelo detector óptico.
[014]Em outro exemplo, um método é descrito incluindo emitir luz no primeiro comprimento de onda por um primeiro emissor óptico através de um caminho óptico para uma amostra de fluido, e receber emissões fluorescentes emitidas pela amostra de fluido através do caminho óptico por um detector óptico. O método inclui ainda emitir luz em um segundo comprimento de onda diferente do primeiro comprimento de onda por um segundo emissor óptico através do caminho óptico e para a amostra de fluido, e receber a luz dispersa pela amostra de fluido através do caminho óptico pelo detector óptico. Vários métodos incluem emitir tanto
8/60 o primeiro quanto o segundo comprimento de onda de luz simultaneamente, ou alternativamente, alternadamente. Em algumas modalidades, receber a luz fluorescente pela amostra é feito durante a emissão de luz a partir do primeiro emissor óptico, enquanto em modalidades alternativas, é feito após cessar as emissões a partir do primeiro emissor óptico.
[015]Os detalhes de um ou mais exemplos são apresentados nos desenhos em anexo e na descrição abaixo. Outras características, objetivos e vantagens serão evidentes a partir da descrição e desenhos, e a partir das reivindicações.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[016]A Figura 1 é um diagrama que ilustra um sistema de fluido exemplificado que pode incluir um sensor óptico de acordo com os exemplos da presente descrição.
[017]A Figura 2 é um diagrama de blocos de um sensor óptico exemplificado que pode determinar ao menos uma característica de uma amostra de fluido.
[018]A Figura 3 é um desenho esquemático de um arranjo exemplificado de componentes que podem ser utilizados pelo sensor óptico da Figura 2.
[019]A Figura 4 é um diagrama conceituai ilustrando fluxos de luz exemplificados através do sensor óptico da Figura 3.
[020]As Figuras 5A e 5B arranjos de detector óptico exemplificados que podem ser utilizados no sensor óptico da Figura 2.
[021 ]As Figuras 6A-6D ilustram arranjos de alojamento e componentes de sensor óptico que podem ser utilizados para o sensor óptico da Figura 2.
[022]A Figura 7 é um fluxograma de processo que ilustra a operação exemplificada de um sensor.
[023]As Figuras 8A-8E são gráficos que ilustram dados ópticos exemplificados para um sensor exemplificado construído de acordo com a descrição.
[024]DESCRIÇÃO DETALHADA
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[025]A seguinte descrição detalhada é exemplificativa por natureza e não se destina a limitar o escopo, aplicabilidade, ou configuração da invenção de qualquer forma. De preferência, a seguinte descrição fornece algumas ilustrações práticas implementar exemplos da presente invenção. Exemplos de construções, materiais, dimensões, e os processos de fabricação são fornecidos para elementos selecionados, e todos os outros elementos empregam o que é conhecido para os versados no campo da invenção. Os versados na técnica reconhecerão que muitos dos exemplos conhecidos têm uma variedade de alternativas adequadas.
[026]Os sensores ópticos são utilizados em uma variedade de aplicações, incluindo o monitoramento de processos industriais. Um sensor óptico pode ser implementado como um dispositivo portátil que é utilizado para analisar periodicamente as características ópticas de um fluido em um processo industrial. Alternativamente, um sensor óptico pode ser instalado em linha para analisar continuamente as características ópticas de um fluido em um processo industrial. Em qualquer caso, o sensor óptico pode opticamente analisar a amostra de fluido e determinar diferentes características do fluido, tal como a concentração de uma ou mais espécies químicas no fluido.
[027]Como um exemplo, os sensores ópticos são frequentemente utilizados em aplicações de limpeza industrial e sanitização. Durante um processo de limpeza industrial e sanitização, a água é normalmente bombeada através de um sistema de tubulação industrial para lavar o sistema de tubulação de produto residente em tubos e qualquer acúmulo de contaminação dentro dos tubos. A água também pode conter um agente de sanitização que funciona para higienizar e desinfetar o sistema de tubulação. O processo de limpeza e sanitização pode preparar o sistema de tubulação para receber novo produto e/ou um produto diferente do que foi previamente processado no sistema.
[028]Um sensor óptico pode ser utilizado para monitorar as características
10/60 de lavagem e/ou sanitização de água que flui através de um sistema de tubulação durante um processo de limpeza industrial e sanitização. Em uma base ou continuamente ou intermitente, as amostras de água são extraídas do sistema de tubulação e entregues ao sensor óptico. Dentro do sensor óptico, a luz é emitida para a amostra de água e usada para avaliar as características da amostra de água. O sensor óptico pode determinar se o produto residual no sistema de tubulação foi suficientemente descartado das tubulações, por exemplo, determinando que há pouco ou nenhum produto residual na amostra de água. O sensor óptico pode também determinar a concentração de desinfetante na amostra de água, por exemplo, medindo um sinal fluorescente emitido pelo desinfetante em resposta à luz emitida para a amostra de água. Se for determinado que existe uma quantidade insuficiente de desinfetante na amostra de água para sanitizar adequadamente o sistema de tubulação, a quantidade de desinfetante é aumentada para assegurar a sanitização apropriada do sistema.
[029]Enquanto o sensor óptico pode ter uma variedade de diferentes configurações, em alguns exemplos, o sensor óptico é projetado para ter uma única lente óptica através da qual a luz é emitida para uma amostra de fluido e também recebida a partir da amostra de fluido. O sensor óptico pode incluir um alojamento que contém vários componentes eletrônicos do sensor e também tem caminhos ópticos para controlar o movimento de luz para e a partir da única lente óptica. Tal arranjo pode facilitar o projeto de um sensor óptico compacto que pode ser prontamente instalado através de uma variedade de tubulações mecânicas e ajustes de processos para analisar opticamente um fluido de processo desejado.
[030]A Figura 1 é um diagrama conceituai que ilustra um sistema de fluido exemplificado 100, que pode ser usado para produzir uma solução química tendo propriedades fluorescentes, tal como uma solução desinfetante exibindo propriedades fluorescentes. O sistema de fluido 100 inclui o sensor óptico 102, um
11/60 reservatório 104, um controlador 106, e uma bomba 108. O reservatório 104 pode armazenar um agente químico concentrado que pode ser misturado com um diluente, tal como água, para gerar a solução química, ou pode ser qualquer outra fonte para a amostra ser caracterizada. O sensor óptico 102 é opticamente conectado ao caminho de fluido 110 e é configurado para determinar uma ou mais características da solução que viaja através do caminho de fluido.
[031 ]O caminho de fluido 110 pode ser um único recipiente de fluido ou combinação de recipientes que carregam uma amostra de fluido através do sistema de fluido 100, incluindo, mas não limitado a, tubos, tanques, válvulas, tubos em T e junções, e similares. Em alguns casos, um ou mais componentes do caminho de fluido 110 podem definir uma interface ou abertura dimensionada para receber ou, de outra forma, engatar com o sensor óptico 102. Em operação, o sensor óptico 102 pode se comunicar com o controlador 106, e o controlador 106 pode controlar o sistema de fluido 100 com base na informação característica de fluido gerada pelo sensor óptico.
[032]O controlador 106 está conectado de forma comunicativa ao sensor óptico 102 e à bomba 108. O controlador 106 inclui o processador 112 e a memória 114. O controlador 106 se comunica com a bomba 108 via uma conexão 116. Os sinais gerados pelo sensor óptico 102 são comunicados ao controlador 106 através de uma conexão com ou sem fio, que, no exemplo da Figura 1, é ilustrada como a conexão por fio 118. A memória 109 armazena software para executar o controlador 106 e pode também armazenar dados gerados ou recebidos pelo processador 112, por exemplo, a partir do sensor óptico 102. O processador 112 executa o software armazenado na memória 114 para gerenciar a operação do sistema de fluido 100.
[033]Como descrito em mais detalhes abaixo, o sensor óptico 102 é configurado para analisar opticamente uma amostra de fluido fluindo através do caminho de fluido 110. O sensor óptico 102 pode incluir um detector óptico que é
12/60 posicionado e configurado para medir as emissões fluorescentes emitidas pela amostra de fluido. Em algumas configurações, um único detector óptico pode ser usado para medir tanto a dispersão quanto a fluorescência a partir de uma amostra e pode receber tanto a luz dispersa quanto a luz fluorescente através de um único caminho óptico no sensor 102. O único caminho óptico pode adicionalmente ser usado para direcionar a luz para induzir a dispersão e fluorescência para a amostra, fornecendo assim uma interface compacta e espacialmente eficiente entre o sensor 102 e a amostra. Fornecer um único ponto de comunicação óptica entre o sensor 102 e a amostra também pode simplificar a implementação do sensor 102 no sistema de fluido 100, por exemplo, fornecendo um sensor que pode facilmente fazer interface com um ou mais componentes do caminho de fluido 110, tal como uma configuração em T em um tubo.
[034]No exemplo da Figura 1, o sistema de fluido 100 é configurado para gerar ou, de outra forma, receber uma solução química tendo propriedades fluorescentes. O sistema de fluido 100 pode combinar um ou mais agentes químicos concentrados armazenados dentro ou recebidos a partir do reservatório 104 com água ou outro fluido de diluição para produzir as soluções químicas. Em alguns casos, a diluição não é necessária, à medida que o reservatório imediatamente fornece uma amostra adequada. As soluções químicas exemplificadas que podem ser produzidas pelo sistema de fluido 100 incluem, mas não estão limitadas a, agentes de limpeza, agentes de sanitização, água de refrigeração para torres de refrigeração industriais, biocidas tais como pesticidas, agentes anticorrosão, agentes anti-incrustação, agentes anti-entupimento, detergentes, produtos de limpeza no local (CIP), revestimentos de pavimentos, composições para o cuidado do veículo, composições para o cuidado da água, composições de lavagem de garrafas e similares.
[035]As soluções químicas geradas ou fluindo através do sistema de fluido
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100 podem emitir radiação fluorescente em resposta à energia óptica dirigida para as soluções pelo sensor óptico 102. O sensor óptico 102 pode então detectar a radiação fluorescente emitida e determinar várias características da solução, tal como uma concentração de um ou mais compostos químicos na solução, com base na magnitude da radiação fluorescente emitida. Em algumas modalidades, o sensor óptico 102 pode direcionar a energia óptica para a solução e receber radiação fluorescente a partir da solução via um caminho óptico dentro do sensor óptico 102, o que permite um modelo compacto para o sensor óptico 102.
[036]A fim de permitir que o sensor óptico 102 detecte as emissões fluorescentes, o fluido gerado pelo sistema de fluido 100 e recebido pelo sensor óptico 102 pode incluir uma molécula que exibe características fluorescentes. Em alguns exemplos, o fluido inclui um composto policíclico e/ou uma molécula de benzeno que tem um ou mais grupos doadores de elétrons substituintes, tais como, por exemplo, -OH, -NH2, e -OCH3, que podem apresentar características fluorescentes. Dependendo da aplicação, esses compostos podem estar naturalmente presentes nas soluções químicas geradas pelo sistema de fluido 100 por causa das propriedades funcionais (por exemplo, propriedades de limpeza e desinfecção) transmitidas para as soluções pelos compostos.
[037]Em adição ou em lugar de um composto naturalmente fluorescente, 0 fluido gerado pelo sistema de fluido 100 e recebido pelo sensor óptico 102 pode incluir um traçador fluorescente (que também pode ser chamado de um marcador fluorescente). O traçador fluorescente pode ser incorporado no fluido especificamente para conferir propriedades de fluorescência ao fluido. Compostos traçadores fluorescentes exemplificados incluem, mas não estão limitados a, dissulfonato de naftaleno (NDSA), ácido 2-naftalenossulfônico, sal de sódio do ácido amarelo 7,1,3,6,8-pirenotetrassulfónico, e fluoresceína.
[038]lndependente da composição específica do fluido gerado pelo sistema
14/60 de fluido 100, o sistema pode gerar fluido de qualquer maneira adequada. Sob o controle do controlador 106, a bomba 108 pode bombear mecanicamente uma quantidade definida de agente químico concentrado para fora do reservatório 104 e combinar o agente químico com água para gerar uma solução líquida adequada para a aplicação pretendida. O caminho de fluido 110 pode então conduzir a solução líquida para uma localização de descarga pretendida. Em alguns exemplos, o sistema de fluido 100 pode gerar um fluxo de solução líquida de forma contínua durante um período de tempo tal como, por exemplo, um período superior a 5 minutos, um período superior a 30 minutos, ou até mesmo um período superior a 24 horas. O sistema de fluido 100 pode gerar solução continuamente na medida em que o fluxo de solução que passa através do caminho de fluido 110 pode ser substancialmente ou inteiramente não interrompido durante o período de tempo.
[039]Em alguns exemplos, monitorar as características do fluido que flui através do caminho de fluido 110 pode ajudar a garantir que o fluido seja formulado de forma apropriada para uma aplicação à jusante pretendida. Monitorar as características do fluido que flui através do caminho de fluido 110 pode também fornecer informação de retorno, por exemplo, para ajustar os parâmetros utilizados para gerar nova solução de fluido. Por essas e outras razões, o sistema de fluido 100 pode incluir um sensor para determinar várias características do fluido gerado pelo sistema. O sensor pode engatar diretamente com o caminho de fluido 110 para monitorar as características do fluido, ou pode, alternativamente, receber o fluido a partir do sistema de fluido 100 separadamente a partir do caminho de fluido 100.
[040]No exemplo da Figura 1, o sistema de fluido 100 inclui o sensor óptico 102. O sensor óptico 102 pode engatar no caminho de fluido 110 de qualquer número de maneiras, tal como a interface com uma configuração em T de uma tubulação no caminho de fluido 110, sendo inserida na porta de um tanque ou em outro recipiente de fluido através do qual o fluido flui periodicamente, ou similares. O
15/60 sensor óptico 102 pode determinar uma ou mais características do fluido que flui através do caminho de fluido 110. As características exemplificadas incluem, mas não estão limitadas à concentração de um ou mais compostos químicos dentro do fluido (por exemplo, a concentração de um ou mais agentes ativos adicionados a partir do reservatório 104 e/ou a concentração de um ou mais materiais sendo lavados a partir da tubulação no sistema de fluido 100), a temperatura do fluido, a condutividade do fluido, o pH do fluido, a taxa de fluxo na qual o fluido se move através do sensor óptico, e/ou outras características do fluido que podem ajudar a garantir que o sistema a partir do qual a amostra de fluido sendo analisada está operando apropriadamente. O sensor óptico 102 pode comunicar informação característica detectada ao controlador 106 via a conexão 118.
[041 ]O sensor óptico 102 pode ser controlado pelo controlador 106 ou um ou mais outros controladores dentro do sistema de fluido 100. Por exemplo, o sensor óptico 102 pode incluir um controlador de dispositivo (não ilustrado na Figura 1) que controla o sensor óptico para emitir luz para o fluido sob análise e também para detectar a luz recebida de volta do fluido. O controlador de dispositivo pode ser posicionado fisicamente adjacente aos outros componentes do sensor óptico, tal como dentro de um alojamento que aloja uma fonte de luz e detector do sensor óptico. Em tais exemplos, o controlador 106 pode funcionar como um controlador do sistema que é acoplado de comunicativa ao controlador de dispositivo do sensor óptico 102. O controlador do sistema 106 pode controlar o sistema de fluido 106 com base nos dados de características ópticas recebidos a partir e/ou gerados pelo controlador de dispositivo. Em outros exemplos, o sensor óptico 102 não inclui um controlador de dispositivo separado, mas em vez disso, é controlado pelo controlador 106 que também controla o sistema de fluido 100. Por conseguinte, embora o sensor óptico 102 seja geralmente descrito como sendo controlado pelo controlador 106, dever-se-ia apreciar que o fluido sistema 100 pode incluir um ou
16/60 mais controladores (por exemplo, dois, três, ou mais), a trabalhando sozinhos ou em combinação, para realizar as funções atribuídas ao sensor óptico 102 e ao controlador 106 nesta descrição. Os dispositivos descritos como controladores podem incluir processadores, tais como microprocessadores, processadores de sinal digital (DSPs), circuitos integrados de aplicação específica (ASICs), arranjos de portas programáveis em campo (FPGA), ou qualquer outro equivalente integrado ou circuitos lógicos discretos, bem como quaisquer combinações de tais componentes.
[042]No exemplo ilustrado na Figura 1, o processador 112 do controlador 106 pode receber informação de característica óptica determinada a partir do sensor óptico 102 e comparar a informação de característica determinada com um ou mais limites armazenados na memória 114, tal como um ou mais limites de concentração. Com base na comparação, o controlador 106 pode ajustar o sistema de fluido 100, por exemplo, de modo que a característica detectada corresponda a um valor alvo para a característica. Em alguns exemplos, o controlador 106 inicia e/ou para a bomba 108 ou aumenta e/ou diminui a velocidade da bomba 108 para ajustar a concentração de um composto químico fluindo através do caminho de fluido 110. Iniciar a bomba 108 ou aumentar a taxa de operação da bomba 108 pode aumentar a concentração do composto químico no fluido. Parar a bomba 108 ou diminuir a taxa de operação da bomba 108 pode reduzir a concentração do composto químico no fluido. Em alguns exemplos adicionais, o controlador 106 pode controlar o fluxo de água que se mistura com um composto químico no reservatório 104 com base na informação de característica determinada, por exemplo, iniciando ou parando uma bomba que controla o fluxo de água ou aumentando ou diminuindo a taxa na qual a bomba opera. Embora não ilustrado no sistema de fluido exemplificado 100 da Figura 1, o controlador 106 pode também ser acoplado de forma comunicativa a um trocador de calor, aquecedor, e/ou refrigerador para regular a temperatura do fluido fluindo através do caminho de fluido 110 com base na informação de característica
17/60 recebida a partir do sensor óptico 102.
[043]Em ainda outros exemplos, o sensor óptico 102 pode ser usado para determinar uma ou mais características de um volume fixo de fluido que não flui através de uma câmara de fluxo do sensor óptico. Por exemplo, o sensor óptico 102 pode ser implementado como uma ferramenta de monitoramento fora de linha (por exemplo, como um sensor portátil), que requer o preenchimento do sensor óptico com uma amostra de fluido extraída manualmente do sistema de fluido 100. Alternativamente, o sensor óptico 102 pode engatar em uma parte do sistema de fluido 100 configurado para receber e reter um volume fixo do fluido, tal como um dispositivo de paragem de fluxo, ou de outra forma, um recipiente externo para receber o fluido e engatar no sensor óptico 102. Em algumas modalidades, um controlador 106 pode controlar um sistema de bombas e/ou válvulas para direcionar uma quantidade finita da amostra a ser medida em tal recipiente fixo equipado com um sensor 102.
[044]O sistema de fluido 100 no exemplo da Figura 1 também inclui o reservatório 104, a bomba 108, e o caminho de fluido 110. O reservatório 104 pode ser qualquer tipo de recipiente que armazena um agente químico para entrega subsequente, incluindo, por exemplo, um tanque, um saco, uma garrafa e uma caixa. O reservatório 104 pode armazenar um líquido, um sólido (por exemplo, pó), e/ou um gás. A bomba 108 pode ser qualquer forma de mecanismo de bombeamento que fornece fluido a partir do reservatório 104. Por exemplo, a bomba 108 pode compreender uma bomba peristáltica ou outra forma de bomba contínua, uma bomba de deslocamento positivo, ou qualquer outro tipo de bomba apropriada para a aplicação particular. Em exemplos nos quais o reservatório 104 armazena um sólido e/ou um gás, a bomba 108 pode ser substituída por um tipo diferente de dispositivo de medição configurado para entregar o gás e/ou agente químico sólido para uma localização de descarga pretendida. O caminho de fluido 110 no sistema
18/60 de fluido 100 pode ser qualquer tipo de tubulação, tubagem, ou duto flexível ou inflexível.
[045]No exemplo da Figura 1, o sensor óptico 102 determina uma característica do fluido fluindo através do caminho de fluido 110 (por exemplo, a concentração de um composto químico, temperatura ou similares) e o controlador 106 controla o sistema de fluido 100 com base na característica determinada e, por exemplo, uma característica alvo armazenada na memória 114. A Figura 2 é um diagrama de blocos de um sensor óptico exemplificado 202 que pode ser instalado no sistema de fluido 100 para monitorar uma característica de um fluido fluindo através do caminho de fluido 110. O sensor 202 pode ser usado como o sensor óptico 102 no sistema de fluido 100, ou o sensor 202 pode ser utilizado em outras aplicações além do sistema de fluido 100.
[046]No exemplo da Figura 2, o sensor 202 inclui um alojamento 203, um primeiro emissor óptico 220, um segundo emissor óptico 224, uma janela óptica 228, e um detector óptico 234. O alojamento 203 aloja o primeiro emissor óptico 220, o segundo emissor óptico 224, e o detector óptico 234. A janela óptica 228 é posicionada em uma superfície externa do alojamento 203 para fornecer uma barreira opticamente transmissivo à prova de fluido entre um interior do alojamento e a amostra de fluido 230 que contata a superfície externa do alojamento. Em operação, o primeiro emissor óptico 220 e o segundo emissor óptico 224 emitem luz que é direcionada através da janela óptica 228 e para a amostra de fluido 230 sob análise. Em resposta à luz emitida pelo primeiro emissor óptico 222 e/ou pelo segundo emissor óptico 224 incidindo na janela óptica adjacente 228, o fluido pode dispersar a luz e/ou gerar emissões fluorescentes. A luz dispersa e/ou as emissões fluorescentes podem passar através de janela óptica 228 para serem detectadas pelo detector óptico 234.
[047]Para controlar a transmissão de luz para e a partir da janela óptica 228,
19/60 o sensor óptico 202 inclui ao menos um caminho óptico 226 opticamente conectando vários componentes do sensor óptico à amostra de fluido 230 sob análise. O caminho óptico 226 pode guiar a luz emitida pelo primeiro emissor óptico 220 e o segundo emissor óptico 224 de modo que a luz é guiada a partir dos emissores ópticos, através da lente óptica 228, e para a amostra de fluido 230. O caminho óptico 226 também pode guiar a luz recebida a partir da amostra de fluido 230 através da janela óptica 228 de modo que a luz seja guiada para o detector óptico 234. Quando assim configurado, o primeiro emissor óptico 220 e o segundo emissor óptico 224 podem ser posicionados dentro do alojamento 203 para direcionar a luz para o caminho óptico 226 e o detector óptico 234 pode ser posicionado dentro do alojamento para receber luz a partir do caminho óptico. Tal arranjo pode permitir que o sensor óptico 202 seja configurado com uma única lente óptica através da qual várias fontes de luz emitem luz e por meio da qual a luz também é recebida e detectada a partir de uma amostra de fluido sob análise. Isso pode ajudar a minimizar o tamanho do sensor óptico 202, por exemplo, de modo que o sensor seja suficientemente compacto para ser inserido através de uma tubulação mecânica em uma peça de equipamento de processo contendo fluido para análise.
[048]O sensor óptico 202 pode incluir qualquer número apropriado de caminhos ópticos opticamente conectando vários componentes emissores e detectores alojados dentro do alojamento 203 para a amostra de fluido sob análise via a janela óptica 228. No exemplo da Figura 2, o sensor óptico 202 é conceitualmente ilustrado como tendo um primeiro caminho óptico 226 e um segundo caminho óptico 236. O segundo caminho óptico 236 é opticamente conectado ao primeiro caminho óptico 226 e também opticamente conectado ao primeiro emissor óptico 220 e ao segundo emissor óptico 224. O segundo caminho óptico 236 pode receber luz a partir do primeiro emissor óptico 220 e do segundo emissor óptico 224 e guiar a luz para o primeiro caminho óptico 226 que, por sua
20/60 vez, guia a luz através da janela óptica 228 para a amostra de fluido 230 sob análise. Ao configurar o sensor óptico 202 com caminhos ópticos adicionais, vários emissores de luz e os detectores no sensor óptico podem ser opticamente conectados à amostra de fluido sob análise sem serem posicionados diretamente adjacentes ao primeiro caminho óptico 226.
[049]Os caminhos ópticos no sensor óptico 202 podem ser canais, segmentos de tubulação opticamente condutora (por exemplo, linhas de fibra óptica), ou dutos que permitem que a luz seja conduzida através do sensor óptico. Os caminhos ópticos também podem ser usinados ou fundidos no alojamento 203 do sensor óptico. Em exemplos diferentes, os caminhos ópticos podem ou não ser rodeados por um material opticamente opaco, por exemplo, para limitar o movimento da luz através dos caminhos ópticos e para evitar que a luz escape através dos lados dos caminhos ópticos. Quando o sensor óptico 202 inclui múltiplos caminhos ópticos, a interseção de um caminho óptico com um outro caminho óptico pode ser definida onde a luz viajando linearmente através de um caminho óptico é exigida que mude de direção para viajar através do outro caminho óptico.
[050]No exemplo da Figura 2, o sensor óptico 202 inclui ao menos uma fonte de luz, e, no exemplo ilustrado, é mostrado com duas fontes de luz: o primeiro emissor óptico 220 e o segundo emissor óptico 224. Cada uma do primeiro emissor óptico 220 e do segundo emissor óptico 224 é uma fonte de luz e pode ser implementado utilizando qualquer fonte de luz adequada, tal como um laser, uma lâmpada, um LED, ou similar. Em algumas modalidades, o primeiro emissor óptico 220 e/ou o segundo emissor óptico 224 são configurados para emitir feixes de luz substancialmente não colimados para o caminho óptico 226. Neste caso, o sensor óptico 202 pode incluir componentes ópticos para colimar a luz a partir do primeiro emissor óptico 220 e/ou do segundo emissor óptico 224 a fim de alcançar uma eficiência óptica maior durante a operação.
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[051 ]Configurar o sensor óptico 202 com várias fontes de luz pode ser útil, por exemplo, para emitir luz em diferentes comprimentos de onda para a amostra de fluido 230. Por exemplo, o primeiro emissor óptico 220 pode ser configurado para emitir luz dentro de uma primeira gama de comprimentos de onda para a amostra de fluido 230 para gerar emissões fluorescentes dentro do fluido. O segundo emissor óptico 224 pode ser configurado para emitir luz dentro de uma segunda gama de comprimentos de onda diferentes da primeira gama de comprimentos de onda para medir a quantidade de luz dispersa pela amostra de fluido 230.
[052]lndependentemente do número específico de fontes de luz incluídas no sensor óptico 202, o sensor óptico inclui uma janela óptica 228 através da qual a luz é direcionada para e recebida a partir da amostra de fluido 230. Em alguns exemplos, a janela óptica 228 foca a luz direcionada para e/ou recebida a partir da amostra de fluido sob análise. Em tais exemplos, a janela óptica 228 pode ser chamada de uma lente óptica. Em outros exemplos, a janela óptica 228 passa a luz direcionada para e/ou recebida a partir da amostra de fluido sem focar a luz. Portanto, embora a janela óptica 228 seja também chamada de uma lente óptica 228 nesta descrição, deveria ser apreciado que um sensor óptico de acordo com a invenção pode ter uma janela óptica que foca ou não a luz.
[053]A janela óptica 228 é opticamente conectada a caminhos ópticos 226 e, em alguns exemplos, fisicamente conectada a uma extremidade terminal do caminho óptico. Em diferentes exemplos, a janela óptica 228 é formada de uma única lente ou um sistema de lentes capaz de direcionar a luz e para receber luz a partir da amostra de fluido 230. A janela óptica 228 pode ser integrada (permanentemente acoplada) ao alojamento 203 ou pode ser removível do alojamento. Em alguns exemplos, a janela óptica 228 é uma lente óptica formada por uma lente esférica posicionada dentro do caminho óptico 226 para vedar o caminho óptico e evitar que o fluido a partir da amostra de fluido 230 entre no caminho óptico. Em tais exemplos,
22/60 a lente esférica pode estender-se distalmente a partir de uma face externa do alojamento 203, por exemplo, para um fluxo de fluido em movimento. A lente óptica 228 pode ser fabricada a partir de vidro, safira, ou outros materiais opticamente transparentes adequados.
[054]Como brevemente mencionado acima, o caminho óptico 226 é configurado para direcionar a luz através de uma janela óptica 228 opticamente conectada ao caminho óptico e também para receber a luz a partir da amostra de fluido através da janela óptica 228. Para detectar a luz recebida a partir da amostra de fluido sob análise, o sensor óptico 202 inclui ao menos um detector óptico 234 conectado opticamente ao caminho óptico 226. O detector óptico 234 pode ser implementado utilizando qualquer detector adequado para detectar luz, tal como um fotodiodo de estado sólido ou fotomultiplicador, por exemplo. O detector óptico 234 pode ser sensível, e, por conseguinte, detectar, apenas uma banda estreita de comprimentos de onda. Alternativamente, o detector óptico 234 podem ser sensível, e, por conseguinte, detectar, uma ampla gama de comprimentos de onda de luz.
[055]Durante a operação, a luz é emitida para a amostra de fluido 230 através da janela óptica 228 opticamente conectada ao caminho óptico 226. A janela 228 pode adicionalmente coletar a luz a partir da amostra de fluido 230, tal como a luz dispersa da amostra ou emitida pela amostra através de um mecanismo tal como fluorescência. Tal luz pode ser direcionada a partir da amostra de fluido 230 de volta para o caminho óptico 226 através da janela 228 e recebida pelo detector óptico 234.
[056]Para controlar os comprimentos de onda da luz emitida pelos emissores ópticos e/ou detectada pelo detector óptico no sensor 202, o sensor óptico pode incluir um filtro óptico. O filtro óptico pode filtrar os comprimentos de onda de luz emitida pelos emissores ópticos e/ou recebida pelos detectores ópticos, por exemplo, de modo que apenas certos comprimentos de onda de luz são emitidos
23/60 para a amostra de fluido 230 e/ou recebidos a partir da amostra de fluido e detectados pelo detector óptico 234.
[057]Por exemplo, o sensor 202 pode incluir um filtro óptico 232 configurado para evitar que a luz indesejada recebida a partir da amostra de fluido 230 colida com o detector óptico 234. Se a detecção de um comprimento de onda particular ou uma banda de comprimentos de onda é desejada, mas o detector óptico 234 é sensível a uma banda mais larga ou, de outro modo, um grande número de comprimentos de onda, o filtro 232 pode agir para evitar que a luz fora da banda desejada colida com o detector óptico 234. O filtro 232 pode absorver ou refletir a luz que ele não permite a passagem.
[058]De acordo com algumas modalidades, um do primeiro emissor óptico 220 e do segundo emissor óptico 224 pode emitir uma banda mais larga de comprimentos de onda que é desejada ou útil para o uso com o sensor 202, como será explicado em mais detalhes abaixo. Por conseguinte, o sensor 202 pode incluir um filtro 222 disposto entre o primeiro 220 e/ou o segundo emissor óptico 224 e a amostra de fluido 230. O filtro 222 pode ser configurado para evitar que certos comprimentos de onda de luz atinjam a amostra de fluido 230 através do caminho óptico 226. Tal filtro 222 pode ser posicionado para filtrar ao menos parcialmente a luz de um ou ambos do primeiro emissor óptico 220 e do segundo emissor óptico 224. Por exemplo, na Figura 2, o filtro óptico 222 é mostrado disposto entre o primeiro emissor óptico 220 e o segundo caminho óptico 236.
[059]Durante a operação, o sensor óptico 202 pode controlar o primeiro emissor óptico 220 para emitir luz em um primeiro comprimento de onda (por exemplo, gama de comprimentos de onda) para a amostra de fluido 230, controlar o segundo emissor óptico 224 para emitir luz em um segundo comprimento de onda (por exemplo, gama de comprimentos de onda) para a amostra de fluido, e receber luz a partir da amostra de fluido no detector óptico 234. De acordo com algumas
24/60 modalidades, o primeiro emissor óptico 220 é configurado para emitir luz em um comprimento de onda suficiente para fazer com que as moléculas na amostra de fluido 230 sob análise fluoresçam. A luz fluorescente pela amostra de fluido 230 pode ser coletada pela janela óptica 228 e direcionada para o caminho óptico 226 como um feixe de emissão. Adicionalmente, o segundo emissor óptico 224 pode ser configurado para emitir luz em um comprimento de onda suficiente para fazer com que a luz disperse pela amostra de fluido 230 sob análise. Tal dispersão de luz pode ocorrer quando a amostra de fluido 230 é turva, por exemplo, e contém partículas refletoras de luz. A luz dispersa pela amostra de fluido 230 pode ser coletada pela janela óptica 228 e direcionada de volta para o caminho óptico 226 como um feixe de dispersão.
[060]Embora os comprimentos de onda possam variar, em alguns exemplos, o primeiro emissor óptico 220 é configurado para emitir luz dentro de um comprimento de onda que varia de aproximadamente 225 nanometros (nm) a aproximadamente 700 nm, tal como de aproximadamente 250 nm a aproximadamente 350 nm, ou de aproximadamente 265 nm a aproximadamente 290 nm. O segundo emissor óptico 224 pode emitir luz em um comprimento de onda que varia de aproximadamente 750 nm a aproximadamente 1200 nm, tal como de aproximadamente 800 nm a aproximadamente 900 nm. Por exemplo, o primeiro emissor óptico 220 pode emitir luz dentro do espectro ultravioleta (UV), enquanto o segundo emissor óptico 224 emite luz dentro do espectro infravermelho (IV). Outros comprimentos de onda são ambos considerados e possíveis, e deveria ser apreciado que a descrição não está limitada nesse aspecto.
[061]Para detectar a luz que emana a partir da amostra de fluido 230 sob análise (por exemplo, as emissões fluorescentes, de dispersão de luz), o sensor 202 da Figura 2 inclui ainda um detector óptico 234. O detector óptico 234 é opticamente conectado ao caminho óptico 226 e pode receber ao menos uma porção do feixe de
25/60 emissão fluorescente e o feixe de luz disperso transmitido através da janela óptica 228 a partir da amostra de fluido 230 sob análise. Ao entrar no alojamento 203, as porções recebidas do feixe de emissão fluorescente e do feixe de luz dispersa podem ser direcionadas para o detector óptico através do caminho óptico 226 para medição e/ou análise. Em algumas modalidades, as intensidades dos feixes são medidas pelo detector óptico 234 e utilizadas para determinar a informação sobre a amostra, tal como a concentração de um componente particular (por exemplo, um composto fluorescente e/ou um composto não fluorescente) nele contida. A informação sobre a amostra de fluido sob análise carregada pela luz dispersa e as emissões fluorescentes recebidas a partir da amostra de fluido e detectadas pelo detector óptico 234 pode fornecer diferentes canais de informação, por exemplo, para caracterizar a amostra de fluido e/ou controlar o sistema contendo a amostra de fluido.
[062]Por exemplo, o sensor óptico 202 pode usar a informação de dispersão de luz detectada pelo detector óptico 234 para ajustar ou corrigir a quantidade de emissões fluorescentes detectada pelo sensor óptico e/ou cálculos com base nas emissões fluorescentes medidas. A turbidez da amostra de fluido sob análise pode afetar a magnitude das emissões fluorescentes geradas pela amostra de fluido e/ou recebidas pelo detector óptico 234. O sensor óptico 202 pode compensar esses efeitos de turbidez medindo a quantidade de turbidez na amostra de fluido, que pode ser proporcional à quantidade de luz dispersa pela amostra de fluido, e ajustando a magnitude das emissões fluorescentes medidas com base na medição da turbidez. Além disso, o detector óptico 234 pode medir a quantidade de luz dispersa pela amostra de fluido 230 em resposta à luz emitida pelo segundo emissor óptico 224 e determinar outras características da amostra de fluido. Por exemplo, o sensor óptico 202 pode determinar uma concentração de uma espécie não fluorescente (por exemplo, um contaminante) na amostra de fluido com base na quantidade de luz
26/60 dispersa pela amostra de fluido e, por exemplo, dados de calibração armazenados na memória. Por exemplo, se a amostra de fluido 230 sob análise tem uma primeira concentração de um composto(s) químico não fluorescente, o detector óptico 234 pode detectar uma primeira magnitude de luz dispersa. No entanto, se a amostra de fluido tem uma segunda concentração do composto(s) químico não fluorescente que é maior do que a primeira concentração, o detector óptico 234 pode detectar uma segunda magnitude da luz dispersa que é maior do que a primeira magnitude.
[063]O sensor óptico 202 inclui ao menos um, e opcionalmente, vários detectores ópticos para detectar a luz recebida a partir da amostra de fluido 230 em resposta à luz emitida pelo primeiro emissor óptico 220 e/ou pelo segundo emissor óptico 224. Para medir a quantidade de luz emitida pelo primeiro emissor óptico 220 e/ou pelo segundo emissor óptico 224 para a amostra de fluido 230 sob análise, o sensor óptico 202 também pode incluir ao menos um detector de referência. O detector de referência pode ser posicionado dentro do alojamento 203 e configurado para medir a luz emitida pelo primeiro emissor óptico 220 e/ou pelo segundo emissor óptico 224. A quantidade de luz recebida a partir da amostra de fluido 230 em resposta à luz emitida pelo primeiro emissor óptico 220 e/ou pelo segundo emissor óptico 224 pode variar com base na quantidade de luz emitida originalmente pelo primeiro e pelo segundo emissor óptico. Por conseguinte, as medições de luz feitas pelo detector de referência podem ser utilizadas para ajustar as medições da luz efetuadas pelo detector óptico 234.
[064]Na modalidade da Figura 2, o sensor óptico 202 inclui um segundo detector óptico 238 que pode funcionar como um detector de referência. O segundo detector óptico 238 está em comunicação óptica com o segundo caminho óptico 236 e é configurado para receber luz a partir do mesmo. Em algumas modalidades, o segundo detector óptico 238 é configurado para receber luz a partir de ambos o primeiro emissor óptico 220 e o segundo emissor óptico 224, por exemplo, em
27/60 sequência alternada. Essa luz pode ser medida no segundo detector óptico 238 a fim de determinar as condições de operação do sensor, calibrar o sensor, ou para executar qualquer outra função útil associada com o sensor. Em uma modalidade exemplificada, o segundo detector óptico 238 pode detectar a luz recebida a partir do primeiro emissor óptico 220 e, em seguida, detectar a luz recebida a partir do segundo emissor óptico 224. O sensor óptico 202 pode então determinar as intensidades relativas ou uma relação de intensidade entre a luz emitida a partir dos dois emissores ópticos. Essa informação pode ser usada para complementar a informação determinada sobre a amostra de fluido sob análise, tal como ajustar uma característica de fluido determinada com base na luz recebida pelo primeiro detector óptico 234.
[065]O sensor óptico 202 é configurado para medir ao menos uma característica óptica da amostra de fluido 230 sob análise. Para complementar a informação de característica óptica gerada pelo sensor óptico 202, o sensor pode incluir um ou mais sensores não ópticos configurados para medir as características não ópticas da amostra de fluido 230 sob análise. O hardware/software do sensor não óptico pode ser alojado dentro do alojamento 203 e inclui um contato que se estende através de uma superfície externa do alojamento (por exemplo, adjacente à lente óptica 228) para medir uma propriedade não óptica da amostra de fluido sob análise. Como exemplos, o sensor óptico 202 pode incluir um sensor de temperatura, um sensor de pH, um sensor de condutividade elétrica, e/ou um sensor de taxa de fluxo. Quando utilizado, o sensor de temperatura pode detectar uma temperatura do fluido adjacente ao sensor; o sensor de pH pode determinar um pH do fluido adjacente ao sensor; o sensor de condutividade pode determinar uma condutividade elétrica do fluido adjacente ao sensor; e o sensor de fluxo pode monitorar uma taxa de fluido fluindo passado o sensor. Em um exemplo, o sensor óptico 202 inclui tanto um sensor de temperatura quanto um sensor de
28/60 condutividade elétrica. O sensor óptico 202 pode incluir sensores não ópticos adicionais ou diferentes, e a descrição não está limitada a um sensor óptico que utiliza qualquer tipo particular de sensor não óptico.
[066]O sensor 202 da Figura 2 pode ter um número de diferentes configurações físicas. A Figura 3 é um desenho esquemático de um arranjo exemplificado de componentes que podem ser utilizados pelo sensor óptico da Figura 2. A Figura 3 mostra um sensor 302 para medir ao menos uma propriedade de uma amostra de fluido. Similar ao sensor da Figura 2, o sensor 302 compreende um primeiro emissor óptico 320 e um segundo emissor óptico 324. O primeiro 320 e o segundo emissor óptico 324 podem incluir quaisquer fontes de luz adequadas, incluindo aqueles discutidos acima, com relação à Figura 2. Durante a operação, o primeiro emissor óptico 320 pode emitir luz em um primeiro comprimento de onda, enquanto o segundo emissor óptico 324 pode emitir luz em um segundo comprimento de onda. O primeiro comprimento de onda pode ser o mesmo comprimento de onda ou gama de comprimentos de onda como o segundo comprimento de onda, ou o primeiro comprimento de onda pode ser um comprimento de onda diferente ou gama de comprimentos de onda como no segundo comprimento de onda. Dependendo da aplicação, o primeiro emissor óptico 320 e o segundo emissor óptico 324 podem emitir luz dentro do espectro ultravioleta (UV), infravermelho (IR), e/ou espectro de luz visível. Em alguns exemplos como descrito acima, o primeiro comprimento de onda pode fazer com que as moléculas na amostra de fluido sob análise (por exemplo, amostra de fluido 230) excitem e fluoresçam, enquanto o segundo comprimento de onda pode dispersar a amostra de fluido sob análise.
[067]Adicionalmente, o primeiro 320 e/ou o segundo emissor óptico 324 pode ser tal que um ou ambos emitem luz desnecessária ou indesejável em adição ao primeiro ou segundo comprimento de onda desejado de luz a ser emitida. Para
29/60 evitar que tal luz afete indesejavelmente as medições, o sensor 302 pode incluir um primeiro filtro óptico 322 configurado para limitar a luz emitida pelo primeiro emissor óptico 320 para a amostra em análise. A modalidade da Figura 3 mostra um primeiro filtro óptico 322 posicionado entre o primeiro emissor óptico 320 e uma janela óptica parcialmente refletora 342. O primeiro filtro óptico 322 pode ser configurado para filtrar, por exemplo, substancialmente todos os comprimentos de onda de luz dentro de uma gama de luz fluorescente emitida pela amostra de fluido, quando a amostra de fluido emite fluorescência. Tal filtro 322 pode ajudar a eliminar a falsa detecção de fluorescência pelo detector 334 no sensor devido à dispersão da luz dentro da mesma gama de comprimentos de onda das emissões fluorescentes. Por exemplo, se o primeiro emissor óptico 320 fosse emitir luz dentro do comprimento de onda das emissões fluorescentes geradas pela amostra de fluido sob análise, o detector óptico 334 pode detectar tanto as emissões fluorescentes geradas pela amostra de fluido quanto a luz emitida pelo primeiro emissor óptico 320 e dispersa de volta para o detector óptico 334. O filtro óptico 322 pode filtrar a luz emitida pelo primeiro detector óptico 334 dentro da gama de comprimentos de onda das emissões fluorescentes.
[068]O sensor 302 no exemplo da Figura 3 também inclui um alojamento 303 que aloja vários componentes de hardware/software do sensor e controla o movimento da luz através do sensor. Em algumas modalidades, o alojamento 303 contém todos ou alguns do primeiro emissor óptico 320 e/ou do segundo emissor óptico 324, enquanto em outras modalidades, os emissores estão localizados externos ao alojamento 303.
[069]Como foi o caso com o sensor esquemático mostrado na Figura 2, a modalidade mostrada na Figura 3 inclui um detector óptico 334, uma janela óptica 328 (por exemplo, lente óptica 328) para direcionar a luz para dentro e receber a luz a partir de uma amostra de fluido, e um caminho óptico 326. No exemplo ilustrado, a lente óptica 328 é mostrada separada fisicamente, mas opticamente conectada ao
30/60 caminho óptico 326. Em outros exemplos, a lente 328 é conectada fisicamente (por exemplo, acoplada) a uma extremidade terminal do caminho óptico.
[070]Para controlar o movimento da luz através do sensor óptico 302, o sensor óptico inclui ao menos um caminho óptico que, no exemplo ilustrado, é mostrado como três caminhos ópticos: um primeiro caminho óptico 326, um segundo caminho óptico 336, e um terceiro caminho óptico 327. Os caminhos ópticos podem definir canais delimitados, tubos, dutos ou cavidades que controlam o movimento da luz através do sensor. Os emissores e detectores do sensor óptico 302 podem ser dispostos em torno dos caminhos ópticos para direcionar a luz para os caminhos ópticos e/ou receber a luz a partir dos caminhos ópticos. Por exemplo, o primeiro emissor óptico 320 e o segundo emissor óptico 324 na Figura 3 são configurados para direcionar a luz para o primeiro caminho óptico 326 que está opticamente conectado à lente óptica 328 e, subsequentemente, a amostra de fluido sob análise. Ademais, o detector óptico 334 na Figura 3 é configurado para receber luz a partir do primeiro caminho óptico 326 que emana da amostra de fluido sob análise e viaja através da lente óptica 328.
[071 ]O sensor óptico 302 pode ter um número de configurações diferentes de caminho óptico e as configurações podem variar, por exemplo, com base no número de emissores e detectores ópticos contidos no sensor. No exemplo da Figura 3, o sensor óptico 302 inclui o primeiro caminho óptico 326 posicionado entre a lente óptica 328 e o primeiro detector óptico 334. A luz que se desloca linearmente através da lente óptica 328 (por exemplo, um centro óptico da lente) pode viajar através do primeiro caminho óptico 326 e colidir com o primeiro detector óptico 334 (por exemplo, um centro óptico do detector). Em tal exemplo, o primeiro caminho óptico 326 pode definir um eixo maior 340 que se estende ao longo do comprimento do caminho e que se estende através de um centro da lente óptica 328 (por exemplo, um centro óptico) e um centro do primeiro detector óptico 334 (por
31/60 exemplo, um centro óptico do detector). O primeiro caminho óptico 326 pode ser opticamente conectado a uma única janela óptica do detector (por exemplo, lente óptica 328) a outros componentes alojados dentro do alojamento 303.
[072]O primeiro emissor óptico 320 e o segundo emissor óptico 324 são configurados para emitir luz para o primeiro caminho óptico 326 e, subsequentemente, para a amostra de fluido sob análise. Em alguns exemplos, o primeiro emissor óptico 320 e/ou o segundo emissor óptico 324 emitem luz diretamente para o primeiro caminho óptico 326, por exemplo, sem emitir para um caminho óptico interveniente que intercepta o primeiro caminho óptico. Em outros exemplos, o primeiro emissor óptico 320 e/ou o segundo emissor óptico 324 emitem luz para um caminho óptico intermediário que é opticamente conectado ao primeiro caminho óptico 326. Isto é, o primeiro emissor óptico 320 e/ou o segundo emissor óptico 324 pode emitir luz indiretamente para o primeiro caminho óptico 326.
[073]No sensor óptico 302 na Figura 3, o primeiro emissor óptico 320 está posicionado para emitir luz para o segundo caminho óptico 336 que se estende para o primeiro caminho óptico 326. Ademais, o segundo emissor óptico 324 está posicionado para emitir luz para o terceiro caminho óptico 327 que se estende para o segundo caminho óptico 336 que, por sua vez, estende-se para o primeiro caminho óptico 326. O segundo caminho óptico 336 intercepta o primeiro caminho óptico 326, permitindo que ao menos uma porção da luz transmitindo a partir do primeiro emissor óptico 320 e do segundo emissor óptico 324 viaje através do segundo caminho óptico, para o primeiro caminho óptico, e através da lente óptica 328. O terceiro caminho óptico 327 intercepta o segundo caminho óptico, permitindo que ao menos uma porção da luz transmitindo a partir do segundo emissor óptico 324 viaje através do terceiro caminho óptico, para o segundo caminho óptico, para o primeiro caminho óptico, e através da lente óptica 328.
[074]Embora a configuração possa variar, o segundo caminho óptico 336 na
32/60
Figura 3 intercepta o primeiro caminho óptico 326 em um ângulo de aproximadamente 90 graus. Ademais, o terceiro caminho óptico 327 intercepta o segundo caminho óptico 336 em um ângulo de aproximadamente 90 graus. Em alguns exemplos, o terceiro caminho óptico 327 estende-se paralelamente ao primeiro caminho óptico 326, enquanto em outros exemplos, o terceiro caminho óptico não se estende paralelamente ao primeiro caminho óptico. Ao dispor os emissores ópticos e os detectores ópticos do sensor óptico 302 em torno de caminhos ópticos que se interceptam opticamente conectados a uma única lente óptica 328, o sensor pode fornecer um modelo compacto que pode ser facilmente instalado em uma variedade de processos químicos e de fluido.
[075]Nos exemplos em que o sensor óptico 302 inclui caminhos ópticos que se interceptam para controlar o movimento da luz, o sensor óptico pode também incluir elementos ópticos (por exemplo, refletores, janelas ópticas parcialmente refletoras) que direcionam a luz recebida a partir de um caminho óptico interceptando outro caminho óptico. Os elementos ópticos podem ajudar a controlar a direção do movimento de luz para a lente óptica 328 e/ou para os detectores ópticos 334, 338.
[076]No exemplo ilustrado da Figura 3, o sensor inclui uma janela óptica parcialmente refletora 344 que está posicionada na interseção do primeiro 326 e do segundo caminho óptico 336. A janela óptica parcialmente refletora 344 é configurada de modo a refletir ao menos uma porção da luz emitida pelo primeiro emissor óptico 320 e pelo segundo emissor óptico 324 a partir do segundo caminho óptico 336 para o primeiro caminho óptico 326. Em algumas modalidades, a janela óptica parcialmente refletora é ainda configurada para transmitir luz a partir da amostra de fluido e da lente 328 para o detector óptico 334. Em consequência, a janela óptica parcialmente refletora pode ser configurada para transmitir e refletir porções de luz incidente. O ângulo da janela óptica parcialmente refletora 344 em
33/60 relação à direção de deslocamento da luz através do primeiro caminho óptico pode variar, por exemplo, com base no ângulo no qual o primeiro caminho óptico 326 intercepta o segundo caminho óptico 336. No entanto, na Figura 3, em que o primeiro caminho óptico 326 intercepta o segundo caminho óptico 336 em um ângulo grau de aproximadamente 90, a janela óptica parcialmente refletora 344 está orientada em um ângulo de aproximadamente 45 graus, por exemplo, em relação à direção de deslocamento da luz através tanto do primeiro caminho óptico 326 quanto do segundo caminho óptico 336.
[077]De acordo com várias modalidades, a janela óptica parcialmente refletora 344 pode ser configurada para refletir ou transmitir entre 0% e 100% da luz incidente, com as porcentagens de reflexão e transmissão sendo dependentes do comprimento de onda. Qualquer elemento óptico adequado pode ser utilizado como janela óptica parcialmente refletora 344. Tal janela óptica parcialmente refletora 344 pode compreender, por exemplo, um filtro dicroico, ou qualquer outro componente óptico adequado.
[078]Em operação, a janela óptica parcialmente refletora 344 da Figura 3 é configurada para refletir a luz a partir do primeiro 320 e do segundo emissor óptico 324 a partir do segundo caminho óptico 336 para o primeiro caminho óptico 326 (por exemplo, aproximadamente 90 graus). Isso pode alterar a direção da luz emitida pelo primeiro emissor óptico 320 e pelo segundo emissor óptico 324 de viajar ao longo do comprimento do segundo caminho óptico 336 para viajar ao longo do comprimento do primeiro caminho óptico 326. Enquanto a janela óptica parcialmente refletora 344 pode refletir ao menos porção da luz emitida pelo primeiro emissor óptico 320 e pelo segundo emissor óptico 324, por exemplo, para a amostra de fluido sob análise, a janela óptica parcialmente refletora pode também permitir que ao menos uma porção da luz recebida a partir da amostra de fluido passe através da janela óptica parcialmente refletora. Por exemplo, a luz dispersa pela amostra de
34/60 fluido sob análise e/ou as emissões fluorescentes geradas pela amostra de fluido pode entrar para o primeiro caminho óptico 326 e ao menos parcialmente transmitir através da janela óptica parcialmente refletora 344 (por exemplo, sem ser refletida ou absorvida pela janela óptica) a ser detectada pelo detector óptico 334. Desse modo, a janela óptica parcialmente refletora 344 pode refletir a luz recebida a partir dos emissores ópticos para a amostra de fluido e transmitir a luz recebida a partir da amostra de fluido a ser detectada pelo detector óptico 334.
[079]Em algumas modalidades, o sensor 302 inclui ainda um defletor de feixes laser 346, posicionado oposto à janela óptica parcialmente refletora 344 do primeiro 320 e do segundo emissor óptico 324 ao longo do segundo caminho óptico 336. O defletor de feixes laser 346 é configurado para absorver ou capturar qualquer luz que seja incidente no mesmo. Por exemplo, em algumas modalidades, qualquer luz que é transmitida a partir do segundo caminho óptico 336 através da janela óptico parcialmente refletora 344 será transmitida para o defletor de feixes laser 346, onde ela será absorvida e impedida de ser detectada pelo detector óptico 334.
[080]0 sensor óptico 302 na Figura 3 inclui também um segundo detector óptico 338, que pode funcionar como um detector de referência para o sensor. O segundo detector óptico 338 está posicionado para receber a luz emitida pelo primeiro emissor óptico 320 e pelo segundo emissor óptico 324. Embora a localização possa variar, no exemplo ilustrado, o segundo detector óptico 338 está posicionado em um lado oposto do segundo caminho óptico 336 a partir do segundo emissor óptico 324. Em particular, o segundo detector óptico 338 está posicionado a uma extremidade terminal do terceiro caminho óptico 327, oposta ao segundo emissor óptico 324. Na modalidade exemplificativa ilustrada na Figura 3, o primeiro emissor óptico 320 e o segundo emissor óptico 324 são orientados substancialmente perpendiculares entre si, com o primeiro emissor óptico 320 sendo aproximadamente coaxial com o segundo caminho óptico 336 e o segundo emissor óptico 324 sendo
35/60 aproximadamente coaxial com um terceiro caminho óptico 327 e localizado oposto a um segundo detector óptico 338. Em outros exemplos, o segundo emissor óptico 324 (quando utilizado) pode ser posicionado em outras localizações dentro do sensor óptico 302, e dever-se-ia entender que esta descrição não se limita à configuração específica da Figura 3. Como um exemplo, as posições do primeiro emissor óptico 320 e do segundo emissor óptico 324 podem ser comutadas de modo que o primeiro emissor óptico está na posição ocupada pelo segundo emissor óptico mostrado na Figura 3 e o segundo emissor óptico está na posição ocupada pelo primeiro emissor óptico.
[081 ]Em exemplos nos quais o sensor óptico 302 inclui o terceiro caminho óptico 327 que intercepta o segundo caminho óptico 336, o sensor pode incluir uma janela óptica parcialmente refletora 342 que está posicionada na intersecção do segundo 336 e do terceiro caminho óptico 327. A janela óptica parcialmente refletora 342 pode ser configurada de modo a refletir ao menos uma porção da luz emitida pelo segundo emissor óptico 324 do terceiro caminho óptico para o segundo caminho óptico 336 e também transmitir ao menos uma porção da luz emitida pelo segundo emissor óptico 324 a ser recebida pelo segundo detector óptico 338. Além disso, a janela óptica parcialmente refletora 342 pode ser configurada de modo a refletir ao menos uma porção da luz emitida pelo primeiro emissor óptico 320 a partir do segundo caminho óptico para o terceiro caminho óptico 327 a ser recebida pelo segundo detector óptico 338 e também transmitir ao menos uma porção da luz emitida pelo primeiro emissor óptico 320 para passar através do segundo caminho óptico 336 para o primeiro caminho óptico 326. Qualquer elemento óptico adequado pode ser utilizado como a janela óptica parcialmente refletora 342. Tal janela óptica parcialmente refletora 342 pode compreender, por exemplo, um filtro dicroico, uma janela de quartzo, e/ou uma janela de safira. Em algumas modalidades, a janela óptica parcialmente refletora 342 inclui um revestimento antirreflexo.
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[082]O ângulo da janela óptica parcialmente refletora 342 em relação à direção do deslocamento da luz através do segundo caminho óptico 336 pode variar, por exemplo, com base no ângulo no qual o segundo caminho óptico 336 intercepta o terceiro caminho óptico 327. No entanto, na Figura 3, quando o segundo caminho óptico 336 intercepta o terceiro caminho óptico 327 em um ângulo de aproximadamente 90 graus, a janela óptica parcialmente refletora 342 está orientada em um ângulo de aproximadamente 45 graus, por exemplo, em relação à direção de deslocamento da luz através do segundo caminho óptico 336. Em particular, na modalidade exemplificativa ilustrada, a janela óptica parcialmente refletora 342 está orientada substancialmente a 45° em relação ao segundo 336 e ao terceiro caminho óptico 327, bem como o primeiro 320 e o segundo emissor óptico 324. Neste arranjo, a janela óptica parcialmente refletora 342 é configurada de modo a refletir uma porção da luz emitida pelo primeiro emissor óptico 320 a partir do segundo caminho óptico 336 para o terceiro caminho óptico 327, e para transmitir ao menos uma porção da luz emitida pelo segundo emissor óptico 324 para o terceiro caminho óptico 327. A janela óptica parcialmente refletora 342 mostrada na Figura 3, também pode atuar para transmitir uma porção da luz emitida a partir do primeiro emissor óptico 320 para o segundo caminho óptico 336 em direção ao primeiro caminho óptico 326, e para refletir uma porção da luz emitida a partir do segundo emissor óptico 324 a partir do terceiro caminho óptico 327 para o segundo caminho óptico 336 e em direção ao primeiro caminho óptico 326.
[083]A Figura 4 é um diagrama conceituai ilustrando fluxos de luz exemplificados através do sensor óptico ilustrado na Figura 3. Para facilidade de descrição, a Figura 4 ilustra a luz que emana a partir de um primeiro emissor óptico 420 e de um segundo emissor óptico 424 simultaneamente, e também a luz sendo recebida por um primeiro detector óptico 434 e por um segundo detector óptico 438 simultaneamente. Na prática, o primeiro emissor óptico 420 e o segundo emissor
37/60 óptico 424 podem emitir ao mesmo tempo ou em tempos diferentes. Além disso, o primeiro detector óptico 434 e o segundo detector óptico 438 podem receber luz, enquanto um ou ambos do primeiro emissor óptico 420 e do segundo emissor óptico 424 estão emitindo ou durante um período de tempo em que um ou ambos os emissores não estão emitindo luz para a amostra de fluido sob análise. Por conseguinte, embora a Figura 4 ilustre vários fluxos de luz como ocorrendo simultaneamente no sensor 402, dever-se-ia notar que um sensor óptico de acordo com a descrição não está limitado a tal operação exemplificada.
[084]No exemplo de sensor óptico 402, a luz é emitida a partir de um primeiro emissor óptico 420 em um primeiro comprimento de onda para um segundo caminho óptico 436. A luz a partir do primeiro emissor óptico 420 pode ser configurada para excitar a fluorescência em uma amostra de fluido e será assim chamada de feixe de excitação e geração 490 para fins de ilustração. Dentro do sensor 402 no exemplo da Figura 4, o feixe de excitação 490 é emitido para o segundo caminho óptico 436 onde ele encontra uma janela óptica parcialmente refletora 442. Uma porção do feixe de excitação 490 pode ser refletida pela janela óptica parcialmente refletora 442 para ser detectada por um segundo detector óptico 438, que pode funcionar como um detector de referência. Outra porção do feixe de excitação 490 pode passar através da janela óptica parcialmente refletora 442 e continuar a viajar através do segundo caminho óptico 436.
[085]Em operação, a luz também é emitida a partir de um segundo emissor óptico 424 em um segundo comprimento de onda para um terceiro caminho óptico 427. A luz a partir do segundo emissor óptico 424 pode ser configurada para dispersar a amostra de fluido e, assim, ser chamada de um feixe de dispersão e geração 492 para fins de ilustração. Dentro do sensor 402 no exemplo da Figura 4, o feixe de dispersão 492 é emitido para o terceiro caminho óptico 427 onde ele encontra a janela óptica parcialmente refletora 442. A porção do feixe de dispersão
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492 pode ser refletida pela janela óptica parcialmente refletora 442 na direção do segundo caminho óptico. Outra porção do feixe de dispersão 492 pode passar através da janela óptica parcialmente refletora 442 e continuar a viajar através do terceiro caminho óptico 427 para ser detectada pelo segundo detector óptico 438, que pode funcionar como um detector de referência.
[086]As porções do feixe de excitação 490 e do feixe de dispersão 492 viajando através do segundo caminho óptico 436 no exemplo da Figura 4 encontram a janela óptica parcialmente refletora 444. Uma porção do feixe de excitação 490 e do feixe de dispersão 492 encontrando a janela óptica parcialmente refletora 444 pode ser refletida pela janela óptica parcialmente refletora para o primeiro caminho óptico 426. Esses feixes refletidos no primeiro caminho óptico 426 são direcionados para a amostra de fluido sob análise através de uma lente óptica 428, disposta entre o primeiro caminho óptico e a amostra de fluido. Em alguns exemplos, outra porção do feixe de excitação 490 e do feixe de dispersão 492 encontrando a janela óptica parcialmente refletora 444 pode passar através da janela óptica parcialmente refletora para o defletor de feixes laser 446. O defletor de feixes laser 446 pode ser uma região opticamente absorvente do sensor óptico 402 posicionada em um lado oposto do primeiro caminho óptico 426 a partir do segundo caminho óptico 427. O defletor de feixes laser pode absorver a luz dirigida para a região, por exemplo, para ajudar a impedir a luz de refletir de volta no primeiro caminho óptico 426 e sendo detectada pelo detector óptico 434.
[087]Como descrito anteriormente, o feixe de excitação 490 viaja para a amostra de fluido através da lente óptica 428 pode excitar a fluorescência na amostra enquanto o feixe de dispersão 492 viajando na amostra de fluido pode dispersar, por exemplo, por materiais em suspensão na amostra, tais como óleo ou particulados. Em alguns exemplos, a luz fluorescente emitida pela amostra de fluido, em resposta ao feixe de excitação 490, está em um terceiro comprimento de onda
39/60 diferente do comprimento de onda ou comprimentos de onda englobados ou pelo feixe de excitação 490 ou pelo feixe de dispersão 429. Dependendo da amostra de fluido sob análise, o terceiro comprimento de onda pode estar no espectro UV ou UV-próximo, tal como na gama de aproximadamente 285 nm a aproximadamente 385 nm (por exemplo, um comprimento de onda superior a 300 nm, tal como 315 nm). A luz fluorescente e a luz dispersa podem ser captadas pela lente óptica 428 e direcionada de volta para o primeiro caminho óptico 426 do sensor 402. Em algumas modalidades, a lente óptica 428 atua para substancialmente colimar a luz fluorescente e a luz dispersa em um feixe de emissão 494 e um feixe disperso 496, respectivamente, que viajam de volta através do caminho óptico 426 para a janela óptica parcialmente refletora 444.
[088]Na configuração da Figura 4, a janela óptica parcialmente refletora 444 pode transmitir ao menos uma porção do feixe de emissão 494 gerado por moléculas fluorescentes na amostra de fluido sob análise e também ao menos uma porção do feixe disperso 496 gerado pela dispersão de luz causada pela amostra de fluido. O feixe de emissão 494 e o feixe disperso 496 podem entrar no sensor óptico 402 via a lente óptica 428 e viajar através do primeiro caminho óptico 426 antes de encontrar a janela óptica parcialmente refletora 444. Após colidir com a janela óptica parcialmente refletora 444, ao menos uma porção do feixe de emissão 494 e do feixe disperso 496 pode passar através da janela óptica parcialmente refletora e ser detectada pelo detector óptico 434.
[089]Em algumas modalidades, a janela óptica parcialmente refletora 444 pode transmitir mais luz ou comprimentos de onda de luz para o primeiro detector óptico 434 do que é desejado para caracterizar opticamente a amostra de fluido sob análise. Por exemplo, a janela óptica parcialmente refletora 444 pode permitir que alguma porção do feixe de excitação 490 passe através da mesma, de tal modo que a dispersão do feixe de excitação 490 para fora da amostra de fluido possa atingir o
40/60 primeiro detector óptico 434 e ser detectada como correspondendo às emissões fluorescentes emitidas pela amostra de fluido. Para ajudar a controlar a luz recebida e detectada pelo detector óptico 434, o sensor óptico 402 pode incluir um filtro óptico 432 disposto entre a lente óptica 428 e o primeiro detector óptico 434 para filtrar a luz indesejada. Na modalidade da Figura 4, o filtro óptico 432 é posicionado entre a janela óptica parcialmente refletora 444 e o primeiro detector óptico 434. Em algumas modalidades, o filtro óptico 432 é projetado para filtrar substancialmente todos os comprimentos de onda de luz (e, em outros exemplos, todos os comprimentos de onda de luz) emitidos pelo primeiro emissor óptico 420. Isso pode ajudar a evitar que a luz emitida pelo primeiro emissor óptico 420 que não gera emissões fluorescentes seja detectada pelo detector óptico 434 e caracterizada como emissões fluorescentes (por exemplo, luz a partir do primeiro emissor óptico 420 que se desloca em direção ao detector óptico 434 em vez de em direção à lente óptica 428 e/ou a luz a partir do emissor óptico que se dispersa na amostra de fluido, em vez de gerar emissões fluorescentes). O filtro óptico 432 pode transmitir substancialmente todos (e, em outros exemplos, todos) os comprimentos de onda de emissões fluorescentes emitidas a partir da amostra de fluido, em resposta à luz a partir do primeiro emissor óptico 420 e os comprimentos de onda de luz dispersa pela amostra de fluido em resposta à luz a partir do segundo emissor óptico 424.
[090]O primeiro detector óptico 434 pode ser configurado para detectar ou medir a intensidade e/ou outras propriedades da luz incidente sobre o mesmo. Como descrito, o primeiro detector óptico 434 pode receber ao menos uma porção do feixe disperso 496 e do feixe de emissão 494 transmitido a partir da amostra de fluido através da janela óptica parcialmente refletora 444. Em algumas modalidades, tal como a mostrada na Figura 3, o primeiro detector óptico 434 pode compreender um único detector configurado para detectar a luz tanto do feixe de emissão 494 quanto do feixe disperso 496. Em tal arranjo, o sensor óptico 402 pode controlar o primeiro
41/60 emissor óptico 420 e o segundo emissor óptico 424 para alternadamente emitir o feixe de excitação 490 e o feixe de dispersão 492. A luz detectada pelo detector óptico 434 em resposta à luz emitida pelo primeiro emissor óptico 420 (por exemplo, quando o segundo emissor óptico 424 não está emitindo luz) pode ser atribuída às emissões fluorescentes geradas na amostra de fluido. Por outro lado, a luz detectada pelo detector óptico 434 em resposta a luz emitida pelo segundo emissor óptico 424 (por exemplo, quando o primeiro emissor óptico 420 não está emitindo luz) pode ser atribuída à dispersão da luz causada pela amostra de fluido. Dessa forma, um único detector pode detectar e resolver tanto o feixe de emissão 494 quanto o feixe disperso 496 que emana a partir da amostra de fluido sob análise.
[091]Como descrito anteriormente, o primeiro detector óptico pode detectar a luz fluorescente a partir da amostra de fluido e recebida como ao menos um feixe de emissão 494. Em algumas modalidades, a intensidade do feixe de emissão 494 pode ser medida para calcular uma característica da amostra, por exemplo, a concentração de um fluoróforo. Em um exemplo, a luz fluorescente a partir da amostra é medida enquanto a luz a partir do primeiro emissor óptico 420 está emitindo e é incidente sobre a amostra de fluido. Em outro exemplo, a luz fluorescente a partir da amostra é recebida e medida após a luz a partir do primeiro emissor óptico 420 parar de emitir. Nestes exemplos, a fluorescência emitida pela amostra de fluido pode persistir além da duração de emissão a partir do primeiro emissor óptico 420. Por conseguinte, o primeiro detector óptico 434 pode receber as emissões fluorescentes a partir da amostra de fluido subsequente a cessar a emissão de luz a partir do primeiro emissor óptico 420. Em alguns exemplos, o sensor óptico 402 pode determinar uma característica da amostra de fluido sob análise baseada na magnitude das emissões fluorescentes detectadas pelo primeiro detector óptico 434 e a mudança nessa magnitude ao longo do tempo após cessar a emissão de luz pelo primeiro emissor óptico 420. Por exemplo, o sensor óptico 402
42/60 pode executar espectroscopia de fluorescência no tempo medindo uma curva de decaimento de fluorescência (por exemplo, a intensidade de fluorescência como uma função do tempo) para a amostra de fluido. Isso pode envolver medir a emanação das emissões fluorescentes a partir da amostra de fluido sob análise a partir de um tempo em que o primeiro emissor óptico 420 cessa a emissão de luz até um tempo em que o primeiro detector óptico 434 cessa de detectar as emissões fluorescentes a partir do fluido. Em adição à detecção de emissões fluorescentes, a luz dispersa da amostra de fluido e retornada para o sensor na forma de um feixe disperso 496 também pode ser detectada pelo detector óptico 434.
[092]Em alguns exemplos, a quantidade de fluorescência emitida pela amostra de fluido sob análise é dependente da quantidade de luz de excitação direcionada para a amostra pelo primeiro emissor óptico 420. Da mesma forma, a quantidade de luz dispersa pela amostra de fluido pode ser dependente da quantidade de luz dispersa dirigida para a amostra pelo segundo emissor óptico 424. Em tais exemplos, a intensidade de luz emitida pelo primeiro emissor óptico 420 e/ou pelo segundo emissor óptico 424 pode ser medida, por exemplo, pelo segundo detector óptico 438. O sensor óptico 402 pode, então, ajustar a magnitude das emissões fluorescentes e/ou da luz dispersa detectada pelo primeiro detector óptico 434 com base na magnitude da luz emitida pelo primeiro emissor óptico 420 e/ou pelo segundo emissor óptico 424.
[093]Um sensor óptico de acordo com a invenção pode ser utilizado como parte de um sistema (por exemplo, o sistema de fluido 100 na Figura 1) no qual o sensor é acoplado de forma comunicativa a um controlador para receber dados a partir do sensor e enviar dados para o sensor. O controlador pode incluir um componente integrado, tal como um microcontrolador, ou um componente externo, tal como um computador. O controlador pode estar em comunicação com o primeiro e o segundo emissor óptico, bem como o primeiro e o segundo detector óptico. O
43/60 controlador pode ser configurado para controlar o primeiro e o segundo emissor óptico para emitir luz em um primeiro comprimento de onda e em um segundo comprimento de onda, respectivamente. Como discutido, o primeiro comprimento de onda pode excitar a fluorescência em uma amostra de fluido, enquanto o segundo comprimento de onda pode dispersar a amostra de fluido. O controlador pode também ser configurado para controlar o primeiro detector óptico para detectar emissões fluorescentes emitidas pela amostra de fluido e também a luz dispersa pela amostra. O controlador pode ser ainda configurado para determinar ao menos uma característica da amostra de fluido com base nas emissões fluorescentes detectadas. Por exemplo, o controlador pode determinar uma característica dos dados da amostra de fluido com base nos dados gerados pelo sensor óptico e na informação armazenada em uma memória associada com o controlador, tal como calcular com base em uma equação, encontrar em uma tabela de consulta, ou qualquer outro método conhecido na técnica.
[094]Em aplicações onde o primeiro e o segundo emissor óptico são operados em uma sequência alternada de ativação, o controlador pode coordenar a frequência e a duração das emissões de luz a partir de cada emissor óptico. Além disso, em modalidades em que o sensor inclui um segundo detector óptico que funciona como um detector de referência, o controlador pode detectar a luz a partir do primeiro e do segundo emissor óptico e usar essa luz detectada para calibrar a luz detectada pelo primeiro detector óptico.
[095]Em alguns exemplos, um sensor óptico de acordo com a descrição também inclui um ou mais sensores não ópticos. Os sensores não ópticos exemplificados podem incluir, mas não estão limitados a, sensores de pH, sensores de condutividade, e sensores de temperatura. Os dados dos sensores não ópticos podem ser utilizados para determinar as características não ópticas da amostra sob análise. Em algumas modalidades, os dados a partir de um ou mais sensores não
44/60 ópticos podem ser usados para ajustar a medição de emissões fluorescentes a partir de uma amostra de fluido para determinar uma ou mais características da amostra. Por exemplo, um sensor de temperatura pode ser montado em um corpo de sensor para corrigir os efeitos da temperatura sobre a fluorescência, bem como nos eletrônicos e/ou detectores. Em outros exemplos, os dados a partir de um sensor não óptico podem ser usados para monitorar uma amostra de fluido e/ou controlar um processo de fluido além de ou em lugar da utilização de dados do sensor óptico para monitorar a amostra de fluido e/ou controlar o processo de fluido.
[096]Conforme discutido, em certas modalidades, um sensor óptico de acordo com a descrição pode detectar a luz fluorescente a partir de uma amostra em um ou mais comprimentos de onda e dispersa da amostra em outro comprimento de onda. O sensor óptico pode também detectar características adicionais, tais como as características não ópticas, da amostra de fluido. Os dados gerados pelo sensor óptico podem ser utilizados para calcular ou, de outra forma, determinar ao menos uma característica da amostra. Tais dados podem ser recebidos simultaneamente, alternadamente em sequência, ou em uma combinação em que alguns, mas nem todos os dados podem ser recebidos simultaneamente.
[097]Os dados recebidos que contribuem para determinar ao menos uma característica podem ser recebidos em uma pluralidade de canais. Os canais podem ser canais ópticos, compreendendo um ou mais canais de fluorescência e um canal de dispersão, mas podem também incluir canais de dados tais como dados recebidos a partir de um ou mais sensores não ópticos. Os canais ópticos podem ser definidos por bandas de comprimento de onda, por exemplo. Por conseguinte, em algumas modalidades, os dados recebidos sob a forma de um primeiro comprimento de onda fluorescente são dados recebidos no primeiro canal fluorescente, enquanto os dados recebidos na forma de luz dispersa da amostra são os dados recebidos no canal de dispersão. Assim, em várias modalidades, o sensor óptico pode receber
45/60 dados em qualquer combinação de canais ópticos através do primeiro caminho óptico, simultaneamente e/ou alternadamente, e, adicionalmente, em canais não ópticos a partir de um ou mais sensores não ópticos. Além disso, como anteriormente descrito, o segundo detector óptico pode receber luz a partir do primeiro e do segundo emissor óptico utilizados para a calibração das medições no primeiro detector óptico. Assim, os dados recebidos no segundo detector óptico podem ser recebidos em uma ou mais canais de calibração.
[098]Em aplicações onde o sensor óptico inclui um único detector óptico que detecta emissões fluorescentes recebidas a partir da amostra de fluido e também detecta a luz dispersa recebida a partir da amostra de fluido, o primeiro e o segundo emissor óptico podem ativar e desativar em sequência alternada. Isso pode permitir que os dados gerados pelo detector óptico sejam resolvidos em dados de emissão fluorescente correspondentes às emissões fluorescentes detectadas e dados de dispersão correspondentes à luz dispersa detectada. Em outros exemplos, o sensor óptico pode incluir vários detectores ópticos que detectam as emissões fluorescentes recebidas a partir da amostra de fluido e detectar a luz dispersa recebida a partir da amostra de fluido. Por exemplo, o sensor óptico pode incluir um detector óptico que detecta as emissões fluorescentes recebidas a partir da amostra de fluido e outro detector óptico que detecta a luz dispersa recebida a partir da amostra de fluido.
[099]As Figuras 5A e 5B ilustram arranjos de detector óptico alternativos exemplificados que podem ser utilizados em um sensor óptico, tal como os sensores ópticos das Figuras 2-4. A Figura 5A ilustra uma modalidade exemplificativa na qual um detector óptico (por exemplo, o detector óptico 334 e/ou o detector óptico 338 na Figura 3) inclui um primeiro elemento de detector óptico 552 e um segundo elemento de detector óptico 553. De acordo com algumas modalidades, o sensor pode compreender ao menos um caminho óptico adicional, tal como um quarto caminho óptico 529 que intercepta o primeiro caminho óptico 526, por exemplo, em um
46/60 ângulo de aproximadamente 90 graus. Em conjunto com a Figura 3, ao menos um caminho óptico adicional é disposto entre uma janela óptica parcialmente refletora 551 e uma extremidade terminal do primeiro caminho óptico 526 oposta à lente.
[0100]Em algumas modalidades, o sensor pode compreender ao menos uma janela óptica parcialmente refletora adicional 551 posicionada na intersecção do primeiro caminho óptico 526 e um caminho óptico adicional correspondente, tal como o quarto caminho óptico 529. A janela óptica parcialmente refletora adicional 551 é configurada para refletir ou transmitir uma banda seleta de luz em direção a um elemento de detector óptico correspondente. Por exemplo, a Figura 5A mostra uma janela óptica parcialmente refletora adicional 551 disposta na intersecção do primeiro caminho óptico 526 e do quarto caminho óptico 529. O primeiro elemento de detector óptico 552 e o segundo elemento de detector óptico 553 estão localizados nas extremidades terminais do primeiro 526 e do quarto caminho óptico 529, respectivamente.
[0101]Em algumas modalidades, a janela óptica parcialmente refletora 551 é configurada para transmitir a luz no comprimento de onda “A” e refletir a luz no comprimento de onda “B”. Assim, se uma mistura de luz de comprimentos de onda “A” e “B” viaja através do primeiro caminho óptico 526 a partir da amostra em direção à janela óptica parcialmente refletora 551, a janela óptica parcialmente refletora 551 atuará para refletir a luz de comprimento de onda “B” para o segundo elemento de detector óptico 553, enquanto transmite a luz do comprimento de onda “A” para o primeiro elemento de detector 552. Isso permite que cada elemento de detector detecte a luz em um comprimento de onda ou gama de comprimentos de onda diferentes, e permite que o sensor implemente elementos de detector óptico que podem detectar uma banda estreita de comprimentos de onda. Neste exemplo, a janela óptica parcialmente refletora 551 direciona a luz, tal como um feixe de emissão e um feixe disperso, para dois elementos de detector óptico
47/60 correspondentes simultaneamente.
[0102]Em algumas modalidades, a primeira janela óptica parcialmente refletora adicional 551 é configurada para direcionar a luz fluorescente a partir da amostra em direção ao segundo elemento de detector óptico 553 enquanto direcionando a luz dispersa da amostra, por exemplo, no segundo comprimento de onda, em direção ao primeiro elemento de detector óptico 552. Em tal modalidade, a luz dispersa e a luz fluorescente podem ser medidas simultaneamente, uma vez que cada uma é medida por um elemento de detector diferente.
[0103]Como descrito anteriormente com relação à Figura 3, pode haver situações em que a luz de um comprimento de onda indesejado é direcionada para um elemento de detector específico, que pode introduzir erros na medição da luz detectada. Assim, um filtro óptico adicional pode ser colocado entre a janela óptica parcialmente refletora 551 e um elemento de detector correspondente. Por exemplo, um filtro óptico adicional 523 pode ser colocado entre a janela óptica parcialmente refletora adicional 551 e o segundo elemento de detector 553 na Figura 5A. Quando utilizado, o sensor óptico pode ter tantos elementos de filtro adicionais conforme necessário. Em algumas modalidades, o sensor inclui ao menos tantos elementos de filtro quanto elementos de detector óptico.
[0104]A Figura 5B ilustra uma modalidade exemplificativa similar à da Figura 5A em que um detector óptico (por exemplo, o detector óptico 334 e/ou o detector óptico 338 na Figura 3) inclui vários elementos de detector óptico. Em particular, a Figura 5B ilustra um arranjo de detector óptico que inclui um primeiro elemento de detector óptico 555, um segundo elemento de detector óptico 556, um terceiro elemento de detector óptico 558, um quarto caminho óptico 531, e um quinto caminho óptico 533. O quarto e o quinto caminho óptico interceptam o primeiro caminho óptico 526, por exemplo, em um ângulo de aproximadamente 90 graus. Além disso, neste exemplo, o arranjo de detector óptico inclui janelas ópticas
48/60 parcialmente refletoras 554 e 557 para controlar o fluxo de luz a partir do primeiro caminho óptico 526 para o quarto e o quinto caminho óptico, respectivamente.
[0105]Na modalidade ilustrada, a janela óptica parcialmente refletora 557 está localizada na intersecção do primeiro 526 e do quinto caminho óptico 533. A segunda janela óptica parcialmente refletora adicional 557 pode ser configurada para seletivamente transmitir ou refletir um comprimento de onda ou banda de comprimentos de onda particular, direcionando assim somente uma determinada banda de comprimentos de onda em direção ao terceiro elemento de detector 558. Em algumas configurações, a amostra sob análise pode fluorescer em uma pluralidade de comprimentos de onda, por exemplo, compreendendo o primeiro e o segundo comprimento de onda fluorescente e formando o primeiro e o segundo feixe de emissão, respectivamente. Em tal caso, a janela óptica parcialmente refletora 557 pode refletir o segundo feixe de emissão para o terceiro elemento de detector óptico 558, enquanto permite que o primeiro feixe de emissão e, por exemplo, um feixe disperso passe através da mesma. Subsequentemente, a janela óptica parcialmente refletora 554 pode refletir o primeiro feixe de emissão em direção ao segundo elemento de detector óptico 556 enquanto permitindo que o feixe disperso passe através da mesma em direção ao primeiro elemento de detector óptico 555. Tal modalidade pode ser utilizada, por exemplo, para detectar a luz em três canais distintos simultaneamente - um primeiro canal fluorescente, um segundo canal fluorescente, e um canal de dispersão.
[0106]Será apreciado que, embora descritas como possíveis variações de um primeiro detector óptico tal como o representado na Figura 3, as modalidades mostradas nas Figuras 5A e 5B podem também ser utilizadas por um segundo detector óptico (por exemplo, detector de referência também). Em tais configurações, as janelas ópticas parcialmente refletoras podem ser configuradas de modo a refletir seletivamente ou transmitir o primeiro e o segundo comprimento de
49/60 onda emitidos pelo primeiro e pelo segundo emissor óptico, respectivamente. Por exemplo, com relação à Figura 3, um detector tal como o mostrado na Figura 5A pode ser utilizado para direcionar o feixe de dispersão para o primeiro elemento de detector óptico 552 e o feixe de excitação para o segundo elemento de detector óptico 553, separando e permitindo a detecção simultânea de canais de calibração.
[0107]Um sensor óptico de acordo com a descrição pode ser modificado para satisfazer as exigências para utilização em aplicações ou configurações específicas. Por exemplo, as Figuras 6A-6D ilustram um sensor acoplado a vários componentes para utilização com um recipiente de fluido. As Figuras 6A-6D ilustram também diferentes componentes do sensor e arranjos físicos que podem ser usados por qualquer sensor de acordo com a descrição.
[0108]Como mostrado na Figura 6A, o alojamento 603a de um sensor 602 (que pode ser um sensor tal como o mostrado e descrito com relação à Figura 3) pode ser fixado a um disco de montagem 660A através de um ou mais elementos de acoplamento tal como um parafuso 662A. O disco de montagem 660a mostrado na Figura 6A é acoplado a uma tampa 666a com parafusos (não mostrados), por exemplo, e selado à mesma por meio de um anel em Ο 664A. A tampa 666a pode ser feita de qualquer material apropriado para a aplicação desejada do sensor 602, tal como aço inoxidável, plástico, ou similares. Em algumas modalidades, a tampa 666a compreende uma tampa de extremidade sólida de aço inoxidável padrão, a qual é utilizada regularmente para fins de desinfecção. Em algumas modalidades, a tampa 666a engata em um inserto 668a, que pode ser selecionado a partir de um conjunto de insertos intercambiáveis. O inserto 668a pode ser feito de qualquer material apropriado para a aplicação desejada do sensor 602, e pode ser configurado para manter a lente 628a para emitir a luz e para receber a luz a partir da amostra. O inserto 668a pode ser fixado na tampa 666a com uma arruela 669a. Os anéis em O 670, 672 podem criar vedações na interface da tampa 666a e inserto
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668a, e inserto 668a e lente 628a, respectivamente.
[0109]Em algumas modalidades, o inserto 668a pode ser feito de plástico, por exemplo, uma polissulfona ou um fluoropolímero. Em outras modalidades, o inserto 668a pode ser feito de sulfeto de polifenileno ou sulfeto de polifenileno preenchido com 40% de vidro. O inserto 668a pode ter um diâmetro externo maior do que um diâmetro interno de um rebaixo na tampa 666a, que permite que o inserto 668a seja pressionado por pressão na tampa 666a, sem a necessidade do anel em O 670. Em algumas modalidades, a lente 628a pode compreender uma esfera de safira e o inserto pode compreender um furo interno, relativamente dimensionado de modo que o furo interno no inserto 668a possa ter um diâmetro menor do que o diâmetro da esfera de safira. Em tais casos, a lente 628a pode ser encaixada por pressão no inserto 668a, fornecendo uma vedação hermética sem a necessidade de um anel em O 672. Em tal caso, uma possível combinação de materiais para partes de sensor para ser imersa em uma amostra de fluido compreende aço inoxidável para a tampa 666a, sulfeto de polifenileno preenchido com 40% de vidro para o inserto 668a e safira para a lente 628a.
[0110]Será apreciado que as tolerâncias para a tampa, o inserto, e a lente podem ser selecionadas para fornecer vedações herméticas em suas interfaces sem a necessidade de anéis em O. A montagem por encaixe sob pressão dessas partes imersas na amostra pode ser utilizada, por exemplo, dentro de uma gama de temperaturas de0°Ca90°Ce para pressões até 150 psi. Para aplicações em alta pressão, a arruela 669a pode ser incluída para fornecer suporte mecânico estável para o inserto 668a e a lente 628a. Em algumas modalidades, a arruela 669a não está em contato com a amostra, e pode ser feita de materiais adequados que fornecem a força necessária para suportar o inserto 668a e a lente 628a em aplicações de alta pressão, tal como aço inoxidável, plástico e similares.
[0111 ]A Figura 6B mostra um conjunto de sensor 602b em que o alojamento
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603b é fixado a um disco de montagem 660b, compreendendo uma tampa 666b engatando em um inserto 668b segurando uma lente 628b. O conjunto de sensor 602b é fixado a um segmento curto em T 674b por um grampo 676b compreendendo uma porca 678b. Uma gaxeta de anel em O 680b pode ser posicionada entre o conjunto e o T 674b para criar uma vedação entre o interior do sensor/amostra de fluido e o ambiente externo. Em uma modalidade exemplificada, o sensor 602b é fixado a um flange em um recipiente de fluido 682b via um grampo, embora qualquer dispositivo para fixar o sensor 602b ao recipiente 682b possa ser usado. Um recipiente de fluido pode compreender qualquer estrutura para suportar ou alojar o fluido a ser analisado, incluindo um reservatório de fluido estático, um tanque, uma tubulação ou qualquer outra estrutura de manipulação de fluidos, incluindo as estruturas de manipulação de fluidos que acomodam volumes de fluxo ou não fluxo de fluido.
[0112]Uma configuração tal como a mostrada na Figura 6B pode ser utilizada, por exemplo, em um sistema CIP em que um processo de limpeza ou desinfecção ocorre no recipiente e o sensor determina uma característica de uma solução utilizada no processo. O recipiente 682b pode compreender, por exemplo, um tanque de produto de alimento, um tanque de armazenamento de produtos químicos, um conjunto de membranas, uma linha de tubulação, ou outro equipamento CIP. A lente 628b na configuração mostrada na Figura 6B é posicionada próxima de uma extremidade distal do alojamento estendendo-se em direção ao recipiente 682b.
[0113]A Figura 6C mostra um conjunto de sensor 602c similar ao da Figura 6B onde o conjunto é fixado a um segmento em T 674c, no entanto, nesta modalidade, o inserto 668C engatando na tampa 666c é configurado para segurar a lente a partir da extremidade distal do alojamento, perto da amostra no recipiente 682c. O inserto 668c pode ser fixado de forma cambiável à tampa 666c e/ou ao
52/60 sensor 602c, bem como à lente 628c, permitindo intercambiar a localização da lente 628c em relação ao alojamento 603c, bem como à amostra no recipiente 682c. Por exemplo, em algumas modalidades, apenas o inserto 668c e uma lente encaixada por pressão 628c se projetam para o recipiente de amostra 682c. Alternativamente, a tampa 666c pode compreender um cilindro de metal (por exemplo, aço inoxidável) e um flange, e pode estender-se para o recipiente de amostra 682c, enquanto fornecendo suporte mecânico e proteção para o inserto 668c e a lente 628c.
[0114]Em adição, a Figura 6C ilustra o sensor 602c como incluindo um guia de luz 684c. O guia de luz 684c é inserido dentro do caminho óptico entre a lente esférica 628c e a janela óptica parcialmente refletora 644c. O guia de luz 684c pode ser uma estrutura que guia a luz a partir da lente esférica 628c para a janela óptica parcialmente refletora 644c. Qualquer guia de luz apropriado pode ser usado e, em um exemplo, o guia de luz 684c é feito de uma haste sólida de material opticamente transparente (por exemplo, quartzo) com extremidades polidas. Quando usado, o diâmetro do guia de luz 684c pode ser menor do que o diâmetro interno do caminho óptico estendendo-se entre a lente esférica 628c e a janela óptica parcialmente refletora 644c, e pode ser alinhado e fixado de tal forma a limitar as perdas de luz.
[0115]Para manter o guia de luz 684c dentro do caminho óptico do sensor óptico 602c, o guia de luz pode ser encaixado por atrito dentro do caminho óptico, mecanicamente afixado dentro do caminho óptico, ou de outro modo, fixado dentro do alojamento. Por exemplo, a Figura 6C ilustra o alojamento do sensor óptico como tendo duas áreas estreitas 685c e 686c, cada uma tendo um diâmetro menor do que o diâmetro do guia de luz 684c e fornecendo um encaixe por pressão para o guia de luz. Com tal montagem, o guia de luz 684c pode ter extremidades desobstruídas que permitem que o guia de luz receba e emita luz através de substancialmente toda a sua seção transversal. Em algumas modalidades, substancialmente todas as superfícies externas do guia de luz são circundadas por ar, criando uma condição
53/60 para a reflexão interna total e a canalização de luz através do guia de luz 684c. Usando o guia de luz 684c, os componentes elétricos e ópticos do sensor 602c podem ser posicionados mais distante do recipiente 682c do que se o guia de luz não fosse utilizado, enquanto ainda gerando a força de sinal aceitável. Isso pode ajudar a manter os componentes sensíveis à temperatura (por exemplo, LEDs, fotodiodos) em uma distância maior do fluido quente dentro do dispositivo.
[0116]A Figura 6D mostra um conjunto de sensor 602d similar ao das Figuras 6B e 6C, onde o conjunto é fixado a um segmento em T 674d. No exemplo da Figura 6D, no entanto, o sensor 602d também inclui uma lente de colimação 690d posicionada dentro do caminho óptico entre a lente esférica 628d e a janela óptica parcialmente refletora 644d. A lente de colimação 690d é ilustrada como sendo posicionada adjacente à janela óptica parcialmente refletora 644d (por exemplo, mais próxima da janela óptica parcialmente refletora do que da lente esférica 628d). Em operação, a lente de colimação 690d pode coletar luz a partir do emissor óptico 620d e direcionar a luz sobre a lente esférica 628d, criando assim a excitação focada dentro do fluido em estreita proximidade com a lente esférica. Além disso, a lente de colimação 690d pode coletar a luz recebida a partir da lente esférica 628d (por exemplo, fluorescência) e direcionar a luz no detector óptico 634d. Embora o tamanho da lente de colimação 690d varie quando utilizada, por exemplo, com base no tamanho do sensor óptico, em alguns exemplos, a lente de colimação tem um diâmetro que varia de aproximadamente 12 milímetros (mm) a aproximadamente 20 mm.
[0117]Ao utilizar a lente de colimação 690d, a magnitude do sinal óptico detectado pelo detector óptico 634d, e, portanto, a força do sinal elétrico gerado pelo detector óptico, podem aumentar em comparação com se o sensor óptico não inclui a lente de colimação. Por exemplo, adicionar a lente de colimação 690d adjacente à janela óptica parcialmente refletora 644d pode aumentar a magnitude de excitação
54/60 recebida através da lente esférica 628d por um fator maior do que dois (por exemplo, uma gama de duas a três vezes o que de outra forma seriam recebido). O aumento total na força do sinal fluorescente detectado pelo detector óptico 634d pode aumentar por um fator maior do que cinco (por exemplo, uma gama de seis a dez vezes o que de outro modo seria detectado) quando utilizando a lente de colimação 690d, em comparação a quando o sensor não inclui a lente de colimação. Em alguns exemplos, uma lente de foco adicional 691 d pode ser colocada entre o filtro de emissão 632d e o detector óptico 634d para focar a luz fluorescente sobre uma área menor do detector. Isso pode permitir que o sensor óptico 602d utilize um fotodiodo de área sensível menor com maior resistência de derivação e capacitância de terminal inferior, fornecendo uma maior estabilidade em uma ampla gama de temperaturas.
[0118]Várias modalidades e configurações de sensores foram descritas. A Figura 7 é um diagrama de fluxo do processo de uma técnica de análise óptica de acordo com a descrição. A Figura 7 ilustra um processo no qual um sensor emite luz em um primeiro comprimento de onda 783 a partir de um primeiro emissor óptico por meio de um caminho óptico e para uma amostra de fluido. O caminho óptico é definido por um alojamento do sensor. O sensor também recebe as emissões fluorescentes 784 emitidas pela amostra de fluido através do caminho óptico em um detector óptico. Em algumas modalidades, as emissões fluorescentes são excitadas pela luz emitida pelo primeiro emissor óptico. O sensor emite luz em um segundo comprimento de onda 786 a partir de um segundo emissor óptico, através do caminho óptico e para a amostra de fluido. A luz do segundo comprimento de onda é direcionada para a amostra através do mesmo caminho óptico do primeiro comprimento de onda. O sensor também recebe luz, dispersa pela amostra de fluido 787 através do caminho óptico, no detector óptico.
[0119]No processo da Figura 7, a luz é emitida no primeiro comprimento de
55/60 onda e segundo comprimento de onda para uma amostra de fluido, assim como recebida a partir da amostra de fluido, via um único caminho óptico. A luz recebida pode ser dispersa da amostra, e em algumas modalidades, compreende a luz do segundo comprimento de onda disperso da amostra. A luz recebida também pode estar na forma de luz fluorescente a partir da amostra, o que pode ser causado pela luz dos primeiros comprimentos de onda. Como discutido anteriormente, em algumas modalidades, o sensor não é capaz de resolver a diferença na luz dispersa pela amostra e fluorescente a partir da amostra, se elas são simultaneamente incidentes no detector óptico. Assim, em algumas modalidades, a emissão de luz no primeiro comprimento de onda é cessada 785 antes da emissão de luz no segundo comprimento de onda 786. Pela mesma razão, o processo deve ser repetido, em algumas modalidades, a emissão de luz no segundo comprimento de onda é cessada 788 antes de emitir luz no primeiro comprimento de onda 783. As etapas de cessar a emissão de luz no primeiro e segundo comprimentos de onda são mostradas em linhas tracejadas para ilustrar que tais etapas podem ser tomadas, mas não precisam estar em cada modalidade.
[0120]Em outras modalidades, a emissão de luz no primeiro comprimento de onda é cessada 785, antes de receber as emissões fluorescentes úteis no detector óptico. Isso pode ser feito, por exemplo, se uma amostra contiver várias espécies fluorescentes que fluorescem por diferentes durações, de modo que a fluorescência a partir de uma espécie persiste por mais tempo do que a partir de outra espécie. Se deseja-se que a fluorescência a partir das espécies que persistem por mais tempo é seja medida enquanto a fluorescência a partir das espécies que persistem por menos tempo é irrelevante, pode ser vantajoso cessar a emissão de luz no primeiro comprimento de onda, esperar que a fluorescência excitada pela espécie que persiste por menos tempo decline, e, em seguida medir as emissões fluorescentes restantes atribuíveis à espécie que persiste por mais tempo. Dever-se-ia notar que o
56/60 detector óptico pode estar recebendo emissões fluorescentes a partir da amostra enquanto a luz do primeiro comprimento de onda está sendo emitida; no entanto, a medição da luz fluorescente pode ou não ser ignorada até o tempo adequado.
[0121]Finalmente, no exemplo da Figura 7, o processo pode incluir a etapa 789 de determinar ao menos uma característica da amostra com base nas emissões fluorescentes recebidas. Por exemplo, como discutido anteriormente, a concentração de fluoróforo da amostra pode ser determinada com base na fluorescência recebida a partir da amostra.
[0122]Será apreciado que o processo descrito na Figura 7 pode ser realizado por um controlador em um sistema que compreende um sensor. O controlador pode incluir um processador para controlar o tempo e a duração da emissão de luz a partir de qualquer um do primeiro ou do segundo emissor óptico, bem como o tempo de recebimento de luz a partir da amostra de fluido. Isto é, o controlador pode ser programado para ignorar a luz recebida quando há luz estranha presente que pode perturbar a capacidade de determinar de forma adequada ao menos uma característica da amostra. O controlador pode utilizar os dados a partir da luz fluorescente recebida, da luz dispersa, e quaisquer outros dados que receba para calcular ou, de outro modo, determinar, ou ajustar a determinação de ao menos uma característica da amostra.
[0123]Os sensores exemplificados foram descritos. Algumas modalidades compreendem sensores fluorimétricos multicanal em que a fluorescência a partir de uma amostra é excitada e detectada em ao menos um canal de fluorescência, e a fluorescência detectada é utilizada para determinar uma característica da amostra. Outros fatores, tais como a luz dispersa da amostra, ou medições não ópticas adicionais, podem ser usados para complementar a detecção de fluorescência e explicar possíveis variações na fluorescência da amostra. O sensor pode fazer parte de um sistema que compreende um controlador para automatizar o controle de
57/60 emissores e detectores, e calcular ou, de outra forma, determinar as características da amostra a partir dos dados medidos. Os sensores podem ser fixados em recipientes nos quais as amostras de fluido a serem caracterizadas estão presentes ou fluem através deles.
[0124]As técnicas descritas nesta descrição podem ser implementadas, ao menos em parte, em hardware, software, suporte lógico inalterável ou qualquer combinação dos mesmos. Por exemplo, vários aspectos das técnicas descritas podem ser implementados dentro de um ou mais processadores, incluindo um ou mais microprocessadores, processadores de sinal digital (DSPs), circuitos integrados de aplicação específica (ASICs), arranjos de portas programáveis em campo (FPGAs) ou qualquer circuito lógico discreto ou integrado equivalente, bem como qualquer combinação de tais componentes. O termo “processador” ou “controlador” pode geralmente referir-se a qualquer um dos circuitos lógicos anteriores, sozinhos ou em combinação com outros circuitos lógicos, ou qualquer outro circuito equivalente. Uma unidade de controle compreendendo hardware também pode executar uma ou mais das técnicas desta descrição.
[0125]Tal hardware, software e suporte lógico inalterável pode ser implementado dentro do mesmo dispositivo ou dentro de dispositivos separados para apoiar as várias operações e funções descritas nesta descrição. Além disso, qualquer uma das unidades descritas, módulos ou componentes podem ser implementadas em conjunto ou separadamente como dispositivos lógicos discretos, mas interoperáveis. A representação de diferentes recursos como módulos ou unidades destina-se a realçar diferentes aspectos funcionais e não implica necessariamente que tais módulos ou unidades devam ser realizados por componentes de hardware ou software separados. De preferência, a funcionalidade associada com um ou mais módulos ou unidades pode ser efetuada por componentes de hardware ou de software separados, ou integrada dentro de
58/60 componentes de hardware ou de software comuns ou separados.
[0126]As técnicas descritas nesta descrição também podem ser incorporadas ou codificadas em um meio legível por computador não transitório, tal como um meio de armazenamento legível por computador, contendo instruções. As instruções incorporadas ou codificadas em um meio de armazenamento legível por computador pode fazer com que um processador programável, ou outro processador, execute o método, por exemplo, quando as instruções são executadas. Os meios de armazenamento legíveis computador não transitórios podem incluir formas de memória voláteis e/ou não voláteis, incluindo, por exemplo, memória de acesso aleatório (RAM), memória somente de leitura (ROM),memória somente de leitura programável (PROM), memória somente de leitura programável apagável (EPROM), memória somente de leitura programável eletronicamente apagável (EEPROM), memória flash, um disco rígido, um CD-ROM, um disquete, um cassete, meios magnéticos, meios ópticos ou outros meios legíveis por computador.
[0127]O seguinte exemplo pode fornecer detalhes adicionais sobre um sensor óptico em um sistema utilizado para determinar as concentrações de componentes dentro de uma amostra de fluido.
EXEMPLO
[0128]Um sensor óptico exemplificado foi construído de acordo com a descrição e, em seguida, utilizado para analisar opticamente uma variedade de amostras com diferentes concentrações de água e um fluoróforo aromático (AF). Além de utilizar o sensor óptico para analisar as amostras de água e AF, os componentes do sensor óptico foram avaliados individualmente para caracterizar opticamente os componentes do sensor.
[0129]A Figura 8A é um gráfico de várias características do sensor óptico, incluindo transmitância dicroica 803, a meia refletância da janela 804 e densidade óptica do filtro 801, 802 (ao longo do eixo y da esquerda) como uma função do
59/60 comprimento de onda em nanometros (nm). A transmitância dicroica 803 é uma característica de um filtro dicroico (por exemplo, 344 na Figura 3) cuja transmitância varia com o comprimento de onda. Como mostrado na Figura 8A, a transmitância dicroica medida 803 do sensor óptico era próxima de zero em comprimentos de onda significativamente inferiores a 300 nm e aproximou-se de um à medida que os comprimentos de onda se aproximaram de aproximadamente 320 nm. Essa característica faz com que o filtro dicroico reflita a luz UV para a amostra durante a transmissão de fluorescência para o detector (por exemplo, 334 na Figura 3). A meia refletância da janela medida 804 representa a metade da refletância de uma janela de quartzo (por exemplo, 342 na Figura 3) como uma função do comprimento de onda. A luz incidente reflete muito mais fortemente à medida que o comprimento de onda aumenta a partir de aproximadamente 350 nm para a gama de IV próximo. Essa propriedade da janela de quartzo permite alta transmitância da luz UV enquanto reflete a luz IR para a amostra. As intensidades de emissão de LEDs UV 805 e IR 806 (por exemplo, 320 e 324, respectivamente, na Figura 3) foram medidas como uma função do comprimento de onda e são mostradas. As densidades de filtro óptico dos filtros de emissão 801 e de excitação 802 foram medidas como uma função do comprimento de onda e são representadas graficamente. A intensidade de emissão de AF 807 também foi medida como uma função do comprimento de onda e é mostrada no gráfico da Figura 8A. Como pode ser visto, a intensidade de emissão de AF de pico 807 correspondeu aproximadamente a um mínimo na densidade óptica do filtro de emissão 801, enquanto a intensidade de emissão de LED UV de pico 805 correspondeu aproximadamente a um mínimo na densidade óptica do filtro de excitação 802.
[0130]O gráfico na Figura 8A também inclui a intensidade de emissão de um LED UV de excitação 805 e a luz fluorescente a partir do AF na amostra 807 como uma função do comprimento de onda. No sistema caracterizado, o LED UV de
60/60 excitação 805 teve intensidade de pico próximo de um comprimento de onda de aproximadamente 280 nm, enquanto a luz fluorescente a partir do AF 807 teve um comprimento de onda de pico de aproximadamente 315 nm. Pode ver-se, então, a partir dos dados na Figura 8A que a transmitância 803 do filtro dicroico no comprimento de onda emitido pelo LED UV 805 foi relativamente baixa, refletindo a luz destinada para excitar a fluorescência. No entanto, a transmitância 803 estava mais próxima de um nos comprimentos de onda da fluorescência excitada 807 e a luz IR 806 dispersa a partir da amostra. Esses comprimentos de onda se destinam a serem transmitidos através do filtro dicroico para o detector para análise.
[0131]A Figura 8B é um gráfico que compara uma concentração de AF medida da amostra para a concentração de AF real, cada uma em partes-por-milhão (ppm), em uma variedade de concentrações conhecidas. Os dados de concentração 810 na Figura 8B podem ser utilizados para determinar a gama de concentração de AF em que o sensor óptico produz resultados relativamente consistentes e precisos.
[0132]A Figura 8C é uma representação gráfica da saída do detector 811 no canal de dispersão em milivolts (mV) como uma função da turbidez da amostra, em unidades nefelométricas de turbidez (NTU). Para gerar os dados da Figura 8C, o feixe de dispersão do sensor óptico foi direcionado para uma amostra de água e leite (para promover a dispersão), fazendo com que a luz se disperse de volta para o sensor a ser detectada por um detector alojado dentro do sensor óptico. O detector recebeu a luz dispersa e emitiu uma tensão 811 indicativa da intensidade medida. A quantidade de luz dispersa pela amostra dependia da turbidez da amostra e, como um resultado, pode ser utilizada para determinar a turbidez da amostra. A turbidez da amostra pode afetar as propriedades de fluorescência da amostra e, consequentemente, pode ser levada em conta quando determinando uma concentração a partir de uma medição de fluorescência.
[0133]A Figura 8D é uma representação gráfica da saída do canal de
61/60 fluorescência do sensor óptico em mV em função da concentração de AF da amostra em ppm. A saída do canal de fluorescência foi uma medição da intensidade da luz fluorescente a partir da amostra, que mudou com a concentração de AF. A medição representada na Figura 8D foi realizada com amostras de diferentes graus de turbidez incluindo 0 NTU (812), 200 NTU (813), 400 NTU (814) e 800 NTU (815). Pode-se ver que, à medida que a turbidez da amostra aumentou de 0 até 800 NTU, no exemplo, a saída do canal de fluorescência caiu - quase 54% em uma concentração de AF de 80 ppm. Como um resultado, utilizar os valores da turbidez medidos para corrigir os valores de fluorescência medidos pode produzir medições mais precisas do que se a fluorescência medida é usada sem correção de turbidez.
[0134]A Figura 8E é um gráfico de uma saída de canal de fluorescência corrigida em mV como uma função da concentração de AF da amostra em ppm. A saída foi medida em diferentes concentrações de AF em amostras de turbidez variada e matematicamente corrigida. Como com o gráfico da Figura 8D, os valores de turbidez de 0 NTU (818), 200 NTU (819), 400 NTU (820) e 800 NTU (821) foram utilizados e, subsequentemente comparados com os dados de saída do canal de fluorescência reais (817), resultando em um valor R-quadrado de 0,998. Usando valores de saída do canal de fluorescência corrigidos, uma relação mais consistente entre a saída e a concentração de AF estava presente entre amostras de turbidez variada, com discrepância máxima de apenas aproximadamente 2,8%. Como ilustrado neste exemplo, um sensor configurado para medir tanto a luz dispersa quanto a luz fluorescente a partir de uma amostra pode utilizar ambas as medidas para correlacionar a fluorescência e a concentração de fluoróforo na amostra independentemente da turbidez da amostra.
Claims (58)
1. Sensor óptico, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:
um alojamento tendo um caminho óptico configurado para direcionar a luz através de uma janela óptica opticamente conectada ao caminho óptico em uma amostra de fluido sob análise e receber luz a partir da amostra de fluido através da janela óptica;
um primeiro emissor óptico configurado para emitir luz em um primeiro comprimento de onda através do caminho óptico e para a amostra de fluido;
um segundo emissor óptico configurado para emitir luz em um segundo comprimento de onda diferente do primeiro comprimento de onda através do caminho óptico e para a amostra de fluido; e um detector óptico configurado para receber luz a partir da amostra de fluido através do caminho óptico.
2. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o caminho óptico define um eixo principal que se estende ao longo do comprimento do caminho óptico e o eixo maior se estende através de um centro da janela óptica e um centro do detector óptico.
3. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a janela óptica é uma lente óptica configurada para direcionar a luz para a amostra de fluido a partir do caminho óptico e para receber a luz a partir da amostra de fluido e direcioná-la para o caminho óptico.
4. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que a lente óptica consiste essencialmente de uma única lente esférica.
5. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o caminho óptico define um primeiro caminho óptico, e compreende adicionalmente um segundo caminho óptico que intercepta o primeiro caminho óptico em um ângulo de aproximadamente 90 graus, onde o primeiro caminho óptico é
2/12 posicionado entre a janela óptica e o detector óptico, e o primeiro emissor óptico e o segundo emissor óptico são, cada um, posicionados para emitir luz para o segundo caminho óptico.
6. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende uma janela óptica parcialmente refletora posicionada em uma intersecção entre o primeiro caminho óptico e o segundo caminho óptico, onde a janela óptica parcialmente refletora é configurada para refletir ao menos uma porção da luz emitida pela primeiro emissor óptico e pelo segundo emissor óptico a partir do segundo caminho óptico para o primeiro caminho óptico, e a janela óptica parcialmente refletora é configurada para transmitir ao menos uma porção da luz recebida a partir da amostra de fluido para o detector óptico.
7. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende um defletor de feixes laser, posicionado de modo que a luz a partir do primeiro e do segundo emissor óptico transmitida pela janela óptica parcialmente refletora é incidente no mesmo, e configurado para absorver substancialmente toda a luz incidente emitida pelo primeiro e pelo segundo emissor óptico.
8. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a janela óptica parcialmente refletora compreende um filtro dicroico.
9. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende um guia de luz posicionado entre a janela óptica parcialmente refletora e a lente.
10. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 9, CARACTERIZADO pelo fato de que o guia de luz compreende uma haste de quartzo com extremidades polidas.
11. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende uma lente de colimação posicionada entre a janela óptica parcialmente refletora e a janela óptica.
3/12
12. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o detector óptico compreende um primeiro detector óptico, e compreende adicionalmente um segundo detector óptico posicionado no lado oposto do segundo caminho óptico a partir de ao menos um do primeiro emissor óptico e do segundo emissor óptico.
13. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende um terceiro caminho óptico que intercepta o segundo caminho óptico a um ângulo de aproximadamente 90 graus, onde o segundo detector óptico é posicionado em uma extremidade terminal do terceiro caminho óptico oposto a ao menos um do primeiro emissor óptico e do segundo emissor óptico.
14. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende uma janela óptica parcialmente refletora posicionada em uma intersecção entre o segundo caminho óptico e o terceiro caminho óptico, onde a janela óptica parcialmente refletora é configurada de modo a refletir ao menos uma porção da luz emitida pela primeiro emissor óptico a partir do segundo caminho óptico para o terceiro caminho óptico, e a janela óptica parcialmente refletora é configurada para transmitir ao menos uma porção da luz emitida pelo segundo emissor óptico para o terceiro caminho óptico.
15. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que a janela óptica parcialmente refletora compreende uma janela de quartzo ou de safira.
16. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que a janela óptica parcialmente refletora compreende um revestimento antirreflexo para uma gama de comprimento de onda ultravioleta.
17. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende ao menos um caminho óptico adicional que intercepta o primeiro caminho óptico em um ângulo de aproximadamente 90 graus
4/12 e disposto entre a janela óptica parcialmente refletora e uma extremidade terminal do primeiro caminho óptico oposto à janela óptica, e onde o primeiro detector óptico compreende uma pluralidade de detectores ópticos, cada um configurado para detectar a luz incidente.
18. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende ao menos uma janela óptica parcialmente refletora adicional, cada janela óptica parcialmente refletora adicional sendo posicionada na intersecção do primeiro caminho óptico e de um caminho óptico adicional correspondente, e configurada para refletir ou transmitir uma banda seleta de luz em direção a ao menos um detector óptico correspondente.
19. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 18, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende ao menos um filtro adicional, disposto entre ao menos uma das janelas ópticas parcialmente refletoras adicionais e ao menos um dos seus detectores ópticos correspondentes.
20. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende um primeiro filtro óptico posicionado entre o primeiro emissor óptico e a janela óptica, e um segundo filtro óptico posicionado entre o detector óptico e a janela óptica, onde o primeiro filtro óptico é configurado para filtrar substancialmente todos os comprimentos de onda de luz dentro de uma gama de luz fluorescente emitida pela amostra de fluido, e o segundo filtro óptico é configurado para filtrar substancialmente todos os comprimentos de onda da luz emitidos pelo primeiro emissor óptico, mas para passar comprimentos de onda a partir do segundo emissor óptico, as emissões fluorescentes emitidas a partir da amostra de fluido em resposta à luz a partir do primeiro emissor óptico, e a luz dispersa pela amostra de fluido em resposta à luz a partir do segundo emissor óptico.
21. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro comprimento de onda varia de 255 nanometros (nm) a 700 nm, e
5/12 o segundo comprimento de onda varia de 800 nm a 1100 nm.
22. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro comprimento de onda varia de 265 nm a 290 nm, e o segundo comprimento de onda varia de 800 nm a 900 nm.
23. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o alojamento é configurado para ser inserido em uma seção em T de tubulação com a janela óptica posicionada na amostra de fluido que flui através da secção em T da tubulação.
24. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o alojamento é configurado para ser inserido na porta de um recipiente de fluido com a janela óptica posicionada na amostra de fluido que flui através da porta do recipiente de fluido.
25. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o alojamento define uma superfície inferior, a janela óptica se estende distalmente a partir da superfície inferior na amostra de fluido, e compreende adicionalmente um sensor não óptico posicionado na superfície inferior adjacente à janela óptica.
26. Sensor óptico, de acordo com a reivindicação 25, CARACTERIZADO pelo fato de que o sensor não óptico compreende ao menos um de um sensor de pH, um sensor de condutividade, e um sensor de temperatura.
27. Método, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:
emitir luz em um primeiro comprimento de onda por um primeiro emissor óptico por meio de um caminho óptico de um alojamento e uma janela óptica opticamente conectada ao caminho óptico para uma amostra de fluido sob análise;
receber emissões fluorescentes emitidas pela amostra de fluido através do caminho óptico por um detector óptico;
emitir luz em um segundo comprimento de onda diferente do primeiro
6/12 comprimento de onda por um segundo emissor óptico através do caminho óptico e para a amostra de fluido sob análise; e receber a luz dispersa pela amostra de fluido através do caminho óptico pelo detector óptico.
28. Método, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que o caminho óptico define um primeiro caminho óptico, e onde emitir a luz em um primeiro comprimento de onda e emitir a luz em um segundo comprimento de onda através do caminho óptico compreende direcionar a luz no primeiro comprimento de onda e no segundo comprimento de onda para um segundo caminho óptico que intercepta o primeiro caminho óptico em um ângulo de aproximadamente 90 graus.
29. Método, de acordo com a reivindicação 28, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende refletir ao menos uma porção da luz emitida pelo primeiro emissor óptico e pelo segundo emissor óptico a partir do segundo caminho óptico para o primeiro caminho óptico por uma janela óptica parcialmente refletora, e transmitir ao menos uma porção da luz recebida a partir da amostra de fluido para o detector óptico através da janela óptica parcialmente refletora.
30. Método, de acordo com a reivindicação 28, CARACTERIZADO pelo fato de que o detector óptico compreende um primeiro detector óptico, e compreende adicionalmente receber luz a partir de ao menos um do primeiro e do segundo emissor óptico com um segundo detector óptico via um terceiro caminho óptico, onde o terceiro caminho óptico intercepta o segundo caminho óptico em um ângulo de aproximadamente 90 graus.
31. Método, de acordo com a reivindicação 30, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende refletir ao menos uma porção da luz emitida pelo primeiro emissor óptico a partir do segundo caminho óptico para o terceiro caminho óptico e em direção ao segundo detector óptico por uma janela óptica parcialmente refletora.
7/12
32. Método, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende passar a luz emitida pelo primeiro emissor óptico através de um primeiro filtro óptico para filtrar substancialmente todos os comprimentos de onda de luz dentro de uma gama de luz fluorescente emitida pela amostra de fluido, e passar a luz recebida a partir da amostra de fluido através de um segundo filtro óptico para filtrar substancialmente todos os comprimentos de onda da luz emitida pelo primeiro emissor óptico e pelo segundo emissor óptico.
33. Método, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende determinar ao menos uma característica da amostra de fluido com base nas emissões fluorescentes recebidas a partir da amostra.
34. Método, de acordo com a reivindicação 33, CARACTERIZADO pelo fato de que ao menos uma característica é a concentração de fluoróforo da amostra.
35. Método, de acordo com a reivindicação 33, CARACTERIZADO pelo fato de que a determinação de ao menos uma característica compreende ajustar ao menos uma característica com base na luz dispersa recebida a partir da amostra.
36. Método, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende determinar ao menos uma característica da amostra de fluido com um sensor não óptico, o sensor não óptico compreende ao menos um de um sensor de pH, um sensor de condutividade, e um sensor de temperatura.
37. Sistema, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:
um sensor óptico que inclui um alojamento tendo um caminho óptico configurado para direcionar a luz através de uma janela óptica opticamente conectada ao caminho óptico para uma amostra de fluido sob análise e receber luz a partir da amostra de fluido através da janela óptica, um primeiro emissor óptico, um segundo emissor óptico, e um detector óptico; e
8/12 um ou mais controladores configurados para:
controlar o primeiro emissor óptico para emitir luz em um primeiro comprimento de onda através do caminho óptico para a amostra de fluido sob análise;
detectar emissões fluorescentes emitidas pela amostra de fluido e recebidas através do caminho óptico via o detector óptico;
controlar o segundo emissor óptico para emitir luz em um segundo comprimento de onda diferente do primeiro comprimento de onda através do caminho óptico e para a amostra de fluido sob análise; e detectar a luz dispersa pela amostra de fluido e recebida através do caminho óptico pelo detector óptico.
38. Sistema, de acordo com a reivindicação 37, CARACTERIZADO pelo fato de que o detector óptico compreende um primeiro detector, um segundo detector, e um componente óptico seletivamente refletor, configurado de modo que o componente óptico seletivamente refletor direciona ao menos uma porção da luz incidente a partir da amostra para o primeiro detector e direciona ao menos uma porção da luz incidente a partir da amostra para o segundo detector.
39. Sistema, de acordo com a reivindicação 38, CARACTERIZADO pelo fato de que o detector óptico é configurado de modo que o componente óptico seletivamente refletor direciona a luz dispersa da amostra para um do primeiro e do segundo detector e luz fluorescente a partir da amostra para o outro do primeiro e do segundo detector.
40. Sistema, de acordo com a reivindicação 37, CARACTERIZADO pelo fato de que um ou mais controladores controlam o primeiro emissor óptico e o segundo emissor óptico para emitir luz em uma sequência alternada.
41. Sistema, de acordo com a reivindicação 37, CARACTERIZADO pelo fato de que um ou mais controladores determinam ao menos uma característica da amostra com base nas emissões fluorescentes detectadas.
42. Sistema, de acordo com a reivindicação 41, CARACTERIZADO pelo fato
9/12 de que um ou mais controladores ajustam ao menos uma característica determinada com base na luz detectada dispersa pela amostra de fluido.
43. Sistema, de acordo com a reivindicação 37, CARACTERIZADO pelo fato de que o caminho óptico define um primeiro caminho óptico, e compreende adicionalmente um segundo caminho óptico que intercepta o primeiro caminho óptico em um ângulo de aproximadamente 90 graus, onde o primeiro caminho óptico é posicionado entre a janela óptica e o detector óptico, e o primeiro emissor óptico e o segundo emissor óptico estão, cada um, posicionados para direcionar a luz para o segundo caminho óptico.
44. Sistema, de acordo com a reivindicação 43, CARACTERIZADO pelo fato de que o detector óptico compreende um primeiro detector óptico, e compreende adicionalmente um segundo detector óptico posicionado no lado oposto do segundo caminho óptico a partir de ao menos um do primeiro emissor óptico e do segundo emissor óptico.
45. Sistema, de acordo com a reivindicação 43, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende:
um terceiro caminho óptico que intercepta o segunda caminho óptico em um ângulo de aproximadamente 90 graus, onde o segundo detector óptico é posicionado em uma extremidade terminal do terceiro caminho óptico oposta ao menos um do primeiro emissor óptico e do segundo emissor óptico; e uma janela óptica parcialmente refletora posicionada em uma intersecção entre o segundo caminho óptico e o terceiro caminho óptico, onde a janela óptica parcialmente refletora é configurada de modo a refletir ao menos uma porção da luz emitida pelo primeiro emissor óptico a partir do segundo caminho óptico para o terceiro caminho óptico, e a janela óptica parcialmente refletora é configurada para transmitir ao menos uma porção da luz emitida pelo segundo emissor óptico para o terceiro caminho óptico.
10/12
46. Sistema, de acordo com a reivindicação 37, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende um sensor não óptico em comunicação com um ou mais controladores e configurado para detectar ao menos um de uma temperatura, uma condutividade ou um pH da amostra de fluido.
47. Sistema, de acordo com a reivindicação 37, CARACTERIZADO pelo fato de que um ou mais controladores são configurados para detectar emissões fluorescentes emitidas pela amostra de fluido e recebidas através do caminho óptico via o detector óptico ao menos recebendo, subsequente a cessar a emissão a partir do primeiro emissor óptico, a luz fluorescente a partir da amostra de fluido em resposta à luz incidente emitida a partir do primeiro emissor óptico.
48. Sistema, de acordo com a reivindicação 37, CARACTERIZADO pelo fato de que um ou mais controladores são configurados para detectar emissões fluorescentes emitidas pela amostra de fluido e recebidas através do caminho óptico via o detector óptico ao menos recebendo, enquanto emitindo luz a partir do primeiro emissor óptico, a luz fluorescente a partir da amostra de fluido em resposta à luz incidente emitida a partir do primeiro emissor óptico.
49. Sistema, de acordo com a reivindicação 37, CARACTERIZADO pelo fato de que as emissões fluorescentes são detectadas em ao menos dois canais fluorescentes, cada canal fluorescente corresponde a um comprimento de onda particular ou banda de comprimentos de onda de luz fluorescente a partir da amostra.
50. Sistema, de acordo com a reivindicação 49, CARACTERIZADO pelo fato de que o detector óptico compreende uma pluralidade de detectores, de modo que a luz em cada canal fluorescente é direcionada para um detector correspondente.
51. Método, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:
iluminar uma amostra de fluido através de uma janela óptica com luz de um primeiro comprimento de onda;
coletar as emissões fluorescentes a partir da amostra de fluido através da
11/12 janela óptica;
filtrar substancialmente todos os comprimentos de onda de luz, exceto os comprimentos de onda das emissões fluorescentes e detectar a magnitude das emissões fluorescentes;
iluminar a amostra de fluido através da janela óptica com a luz de um segundo comprimento de onda;
coletar a luz dispersa através da janela óptica; e filtrar substancialmente todos os comprimentos de onda de luz, exceto comprimentos de onda de luz dispersa e a detectar uma magnitude da luz dispersa.
52. Método, de acordo com a reivindicação 51, CARACTERIZADO pelo fato de que iluminar a amostra de fluido com luz do primeiro comprimento de onda compreende emitir luz a partir de uma primeira fonte de luz em direção a uma janela óptica parcialmente refletora que divide a luz e direciona uma porção da luz para a janela óptica, e iluminar a amostra de fluido com luz do segundo comprimento de onda compreende emitir luz a partir de uma segunda fonte de luz diferente da primeira fonte de luz em direção à janela óptica parcialmente refletora que divide a luz e direciona uma porção da luz para a janela óptica.
53. Método, de acordo com a reivindicação 52, CARACTERIZADO pelo fato de que coletar emissões fluorescentes a partir da amostra de fluido compreende passar ao menos uma porção das emissões fluorescentes através da janela óptica parcialmente refletora, e coletar a luz dispersa compreende passar ao menos uma porção da luz dispersa através da janela óptica parcialmente refletora.
54. Método, de acordo com a reivindicação 51, CARACTERIZADO pelo fato de que iluminar a amostra de fluido com o primeiro comprimento de onda e iluminar a amostra de fluido com o segundo comprimento de onda compreende alternadamente iluminar a amostra de fluido com o primeiro comprimento de onda e com o segundo comprimento de onda de luz.
12/12
55. Método, de acordo com a reivindicação 51, CARACTERIZADO pelo fato de que detectar a magnitude das emissões fluorescentes compreende determinar uma concentração de uma espécie fluorescente na amostra de fluido, e detectar a magnitude da luz dispersa compreende determinar a turbidez da amostra de fluido.
56. Método, de acordo com a reivindicação 51, CARACTERIZADO pelo fato de que filtrar substancialmente todos os comprimentos de onda de luz, exceto os comprimentos de onda de emissões fluorescentes compreende filtrar todos os comprimentos de onda de luz exceto os comprimentos de onda das emissões fluorescentes, e filtrar substancialmente todos os comprimentos de onda de luz, exceto os comprimentos de onda da luz dispersa compreende filtrar todos os comprimentos de onda de luz exceto os comprimentos de onda da luz dispersa.
57. Método, de acordo com a reivindicação 51, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro comprimento de onda está dentro de um espectro ultravioleta e o segundo comprimento de onda está dentro de um espectro infravermelho.
58. Método, de acordo com a reivindicação 51, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que compreende detectar uma condutividade elétrica da amostra de fluido via uma interface de sensor adjacente à janela óptica e detectar uma temperatura da amostra de fluido via uma interface de sensor adjacente à janela óptica.
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