BRPI0806880A2

BRPI0806880A2 - Analisador químico óptico, e, método para medir concentrações químicas em uma corrente contínua ou processo em batelada

Info

Publication number: BRPI0806880A2
Application number: BRPI0806880-1A
Authority: BR
Inventors: Gordon C Brown; Michael Burka; Brian Cranton; David Erickson; James Grassi; Matthew Patrick Hammond; Maximillan Ben Shaffer; Pierre Villeneuve
Original assignee: Cambrius Inc
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2014-04-29
Also published as: CN101652653A; JP2010517043A; EP2111542A2; WO2008097700A2; US20080180661A1; US8077309B2; WO2008097700A3

Description

“ANALISADOR QUÍMICO ÓPTICO, E, MÉTODO PARA MEDIR CONCENTRAÇÕES QUÍMICAS EM UMA CORRENTE CONTÍNUA OU PROCESSO EM BATELADA”

Fundamentos da Invenção

Definida como a análise das propriedades dos materiais nos processos de fabricação industrial, a análise do processo vem sendo realizada por várias décadas em uma ampla variedade de indústrias. Estas indústrias incluem a química, petroquímica, de petróleo, farmacêutica, de alimentos e bebidas, de polpa e papel, e agrícola. Uma implementação anterior comum da análise dos processos consistia de extrair manualmente amostras de um processo e carregar as amostras para um laboratório para análise. Através do tempo, a análise dos processos se desenvolveu da análise fora de linha para uma análise em linha contínua quando as amostras são extraídas por sistemas automáticos de amostragem e carregadas em correntes de ar para os analisadores do processo.

A principal vantagem da análise de processos em linha é a redução do intervalo de tempo entre a extração da amostra e a geração dos dados. O tempo de resposta mais rápida proporciona maior controle dos processos de fabricação levando à produção aumentada do produto, à qualidade consistência) melhorada do produto, inventário em curso reduzido, força de trabalho de operação e de manutenção reduzida, consumo de energia reduzido, consumo reduzido de material bruto, e produção reduzida de fluxos residuais.

Vários instrumentos são presentemente usados para monitorar os processos industriais. O cromatógrafo de gás (GCs), por exemplo, mede as diferenças na mobilidade molecular para identificar amostras de múltiplos componentes. Os GCs têm alta especificidade e alta sensibilidade. Eles necessitam de local blindado para proteção do ambiente, um suprimento de gás de coluna, manutenção freqüente e coleta de água especialmente em aplicações corrosivas. Estes instrumentos são amplamente examinados na literatura publicada.

Os instrumentos de infravermelho (IV) contam com a absorção do material para analisar amostras. Os instrumentos de IV incluem opcionalmente substituído analisadores Infravermelhos de Transformação de Fourier (FTIR), os analisadores dispersivos de IV e os analisadores não dispersivos de IV (NDIR). Os instrumentos não dispersivos incluem os instrumentos à base de filtro e não à base de filtro. Os instrumentos IV têm substituído outros tipos de instrumentos, por causa de velocidade, da sensibilidade e da especificidade mais elevadas. Os instrumentos IV tipicamente induzem uma alteração líquida no momento bipolar nas moléculas de uma amostra como um resultado do movimento rotacional ou vibratório. O método funciona bem para muitas espécies, mas falha para as espécies homonucleares tais como nitrogênio, oxigênio, cloro, hidrogênio e flúor, que não podem ter uma alteração líquida no momento bipolar.

Sensores eletroquímicos fornecem outros meios para quantificar concentrações de espécies. Estes tipos de sensores são tipicamente limitados à medição de uma espécie única e frequentemente suplementam métodos de IV.

Uma abordagem alternativa para monitorar os processos

industriais inclui o uso de métodos de Raman. A espectroscopia de Raman baseia-se na dispersão inelástica da luz fora das moléculas. Como uma técnica de análise dos processos, a espectroscopia, a espectroscopia de Raman tem vantagens sobre outras técnicas, quando não requer nenhuma extração de 25 amostras ou preparação de amostras, pode realizar medições quantitativas contínuas in situ, pode analisar o conteúdo de tubulações através de uma janela de observação, pode detectar moléculas que outras técnicas não podem, e não é afetada pelas moléculas de água.

Como resultado, os espectrômetros de Raman têm encontrado uma posição adequada no mercado onde nenhuma outra solução viável exista. A despeito destas vantagens, a ampla adoção dos espectrômetros de Raman têm sido colocados em segundo plano porque eles são muito caros para se comprar, instalar e manter, requerem calibrações freqüentes e operadores 5 habilitados, e, em geral, carecem da robustez necessária para operar em ambientes de usinas complicadas.

De modo a que um instrumento de Raman seja amplamente aceito para monitorar processos industriais, ele deve ter baixo custo e ter elevado desempenho. A presente invenção utiliza menos componentes e 10 componentes mais facilmente disponíveis do que os outros instrumentos de Raman, e que são facilmente fabricados e adaptados às diferentes aplicações. Ela elimina o uso de fibras ópticas e, consequentemente, alcança rendimento óptico elevado. A invenção também utiliza amplificação aumentada com amplificadores fotônicos-a-eletrônicos de múltiplos estágios robustos, e 15 projetos de filtro óptico otimizado. Além disso, a invenção pode resistir a condições industriais consistentes e usar fontes de leiser estabilizadas de baixo custo e de comprimentos de ondas.

Os espectrômetros de Raman fazem parte de uma classe geral de instrumentos denominados analisadores ópticos. Os analisadores ópticos 20 baseiam-se geralmente em um dos seis fenômenos: absorção, fluorescência, fosforescência, dispersão, emissão e quimiluminescência. Estes fenômenos podem ocorrer nas porções do espectro ultravioleta, visível e infravermelho. Um instrumento típico contém cinco elementos básicos: uma fonte de radiação, um recipiente de amostras, um elemento espectral para se observar 25 em uma região específica do espectro, um detector que converte fótons em elétrons, e um processador de sinal. Raman é classificado como um processo de dispersão de segunda ordem, em que os fótons dispersos de Raman são criados da interação inelástica dos fótons de luz incidentes com as moléculas

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da amostra. Estes fótons de segunda ordem são fracos, tipicamente 10 a 10 vezes menos intensos do que os fótons elasticamente dispersos de primeira ordem.

As Patentes U.S. n- 4.648.714, 4.784.486, 5.521.703 e 5.754.289 utilizam a dispersão de Raman para realizar a análise de gás. Os 5 gases fluem através de uma seção do tubo enquanto um feixe de leiser é direcionado sobre ela. Estas invenções requerem uma corrente de ar ou redirecionamento da amostra para fora de uma canalização ou de um reator. A maioria usa uma roda de filtro em combinação com um monodetector. A Patente U.S. nâ 5.521.703 difere levemente das outras três no fato de seus 10 múltiplos detectores são dispostos ao longo do comprimento da célula de amostragem de gás dentro de uma figuração de ressonador de leiser. A Patente U.S. n° 5.754.289 descreve o uso de uma roda de filtro em combinação com uma esfera totalizadora para a amostra. As Patentes U.S. n~ 5.386.295, 5.357.343 e 5.526.121 descreve o uso de um espectrômetro de 15 roda de filtro acoplado aos elementos de referência e de amostra, com o uso de sondas de óptica de fibras. As Patentes U.S. n— 5.963.319 e 6.244.753 descreve o uso de um espectrômetro dispersivo e acopladores de óptica de fibras para monitorar o processo industrial. Os acopladores de óptica de fibras são conhecidos para limitar o rendimento óptico.

Sumário da Invenção

A presente invenção fornece um analisador fotométrico incorporado em uma embalagem pequena, de baixo custo e robusta para aplicações de monitorar processos industriais in situ. O analisador pode medir misturas químicas homogêneas e não homogêneas compostas de um ou de 25 vários analitos sólidos, líquidos ou gasosos. O analisador usa a dispersão de Raman e maximiza o rendimento óptico, aumenta a relação de sinal-para- ruído do sistema, e incorpora a quantificação embutida das concentrações do processo. A presente invenção não requer nem extração nem redirecionamento do material das tubulações ou dos vaso originários. Ele pode analisar concentrações químicas remotamente de um processo, isto é, o analisador pode ser separado ou fisicamente desligado da tubulação ou do vaso do processo. A presente invenção pode analisar composição química nos processos que operem sob uma ampla faixa de condições. Exemplos incluem 5 as pressões do processo a partir da pressão subatmosférica a milhares de psi’s (milhares de kPa’s), temperaturas do processo de subzero a centenas de graus Celsius, e fluxos do processo de estagnação a centenas de litros por minuto.

O analisador compreende uma fonte de radiação de leiser, que pode ser qualquer tipo de leiser, mas preferivelmente um diodo de leiser de 10 estado sólido. As características temporais da radiação de leiser são controladas por um módulo controlador do leiser integrado que, por sua vez, é controlado por um microprocessador. A saída de leiser é espacialmente conformada e direcionada através de uma via de luz de espaço livre em direção à amostra do processo. A propagação de espaço livre é definida como 15 a propagação de um feixe óptico predominantemente através de gases ou vácuo com componentes ópticos discretos e janelas para controlar o foco, as características espectrais e outras propriedades. A radiação de leiser é então incidente sobre a amostra localizada fora do analisador. A radiação de Raman dispersada pela amostra é coletada pela óptica de conformação de espaço livre 20 do analisador, o que ajusta as características espaciais da radiação dispersa para transporte ao módulo de detector. Um ou mais filtros espaciais e/ou ópticos são usados para reduzir ou eliminar a quantidade de radiação no comprimento de onda de excitação que é introduzido no módulo de detector sem reduzir substancialmente a quantidade de sinal de Raman desejado. Um 25 ou mais filtros adicionais são usados para extrair as faixas espectrais alvejadas do sinal de Raman. O sinal de cada banda espectral passa através de amplificadores de baixo nível de ruído e amplificadores de alto ganho que aumentam os níveis de sinais analógicos sem introduzir perturbações significativas. Os níveis de sinais analógicos são quantitativamente medidos por meio de conversores de sinais analógicos para digitais. Os sinais digitais resultantes são processados por um microprocessador implantado dedicado ou algum outro sistema de controle de dados. Usando informação de calibração das fontes conhecidas tais como as amostras químicas ou padrões de 5 referência adequados, os sinais geram uma medição quantitativa dos analitos, ou diretamente ou através de uma desconvolução matemática.

A presente invenção pode ser customizada para aplicações específicas por identificação de quais das várias espécies químicas devem ser medidas. De forma ideal a radiação de Raman das espécies químicas desejadas compreende componentes espectrais que são amplamente independentes da radiação dispersa das outras moléculas.

Breve Descrição dos Desenhos

A Figura 1 é uma representação esquemática da invenção;

A Figura 2 é uma representação esquemática de uma forma de realização preferida da invenção;

A Figura 3 é uma representação esquemática de outra forma de realização preferida da invenção; e

A Figura 4 é uma representação esquemática de uma parte do esboço óptico de outra mais forma de realização preferida da invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

Uma representação esquemática da invenção é mostrada na Figura I. As flechas negras indicam a direção dos sinais ópticos primários; as flechas cinzentas indicam a direção dos sinais elétricos primários. Um módulo de radiação 110 que inclui uma fonte de radiação de leiser é controlado por 25 um microprocessador de controle 150. A fonte de leiser pode ser de qualquer tipo, mas é preferivelmente um diodo de leiser de estado sólido. Em uma forma de realização preferida da invenção, a fonte de radiação de leiser emite radiação principalmente em um comprimento de onda de 785 nm.

Após deixar o módulo de radiação, a radiação de leiser é transferida através da óptica de espaço livre para um módulo 120 de óptica de espaço livre. Em uma forma de realização preferida da invenção, o módulo de óptica inclui um refletor seletivo que trata a radiação de leiser diferentemente da outra radiação, em particular a radiação que compreende o sinal de retomo 5 (definido abaixo). O refletor seletivo pode refletir a radiação de leiser enquanto permite que a outra radiação atravesse, ou pode permitir que a radiação de leiser atravesse enquanto reflete a outra radiação. O refletor seletivo conta com um ou uma combinação de vários mecanismos, incluindo: (i) seletividade espacial, tal como a deposição de um espelho ou abertura 10 transparente em uma parte do refletor seletivo; (ii) seletividade do comprimento de onda; ou (iii) seletividade de polarização. Em uma forma de realização preferida, o refletor seletivo tem uma grande área clara com um pequeno ponto refletor em seu centro para refletir a radiação de leiser colimada. Em outra forma de realização preferida, o refletor seletivo 15 compreende um filtro dicróico ou é coberto com uma película óptica fina que reflete a luz no comprimento de onda de leiser de excitação e transmite luz em comprimentos de onda mais longos e mais curtos.

Após deixar o módulo de óptica 120, a radiação de leiser deixa o analisador 100 e é incidente sobre uma amostra localizada fora do 20 analisador. A amostra pode ser qualquer uma de um grande número de materiais químicos e pode ou não estar contida atrás de uma janela de entrada de amostra que é transparente tanto à radiação de leiser quanto à radiação de sinal de retomo. A amostra e a janela de entrada da amostra não fazem parte do analisador. O analisador conta com a dispersão de Raman da radiação de 25 leiser pela amostra. Os processos físicos que governam esta dispersão geralmente incluem tanto os processos de dispersão inelásticos (comutação do comprimento de ondas), tal como a dispersão de Raman, quanto os processos de dispersão elásticos tais como a dispersão de Rayleigh e Mie. O sinal desejado (conhecido como o sinal de retomo) inclui a radiação de Raman inelasticamente dispersa; o sinal não desejado (conhecido como o ruído) inclui a radiação elasticamente dispersa mais as fontes parasitas tais como a luz errática. Uma porção do sinal de retomo e de ruído é coletada pelo módulo de óptica 120 de espaço livre e compõe a radiação de retomo 5 (conhecida como a radiação retrodispersa). As características espaciais e espectrais da radiação de retomo são ajustadas pelo módulo de óptica de espaço livre. Um ou mais filtros espaciais e/ou ópticos são usados para reduzir ou eliminar a quantidade de radiação no comprimento de onda de excitação sem reduzir substancialmente a quantidade do sinal de retomo 10 desejado. Após deixar o módulo de óptica, a radiação de retomo é transferida através da óptica de espaço livre para o módulo de detector fotométrico 130.

O módulo de detecção fotométrica inclui um ou mais filtros que extraem as faixas espectrais alvejadas do sinal de retomo correspondente aos produtos químicos específicos de interesse. Os filtros podem ser filtros de 15 passa banda ou de entalhe, e podem ser filtros de comprimento de onda fixo ou sintonizáveis. Após a separação do feixe composto, os comprimentos de onda de luz selecionados são dirigidos aos detectores fotossensíveis capazes de detectar correntes fotônicas. Os detectores geram respostas de voltagem e/ou corrente análogas que são proporcionais aos vários fótons detectados em 20 um dado tempo. A corrente de luz que carrega o sinal composto é dividida em vias discretas, de tal modo que os fotodetectores recebem quantidades mensuráveis de luz em tempo real. Em uma forma de realização preferida da invenção, filtros múltiplos e detectores múltiplos são usados para medir componentes de comprimentos de onda múltiplos simultaneamente. Uma 25 vantagem da detecção simultânea é a redução do tempo de coleta de sinal total para se obter uma sensibilidade de medição desejada. Outra vantagem da detecção simultânea é a capacidade para distinguir as mudanças na concentração do analito de efeitos de modo comum tais como as mudanças de densidade das amostras ou as variações na transparência das amostras à radiação incidente. Em outra forma de realização preferida da invenção, os filtros são posicionados em um estágio móvel tal como uma roda rotativa, deslizamento linear, ou outra configuração geométrica que permita separação do comprimento de onda. Em uma terceira forma de realização preferida da 5 invenção, os comprimentos de ondas são separados com o uso de um filtro eletro-óptico utilizando ou os meios de Pockels ou de Kerr para o monocromador. Uma vantagem de usar um filtro sintonizável, um filtro eletro-óptico, ou estágio móvel, é a capacidade de usar um número menor de detectores. Em uma quarta forma de realização preferida, os comprimentos de 10 onda são separados com o uso de um elemento difrativo (tal como um gradeamento de reflexão ou de refração) ou um elemento dispersivo. Nesta forma de realização, os diferentes componentes do comprimento de onda pode ser detectados com uma série de detectores.

Em alguns casos, tais como a análise de gás de baixa pressão, 15 os sinais detectores são aumentados com o uso de amplificadores de baixo ruído de alto ganho capazes de aumentar níveis de sinais analógicos sem introduzir perturbações significativas. Em uma forma de realização preferida, as vias de sinal análogas são divididas em dois estágios, cada um projetado quanto à estabilidade e à baixa suscetibilidade ao ruído eletrônico e térmico. 20 As entradas para cada amplificador são blindadas para impedir a captação eletrônica do sinal das fontes externas. Os níveis de sinais analógicos são quantitativamente medidos por meio de conversores de sinais analógicos em digitais.

A comunicação de duas vias entre o módulo de detecção 25 fotométrica e o microprocessador de controle 150 é exercida em condutores de controle digital 140. Em uma forma de realização preferida da invenção, cada sinal é monitorado com um conversor dedicado de analógico-em-digital de modo a minimizar o tempo de integração e acrescentar velocidade à análise de dados sem degradação do sinal. O microprocessador fornece dados digitais tais como dados de medições e informação do estado do analisador a um ou mais dispositivos externos. Em uma forma de realização preferida da invenção o analisador também emprega in situ a apresentação física de dados que podem ser monitorados sem um dispositivo externo.

5 Uma representação esquemática de outra forma de realização

preferida da invenção é apresentada na Figura 2. A radiação óptica é gerada pela fonte de leiser 212. A fonte de radiação é a temperatura controlada pelo resfriador a leiser 214, e a radiação é espacial e espectralmente conformada pela óptica 213 de conformação de feixes, a qual, em uma forma de realização preferida, inclui lentes para controlar a extensão espacial e a colimação do feixe, um elemento refletor seletivo do comprimento de onda para controlar e estabilizar o comprimento de onda central do feita, e filtros ópticos para limitar a extensão espectral do feixe. A característica temporal da radiação de leiser é controlada pelo controlador de leiser 211 que, por sua vez, é controlado pelo microprocessador de controle 250. Em uma forma de realização preferida, a característica temporal do feixe incorpora uma modulação de pulsos longos em uma frequência abaixo de 10 MHz para facilitar a discriminação contra o fundamento óptico de dispersão. A fonte de leiser 212, o resfriador de leiser 214, a óptica de conformação de feixes 213, e o controlador de leiser 211, são incluídos no módulo de radiação 210.

Após deixar o módulo de radiação, a radiação de leiser entra no módulo de óptica de espaço livre 220. O módulo de óptica de espaço livre inclui um refletor seletivo 222 com uma grande área clara e uma pequena área refletiva em seu centro para refletir a radiação de leiser. Após ter sido 25 refletida pelo refletor seletivo, a radiação de leiser incide sobre a lente objetiva 221 cuja função é facilitar a liberação da radiação de leiser para a amostra sob teste.

A lente objetiva 221 coleta a radiação retrodispersa da amostra sob teste. A radiação retrodispersa avança para o refletor seletivo 222 que permite que uma grande parte do sinal atravesse e reflita a luz no centro do refletor. As características espaciais do sinal transmitido do refletor seletivo são ajustadas pela óptica de conformação do sinal de retomo 223. O filtro bloqueador da excitação 224 compreende uma ou mais lentes e um ou mais 5 filtros espaciais ou ópticos que servem para reduzir ou eliminar a quantidade de radiação indesejável que entra no módulo de detector 230 no comprimento de onda de leiser de excitação. O filtro bloqueador da excitação 224 não reduz substancialmente a quantidade do sinal de retomo desejado, porém reduz o componente elástico indesejável da radiação de retomo no comprimento de 10 onda de leiser de excitação. A porção remanescente da radiação indesejável é monitorada para servir como um sinal diagnóstico que contém informação com respeito à operação do instrumento e a condição do processo em análise.

O sinal que deixa o filtro bloqueador da excitação é incidente sobre um ou mais espelhos 225 que servem para redirecionar o sinal em 15 direção ao módulo de detector fotométrico 230 e facilitar o alinhamento óptico do analisador. O módulo de detector inclui um módulo de filtro 231. Após entrar no módulo de filtro, o sinal de retomo é incidente em ângulos não normais sobre uma multiplicidade de filtros de passa banda ópticos 232, cada um dos quais transmite seletivamente radiação em uma faixa de comprimento 20 de onda fixa e estreita e reflete radiação de outros comprimentos de onda em direção ao próximo filtro na cadeia, assim criando uma via óptica divergente e bifurcada dentro do módulo de filtro. O sinal que é transmitido através de qualquer dos filtros de passa banda é focalizado por uma lente detectora sobre um elemento fotodetector 233. Exemplos de elementos fotodetectores 25 incluem os fotodetectores de silício, os fotodetectores de avalanche, ou tubos fotomultiplicadores. Não obstante seis filtros e elementos detectores sejam mostrados na Figura 2, o analisador é operável com qualquer número de filtros e elementos detectores. Em uma forma de realização alternativa da invenção, os filtros são posicionados em um estágio móvel tal como uma roda giratória ou uma peça deslizante linear.

Em uma forma de realização preferida da invenção, os filtros ópticos de passa banda 232 são montados em cartuchos removíveis e substituíveis. Estes cartuchos são projetados de tal modo que os filtros 232 5 são comprimidos e mantidos contra uma superfície de referência para proporcionar uma montagem de baixo custo, facilmente reconfigurável e facilmente produzida. Na forma de realização específica mostrada na Figura

2, dois cartuchos podem ser usados, cada um segurando metade dos filtros.

As correntes de saída dos elementos fotodetectores 233 são 10 amplificadas e convertidas nas voltagens de sinal pelos amplificadores fotodetectores 234. Uma vez a fonte de leiser 212 seja modulada, os fótons dispersos pela amostra têm identificação distinta e são diferenciados dos fótons indesejáveis de outras fontes. Os sinais dos amplificadores fotodetectores 234 são desmodulados nos níveis de sinal de voltagem de 15 Corrente Contínua ou de corrente eletrônica pelos amplificadores de retenção 235. Cada desmodulador é sincronicamente ligado à modulação de excitação de leiser para levar em conta as medições em fase.

Os níveis de sinais analógicos são quantitativamente medidos por meio de conversores de sinais de analógicos-a-digitais 236. Em uma 20 forma de realização preferida da invenção, estes conversores de sinais realizam funções de apuração de médias de alta resolução. O ruído indesejável (incluindo o ruído gerado pela fonte de modulação) é filtrado, o que proporciona medições de Corrente Contínua mais precisas.

Os elementos fotodetectores 233 são ativamente estabilizados pela temperatura mediante dispositivos 237 de aquecimento e/ou de resfriamento acoplados com um controlador de temperatura de circuito PID de modo a minimizar o ruído térmico e flutuantes.

O analisador é calibrado após a montagem com o uso de quantidades conhecidas de produtos químicos de referência ou de uma fonte de fluorescência calibrada. A intensidade do sinal óptico é diretamente proporcional à densidade molecular. Esta proporcionalidade fornece um meio para relacionar a força fotônica de Raman à composição da amostra. Alternativamente, uma medição quantitativa dos produtos químicos pode ser 5 gerada com o uso de uma desconvolução matemática empregando-se informação de uma combinação de elementos fotodetectores. Em outra forma de realização da invenção, os sinais dos elementos fotodetectores são usados para fornecer informação não quantitativa acerca de um processo, tal como mudanças na concentração como uma função do tempo ou nas condições de 10 operação. Com a informação fornecida pelo analisador, um usuário pode ajustar ou de outra forma controlar as condições do processo.

Uma representação esquemática de outra forma de realização preferida da invenção é mostrada na Figura 3. Esta forma de realização é semelhante àquela mostrada na Figura 2, exceto quanto ao módulo de detector 330. O módulo de detector contém um elemento detector único 333. O elemento de filtragem óptica 332 compreende ou um filtro variável único (tal como um filtro sintonizável ou um filtro eletro-óptico) ou filtros fixos múltiplos em um estágio móvel (tal como uma roda giratória ou peça deslizante linear). O elemento de filtragem óptica 332 transmite seletivamente radiação em uma faixa de comprimento de onda desejada. O sinal transmitido é detectado pelo elemento detector 333. Exemplos de elementos detectores incluem os fotodetectores de Silício, os fotodetectores de avalanche, ou os tubos fotomultiplicadores. Uma faixa de comprimento de onda diferente é admitida através do elemento de filtragem 332 pela mudança das propriedades do elemento de filtragem ou pela movimentação do estágio.

A corrente de saída do elemento detector 333 é amplificada e convertida nas voltagens de sinal por um amplificador detector 334. O sinal do amplificador detector 334 é desmodulado no nível de sinal de voltagem de Corrente Contínua ou corrente eletrônica por um amplificador de retenção 335. Os níveis do sinal analógico são quantitativamente medidos com o uso de um conversor de sinal 336 de analógico-a-digital de alta resolução.

Em outra forma de realização preferida da invenção, um ou mais filtros e detectores adicionais são acrescentados ao módulo de detector 330 de modo a analisar outras faixas desejadas de comprimento de onda.

Uma representação esquemática de uma parte de ainda outra forma de realização preferida da invenção é mostrada na Figura 4. A radiação de leiser do módulo de radiação 410 é incidente sobre o módulo de óptica de espaço livre 420. A lente objetiva 421 é comum tanto à liberação de radiação 10 de leiser quanto à coleta de sinal de retomo, mas, ao contrário da forma de realização específica apresentada na Figura 2, o refletor seletivo 422 é usado apenas para liberar a radiação de leiser para a amostra. Na forma de realização específica mostrada na Figura 4, o refletor seletivo 422 não necessita ser seletivo de comprimento de onda.

Não obstante a invenção tenha sido apresentada e descrita com

relação a várias de suas formas de realização de exemplo, várias mudanças, omissões e adições à sua forma e aos seus detalhes podem ser nela feitas, sem que se afaste do espírito e do escopo da invenção.

Claims

1. Analisador químico óptico, caracterizado pelo fato de que compreende: um módulo de leiser incluindo uma fonte de leiser; um módulo de detector óptico incluindo uma pluralidade de filtros espectrais de comprimento de onda fixo e uma correspondente pluralidade de fotodetectores para detectar radiação transmitida por um filtro correspondente dos filtros espectrais de comprimento de onda fixo; um módulo de óptica de espaço livre, em que referido módulo de óptica transfere radiação da referida fonte de leiser através de uma janela óptica ou lente para uma amostra localizada fora do referido analisador e em um afastamento do referido analisador, referido módulo de óptica coleta radiação de Raman dispersada da referida amostra através da referida janela óptica ou lente e transfere referida radiação de Raman coletada para o referido módulo de detector óptico, cada referido filtro espectral extrai uma faixa espectral da referida radiação de Raman coletada; e um microprocessador de controle.

2. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos filtros espectrais são filtros de passa banda ou filtros de entalhe.

3. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido módulo de detector óptico ainda inclui pelo menos um filtro sintonizável.

4. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os referidos filtros espectrais são posicionados em uma via óptica divergente e bifurcada.

5. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a referida radiação de Raman é incidente sobre os referidos filtros espectrais em ângulos não normais.

6. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada referido fotodetector é um fotodetector de Silício, fotodetector em avalanche, ou tubo fotomultiplicador.

7. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos fotodetectores são ativamente estabilizados pela temperatura mediante dispositivos de aquecimento ou de resfriamento.

8. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os referidos filtros espectrais são posicionados sobre um estágio móvel tal como uma roda giratória ou peça deslizante linear.

9. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os referidos filtros espectrais são filtros de película fina.

10. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação1, caracterizado pelo fato de que os referidos filtros espectrais são montados em um ou mais cartuchos removíveis e substituíveis, em que referidos filtros espectrais são prensados e mantidos contra uma superfície de referência.

11. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação1, caracterizado pelo fato de que o referido módulo de detector óptico ainda inclui um meio de Pockels ou de Kerr para extração espectral.

12. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação1, caracterizado pelo fato de que o referido módulo de detector óptico ainda inclui um ou mais elementos difrativos ou elementos dispersivos.

13. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação12, caracterizado pelo fato de que o referido elemento difrativo compreende um gradeamento de reflexão ou de refração.

14. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação1, caracterizado pelo fato de que o referido módulo de óptica de espaço livre compreende um refletor seletivo que geralmente reflete referida radiação de leiser e geralmente transmite referida radiação de Raman.

15. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o referido refletor seletivo compreende uma película fina óptica, ou um filtro dicróico, ou uma grande área clara com uma pequena área refletora localizada na referida grande área clara.

16. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido módulo de óptica de espaço livre compreende um refletor seletivo que geralmente transmite referida radiação de leiser e geralmente reflete referida radiação de Raman.

17. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação16, caracterizado pelo fato de que o referido refletor seletivo compreende uma grande área refletiva com uma pequena abertura.

18. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação1, caracterizado pelo fato de que o eixo principal da referida radiação de leiser transferida para fora do referido analisador, e o eixo principal da referida radiação de Raman que entra no referido analisador, são colineares na localização em que ambos os referidos eixos principais intersecionam a referida janela ou lente ópticas.

19. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação1, caracterizado pelo fato de que a referida amostra se localiza atrás de uma janela que é transparente tanto à referida radiação de leiser quanto à referida radiação de Raman.

20. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação19, caracterizado pelo fato de que a referida amostra compreende misturas químicas ou homogêneas ou não homogêneas de um ou vários materiais sólidos, líquidos ou gasosos.

21. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação20, caracterizado pelo fato de que a referida amostra acha-se localizada dentro de uma tubulação do processo ou vaso do processo.

22. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação20, caracterizado pelo fato de que o referido analisador provê quantificação de concentrações de pelo menos um referido material sólido, líquido ou gasoso.

23. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação1, caracterizado pelo fato de que a amplitude da referida radiação da referida fonte de leiser é temporariamente modulada em uma frequência abaixo de 10 MHz.

24. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação23, caracterizado pelo fato de que a referida fonte de leiser é espectralmente estabilizada.

25. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato de que a referida fonte de leiser emite radiação principalmente em um comprimento de onda de 785 nm.

26. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação24, caracterizado pelo fato de que o referido módulo de leiser compreende um resfriador de leiser, óptica de conformação de feixes, e um elemento seletivo de comprimentos de ondas para controlar o comprimento de ondas da referida radiação da referida fonte de leiser.

27. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação26, caracterizado pelo fato de que o referido módulo de leiser ainda compreende pelo menos um filtro óptico para limitar a extensão espectral da referida radiação da referida fonte de leiser.

28. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação1, caracterizado pelo fato de que o referido módulo de óptica modifica as características espaciais e espectrais da referida radiação de Raman coletada, e em que o referido módulo de óptica compreende pelo menos uma lente e pelo menos um filtro espacial ou espectral para reduzir ou eliminar radiação indesejável no comprimento de onda da referida radiação da referida fonte de

29. Analisador químico óptico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma via de sinal analógico no referido módulo de detecção óptica é dividida em estágios com alta estabilidade e baixa suscetibilidade ao ruído eletrônico e térmico, e em que o referido microprocessador de controle fornece dados digitais tais como as informações dos dados de medição e do estado do analisador a um ou mais dispositivos externos.

30. Método para medir concentrações químicas em uma corrente contínua ou processo em batelada, caracterizado pelo fato de que compreende: emitir radiação de leiser na referida corrente contínua ou processo em batelada através de uma janela de observação com o uso da óptica de espaço livre; coletar radiação de Raman dispersada através da referida janela de observação com o uso de um módulo de óptica; transferir referida radiação de Raman para um módulo de detecção com o uso do referido módulo de óptica; e detectar faixas espectrais individuais da referida radiação de Raman com o uso de um módulo de detector fotométrico compreendendo filtros espectrais de comprimentos de ondas fixos.