BRPI0708821A2 - sistema de mediÇço de autocalibraÇço - Google Patents
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Abstract
SISTEMA DE MEDIÇçO DE AUTOCALIBRAÇçO. É revelado um sistema de medição de autocalibração. O sistema de medição compreende uma primeira fonte de luz (10) dirigida ao longo de um primeiro eixo e configurada para iluminar um volume de amostra (8). O sistema de medição tem um sensor (5) alinhado ao longo de um segundo eixo e é configurado para detectar a luz dispersa no volume de amostra (8). O sistema de medição tem uma segunda fonte de luz (67) alinhada ao longo do segundo eixo que é configurada para iluminar o sensor (5) durante um procedimento de calibração.
Description
"SISTEMA DE MEDIÇÃO DE AUTOCALIBRAÇÃO"
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
De interesse para o especialista de processo, engenheiro, cientista, e outros, é aqualidade ou pureza do produto (meio capaz de suspensão de partículas) sendo fabricadoseja ele um líquido, gás, produto farmacêutico, ou semelhante. Uma medida da qualidade doproduto é um ensaio de matéria particulada ou concentração de matéria particulada dentrodo produto final ou produto durante vários estágios de produção de modo a garantir que amatéria particulada como um constituinte do processo, ou subproduto dele, exista em umaquantidade prescrita, ou dentro de uma tolerância adequada. Quando as partículas em sus-pensão são desconhecidas, as partículas podem diferir em composição, tamanho, e forma-to. Sabe-se que a matéria interage com a luz de diversas formas, como exemplo, por inter-médio de absorção, reflexão ou dispersão, e fluorescência para citar alguns. Vários meiosóticos foram concebidos para medir a matéria particulada dentro de uma suspensão tal co-mo turbidímetro ou nefelômetro, contador de partículas, e densitômetro, porém todos utili-zam fundamentalmente configurações óticas diferentes cada uma delas projetada para me-dir um atributo específico ou faixa de concentração das partículas suspensas por intermédiode transmitância, reflexão ou remessa de luz.
Outra limitação na configuração de medição ótica é imposta por órgãos reguladoresou mediante métodos padronizados, por exemplo, o Método 180.1 EPA dos Estados Unidos,Método de Teste Padrão ASTM para Turbidez de Água D 1889-00, e Padrão InternacionalISO 7027 para a determinação de turbidez para o ensaio de qualidade de água. Esses mé-todos e padrões determinam a relação geométrica de emissor/detector e o ângulo sólido deótica de coleta de modo a garantir que instrumento de tarefa similar opere dentro de parâ-metros designados para fins de informe.
Outras limitações dos dispositivos para medição nefelométrica projetados para de-terminar a presença de partículas em uma suspensão é a capacidade do dispositivo em o-perar por uma ampla faixa de tamanhos de partícula e configurações sem impedimento.Contadores de partícula têm bom desempenho em baixa concentração de partículas, porémtêm tendência à obstrução quando a concentração ou o tamanho das partículas se tornamaior do que a capacidade da corrente de fluxo em passar através da restrição estreita, ori-fício, ou capilares do interruptor de medição. Dispositivos, tal como um turbidímetro, comvias de fluxo não-limitadas são insensíveis às pequenas concentrações de partículas porquea técnica de medição principal se baseia em energia de luz dispersa incidindo no meio de-tectar que é superior àquela do ruído autogerado do detectar.
Ainda outra deficiência dos dispositivos usados na medição de partículas em sus-pensão é uma ausência de meio para avaliar a prontidão operacional do instrumento semdisrupção do fluxo de partículas pela introdução de dispositivo de calibração ou padrão decalibração, exigindo interação entre o operador ou técnico especializado e o dispositivo ne-felométrico.
A invenção revelada elimina a necessidade de múltiplos dispositivos de mediçãonefelométrica e também dispositivos de verificação de sistema para realizar ensaio da pre-sença ou ausência ou número de partículas suspensas em um meio assim como a verifica-ção da capacidade do sistema em medir em conformidade com os atributos de desempenhoexigidos.
ASPECTOS
Um aspecto da invenção inclui um sistema de medição compreendendo:
uma primeira fonte de luz orientada ao longo de um primeiro eixo e configurada pa-ra iluminar um volume de amostra;
um sensor alinhado ao longo de um segundo eixo e configurado para detectar a luzdispersa no volume de amostra;
uma segunda fonte de luz alinhada ao longo do segundo eixo e configurada para i-luminar o sensor, onde a segunda fonte de luz ilumina apenas o sensor durante um proce-dimento de calibração.
Preferivelmente, a segunda fonte de luz é uma imagem da primeira fonte de luz eum obturador é usado para ligar a segunda fonte de luz durante o procedimento de calibração.
Preferivelmente, a segunda fonte de luz é aneliforme.
Preferivelmente, uma lente de campo localizada no segundo eixo e configurada pa-ra dispersar uniformemente a luz a partir da segunda fonte de luz através do primeiro sensor.
Preferivelmente, uma lente de reflexão alinhada ao longo do segundo eixo onde alente de reflexão tem um primeiro foco sobre o segundo eixo e um segundo foco sobre osegundo eixo onde o segundo foco está entre o primeiro foco e a lente de reflexão e onde osegundo foco está posicionado no volume de amostra;
uma lente de campo localizada no segundo eixo e posicionada de tal modo que osegundo foco da lente de reflexão ocorre dentro da lente de campo;
um sistema de lente de retransmissão alinhado para o segundo eixo onde o sistemade lente de retransmissão forma um primeiro foco no segundo foco da lente de reflexão eum segundo foco no primeiro sensor e onde o primeiro sensor é configurado para detectar aluz dispersa próximo ao segundo foco da lente de reflexão.
Preferivelmente, a segunda fonte de luz é aneliforme localizada em um diâmetro ex-terno da lente de reflexão.
Preferivelmente, uma seção central da lente de reflexão é não-revestida e a segun-da fonte de luz projeta luz através da seção central da lente de reflexão.Preferivelmente, o segundo eixo é perpendicular ao primeiro eixo.
Outro aspecto da invenção compreende um método de calibrar um sistema de me-dição, compreendendo:
iluminar um volume de amostra ao longo de um primeiro eixo com uma primeirafonte de luz;
detectar a luz dispersa no volume de amostra com um sensor alinhado ao longo dosegundo eixo;
iluminar o sensor com uma segunda fonte de luz alinhada ao longo do segundo eixoquando o sistema de medição está em um modo de calibração.
Preferivelmente, o método compreende ainda a segunda fonte de luz sendo umaimagem da primeira fonte de luz e um obturador colocado entre a segunda fonte de luz e oprimeiro sensor é usado para ligar a segunda fonte de luz durante o procedimento de cali-bração.
Preferivelmente, o método compreende ainda a segunda fonte de luz sendo aneli-forme.
Preferivelmente, o método compreende ainda:
localizar uma lente de campo no segundo eixo onde a lente de campo dispersa uni-formemente a luz a partir da segunda fonte de luz através do primeiro sensor.
Preferivelmente, o método compreende ainda:
alinhar uma lente de reflexão ao longo do segundo eixo onde a lente de reflexãotem um primeiro foco sobre o segundo eixo e um segundo foco sobre o segundo eixo onde osegundo foco está entre o primeiro foco e a lente de reflexão e onde o segundo foco estáposicionado no volume de amostra;
localizar uma lente de campo no segundo eixo e posicionado de tal modo que o se-gundo foco da lente de reflexão ocorre dentro da lente de campo;
alinhar um sistema de lente de retransmissão para um segundo eixo onde o siste-ma de lente de retransmissão forma um primeiro foco no segundo foco da lente de reflexãoe um segundo foco no primeiro sensor e onde o primeiro sensor é configurado para detectara luz dispersa próxima ao segundo foco da lente de reflexão.
Preferivelmente, o método compreende ainda uma segunda fonte de luz sendo ane-liforme localizada em um diâmetro externo a lente de reflexão.
Preferivelmente, o método compreende ainda uma seção central da lente de refle-xão sendo não-revestida e a segunda fonte de luz projeta luz através da seção central dalente de reflexão.
DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS
A Figura 1 é uma vista secional do leiaute ótico de um sistema de medição de ma-téria particulada em uma modalidade exemplar da invenção.A Figura 2 é uma primeira vista lateral do sistema de medição de matéria particula-da em uma modalidade exemplar da invenção.
A Figura 3 é uma segunda vista lateral, com a lente côncavo-convexa removida, deum sistema de medição de matéria particulada em uma modalidade exemplar da invenção.
A Figura 4 é uma vista secional da via de fluxo de um sistema de medição de maté-ria particulada em uma modalidade exemplar da invenção.
A Figura 5 é um diagrama de blocos do Ieiaute ótico da via de detecção em umamodalidade exemplar da invenção.
A Figura 6 é um diagrama de blocos do Ieiaute ótico quando utilizando mais do queuma via de detecção em uma modalidade exemplar da invenção.
A Figura 7 é um diagrama de blocos do Ieiaute ótico da via de fonte de luz em umamodalidade exemplar da invenção.
As Figuras 7a a 7g são diagramas de blocos de vários arranjos e construções deuma máscara de abertura usada para discriminar o ângulo de dispersão a partir das partícu-las em suspensão em uma modalidade exemplar da invenção.
A Figura 8 é um diagrama de blocos do Ieiaute ótico da área de visualização domeio de suspensão em uma modalidade exemplar da invenção.
A Figura 9 é um diagrama de blocos de um sistema de medição de matéria particu-lada utilizando uma pluralidade de vias de fonte de luz em uma modalidade exemplar dainvenção.
A Figura 10 é um diagrama de blocos do Ieiaute ótico de um sistema de medição dematéria particulada com uma fonte virtual anular e segunda fonte de luz em uma modalidadeexemplar da invenção.
A Figura 11 é um diagrama de blocos do Ieiaute ótico de um sistema de medição dematéria particulada com uma área não-revestida da superfície de lente convexa e uma se-gunda fonte de luz em uma modalidade exemplar da invenção.
A Figura 12 é um diagrama de blocos do detalhe ótico de um meio de calibração everificação, em sua posição original, utilizando luz a partir da fonte de luz primária e meio decomutação ótica para desviar uma porção da fonte primária para o meio de calibração e ve-rificação em uma modalidade exemplar da invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA
As Figuras 1-12 e a descrição a seguir exibem exemplos específicos para ensinaraqueles versados na técnica como realizar e usar o melhor modo da invenção. Com o pro-pósito de ensinar os princípios inventivos, alguns aspectos convencionais foram simplifica-dos ou omitidos. Aqueles versados na técnica considerarão variações a partir desses exem-plos que são abrangidos pelo escopo da invenção. Aqueles versados na técnica considera-rão que as características descritas abaixo podem ser combinadas de diversos modos paraformar múltiplas variações da invenção. Como resultado, a invenção não é limitada aos e-xemplos específicos descritos abaixo, mas apenas pelas reivindicações e seus equivalentes.
A Figura 1 é uma vista secional do Ieiaute ótico de um sistema de medição de ma-téria particulada em uma modalidade exemplar da invenção. Sistemas de medição de maté- ria particulada compreendem: fonte de luz 10, suporte de flexão 27, lente côncavo-convexa1, lente de entrada 6, lente de saída 7, lente de campo 2, corpo de dispositivo 19, esfera deintegração 11, detector de transmissão 17, lente 3, máscara de abertura 9, lente 4, e detec-tor de partículas 5. A fonte de luz 10 é montada no suporte de flexão 27 e projeta uma luz aolongo do primeiro eixo ótico AA. O suporte de flexão 27 é usado para ajustar ou alinhar arelação angular entre a fonte de luz 10 e o corpo de dispositivo 19. Uma cavidade 8 é for-mada pela lente côncavo-convexa 1, lente de entrada 6, lente de saída 7, lente de campo 2,e corpo de dispositivo 19. Os meios a serem testados fluem através da cavidade 8 ao longode um eixo perpendicular ao plano do papel. Gaxetas, ou dispositivos de vedação, por e-xemplo, anéis-O, podem ser usados entre a lente e o corpo de dispositivo para ajudar a for-mar uma vedação hermética ao fluido em torno da cavidade 8. A lente de saída 7 é montadano corpo de dispositivo 19 e alinhada com o primeiro eixo ótico AA. A esfera de integração11 é montada no corpo de dispositivo 19, próxima à lente de saída 7. A esfera de integração11 tem um orifício de entrada 15 alinhado com o primeiro eixo ótico AA. O detector detransmissão 17 é montado substancialmente em 90 graus em relação ao orifício de entrada15 em um orifício de saída 16 da esfera de integração 11. Lente côncavo-convexa 1, lentede campo 2, lente 3, máscara de abertura 9, e lente 4 são alinhadas ao longo de um segun-do eixo ótico BB. O detector de partícula 5 é montado no corpo de dispositivo e alinhadocom o segundo eixo ótico BB. A superfície interna 12 da esfera de integração 11 pode serrevestida preferencialmente para alterar a refletividade ou melhorar a estabilidade, durabili-dade, ou sustentabilidade da superfície refletiva.
A Figura 2 é uma primeira vista lateral do sistema de medição de matéria particula-da em uma modalidade exemplar da invenção. A fonte de luz 10 pode ser aquela de umlaser, LED, (Diodo de Emissão de Luz), lâmpada incandescente, ou lâmpada de descarga,ou qualquer outra fonte de irradiação coerente, ou não coerente, capaz de estimular o detec-tor a produzir informação útil. A entrada 41, e saída 44, de um fluxo através do dispositivonefelométrico são realizadas pelo tubo de entrada 40 e tubo de saída 43 facilitado pela co-nexão 39 e 42 fixado ao corpo de dispositivo 19. Uma vista em seção do prendedor 33 naFigura 2 mostra o meio através do qual o parafuso 36 aplica força ao prendedor 33 paracomprimir a luva de detector 32 para prender o suporte de detector 34 em uma posição fixa.
A Figura 3 é uma segunda vista lateral, com a lente côncavo-convexa removida, deum sistema de medição de matéria particulada em uma modalidade exemplar da invenção.
A Figura 4 é uma vista secional da via de fluxo de um sistema de medição de maté-ria particulada em uma modalidade exemplar da invenção. O sistema de medição de matériaparticulada compreende: lente côncavo-convexa 1, lente de saída 7, lente de campo 2, cor-po de dispositivo 19, lente 3, máscara de abertura 9, lente 4, detector de partícula 5, tubo deentrada 40 e tubo de saída 43. A entrada 41 e saída 44 de um fluxo através do dispositivonefelométrico são realizadas pelo tubo de entrada 40 e tubo de saída 43 facilitado pela co-nexão 39 e 42 fixado ao corpo de dispositivo 19. Vedações de anel-O 45 e 46 vedam a tu-bagem 43 e 40 ao corpo de dispositivo 19. O primeiro eixo ótico AA forma uma linha per-pendicular ao papel e é centrado na lente de saída 7.
A Figura 5 é um diagrama de blocos do Ieiaute ótico da via de detecção em umamodalidade exemplar da invenção. A Figura 5 mostra a luz dispersa na direção da lentecôncavo-convexa 1 por intermédio de partículas no meio de suspensão 40 no plano de obje-to 49. A lente côncavo-convexa 1, lente de campo 2, e lentes 3 e 4 ao longo do eixo ótico BBformam uma imagem vertical no plano de imagem 49" da partícula localizada no plano deobjeto 49. Uma imagem intermediária das partículas é formada pela lente côncavo-convexa1 ao lóngo do eixo ótico BB no plano de imagem 49', dentro da lente de campo 2. Medianteformação da imagem intermediária dentro da lente de campo 2 apenas aquela luz que érefletida, dispersa ou emitida a partir das partículas em direção à lente côncavo-convexa 1 étrazida para foco no plano de imagem 49". Como resultado, nenhuma imagem das partícu-las em suspensão é formada como resultado direto das lentes 3 e 4, mas apenas como re-sultado da luz incidindo sobre a lente côncavo-convexa 1.
Em uma modalidade exemplar da invenção, a lente côncavo-convexa 1 é uma lentede emersão do material refratário maior do que o índice refrativo do meio de suspensão. Alente côncavo-convexa 1 tem uma primeira superfície refratária côncava em contato com omeio de suspensão, e uma segunda superfície refletora convexa. A primeira e a segundasuperfície não precisam ser concêntricas e nenhuma das superfícies precisa ser concêntricacom o plano de objeto 49. Em uma modalidade exemplar da invenção a primeira superfícierefratária da lente côncavo-convexa 1 pode ser inerte para o meio de suspensão. Como asegunda superfície refletora da lente côncavo-convexa 1 é protegida pela primeira superfícierefratária, a lente côncavo-convexa 1 pode ser limpa sem perigo de danificar a superfícierefletora mais delicada. A primeira superfície refratária permite um grau adicional de liberda-de na correção das aberrações óticas que de outro modo podem degradar a qualidade daimagem nos planos de imagem 49' e 49" sem necessidade de superfícies asféricas paravantagem de custo de produção inferior. Como a potência ótica principal da lente côncavo-convexa é provida pela superfície refletora, problemas com dispersão por uma ampla faixade comprimentos de onda de teste podem ser minimizados. O raio marginal 50 a partir doplano de objeto 49 é refratado pela superfície côncava da lente côncavo-convexa 1, e sepropaga como raio 50a para a superfície convexa refletiva da lente côncavo-convexa 1. Apartir da reflexão sobre a superfície convexa revestida da lente o raio refletido 50b é outravez refratado pela superfície côncava da lente côncavo-convexa 1 e sai da lente como raiorefratado 50c. Como o plano de objeto 49, e o plano de imagem intermediária 49', dentro dalente de campo 2, são deslocados ao longo do eixo ótico BB, ocorre pouca refração emqualquer lado da lente de campo 2 uma vez que o índice de refração entre o meio de sus-pensão 47 e o índice de refração da lente de campo 2 são similares e a imagem intermediá-ria 49' é concêntrica, ou quase concêntrica, em relação à superfície convexa da lente decampo 2. A lente côncavo-convexa 1 provê uma grande abertura numérica que captura umagrande porção da luz dispersa a partir de uma partícula no meio de suspensão 47. Em umamodalidade exemplar da invenção, mais de 1/7 da luz dispersa total pode ser utilizado paraincidência no detector de partículas 5 no plano de imagem 49". O raio marginal 50c é refra-tado pela lente 3, como raio marginal 50d, e emerge a partir da lente 3 como raio marginal50e. O detentor de campo 9 define a amplitude na qual os raios marginais dispersos a partirda partícula no meio de suspensão 47 se propagarão através do sistema ótico. Uma ima-gem do detentor de campo 9 é formada na superfície ou próximo à superfície da lente côn-cavo-convexa 1 como imagem de detentor de campo 9'. O raio marginal 50e se propagapara a lente 4 e é refratado como raio marginal 50f, emergindo a partir da lente 4 como raiomarginal 50g onde uma imagem vertical da partícula é formada a partir da luz dispersa apartir do plano de objeto 49 no plano de imagem 49". O raio principal 51 segue um percursosimilar através do sistema ótico passando através do centro do detentor de campo 9 e tam-bém através do centro da imagem 9' do detentor de campo formado na superfície da lentecôncavo-convexa 1. O detentor de campo 9 é posicionado a partir da lente 4 de tal modoque o detector de partícula 5 está no conjugado infinito do detentor de campo 9. Desse mo-do, qualquer porção da imagem formada no detentor de campo 9 incide igualmente na su-perfície do detector de partícula 5.
O detector 5 pode ser aquele de um fotodiodo, Tubo Foto-Multiplicador (PTM), Dis-positivo Carregado Acoplado (CCD) ou Sensor de Imagem de Semicondutor de Óxido deMetal Complementar (CMOS), ou qualquer outro meio para converter luz ou irradiação nosvalores quantificáveis da corrente ou potencial elétrico. Em uma modalidade exemplar dainvenção, detectores de arranjo de área tal como sensores de imagem CMOS ou CCD po-dem ser usados para medir mediante posição espacial e área incrementai a intensidade daimagem formada no sensor de imagem. Utilizando essa informação, o dispositivo pode me-dir o tamanho, formato, distribuição, ocorrência e velocidade das partículas em suspensãono plano de objeto 49. A ampliação do objeto para imagem ao longo do eixo ótico BB é se-lecionada para prover resolução adequada para as medições de interesse e define a áreamáxima que pode ser medida na suspensão. Se o tamanho do sensor de imagem for 6,5 χ4,8 mm e a ampliação do sistema ótico for de 2x, então a área máxima que pode ser medidana suspensão é 3,2 χ 2,4 mm. Para um determinado sensor de imagem um número fixo delocais fotossensíveis está presente, como pixels de 640 χ 480, como exemplo, portanto, ca-da pixel é de 10 μm e representa uma resolução de objeto de 5 μm por pixel em suspensão.Se as partículas a serem medidas são de pelo menos duas a três vezes maiores do que aresolução do sistema, então a medição razoável do tamanho e formato do objeto pode serdeterminada. A profundidade da imagem, ao longo do eixo ótico BB, é um resultado do diâ-metro ou largura do feixe de iluminação ao longo do eixo ótico BB, ou a profundidade docampo do sistema ótico de geração de imagem. Um volume de medição definido pode serdeterminado utilizando-se a largura da iluminação, ao longo do eixo ótico BB, a profundida-de do campo do sistema ótico de geração de imagem, a ampliação do sistema ótico, e otamanho do detector de partícula. Uma contagem das partículas iluminadas ou partículasfluorescentes dentro do volume de medição definido pode ser informada como contagem pormilímetro cúbico. Se o sensor de imagem for de um tipo de integração, como o caso para ossensores de imagem CMOS e CCD, o tempo de integração - o tempo destinado para cargase acumular na área fotossensível do dispositivo, pode ser usado para determinar a taxa defluxo dais partículas em suspensão por intermédio da medição do número de pixels ultrapas-sados durante o período de integração. A imagem resultante é algumas vezes referida comouma "listra", cujo comprimento e tempo de integração conhecido podem ser usados paracalcular a velocidade da partícula, portanto a taxa de fluxo do meio de suspensão. Quando aconcentração das partículas em suspensão é suficientemente alta, partículas individuais setornam indistinguíveis no sensor de imagem, mas podem ser medidas como uma concentra-ção de partículas por intermédio da carga total acumulada durante o período de integraçãoconhecido no sensor de imagem, ou produto de corrente de ampère do detector de partícula5 como aquele de um fotodiodo, que é correlacionado a Unidades Nefelométricas de Turbi-dez (NTU), Unidade Nefelométrica de Formazina (FNU), Unidades de McFarIane, ou outraunidade nefelométrica padrão de medida da turbidez ou obscuridade da suspensão calibra-da para uma concentração conhecida de padrão nefelométrico.
A invenção revelada não é limitada a uma única via de detecção. A Figura 6 é umdiagrama de blocos de um Ieiaute ótico quando se utiliza mais do que uma via de detecçãoem uma modalidade exemplar da invenção. Um segundo eixo ótico CC é introduzido subs-tancialmente em 90 graus em relação ao eixo ótico BB, ambos substancialmente a 90 grausem relação ao eixo ótico da fonte de luz. A dispersão de luz a partir da partícula no plano deobjeto 49 é coletada e transmitida ao longo do eixo ótico CC da mesma maneira como des-crito para aquela da Figura 5, utilizando em vez disso a lente côncavo-convexa 1A, lente decampo 2A, lentes 3A e 4A, para formar uma imagem vertical da partícula no detector de par-tícula 5a. As duas imagens são relacionadas, uma vez que a imagem formada no detectorde partícula 5A é o perfil de imagem da imagem formada no detector de partícula 5. Alémdisso, aos dois detectores 5 e 5A não precisam ter a mesma resposta espectral, nem existea necessidade da lente côncavo-convexa 1 e 1A ter a mesma refletividade espectral. Narealidade cada via ótica pode ser alterada pela adição de filtros óticos ou por intermédio derefletividade de revestimento ou mediante resposta de detector de tal modo que cada viaótica é sensível à porção diferente dos espectros de modo a detectar a absorção ou emis-são das partículas no meio de suspensão 47 no plano de objeto 49 em comprimento(s) deonda singular.
A Figura 7 é um diagrama de blocos do Ieiaute ótico da trajetória de fonte de luz emuma modalidade exemplar da invenção. É desejável impedir que a energia de irradiação dedispersão se propague ao longo do eixo ótico BB para o detector de partícula 5. Portanto, éa melhor prática não iluminar mais do que o volume de amostra do que aquele o qual podeser formado em imagem no detector de partícula 5. A lente de entrada 6 focaliza a luz 53como 53a a partir da fonte de luz 10 para iluminar aquele volume de amostra para o qualcontribuirá uma imagem do volume de amostra no detector de partícula 5. Após a luz ter sepropagado através do volume de amostra, a lente de saída 7 dirige a luz transmitida, nãoabsorvida ou dispersa pelas partículas em suspensão como luz 53b, para o orifício de entra-da 15 da esfera e integração 11. Revestimentos ou acabamento na superfície interna 12 daesfera de integração 11 são otimizados para serem refletívos de forma difusa de modo ailuminar uniformemente as superfícies internas da esfera de integração com a luz transmiti-da. Ao fazer isso o detector de transmissão 17 medirá a mesma intensidade da luz indepen-dente do ângulo exato ou distribuição de luz dentro do feixe de transmissão da fonte de luz10ao longo do eixo ótico de iluminação AA. O orifício de saída 16 na esfera de integração11 é posicionado substancialmente em 90 graus em relação ao orifício de entrada da esferade integração 11. De modo a impedir iluminação direta do detector de transmissão 17 e des-se modo reduzir as sensibilidades para incidência de feixe e posição, as linhas de visada dodetector 54 e 54a do detector de transmissão 17 não incluem orifício de entrada 15 ou aenergia de transmissão incidente na superfície interna 12 da esfera de integração 11. Ossinais gerados a partir do detector de transmissão 17 e detector de partícula 5 podem serutilizados para determinar a relação de luz transmitida para luz dispersa ou para medir aabsorção ou fluorescência das partículas. Outra vantagem do uso novel de uma esfera deintegração para a medição da luz transmitida em um nefelômetro se deve à redistribuição deluz através da superfície interna 12 da esfera de integração 11, resultando em uma diminui-ção na intensidade de superfície no detector de transmissão 17, desse modo eliminando anecessidade de captadores de luz ou filtros de densidade neutra para reduzir o valor máxi-mo para luz incidente que incide no detector de transmissão 17.
Uma qualidade singular da invenção revelada é a capacidade de gerar imagem deum objeto, ou máscara, posicionado ao longo do eixo ótico BB no detentor de campo 9, so-bre ou próximo à superfície da lente côncavo-convexa 1. Conforme mostrado na Figura 7a,uma máscara anular 9a colocada no local do detentor de campo 9, é utilizada para discrimi-nar mediante propagação permissível apenas aqueles raios que são refletidos ou dispersosa partir do plano de objeto 49 em um ângulo elevado em relação ao eixo ótico BB. Máscarasanulares 9b e 9c usadas em vez do detentor 9 são utilizadas para mudar o ângulo de propa-gação permissível de dispersão enquanto mantendo uma amplitude de sistema ótico cons-tante. Amplitude é usada para especificar a capacidade geométrica de um sistema ótico emtransmitir irradiação, sua velocidade de transmissão. O valor numérico da amplitude é tipi-camente uma constante do sistema e é calculado como o produto do tamanho de abertura eo ângulo sólido a partir do qual o sistema aceita a luz. Amplitude também pode ser conheci-da como a capacidade de coleta ou ajuntamento de luz de um sistema ótico. Um diafragmaíris, conforme mostrado na Figura 7, substituto do detentor de campo fixo 9, da Figura 7 po-de ser ajustado para alterar a quantidade de luz incidindo sobre o detector de partícula 5 etambém o ângulo incluso total de dispersão a partir do plano de objeto 49. A luz dispersa apartir de uma partícula(s) em direção ao feito incidente de iluminação é referida como "dis-persão posterior" em termos nefelométricos. Inversamente, a luz dispersa a partir da fontede iluminação é referida como "dispersão anterior". A luz dispersa a partir de uma partículanem em direção nem no sentido contrário à fonte de luz incidente é referida como "dispersãolateral" em termos nefelométricos. Aberturas ou máscaras nas formas conforme mostradonas Figuras 7c a 7g permitem a medição da quantidade, pelo tipo de dispersão, da luz dis-persa a partir de uma partícula(s). Isso é útil para que as diferentes concentrações de partí-culas possam ser medidas, uma vez que diferentes tipos de dispersão são mais úteis emrelação à linearidade ou sensibilidade dependendo da concentração da partícula(s) no meiode suspensão. Uma máscara circular deslocada a partir do eixo ótico BB colocada na posi-ção do detentor de campo 9 da Figura 7, como na Figura 7C, é girada de forma excêntrica,em relação ao eixo ótico BB, como 9a, 9b, e 9c, para manter constante a amplitude do sis-tema ótico com seleção preferencial do ângulo de dispersão em torno do eixo ótico BB comouma seção cônica. Duas máscaras semicirculares giradas independentemente em torno doeixo ótico BB laminadas próximas uma da outra na posição do detentor de campo 9 da Figu-ra 7 são mostradas como 9a, 9b, 9c e 9d na Figura 7d. A rotação das máscaras, indepen-dentemente, cria uma abertura de setor através da qual uma parte da luz dispersa em tornodo eixo ótico BB pode passar através do sistema ótico para o detector de partícula 5 na di-reção selecionada de dispersão. Uma máscara na forma de um obturador(s) é utilizada paraselecionar uma porção angular da luz dispersa ou emitida a partir do plano de objeto 49 con-forme mostrado na Figura 7e. Um obturador é deslizado através da face da abertura 9 daFigura 7 para preferencialmente transmitir ou bloquear a propagação de raios para o detec-tor de partículas 5 dependendo do ângulo de dispersão de emissão a partir do plano de ob-jeto 49. O obturador na posição 9a da Figura 7e transmite luz que é dispersa para frente apartir do plano de objeto 49. Dois obturadores independentemente ajustáveis, ortogonaisentre si, laminados em proximidade estreita na posição do detentor de campo 9, da Figura 7,são mostrados na Figura 7f. A abertura, um setor, formado por dois obturadores pode serdeslocada fora do eixo ótico BB ao contrário do setor formado pelas máscaras semicircula-res da Figura 7d. Uma máscara singular, na posição do detentor de campo 9, controlado porintermédio de polarização seletiva da luz dispersa passando através de uma película de po-larização, e cristais líquidos eletricamente polarizados como em um LCD de transmissão(display de cristal líquido), é utilizada para bloquear, por intermédio de polarização cruzada, a propagação da luz através do LCD ao longo do eixo ótico BB. Uma máscara singular podeser substituta de qualquer uma ou de todas as formas descritas de aberturas previamentedescritas sem preferência. A escolha da máscara efetivamente seleciona os ângulos de re-flexão que o detector 5 eventualmente processará. Alternativamente, quando apenas o ân-gulo e/ou a intensidade da luz dispersa ou emitida deve ser medida a partir do plano de ob-jeto 49 e nenhuma imagem precisa ser formada da partícula(s) de dispersão, como no casoda presença de partículas ou fluorescência, então um arranjo de imagem tal como sensor deplano de imagem CCD ou CMOS é colocado em substituição ao detentor de campo 9 con-forme mostrado na Figura 7g. A luz incidindo nos pixels do sensor de plano de imagem des-se modo é discriminada pelo ângulo de dispersão ou emissão uma vez que uma imagem dopixel é formada na superfície da lente côncavo-convexa 1 como imagem de detenção decampo 9'. Utilizando o Ieiaute ótico tendo múltiplas vias de detecção conforme mostrado naFigura 6, múltiplas máscaras podem ser usadas tendo diferentes áreas de mascaragem, detal modo que diferentes medições do ângulo de dispersão para as partículas podem ser fei-tas simultaneamente.
A Figura 8 é um diagrama de blocos do Ieiaute ótico da área de visualização domeio de suspensão em uma modalidade exemplar da invenção. A luz a partir da fonte de luz10 se propaga como raio marginal 53 para a lente de entrada 6 para formar um cáustico deiluminação ou imagem focalizada da fonte do plano de objeto 49. A luz não-dispersa ou ab-sorvida continua ao longo da via ótica AA para a lente de saída 7 onde a partir da luz não-absorvida não-dispersa pela matéria particulada é retransmitida para a superfície interna 12da esfera de integração 11 através do orifício de entrada 15. Alternativamente as lentes 6 e7 não precisam ter potência ótica no caso onde a luz sendo emitida para o meio de suspen-são é colimada ou focalizada e o ângulo subtendido para a esfera de integração é pequeno.As lentes 6 e 7 podem ser completamente removidas no caso em que o meio de suspensãonão precisa ser isolado dos elementos externos do dispositivo, por exemplo, quando as par-tículas são suspensas no ar ou em algum outro gás ou vapor.
Em uma modalidade exemplar da invenção, várias vias de iluminação podem serusadas. A Figura 9 é um diagrama de blocos de um sistema de medição de partículas utili-zando uma pluralidade de vias de fonte de luz em uma modalidade exemplar da invenção. AFigura 9 tem fontes de luz 10, 10A e 10B projetando iluminação ao longo do eixo ótico 52,52A, 52B. Em uma modalidade exemplar da invenção a fonte de luz 10, 10A e 10B não pre-cisa ter a mesma emissão espectral ou pode ter comprimento(s) de onda selecionado deemissão por intermédio da introdução de material de filtro ótico ao longo do eixo ótico 52,52A, 52B, ou mediante seleção justa de materiais óticos ou revestimentos usados para aslentes 6, 6A, 6B, ou lentes 7, 7A e 7B.
Outro aspecto da presente invenção é a capacidade de introduzir luz na via(s) dedetecção de uma quantidade ou percentagem conhecida de modo a facilitar a calibração ouverificação da prontidão operacional do dispositivo sem disrupção para o fluxo ou correntede partículas. Uma calibração ou verificação não-disruptiva é realizada pela introdução deluz dentro do campo de visão do meio ótico de detecção ao longo do eixo ótico BB no planode imagem do detentor de campo 9', sinônima da superfície de lente côncavo-convexa 1,conforme mostrado na Figura 10. O guia de onda anular 60, de plástico transparente, vidro,ou outros materiais adequados, transporta luz a partir da segunda fonte de luz 56 ao longodo eixo ótico 59 entre as duas superfícies por intermédio de Reflexão Interna Total (TIR), apartir da borda externa do guia de onda anular 60 para a borda interna do guia de onda anu-lar 60. A borda interna do guia de onda anular 60 pode ser preferivelmente esmerilhada,gravada, ou revestida de modo a dispersar a luz, ao longo do eixo ótico BB, como um anelde raios marginais para formar uma imagem de guia de onda anular 60 no detentor de cam-po 9 e subseqüentemente incide igualmente no detector de partícula 5 uma vez que o detec-tor de partículas está no conjugado infinito da lente 4. Permitindo seletivamente que a se-gunda fonte de luz 56 emita luz em uma intensidade conhecida, mediante provisão de meioelétrico ou mecânico, a luz é introduzida ao longo do eixo ótico BB em adição à luz dispersaou emitida a partir das partículas estimuladas pela fonte de luz 10. Como a luz introduzidapela fonte de luz 10 deve se deslocar através do meio de suspensão, a luz é afetada pelaconcentração de partículas no meio de suspensão por intermédio de absorção, dispersão, eemissão de luz da mesma maneira como a luz transmitida a partir da fonte de luz 10 para odetector de transmissão 17. A relação da quantidade de luz transmitida para o detector 17 apartir da fonte de luz 10 para a quantidade de luz transmitida a partir da segunda fonte deluz 56 para o detector de partícula 5 é constante desde que a fonte de luz 10 e a segundafonte de luz 56 emitam em uma intensidade constante e que todas as superfícies óticas se-jam degradadas de forma semelhante. Existe uma condição anormal como resultado da re-lação do valor estabelecido estar em desvio em mais do que uma quantidade prescrita demodo a garantir a ação ou para correção da condição anormal ou para compensar a relaçãode modo a restaurar a relação ao valor estabelecido.Como as lentes 3 e 4 retransmitem uma imagem a partir de dentro da lente decampo 2 também é possível utilizar esse arranjo para optar por um material ou construçãopara lentes de campo 2 que parcialmente dispersam mediante o campo elétrico aplicado ououtro estímulo que fazem com que a lente de campo 2 mude as características óticas para oobjetivo de modo a redirecionar a luz emitida para a borda da lente de campo 2 por intermé-dio de dispersão ou emitir a luz dentro da lente de campo 2 ao longo do eixo ótico BB e des-se modo incidir sobre o detector dé partícula 5. Esse arranjo tem a vantagem da luz dispersaou emitida ser livre e não transmitida através do meio de suspensão e não é afetada porpelículas ou deposições biológicas de materiais que entram em contato com o meio de sus-pensão, desse modo resultando em uma fonte de calibração ou verificação mais estável ereproduzível.
Alternativamente a luz pode ser introduzida, ao longo do eixo ótico BB, através deuma porção ou abertura central não-revestida 58 no revestimento ótico da superfície conve-xa da lente côncavo-convexa 1 conforme mostrado na Figura 11. Uma imagem da segundafonte de luz 56 é trazida para foco na superfície côncava da lente côncavo-convexa 1 sinô-nima com a imagem 9' do detentor de campo 9, pela lente 57 através da abertura centralnão-revestida 58 na lente côncavo-convexa 1. O esquema alternativo para a introdução deluz a partir de uma segunda fonte de luz difere do método previamente descrito da Figura 10uma vez que nenhum irradiador físico está presente na superfície côncava da lente cônca-vo-convexa 1, porém, em vez disso, uma imagem da segunda fonte de luz 56, e aquela daluz compreendida de raios principais e não raios marginais. A luz incidindo no detector departícula 5, contudo, não é distinguível em resultado entre o método da introdução de luz daFigura 10 e Figura 11 uma vez que ambos efetivamente emitem luz no plano de imagem 9'do detentor de campo 9 dentro do campo de visada do meio ótico de detecção ao longo doeixo ótico BB.
Outro meio para introduzir luz, ao longo do eixo ótico BB, com o propósito de cali-bração ou verificação de prontidão operacional é revelado para a presente invenção sem anecessidade de uma segunda fonte de luz mostrada na Figura 12. A luz a partir da fonte deluz 10 é emitida, ao longo do eixo ótico BB, através da lente de entrada 6 e lente de saída 7através da abertura de entrada 15 ao longo da esfera de integração 13 para incidir na super-fície interna 12 da esfera de integração 11. A luz é refletida de forma difusa por múltiplasincidências entre a superfície interna 12 da esfera de integração para emergir ao longo doeixo 55 na abertura de saída 16 da esfera de integração 11. A superfície ótica 62, como e-xemplo é selecionável pela rotação em torno do eixo de rotação 63 com ao menos uma su-perfície de transmissão ou abertura 64 e ao menos uma área de reflexão 62 é posicionadaalém da abertura de saída 16 do hemisfério de integração 13 para refletir a luz substancial-mente em 90 graus em relação ao eixo ótico 55 ao longo do eixo ótico 68 ou para transmitira luz ao longo do eixo ótico 55 dependendo do alinhamento da abertura 64 ou da área dereflexão 62 em relação ao eixo ótico 55. O posicionamento da superfície de reflexão 62, aolongo do eixo ótico 55, reflete a luz emergindo a partir da abertura de saída 16 para incidirno detector de transmissão 17 posicionado ao longo do eixo ótico 68, desse modo uma me-dida da luz transmitida a partir da fonte de luz 10 é averiguada. O posicionamento da abertu-ra 64 ao longo do eixo ótico 55 permite a transmissão de luz, ao longo do eixo ótico BB, a-través da abertura central 58 da lente côncavo-convexa 1 mediante retransmissão da luzemitida a partir da abertura de saída 16 através do detentor de abertura 65, lente 66, fibraótica 67, e lente 57. Uma imagem da extremidade da fibra ótica 67 é formada na superfíciecôncava da lente côncavo-convexa 1 através da abertura central 58, sinônima da imagem 9'do detentor de campo 9 para incidir sobre o detector de partícula 5 em proporção à luz de-tectada pelo detector de transmissão 17 por intermédio da lente de campo 2, e lente 3, de-tentor de campo 9, e lente 4.
Claims (15)
1. Sistema de medição CARACTERIZADO por compreender:uma primeira fonte de luz (10) dirigida ao longo de um primeiro eixo e configuradapara iluminar um volume de amostra (8);um sensor (5) alinhado ao longo de um segundo eixo e configurado para detectar aluz dispersa no volume de amostra (8);uma segunda fonte de luz (67) alinhada ao longo do segundo eixo e configuradapara iluminar o sensor (5), onde a segunda fonte de luz (67) ilumina apenas o sensor (5)durante um procedimento de calibração.
2. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que a segunda fonte de luz (67) é uma imagem da primeira fonte de luz (10) e umobturador (62) é usado para ligar a segunda fonte de luz (67) durante o procedimento decalibração.
3. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que a segunda fonte de luz (67) é aneliforme.
4. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO porcompreender ainda:uma lente de campo (2) localizada no segundo eixo e configurada para dispersaruniformemente a luz a partir da segunda fonte de luz (10) através do primeiro sensor (5).
5. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO porcompreender ainda:uma lente de reflexão (1) alinhada ao longo do segundo eixo onde a lente de refle-xão (1) tem um primeiro foco sobre o segundo eixo e um segundo foco sobre o segundoeixo onde o segundo foco está entre o primeiro foco e a lente de reflexão (1) e onde o se-gundo foco é posicionado no volume de amostra (8);uma lente de campo (2) localizada no segundo eixo e posicionada de tal modo queo segundo foco da lente de reflexão (1) ocorre dentro da lente de campo (2);um sistema de lente de retransmissão (3, 4) alinhado com o segundo eixo onde osistema de lente de retransmissão (3, 4) forma um primeiro foco no segundo foco da lentede reflexão (1) e um segundo foco no primeiro sensor (5) e onde o primeiro sensor (5) é con-figurado para detectar a luz dispersa próximo ao segundo foco da lente de reflexão (1).
6. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelofato de que a segunda fonte de luz (67) é aneliforme localizada em um diâmetro externo dalente de reflexão (1).
7. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelofato de que uma seção central (58) da lente de reflexão (1) é não-revestida e a segunda fon-te de luz (67) projeta luz através da seção central da lente de reflexão (1).
8. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que o segundo eixo é perpendicular ao primeiro eixo.
9. Método de calibrar um sistema de medição, CARACTERIZADO por compreen-der:iluminar um volume de amostra ao longo de um primeiro eixo com uma primeirafonte de luz;detectar a luz dispersa no volume de amostra com um sensor alinhado ao longo deum segundo eixo;iluminar o sensor com uma segunda fonte de luz alinhada ao longo do segundo eixoquando o sistema de medição está em um modo de calibração.
10. Método de calibrar um sistema de medição, de acordo com a reivindicação 9,CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda fonte de luz é uma imagem da primeira fon-te de luz e um obturador é colocado entre a segunda fonte de luz e o primeiro sensor é usa-do para ligar a segunda fonte de luz durante o procedimento de calibração.
11. Método de calibrar um sistema de medição, de acordo com a reivindicação 9,CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda fonte de luz é aneliforme.
12. Método de calibrar um sistema de medição, de acordo com a reivindicação 9,CARACTERIZADO por compreender ainda:localizar uma lente de campo sobre o segundo eixo onde a lente de campo dispersauniformemente a luz a partir da segunda fonte de luz através do primeiro sensor.
13. Método de calibrar um sistema de medição, de acordo com a reivindicação 9,CARACTERIZADO por compreender ainda:alinhar uma lente de reflexão ao longo do segundo eixo onde a lente de reflexãotem um primeiro foco sobre o segundo eixo e um segundo foco sobre o segundo eixo onde osegundo foco está entre o primeiro foco e a lente de reflexão e onde o segundo foco estáposicionado no volume de amostra;localizar uma lente de campo no segundo eixo e posicionada de tal modo que o se-gundo foco da lente de reflexão ocorre dentro da lente de campo;alinhar um sistema de lente de retransmissão para o segundo eixo onde o sistemade lente de retransmissão forma um primeiro foco no segundo foco da lente de reflexão eum segundo foco no primeiro sensor e onde o primeiro sensor é configurado para detectar aluz dispersa próximo ao segundo foco da lente de reflexão.
14. Método de calibrar um sistema de medição, de acordo com a reivindicação 13,CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda fonte de luz é aneliforme localizada em umdiâmetro externo da lente de reflexão.
15. Método de calibrar um sistema de medição, de acordo com a reivindicação 13,CARACTERIZADO pelo fato de que a seção central da lente de reflexão é não-revestida e asegunda fonte de luz projeta luz através da seção central da lente de reflexão.
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