BR112018068208B1 - Sensor óptico de nitrato e método para medição multiparamétrica da qualidade de água - Google Patents
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Abstract
Um sensor óptico de nitrato possui um processador de sinal ou módulo de processamento de sinal configurado para: receber sinalização que contém informação sobre uma concentração de nitrato dissolvido na água com base em uma primeira absorbância óptica de luz UV situada em 229 nm, e que contém informação também sobre uma matéria orgânica dissolvida (MOD) detectada na água com base em uma segunda absorbância óptica de luz UV associada, situada em uma faixa de 250 nm a 275 nm; e determinar a sinalização correspondente que contém informação sobre uma concentração corrigida de nitrato dissolvido na água por meio da compensação da concentração de nitrato para a MOD detectada na água com base na sinalização recebida.
Description
[001] Este pedido reivindica benefício para o pedido de patente provisório número 62/305.742 (911-023.4-1//N-YSI- 0034), depositado em 9 de março de 2016, o qual é incorporado por referência na sua totalidade.
[002] Este pedido refere-se também ao pedido de patente número de série 15/451.853, depositado em 7 de março de 2017, que reivindica o benefício ao pedido de patente provisório número 62/304.678 (911-023.3-1//N-YSI-0033), depositado em 7 de março de 2016, ambos incorporados por referência na sua totalidade.
[003] Esta invenção refere-se a uma técnica para determinar a qualidade da água; e mais particularmente refere-se a uma técnica para determinar a qualidade da água usando um sensor óptico para monitoramento multiparamétrico de qualidade de água.
[004] A eutrofização caracteriza-se como uma riqueza excessiva de nutrientes em um lago ou em outra massa d’água, frequentemente devido ao escoamento da terra, que provoca um crescimento denso de vida vegetal e a morte da vida animal devido à ausência de oxigênio. A eutrofização dessa água ambiental provocada por tal carga de nutrientes é um dos maiores desafios para a saúde aquática atualmente. A detecção de nitratos em tais águas ambientais é essencial para ajudar a resolver esses problemas. Os sensores de corrente disponíveis no mercado não são passíveis de monitoramento a longo prazo devido ao consumo de reagentes (sistemas de química úmida) ou ao consumo excessivo de energia (sistemas baseados em espectrômetros). Em vista disto, à medida que a demanda para reduzir a carga de nutrientes cresce, existe uma necessidade no estado da arte por um sensor de água ambiental que faça parte de um conjunto sensor de monitoramento multiparamétrico de longo prazo.
[005] A título de exemplo, a presente invenção apresenta técnicas novas e únicas para a determinação da qualidade da água por meio de um sensor óptico para o monitoramento multiparamétrico de qualidade de água, por exemplo, para resolver a necessidade do estado da arte mencionada acima.
[006] De acordo com uma modalidade, a presente invenção proporciona um aparelho, por exemplo, na forma de um sensor à base de sonda multiparamétrico, que mede a absorbância ultravioleta (UV) do nitrato a ~229 nm (nanômetros) e utiliza diodos emissores de luz UV (LEDs). No entanto, devido a interferências na matriz de água, uma única medição de comprimento de onda é insuficiente para medir a concentração de nitrato em águas naturais. Portanto, algoritmos de correção de matriz devem ser utilizados a fim de extrair a concentração de nitrato de qualquer interferência de background.
[007] A absorbância óptica é uma medida de atenuação da intensidade de luz, referente a uma medição de referência, a uma distância fixa. O nitrato dissolvido na água apresenta uma absorbância óptica bem conhecida no espectro do UV em uma faixa de 200 nm - 230 nm. Avanços recentes na tecnologia de LED permitiram o acesso à absorção óptica fraca na faixa de 229nm. Esta absorbância óptica fraca é suficiente para medir as concentrações de nitrato típicas em sistemas de água doce de 1-10 ppm (ou seja, partes por milhão).
[008] Para realizar essa medição, um LED de UV, situada em 229 nm, pode ser configurado para iluminar a água confinada dentro de uma região prescrita do corpo do sensor. A luz que atravessa o volume confinado de água é atenuada na presença de uma espécie absorvedora. A luz atenuada colide com um fotodiodo, onde uma fotocorrente é gerada e é posteriormente convertida em uma tensão através de um amplificador de transimpedância. Este sinal é designado como a medição (M) ou o sinal de medição. Antes de interagir com a amostra, é realizada a amostragem de uma porção da luz UV através de um fotodiodo de referência, onde a fotocorrente é convertida em uma tensão através de um amplificador de transimpedância sem interagir com a água. Este sinal é designado como a referência (R) ou o sinal de referência.
[009] A absorbância pode ser calculada da seguinte forma: Absorbância = -log (transmitância óptica) = -log (M/a R), onde a é uma constante de proporcionalidade que pode ser ajustada para ganho elétrico e/ou normalização.
[0010] Embora a absorbância possa ser medida como uma atenuação, tal como mostrado acima, ela é baseada exatamente na concentração de uma espécie absorvedora, no comprimento de interação com a espécie absorvedora, e na absortividade molar que varia com o comprimento de onda da luz utilizada. Isso é descrito pela Lei de Beer como Absorbância = e l c; onde e = absortividade molar, c = concentração do analito e l = comprimento de interação/caminho óptico. Isto leva ao contraste de sinal otimizado, à necessidade de um comprimento de interação/caminho óptico longo para as concentrações mais baixas, e à necessidade de um comprimento de interação curto para concentrações altas.
[0011] Em águas naturais, é imperativo corrigir as diversas interferências ópticas. A presente invenção propõe uma implementação para o uso de algoritmos de correção para ou para fazer uma medição de absorbância de nitrato.
[0012] A matéria orgânica dissolvida (MOD), como folhas e extratos de solo, pode interferir visualmente na medição de nitrato. A interferência é devida à absorbância da luz UV incidente que propicia a transferência de energia que produz a fluorescência. Esta absorbância de background adicional pode produzir resultados de absorbância de nitratos falso- positivos. Para compensar essa absorbância de background, uma segunda fonte óptica situada na absorbância da MOD dominante em 250nm - 275nm pode ser implementada para medir a absorbância de background da MOD. Este nível de background pode então ser subtraído da medição de nitrato em 229nm para fornecer um resultado com correção de background.
[0013] A turbidez da água pode interferir também na medição da absorbância do nitrato. A dispersão óptica a partir de partículas na água aparecem como atenuação em todos os comprimentos de onda de luz, proporcionando, assim, uma falsa absorbância. A turbidez pode ser medida integrada ao sensor ou no sistema por meio de dispersão nefelométrica no infravermelho próximo.
[0014] O algoritmo a seguir é típico da compensação necessária para fazer uma medição precisa do nitrato com interferências predominantes de turbidez e matéria orgânica. A compensação da temperatura também parece e é muito importante para qualquer algoritmo de compensação. Os coeficientes de algoritmo de correção são específicos para uma determinada arquitetura elétrica, mecânica e óptica do sensor e não são, portanto, de natureza global. 1. Os sinais de fotodiodo de referência (R) e de medição (M) são avaliados em 229nm e ~275nm. A título de exemplo, a absorbância pode ser calculada por meio de um logaritmo da razão entre os sinais R e M e a razão de um padrão não absorvedor (branco), como a água deionizada. 2. A correção de turbidez é subtraída da absorbância como uma correção polinomial de coeficientes aí ou ym, em 229nm e ~275nm, respectivamente. A título de exemplo, os dados de turbidez podem ser fornecidos a partir de uma medição óptica interna ou externa em unidades nefelométricas. 3. A concentração de nitrato com compensação de turbidez, em miligramas/litro, pode ser calculada a partir da absorbância com um fator(es) de conversão ßj. 4. O background de matéria orgânica pode ser corrigido, por exemplo, por meio de uma subtração da absorbância com compensação de turbidez com um fator de escala apropriado, d, para a absorbância de 275nm. 5. A concentração de nitrato com correção de matéria orgânica e turbidez pode ser calculada, por exemplo, por meio de um polinômio com coeficientes Sk. 6. Correções de temperatura dos dados com compensação de turbidez e background orgânico podem ser calculadas, por exemplo, por meio de um polinómio com coeficientes, µ(°C).
[0015] Existem várias maneiras de se integrar os LEDs para a medição quanto correção. De acordo com a presente invenção, os sensores utilizarão uma fonte combinada que contém 229nm, 275nm, e um fotodiodo monitor dentro do mesmo corpo óptico. O benefício dessa abordagem é que ela minimiza o número de componentes ópticos no sistema, reduz o erro de alinhamento óptico e ajuda na miniaturização geral do sensor. A integração de um LED de IV próximo para medições de turbidez no mesmo pacote também é uma possibilidade com essa abordagem. Cada LED pode ser direcionável individualmente no desenho do circuito, de modo que várias medições individuais possam ser feitas, minimizando o pico de consumo de corrente do sistema. Além disso, se forem necessários mais comprimentos de onda de correção, a expansão do número de fontes ou fotodiodos direcionados individualmente é razoavelmente simples.
[0016] De acordo com algumas modalidades, a presente invenção pode incluir aparelhos, por exemplo, tais como um sensor óptico de nitrato que apresenta um processador de sinal ou módulo de processamento de sinal configurado para: receber sinalização que contém informação sobre uma concentração de nitrato dissolvido na água com base em uma primeira absorbância óptica de luz UV situada em 229nm, e que contém informação também sobre uma matéria orgânica dissolvida (MOD) detectada na água com base em uma segunda absorbância óptica de luz UV associada, situada em uma faixa de 250nm a 275nm; e determinar a sinalização correspondente que contém informação sobre uma concentração corrigida de nitrato dissolvido na água por meio da compensação da concentração de nitrato pela MOD detectada na água com base na sinalização recebida.
[0017] O aparelho pode incluir um ou mais dos seguintes recursos adicionais: O processador de sinal pode ser configurado para fornecer informação da sinalização correspondente sobre a concentração corrigida de nitrato dissolvido na água.
[0018] A sinalização pode incluir a primeira sinalização que contém informação sobre uma primeira medição (M) da primeira absorbância óptica de UV do nitrato dissolvido em água de uma luz UV, que é gerada por um LED de UV, situada em 229nm, e que atravessa um volume confinado da água dentro de uma região prescrita de um corpo do sensor.
[0019] A sinalização pode incluir a segunda sinalização que contém informação sobre a medição da segunda absorbância óptica de UV da MOD na água de uma luz UV, que é gerada por um LED de UV, situada em uma faixa de 250nm a 275nm, e que atravessa um volume confinado da água dentro de uma região prescrita de um corpo do sensor.
[0020] A sinalização pode incluir, de forma combinada, a primeira sinalização que contém informação sobre uma primeira medição (M) da primeira absorbância óptica de UV do nitrato dissolvido em água de uma primeira luz UV, que é gerada por um primeiro LED de UV, situada em 229nm, e que atravessa um volume confinado da água dentro de uma região prescrita de um corpo do sensor, e sobre também uma primeira amostra de referência (R) de uma primeira porção da primeira luz UV que não atravessa o volume confinado da água; e a segunda sinalização que contém informação sobre uma segunda medição da segunda absorbância óptica de UV da MOD na água de uma segunda luz UV, que é gerada por um segundo LED de UV, situada em uma faixa de 250nm a 275nm, e que atravessa o volume confinado da água dentro da região prescrita do corpo do sensor, e sobre também uma segunda amostra de referência (R) de uma segunda porção da segunda luz UV que não atravessa o volume confinado da água.
[0021] O processador de sinal pode ser configurado para determinar a sinalização com correção de background que contém informação sobre uma concentração com correção de background do nitrato dissolvido na água com base na segunda sinalização recebida.
[0022] O processador de sinal pode ser configurado para determinar a sinalização com correção de background, subtraindo-se a segunda sinalização da primeira sinalização para compensar os extratos foliares e de solo na água que podem interferir opticamente com uma medição de nitrato.
[0023] O processador de sinal pode ser configurado para: receber segunda sinalização adicional que contém informação sobre a dispersão óptica das partículas na água que aparece como atenuação em todos os comprimentos de onda de luz; e sinalização com correção de turbidez que contém informação sobre uma concentração com correção de turbidez do nitrato dissolvido na água com base na segunda sinalização adicional recebida.
[0024] O processador de sinal pode ser configurado para receber a sinalização do fotodiodo de referência (R) e de medição (M) que são avaliadas em 229nm e ~275nm, e implementar um algoritmo de compensação contendo alguma combinação das seguintes etapas de: determinar uma absorbância por meio de um logaritmo de uma razão entre a sinalização do fotodiodo de referência (R) e de medição (M) e uma razão de um padrão não absorvedor ou branco, por exemplo, incluindo onde o padrão não absorvedor ou branco é determinado em relação à água deionizada; ou subtrair uma correção de turbidez a partir da absorbância como uma correção polinomial dos coeficientes ai ou Ym,respectivamente em 229nm e ~275nm, por exemplo, incluindo onde a sinalização de dados de turbidez contém informação sobre os dados de turbidez fornecidos por uma medição óptica interna ou externa em unidades nefelométricas; ou determinar ou calcular uma concentração de nitrato com compensação de turbidez a partir da absorbância, por exemplo, com um fator(es) de conversão ßj; ou corrigir o background de matéria orgânica por meio de uma subtração de uma absorbância com compensação de turbidez com um fator de escala, d, para a absorbância de 275nm; determinar ou calcular uma concentração de nitrato com correção de turbidez e matéria orgânica, por exemplo, por meio de um polinômio com coeficientes ek; e/ou determinar ou calcular as correções de temperatura da sinalização de dados com compensação de turbidez e backgroundorgânico, que contém informação sobre os dados com compensação de turbidez e background orgânico, por exemplo, por meio de um polinômio com coeficientes, µ(°C).
[0025] O processador de sinal pode ser configurado para receber a sinalização do fotodiodo de referência (R) e de medição (M) que são avaliadas em 229nm e ~275nm, e aplicar um algoritmo de compensação para corrigir uma medição de nitrato ao realizar as seguintes etapas de: realizar uma correção de temperatura, por exemplo, usando um sensor de temperatura interno ou externo; realizar uma correção de turbidez, por exemplo, usando uma medição de turbidez externa ou integrada.
[0026] O aparelho pode incluir, ou fazer parte do sensor óptico de nitrato.
[0027] O sensor óptico de nitrato pode incluir: um primeiro LED de UV para fornecer a primeira luz UV situada em 229nm, por exemplo, que pode atravessar um volume da água confinado dentro de uma região prescrita de um corpo do sensor; e um segundo LED de UV para fornecer a segunda luz UV situada em uma faixa de 250nm a 275nm, por exemplo, que pode atravessar o volume confinado da água dentro da região prescrita do corpo do sensor.
[0028] O sensor óptico de nitrato pode incluir um corpo do sensor configurado para confinar o volume da água dentro da região prescrita.
[0029] O processador de sinal pode ser configurado para determinar uma medição da absorbância óptica de UV com base na seguinte equação: Absorbância = -log (transmitância óptica) = -log (M/a R), onde aé uma constante de proporcionalidade que pode ser ajustada para normalização do ganho elétrico.
[0030] A sinalização pode conter informação tanto sobre uma medição (M) que é medida e recebida a partir de um fotodiodo de medição, ou sobre a amostra de referência (R) que é medida e recebida a partir de um fotodiodo de referência, ou ambos, por exemplo, incluindo onde uma fotocorrente é gerada e é subsequentemente convertida em uma tensão através de um amplificador de transimpedância.
[0031] A luz UV pode atravessar o volume da água confinado ao longo de um percurso variável que depende de uma faixa de concentrações de interesse para a concentração de nitrato determinada.
[0032] De acordo com algumas modalidades, a presente invenção pode incluir um método que compreende as etapas de: receber, em um processador de sinal ou módulo de processamento de sinal, uma sinalização que contém informação sobre uma concentração de nitrato dissolvido na água com base em uma primeira absorbância óptica de luz UV situada em 229nm, e que contém informação também sobre uma matéria orgânica dissolvida (MOD) detectada na água com base em uma segunda absorbância óptica de luz UV associada, situada em uma faixa de 250nm a 275nm; e determinar, no processador de sinal ou módulo de processamento de sinal, a sinalização correspondente que contém informação sobre uma concentração corrigida de nitrato dissolvido na água por meio da compensação da concentração de nitrato pela MOD detectada na água com base na sinalização recebida.
[0033] O método pode incluir também um ou mais dos recursos apresentados acima.
[0034] Os desenhos não estão necessariamente desenhados em escala e incluem as Figuras 1 - 5, como se segue:
[0035] A Figura 1A mostra um diagrama de blocos do aparelho, por exemplo, tendo um processador de sinal ou módulo de processamento de sinal para implementar a funcionalidade de processamento de sinal, de acordo com algumas modalidades da presente invenção.
[0036] A Figura 1B mostra um diagrama de blocos de um fluxograma com as etapas para implementação de um método de acordo com algumas modalidades da presente invenção.
[0037] A Figura 2 é um fluxograma com as etapas para implementação de, pelo menos, parte de um algoritmo de compensação de acordo com algumas modalidades da presente invenção.
[0038] A Figura 3 é um diagrama mostrando os nós com, pelo menos, parte de um algoritmo de compensação de acordo com algumas modalidades da presente invenção.
[0039] A Figura 4 é um gráfico que mostra o efeito de uma correção de turbidez em uma concentração de nitrato fixa de 2 ppm, por exemplo, incluindo onde a turbidez de 500 FNU pode gerar a concentração de nitrato falsa de até ~30 ppm (losangos), e incluindo onde a implementação de um algoritmo de correção, de acordo para a presente invenção, pode produzir resultados precisos efetivamente (quadrados).
[0040] A Figura 5 mostra o aparelho de acordo com a presente invenção, o qual inclui uma combinação de LED de UV e fotodiodo para implementar a funcionalidade de processamento de sinalização óptica em conjunto com um processador de sinal para implementar a funcionalidade de processamento de sinalização, tudo de acordo com algumas modalidades da presente invenção.
[0041] Para reduzir a desorganização no desenho, cada figura presente no mesmo não inclui necessariamente todos os sinais de referência para cada elemento mostrado.
[0042] A título de exemplo adicional, a Figura 1 mostra um aparelho 10 (por exemplo, um sensor óptico de nitrato) para implementar a funcionalidade de processamento de sinal associado de acordo com algumas modalidades da presente invenção. O aparelho 10 pode incluir um processador ou módulo de processamento de sinal 12 configurado para pelo menos: receber sinalização que contém informação sobre uma concentração de nitrato dissolvido na água com base em uma primeira absorbância óptica de luz UV situada em 229nm, e que contém informação também sobre uma matéria orgânica dissolvida (MOD) detectada na água com base em uma segunda absorbância óptica de luz UV associada, situada em uma faixa de 250nm a 275nm; e determinar a sinalização correspondente que contém informação sobre uma concentração corrigida de nitrato dissolvido na água por meio da compensação da concentração de nitrato pela MOD detectada na água com base na sinalização recebida.
[0043] Em funcionamento, o processador ou módulo de processamento de sinal 12 pode ser configurado para fornecer a sinalização correspondente contendo informação sobre a concentração corrigida de nitrato dissolvido na água, por exemplo, para processamento adicional, de acordo com o estabelecido neste documento. O escopo da invenção não pretende estar limitado a qualquer tipo, forma ou modo particular de processamento adicional, e pode incluir outras técnicas de processamento conhecidas atualmente ou desenvolvidas posteriormente no futuro.
[0044] A título de exemplo, a funcionalidade do processador ou módulo de processamento de sinal 12 pode ser implementada utilizando-se hardware, software, firmware ou uma combinação dos mesmos. Em uma implementação típica de software, o processador ou módulo de processamento de sinal 12 incluiria uma ou mais estruturas baseadas em microprocessador tendo, por exemplo, pelo menos um processador ou elemento semelhante a microprocessador de sinal 12. Um técnico no assunto seria capaz de programar, com um código de programa adequado, uma implementação baseada em microcontrolador ou baseada em microprocessador para realizar a funcionalidade de processamento de sinal descrita neste documento sem experimentação indevida. Por exemplo, o processador ou módulo de processamento de sinal 12 pode ser configurado sem experimentação indevida, por exemplo, por um técnico no assunto, para receber a sinalização que contém informação sobre uma concentração de nitrato dissolvido na água com base em uma primeira absorbância óptica de luz UV situada em 229 nm e que contém também informação sobre uma matéria orgânica dissolvida (MOD) detectada na água com base em uma segunda absorbância óptica de luz UV associada, situada em uma faixa de 250nm a 275nm, de acordo com o descrito neste documento.
[0045] Além disso, o processador ou módulo de processamento de sinal 12 pode ser configurado sem experimentação indevida, por exemplo, por um técnico no assunto, para determinar a sinalização correspondente que contém informação sobre uma concentração corrigida de nitrato dissolvido na água, compensando a concentração de nitrato pela MOD detectada na água, por exemplo, de acordo com o descrito neste documento. A título de exemplo, o presente pedido de patente descreve técnicas para determinar a sinalização correspondente que contém informação sobre a concentração corrigida de nitrato dissolvido na água, compensando a concentração de nitrato pela MOD detectada na água; no entanto, o escopo da invenção não pretende estar limitado a qualquer tipo ou forma particular de implementação e/ou técnica de processamento de sinal para realizar a determinação da concentração corrigida de nitrato dissolvida na água com base na sinalização recebida.
[0046] O escopo da invenção não pretende estar limitado a qualquer implementação particular que utilize a tecnologia conhecida atualmente ou posteriormente desenvolvida no futuro. O escopo da invenção pretende incluir a implementação da funcionalidade do processador(es) de sinal 12 como processador, processador de sinal ou módulo de processamento de sinal independente, bem como módulos de processamento ou processador separados, bem como alguma combinação dos mesmos.
[0047] A título de exemplo, o aparelho 10 pode incluir também, por exemplo, outros circuitos ou componentes de processamento de sinal geralmente indicados 14, incluindo a memória de acesso aleatório ou módulo de memória (RAM) e/ou memória de leitura (ROM), dispositivos e controle de entrada/saída e barramentos de dados e endereços ligando o mesmo e/ou pelo menos um processador de entrada e pelo menos um processador de saída, por exemplo, a critério do técnico no assunto.
[0048] A título de exemplo adicional, o processador de sinal 12 pode incluir, ou assumir a forma de, alguma combinação de um processador de sinal e pelo menos uma memória incluindo um código de programa computacional, onde o processador de sinal e pelo menos uma memória são configurados para acionar o aparelho a implementar a funcionalidade da presente invenção, por exemplo, para responder à sinalização recebida e para determinar a sinalização correspondente com base na sinalização recebida. Figura 1B: O Método Básico
[0049] De acordo com algumas modalidades, a presente invenção pode incluir também um método geralmente indicado como 20 que compreende as etapas 20a, 20b e 20c, conforme abaixo: uma etapa 20a para receber, em um processador ou elemento similar a um módulo de processamento de sinal 12, a sinalização que contém informação sobre uma concentração de nitrato dissolvido na água com base em uma primeira absorbância óptica de luz UV, situada em 229nm, e que contém também informação sobre uma matéria orgânica dissolvida (MOD) detectada na água com base em uma segunda absorbância ótica de luz UV associada, situada em um faixa de 250nm a 275nm ; e uma etapa 20b para determinar, no processador ou elemento similar a um módulo de processamento de sinal 12, a sinalização correspondente que contém informação sobre uma concentração corrigida de nitrato dissolvido na água, compensando a concentração de nitrato pela MOD detectada na água.
[0050] O método pode incluir também uma ou mais das características descritas acima, incluindo uma etapa 20c para fornecer a sinalização correspondente que contém informação sobre a concentração corrigida de nitrato dissolvido na água. Figura 2: O Fluxograma
[0051] A Figura 2 é um fluxograma, indicado geralmente como 50, que possui as etapas 50a a 50o para implementar, pelo menos, parte de um algoritmo de compensação de acordo com algumas modalidades da presente invenção.
[0052] As etapas são resumidas brevemente da seguinte forma: As etapas 50a e 50b podem ser implementadas para determinar uma medição do fotodiodo de referência e uma medição do fotodiodo de medição; As etapas 50c e 50d podem ser implementadas para determinar A229 e A275, por exemplo, com base na determinação de uma função log ((M229/R229)/(razão de branco)) ou uma função log correspondente ((M275/R275)/(razão de branco)); As etapas 50e e 50f podem ser implementadas para determinar Atcorre229 e Atcorr275, por exemplo, ao subtrair de A229 e A275 uma função de soma relacionada à absorbância como uma correção polinomial de coeficientes aí ou ym, em 229nm e ~275nm, respectivamente; As etapas 50g e 50h podem ser implementadas para determinar uma medição de turbidez e uma medição de temperatura; As etapas 50i, 50j e 50k podem ser implementadas para determinar os resultados com correção de turbidez, por exemplo, com base nas correções Atcorre229 e Atcorr275, onde a concentração de nitrato com compensação de turbidez, em miligramas/litro, pode ser calculada a partir da absorbância com o fator(es) de conversão ßj, e onde o background de matéria orgânica pode ser corrigido por meio da subtração da absorbância com compensação de turbidez com o fator de escala apropriado, d, para a absorbância de 275nm; As etapas 50l e 50m podem ser implementadas para a determinação dos resultados com correção de turbidez e MON (matéria orgânica natural), por exemplo, com base na concentração de nitrato com correção de turbidez e matéria orgânica calculada por meio de um polinómio de coeficientes Sk; e As etapas 50n e 50o podem ser implementadas para determinar os resultados com correção de turbidez, MON e temperatura corrigida somente, por exemplo, com base nas correções de temperatura dos dados com compensação de turbidez e backgroundorgânico calculadas por meio de um polinómio de coeficientes, µ(°C). Figura 3:
[0053] A Figura 3 é um diagrama indicado geralmente como 60, que possui os nós 60a a 60d para implementar, pelo menos, parte de um algoritmo de compensação para se obter uma medição de nitrato corrigida no nó 60e de acordo com algumas modalidades da presente invenção.
[0054] O nó 60a implementa uma medição de absorbância em 229nm, por exemplo, incluindo a utilização de um LED de UV, fotodiodos, filtros ópticos e circuitos analógicos e firmware, de acordo com o descrito neste documento; O nó 60b implementa uma medição de absorbância em 250 a 275nm, por exemplo, incluindo a utilização de firmware, de acordo com o descrito neste documento; O nó 60c implementa a medição de temperatura, por exemplo, usando sensores internos e externos e algoritmos de firmware, de acordos com o descrito neste documento; e O nó 60d implementa uma medição de turbidez, por exemplo, usando medições externas ou integradas e algoritmos de firmware, de acordos com o descrito neste documento. Figura 5: A Combinação Básica de Fotodiodos e Funcionalidade de Processamento de Sinais
[0055] A título de exemplo, a Figura 5 mostra o aparelho geralmente indicado como 10' para proporcionar a compensação do sensor óptico de nitrato para monitoramento da qualidade da água de um corpo d'água geralmente indicado como H2O em uma câmara de amostra SC usando uma combinação de UV/LED e fotodiodo 20 e o processador de sinal 12.
[0056] A título de exemplo, a combinação de UV/LED e fotodiodo 20 pode incluir uma fonte combinada 20a com um LED de UV que fornece a sinalização óptica de LED LM em 229nm ou 275nm para uma janela de amostragem, que pode ser feita de quartzo. A janela de amostragem responde à sinalização óptica do LED LM em 229nm ou 275nm e fornece uma parte da sinalização óptica do LED LM a um fotodiodo de referência PDR e outra parte da sinalização óptica do LED LM em 229nm ou 275nm através do corpo d'água. A combinação de fotodiodo 20 também inclui uma combinação de fotodiodo monitor 20b que possui um fotodiodo de medição PDM que mede a sinalização óptica do LED LM em 229nm e 275nm recebida que passou através da água, e fornece a sinalização de fotodiodo medida Sm,229 e Sm,275 que contém informação sobre a absorção óptica pela água relacionada com a sinalização do LED LM absorvida em 229nm e 275nm.
[0057] A título de exemplo adicional, a combinação de UV/LED e fotodiodo 20 pode incluir também um amplificador de ganho programável PGA configurado para receber a sinalização de referência SR,229 ou SR,275 dos fotodiodos de referência PDR, e receber também a sinalização medida Sm,229 e Sm,275 a partir do fotodiodo de medição PDM, e fornecer a sinalização do amplificador de ganho programável PGA (SR/M,229; SR/M,275) ao processador de sinal 12 para processamento adicional, por exemplo, de acordo com o estabelecido neste documento. O amplificador de ganho programável já e conhecido no estado da arte, e o escopo da invenção não pretende estar limitado a qualquer tipo ou forma particular do mesmo, por exemplo, conhecida atualmente ou desenvolvida posteriormente no futuro.
[0058] O processador de sinal 12 é configurado para receber a sinalização do amplificador de ganho programável PGA (SR/M, 229; SR/M, 275), e determina a sinalização de saída Sout que contém informação sobre a compensação do sensor óptico de nitrato, por exemplo, incluindo uma correção de turbidez para compensar a matéria orgânica dissolvida (MOD) contida na água. O processador de sinal 12 está configurado para executar a funcionalidade de processamento de sinal com base em algoritmos de compensação de sensor óptico de nitrato descritos neste documento para realizar a determinação relacionada com a compensação do sensor óptico de nitrato pela concentração de nitrato dissolvido na água. O processador de sinal 12 está configurado também para fornecer a sinalização de saída Sout para continuar o processamento adequado, por exemplo, incluindo a geração da sinalização de exibição adequada que mostra/exibe a informação sobre a concentração corrigida de nitrato dissolvido na água e/ou a compensação do sensor óptico de nitrato pela concentração de nitrato em um visor/monitor, etc.
[0059] O processador de sinal pode ser configurado também para fornecer sinal de controle Sc para controlar a operação do LED de UV, PDR e PDM, por exemplo, para proporcionar LED de UV em 229nm ou 275nm, receber/detectar a sinalização de referência em 229nm ou 275nm e/ou receber/detectar a sinalização medida em 229nm ou 275nm, de acordo com o estabelecido neste documento.
[0060] A título de exemplo, e conforme um técnico no assunto compreenderá, os componentes ópticos como LEDs, fotodiodos, fotodiodos de medição, fotodiodos de referência, filtros ópticos, fibra ou fibras ópticas, tubos de luz, matriz de LEDs, janelas de amostragem óptica, janelas de pickoffópticos, lentes de focagem, barras de sílica fundida de safira ou de grau UV, os analisadores de espectro óptico são todos conhecidos no estado da arte e o escopo da invenção não pretende estar limitado a qualquer tipo ou forma particular que possa ser utilizada neste documento. O escopo da invenção pretende incluir a utilização de tais componentes ópticos que podem ser conhecidos atualmente no estado da arte ou desenvolvidos posteriormente no futuro.
[0061] De acordo com algumas modalidades da presente invenção, o aparelho pode ter a forma também de um meio de armazenamento legível por computador contendo componentes executáveis por computador para a realização das etapas do método mencionado acima. O meio de armazenamento legível por computador pode incluir também um ou mais dos recursos definidos acima. Algoritmos de Compensação do Sensor Óptico de Nitrato para Monitoramento Multiparamétrico de Qualidade de Água
[0062] Este pedido refere-se com o assunto divulgado no pedido de patente complementar com número de série 15/451.853, depositado em 7 de março de 2017, intitulado "Sensor de nitrato óptico para monitoramento multiparamétrico de qualidade de água", que reivindica o benefício ao pedido de patente provisório número 62/304.678 (911-023.3-1//N-YSI-0033), depositado em 7 de março de 2016. O sensor óptico de nitrato divulgado no pedido complementar pode ser utilizado em conjunto com o algoritmo de compensação do sensor óptico de nitrato divulgado no presente pedido, e vice-versa. Além disso, e a título de exemplo, o pedido de patente complementar fornece pelo menos uma técnica para determinar uma concentração de nitrato dissolvida na água com base em uma primeira absorbância óptica de luz UV situada em 229nm, que pode ser compensada com base no disposto neste documento. O escopo da invenção destina-se a incluir, e as modalidades preveem utilizar, por exemplo, outra técnica para a determinação de uma concentração de nitrato dissolvido na água conhecida atualmente ou desenvolvida posteriormente no futuro.
[0063] Embora a invenção tenha sido descrita com referência a um exemplo de modalidade, os técnicos no assunto entenderão que diversas alterações podem ser realizadas e diversos equivalentes podem ser substituídos por seus elementos sem se afastarem do escopo da invenção. Além disso, modificações podem ser realizadas para adaptar uma situação ou material particular aos ensinamentos da invenção sem se afastar do escopo essencial da mesma. Por conseguinte, pretende-se que a invenção não esteja limitada à modalidade(s) particular descrita neste documento como o melhor modo contemplado para a realização desta invenção.
Claims (13)
1. Sensor óptico de nitrato para amostragem de um volume confinado de água dentro de uma região prescrita de uma câmara de amostragem CARACTERIZADOpor compreender: uma combinação de LED de UV configurada para gerar um primeiro sinal de LED de UV centrado em 229 nm e um segundo sinal de LED de UV centrado em uma faixa de 250 a 275 nm que atravessa o volume confinado de água dentro da região prescrita da câmara de amostragem para detectar nitratos na água com o primeiro sinal LED de UV e matéria orgânica dissolvida (MOD) na água com segundo sinal LED de UV; um fotodiodo de referência configurado para responder a parte do primeiro sinal LED de UV e do segundo sinal LED de UV, e fornecer sinalização de fotodiodo de referência contendo informações sobre a parte do primeiro sinal LED de UV e o segundo sinal LED de UV recebido; um fotodiodo de medição configurado para detectar o primeiro sinal LED de UV e o segundo sinal LED de UV que passam através do volume confinado de água dentro da região prescrita da câmara de amostragem e fornece sinalização de fotodiodo medida contendo informações sobre uma absorção de nitrato da água relacionada ao primeiro sinal LED de UV e uma absorção de background da MOD relacionado ao segundo sinal LED de UV; um amplificador de transimpedância configurado para responder à sinalização do fotodiodo de referência e à sinalização do fotodiodo medido, e fornecer sinalização do amplificador de transimpedância contendo informações sobre uma conversão de sinalização de referência de fotocorrente para a sinalização de referência de tensão da sinalização do fotodiodo de referência sem interação com a água, e também uma conversão de sinalização medida de fotocorrente para a sinalização medida de tensão após interação com a água; e um processador de sinal ou módulo de processamento de sinal configurado para: receber a sinalização do amplificador de transimpedância; e determinar a sinalização correspondente que contém informação sobre uma concentração corrigida de background da MOD de nitratos dissolvidos na água compensando a concentração da absorção de nitrato detectada na água a 229 nm para absorção de background da MOD na água na faixa de 250 a 275 nm, com base na sinalização do amplificador de transimpedância recebida.
2. Sensor óptico de nitrato, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADOpelo fato de o processador de sinal ou módulo de processamento de sinal ser configurado para fornecer sinalização correspondente que contém informação sobre a concentração corrigida de background da MOD de nitrato dissolvido na água.
3. Sensor óptico de nitrato, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADOpelo fato de que o LED de UV é configurado para responder à sinalização de controle e gerar o primeiro sinal LED de UV e o segundo sinal LED de UV.
4. Sensor óptico de nitrato, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADOpelo fato de que o processador de sinal ou módulo de processamento de sinal ser configurado para determinar a concentração com correção de background da MOD, subtraindo-se a absorção de background da MOD da absorção de nitrato para compensar folhas e os extratos de solo na água que podem interferir opticamente com uma medição de nitrato.
5. Sensor óptico de nitrato, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADOpelo fato de o processador de sinal ou módulo de processamento de sinal ser configurado para: receber sinalização adicional que contém informação sobre o espalhamento óptico das partículas na água que aparece como atenuação em todos os comprimentos de onda de luz; e determinar sinalização com correção de turbidez que contém informação sobre uma concentração com correção de turbidez do nitrato dissolvido na água, com base na sinalização adicional recebida.
6. Sensor óptico de nitrato, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADOpelo fato de o processador de sinal ou módulo de processamento de sinal ser configurado para receber sinalização de fotodiodo de referência e sinalização de fotodiodo de medição , e implementar um algoritmo de compensação para realizar uma ou mais das seguintes: determinação de uma absorbância por meio de um logaritmo de uma razão entre sinalização do fotodiodo de referência (R) e de medição (M) e uma razão de um padrão não absorvente ou branco, incluindo onde o padrão não absorvente ou branco é determinado em relação à água deionizada; ou subtração de uma correção de turbidez da absorbância como uma correção polinomial dos coeficientes ai ou Ym, respectivamente a 229 nm e ~275 nm, incluindo onde a sinalização de dados de turbidez contém informação sobre os dados de turbidez fornecidos por uma medição óptica interna ou externa em unidades nefelométricas; ou determinação ou cálculo de uma concentração de nitrato com compensação de turbidez a partir da absorbância com um(ns) fator(es) de conversão ßj; ou correção do background de matéria orgânica por meio de uma subtração de uma absorbância com compensação de turbidez com um fator de escala, d, para a absorbância de 275 nm; ou determinação ou cálculo de uma concentração de nitratos com correção de turbidez e matéria orgânica por meio de um polinômio de coeficientes ek; e/ou determinação ou cálculo das correções de temperatura da sinalização de dados com compensação de turbidez e background orgânico, que contém informação sobre os dados com compensação de turbidez e backgroundorgânico por meio de um polinómio de coeficientes, µ(°C).
7. Sensor óptico de nitrato, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADOpelo fato de o processador de sinal ou módulo de processamento de sinal ser configurado para receber sinalização de fotodiodo de referência e de sinalização de fotodiodo medição, e implementar um algoritmo de compensação para corrigir uma medição de nitrato ao realizar um ou mais dos seguintes: realizar uma correção de temperatura usando um sensor de temperatura interno ou externo; realizar uma correção de turbidez usando uma medição de turbidez externa ou integrada.
8. Sensor óptico de nitrato, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADOpelo fato de o LED de UV compreender: um primeiro LED de UV para fornecer a primeira luz UV situada a 229 nm e que atravessa um volume confinado da água dentro de uma região prescrita de um corpo de sensor; e um segundo LED de UV para fornecer a segunda luz UV situada em uma faixa de 250 nm a 275 nm.
9. Sensor óptico de nitrato, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de o sensor óptico de nitrato compreender: um corpo de sensor configurado para confinar um volume da água dentro da região prescrita.
10. Sensor óptico de nitrato, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADOpelo fato de o processador de sinal ou módulo de processamento de sinal ser configurado para determinar uma medição da absorbância óptica de UV com base na seguinte equação: Absorbância = -log (transmitância óptica) = -log (M/a R), onde a é uma constante de proporcionalidade que pode ser ajustada para a normalização do ganho elétrico.
11. Método para amostragem de um volume confinado de água dentro de uma região prescrita de uma câmara de amostragem com um sensor óptico de nitrato CARACTERIZADOpor compreender: gerar com uma combinação de LED de UV, um primeiro sinal LED de UV centrado em 229 nm e um segundo sinal LED de UV centrado em uma faixa de 250 a 275 nm que atravessam o volume confinado de água dentro da região prescrita da câmara de amostragem para detectar nitratos na água com o primeiro sinal LED de UV e matéria orgânica dissolvida (MOD) na água com o segundo sinal LED de UV; responder com um fotodiodo de referência a parte do primeiro sinal LED de UV e do segundo sinal LED de UV e fornecer sinalização de fotodiodo de referência contendo informações sobre a parte do primeiro sinal LED de UV e o segundo sinal LED de UV recebido; detectar com um fotodiodo de medição o primeiro sinal LED de UV e o segundo sinal LED de UV que passam através do volume confinado de água dentro da região prescrita da câmara de amostragem e fornecer sinalização de fotodiodo medida contendo informações sobre uma absorção de nitrato de água relacionada ao primeiro sinal de LED de UV e uma absorção de background de MOD relacionado ao segundo sinal LED de UV; responder com um amplificador de transimpedância à sinalização de referência de fotodiodo e à sinalização de fotodiodo medida e fornecer sinalização de amplificador transimpedância contendo informações sobre uma conversão de sinalização de referência de fotocorrente para a sinalização de referência de tensão da sinalização do fotodiodo de referência sem interação com a água, e também uma conversão de sinalização medida de fotocorrente para a sinalização medida de tensão após interação com a água; e receber, com um processador de sinal ou módulo de processamento de sinal, a sinalização do amplificador de transimpedância e determinar a sinalização correspondente contendo informação sobre a concentração corrigida de background de MOD de nitratos dissolvidos na água compensando a concentração da absorção de nitrato detectada na água a 229 nm para absorção de background de MOD detectada na água na faixa de 250 a 275 nm, com base na sinalização do amplificador de transimpedância recebida.
12. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADOpelo fato de o método compreender fornecer com o processador de sinal ou módulo de processamento de sinal, a sinalização correspondente contendo informação sobre a concentração corrigida de background de MOD de nitrato dissolvido na água.
13. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADOpelo fato de o método compreender responder com o LED de UV para controlar a sinalização e gerar o primeiro sinal LED de UV e o segundo sinal UV.
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