BR112020022447A2 - dispositivo de amostragem de particulado e análise - Google Patents

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Abstract

É divulgado um dispositivo de amostragem, um sistema de amostragem e um método de coleta de amostras de particulados. Também é divulgado um dispositivo de amostragem, um sistema de amostragem e um método de geração de dados associados à coleta das amostras de particulados. Também é divulgado um sistema e método para analisar os dados da amostra para identificar os particulados nas amostras coletadas e suas uma ou mais características que podem ser correlacionadas ao ambiente circundante.

Description

DISPOSITIVO E SISTEMA DE AMOSTRAGEM PARA COLETA DE PARTICULADOS
E MÉTODOS PARA DETECÇÃO E MONITORAMENTO DOS MESMOS Campo Técnico
[001] Esta divulgação é direcionada a um dispositivo de amostragem para a coleta de particulados a partir de um fluido, e um método para a coleta de particulados usando um dispositivo de amostragem. Esta divulgação também é direcionada a um método para detecção de particulado. Esta divulgação também diz respeito a análise de particulados. Antecedentes Técnicos
[002] As doenças transportadas pelo ar são uma ameaça à sociedade. Houve algum progresso no tratamento dessas doenças e na redução de seu impacto.
[003] Dispositivos conhecidos para monitorar, rastrear e detectar doenças transportadas pelo ar são amostradores de partículas estáticas, como as Armadilhas de Esporos tipo Hirst ou Burkard. Eles fornecem uma solução de amostragem mecânica básica e podem ser requeridos para serem transportados manualmente para diferentes locais para fornecer um conjunto preciso de dados de amostra.
[004] A Armadilha de Esporos tipo Burkard coleta amostras de partículas transportadas pelo ar, como pólen e outros esporos. Inclui uma bomba de vácuo que opera por sucção de ar através de um orifício localizado em um alojamento. Contida dentro do alojamento está uma superfície de retenção localizada em uma lâmina de microscópio engraxada. As partículas transportadas pelo ar são puxadas para dentro do alojamento e depositadas na superfície de retenção da lâmina por impactação através do fluxo de ar.
[005] A Armadilha está localizada em um local de acordo com o tipo de partículas sob investigação. Se uma investigação mais abrangente estiver em andamento, mais de uma armadilha pode estar localizada em múltiplos sítios, ou a Armadilha pode ser movida manualmente entre os sítios. A velocidade do vento e tamanho de partícula impactam na eficiência da Armadilha de Esporos. Além disso, a lâmina requer verificação constante em um curto período de tempo para evitar a sobrecarga de esporos na lâmina e é facilmente contaminada. As partículas presas são vistas diariamente ao microscópio.
[006] Grande cuidado, planejamento e trabalho humano são necessários em todos os estágios ao usar a Armadilha de Esporos tipo Burkard para obter um registro preciso das partículas transportadas pelo ar. Raramente tais amostradores conhecidos podem alcançar as condições de amostragem e fluxo ideais e podem, portanto, ser incapazes de fornecer os dados altamente precisos e significativos necessários.
[007] Além disso, a análise das partículas transportadas pelo ar coletadas tem tradicionalmente limitado o monitoramento de doenças, requerendo grande quantidade de trabalho humano, materiais caros e demorando longos períodos de tempo para processar e analisar os dados coletados.
[008] Deve ser entendido que, se qualquer estado da técnica for referido na presente invenção, tal referência não constitui uma admissão que o estado da técnica forma uma parte do conhecimento geral comum da técnica, seja na Austrália ou em qualquer outro país. Sumário
[009] De acordo com um primeiro aspecto, é divulgado um dispositivo de amostragem para a coleta de particulados a partir de um fluido, o dispositivo compreendendo: uma entrada através da qual o fluido flui para o dispositivo; e um arranjo de coleta móvel configurado para se mover em relação à entrada e posicionado de modo que uma porção de superfície do arranjo de coleta esteja em uma posição de coleta para coletar os particulados a partir do fluido fluindo através da entrada, em que a porção de superfície do arranjo de coleta que está na posição de coleta varia em resposta ao movimento da porção de superfície. Isso pode ser vantajoso, pois inibe a superlotação de particulados na porção de superfície do arranjo de coleta na posição de coleta, bem como facilita a operação independente do dispositivo sem intervenção dos usuários para mudar frequentemente a porção de superfície.
[010] Em algumas formas, o movimento do arranjo de coleta é contínuo.
[011] Em algumas formas, o movimento do arranjo de coleta tem uma velocidade constante.
[012] Em algumas formas, o dispositivo de amostragem compreende, adicionalmente, um arranjo de acionamento para mover a porção das porções de superfície do arranjo de coleta para e a partir da posição de coleta. Em algumas formas, as porções de superfície são contíguas em uma superfície comum e o arranjo de acionamento compreende uma bobina de abastecimento e uma bobina de coleta e a superfície comum pode ser enrolada em torno das bobinas e móvel a partir da bobina de abastecimento para a bobina de coleta. Em algumas formas, o arranjo de acionamento gira a bobina de coleta de modo que as porções de superfície se movam a partir da bobina de abastecimento através da posição de coleta para a bobina de coleta.
[013] Em algumas formas, as porções de superfície se movem através da posição de coleta enquanto coletam particulados a partir do fluxo de fluido e o dispositivo compreende, adicionalmente, um sensor para determinar a velocidade das porções de superfície.
[014] Em algumas formas, o sensor pode ser posicionado entre a bobina de coleta e a bobina de abastecimento para determinar a velocidade das porções de superfície.
[015] Em algumas formas, o arranjo de acionamento gira a bobina de coleta de modo que as porções de superfície se movam através da posição de coleta para a bobina de coleta. O arranjo de acionamento pode girar as porções de superfície a uma velocidade constante.
[016] Em algumas formas, as porções de superfície quando na posição de coleta são substancialmente perpendiculares em relação ao fluxo a partir do escoadouro. Isto impactar vantajosamente na impactação dos particulados nas porções de superfície e, assim, aprimorar a retenção dos particulados nas porções de superfície. Em algumas formas, as porções de superfície quando na posição de coleta estão transversalmente ao fluxo a partir do escoadouro.
[017] Em algumas formas, o dispositivo de amostragem compreende, adicionalmente, uma cobertura arranjada para sobrepor as porções de superfície de modo que os particulados coletados nas porções de superfície sejam retidos entre a cobertura e as porções de superfície. Em algumas formas, a cobertura engata as porções de superfície entre a posição de coleta e a bobina de coleta. Em algumas formas, a cobertura está na forma de uma tira ou fita e é enrolada em torno de uma bobina de cobertura. A cobertura também pode vedar os particulados entre as porções de superfície e a cobertura e pode evitar a contaminação de particulados nas porções de superfície.
[018] Em algumas formas, as porções de superfície compreendem, adicionalmente, um substrato de suporte biológico. Em algumas formas, um dispositivo de amostragem compreende, adicionalmente, um reservatório para armazenar o substrato de suporte biológico e um dispensador para dispensar o substrato de suporte biológico a partir do reservatório para as porções de superfície. Em algumas formas, o dispensador é posicionado de modo que o substrato de suporte biológico seja dispensado sobre as porções de superfície antes de se mover para a posição de coleta. Em algumas formas, o substrato de suporte biológico pode suportar os particulados nas porções de superfície. Em algumas formas, o substrato de suporte biológico retém os particulados nas porções de superfície. O substrato de suporte biológico pode incluir ágar. O substrato de suporte biológico também pode ser adesivo e auxiliar na retenção dos particulados nas porções de superfície.
[019] De acordo com um segundo aspecto, é divulgado um dispositivo de amostragem para a coleta de particulados a partir de um fluido, o dispositivo compreendendo uma entrada através da qual o fluido flui para o dispositivo; um arranjo de coleta tendo uma porção de superfície posicionada em uma posição de coleta para coletar particulados a partir do fluido fluindo a partir da entrada; e um sistema de controle de fluxo de fluido para controlar a taxa de fluxo do fluido na posição de coleta. O sistema de controle de fluxo de fluido pode auxiliar na predeterminação do tamanho do particulado que é recebido pelas porções de superfície.
[020] Em algumas formas, o sistema de controle de fluxo de fluido pode manter uma taxa de fluxo constante do fluido. A taxa de fluxo constante do fluido pode ser conhecida por um técnico no assunto como isocinética. A taxa de fluxo isocinético pode ser controlada por meio do sistema de controle de fluido.
[021] Em algumas formas, o sistema de controle de fluxo de fluido pode compreender, adicionalmente, um dispositivo de sucção, tal como um exaustor. O dispositivo de sucção pode estar em comunicação fluida com a entrada de modo que o fluido recebido através da entrada flua pela posição de coleta antes de ser exaurido a partir do dispositivo por meio do dispositivo de sucção.
[022] Em algumas formas, a velocidade do dispositivo de sucção pode controlar de maneira ajustável a taxa de fluxo do fluido na posição de coleta. Em algumas formas, o sistema de controle de fluxo de fluido pode compreender, adicionalmente, pelo menos um sensor para medir a taxa de fluxo do fluido próxima à porção de superfície na posição de coleta. Em algumas formas, quando o dispositivo de sucção está na forma de um exaustor, o sistema de controle de fluxo de fluido controla de maneira ajustável a velocidade do exaustor em resposta às medições a partir do pelo menos um sensor. Vantajosamente, isso pode auxiliar na seleção do tamanho e/ou tipo de particulado recebido nas porções de superfície.
[023] Em algumas formas, o pelo menos um sensor pode medir o diferencial de pressão entre uma pressão de estagnação do fluxo de fluido dentro do dispositivo de amostragem próxima à porção de superfície e uma pressão estática externa ao dispositivo de amostragem.
[024] De acordo com um terceiro aspecto, é divulgado um dispositivo de amostragem para a coleta de particulados a partir de um fluido, o dispositivo compreendendo: um corpo de admissão tendo uma entrada e um escoadouro através do qual o fluido flui para o dispositivo; um arranjo de coleta, em que uma porção de superfície do arranjo de coleta é posicionada em uma posição de coleta para coletar particulados a partir do fluido fluindo a partir do escoadouro; em que a entrada pode ser orientada de maneira ajustável de modo que um fluxo do fluido na entrada seja substancialmente laminar e/ou isoaxial.
[025] É entendido por um técnico no assunto que laminar inclui o fluido sendo fluxo ininterrupto e/ou tornado aerodinâmico (isto é, não rugoso ou em espiral). Entende-se também que a amostragem isoaxial inclui a entrada sendo orientada para a mesma direção do fluxo de fluido. A posição da entrada pode ser ajustada para permitir que o fluxo seja laminar, isoaxial e/ou isocinético. O fluxo laminar pode ser vantajoso, pois pode ajudar a reduzir qualquer contaminação dos particulados coletados, bem como garantir que os particulados desejados sejam coletados. Entende-se que isocinético inclui o fluxo de fluido constante. A amostragem isocinética pode ser vantajosa, pois isso pode aumentar a eficiência de coleta de um dispositivo de amostragem. O tamanho de alguns particulados pode mudar se não forem substancialmente laminares e, portanto, não podem ser recebidas nas porções de superfície conforme desejado. Vantajosamente, o fluxo que pode ser isoaxial e/ou isocinético reduz a turbulência e permite o fluxo laminar na entrada de amostragem.
[026] Em algumas formas, o corpo de admissão que se estende entre uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a entrada está posicionada na primeira extremidade do corpo de admissão e o escoadouro está posicionada na segunda extremidade. Em algumas formas, a entrada e o escoadouro podem se sobrepor uma à outra no corpo de admissão.
[027] Em algumas formas, o escoadouro é arranjado em relação à entrada de modo que o fluxo de fluido seja substancialmente laminar e/ou isoaxial quando flui a partir do escoadouro.
[028] Em algumas formas, o arranjo de coleta é orientado de modo que a porção de superfície seja substancialmente perpendicular em relação ao fluxo de fluido a partir do escoadouro.
[029] Em algumas formas, o dispositivo de amostragem pode compreender, adicionalmente, um sistema de controle angular que está arranjado para orientar a entrada relativa a um fluxo ambiente do fluido de modo que o fluxo de fluido para a entrada seja substancialmente laminar.
[030] Em algumas formas, o sistema de controle angular pode ser arranjado para controlar a inclinação da entrada em relação ao dispositivo.
[031] Em algumas formas, o sistema de controle angular pode ser arranjado para controlar a guinada da entrada em relação ao dispositivo.
[032] Em algumas formas, o dispositivo de amostragem pode compreender, adicionalmente, um sensor para perceber a direção do fluxo ambiente do fluido.
[033] Em algumas formas, o sistema de controle angular orienta a entrada de maneira ajustável em resposta à direção do fluxo ambiente do fluido percebido pelo sensor.
[034] Em algumas formas, o pelo menos um sensor pode ser pelo menos um dentre: • um tubo de pitot estático voltado para a frente conectado a pelo menos um sensor de pressão; • um giroscópio; • um acelerômetro, • bússola; • GPS; • IMU; e/ou • um anemômetro.
[035] De acordo com um quarto aspecto, é divulgado um dispositivo de amostragem de acordo com qualquer um dos aspectos anteriores, em que o dispositivo é um dispositivo móvel e operativo para coletar particulados enquanto o dispositivo está em movimento. De acordo com um quinto aspecto, é divulgado um dispositivo de amostragem de acordo com qualquer um dos aspectos anteriores, em que o dispositivo é um dispositivo estático ou estacionário.
[036] Em algumas formas, os dados coletados por meio do dispositivo de amostragem podem ser armazenados pelo dispositivo de amostragem. Vantajosamente, quando o dispositivo está na forma de dispositivo móvel, os particulados específicos podem ser correlacionados com a coleta de dados atmosféricos (tais como vento, temperatura e umidade) e informações geoespaciais (tais como tempo e localização). Em algumas formas, os dados armazenados podem ser armazenados em um dispositivo de memória. O dispositivo de memória pode ser removível.
[037] De acordo com um sexto aspecto, é divulgado um método para detecção de particulados compreendendo o posicionamento de uma superfície de coleta em relação a pelo menos um sensor que pode incluir um sensor óptico e/ou espectral; perceber particulados recebidos na superfície de coleta usando o pelo menos um sensor óptico ou espectral; e analisar os dados coletados a partir do pelo menos um sensor usando um processador.
[038] Em algumas formas, a superfície de coleta pode estar na forma de porções de superfície móveis de um arranjo de coleta e a etapa de posicionamento compreende mover as porções de superfície para uma posição de coleta.
[039] Em algumas formas, a superfície de coleta móvel é movida por um arranjo de acionamento.
[040] Em algumas formas, as porções de superfície são contíguas em uma superfície comum e o arranjo de acionamento compreende uma bobina de abastecimento e uma bobina de coleta e a superfície comum é enrolada em torno das bobinas e móvel a partir da bobina de abastecimento para a bobina de coleta.
[041] Em algumas formas, o arranjo de acionamento gira a bobina de coleta de modo que as porções de superfície se movam a partir da bobina de abastecimento através da posição de coleta para a bobina de coleta.
[042] Em algumas formas, as porções de superfície se movem através da posição de coleta enquanto coletam particulados a partir do fluxo de fluido e o dispositivo compreende, adicionalmente, um sensor para determinar a velocidade das porções de superfície.
[043] Em algumas formas, o sensor posicionado entre a bobina de coleta e a bobina de abastecimento para determinar a velocidade da superfície de coleta.
[044] Em algumas formas, o arranjo de acionamento é operável, em resposta à velocidade das porções de superfície determinadas pelo sensor, para ajustar o movimento do arranjo de coleta de modo que o movimento das porções de superfície possa ser varrido por pelo menos um dentre os sensores óptico e espectral.
[045] Em algumas formas, o método compreende, adicionalmente, varrer as porções de superfície por meio do pelo menos um sensor óptico e espectral, em que as porções de superfície, quando na posição de coleta, são substancialmente perpendiculares ao pelo menos um dentre os sensores óptico e espectral.
[046] Em algumas formas, o processador correlaciona dados geoespaciais com os dados coletados.
[047] Em algumas formas, o método inclui treinar um algoritmo de detecção para identificar os particulados. Além disso, os dados coletados podem ser usados para treinar ainda mais o algoritmo de detecção.
[048] Em algumas formas, o processador utiliza pelo menos uma das redes neurais convolucionais e métodos de aprendizagem profunda por computador para treinar o algoritmo de detecção.
[049] Em algumas formas, o algoritmo de detecção inclui um algoritmo de visão por computador. O algoritmo de visão por computador pode incluir um algoritmo de reconhecimento de objeto, um algoritmo de rede neural ou uma combinação dos mesmos.
[050] De acordo com um sétimo aspecto, os dados atmosféricos e geoespaciais coletados por meio do dispositivo de amostragem de acordo com qualquer um do primeiro ao quinto aspectos podem ser armazenados por meio do dispositivo de amostragem. Em algumas formas, o dispositivo é um dispositivo estático, e em algumas formas, o dispositivo é um dispositivo móvel e operativo para coletar particulados enquanto o dispositivo está em movimento. Vantajosamente, os particulados específicos podem ser correlacionados com a coleta de dados atmosféricos (tais como vento, temperatura e umidade) e informações geoespaciais (tais como tempo e localização). Em algumas formas, os dados armazenados são armazenados em um dispositivo de memória removível.
[051] Em um oitavo aspecto, é divulgado um sistema de amostragem para a coleta de particulados a partir de um fluido. O sistema compreende um corpo de admissão tendo uma entrada e um escoadouro através do qual o fluido flui para o dispositivo. O sistema também compreende um arranjo de coleta móvel incluindo porções de superfície para coletar os particulados a partir do fluido fluindo através do corpo de admissão, o arranjo de coleta móvel estando de acordo com aquele mencionado no primeiro aspecto acima. O sistema também compreende um sistema de controle de fluxo de fluido para controlar a taxa de fluxo do fluido nas porções de superfície, o sistema de controle de fluxo de estando de acordo com o mencionado no segundo aspecto acima. A entrada pode ser orientada de maneira ajustável de modo que um fluxo do fluido na entrada seja substancialmente laminar e/ou isoaxial, o fluxo de fluido do sistema sendo definido, adicionalmente, de acordo com o terceiro aspecto mencionado acima.
[052] As características adicionais que são mencionadas em relação ao terceiro aspecto acima também podem ser aplicáveis ao sistema de amostragem.
[053] Em algumas formas, o sistema de amostragem pode compreender, adicionalmente, um sistema de análise de particulado, o sistema de análise de particulado compreendendo: pelo menos um dentre um sensor óptico e espectral, o pelo menos um dentre um sensor óptico e espectral sendo posicionado em relação às porções de superfície de modo que os particulados recebidos nas porções de superfície possam ser percebidos por meio do pelo menos um dentre um sensor óptico e espectral, e um processador, o processador sendo integrado conectivamente com o pelo menos um dentre um sensor óptico e espectral de modo que os particulados que são percebidos por meio do pelo menos um dentre um sensor óptico e espectral possam ser analisados por meio do processador.
[054] Em algumas formas, o processador pode correlacionar dados produzidos durante a análise com dados de telemetria coletados por meio do sistema de amostragem.
[055] Em algumas formas, o processador pode incluir um algoritmo de detecção para processar dados de varredura a partir do pelo menos um dentre um sensor óptico e espectral, para identificar os particulados recebidos nas porções de superfície.
[056] Em algumas formas, o algoritmo de detecção pode ser um algoritmo de visão por computador, o qual inclui um algoritmo de reconhecimento de objeto, um algoritmo de rede neural ou uma combinação dos mesmos.
[057] Em algumas formas, o algoritmo de detecção pode incluir um algoritmo de aprendizado de máquina treinado usando os dados de varredura.
[058] Em algumas formas, o algoritmo de detecção pode estar treinando usando um método de rede neural convolucional ou um método de aprendizagem profunda por computador.
[059] Em algumas formas, a análise de processador pode compreender a geração de um banco de dados de dados de particulados.
[060] Em algumas formas, a análise de processador pode compreender a conversão do banco de dados de dados de particulados em um mapa para uma região de levantamento onde os particulados são coletados.
[061] De acordo com um nono aspecto, é divulgado um método de monitoramento de particulados transportados pelo ar, compreendendo coleta de amostras de particulados transportados pelo ar; gerar dados geoespaciais associados à coleta das amostras de particulados transportados pelo ar; gerar dados de amostra a partir das amostras coletadas de particulados transportados pelo ar, analisar os dados de amostra para identificar os particulados nas amostras coletadas; e correlacionar uma ou mais características dos particulados identificados com os dados geoespaciais.
[062] Em algumas formas, o método compreende, adicionalmente, a geração de dados atmosféricos associados à coleta das amostras de particulados transportados pelo ar; correlacionar as características dos particulados identificados com os dados atmosféricos.
[063] Em algumas formas, as características dos particulados identificados compreendem qualquer um ou mais dentre tipo, classificação, tamanho ou concentração. As características dos particulados identificados podem incluir se os particulados estão transportando poluição ou doenças que podem ser prejudiciais ao seu entorno.
[064] Em algumas formas, os dados amostrados são dados de imagens e/ou espectros.
[065] Em relação a todos os aspectos, em algumas formas, o fluido está na forma de ar e, portanto, os particulados são transportados pelo ar.
[066] É entendido por um técnico no assunto na parte que em relação a todos os aspectos, o fluido pode ser ar atmosférico contendo particulados transportados pelo ar. Em outras formas, o fluido pode ser amostras de gás ou líquido. Em algumas formas os particulados podem ser poluentes ou patógenos ou quaisquer outros particulados transportados pelo ar. Breve descrição das Figuras
[067] As modalidades serão agora ainda descritas a título apenas de exemplo, com referência às figuras anexas, nas quais A Fig. 1 é uma vista lateral de uma modalidade de um dispositivo de amostragem; A Fig. 2 é uma vista superior em corte transversal do dispositivo de amostragem da Fig. 1 ao longo da linha A-A; A Fig. 3 é uma ampliação da vista superior em corte transversal de uma modalidade de um arranjo de coleta móvel do dispositivo de amostragem da Fig. 2; A Fig. 4 é uma vista inferior em corte transversal de uma modalidade do dispositivo de amostragem ao longo da linha B-B da Fig. 1; A Fig. 5 é uma vista em perspectiva isométrica do dispositivo de amostragem da Fig. 1; A Fig. 6A é uma vista frontal de uma modalidade de uma modalidade móvel do dispositivo de amostragem;
A Fig. 6B é uma vista plana da modalidade móvel do dispositivo de amostragem da Fig. 6A; A Fig. 6C é uma vista plana da modalidade móvel do dispositivo de amostragem da Fig. 6A e 6B; A Fig. 7 é uma vista em perspectiva isométrica de uma modalidade de um controle de entrada e escoadouro do dispositivo de amostragem da Fig. 1; A Fig. 8A é o fluxograma de uma primeira modalidade de um sistema para a coleta e análise de particulados; A Fig. 8B é o fluxograma de uma segunda modalidade de um sistema para a coleta e análise de particulados; A Fig. 9A é um fluxograma de uma modalidade de um método de controle de entrada e escoadouro usando o dispositivo de amostragem divulgado; A Fig. 9B é um diagrama de fluxo de uma modalidade de um método de controle do arranjo de coleta móvel usando o dispositivo de amostragem divulgado; A Fig. 9C é um fluxograma de uma modalidade de um esquema de controle de taxa de fluxo usando o dispositivo de amostragem divulgado; A FIG. 10 é um fluxograma de uma modalidade de um método para coleta de particulados usando o dispositivo de amostragem divulgado; A Fig. 11 é uma vista em corte transversal de uma modalidade de um sistema de análise; A Fig. 12 é uma vista em corte transversal lateral do sistema de análise da Fig. 11; A Fig. 13 é uma modalidade de um sistema de amostragem e análise em tempo real; e A Fig. 14 é um diagrama em blocos de uma modalidade de uma modalidade de um monitor em tempo real.
Descrição Detalhada
[068] Na descrição detalhada a seguir, é desempenhada referência às figuras anexas que fazem parte da descrição detalhada. As modalidades ilustrativas descritas na descrição detalhada, representadas nos desenhos e definidas nas reivindicações, não se destinam a ser limitantes. Outras modalidades podem ser utilizadas e outras alterações podem ser realizadas sem se afastar do espírito ou escopo da invenção da matéria apresentada. Será prontamente entendido que os aspectos da presente divulgação, como geralmente descritos na presente invenção e ilustrados nas figuras, podem ser arranjados, substituídos, combinados, separados e projetados em uma ampla variedade de configurações diferentes, todas as quais são contempladas nessa divulgação.
[069] O dispositivo de amostragem 100, o sistema de análise 400 e o sistema de amostragem e análise 500 divulgados na presente invenção se referem à coleta e identificação de uma faixa de particulados transportados pelo ar, tais como patógenos. Tais dispositivos e sistemas podem ser benéficos na identificação de particulados perigosos. Isso pode ajudar a prevenir a propagação de doenças transmitidas por particulados transportados pelo ar.
[070] O dispositivo de amostragem 100 divulgado inclui um número de aspectos que podem auxiliar a melhorar a eficiência de coleta e identificação de partículas transportadas pelo ar. Alguns desses diferentes aspectos do dispositivo de amostragem que serão discutidos em mais detalhes abaixo são os seguintes: • controle de arranjo de coleta; • controle de admissão de fluido; • controle da orientação de entrada e escoadouro; e • análise em tempo real.
[071] Além disso, os dados coletados por meio do dispositivo de amostragem podem ser armazenados pelo dispositivo de amostragem. Por exemplo, os particulados específicos podem ser correlacionados com a coleta de dados atmosféricos (tais como vento, temperatura e umidade) e informações geoespaciais (tais como tempo e localização). Esses dados podem então ser armazenados em um dispositivo de memória, transmitidos por um meio de telecomunicação 252 para um servidor externo ou transmitidos para a nuvem. O dispositivo de memória pode ser removível.
[072] Embora, esta não seja uma lista exaustiva de aspectos do dispositivo de amostragem 100, esses aspectos podem contribuir para fornecer uma análise de alta precisão que pode contribuir para mapas de infestação e software de previsão de ameaça de particulados transmitindo doenças pelo ar. Os dados atmosféricos e geoespaciais coletados por meio do dispositivo de amostragem também podem auxiliar no desenvolvimento de mapas de infestação e software de previsão de ameaças. Outras técnicas empregadas para desenvolver mapas de infestação e software de proteção contra ameaças também serão discutidas com mais detalhes abaixo.
[073] Os particulados transportados pelo ar a serem coletados podem incluir muitos tipos e formas diferentes. Por exemplo, o dispositivo pode coletar particulados aerobiológicos que podem incluir partículas, patógenos (por exemplo, bacterianos, virais, fúngicos, etc.), alérgenos, esporos, poluentes e pólens etc. Os particulados transportados pelo ar podem ser de qualquer tamanho e, por exemplo, podem variar em tamanho de 1 µm a 100 µm de diâmetro. Dispositivo de Amostragem
[074] O dispositivo de amostragem 100 (também conhecido como amostrador) pode ser integrado em várias plataformas móveis ou estáticas. Uma vez configurado, o dispositivo de amostragem 100 é, então, capaz de coletar autonomamente partículas transportadas pelo ar. Além de coletar uma amostra de particulados transportados pelo ar, o dispositivo de amostragem 100 também pode coletar dados atmosféricos 80 (tais como vento, temperatura e umidade) e informações geoespaciais 82 (tais como tempo e localização).
[075] Vários dispositivos móveis podem ser usados, tais como um veículo terrestre não tripulado ou automóvel, ou um dispositivo de amostragem em veículo aéreo não tripulado (UAV), ou qualquer dispositivo adequado que seja capaz de operar com vários graus de autonomia: seja sob controle remoto por um operador humano, autonomamente por um computador de bordo, autonomamente através de um plano de voo predeterminado ou autonomamente por meio de computadores externos. Por exemplo, em algumas modalidades, o amostrador 100 pode ser integrado a um veículo aéreo, tal como um drone multirotor 150 (Figuras 6A, 6B e 6C). O dispositivo de mobilidade integrado (por exemplo, drone 150) pode ser programável para aceitar uma rota predeterminada que é então executada autonomamente ou reescrita manualmente. A rota predeterminada pode ser um movimento contínuo ou pode incluir uma ou mais paradas de ponto de passagem.
[076] Um dispositivo de amostragem estática também pode operar autonomamente. Por exemplo, em algumas modalidades, o dispositivo de amostragem 100 pode ser montado em um poste através de um rolamento giratório de grau marítimo. A altura do sistema pode ser ajustável de modo a corresponder à altura das copas da cultura (normalmente 1 a 5 metros acima do solo). Um catavento pode ser usado em algumas modalidades para auxiliar no direcionamento de um corpo de admissão (por exemplo, um bocal de admissão) no vento. Isso pode aprimorar a eficiência de coleta.
[077] O dispositivo de amostragem 100 pode ser vedado em um invólucro com uma classificação de proteção de inserção de IP66 ou superior. Isso pode aprimorar a longevidade do dispositivo de amostragem 100 e pode reduzir a probabilidade de o interior do dispositivo ser danificado por contaminantes como água e poeira.
[078] O dispositivo de amostragem 100 pode ser configurável para coletar particulados variando de 1 µm a 40 µm em diâmetro. Essa faixa pode permitir vantajosamente a detecção de particulados bacterianos e fúngicos, evitando a coleta de material espúrio, como partículas de solo e outros detritos. O dispositivo pode ser modificado em algumas modalidades para coletar particulados de outros tamanhos, tais como pólens que podem ser tão grandes quanto 100 µm.
[079] Nas modalidades mostradas nas Figuras 1 e 2, os particulados coletados, uma vez capturados em uma porção de superfície 26, podem ser armazenados em um sistema semelhante a uma fita cassete 50. O sistema tipo cassete 50 pode ser um dispositivo removível que é capaz de armazenar as partículas coletadas para análise adicional. Uma vez que uma amostra foi coletada, o sistema tipo cassete 50 pode ser movido entre o dispositivo amostrador 100 e o sistema de análise 400 para pós-processamento. Em algumas modalidades, uma bobina de coleta 21 pode ser removível (como um cassete) para armazenamento ou transporte para sistemas alternativos para análise posterior.
[080] Além de remover as amostras coletadas, pode ser possível remover e substituir outros dispositivos armazenados internamente, tais como componentes do módulo eletrônico 84, incluindo dispositivos de armazenamento de dados e dispositivos de comunicação. Por exemplo, quando um sistema tipo cassete 50 é usado para coletar e armazenar as amostras
(Figuras 1, 2 e 5), o sistema tipo cassete 50 pode ser removido como uma unidade única através de uma escotilha 114 no invólucro externo 110 do amostrador 100. Alternativamente, as porções do invólucro externo 110, tais como o painel traseiro 112, podem ser removidas para acessar os componentes removíveis de dentro do amostrador 100.
[081] O dispositivo de amostragem móvel 100 pode exibir uma vida útil de bateria estendida, enquanto também incorpora a capacidade para substituir rapidamente baterias 90 gastas. Em algumas modalidades, o dispositivo de amostragem 100 pode ser carregado por meio de um painel solar anexado ao dispositivo ou ao sistema. Isso pode estender a longevidade da coleta de amostragem e período de análise quando estacionário ou móvel.
[082] O dispositivo de amostragem 100 pode incorporar uma série de mecanismos de controle de coleta, cada um dos quais pode otimizar as eficiências de coleta do dispositivo. Esses mecanismos incluem pelo menos um dentre controlar o movimento do arranjo de coleta, controlar a taxa ou volume da admissão de fluido ou controlar a orientação de entrada escoadouro. Esses mecanismos serão discutidos em detalhes abaixo. Controle de Arranjo de Coleta
[083] O dispositivo de amostragem 100 inclui um arranjo de coleta incluindo uma porção de superfície 26 para coletar as partículas transportadas pelo ar (por exemplo, particulados e/ou patógenos). A fim de depositar os particulados na porção de superfície 26, o dispositivo 100 geralmente inclui um corpo de admissão 10 tendo uma entrada 16 para receber fluidos contendo particulados através da mesma para o dispositivo de amostragem 100. O corpo de admissão também inclui um escoadouro 18 formada em uma extremidade do corpo de admissão 10 que está voltada para o interior do dispositivo de amostragem 100 e, mais especificamente, a porção de superfície 26. O fluido flui para o dispositivo de amostragem 100 através do escoadouro 18. Em modalidades alternativas, a entrada e o escoadouro podem se sobrepor uma à outra para formar lados opostos da mesma abertura.
[084] Na modalidade ilustrada nas Figuras 1 a 5, o corpo de admissão 10 está na forma de um sistema de bocal. O sistema de bocal geralmente inclui a entrada 16, um corpo de admissão 11, um módulo de controle de bocal 12, um corpo de escoadouro 14 e um escoadouro 18.
[085] O dispositivo de amostragem 100 também geralmente inclui as porções de superfície 26 nas quais os particulados são coletados para análise. As porções de superfície podem, em algumas modalidades, ser um comprimento contínuo de fita de amostragem, enquanto em outras modalidades as porções de superfície podem ser lâminas de amostragem individuais. Na modalidade ilustrada, as porções de superfície 26 são contíguas em uma superfície comum na forma de um comprimento contínuo de fita de amostragem que inclui um adesivo para receber e reter os particulados nas porções de superfície 26. Em modalidades alternativas, silicone, graxa ou vaselina podem ser usados para revestir as porções de superfície, pelas quais podem atuar como um meio adesivo para reter patógenos ou particulados capturados nas porções de superfície. Em uma modalidade alternativa, não mostrada, o arranjo de coleta pode incluir lâminas discretas, cada uma incluindo uma porção de superfície que pode ser movida através da posição de coleta.
[086] Na modalidade ilustrada nas Figuras 1 a 3, o arranjo de coleta é posicionado de modo que a porção de superfície se localize em uma posição de coleta 25 adjacente ao escoadouro 18 para receber os particulados. Assim, os particulados contidos no fluido saindo do escoadouro 18 podem impactar a porção de superfície na posição de coleta 25. A porção de superfície 26 pode ser posicionada e angulada de modo que a porção de superfície 26 seja substancialmente perpendicular ao fluxo de fluido sendo emitido a partir do escoadouro (isto é, perpendicular ao plano da fita ou lâminas de amostragem). Isso pode melhorar vantajosamente a precisão da amostragem, desviando uniformemente a corrente de ar substancialmente laminar à medida que ela passa pela porção de superfície 26, pelo que os particulados contidos no fluido que estão acima de um diâmetro limite podem ser propelidos através das linhas de corrente de ar e podem ser depositados na porção de superfície 26 Em modalidades alternativas, não mostradas, a porção de superfície do arranjo de coleta pode ser posicionada e angulada em um ângulo entre 0 e 90 graus em relação ao fluxo de fluido sendo emitido a partir do corpo.
[087] A porção de superfície 26 pode ser configurada para se mover em relação ao escoadouro 18 do corpo de admissão 10 de modo que a porção de superfície 26 que está na posição de coleta 25 varie em resposta ao movimento do arranjo de coleta. O movimento do arranjo de coleta pode ser constante e contínuo ou a intervalos discretos. As porções de superfície 26 podem estar controladas de modo a manter uma velocidade constante à medida que passa pela posição de coleta 25. Isso pode ajudar a inibir a sobrecarga de particulados em uma porção de superfície 26 particular. O controle do movimento e da velocidade das porções de superfície 26 pode ajudar a aprimorar a análise dos particulados capturados, uma vez que eles podem ser correlacionados com o tempo, localização, velocidade do vento, direção do vento ou quaisquer outros dados específicos que foram registrados durante a coleta.
[088] Em modalidades em que as porções de superfície 26 são contínuas em uma superfície comum, tal como uma fita, tal como é ilustrado nas Figuras 1 a 3, o dispositivo de amostragem 100 também pode incluir uma bobina de abastecimento tipo cassete 20 e um sistema de bobina de coleta 21. A fita fornecendo a superfície comum das porções de superfície 26 pode ser transferida ao ser enrolada em torno da bobina de abastecimento 20 para ser enrolada em torno da bobina de coleta 21. Entre as bobinas de abastecimento 20 e coleta 21, a fita da porção de superfície 26 é passada pela posição de coleta
25.
[089] Em algumas modalidades (ver Figuras 2 e 3), uma película fina de substrato de suporte biológico (como ágar) armazenado em um Reservatório de Substrato Biológico 29 pode ser secretado através de um dispensador 28 na porção de superfície 26 antes de atingir a posição de coleta 25. Isso pode auxiliar vantajosamente os particulados a reter e/ou sobreviver ao processo de amostragem, de modo que análises adicionais possam ser realizadas.
[090] Uma cobertura também é incluída para auxiliar na retenção dos particulados nas porções de superfície 26. A cobertura tem a forma de uma segunda bobina de fita de amostragem que pode ser enrolada em torno de uma bobina de cobertura 22, a fita de amostragem da bobina de cobertura também incluindo um adesivo. A bobina de cobertura 22 é posicionada de modo que a segunda bobina da fita de amostragem à base de adesivo possa ser transferida a partir da bobina de cobertura 22 e aplicada ao particulado contendo a porção de superfície 26 de modo que os particulados coletados na porção de superfície 26 sejam vedados entre as duas camadas de fita antes de ser enrolada em torno da bobina de coleta 21. As duas camadas de fita podem ser retidas e, em algumas modalidades, vedadas, passando a fita de coleta e a fita de cobertura entre os rolos 27 localizados próximos um do outro, pelo qual as duas fitas são pressionadas juntas e vedadas de forma adesiva uma à outra.
[091] A transferência da porção de superfície 26 entre as bobinas de abastecimento 20 e coleta 21 pode ser facilitada por meio de um arranjo de acionamento. O arranjo de acionamento geralmente inclui um motor 23. O dispositivo também inclui um sensor (não visível nas Figuras) para auxiliar na determinação da velocidade das porções de superfície que podem informar a operação do arranjo de acionamento. Em algumas modalidades, o motor 23 fornece acionamento que engata e gira a bobina de coleta 21 de modo que ela puxe e desenrole as porções de superfície 26 a partir de uma bobina de abastecimento de giro (spinning) livre 20. Em algumas modalidades, o motor 23 ou uma pluralidade de motores pode fornecer o acionamento que engata as bobinas de abastecimento 20 e coleta 21 de modo que cada uma seja acionada rotativamente enquanto mantém a tensão nas porções de superfície 26. Em modalidades nas quais uma bobina de cobertura 22 está incluída, a bobina de cobertura 22 pode ser girada por engate com o motor ou puxada e desenrolada por meio da rotação da bobina de coleta 21.
[092] Em modalidades nas quais as porções de superfície 26 são fornecidas por uma fita contínua, à medida que a fita se move (por exemplo, pela rotação da bobina), uma porção de superfície diferente é posicionada para ser a porção de superfície 26 na posição de coleta. O movimento da fita é controlado por um controle de motor da fita 245. O controle do motor de fita 245 recebe dados de inserção a partir de um codificador de posição da fita 247 (vide Figura 8A) que rastreia a porção processada da superfície da fita que foi posicionada como a porção de superfície 26. Assim, o codificador de posição da fita 247 também rastreia a próxima porção da superfície da fita a ser posicionada como a porção de superfície 26 nova. O codificador de posição da fita 247 rastreia, isto é, codifica ou rotula a posição da porção de superfície 26 atual em relação ao comprimento total da fita. O codificador de posição da fita 247 pode "rastrear" a posição da porção de superfície atual de outra maneira, por exemplo, rastreando o ângulo pelo qual a bobina girou, ou rastreando o número de "passos" angulares que foram dados, para mover uma porção de fita particular em posição para ser a porção de superfície 26 atual.
[093] O controle do motor da fita 245 está adaptado para, com base nos dados de inserção a partir do codificador de posição da fita 247, acionar o(s) motor(es) do(s) analisador(es) 249 (vide Figura 8A). Em algumas modalidades, o movimento da fita pode ser acionado por um arranjo compreendendo um acionador de motor de passo 244 e um motor de passo 246 (vide Figura 8B).
[094] Em uma modalidade alternativa, não mostrada, o arranjo de acionamento pode, alternativamente, compreender um motor sem escovas DC com um codificador rotativo anexado ao carretel (spool) do cabrestante que pode substituir a polia de desvio que fornece um movimento linear mais suave da fita. Nesta modalidade, a bobina de coleta pode ser motorizada por meio do arranjo de motor de passo.
[095] O controle do motor de fita 245 controla a velocidade na qual a fita se move. Para facilitar este controle, um sensor 248/249 pode medir a velocidade da porção de superfície 26 na qual ele passa pela posição de coleta
25. Saber a velocidade de movimento da porção de superfície 26 na posição de coleta 25 pode ser vantajoso, pois pode auxiliar no cálculo da concentração de particulados e correlacionar os particulados coletados nas porções de superfície com um tempo e/ou localização. O sensor 248/249 (ou codificador rotativo) também pode ser usado para medir e registrar a posição relativa das porções de superfície 26 durante a coleta de particulados.
[096] Na modalidade ilustrada (Figuras 1 a 3), o sensor inclui um codificador rotativo que mede a velocidade de rotação de uma polia de desvio 24 que é girada por meio das porções de superfície 26 na forma de fita quando se move entre as bobinas de abastecimento 20 e coleta 21. O codificador rotativo pode, em algumas modalidades, consistir em um sensor de posição de ângulo magnético absoluto que mede a rotação de um cilindro magnético de dois polos no eixo perpendicular à rotação. As medições de velocidade angular do codificador rotativo podem, então, ser traduzidas em velocidade linear pelo controlador 250.
[097] Em uso, um ciclo de retroalimentação, tal como o ilustrado na Figura 9B, pode ser usado para controlar a velocidade de movimento do arranjo de coleta. No exemplo representado, uma velocidade de coleta predeterminada 340 é inserida no controlador 250. Em seguida, o controlador 250 controla o motor 244, 246. O motor 244, 246 aciona as porções de superfície 26 para se moverem. Este movimento potencialmente faz com que a fita perca momentaneamente alguma tensão (conforme representado pela referência 341 na Figura 9B). A velocidade do movimento das porções de superfície 26 (por exemplo, fita) é adaptada para ser medida por um sensor 248 (por exemplo, um tacômetro/sensor de efeito Hall). Os dados a partir do sensor 248 são realimentados para o controlador 250 (ou um circuito de processamento, como um amplificador diferencial, que alimenta o controlador 250) em um circuito de controle de retroalimentação negativo. O controlador 250 utiliza a retroalimentação a partir do sensor 248 para ajustar a saída do sinal de controle para o motor 244, 246 em conformidade, de modo que mesmo quando o raio da porção de superfície 26 da fita enrolada em torno da bobina de coleta 21 varia (ou seja, aumenta devido a uma diminuição da tensão do carretel) durante a amostragem contínua, o movimento da porção de superfície 26 é mantido a uma velocidade constante. Controle da taxa de fluxo de fluido
[098] O dispositivo de amostragem 100 também pode incluir um sistema de controle de fluxo de fluido para controlar a taxa de fluxo do fluido através do amostrador a uma taxa de fluxo predeterminada (como mostrado nas Figuras 2, 5, 8-10, 13-14). À medida que o fluido e os particulados contidos no fluido saem do escoadouro 18, o fluxo de fluido pode ser substancialmente laminar e mover-
se a uma velocidade uniforme. As linhas de corrente que saem do escoadouro 18 podem ser defletidas em torno da porção de superfície 26 na posição de coleta 25, por meio da qual uma força centrípeta atua sobre os particulados contidos no fluido. Como um resultado da força centrípeta, os particulados acima do diâmetro aerodinâmico limite podem ser propelidos através das linhas de corrente, pelas quais podem ser depositados na porção de superfície 26. Os particulados abaixo do diâmetro aerodinâmico limite podem continuar fluindo com as linhas de corrente além da porção da superfície.
[099] O Número de Stokes é definido pela equação:
[0100] Com o auxílio desta equação, a relação entre os seguintes parâmetros pode ser determinada: • o diâmetro aerodinâmico de um particulado; • as dimensões físicas do escoadouro 18; • a velocidade do fluido saindo do escoadouro 18; e • a viscosidade do fluido saindo do escoadouro 18.
[0101] Assim, pode ser visto que, controlando o fluxo de fluido a uma velocidade particular, a equação do Número de Stokes pode ser reorganizada para ditar um diâmetro aerodinâmico de limite particular para o dispositivo de amostragem 100.
[0102] Em algumas modalidades, a taxa de fluxo de amostragem é predeterminada. Em algumas outras modalidades, a taxa de fluxo predeterminada pode corresponder a uma velocidade de fluido desejada na posição de coleta 25 da porção de superfície 26, de modo que um diâmetro particular de particulado possa ser coletado.
[0103] Em algumas modalidades, a taxa de fluxo de amostragem é mantida a uma taxa de fluxo constante de fluido. Isto pode anular vantajosamente os efeitos da taxa de fluxo relativa do fluido para o corpo de admissão 10 e dispositivo de amostragem 100 (por exemplo, velocidade do vento). Manter uma taxa de fluxo constante de fluido na posição de coleta também pode aprimorar vantajosamente a precisão de quaisquer correlações realizadas entre o volume de amostras coletadas e quaisquer dados de tempo ou localização reunidos.
[0104] O sistema de controle de fluxo de fluido geralmente inclui um meio de criar a força de sucção necessária para a amostragem de fluido. Na modalidade mostrada nas Figuras 1-5, um exaustor centrífugo 70 é usado para gerar um vácuo atrás da posição de coleta 25 da porção de superfície 26 de modo que o fluido contendo particulados possa ser extraído através do dispositivo de amostragem a uma taxa de fluxo controlada. Isso também pode reduzir vantajosamente a turbulência no fluido coletado. A sucção pode modular o fluxo de fluido dentro do amostrador 100 para a taxa de fluxo de amostragem desejada.
[0105] Para controlar os meios de criação da força de sucção (por exemplo, exaustor 70) e, assim, controlar de ajustavelmente a taxa relativa de fluxo de fluido depois de passar pela porção de superfície 26, o dispositivo de amostragem 100 divulgado pode compreender, adicionalmente, pelo menos um sensor 40 que mede a velocidade de fluido. O sensor 40 pode ser localizado de modo a medir a taxa de fluxo de fluido próxima à porção da porção de superfície na posição de coleta. Em algumas modalidades (como na Figura 2), o pelo menos um sensor 40 está localizado de modo que o fluido alcance o sensor 40 depois de passar pela porção de superfície 26. Isso pode minimizar vantajosamente a interrupção do fluxo de fluido.
[0106] Um circuito de controle, tal como um circuito de controle de ventilador 210, controla os meios de criação da força de sucção.
Em algumas modalidades, um controlador de sistema de baixo nível 218 (por exemplo, vide a modalidade mostrada na Figura 8A) denota a camada de controle interveniente entre o controlador de sistema de alto nível 250 e os vários controladores para o amostrador 100, incluindo o circuito de controle de ventilador 210. O paradigma de controle (envolvendo o controlador 250, 210, 218) utiliza, no controle de retroalimentação linear, tal como um circuito de retroalimentação negativo (vide Figs 8A, 8B e 9C), dados de inserção de um ou mais sensores de pressão 211, 212 (por exemplo, anemômetro, tubos de pitot etc.), para controlar o circuito do ventilador 214, 216 com base na pressão negativa gerada pelo ventilador.
Conforme mostrado na Figura 9C, um módulo de computação, que implementa um algoritmo de conversão de pressão para taxa de fluxo, converte os dados de um ou mais sensores de pressão 211, 212 em dados de taxa de fluxo.
Esses dados de taxa de fluxo são então realimentados para o(s) controlador(es) 250, 218 na retroalimentação negativa.
O módulo de computação pode residir no controlador de sistema de alto nível 250, no controlador de sistema de baixo nível 218 (se fornecido) ou no circuito de controle de ventilador 210. Assim, a retroalimentação mantém ou visa manter uma taxa de fluxo constante conforme gerado pelo ventilador.
Por exemplo, o sensor 40 pode medir o diferencial de pressão dentro do dispositivo de amostragem 100, permitindo o cálculo da velocidade do fluido com base na equação de Bernoulli.
Na modalidade ilustrada nas Figuras 1 e 2, dois tubos de pitot estáticos 40, 44 são usados para medir o diferencial de pressão entre a pressão de estagnação do fluxo de fluido dentro do dispositivo de amostragem 100 próxima à porção de superfície (conforme medido por um dos tubos de pitot estáticos 40) e a pressão estática (conforme medida pelo outro tubo de pitot estático 44) externa ao dispositivo de amostragem 100. O tubo de pitot estático para medir a pressão estática 44 externa ao dispositivo de amostragem pode, em algumas modalidades, ser girado para ajustar a inclinação e a guinada de modo que o fluxo de fluido seja laminar no tubo de pitot estático. Isso pode aprimorar vantajosamente exatidão do fluxo de fluido. Na modalidade ilustrada, o tubo de pitot estático 44 para medir a pressão estática está anexado a um servo motor 46 que se ajusta para a inclinação e guinada com base em um sensor de giroscópio (não mostrado).
[0107] Em algumas modalidades alternativas, o diferencial de pressão pode ser calculado usando anemômetros de fio quente ou anemômetros ultrassônicos. Usando o diferencial de pressão medido, a velocidade do fluido e, portanto, a taxa de fluxo, pode ser calculada no escoadouro 18.
[0108] As Figuras 8B e 9C ilustram uma modalidade do esquema de controle de taxa de fluxo. Na modalidade ilustrada, a taxa de fluxo 310 pode ser predeterminada e inserida em um controlador 250 que por sua vez aciona um circuito de ventilador 214, 216 na taxa predeterminada. A taxa de fluxo resultante de fluido saindo do escoadouro 18 do corpo de admissão 10 e passando pela porção de superfície 26, pode ser afetada devido a mudanças na velocidade do vento ou mudanças na velocidade absoluta de deslocamento do dispositivo de amostragem 311. Os sensores 211, 212 são, portanto, usados para medir o diferencial de pressão de modo que o controlador 250 possa calcular a velocidade relativa do fluido saindo do escoadouro 18 e passando pela porção de superfície 26 na posição de coleta 25. O controlador 250 pode, subsequentemente, utilizar a taxa de fluxo relativa calculada em um controle de retroalimentação, para ajustar o circuito de ventilador 214, 216 de modo que a taxa de fluxo relativa calculada seja mantida em um nível que é substancialmente equivalente à taxa de fluxo inserida 310 predeterminada.
Controle de Entrada e Escoadouro
[0109] O dispositivo de amostragem pode ser configurado para orientar a entrada de modo que o fluxo de fluido ingerido através do mesmo seja substancialmente laminar e isoaxial. Em modalidades como nas Figuras 1 a 10 e 13 a 14, onde o dispositivo também compreende controle de fluxo de fluido, o fluxo de fluido através da entrada também pode ser isocinético. A combinação dessas condições de fluxo pode permitir vantajosamente a aspiração e a eficiência de amostragem aprimorada para o tamanho de partícula desejado. A eficiência de aspiração pode ser definida como a porcentagem de particulados no fluido entrando na entrada em comparação com a porcentagem de particulados no fluido atmosférico. A eficiência da amostragem pode ser definida como a porcentagem de partículas no fluido capturadas na porção de superfície do dispositivo de amostragem. O fluxo laminar pode ocorrer quando há um fluxo unidirecional estável de um fluido sem quaisquer correntes cruzadas. O fluxo pode, portanto, ocorrer em uma pluralidade de camadas paralelas que podem então ser representadas por linhas de corrente de ar. Em algumas modalidades, pode ser vantajoso, ao maximizar a eficácia da amostragem, utilizar uma entrada que esteja livre de obstáculos (vide Figura 2). Quando o dispositivo de amostragem 100 exibe fluxo de fluido laminar para a entrada, pode haver uma redução nos incidentes dos particulados em contato com uma parede interna do corpo de admissão. Isso pode ser vantajoso ao maximizar a eficácia da aspiração no dispositivo de amostragem.
[0110] Durante a operação do dispositivo de amostragem 100 divulgado, o fluido amostrado pode passar para a entrada 16 e através do corpo de admissão 10 para o dispositivo de amostragem 100. Nas modalidades ilustradas das Figuras 1 a 7 e 13, o corpo de admissão tem a forma de um sistema de bocal, no entanto, em algumas modalidades, o corpo de admissão pode incluir um orifício.
O bocal inclui um corpo de admissão alongado se estendendo entre uma primeira extremidade e uma segunda extremidade. A entrada 16 está posicionada em uma primeira extremidade do corpo de admissão em uma porção de entrada do corpo. O escoadouro 18 está posicionada em uma segunda extremidade do corpo de admissão em uma porção de escoadouro do corpo de admissão, a segunda extremidade sendo próxima à porção de superfície 26. A porção de entrada do corpo de admissão 11 se estende para fora a partir do dispositivo de amostragem 100 e pode ser orientada para facilitar o fluido contendo particulados sendo ingeridos no dispositivo de amostragem 100.
[0111] Na modalidade ilustrada, a entrada tem uma seção transversal pequena. Por ter uma seção transversal de entrada 16 pequena em combinação com a pressão de vácuo gerada pelo exaustor 70, o fluxo de fluido pode ser controlado para ter uma velocidade de partícula uniforme, bem como ser substancialmente laminar.
[0112] Em algumas modalidades, tal como quando o dispositivo de amostragem é exposto a ventos, a entrada 16 pode ser orientada para considerar as condições atmosféricas de modo que o fluxo de fluido para a entrada 16 seja substancialmente laminar e isoaxial. Em algumas modalidades, como quando o dispositivo de amostragem 100 é anexado a um UAV (vide Figura 6A a 6C), a entrada pode ser controlada para ser orientada a qualquer momento durante a coleta para considerar a inclinação e rolagem do amostrador conforme ele se move de modo que o fluxo de fluido na entrada permaneça substancialmente laminar.
[0113] O sistema de bocal 10 pode ser alongado e se estender ao longo de um eixo longitudinal. A porção de superfície 26 na posição de coleta 25 também se estende ao longo de um eixo de coleta. Nas modalidades ilustradas (Figuras 1 a 4 e 13), o corpo de escoadouro 14 e o escoadouro 18 se estendem ao longo de um eixo longitudinal que é substancialmente perpendicular ao eixo de coleta ao longo da porção de superfície 26. Quando o fluido fluindo a partir do escoadouro 18 é perpendicular à porção de superfície 26, então o fluxo de fluido pode ser perpendicular ao local as partículas impactam na porção de superfície. Em modalidades alternativas, o eixo longitudinal do sistema de bocal e, portanto, o fluxo de fluido, pode estar transversalmente ou estar em um ângulo entre 0 e 90 graus em relação ao eixo da porção de superfície.
[0114] Entende-se que o relacionamento entre as porções de superfície 26 e o sistema de bocal (e particularmente o corpo de escoadouro 14 e o escoadouro 18) também pode ser variada de modo que o tamanho e o tipo de particulado que pode ser impactado mais eficientemente nas porções de superfície 26 é determinado (como explicado acima).
[0115] O dispositivo de amostragem 100 também pode incluir um sensor e sistema de controle de bocal 203, como um sistema de giroscópio 202. Por exemplo, o giroscópio 202 pode direcionar o módulo de controle de orientação de entrada 12 para controlar e ajustar o eixo principal (ou seja, inclinação, guinada) do corpo de admissão 11 em resposta às condições ambientais medidas. O módulo de controle de orientação de entrada 12 pode, por exemplo, compreender uma roda rotativa 34, uma pluralidade de servo motores 30, 32, um Módulo DOF de 9 eixos (acelerômetro, giroscópio, bússola), um GPS, um sensor ou pluralidade de sensores para medir o diferencial de pressão, um sensor de temperatura, um sensor de umidade.
[0116] O dispositivo de amostragem 100 também pode ter um sensor de particulados e poeira montado externamente que calcula uma leitura em tempo real no material particulado no ar, fornecendo assim uma indicação da qualidade do ar ambiente e como a precisão da amostragem pode ser impactada devido à sujeira e entrada de poeira no sistema durante a coleta. Se um determinado limite for violado por um período sustentado de tempo, o sensor de particulados e poeira pode ser configurado para interromper a coleta de amostragem por um período de tempo.
[0117] O dispositivo de amostragem 100 também pode ter um ou mais sensores 95 montados externamente que medem o CO2 ambiente e agregam Moléculas Orgânicas Voláteis (MoX). Essas medições podem ser correlacionadas ao estresse da planta e doenças durante a análise da amostra coletada.
[0118] Em algumas modalidades do módulo de controle de orientação de entrada (vide Figura 7), a roda rotativa 34 é montada em um suporte cardã 2D 36,38 que pode ser acionado por 2 servo motores 30,32. A entrada 16 pode, então, ser anexada à seção intermediária da roda rotativa 34 através do corpo de admissão 11.
[0119] O corpo de admissão 11 pode ser um conector flexível, tal como um tubo de plástico, no entanto, em algumas modalidades, o corpo de admissão 11 pode ser rígido. Entende-se que o comprimento e a seção transversal tubular do corpo de admissão 11 podem ser variados para se adequar ao tipo de amostragem que está sendo desempenhada.
[0120] Em uma modalidade alternativa (não mostrada), o corpo de admissão é montado em um recipiente esférico localizado na abertura de um funil, que age como um encaixe para o recipiente esférico. O funil atua como o corpo de escoadouro e pode canalizar o fluido em direção à porção de superfície. O recipiente esférico pode ser acionado em 3 eixos. Em algumas modalidades, o recipiente esférico pode ser acionado por três servo motores que usam rolos para girar o recipiente esférico, girando assim o corpo de admissão e a entrada de modo que seja direcionado de maneira substancialmente colinear com a direção do fluxo de fluido relativo em torno do amostrador. Isto pode vantajosamente permitir que o fluido fluindo para a entrada seja substancialmente laminar e isocinético.
[0121] A orientação da entrada 16 pelo módulo de controle de orientação de entrada 12 pode ser vantajosa para aprimorar a eficiência de coleta, uma vez que um caminho direto pode ser mantido através do qual os particulados podem entrar no dispositivo de amostragem 100. Isso também pode reduzir vantajosamente a turbulência no fluxo de fluido coletado.
[0122] O fluxo de fluido relativo inclui as medições relativas da velocidade e direção do amostrador e do fluxo de fluido do ambiente (por exemplo, vento). Por exemplo, em uma condição de vento cruzado zero W ou com um amostrador de movimento rápido (Figura 6B), o sistema de bocal 10 se ajustará para ficar de frente para a direção de deslocamento Z do amostrador 100. Em um exemplo adicional, a velocidade do vento W aumenta em uma direção que está em um ângulo para a direção Z do amostrador 100 (Figura 6C), o sistema de bocal 10 pode ajustar o ângulo de sua guinada em consideração a isso.
[0123] Com referência, por exemplo, à Figura 8B, em algumas modalidades, a inclinação, a guinada e o rolagem do amostrador podem ser medidos usando um sensor de giroscópio 202. Em algumas modalidades, a direção e a velocidade de movimento do dispositivo de amostragem 100 podem ser medidas pela bússola, GPS 242 ou uma combinação dos mesmos a bordo. Em algumas modalidades, as medições podem ser passadas através da unidade de controlador 250 que pode processar as medições e fornecer retroalimentação para os arranjos de acionamento relevantes, como os servo motores 30,32, motores de passo 244, 246 ou exaustor 214 (por exemplo, no controle de taxa de fluxo ao controlar o ventilador, conforme ilustrado na Figura 9B).
[0124] A Figura 9A representa o controle linear onde o controlador 250 considera a mudança induzida pelo vento na inclinação 301 do dispositivo de amostragem 100 ao realimentar uma leitura do giroscópio 202, para manter o dispositivo de amostragem 100 substancialmente em um ângulo de inclinação 300 desejado ou pré-definido.
[0125] Em algumas modalidades, a velocidade e a direção do fluxo de fluido atmosférico podem ser calculadas pelo controlador 250 usando um tubo de pitot estático voltado para a frente 44 (mostrado na Figura 1), em combinação com sensores de pressão 211, 212 e sensores de temperatura, a bússola e o GPS 242. O controlador 250 pode calcular a densidade do fluido a partir dos tubos de pitot estáticos 40,44 (ou anemômetro) em combinação com os sensores de pressão e temperatura 211, 212. Usando esses cálculos, o controlador 250 pode, assim, calcular a velocidade real do fluxo de fluido atmosférico. Quando combinado com a leitura da bússola e GPS 242, o controlador 250 pode calcular o rumo e a direção reais do fluxo de fluido atmosférico, bem como a velocidade do solo e a direção de percurso. A velocidade e a direção relativa do fluxo de fluido atmosférico podem, então, ser calculadas por meio do controlador 250 ao subtrair o vetor de velocidade real do vetor de velocidade de solo.
[0126] Em algumas modalidades, os sensores de pressão externa e velocidade relativa (por exemplo, tubo de pitot ou anemômetro 44) podem girar usando um sistema de servo motor para levar em conta o movimento lateral do amostrador medido pelo circuito do acelerômetro/giroscópio 202.
[0127] A inclinação e a guinada podem ser ajustadas por atuadores rotativos, como uma pluralidade de servomotores 30, 32 com base na retroalimentação a partir dos sensores embutidos no dispositivo de amostragem
100. Mais especificamente, a inclinação pode ser ajustada na modalidade divulgada na presente invenção com base na retroalimentação a partir do giroscópio 202 e acelerômetro. A guinada pode ser ajustada na modalidade divulgada na presente invenção com base na retroalimentação a partir do controlador 250 após o cálculo da velocidade relativa e direção do fluxo de fluido atmosférico.
[0128] Usando a direção relativa calculada do fluxo de fluido atmosférico W, o controlador 250 pode ajustar a inclinação da entrada 16, ao ajustar a inclinação do corpo de admissão 11 de modo que a inclinação do corpo de admissão 11 mantenha uma orientação θ que é paralela à direção de deslocamento Y do dispositivo de amostragem 100 (vide Figura 6A). Um exemplo do controle de inclinação mencionado anteriormente é mostrado na Figura 9A e é discutido posteriormente no relatório descritivo.
[0129] Na modalidade do módulo de controle de orientação de entrada 12 mostrado nas Figuras 6 a 8, o controlador 250 controla a orientação da roda rotativa 34 e da entrada 16 ao controlar o servo motor 30 que aciona a roda rotativa 34 em torno do eixo Y atravessando o mancal de cardã horizontal 38. Quando a inclinação do dispositivo de amostragem 100 muda em uma direção em relação à horizontal, o giroscópio 202 e o controlador 250 podem medir a mudança em relação a θ e fornecer a mudança em uma retroalimentação (para o controlador 210/250) para o servo motor 30, para reorientar a entrada 16 para ser paralela à direção de deslocamento Y.
[0130] O controle de orientação de entrada também inclui controle de guinada. Usando a direção relativa calculada do fluxo de fluido atmosférico, o controlador 250 pode ajustar a guinada da entrada 16, ao ajustar a guinada do corpo de admissão 11 de modo que a guinada do corpo de admissão 11 mantenha uma orientação α que leve consideração a direção relativa do fluxo de fluido atmosférico W (vide Figura 6A e 6C). Na modalidade ilustrada, o corpo de admissão 11 é substancialmente paralelo à direção relativa do fluxo de fluido atmosférico. Um paradigma de controle linear semelhante ao discutido em relação à Figura 9A para o controle de inclinação pode ser aplicado para o controle de guinada.
[0131] Por exemplo, na modalidade do módulo de controle de orientação de entrada 12 mostrado nas Figuras 7 a 8A, o controlador 250 pode orientar a roda rotativa 34 e a entrada 16 ao girar o servo motor 34 em torno do eixo Z atravessando o mancal de cardã vertical 36. Quando as condições do vento atmosférico W mudam na direção em relação aos eixos do dispositivo de amostragem 100, o controlador 250 pode medir a mudança relativa utilizando os sensores (como acima) e fornecer a retroalimentação (através do controlador 210/250) para o servo motor 30 para reorientar a entrada 16 substancialmente paralela à direção relativa do fluxo de fluido atmosférico W (vide Figuras 6B e 6C). Método de Coleta de Particulados usando um Dispositivo de Amostragem
[0132] A Figura 10 mostra um exemplo de um método de coleta de particulados usando o amostrador divulgado na presente invenção e dados associados. As etapas incluídas no fluxograma podem ser realizadas na ordem indicada pelas setas. Embora o diagrama de fluxo se refira à fita, entende-se que modalidades alternativas da porção de superfície estão disponíveis. Além disso, o diagrama de fluxo se refere a patógenos e, como discutido acima, entende-se que o amostrador pode coletar muitas formas de particulados, incluindo patógenos.
[0133] Além disso, embora mostrado agora no diagrama de fluxo, os dados atmosféricos e geoespaciais podem ser coletados de modo que estejam correlacionados com particulados específicos. Alguns exemplos de dados atmosféricos são vento, temperatura e umidade. Alguns exemplos de informações geoespaciais são hora e local. Esses dados podem ser armazenados em um dispositivo de memória removível. Esses dados podem ser armazenados em relação a um dispositivo estático ou um dispositivo móvel. Em relação a um dispositivo móvel, armazenar esses dados é vantajoso, pois registra precisamente as informações sobre os particulados coletados que auxiliam no desenvolvimento dos mapas de infestação e software de previsão de ameaças de particulados transmitindo doenças pelo ar discutidos em mais detalhes abaixo. Sistema de Análise
[0134] As porções de superfície 26 contendo os particulados podem ser removidos do dispositivo de amostragem para pós-processamento e análise. Em algumas modalidades, como mostrado nas Figuras 2 e 3, as porções de superfície são contínuas em uma superfície comum, como fita que está contida dentro de um sistema tipo cassete 50 removível que pode proteger a porção de superfície 26 quando ela não está dentro do dispositivo de amostragem 100 ou um dispositivo para pós-processamento.
[0135] Na modalidade mostrada nas Figuras 11-12, um sistema de análise de arranjo de coleta 400 recebe o cassete 50 para pós-processamento e análise das porções de superfície 26. O cassete 50 pode ser fixado no sistema de análise de arranjo de coleta 400 por um mecanismo de retenção 448. Em algumas modalidades do sistema de análise de arranjo de coleta 400, o sistema pode varrer através de porções de superfície contíguas 26 (como uma fita) que é contínua e pode conter dados continuamente. Em algumas modalidades, o sistema de análise de arranjo de coleta 400 varre as porções de superfície que são estáticas, tais como lâminas de microscópio. Em algumas modalidades, o sistema de análise de arranjo de coleta pode receber porções de superfície estáticas e dinâmicas para análise.
[0136] O sistema de análise de arranjo de coleta 400 pode varrer através das porções de superfície (seja uma fita móvel ou uma lâmina estática) ao iluminar uma luz de fundo 416 (por exemplo, LED) através da respectiva porção de superfície 26 conforme ela passa por uma óptica de microscópio 418. Um circuito de controle de luz 424 e a iluminação 416 (vide Figura 14) formam um módulo de iluminação, que pode estar submetido ao controle do sistema a partir do(s) controlador(es) 250, 218. O tubo óptico de microscópio 430 (no qual a óptica de microscópio 418 está montada) também compreende uma câmera de microscópio 432 que pode ler em tempo real ou capturar imagens das porções de superfície conforme elas se movem a partir da bobina de abastecimento 420 para a bobina de coleta 421. A bobina de coleta 421 é acionada por um motor 422 que pode ser operada de maneira semelhante a bobina de coleta 21 do dispositivo de amostragem (vide acima). Da mesma forma, quando um arranjo de coleta móvel é usado, a velocidade de movimento das porções de superfície 26 pode ser controlada para ser constante.
[0137] O tubo óptico de microscópio 430 pode ser movido dentro do sistema de análise de arranjo de coleta 400 que aloja 410 em ambas as direções vertical e horizontal. Isso pode otimizar a varredura óptica. O tubo óptico de microscópio 430 pode repousar sobre uma plataforma óptica horizontal 468 e, em seguida, ser movido ao longo de um eixo guia óptico vertical 464 por um motor óptico vertical 466 ou ao longo de um guia de movimento horizontal 460 por meio de um motor de posicionamento horizontal 462.
[0138] Em algumas modalidades, as imagens coletadas das porções de superfície 26 podem ser analisadas usando espectroscopia para determinar a assinatura espectral de um material. O sistema de análise de arranjo de coleta 400 pode identificar a assinatura espectral de um particulado coletado para identificar a composição do material. A varredura espectral é desempenhada adicionando-se um sensor de espectro visual/infravermelho próximo que pode ser alcançado através da divisão de feixe óptico (microscópio binocular).
[0139] Em algumas modalidades, as imagens coletadas das porções de superfície 26 podem ser analisadas por detecção óptica e métodos de análise. Métodos ópticos de detecção e análise incluem o uso de visão computacional e redes neurais convolucionais (tais como reconhecimento de imagem óptica) para detectar a presença de diferentes particulados nas porções de superfície
26.
[0140] Em algumas modalidades, as imagens coletadas das porções de superfície 26 podem ser analisadas por uma combinação de métodos de análise espectral e óptica.
[0141] Um controlador 450 controla o sistema de análise de arranjo de coleta 400 durante a operação e pode enviar as imagens ópticas e varreduras espectrais para um computador ou processador 452 que está anexado por wi-fi, bluetooth, cabo ou qualquer outro meio de conexão para modalidades, o controlador 450 pode realizar processamento adicional. Em alguns, como um processador e processo de dados coletados de maneira independente.
[0142] As imagens ópticas e varreduras espectrais produzidas pelo sistema de análise de arranjo de coleta 400 podem, então, ser processadas por meio do computador anexado 454, onde algoritmos de aprendizagem profunda inteligentes classificam e enumeram os particulados coletados nas porções de superfície 26. Os algoritmos terão sido treinados usando um conjunto de dados de treinamento para detectar ou identificar as várias classes ou tipos de particulados. As imagens ópticas produzidas pelo sistema de análise podem, adicionalmente, ser adicionadas ao conjunto de dados de treinamento, de modo que a capacidade de detecção possa ser refinada pelo algoritmo de aprendizagem profunda.
[0143] Em geral, o sistema de análise de arranjo de coleta 400 pode utilizar técnicas de visão computacional, tais como redes neurais ou outros métodos de reconhecimento de objeto, bem como combinações de diferentes métodos para identificar os particulados coletados nas porções de superfície 26 (por exemplo, patógenos de doenças potenciais).
[0144] A posição da porção de superfície 26 pode ainda ser correlacionada com os dados atmosféricos ou dados geoespaciais coletados a partir do dispositivo de amostragem 100 (armazenado em um dispositivo de memória removível separado, tal como um cartão SD). Isso pode, vantajosamente, permitir o posicionamento geoespacial 3D de tipos e concentrações de particulados, enquanto fornece os dados atmosféricos locais relevantes que podem então ser usados para análise ou modelagem independente adicional. Isso pode permitir a geração de um banco de dados de dados particulados, que podem ser convertidos por um computador em um mapa de alta precisão da região de levantamento. O mapa de levantamento de saída irá, portanto, transmitir os dados locais (por exemplo, tipos de particulados, concentrações, dos dados atmosféricos locais) de acordo com a localização geográfica onde os dados são coletados.
[0145] Como mencionado acima, a utilização de uma abordagem baseada em aprendizado de máquina pode atuar para aprimorar os resultados obtidos ao longo do tempo, melhorando assim a precisão de detecção e identificação para os particulados, tais como patógenos e doenças, por meio do algoritmo treinado. Os dados de varredura a partir do sensor óptico ou espectral podem ser fornecidos como dados de treinamento para um algoritmo de aprendizado de máquina, permitindo que o algoritmo refine os resultados de detecção à medida que mais dados de treinamento se tornam disponíveis. Sistema de Análise em Tempo Real
[0146] Em algumas modalidades, o dispositivo de amostragem 100 e o sistema de análise de arranjo de coleta 400 podem ser incorporados em um sistema único de amostragem e análise 500. Os particulados coletados, uma vez capturados nas porções de superfície 26 (essencialmente da maneira descrita acima), podem ser vedados a ar 31 entre as porções de superfície 26 e a cobertura (por exemplo, fita) a partir da bobina de cobertura 22. A porção de superfície 26 a ser analisada pode, então, ser passada pela iluminação de fundo 416, onde a amostra pode ser lida por meio da óptica de microscópio 418 e/ou câmera de microscópio 432. O processo de análise é essencialmente igual ao processo de análise descrito acima. Uma vez que a amostra foi processada, a posição da fita pode ser rastreada por um codificador de posição da fita 247 antes que a porção processada da porção de superfície 26 possa ser enrolada em uma bobina de coleta.
[0147] Durante a amostragem, o sistema de amostragem e análise 500 pode ser móvel ou estático e pode compreender qualquer um dos sistemas descritos acima de controle das porções de superfície, controle de admissão de fluido e controle de orientação de entrada e escoadouro.
[0148] Conforme descrito acima, o sistema de amostragem e análise 500 também pode coletar dados atmosféricos, retroalimentação do sistema de energia (energia solar, nível de bateria etc.), bem como quaisquer informações de depuração operacional em segundo plano enquanto a amostragem está ocorrendo. Um controlador de alto nível 250 (vide Figura 14) controla a tomada de decisão primária do sistema de amostragem e análise 500, incluindo processos tais como manipulação de dados e telemetria 97 (por exemplo, sistema de posicionamento global ou dados de "GPS" ou unidade de medição inercial ou dados "IMU"). As informações de telemetria podem ser fornecidas com os dados (por exemplo, sobrepostos com os dados) capturados pelo sistema
500. Conforme mostrado na Figura 8A, onde o dispositivo é um dispositivo móvel, tal como um veículo aéreo, os dados de telemetria, como dados de GPS ou IMU, podem ser inseridos em um controlador de voo 220 para o veículo aéreo. O controlador de voo 220 é incorporado na mesma unidade de processamento que o controlador de sistema 250 ou, alternativamente, é incorporado separadamente. Em um exemplo, o controlador de sistema 250 utiliza o módulo de telemetria 97 para adquirir uma referência de localização e/ou um caminho de transmissão, e transmite o particulado adquirido ou dados de varredura óptica/espectral para uma memória remota ou localização de processamento (por exemplo, através de um módulo de telecomunicações 252).
[0149] Uma vez que a análise foi concluída por meio do sistema de amostragem e análise 500, os dados coletados podem ser armazenados internamente, copiados para uma fonte de memória removível ou enviados para uma análise, armazenamento e visualização posterior em servidor (externo). Em algumas modalidades, a fim de se comunicar com um servidor externo, o sistema 500 pode ter o sistema de telecomunicações 252 compreendendo um modem (por exemplo, 4G/4GX, wi-fi de longo alcance, CAT Ml ou LoRA) com uma antena externa 254. Em algumas modalidades, o sistema de amostragem e análise 500 também pode receber informações de uma fonte externa (por exemplo, atualizações de firmware, rotas de amostragem) através do sistema de telecomunicações 252.
[0150] Variações e modificações podem ser realizadas às modalidades descritas anteriormente sem se afastar do espírito ou escopo da divulgação. Em geral, as características que contribuem para a eficácia do dispositivo de amostragem de fluido são a direção e a velocidade do fluxo de fluido.
[0151] O sistema divulgado descreve vários aspectos de uma modalidade da amostragem que controlam os parâmetros de coleta de modo que as medições de amostragem de particulados precisas podem ser registradas. Os parâmetros de coleta podem incluir velocidade do fluido de admissão,
velocidade de movimento das porções de superfície e condições de fluxo de fluido. A modalidade divulgada usa uma série de variações de um controlador PID (proporcional, integral, derivativo) com base digital para controlar tais parâmetros.
[0152] Nas reivindicações que se seguem e na descrição anterior da invenção, exceto quando o contexto requer o contrário devido à linguagem expressa ou implicação necessária, a palavra "compreender" ou variações como "compreende" ou "compreendendo" é usada em um sentido inclusivo, ou seja, para especificar a presença das características declaradas, mas não para impedir a presença ou adição de características adicionais em várias modalidades da invenção.

Claims (64)

REIVINDICAÇÕES
1. Dispositivo de amostragem para a coleta de particulados a partir de um fluido, o dispositivo caracterizado pelo fato de que compreende: uma entrada através da qual o fluido flui para o dispositivo; e um arranjo de coleta móvel configurado para se mover continuamente em relação à entrada e posicionado de modo que uma porção de superfície do arranjo de coleta esteja em uma posição de coleta para coletar os particulados a partir do fluido fluindo através da entrada, em que a porção de superfície do arranjo de coleta que está na posição de coleta varia em resposta ao movimento do arranjo de coleta enquanto coleta continuamente os particulados a partir do fluxo de fluido, o movimento do arranjo de coleta tendo uma velocidade que é configurada de modo que um volume constante do fluido passe cada uma das porções de superfície variadas.
2. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o movimento do arranjo de coleta tem uma velocidade constante.
3. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, um arranjo de acionamento para mover as porções de superfície do arranjo de coleta para e a partir da posição de coleta.
4. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que as porções de superfície são contíguas em uma superfície comum e o arranjo de acionamento compreende uma bobina de abastecimento e uma bobina de coleta e a superfície comum é enrolada em torno das bobinas e móvel a partir da bobina de abastecimento para a bobina de coleta.
5. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o arranjo de acionamento gira a bobina de coleta de modo que as porções de superfície se movam a partir da bobina de abastecimento através da posição de coleta para a bobina de coleta.
6. Dispositivo de amostragem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o dispositivo compreende, adicionalmente, um sensor para determinar a velocidade das porções de superfície.
7. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 6 quando dependente da reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o arranjo de acionamento é operável, em resposta à velocidade das porções de superfície determinadas pelo sensor, para ajustar o movimento do arranjo de coleta de modo que as porções de superfície se movam através da posição de coleta a uma velocidade constante.
8. Dispositivo de amostragem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que as porções de superfície, quando na posição de coleta, são substancialmente perpendiculares em relação ao fluxo a partir do escoadouro.
9. Dispositivo de amostragem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, uma cobertura arranjada para sobrepor as porções de superfície de modo que os particulados coletados nas porções de superfície sejam retidos entre a cobertura e as porções de superfície.
10. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 9, quando dependente da reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a cobertura engata nas porções de superfície entre a posição de coleta e a bobina de coleta.
11. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 9 ou reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a cobertura está na forma de uma tira e é enrolada em torno de uma bobina de cobertura.
12. Dispositivo de amostragem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que as porções de superfície compreendem, adicionalmente, um substrato de suporte biológico.
13. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, um reservatório para armazenar o substrato de suporte biológico e um dispensador para dispensar o substrato de suporte biológico a partir do reservatório para as porções de superfície.
14. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o dispensador é posicionado de modo que o substrato de suporte biológico seja dispensado sobre as porções de superfície antes de se mover para a posição de coleta.
15. Dispositivo de amostragem para a coleta de particulados a partir de um fluido, o dispositivo caracterizado pelo fato de que compreende: uma entrada através da qual o fluido flui para o dispositivo; um arranjo de coleta tendo uma porção de superfície posicionada em uma posição de coleta para coletar particulados a partir do fluido fluindo a partir da entrada; e um sistema de controle de fluxo de fluido para controlar a taxa de fluxo do fluido na posição de coleta durante a amostragem, o sistema de controle de fluxo de fluido ajustando uma força de sucção na posição de coleta em resposta a uma taxa de fluxo de fluido interna e uma taxa de fluxo de fluido externa de modo que o fluxo isocinético seja mantido na posição de coleta.
16. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle de fluxo de fluido mantém uma taxa de fluxo constante do fluido.
17. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 15 ou 16, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle de fluxo de fluido compreende, adicionalmente, um dispositivo de sucção que cria a força de sucção, o dispositivo de sucção estando em comunicação fluida com a entrada de modo que o fluido recebido através da entrada flua além da posição de coleta antes de ser exaurido a partir do dispositivo por meio do dispositivo de sucção.
18. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a velocidade do dispositivo de sucção controla de maneira ajustável a taxa de fluxo do fluido na posição de coleta.
19. Dispositivo de amostragem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 a 18, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle de fluxo de fluido compreende, adicionalmente, pelo menos um sensor para medir a taxa de fluxo do fluido interna próxima à porção de superfície na posição de coleta.
20. Dispositivo de amostragem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 a 19, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle de fluxo de fluido compreende, adicionalmente, pelo menos um sensor para medir a taxa de fluxo do fluido externa próxima ao dispositivo de amostragem.
21. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 20, quando dependente da reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de sucção está na forma de um exaustor e o sistema de controle de fluxo de fluido controla de maneira ajustável a velocidade do exaustor em resposta às medições a partir do pelo menos um sensor para medir a taxa de fluxo de fluido interna e o pelo menos um sensor para medir a taxa de fluxo de fluido externa.
22. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 20 ou 21, quando dependente da reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um sensor para medir a taxa de fluxo de fluido interna e o pelo menos um sensor para medir a taxa de fluxo de fluido externa mede o diferencial de pressão entre uma pressão de estagnação do fluxo de fluido dentro do dispositivo de amostragem próximo à porção de superfície e uma pressão estática externa ao dispositivo de amostragem.
23. Dispositivo de amostragem para a coleta de particulados a partir de um fluido, o dispositivo caracterizado pelo fato de que compreende: um corpo de admissão tendo uma entrada e um escoadouro através da qual o fluido flui para o dispositivo; e um arranjo de coleta, em que uma porção de superfície do arranjo de coleta é posicionada em uma posição de coleta para coletar particulados a partir do fluido fluindo a partir do escoadouro; em que a entrada pode ser orientada de maneira ajustável em relação ao escoadouro de modo que um fluxo do fluido através da entrada seja substancialmente laminar e/ou isoaxial.
24. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de que o escoadouro é arranjado em relação à entrada de modo que o fluxo de fluido seja substancialmente laminar e/ou isoaxial quando flui a partir do escoadouro.
25. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 23 ou 24, caracterizado pelo fato de que o arranjo de coleta é orientado de modo que a porção de superfície seja substancialmente perpendicular em relação ao fluxo de fluido a partir do escoadouro.
26. Dispositivo de amostragem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 25, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, um sistema de controle angular que está arranjado para orientar a entrada relativa a um fluxo ambiente do fluido de modo que o fluxo de fluido através da entrada seja substancialmente laminar.
27. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle angular é arranjado para controlar a inclinação da entrada em relação ao dispositivo.
28. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 26 ou 27, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle angular é arranjado para controlar a guinada da entrada em relação ao dispositivo.
29. Dispositivo de amostragem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 28, caracterizado pelo fato de que o corpo de admissão se estende entre uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a entrada está posicionada na primeira extremidade do corpo e o escoadouro está posicionado na segunda extremidade.
30. Dispositivo de amostragem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 27 a 29, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, um sensor para perceber a direção do fluxo ambiente do fluido.
31. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle angular orienta a entrada de maneira ajustável em resposta à direção do fluxo ambiente do fluido percebido pelo sensor.
32. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 30 ou 31, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um sensor é pelo menos um dentre:
a. um tubo de pitot estático voltado para a frente conectado a pelo menos um sensor de pressão; b. um giroscópio; c. um acelerômetro, d. bússola; e. GPS; f. IMU; e/ou g. um anemômetro.
33. Dispositivo de amostragem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 32, caracterizado pelo fato de que o dispositivo é um dispositivo móvel e operativo para coletar particulados enquanto o dispositivo está em movimento.
34. Dispositivo de amostragem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 33, caracterizado pelo fato de que o dispositivo é um dispositivo estático.
35. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 33 ou 34, caracterizado pelo fato de que os dados coletados por meio do dispositivo de amostragem são armazenados.
36. Dispositivo de amostragem, de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo fato de que os dados armazenados são armazenados em um dispositivo de memória localizado no dispositivo de amostragem.
37. Método para a detecção de particulados, caracterizado pelo fato de que compreende: posicionar uma superfície de coleta em relação a pelo menos um dentre um sensor óptico e espectral, a superfície de coleta na forma de um arranjo de coleta móvel que é configurado para se mover continuamente de modo que uma porção de superfície do arranjo de coleta está em uma posição de coleta para coletar os particulados a partir de um fluido, a porção de superfície do arranjo de coleta que está na posição de coleta variando em resposta ao movimento do arranjo de coleta enquanto coleta continuamente os particulados a partir do fluxo de fluido, o movimento do arranjo de coleta tendo uma velocidade que é configurada de modo que um volume constante do fluido passe cada uma das porções de superfície variada; perceber particulados recebidos na superfície de coleta usando pelo menos um sensor óptico ou espectral; e analisar os dados coletados a partir do pelo menos um sensor usando um processador.
38. Método, de acordo com a reivindicação 37, caracterizado pelo fato de que a superfície de coleta móvel é movida por um arranjo de acionamento.
39. Método, de acordo com a reivindicação 38, caracterizado pelo fato de que as porções de superfície são contíguas em uma superfície comum e o arranjo de acionamento compreende uma bobina de abastecimento e a superfície comum, e a superfície comum é enrolada em torno das bobinas e móvel a partir da bobina de abastecimento para a bobina de coleta.
40. Método, de acordo com a reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que o arranjo de acionamento gira a bobina de coleta de modo que as porções de superfície se movam a partir da bobina de abastecimento através da posição de coleta para a bobina de coleta.
41. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 37 a 40, caracterizado pelo fato de que as porções de superfície se movem através da posição de coleta enquanto coletam particulados a partir do fluxo de ar e o dispositivo compreende, adicionalmente, um sensor para determinar a velocidade das porções de superfície.
42. Método, de acordo com a reivindicação 41, quando dependente da reivindicação 39, caracterizado pelo fato de que o arranjo de acionamento é operável, em resposta à velocidade das porções de superfície determinadas pelo sensor, para ajustar o movimento do arranjo de coleta de modo que o movimento das porções de superfície possa ser varrido por pelo menos um dentre os sensores óptico e espectral.
43. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 37 a 42, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente, varrer as porções de superfície por meio do pelo menos um sensor óptico e espectral, em que as porções de superfície, quando na posição de coleta, são substancialmente perpendiculares ao pelo menos um dentre os sensores óptico e espectral.
44. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 36 a 43, caracterizado pelo fato de que o processador correlaciona os dados de GPS com os dados coletados.
45. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 36 a 44, caracterizado pelo fato de que inclui treinar um algoritmo de detecção para identificar os particulados.
46. Método, de acordo com a reivindicação 45, caracterizado pelo fato de que os dados coletados são usados para treinar adicionalmente o algoritmo de detecção.
47. Método, de acordo com a reivindicação 46, caracterizado pelo fato de que o processador utiliza pelo menos uma das redes neurais convolucionais e métodos de aprendizagem profunda por computador para treinar o algoritmo de detecção.
48. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 45 a 47, caracterizado pelo fato de que o algoritmo de detecção inclui um algoritmo de visão por computador.
49. Método, de acordo com a reivindicação 48, caracterizado pelo fato de que o algoritmo de visão por computador inclui um algoritmo de reconhecimento de objeto, um algoritmo de rede neural ou uma combinação dos mesmos.
50. Método de monitoramento de particulados transportados pelo ar, caracterizado pelo fato de que compreende coleta de amostras de particulados transportados pelo ar; gerar dados geoespaciais associados à coleta das amostras de particulados transportados pelo ar; gerar dados de amostra a partir das amostras coletadas de particulados transportados pelo ar, analisar os dados de amostra para identificar os particulados nas amostras coletadas; e correlacionar uma ou mais características dos particulados identificados com os dados geoespaciais.
51. Método, de acordo com a reivindicação 50, caracterizado pelo fato de que compreende, adicionalmente gerar dados atmosféricos associados à coleta das amostras de particulados transportados pelo ar; correlacionar características dos particulados identificados com os dados atmosféricos.
52. Método, de acordo com a reivindicação 50 ou 51, caracterizado pelo fato de que as características dos particulados identificados compreendem qualquer um ou mais dentre tipo, classificação, tamanho ou concentração.
53. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 50 a 52, caracterizado pelo fato de que os dados amostrados são dados de imagens e/ou espectros.
54. Sistema de amostragem para a coleta de particulados a partir de um fluido, o sistema caracterizado pelo fato de que compreende: um corpo de admissão tendo uma entrada e um escoadouro através da qual o fluido flui para o dispositivo; e um arranjo de coleta móvel incluindo uma porção de superfície para coletar os particulados a partir do fluido fluindo através do corpo, o arranjo de coleta móvel sendo definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 14; um sistema de controle de fluxo de fluido para controlar a taxa de fluxo do fluido na porção de superfície, o sistema de controle de fluxo de fluido sendo definido em qualquer uma das reivindicações 15 a 22; em que a entrada pode ser orientada de maneira ajustável de modo que um fluxo do fluido na entrada seja substancialmente laminar e/ou isoaxial, o fluxo de fluido do sistema sendo definido, adicionalmente, em qualquer uma das reivindicações 23 a 32.
55. Sistema de amostragem, de acordo com a reivindicação 54, caracterizado pelo fato de que sistema o compreende, adicionalmente, qualquer uma das características definidas em qualquer uma das reivindicações 33 a 36.
56. Sistema de amostragem, de acordo com a reivindicação 54 ou 55, caracterizado pelo fato de que sistema o compreende, adicionalmente, um sistema de análise de particulado, o sistema de análise de particulado compreendendo: pelo menos um dentre um sensor óptico e espectral, o pelo menos um dentre um sensor óptico e espectral sendo posicionado em relação às porções de superfície de modo que os particulados recebidos nas porções de superfície possam ser percebidos por meio do pelo menos um dentre um sensor óptico e espectral, e um processador, o processador sendo integrado conectivamente com o pelo menos um dentre um sensor óptico e espectral de modo que os particulados que são percebidos por meio do pelo menos um dentre um sensor óptico e espectral possam ser analisados por meio do processador.
57. Sistema de amostragem, de acordo com a reivindicação 56, caracterizado pelo fato de que o processador correlaciona dados produzidos durante a análise com dados de telemetria coletados por meio do sistema de amostragem.
58. Sistema de amostragem, de acordo com a reivindicação 56 ou 57, caracterizado pelo fato de que o processador inclui um algoritmo de detecção para processar dados de varredura a partir do pelo menos um dentre um sensor óptico e espectral, para identificar os particulados recebidos nas porções de superfície.
59. Sistema de amostragem, de acordo com a reivindicação 58, caracterizado pelo fato de que o algoritmo de detecção é um algoritmo de visão por computador, que inclui um algoritmo de reconhecimento de objeto, um algoritmo de rede neural ou uma combinação dos mesmos.
60. Sistema de amostragem, de acordo com a reivindicação 58 ou 59, caracterizado pelo fato de que o algoritmo de detecção inclui um algoritmo de aprendizado de máquina treinado usando os dados de varredura.
61. Sistema de amostragem, de acordo com a reivindicação 58, caracterizado pelo fato de que o algoritmo de detecção está treinando usando um método de rede neural convolucional ou um método de aprendizagem profunda por computador.
62. Sistema de amostragem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 56 a 61, caracterizado pelo fato de que a análise de processador compreende a geração de um banco de dados de dados de particulados.
63. Sistema de amostragem, de acordo com a reivindicação 62, caracterizado pelo fato de que a análise de processador compreende a conversão do banco de dados de dados de particulados em um mapa para uma região de levantamento onde os particulados são coletados.
64. Dispositivo ou sistema de amostragem, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 36 ou 54 a 63, caracterizado pelo fato de que o fluido está na forma de ar.
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