ES1075980U - Detector a distancia de sustancias fluorescentes. - Google Patents
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Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
1. Detector a distancia de sustancias fluorescentes, caracterizado porque comprende:(a) unos medios emisores láser (1) que emiten en la banda adecuada para la producción de fluorescencias en la familia de sustancias a localizar;(b) unos medios de recepción óptica a distancia (2) que comprenden un telescopio al que se acopla un colimador, tal que canalice la señal recibida;(c) unos medios de análisis de la banda espectral de fluorescencia (4) de las sustancias a localizar, que comprenden un espectrómetro;(d) unos medios de conexión entre los medios de recepción óptica a distancia (2) y los medios de análisis de la banda espectral de fluorescencia (4); y(e) unos medios de control (11) conectados con los medios emisores láser (1), con los medios de recepción óptica a distancia (2) y los medios de análisis de la banda espectral de fluorescencia (4);(f) medios de control de movimiento en uno o dos ejes (9) conectados a los medios de control (1);(g) medios de eliminación de ruido ambiental (5) conectados a los medios de control (1);(h) medios de almacenamiento de datos (8) conectados a los medios de control (1);(i) medios de procesamiento de datos (7) e identificación de espectros (6) en una base de datos y presentación de resultados en un mapa, comprendiendo además medios de aviso e indicación en una pantalla (12) la presencia de un espectro reconocible de fluorescencia.2. Detector según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un GPS (10), conectado con los medios de control (11), y encargado de localizar en la presentación de resultados las trazas en un mapa por sus coordenadas.3. Detector según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque los medios de control de movimiento en uno o dos ejes (9) comprenden un sistema mecánico dotado de una plataforma giratoria encargado de proporcionar un movimiento de vaivén según un eje de giro, a la que se acopla el instrumento de reconocimiento de sustancias fluorescentes o bien un espejo deflector.4. Detector según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque todos los componentes del sistema están contenidos en una sola carcasa.
Description
Detector a distancia de sustancias
fluorescentes.
El objeto de protección es un instrumento
detector a distancia de sustancias fluorescentes, que localiza
sustancias fluorescentes a distancias entre 10 y 50 m, identifica el
tipo de sustancias fluorescentes que localiza, está dotado de un
movimiento que permite hacer una exploración sistemática de un área
prefijada en el caso de que el instrumento se sitúe sobre un punto
fijo del terreno, o hacer una exploración de una franja del terreno
mediante movimiento de vaivén en el caso de que el instrumento se
coloque sobre una plataforma móvil (coche o barco), y presenta un
mapa de la zona explorada, indicando posición de las sustancias
localizadas e identificándolas por distinto color sobre el mapa, así
como el momento de la localización.
El campo de la invención está referido al uso
del espectro electromagnético de fluorescencia para la localización
e identificación a distancia de sustancias fluorescentes en medios
acuáticos (mares, lagos, pantanos, ríos ....), y zonas costeras, así
como el uso del espectro electromagnético de fluorescencia para la
localización e identificación de sustancias fluorescentes en otros
medios.
Los fluorímetros son instrumentos,
suficientemente conocidos, que permiten la obtención del espectro de
fluorescencia de cualquier sustancia que se coloque en el
receptáculo que para tal fin tienen estos instrumentos
comerciales.
Hay también otros instrumentos que utilizan la
tecnología láser para localizar la presencia de sustancias con
capacidad de dar una respuesta de fluorescencia, como puede verse en
el libro titulado "Láser Remote Sensing: Fundamentáis and
Applications", de Raymond M. Measures, y editado por Krieger
Publishing Company, Malabar, Florida, en 1984, con ISBN
0-89464-619-2. Estos
instrumentos permiten la localización e identificación de sustancias
a distancia, tales como partículas de plomo en la salida de humos de
fábricas, o de hidrocarburos en medios acuáticos.
En estos y otros documentos se muestran
instrumentos basados en técnicas de fluorescencia capaces de
localizar sustancias a grandes distancias (Fluorodetectores), por
lo que los emisores de luz láser que utilizan para provocar la
fluorescencia suelen ser muy potentes y, además, los dispositivos de
recepción han de ser grandes y los sistemas de obtención del
espectro bastante sofisticados. Esto hace que el instrumento sea
complejo, pesado, voluminoso, y de coste elevado, siendo necesario
utilizar vehículos grandes, o especialmente diseñados para su
transporte.
Existen también instrumentos de pequeño tamaño,
colocados en boyas para su uso en medios acuáticos, que analizan la
fluorescencia del agua que pasa por su interior. Estas boyas
permiten identificar la presencia de sustancias fluorescentes cuya
existencia se desea confirmar. Tal es el caso de la patente US
5,461,236, de H.R Gram, M.P Jadamec y J.W. Johnson, titulada "Oil
spill detection system", que además proporciona una
identificación en tiempo real, lo que permite activar alarmas.
Otros instrumentos basados en esta técnica han
sido diseñados y fabricados para diferentes usos y aplicaciones. Sin
embargo, al hacer una búsqueda bibliográfica no se ha encontrado un
instrumento que fuera versátil, fácil de transportar y que, si bien
no fuera apto para detectar a grandes distancias, permitiera
detectar sustancias fluorescentes a distancias medias (entre 10 y 50
metros), ni dotado de movimiento que permitiera hacer una búsqueda
automática de la zona, bien desde una posición fija sobre el
terreno, bien anclado sobre una plataforma móvil como un coche o un
barco de vigilancia de pequeño calado. Todas esas circunstancias,
reunidas en un instrumento facilitarían la localización e
identificación de sustancias fluorescentes en áreas de interés tales
como zonas costeras, la bocana de una bahía o puerto, cuencas de
ríos, o zonas de referencia en lagunas o pantanos.
El sistema de detección de sustancias
fluorescentes tal que permita la localización de sustancias
fluorescentes a media distancia que comprende, al menos:
(a) unos primeros medios emisores láser, tal que
emita en la banda adecuada para la producción de fluorescencias en
la familia de sustancias a localizar;
(b) unos segundos medios de recepción óptica a
distancia;
(c) unos terceros medios de análisis de la banda
espectral de fluorescencia de las sustancias a localizar;
(d) unos cuartos medios de conexión entre los
segundos medios de recepción óptica a distancia y los terceros
medios de análisis de la banda espectral de fluorescencia, de tal
forma que la señal captada en dichos segundos medios sea analizada
en dichos terceros medios; y
\global\parskip0.900000\baselineskip
(e) unos quintos medios de control conectados
con los primeros medios de emisión láser, con los segundos medios de
recepción óptica a distancia y los terceros medios de análisis
espectral;
de tal forma que los quintos medios de control
habilitan la sincronización entre los primeros medios, los segundos
medios y los terceros medios, habilitando la adquisición secuencial
y el almacenamiento de los espectros de fluorescencia;
y donde, además, los primeros medios emisores
láser y los segundos medios de recepción óptica a distancia están
alineados, de tal forma que el receptor óptico de captación a
distancia de fluorescencia pueda ser enfocado al punto de
observación deseado, sobre el que incide el haz láser emitido.
y donde, además, los quintos medios de control
habilitan la eliminación de ruido entrelazada y, además controlan el
movimiento para variar el apuntamiento, permitiendo la
exploración.
\vskip1.000000\baselineskip
En un segundo aspecto de la invención, el método
de detección de sustancias fluorescentes comprende, al menos, las
siguientes etapas:
(i) una primera etapa de generación de un haz
láser;
(ii) una segunda etapa de captaciones periódicas
de la zona del espectro donde se produce la fluorescencia de las
sustancias a localizar;
(iii) una tercera etapa de comparación entre el
espectro capturado en la segunda etapa y los existentes en la base
de datos propia de los medios de procesamiento, donde, además, este
procedimiento se realiza de forma automática cada vez que se
reconoce la presencia de una sustancia fluorescente;
(iv) una cuarta etapa de eliminación del ruido
ambiental basada en la diferencia entre una captación con
estimulación láser, conteniendo la respuesta más el ruido, y otra
captación sin estimulación láser, conteniendo solamente el ruido, y
donde ambas captaciones son consecutivas y separadas un tiempo
mínimo, con el fin de que el ruido sea esencialmente similar en
ambas captaciones, comprendiendo además las etapas de:
- (a)
- una primera sub-etapa de aumento de la señal captada, integrando la señal resultante de vahos pulsos láser;
- (b)
- una segunda sub-etapa de integración de captaciones entrelazadas en el tiempo, estimulando con un pulso láser e integrando la respuesta durante el mínimo tiempo que permita el espectrómetro siempre que éste sea superior a la duración de la emisión de fluorescencia;
- (c)
- una tercera sub-etapa de integración de la captación del espectrómetro sin la estimulación del láser durante un tiempo equivalente sobre los resultados de la segunda sub-etapa, donde dicha integración se realiza con el signo opuesto;
- donde al final de la tercera sub-etapa se repetiría la segunda sub-etapa sobre lo acumulado y así sucesivamente; y
(v) una quinta etapa de medida de apuntamiento,
actitud y posición, así como análisis, integración y presentación de
resultados, tal que permita definir la abertura del movimiento de
vaivén, así como introducir los parámetros necesarios para el
control e identificación del proceso de localización de sustancias
fluorescentes, presentando los resultados en una pantalla en la que
se presentan los puntos de muestreo sobre un mapa de zona, según
avanza el muestreo, almacenando los datos referentes al espectro de
fluorescencia, los datos de posición, orientación y momento
procedentes de los medios y GPS.
\vskip1.000000\baselineskip
La medida de la actitud es poder conocer la
situación de los tres ejes del vehículo que transporta el
instrumento, durante todo el tiempo que dura la operación de captura
de información, ya que esto es determinante para saber a qué punto
está mirando el instrumento. Con la medida de la posición sucede
otro tanto.
El sistema y método así descrito tiene las
siguientes características ventajosas respecto del actual estado de
la técnica.
- -
- Localiza e identifica sustancias fluorescentes a unas distancias comprendidas entre los 10 y los 50 metros.
- -
- Tiene capacidad de movimiento, bien del sistema entero, bien un espejo deflector, que permite realizar una exploración sistemática de un área prefijada en el caso de que el instrumento se sitúe en un punto fijo del terreno, o bien hacer una exploración de una franja del terreno en el caso de que el instrumento se coloque sobre una plataforma móvil, por ejemplo, un coche o un barco.
- -
- Presenta un mapa de la zona explorada, indicando la posición de las sustancias localizadas e identificándolas por distinto color sobre el mapa, así como el momento de la localización.
\global\parskip1.000000\baselineskip
A continuación se pasa a describir de manera muy
breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la
invención y que se relacionan expresamente con una realización de
dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de
ésta.
Figura 1.- Diagrama de bloques del sistema de
detección de sustancias fluorescentes, objeto de la presente
invención.
Figura 2- Gráfica representativa de la traza del
espectro de fluorescencia obtenido con el sistema objeto de la
invención, para una muestra de gasóleo A, antes de quitar el ruido
procedente de la luz ambiental.
Figura 3.- Gráfica representativa de la traza
del espectro de fluorescencia obtenido con el sistema objeto de la
invención, para una muestra de gasóleo A, después de quitar el ruido
procedente de la luz ambiental.
Figura 4.- Gráfica representativa de la traza
del espectro de fluorescencia obtenido con el sistema objeto de la
invención para una muestra de crudo Nome, en las mismas condiciones
que la figura 3.
Figura 5.- Esquema de la compactación del equipo
para hacerlo fácil de transportar, y del sistema de
alineamiento.
Tal y como puede observarse en la figura 1 el
sistema de detección de sustancias fluorescentes tal que permita la
localización de sustancias fluorescentes a media distancia
comprende, al menos:
(a) unos primeros medios emisores láser (1), tal
que emita en la banda adecuada para la producción de fluorescencias
en la familia de sustancias a localizar, incluyendo un control de
pulsos (3);
(b) unos segundos medios de recepción óptica a
distancia (2);
(c) unos terceros medios de análisis de la banda
espectral de fluorescencia (4) de las sustancias a localizar;
(d) unos cuartos medios de conexión entre los
segundos medios de recepción óptica a distancia (2) y los terceros
medios de análisis de la banda espectral de fluorescencia (4), de
tal forma que la señal captada en dichos segundos medios sea
analizada en dichos terceros medios; y
(e) unos quintos medios de control conectados
con los primeros medios de emisión láser, con los segundos medios de
recepción óptica a distancia y los terceros medios de análisis
espectral;
de tal forma que los quintos medios de control
habilitan la sincronización entre los primeros medios, los segundos
medios y los terceros medios, habilitando la adquisición secuencial
y el almacenamiento de los espectros de fluorescencia;
y donde, además, los primeros medios emisores
láser (1) y los segundos medios de recepción óptica a distancia (2)
están alineados, de tal forma que el receptor óptico de captación a
distancia de fluorescencia pueda ser enfocado al punto de
observación deseado, sobre el que incide el haz láser emitido.
y donde, además, los quintos medios de control
habilitan la eliminación de ruido entrelazada y, además controlan el
movimiento para variar el apuntamiento, permitiendo la
exploración.
\vskip1.000000\baselineskip
Los segundos medios de observación a distancia
(2) comprenden, al menos un telescopio al que se acopla un
colimador, tal que canalice la señal recibida.
Los terceros medios de análisis de la banda
espectral de fluorescencia (4) comprenden, al menos, un
espectrómetro.
Los quintos medios de control (11) actúan sobre,
al menos:
(a) medios de eliminación de ruido ambiental
(5);
(b) medios de control de movimiento en uno o dos
ejes (9);
(c) medios de almacenamiento de datos (8); y
(d) medios de procesamiento de datos (7) e
identificación de espectros (6) en una base de datos y presentación
de resultados en un mapa, comprendiendo además medios de aviso e
indicación en una pantalla (12) la presencia de un espectro
reconocible de fluorescencia;
y donde, además, los medios de procesamiento de
datos (7) comparan las trazas fluorescentes existentes e
identificando, por comparación entre trazas de la base de datos (8),
la sustancia que produce la fluorescencia.
\vskip1.000000\baselineskip
El sistema además comprende un sistema de medida
de apuntamiento, actitud y GPS (10) conectado con los quintos medios
de control (11) de tal forma que en la presentación de resultados en
la pantalla (12), las trazas sean localizadas en un mapa por sus
coordenadas.
Los medios de control de movimiento en uno o dos
ejes (9) comprenden un sistema mecánico dotado de una plataforma
giratoria que proporciona un movimiento según uno o dos ejes de
giro, a la que se acopla el instrumento de reconocimiento de
sustancias fluorescentes o bien un espejo deflector.
Todos los componentes del sistema están
contenidos en una sola carcasa y, en la posición de manejo, los
primeros medios emisores láser y los segundos medios de recepción
óptica a distancia quedan a una cierta altura sobre el suelo.
Para el reconocimiento, el instrumento objeto de
protección, genera un haz láser y, mediante óptica telescópica y un
espectrómetro, realiza captaciones periódicas de la zona del
espectro donde se produce la fluorescencia de las sustancias a
localizar. En caso de que aparezca una traza, se interpreta que se
debe a la presencia de una sustancia fluorescente.
Para la identificación, el instrumento compara
el espectro capturado en la etapa de reconocimiento, con los
existentes en la base de datos instalada en el instrumento. Este
proceso se realiza de forma automática cada vez que reconoce la
presencia de una sustancia fluorescente, con lo que su
identificación se obtiene en tiempo real.
Dado que la respuesta de fluorescencia de la
mayor parte de las sustancias de interés se encuentra en su mayor
parte en la parte visible del espectro electromagnético, la luz
ambiental (ruido a efectos de captación) puede llegar a enmascarar
la señal de fluorescencia. Para evitar estos efectos adversos, se
implementa un sistema de eliminación de ruido basado en la
diferencia entre una captación con estimulación láser (que contendrá
la respuesta más el ruido) y otra captación sin estimulación láser
(que contendrá solamente el ruido). Ambas captaciones han de ser
consecutivas y separadas en el tiempo sólo lo mínimo, con el fin de
que el ruido sea esencialmente el mismo en las dos captaciones.
Puesto que para aumentar el nivel de señal captada es necesario que
el espectrómetro integre la señal resultante de varios pulsos
láser, el procedimiento consistirá en la integración de captaciones
entrelazadas en el tiempo, es decir, estimular con un pulso láser e
integrar la respuesta durante el mínimo tiempo que permita el
espectrómetro siempre que éste sea superior al tiempo de emisión de
fluorescencia; inmediatamente después, integrar sobre la
integración anterior pero con el signo opuesto la captación del
espectrómetro sin la estimulación del láser durante un tiempo
equivalente; a continuación, se volvería a integrar sobre lo
acumulado una nueva respuesta al láser y así sucesivamente. Para
ello es necesario sustituir el software suministrado por el
fabricante del espectrómetro por otro de elaboración propia de los
inventores que tenga la capacidad de efectuar el proceso descrito.
Igualmente, es necesario sincronizar la respuesta al láser con el
tiempo de captación. A este sistema le denominaremos sistema
entrelazado de eliminación de ruido.
El movimiento de vaivén se obtiene mediante un
sistema mecánico dotado de una plataforma giratoria que proporciona
un movimiento según uno o dos ejes de giro, a la que se acopla el
instrumento de reconocimiento de sustancias fluorescentes o un
espejo deflector. De este modo se puede explorar de forma continua o
periódica, una línea de longitud determinada, como la transversal de
un río, la bocana de una zona portuaria, o un área de referencia
definida en un canal de transvase de agua o un embalse o
pantano.
Un sistema software de control de procesos y
manejo del instrumento permite definir el movimiento, así como
introducir las características o parámetros necesarios para el
control e identificación del proceso o campaña de localización de
sustancias fluorescentes a realizar con el instrumento (lugar, fecha
y características de la zona en exploración, entre otras). Cuando
el instrumento se coloca sobre una plataforma móvil, la periodicidad
en la adquisición de espectros (predefinida al inicio del proceso),
y la velocidad de avance de la plataforma, determinan la resolución
del muestreo.
Para la presentación de resultados, el
instrumento está dotado de una pantalla en la que se presenta los
puntos de muestreo sobre un mapa de la zona, según se vaya
realizando el muestreo. Para ello el instrumento almacena junto con
el espectro de fluorescencia, los datos de posición, orientación y
momento procedentes de un sistema de medida de apuntamiento, actitud
y GPS dotado de brújula electrónica, incorporado al instrumento.
En un ejemplo práctico de aplicación del
sistema, el acoplamiento o conexión entre el telescopio y el
espectrómetro se hace mediante una lente convergente en el interior
de un tubo que se adapta a la salida del telescopio dispuesta para
el acoplamiento de una cámara fotográfica. Dicho tubo lleva en el
extremo opuesto al telescopio, una tapa con un conector FC para
fibra óptica y posicionador XY del mismo. Entre mecanismo de enfoque
del telescopio, la traslación de la lente en el tubo, y el
posicionador, hay que conseguir que la mayor parte de la radiación
captada por el telescopio se concentre en la entrada de la fibra
óptica, bajo un ángulo pequeño con el fin de que la mayor parte de
la radiación llegue al espectrómetro. El diámetro del núcleo de la
fibra óptica a utilizar es de entre 600 \mu y 1 mm.
Claims (4)
1. Detector a distancia de sustancias
fluorescentes, caracterizado porque comprende:
(a) unos medios emisores láser (1) que emiten en
la banda adecuada para la producción de fluorescencias en la familia
de sustancias a localizar;
(b) unos medios de recepción óptica a distancia
(2) que comprenden un telescopio al que se acopla un colimador, tal
que canalice la señal recibida;
(c) unos medios de análisis de la banda
espectral de fluorescencia (4) de las sustancias a localizar, que
comprenden un espectrómetro;
(d) unos medios de conexión entre los medios de
recepción óptica a distancia (2) y los medios de análisis de la
banda espectral de fluorescencia (4); y
(e) unos medios de control (11) conectados con
los medios emisores láser (1), con los medios de recepción óptica a
distancia (2) y los medios de análisis de la banda espectral de
fluorescencia (4);
(f) medios de control de movimiento en uno o dos
ejes (9) conectados a los medios de control (1);
(g) medios de eliminación de ruido ambiental (5)
conectados a los medios de control (1);
(h) medios de almacenamiento de datos (8)
conectados a los medios de control (1);
(i) medios de procesamiento de datos (7) e
identificación de espectros (6) en una base de datos y presentación
de resultados en un mapa, comprendiendo además medios de aviso e
indicación en una pantalla (12) la presencia de un espectro
reconocible de fluorescencia.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Detector según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende un GPS (10), conectado con los
medios de control (11), y encargado de localizar en la presentación
de resultados las trazas en un mapa por sus coordenadas.
3. Detector según cualquiera de las
reivindicaciones 1-2, caracterizado porque
los medios de control de movimiento en uno o dos ejes (9) comprenden
un sistema mecánico dotado de una plataforma giratoria encargado de
proporcionar un movimiento de vaivén según un eje de giro, a la que
se acopla el instrumento de reconocimiento de sustancias
fluorescentes o bien un espejo deflector.
4. Detector según reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque todos los componentes del sistema están
contenidos en una sola carcasa.
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|---|---|---|---|
| ES201100703U ES1075980Y (es) | 2008-05-23 | 2008-05-23 | Detector a distancia de sustancias fluorescentes. |
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| Publication Number | Publication Date |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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2008
- 2008-05-23 ES ES201100703U patent/ES1075980Y/es not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| ES1075980Y (es) | 2012-04-17 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG1K | Utility model granted |
Effective date: 20120403 |
|
| FD1K | Utility model lapsed |
Effective date: 20150925 |