BRPI0708806A2 - sistema de mediÇço de funÇço dupla - Google Patents
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Abstract
SISTEMA DE MEDIÇçO DE FUNÇçO DUPLA. Um sistema de medição tendo duplas capacidades de medição é apresentado. O sistema de medição tem uma fonte de luz (10) configurada para prover luz ao longo de um primeiro eixo geométrico que ilumina um meio de amostra (8). O sistema de medição possui um primeiro sensor (5) configurado para medir a luz dispersa em um meio de amostra de meio. O sistema de medição possui um segundo sensor (17) configurado para medir a luz que atravessa o meio de amostra.
Description
"SISTEMA DE MEDIÇÃO DE FUNÇÃO DUPLA"
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
É de interesse para o especialista de processo, o engenheiro, o cientista, e outros,a qualidade ou a pureza dos produtos (um meio capaz de suspensão de partículas) que éfabricado quer o mesmo seja um líquido, um gás, um produto farmacêutico, ou algo do gê-nero. Uma medida da qualidade do produto é a análise da matéria particulada ou da concen-tração da matéria particulada dentro do produto final ou no produto durante as várias fasesde produção de modo a assegurar que a matéria particulada como um componente do, oupor produto do processo, exista em uma quantidade prescrita ou dentro de uma tolerânciaadequada. Quando as partículas em suspensão são desconhecidas, as partículas podemdiferir em composição, tamanho e forma. É sabido que a matéria interage com luz de diver-sas maneiras, como exemplo por meio da absorção, reflexão ou dispersão, e fluorescência,para citar apenas algumas. Diversos meios ópticos foram concebidos para medir a matériaparticulada dentro de uma suspensão, como, por exemplo, o turbidímetro ou o nefelômetro,o contador de partículas, e o densitômetro, porém todos utilizam fundamentalmente diferen-tes configurações ópticas, cada qual concebida para medir um atributo específico ou faixade concentração das partículas suspensas por meio da transmitância, reflexão, ou remessade luz.
Outra limitação da configuração da medição óptica é imposta por agências regula-doras ou por métodos padronizados, por exemplo, o Método 180.1 EPA dos Estados Uni-dos, o Método de Teste ASTM para a Turbidez da Água D 1889-00, ou pela Norma Interna-cional ISO 7027 para a determinação da turbidez para a análise da qualidade da água. Es-tes métodos e padrões determinam a relação geométrica do emissor para o detector e oângulo sólido dos elementos ópticos de coleta, de modo a assegurar que instrumentos detarefas semelhantes trabalhem dentro de parâmetros designados para fins de relato.
Outras limitações dos dispositivos para a medição nefelométrica concebida para de-terminar a presença de partículas em uma suspensão é a capacidade de o dispositivo fun-cionar por uma vasta faixa de tamanhos e concentrações de partícula sem impedimento. Oscontadores de partículas têm bom desempenho em baixas concentrações de partículas,mas são propensas à obstrução quando a concentração ou o tamanho das partículas torna-se maior que a capacidade de o vapor fluente passar pela restrição, orifício, ou capilar es-treito de um interruptor de medição. Os dispositivos, tais como um turbidímetro, com trajetó-rias de fluxo irrestritas, são insensíveis às pequenas concentrações de partículas, uma vezque a técnica de medição primária se baseia na energia da luz dispersa que incide sobre omeio detector, e é maior que a medição do ruído auto-gerado do detector.
Ainda outra deficiência dos dispositivos utilizados na medição de particulados emsuspensão é a falta de um meio para avaliar a prontidão operacional do instrumento, sem ainterrupção do fluxo de partículas em função da introdução de um padrão de calibração oudispositivo de calibração, o que exige uma interação entre o operador ou técnico qualificadoe o dispositivo nefelométrico.
A presente invenção elimina a necessidade de múltiplos aparelhos de medição ne-felométricos e também de dispositivos de verificação de sistema a fim de realizar a análiseda presença ou ausência ou do número de partículas suspensas em um meio, bem como averificação da capacidade de os sistemas medirem em conformidade os atributos de de-sempenho exigidos.
ASPECTOS
Um aspecto da presente invenção inclui um sistema de medição que compreende:
- uma fonte de luz direcionada ao longo de um primeiro eixo geométrico e configu-rada para iluminar um volume de amostra;
- um primeiro sensor alinhado ao longo de um segundo eixo geométrico e configu-rado para detectar a luz dispersa no volume de amostra; e
- um segundo sensor configurado para detectar a quantidade de luz, a partir da fon-te de luz, que passa pelo volume de amostra.
De preferência, um processador é acoplado ao primeiro sensor e ao segundo sen-sor e é configurado de modo a comparar a quantidade total de luz detectada pelo primeirosensor com a quantidade total de luz detectada pelo segundo sensor.
De preferência, um processador é acoplado ao primeiro sensor e ao segundo sen-sor e é configurado de modo a computar tanto a turbidez de um meio de suspensão no vo-lume de amostra e um número de partículas detectadas no volume de amostra.
De preferência, uma esfera de integração tem um orifício de entrada e um orifíciode saída, em que o orifício de entrada é alinhado ao primeiro eixo geométrico, e o segundosensor fica alinhado com o orifício de saída.
De preferência, orifício de entrada fica alinhado substancialmente 90 graus com re-lação ao orifício de saída.
Preferencialmente, o primeiro eixo geométrico fica alinhado substancialmente 90graus com relação ao segundo eixo geométrico.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A Figura 1 é uma vista em seção do perfil óptico de um sistema de medição de par-ticulados em uma modalidade exemplar da presente invenção.
A Figura 2 é uma primeira vista lateral do sistema de medição de particulados emuma modalidade exemplar da presente invenção.
A Figura 3 é uma segunda vista lateral, com a lente menisco removida, de um sis-tema de medição de particulados em uma modalidade exemplar da presente invenção.
A Figura 4 é uma vista em seção da trajetória de fluxo de um sistema de mediçãode particulados em uma modalidade exemplar da presente invenção.
A Figura 5 é um diagrama em blocos do perfil óptico da trajetória de detecção emuma modalidade exemplar da presente invenção.
A Figura 6 é um diagrama em blocos do perfil óptico ao se utilizar mais de uma tra-jetória de detecção em uma modalidade exemplar da presente invenção.
A Figura 7 é um diagrama em blocos do perfil óptico da trajetória da fonte de luz emuma modalidade exemplar da presente invenção.
As Figuras 7a a 7g são diagramas em blocos de diferentes disposições e constru-ções de máscaras de abertura utilizadas para discriminar o ângulo de dispersão das partícu-las em suspensão em uma modalidade exemplar da presente invenção.
A Figura 8 é um diagrama em blocos do perfil óptico da área de visão do meio desuspensão em uma modalidade exemplar da presente invenção.
A Figura 9 é um diagrama em blocos de um sistema de medição de particuladosque utiliza uma pluralidade de trajetórias de fonte de luz em uma modalidade exemplar dapresente invenção.
A Figura 10 é um diagrama em blocos do perfil óptico de um sistema de medição departiculados com uma fonte virtual em forma de anel e uma segunda fonte de luz em umamodalidade exemplar da presente invenção.
A Figura 11 é um diagrama em blocos do perfil óptico de um sistema de medição departiculados com uma área não revestida da superfície da lente convexa e uma segundafonte de luz em uma modalidade exemplar da presente invenção.
A Figura 12 é um diagrama em blocos do detalhe óptico de um meio de calibraçãoe verificação in situ que utiliza a luz de uma fonte de luz primária e um meio de comutaçãoóptica para desviar uma porção da fonte primária para o meio de calibração e verificação emuma modalidade exemplar da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA PRESENTE INVENÇÃO
As Figuras 1 a 12 e a descrição a seguir retratam exemplos específicos para ensi-nar àqueles versados na técnica como fazer e usar o melhor modo da presente invenção.Com o objetivo de ensinar os princípios inventivos, alguns aspectos convencionais foramsimplificados ou omitidos. Os versados na técnica irão apreciar variações a partir destesexemplos que se inserem no âmbito de aplicação da presente invenção. Os versados natécnica observarão que os aspectos descritos a seguir podem ser combinados de diversasformas para a constituição de múltiplas variações da presente invenção. Como resultado, apresente invenção não se limita aos exemplos específicos descritos a seguir, mas tão-omente às reivindicações e seus equivalentes.
A Figura 1 é uma vista em seção do perfil óptico de um sistema de medição de par-ticulados em uma modalidade exemplar da presente invenção. O sistema de medição departiculados compreende: uma fonte de luz 10, uma montagem de flexura 27, uma lentemenisco 1, uma lente de entrada 6, lente de saída 7, uma lente de campo 2, um corpo dedispositivo 19, esfera de integração 11, detector de transmissão 17, uma lente 3, máscarade abertura, uma lente 4, um detector de partículas 5. A fonte de luz 10 é montada em umamontagem de flexura 27 e projeta uma luz ao longo de um primeiro eixo geométrico ópticoAA. A montagem de flexura 27 é utilizada para ajustar ou alinhar a relação angular entre afonte de luz 10 e o corpo de dispositivo 19. Uma cavidade 8 é formada pela lente menisco 1,pela lente de entrada 6, pela lente de saída 7, pela lente de campo 2, e pelo corpo de dispo-sitivo 19. O meio a ser testado flui através da cavidade 8 ao longo de um eixo geométricoperpendicular ao plano do papel. Gaxetas ou dispositivos de vedação, por exemplo, anéisem O, podem ser utilizados entre a lente e o corpo do dispositivo a fim de ajudar a formaruma vedação hermética a fluidos em torno da cavidade 8. A lente de saída 7 é montada nocorpo de dispositivo 19 e alinhada ao primeiro eixo geométrico óptico AAi A esfera de inte-gração 11 é montada sobre o corpo de dispositivo 19 próxima à lente de saída 7. A esferade integração 11 tem uma orifício de entrada 15 alinhado ao primeiro eixo geométrico ópticoAA. O detector de transmissão 17 é montado substancialmente a 90 graus do orifício deentrada 15 em um orifício de saída 16 da esfera de integração 11. A lente menisco 1, a lentede campo 2, a lente 3, a máscara de abertura 9, e a lente 4 ficam alinhadas ao longo de umsegundo eixo geométrico óptico BB. O detector de partículas 5 é montado no corpo de dis-positivo e alinhado ao segundo eixo geométrico óptico BB. A superfície interna 12 da esferade integração 11 pode ser preferencialmente revestida de modo a alterar a refletividade oumelhorar a estabilidade, a durabilidade, ou a capacidade de manutenção da superfície dereflexão.
A Figura 2 é uma primeira vista lateral do sistema de medição de particulados emuma modalidade exemplar da presente invenção. A fonte de luz 10 pode ser um laser, umLED (diodo emissor de luz), uma lâmpada incandescente, uma lâmpada de descarga, ouqualquer outra fonte de radiação coerente ou não coerente capaz de estimular o detector aproduzir informações úteis. O ingresso 41 e o egresso 44 de um fluxo através do dispositivonefelométrico são feitos pelo tubo de entrada 40 e pelo tubo de saída 43, facilitados pelaconexão 39 e 42 fixada ao corpo de dispositivo 19. Uma vista em seção do grampo 33 naFigura 2 mostra o meio através do qual o parafuso 36 aplica força ao grampo 33 a fim deapertar a luva de detector 32 e de modo a prender o detentor de detector 34 em uma posi-ção fixa.
A Figura 3 é uma segunda vista lateral, com a lente menisco removida, de um sis-tema de medição de particulados em uma modalidade exemplar da presente invenção.
A Figura 4 é uma vista em seção da trajetória de fluxo de um sistema de mediçãode particulados em uma modalidade exemplar da presente invenção. O sistema de mediçãode particulados compreende: uma lente menisco 1, uma lente de saída 7, uma lente decampo 2, um corpo de dispositivo 19, uma lente 3, uma máscara de abertura 9, uma lente 4,um detectar de partículas 5, um tubo de entrada 40 e um tubo de saída 43. O ingresso 41 eo egresso 44 de um fluxo através do dispositivo nefelométrico são feitos pelo tubo de entra-da 40 e pelo tubo de saída 43, facilitados pela conexão 39 e 42 fixada ao corpo de dispositi-vo 19. As vedações de anel 45 e 46 vedam as tubagens 43 e 40 ao corpo de dispositivo 19.O primeiro eixo geométrico óptico AA forma uma linha perpendicular ao papel e fica no cen-tro da lente de saída 7.
A Figura 5 é um diagrama em bloco do perfil óptico da trajetória de detecção emuma modalidade exemplar da presente invenção. A Figura 5 mostra a luz dispersa na dire-ção da lente menisco 1 por meio das partículas no meio de suspensão 47 no plano de objeto49. A lente menisco 1, a lente de campo 2 e as lentes 3 e 4 ao longo do eixo geométricoóptico BB formam uma imagem ereta no plano de imagem 49" da partícula localizada noplano de objeto 49. Uma imagem intermediária das partículas é formada pela lente menisco1 ao longo do eixo geométrico óptico BB no plano de imagem 49', dentro de lente de campo2. Ao formar a imagem intermediária dentro da lente de campo lente 2 somente essa luz queé refletida, dispersa ou emitida a partir das partículas para a lente menisco 1 é trazida parafoco no plano de imagem 49". Como resultado, nenhuma imagem de partículas em suspen-são é formada como resultado direto das lentes 3 e 4, mas apenas como resultado da luzque incide sobre a lente menisco 1.
Em uma modalidade exemplar da presente invenção, a lente menisco 1 é uma lentede emersão de um material de refração maior que o índice refrativo do meio de suspensão.A lente menisco 1 tem uma primeira superfície de refração côncava em contacto com o meiode suspensão, e uma segunda superfície de reflexão convexa. A primeira e a segunda su-perfícies não precisam ser concêntricas e nem a superfície precisa ser concêntrica com oplano de objeto 49. Em uma modalidade exemplar da presente invenção, a primeira superfí-cie de refração da lente menisco 1 pode ser inerte ao meio de suspensão. Devido ao fato dea segunda superfície de reflexão da lente menisco 1 ser protegida pela primeira superfíciede refração, a lente menisco 1 pode ser limpa sem o risco de danificar a superfície de refle-xão mais delicada. A primeira superfície de refração permite um grau de liberdade maior nacorreção de aberrações ópticas que poderão, de outra forma, degradar a qualidade da ima-gem nos planos de imagem 49' e 49" sem a necessidade de superfícies esféricas para avantagem de um menor custo de produção. Uma vez que a força óptica principal da lentemenisco é provida pela superfície de reflexão, os problemas relacionados à dispersão portoda uma gama de comprimentos de onda de teste poderão ser minimizados. O raio margi-nal 50 a partir do plano de objeto 49 é refratado pela superfície côncava da lente menisco 1,e se propaga como o raio 50 para a superfície de reflexão côncava da lente menisco 1. Apósa reflexão sobre a superfície convexa revestida das lentes, o raio refletido 50b é novamenterefratado pela superfície côncava da lente menisco 1 e sai da lente como o raio refratado50c. Tendo em vista que o plano de objeto 49 e o plano de imagem intermediário 49', dentroda lente de campo 2, se deslocam ao longo do eixo geométrico óptico BB1 uma pequenarefração ocorrerá em ambos os lados da lente de campo 2, uma vez que o índice de refra-ção entre o meio de suspensão 47 e o índice de refração da lente de campo 2 são seme-lhantes, e a imagem intermediária 49' é concêntrica, ou quase isso, para a superfície conve-xa da lente de campo 2. A lente menisco 1 provê uma grande abertura numérica que captu-ra uma grande porção da luz dispersa a partir de uma partícula em um meio de suspensão47. Em uma modalidade exemplar da presente invenção, mais de 1/7 do total da luz disper-sa pode ser utilizado para incidir sobre o detector de partículas 5 no plano de imagem 49". Oraio marginal 50c é refratado pela lente 3, como o raio marginal 50d, e emerge a partir dalente 3 como o raio marginal 50c. O diafragma de campo 9 define a extensão pela qual osraios marginais dispersos a partir da partícula no meio de suspensão 47 irão se propagaratravés do sistema óptico. Uma imagem do diafragma de campo 9 é formada na ou próximoà superfície da lente menisco 1 como a imagem de diafragma de campo 9'. O raio marginal50e se propaga para a lente 4 e é refratado como o raio marginal 50f, emergindo a partir dalente 4 como o raio marginal 50g quando uma imagem ereta da partícula é formada a partirda luz dispersada a partir do plano de objeto 49 no plano de imagem 49". Um raio principal51 segue uma trajetória similar através do sistema óptico que passa pelo centro do diafrag-ma de campo 9 e também através do centro da imagem 9' do diafragma de campo formadana superfície da lente menisco 1. O diafragma de campo 9 é posicionado a partir da lente 4de tal forma que o detector de partículas 5 fique no conjugado infinito do diafragma de cam-po 9. Assim sendo, qualquer porção da imagem formada no diafragma de campo 9 incidiráigualmente na superfície do detector de partículas 5.
O detector 5 pode ser um fotodiodo, um Tubo Foto-Multiplicador (PMT), um Disposi-tivo Acoplado Carregado (CCD) ou um sensor de imagem de Semicondutor de Óxido deMetal Complementar (CMOS), ou qualquer outro meio para converter luz ou radiação emvalores quantificáveis de potencial ou corrente elétrica. Em uma modalidade exemplar dapresente invenção, os detectores de arranjo de área, tais como os sensores de imagemCCD ou CMOS, podem ser utilizados para medir a posição espacial e a área incrementai daintensidade da imagem formada no sensor de imagem. Com base nessas informações, odispositivo pode medir o tamanho, a forma, a distribuição, a ocorrência, e a velocidade daspartículas em suspensão no plano de objeto 49. A ampliação do objeto em imagem ao longodo eixo geométrico óptico BB é selecionada de modo a prover uma resolução adequadapara as medições de interesse e define a área máxima que pode ser medida na suspensão.
Se o tamanho do sensor de imagem for de 6,4 χ 4,8 mm e à ampliação do sistema óptico forde 2x, então a área máxima que poderá ser medida na suspensão será de 3,2 χ 2,4 mm.Para um determinado sensor de imagem, um número fixo de sítios fotossensíveis estão pre-sentes, como, por exemplo, de 640 χ 480 pixéis, por conseguinte, cada pixel é de 10 //m erepresenta uma resolução de um objeto de 5 //m por pixel em suspensão. Quando as partí-cuias a serem medidas são pelo menos 2 a 3 vezes maiores que a resolução do sistema,uma medida razoável do tamanho e forma do objeto poderá ser determinada. A profundida-de da imagem ao longo do eixo geométrico óptico BB é o resultado do diâmetro ou largurado feixe de iluminação ao longo do eixo geométrico óptico BB, e/ou da profundidade decampo do sistema óptico de geração de imagem. Um volume de medição definido pode serdeterminado utilizando a largura da iluminação ao longo do eixo geométrico óptico BB, aprofundidade de campo do sistema óptico de geração de imagem, a ampliação do sistemaóptico, ou o tamanho do detector de partículas. A contagem das partículas iluminadas oudas partículas fluorescentes dentro do volume de medição definido pode ser relatada comouma contagem por milímetro cúbico. Se o sensor de imagem é de um tipo de integração,como no caso dos sensores de imagem CCD e CMOS, o tempo de integração - o tempoatribuído para a carga se acumular sobre a área fotossensível do dispositivo, poderá serutilizado para determinar a proporção de escoamento das partículas em suspensão por meioda medição do número de pixéis transgredidos durante o período de integração. A imagemresultante é por vezes referida como uma "seqüência", cuja extensão e tempo de integraçãoconhecido podem ser usados para calcular a velocidade da partícula, e daí a proporção deescoamento do meio de suspensão. Quando a concentração de partículas em suspensão ésuficientemente elevada, partículas isoladas tornam-se indistinguíveis no sensor de imagem,mas podem ser medidas como uma operação de concentração de partículas por meio dacarga total acumulada durante o período de integração conhecido no sensor de imagem, oudo produto de corrente de ampère do detector de partículas 5 como o de um fotodiodo, cor-relacionado às Unidades Nefelométricas de Turbidez (NTU), à Unidade Nefelométrica dePadrão Formazin (FNU), as Unidades de Padrão McFarIane, ou outra unidade nefelométricapadrão de medida da nebulosidade ou névoa da suspensão calibrada a uma concentraçãoconhecida de padrão nefelométrico.
A presente invenção não se limita a uma única trajetória de detecção. A Figura 6 éum diagrama em bloco de um perfil óptico ao se utilizar mais de uma trajetória de detecçãoem uma modalidade exemplar da presente invenção. Um segundo eixo geométrico ópticoCC é introduzido substancialmente a 90 graus ao eixo geométrico óptico BB, e tambémsubstancialmente a 90 ao eixo geométrico óptico da fonte de luz. A dispersão da luz a partirda partícula no plano de objeto 49 é coletada e transmitida ao longo do eixo geométrico óp-tico CC da mesma maneira que a descrita para a estrutura da Figura 5, utilizando ao invésda lente menisco IA, a lente de campo 2A, e as lentes 3A e 4A, de modo a formar uma ima-gem ereta da partícula no detector de partículas 5A. As duas imagens estão relacionadas,assim como a imagem formada no detector de partículas 5A é o perfil de imagem da ima-gem formada no detector de partículas 5. Além disso, os dois detectores 5 e 5A não preci-sam ter a mesma resposta espectral, nem existe a necessidade de uma lente menisco 1 ou1A para se ter a mesma refletividade espectral. Na verdade, cada trajetória óptica pode sermodificada por meio da adição de filtros ópticos ou por meio de uma refletividade de reves-timento ou por meio de uma resposta do detector de tal modo que cada trajetória óptica setorne sensível a diferentes porções dos espectros de modo a detectar a absorção ou a e-missão de partículas do meio de suspensão 47 em um plano objeto 49 em comprimentos de onda únicos.
A Figura 7 é um diagrama em bloco do perfil óptico da trajetória de fonte de luz emuma modalidade exemplar da presente invenção. É desejável impedir que a energia radianteparasita se propague ao longo do eixo geométrico óptico BB para o detector de partículas 5.Por isso, a melhor prática é não iluminar mais o volume de amostra do que se poderia serdigitalizado com o detector de partículas 5. A lente de entrada 6 enfoca a luz 53 como 53a apartir da fonte de luz 10 a fim de iluminar esse volume de amostra para o qual contribuiráuma imagem do volume de amostra no detector de partículas 5. Depois de a luz se propagaratravés do volume de amostra, a lente de saída 7 direciona a luz transmitida, e não absorvi-da ou dispersada pelas partículas em suspensão como a luz 53b, para o orifício de entrada15 da esfera de integração 11. Os revestimentos ou acabamentos sobre a superfície interna12 da esfera de integração 11 são otimizados de modo a ficarem difusamente refletivos, afim de iluminar uniformemente as superfícies internas da esfera de integração com a luztransmitida. Desta maneira, o detector de transmissão 17 irá medir a mesma intensidade deluz, independentemente do ângulo exato ou da distribuição de luz dentro do feixe de trans-missão da fonte de luz 10 ao longo do eixo geométrico óptico de iluminação AA. O orifício desaída 16 da esfera de integração 11 está posicionado substancialmente a 90 graus para oorifício de entrada da esfera de integração 11. De forma a impedir a iluminação direta dodetector de transmissão 17 e, deste modo reduzir as sensibilidades à incidência e posiçãode feixe, as linhas de visão do detector 54 e 54a do detector de transmissão 17 não incluemo orifício de entrada 15 ou a energia de transmissão incidente sobre a superfície interna 12da esfera de integração 11. Os sinais gerados a partir do detector de transmissão 17 e dodetector de partículas 5 podem ser utilizados para determinar a razão de luz transmitida pa-ra a luz dispersada ou para medir a absorção ou a fluorescência de partículas. Outra vanta-gem do uso novo de uma esfera de integração para a medida de luz transmitida em um ne-felômetro é devida à redistribuição da luz por toda a superfície interna 12 da esfera de inte-gração 11, resultando em uma diminuição da intensidade de superfície no detector detransmissão 17, eliminando, assim, a necessidade de armadilhas de luz ou filtros de densi-dade neutra para reduzir o valor máximo de luz incidente que reflete sobre o detector detransmissão 17.
A qualidade única da presente invenção é a capacidade de digitalizar um objeto oumáscara posicionada ao longo do eixo geométrico óptico BB em um diafragma de campo 9,sobre ou próximo da superfície da lente menisco 1. Tal como demonstrado na Figura 7A,uma máscara anular 9a posicionada no local do diafragma de campo 9, é utilizada para dis-criminar por meio de uma propagação permissível apenas os raios que são refletidos oudispersados a partir do plano de objeto 49 em um ângulo elevado com relação ao eixo geo-métrico óptico ângulo BB. As máscaras anulares 9b e 9c usadas em vez do diafragma decampo 9 são utilizadas para alterar o ângulo de propagação permissível de dispersão e aomesmo tempo manter um etendue de sistema óptico constante. O etendue é usado paraespecificar a capacidade geométrica de um sistema óptico de transmitir radiação, o sua pro-dução. O valor numérico do etendue, geralmente, é uma constante do sistema e é calculadocomo o produto do tamanho de abertura e do ângulo sólido do qual o sistema aceita luz. Oetendue podem também ser conhecido como a capacidade de coletar ou juntar a luz de umsistema óptico. Um diafragma de íris, como mostrado na Figura 7b, substituído pelo dia-fragma de campo fixo 9 da Figura 7, pode ser ajustado de modo a alterar a quantidade deluz que incide sobre o detector de partículas 5 e também o ângulo de dispersão total incluídoa partir do plano de objeto 49. A luz dispersada a partir de uma partícula para o feixe de ilu-minação incidente é referido como "retro dispersão" ("back scatter"), em termos nefelométri-cos. Inversamente, a luz dispersada para fora da fonte de iluminação é designada como"dispersão para frente" ("forward scatter"). A luz dispersada a partir de uma partícula nem dadireção da, nem para fora da fonte de luz incidente é referida como "dispersão lateral" ("sidescatter"), em termos nefelométricos. As aberturas ou máscaras nas formas como mostradasna Figura 7c à Figura 7g permitem a medição da quantidade, por tipo de dispersão, de luzdispersada a partir de uma partícula. Isso é útil, de modo a poder medir diferentes concen-trações de partículas, uma vez que diferentes tipos de dispersão são mais úteis com relaçãoà linearidade ou sensibilidade em função da concentração de partículas no meio de suspen-são. Um desvio da máscara circular do eixo geométrico óptico BB colocado na posição dodiafragma de campo 9 da Figura 7, como na Figura 7c, gira excêntrico ao eixo geométricoóptico BB como 9a, 9b, e 9c, de modo a manter constante o etendue do sistema óptico coma seleção preferencial do ângulo de dispersão sobre o eixo geométrico óptico BB como umaseção cônica. Duas máscaras semicirculares giradas independentemente sobre o eixo geo-métrico óptico BB laminado em estrita proximidade uma à outra na posição do diafragma decampo 9 da Figura 7 são mostradas como 9a, 9b, 9c, e 9d na Figura 7D. A rotação dasmáscaras independentemente cria uma abertura de setor através da qual uma porção de luzdispersada sobre o eixo geométrico óptico BB consegue passar pelo sistema óptico para odetector de partículas 5, no sentido selecionado da dispersão. Uma máscara na forma deum obturador é usada de modo a selecionar uma porção angular da luz dispersada ou emi-tida a partir do plano de objeto 49, como mostrado na Figura 7E. Um obturador desliza portoda a face da abertura 9 da Figura 7 de modo a preferencialmente transmitir ou bloquear apropagação de raios para o detector de partículas 5 dependente do ângulo de dispersão dasemissões do plano de objeto 49. O obturador na posição 9a da Figura 7E transmite a luzque é dispersa para frente a partir do plano de objeto 49. Dois obturadores independente-mente ajustáveis ortogonais entre si, laminados em estrita proximidade na posição do dia-fragma de campo 9 da Figura 7 são mostrados na Figura 7F. A abertura, um setor, formadapelos dois obturadores pode transladar para fora do eixo geométrico óptico BB ao contráriodo setor formado pelas máscaras semicirculares da Figura 7d. Uma máscara pixelada emposição do diafragma de campo 9, controlada por meio de uma polarização seletiva da luzdispersa que passa por um filme polarizante ou por cristais de líquido eletricamente polari-zados como em um LCD (Vídeo de Cristal Líquido) (Liquid Crystal Display) de transmissão,é utilizada para impedir, por meio de uma polarização transversal, que a luz se propagueatravés do dito LCD ao longo do eixo geométrico óptico BB. Uma máscara pixelada pode sersubstituída por qualquer uma das ou todas as formas de aberturas descritas anteriormente,sem preferência. A escolha da máscara efetivamente seleciona os ângulos de reflexão queo detector 5 eventualmente processará. Como alternativa, somente quando o ângulo e ou aintensidade da luz emitida ou dispersada é medida a partir do plano de objeto 49 e nenhumaimagem precisa ser formada das partículas de dispersão, como no caso da presença departículas ou fluorescência, um arranjo de imagem, como, por exemplo, um sensor de planode imagem CCD ou CMOS é posicionado em substituição ao diafragma de campo 9, comomostrado na Figura 7G. A luz que incide sobre os pixéis do sensor de plano de imagem é,desta maneira, discriminada pelo ângulo de dispersão ou emissão, uma vez que uma ima-gem do pixel é formada na superfície da lente menisco 1 como a imagem de diafragma decampo 9'. Usando um perfil óptico tendo múltiplas trajetórias de detecção, como mostradona Figura 6, múltiplas máscaras podem ser utilizadas com diferentes áreas de máscara, detal forma que diferentes medições do ângulo de dispersão para as partículas possam serfeitas simultaneamente.
A Figura 8 é um diagrama em bloco do perfil óptico da área de visão do meio desuspensão em uma modalidade exemplar da presente invenção. A luz de fonte de luz 10 sepropaga como o raio marginal 53 para a lente de entrada 6 de modo a formar um cáusticode iluminação ou imagem focada da fonte no plano de objeto 49. A luz não dispersada ouabsorvida continua ao longo da trajetória óptica AA para a lente de saída 7 sobre a qual aluz não absorvida ou não dispersada pela matéria particulada é retransmitida para a superfí-cie interna 12 da esfera de integração 11 através do orifício de entrada 15. De maneira al-ternativa, as lentes 6 e 7 não necessitam ter potência óptica no caso em que a luz que éemitida para o meio de suspensão é colimada ou focada e o ângulo subentendido para aesfera de integração é pequeno. As lentes 6 e 7 podem ser completamente removidas, emcujo caso o meio de suspensão não precisará ser isolado dos elementos externos do dispo-sitivo, por exemplo, quando as partículas estão suspensas no ar ou em algum outro gás ouvapor.
Em uma modalidade exemplar da presente invenção, uma pluralidade de trajetóriasde iluminação pode ser utilizada. A Figura 9 é um diagrama em bloco de um sistema de me-dição de particulados que utiliza uma pluralidade de trajetórias de fonte de luz em uma mo-dalidade exemplar da presente invenção. A Figura 9 tem as fontes de luz 10, 10a e 10b queprojetam iluminação ao longo do eixo geométrico óptico 52, 52a, e 52b. Em uma modalidadeexemplar da presente invenção, as fontes de luz 10, 10a e 10B não precisam ter a mesmaemissão espectral ou podem ter comprimentos de onda de emissão selecionados de emis-são por meio da introdução de material de filtro óptico ao longo do eixo geométrico óptico52, 52a, ou 52b, ou por meio da seleção judicial de materiais ópticos ou revestimentos utili-zados para as lentes 6, 6a, 6b, ou para as lentes 7, 7a, e 7b.
Outro aspecto da presente invenção é a capacidade de introduzir luz nas trajetóriasde detecção de uma quantidade ou percentual conhecido de modo a facilitar a calibração ouverificação da prontidão operacional do dispositivo, sem interrupção do fluxo ou corrente departículas. Uma calibração ou verificação não interrompida é obtida por meio da introduçãode luz dentro do campo de visão dos elementos ópticos de detecção ao longo do eixo geo-métrico óptico BB no plano de imagem do diafragma de campo 9', em sinônimo com a su-perfície da lente menisco 1, conforme mostrado na Figura 10. Uma guia de onda anular 60,de plástico transparente, vidro, ou outros materiais adequados, transporta luz a partir dasegunda fonte de luz 56 ao longo do eixo geométrico óptico 59 entre as duas superfícies deface por meio de uma Reflexão Interna Total (TIR) a partir da borda externa da guia de ondaanular 60 para a borda interna da guia de onda anular 60. A borda interna da guia de ondaanular 60 pode ser preferencialmente moída, gravada, ou revestida de modo a dispersar luzao longo do eixo geométrico óptico BB como uma forma de anel de raios marginais a fim deformar uma imagem de guia de onda anular 60 no diafragma de campo 9 e, em seguida,incidir igualmente sobre o detector de partículas 5, uma vez que o detector de partículas seencontra no conjugado infinito da lente 4. Ao se permitir seletivamente que a segunda fontede luz 56 emita luz a uma intensidade desconhecida, por meio da provisão de um meio elé-trico ou mecânico, a luz é introduzida ao longo do eixo geométrico óptico BB em adição à luzdispersada ou emitida a partir das partículas estimuladas pela fonte de luz 10. Uma vez quea luz é introduzida pela fonte de luz 10, a mesma deverá passar pelo meio de suspensão eserá afetada pela concentração de partículas no meio de suspensão por meio de absorção,dispersão, ou emissão de luz da mesma maneira que a luz transmitida a partir da fonte deluz 10 para o detector de transmissão 17. A razão da quantidade de luz transmitida para odetector 17 a partir da fonte de luz 10 para a quantidade de luz transmitida a partir da se-gunda fonte de luz 56 para o detector de partículas 5 é constante, desde que a fonte de luz10 e a segunda fonte de luz 56 emitam a uma intensidade constante e que todas as superfí-cies ópticas se degradem de maneira parecida. Uma condição anormal existe como resulta-do de a razão do valor estabelecido estar em desvio por mais de uma quantidade prescritade modo a garantir uma ação tanto para a correção da condição anormal como para com-pensar a razão de modo a restaurar a razão para o valor estabelecido.
Uma vez que as lentes 3 e 4 retransmitem uma imagem de dentro das lentes decampo 2, é igualmente possível se utilizar esta disposição para optar por um material ouconstrução para a lente de campo 2 que parcialmente se dispersa em função de um campoelétrico aplicado ou outro estímulo faz com que a lente de campo 2 mude as característicasópticas para a objetiva no sentido de redirecionar a luz emitida para a borda da lente decampo 2 por meio de dispersão ou emitir a luz dentro da lente de campo 2 ao longo do eixogeométrico óptico BB e, desta maneira, incidir sobre o detector de partículas 5. Esta disposi-ção tem a vantagem de a luz dispersada ou emitida ser desimpedida e não transmitida atra-vés do meio de suspensão e de não ser afetada por filmes biológicos ou deposições de ma-teriais que entram em contato com o meio de suspensão, e, deste modo, resultando em umafonte de calibração ou verificação mais estável e reproduzível.
De maneira alternativa, a luz pode ser introduzida ao longo de um eixo geométricoóptico BB através de uma porção ou abertura não revestida central 38 no revestimento ópti-co da superfície convexa da lente menisco 1, conforme mostrado na Figura 11. Uma ima-gem da segunda fonte de luz 56 é colocada de modo a focar a superfície côncava da lentemenisco 1 em sinônimo com a imagem 91 do diafragma de campo 9, por meio da lente 57através da abertura central não revestida 58 na lente menisco 1. O esquema alternativo paraa introdução de luz a partir de uma segunda fonte de luz difere do método previamente des-crito na Figura 10, uma vez que nenhum radiador físico se encontra presente na superfíciecôncava da lente menisco 1, mas sim uma imagem da segunda fonte de luz 56, e que a luzé constituída de raios principais e não de raios marginais. A luz que incide sobre o detectorde partículas 5 é, no entanto, indistinguível em resultado entre o método de introdução deluz da Figura 10 e da Figura 11, uma vez que ambas efetivamente emitem luz no plano deimagem 9' do diafragma de campo 9 dentro do campo de visão dos elementos ópticos dedetecção ao longo do eixo geométrico óptico BB.
Um outro meio de se introduzir luz ao longo do eixo geométrico óptico BB para finsde calibração ou verificação da prontidão operacional é apresentado à presente invençãosem a necessidade de uma segunda fonte de luz é mostrado na Figura 12. A luz da fonte deluz 10 é emitida ao longo do eixo geométrico óptico BB através da lente de entrada 6 e dalente de saída 7 através da abertura de entrada 15 do hemisfério de integração 13 de modoa incidir sobre a superfície interna 12 da esfera de integração 11. A luz é refletida de manei-ra difusa por meio das múltiplas incidências entre a superfície interna 12 da esfera de inte-gração de modo a emergir ao longo do eixo geométrico óptico 55 na abertura de saída 16 daesfera de integração 11. A superfície óptica 62, por exemplo, selecionável por meio de rota-ção sobre o eixo geométrico de rotação 63, com pelo menos uma superfície de transmissãoou abertura 64 e pelo menos uma área de reflexão 62, é posicionada além da abertura desaída 16 do hemisfério de integração 13 de modo a refletir luz substancialmente a 90 grausao eixo geométrico óptico 55 ao longo do eixo geométrico óptico 68 ou transmitir luz ao lon-go do eixo geométrico óptico 55 dependendo do alinhamento da abertura 64 ou da área dereflexão 62 ao eixo geométrico óptico 55. O posicionamento da superfície de reflexão 62 aolongo do eixo geométrico óptico 55 reflete a luz que emerge da abertura de saída 16 de mo-do a incidir sobre o detector de transmissão 17 posicionado ao longo do eixo geométricoóptico 68, garantindo, assim, uma medida da luz transmitida a partir da fonte de luz 10. Oposicionamento da abertura 64 ao longo do eixo geométrico óptico 55 permite a transmissãoda luz ao longo do eixo geométrico óptico BB através da abertura central 58 da lente menis-co 1 por meio da retransmissão da luz emitida a partir da abertura de saída 16 através dodiafragma de campo 65, da lente 66, da fibra ótica 67, ou da lente 57. Uma imagem do fimda fibra ótica é formada na superfície côncava da lente menisco 1 através da abertura cen-tral 58, sinônima à imagem 9' do diafragma de campo 9, de modo a incidir sobre o detectorde partículas 5 em proporção à luz detectada pelo detector de transmissão 17 por meio dalente de campo 2, da lente 3, do diafragma de campo 9, ou da lente 4.
Claims (6)
1. Sistema de medição, CARACTERIZADO pelo fato de que compreender:- uma fonte de luz (10) direcionada ao longo de um primeiro eixo geométrico e con-figurado para iluminar um volume de amostra (8);- um primeiro sensor (5) alinhado ao longo de um segundo eixo geométrico e confi-gurado para detectar a luz dispersa no volume de amostra (8); e- um segundo sensor (17) configurado para detectar a quantidade de luz, a partir dafonte de luz (10), que passa pelo volume de amostra (8).
2. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de compreender ainda:- um processador acoplado ao primeiro sensor (5) e ao segundo sensor (17) e con-figurado para comparar a quantidade total de luz detectada pelo primeiro sensor (5) com aquantidade total de luz detectada pelo segundo sensor (17).
3. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de compreender ainda:- um processador acoplado ao primeiro sensor (5) e ao segundo sensor (17) e con-figurado para computar tanto a turbidez de um meio de suspensão no volume de amostras(8) como também o número de partículas detectadas no volume de amostra (8).
4. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de compreender ainda:- uma esfera de integração (11) tendo um orifício de entrada (15) e um orifício desaída (16), em que o orifício de entrada (15) fica alinhado com o primeiro eixo geométrico eo segundo sensor (17) fica alinhado com o orifício de saída (16).
5. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelofato de que o orifício de entrada (15) fica substancialmente alinhado 90 graus com relaçãoao orifício de saída (16).
6. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que o primeiro eixo geométrico fica alinhado substancialmente 90 graus com relaçãoao segundo eixo geométrico.
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