ES2199467T3 - Metodo y aparato para caracterizar materiales utilizando un resonador mecanico. - Google Patents

Metodo y aparato para caracterizar materiales utilizando un resonador mecanico.

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Abstract

PROCEDIMIENTO Y APARATO PARA MEDIR LAS PROPIEDADES DE UNA COMPOSICION LIQUIDA QUE INCLUYE UN RESONADOR MECANICO, TAL COMO UN RESONADOR DE MODO DE CIZALLAMIENTO EN ESPESOR O UN RESONADOR DE DIAPASON, CONECTADO AL CIRCUITO DE MEDICION. EL CIRCUITO DE MEDICION PROPORCIONA UNA SEÑAL DE ENTRADA DE FRECUENCIA VARIABLE AL DIAPASON, HACIENDO QUE EL RESONADOR MECANICO OSCILE. PARA COMPROBAR LAS PROPIEDADES DE UNA COMPOSICION LIQUIDA, EL RESONADOR MECANICO ES COLOCADO EN EL INTERIOR DE UN RECIPIENTE DE MUESTRA QUE CONTIENE UNA PEQUEÑA CANTIDAD DEL LIQUIDO. LA SEÑAL DE ENTRADA ES ENVIADA AL RESONADOR MECANICO Y BARRIDA SOBRE UNA GAMA DE FRECUENCIAS SELECCIONADA, PREFERIBLEMENTE INFERIORES A 1 MHZ PARA EVITAR QUE EL LIQUIDO QUE SE ESTA VERIFICANDO PRESENTE CARACTERISTICAS DE GELIFICACION Y PRODUZCA LECTURAS FALSAS. LA RESPUESTA DEL RESONADOR MECANICO EN LA GAMA DE FRECUENCIAS DEPENDE DE DIVERSAS CARACTERISTICAS DEL LIQUIDO QUE SE ESTA ANALIZANDO, TALES COMO LA TEMPERATURA, VISCOSIDAD Y OTRAS PROPIEDADES FISICAS.

Description

Método y aparato para caracterizar materiales utilizando un resonador mecánico.
Campo técnico
La presente invención está dirigida a la utilización de osciladores mecánicos para la medición de diversas propiedades de fluidos (incluyendo tanto líquidos como vapores), y, más particularmente, a proporcionar un método y sistema que utilizan un oscilador mecánico (resonador) para la medición de propiedades físicas, eléctricas y/o químicas de un fluido, basándose en la respuesta del resonador en el fluido a una señal de entrada de frecuencia variable.
Estado de la técnica
Las empresas están recurriendo a las técnicas de química combinatoria para el desarrollo de nuevos compuestos con propiedades físicas y químicas novedosas. La química combinatoria implica la creación de un gran número de compuestos químicos, haciendo reaccionar en todas las combinaciones posibles una serie conocida de sustancias químicas iniciales y, a continuación, analizar sistemáticamente las propiedades de cada compuesto para localizar compuestos que tengan alguna propiedad específica deseada. Ver, por ejemplo, la patente WO 96/11878, titulada "La Síntesis Combinatoria de Materiales Novedosos". Un método y sistema, según los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 31, pueden derivarse de la patente EP-A-0 676 638.
El número virtualmente infinito de posibles compuestos que pueden ser creados a partir de la tabla periódica de los elementos requiere una aproximación sistemática a los procesos de síntesis y representación gráfica. Así, es encarecidamente deseable cualquier sistema que pueda analizar las propiedades de cada compuesto rápidamente y con exactitud. Además, dicho sistema sería útil para cualquier aplicación que requiera la medición rápida y exacta de las propiedades de un líquido, tal como la medición en línea de las concentraciones de un aditivo en una gasolina que fluye por un conducto o la detección de moléculas contaminantes del medio ambiente, tales como sulfuro de hidrógeno, que fluyen por una chimenea.
Por lo tanto, es un objetivo de la invención el medir simultáneamente las propiedades de una composición fluida, tanto físicas como eléctricas, utilizando un dispositivo resonador mecánico.
También es un objetivo de la invención el detectar claramente las diferencias entre dos o más compuestos en una composición fluida, mediante la utilización de un dispositivo resonador mecánico para medir las propiedades físicas y eléctricas de dicha composición.
Es un objetivo añadido de la invención el utilizar un dispositivo resonador mecánico para controlar y medir una transformación física o química de una composición fluida.
También es un objetivo de la invención el utilizar un dispositivo resonador mecánico para detectar la presencia de un material específico en un fluido.
Resumen de la invención
La presente invención incluye un método, con las características que se exponen en la reivindicación 1, para el control de una propiedad de una composición fluida, y un aparato tal como se expone en la reivindicación 31.
En una realización según la reivindicación 8, el método también puede medir una serie de composiciones fluidas, en donde las composiciones fluidas son composiciones líquidas, utilizando una serie de resonadores de diapasón, y en la que el método además consiste en:
disponer una serie de cubetas de muestra;
colocar cada uno de los elementos de la mencionada serie de composiciones líquidas en una cubeta de muestra diferente;
colocar como mínimo uno de los elementos de la mencionada serie de resonadores de diapasón en como mínimo una cubeta de muestra.
aplicar una señal de entrada de frecuencia variable a un circuito de medición acoplado a cada resonador de diapasón en las mencionadas, como mínimo una, cubetas de muestra para hacer oscilar cada uno de los resonadores de diapasón asociado a cada una de las mencionadas, como mínimo una, cubetas de muestra;
variar la frecuencia de la señal de entrada de frecuencia variable dentro de una gama de frecuencias predeterminada para obtener una respuesta de resonancia, que depende de la frecuencia, de cada uno de los resonadores de diapasón asociados a las mencionadas, como mínimo una, cubetas de muestra; y
analizar la respuesta de resonancia de cada uno de los resonadores de diapasón asociados a las mencionadas una o varias cubetas de muestra, para medir una propiedad de cada composición líquida en dicha cubeta o cubetas de muestra.
De acuerdo con esto, en una realización, la presente invención está dirigida principalmente a proporcionar un método que utiliza un resonador mecánico de cuarzo piezoeléctrico ("resonador mecánico") para medir propiedades físicas y eléctricas, tal como el producto de la densidad y la viscosidad, la constante dieléctrica y la conductividad, de composiciones líquidas de muestra en un proceso de química combinatoria. La descripción que a continuación se detalla, principalmente, se centra en los resonadores de efecto de corte ("TSM") y los resonadores de diapasón, pero se pueden utilizar resonadores de otros tipos, tales como resonadores de tridente, en voladizo, de barra de torsión, dimorfos o de membrana. Tanto el resonador TSM como el resonador de diapasón pueden ser utilizados para medir una serie de compuestos en una composición líquida, pero el resonador de diapasón tiene propiedades deseables que lo hacen más versátil que el resonador TSM.
En una realización, el resonador está conectado a un circuito de medición que envía una señal de entrada de frecuencia variable, tal como una onda sinusoidal, que hace un barrido en una gama de frecuencias predeterminada, preferentemente en la gama de 25-30 kHz para el resonador de diapasón y en una gama superior para el resonador TSM. Después se controla la respuesta de resonancia en la gama de frecuencias para determinar propiedades físicas y eléctricas seleccionadas del líquido que se está analizando. Aunque tanto el resonador TSM como el resonador de diapasón pueden ser utilizados para analizar propiedades físicas y eléctricas, el resonador de diapasón es una mejora respecto al resonador TSM, debido a las características de única respuesta y a la alta sensibilidad del diapasón.
Tanto el resonador TSM como el resonador de diapasón pueden ser utilizados en aplicaciones de química combinatoria según la presente invención. En particular, el pequeño tamaño y la rápida respuesta del resonador de diapasón lo hacen especialmente adecuado para la utilización en aplicaciones de química combinatoria, en las que deben ser analizadas y representadas gráficamente las propiedades de una gran cantidad de sustancias químicas en un periodo corto de tiempo. En una realización preferente, se disponen en un conjunto una serie de cubetas de muestra que contienen una serie de composiciones líquidas. Se sumergen una serie de resonadores TSM o de diapasón en las composiciones líquidas, preferentemente un resonador por composición, y a continuación se les hace oscilar mediante el circuito de medición. Debido a que tanto las características de resonancia del resonador TSM como del resonador de diapasón virtualmente eliminan la generación de ondas acústicas, el tamaño de las cubetas de muestra puede mantenerse pequeño sin la preocupación de las ondas acústicas que se reflejan en las paredes de dichas cubetas de muestra. En la práctica, los resonadores de diapasón pueden ser hechos oscilar en una gama de frecuencias inferior a la de los resonadores TSM, haciendo que los resonadores de diapasón sean más pertinentes para las aplicaciones del mundo real, y más adecuados para analizar una amplia variedad de composiciones, incluyendo líquidos de un alto peso molecular.
En otra realización de la invención, el resonador mecánico está recubierto de un material que cambia las características del resonador. El material puede ser un recubrimiento general para proteger el resonador de la corrosión u otros problemas que afecten al rendimiento del resonador, o puede ser un recubrimiento "de funcionalización" especializado que cambia la respuesta del resonador si una sustancia seleccionada está presente en la composición que está siendo analizada por dicho resonador.
Para obtener una gama de características más completa de la composición de un fluido seleccionado, se pueden conectar varios resonadores juntos, con diferentes características de resonancia, como un único sensor para la medición de la composición de un fluido. Entonces, se pueden correlacionar las respuestas de resonancia de todos los resonadores en dicho sensor para obtener información adicional sobre la composición que se está analizando. Mediante la utilización de resonadores con diferentes características, se puede analizar la composición fluida en una gama de frecuencias más amplia que en el caso de un único resonador. De forma alternativa, puede utilizarse un único resonador, que puede ser accionado de varios modos mecánicos (por ejemplo en modo de corte, en modo de torsión, etc.), en lugar de varios resonadores. Las respuestas de resonancia correspondientes a cada modo serían correlacionadas para obtener información adicional acerca de la composición.
El sistema de resonador mecánico de la presente invención, en una realización de un sistema que utiliza el resonador de diapasón, también se puede utilizar para controlar los cambios que se dan en un líquido en particular, manteniendo el resonador en la composición líquida mientras experimenta un cambio físico y/o químico, tal como una reacción de polimerización. Sin embargo, la invención no está limitada a la medición de líquidos; la rápida respuesta del resonador de diapasón lo hace adecuado para la medición de la composición de composiciones fluidas, tanto líquidas como en forma de vapor, que fluyen por un conducto, para controlar la composición del fluido.
Breve descripción de los dibujos
Las figuras 1a y 1b son vistas en sección transversal de una placa de un resonador TSM y de una púa de un resonador de diapasón utilizados en realizaciones preferentes de la presente invención;
La figura 2 es un diagrama de bloques que muestra un ejemplo de sistema de análisis de una composición, según la presente invención;
La figura 3 es un diagrama representativo que muestra las características de oscilación de un resonador de diapasón utilizado en una realización preferente de la presente invención;
Las figuras 4a y 4b son diagramas esquemáticos simplificados que muestran una conexión del resonador de diapasón con el circuito de medición, en una realización preferente de la presente invención;
La figura 4c muestra la respuesta de una muestra del circuito representativo mostrado en la figura 4b;
Las figuras 5a y 5b son ejemplos de trazos que comparan las respuestas a la frecuencia del resonador TSM y del resonador de diapasón de la presente invención, respectivamente;
Las figuras 6a y 6b son ejemplos de gráficos que muestran la relación entre el producto de la densidad y la viscosidad y la resistencia en serie equivalente del resonador TSM y del resonador de diapasón de la presente invención, respectivamente;
Las figuras 7a y 7b son ejemplos de gráficos que muestran la relación entre la constante dieléctrica y la capacitancia en paralelo equivalente del resonador TSM y del resonador de diapasón de la presente invención, respectivamente;
Las figuras 8a y 8b son ejemplos de gráficos que muestran la relación entre el peso molecular de una composición de muestra y la resistencia en serie equivalente del resonador TSM y del resonador de diapasón de la presente invención, respectivamente, en una reacción de polimerización;
Las figuras 9a y 9b muestran otra realización de la invención que utiliza un resonador que está tratado con un recubrimiento con el objetivo de detectar sustancias químicas específicas; y
Las figuras 10a, 10b y 10c muestran ejemplos de diferentes sensores de resonador múltiple de aún otra realización de la presente invención.
Descripción detallada de las realizaciones preferentes
El método y el aparato de la presente invención se centran en la utilización de un resonador mecánico para generar y recibir oscilaciones en una composición fluida, para analizar sus características, en un proceso de química combinatoria u otros procesos que requieren el análisis de las propiedades físicas y/o químicas de dicha composición fluida. Aunque la descripción detallada se centra en la química combinatoria y en la medición de las características de una composición fluida, la invención puede ser utilizada en cualquier aplicación que requiere la medición de las características de una composición fluida, tanto si el fluido está en forma de líquido como de vapor. La composición fluida en sí puede ser cualquier tipo de fluido, tal como una disolución, un líquido que contiene partículas en suspensión, o, en algunas realizaciones, un vapor que contiene una sustancia química en particular o una mezcla de sustancias químicas. También se puede incluir una composición líquida que está experimentando un cambio físico y/o químico (por ejemplo un aumento de la viscosidad).
Los resonadores mecánicos, tales como los resonadores (10) de cuarzo con efecto de corte según el espesor (TSM), se utilizan en la presente invención para medir varias propiedades físicas de composiciones fluidas, tales como la viscosidad de un líquido, el peso molecular, el peso específico, etc., en un marco de química combinatoria o en otra aplicación de medición de líquidos. Con referencia a la figura 1a, los resonadores TSM (10), tienen normalmente una estructura plana, como de placa, en la que un cristal de cuarzo (12) está intercalado entre dos electrodos (14). En aplicaciones de química combinatoria, el usuario genera primero una "biblioteca", o gran colección, de compuestos en composición líquida. Normalmente, se coloca cada composición líquida dentro de su propia cubeta de muestra. Se coloca un resonador TSM (10) que está conectado a una fuente de señal de entrada (no mostrada) dentro de cada composición líquida, y se envía una señal de entrada de frecuencia variable a cada resonador TSM (10), causando la oscilación de dicho resonador TSM (10). La frecuencia de la señal de entrada realiza un barrido por una gama predeterminada para generar una única respuesta del resonador TSM (10) para cada líquido en particular. Debido a que cada compuesto tiene una estructura química diferente y, consecuentemente, propiedades diferentes, la respuesta del resonador TSM (10) también será diferente para cada compuesto. Entonces, se procesa la respuesta del resonador TSM para generar un trazo visual de la composición líquida que se está analizando. En la figura 5a se muestra un ejemplo de trazos generados por el resonador TSM (10) en el caso de varias composiciones líquidas. Entonces, pueden llevarse a cabo la representación gráfica y el análisis de las propiedades de cada compuesto mediante la comparación de los trazos visuales de cada compuesto con los de compuestos de referencia y/o los de otros compuestos. En este tipo de aplicación, el resonador TSM (10) sirve tanto de emisor de ondas como de receptor.
Se pueden generar dos tipos de ondas en los líquidos: ondas de compresión (también llamadas ondas acústicas), que tienden a irradiarse a larga distancia, del orden de cientos de longitudes de onda, desde la fuente generadora de ondas; y ondas de corte viscoso ("viscose shear"), que decaen casi completamente a sólo una longitud de onda de la fuente generadora de ondas. En cualquier análisis de las propiedades de un líquido, se deberían mantener las ondas acústicas en un mínimo porque dan lugar a falsas lecturas al ser recibidas por el resonador, debido a sus características de largo decaimiento. En el caso de los transductores/resonadores ultrasónicos típicos del estado de la técnica anterior, la oscilación del resonador genera unas ondas acústicas que irradian en todas las direcciones desde el resonador, rebotan en los lados de la cubeta de muestra, y afectan desfavorablemente a la respuesta del resonador. Como resultado, la respuesta de resonancia no sólo reflejará las propiedades del líquido que se está midiendo, sino también los efectos de las ondas acústicas que vienen reflejadas de las paredes de la cubeta de muestra que contiene el líquido, dando lugar, por tanto, a lecturas falsas. La utilización de una cubeta de muestra que es mucho más grande que la longitud de onda de la onda acústica, realmente minimiza algo los efectos negativos de las ondas acústicas, pero el suministro de miles de cubetas de muestra de tan grandes dimensiones tiende a no ser factible.
Los resonadores TSM (10) principalmente generan ondas de corte viscoso y, por lo tanto, son una buena opción para la medición de propiedades de un líquido en aplicaciones de química combinatoria, porque no generan ondas acústicas que puedan venir reflejadas de las paredes de las cubetas de muestra y dar lugar a falsas lecturas. Como resultado, las cubetas de muestra utilizadas con resonadores TSM (10) pueden mantenerse relativamente pequeñas, haciendo viable la realización de una ordenación de cubetas de muestra para el análisis rápido y simultáneo de muchos líquidos. Sin embargo, la alta rigidez de los resonadores TSM (10) requiere que los mismos sean accionados a relativamente altas frecuencias, del orden de 8-10 MHz. Para muchas aplicaciones, esta rigidez no afecta desfavorablemente a la exactitud de la medición, haciendo del resonador TSM, aún así, una opción apropiada para medir numerosas composiciones líquidas.
Sin embargo, los resonadores TSM (10) pueden ser algo insensibles a las propiedades físicas de ciertos líquidos debido a que la carga ejercida por el líquido circundante es menos que la elasticidad del resonador. Más particularmente, las altas frecuencias de funcionamiento de los resonadores TSM (10) los hacen una opción menos deseable para medir las propiedades de ciertas composiciones líquidas, en particular de materiales de alto peso molecular tales como los polímeros. Cuando las ondas de alta frecuencia se propagan a través de líquidos de alto peso molecular, los líquidos tienden a comportarse como geles, porque las velocidades a las que se mueven dichas grandes moléculas corresponden a frecuencias que son menos que las de las oscilaciones del resonador TSM. Esto causa que el resonador TSM (10) genere lecturas que algunas veces no reflejan las propiedades que los líquidos realmente suelen tener (la mayoría de materiales se utilizan en aplicaciones en las que la respuesta dinámica a baja frecuencia es la más relevante). Aunque sería más deseable hacer funcionar el resonador TSM (10) a una frecuencia inferior, de modo que las condiciones de laboratorio reflejen las condiciones del mundo real, la rigidez del resonador TSM (10) y sus resultantes altas frecuencias de funcionamiento pueden hacer bastante difícil el funcionamiento a frecuencias inferiores. Además, incluso cuando el resonador TSM (10) puede medir con exactitud las propiedades de un líquido, las diferencias en los trazos visuales asociados a composiciones diferentes son relativamente pequeñas, haciendo que sea difícil diferenciar entre composiciones con estructuras similares, tal como se muestra en la figura 5a.
Los resonadores TSM y otros resonadores de tipo placa, aunque aceptables, no siempre pueden ser la mejor opción para medir las características eléctricas, tal como la constante dieléctrica, de la composición líquida que se está midiendo. Tal como se muestra en la figura 1a, la sección transversal de un resonador TSM (10) tiene la misma estructura que un condensador plano, dando como resultado un acoplamiento, relativamente pequeño, entre el campo eléctrico del resonador y la composición circundante. Aunque puede haber suficiente acoplamiento entre el resonador y la composición para medir las propiedades eléctricas de la composición, un mayor grado de acoplamiento eléctrico es más deseable para una exactitud aumentada de medición. El acoplamiento eléctrico se explica con mayor detalle más adelante, cuando se comparan las características del resonador TSM (10) y el resonador (20) de diapasón.
Las figuras 1a y 1b muestran una sección transversal de una placa de un resonador TSM (10) y de una púa (22) de un resonador de diapasón, respectivamente. Preferentemente, el resonador (20) de diapasón está hecho a partir de un cristal de cuarzo (24) y tiene dos púas (22), tal como se muestra en la figura 2, teniendo cada púa el centro (24) de cristal de cuarzo y, como mínimo, un electrodo (26) conectado al cristal de cuarzo (24). En la estructura preferente, las púas (22) del diapasón tienen una sección transversal cuadrada o rectangular, de modo que el centro (24) de cristal de cuarzo de cada púa tiene cuatro caras. Entonces, los electrodos (26) son fijados a cada una de las caras del centro (24) de cristal de cuarzo, tal como se muestra en la figura 1b. El método y sistema de la presente invención pueden utilizar cualquier tipo de resonador de diapasón, tal como un diapasón de tridente (de tres puntas) o diapasones de diferentes tamaños, sin apartarse del ámbito de la invención.
Las vistas en sección transversal del resonador TSM (10) y del resonador (20) de diapasón, mostradas en las figuras 1a y 1b, también muestran las diferencias relativas respecto al acoplamiento eléctrico de cada resonador con el líquido circundante. Con referencia a la figura 1a, la estructura del resonador TSM (10) es muy plana, haciéndolo muy cercano a un condensador perfecto cuando se coloca en el líquido a ser medido. Tal como se ha indicado con anterioridad, el cristal de cuarzo (12) en el resonador TSM (10) está intercalado entre dos electrodos (14), causando que la mayor parte de un campo eléctrico (16) se desplace entre los dos electrodos a través del cristal de cuarzo (12). Debido a que la mayor parte del campo eléctrico (16) se concentra dentro del cristal de cuarzo (12) en lugar de en el exterior del mismo, hay muy poco acoplamiento eléctrico entre el resonador TSM (10) y el líquido circundante, excepto en las aristas del resonador (10). Aunque puede haber suficiente acoplamiento eléctrico para medir las propiedades eléctricas, tales como la conductividad o la constante dieléctrica, de la composición líquida a medir es deseable un mayor grado de acoplamiento para asegurar una medición más exacta.
En comparación, tal como se muestra en la figura 1b, la estructura de cada púa (22) del resonador de diapasón permite un acoplamiento eléctrico mucho mayor entre dicha púa (22) y el líquido circundante porque la estructura de la sección transversal de una púa del diapasón tiene una estructura muy diferente de la de un condensador plano. Debido a que la púa (22) del diapasón está sumergida dentro del líquido que está siendo medido, el campo eléctrico (27) asociado a cada púa (22) no se concentra entre los electrodos (24) o dentro del cristal de cuarzo (24), sino que interactúa, en cambio, con el líquido circundante por el exterior de la púa (22). Este acoplamiento eléctrico aumentado permite al diapasón (20) medir con más exactitud las propiedades eléctricas del líquido así como sus propiedades físicas, y poder medir simultáneamente ambos tipos de propiedades si así se desea.
Un resultado inesperado del resonador (20) de diapasón es su capacidad para suprimir la generación de ondas acústicas en un líquido que está siendo analizado, asegurando que la respuesta física del resonador (20) estará basada sólo en las propiedades físicas del líquido, y no en la interferencia de un onda acústica ni en la forma de la cubeta de muestra que contiene el líquido. Como se ha explicado con anterioridad, los resonadores (10 de TSM minimizan la provocación de ondas acústicas porque generan oscilaciones de corte, que no provocan ondas normales a la superficie del resonador. Sin embargo, como también se ha explicado con anterioridad, el resonador TSM (10) requiere un funcionamiento a alta frecuencia y no es adecuado para muchas aplicaciones de medición, en particular para aquellas que están involucradas con líquidos de un alto peso molecular.
Sin desear estar limitados por ninguna teoría en particular, los inventores creen que el resonador (20) de diapasón utilizado en la presente invención elimina virtualmente los efectos de las ondas acústicas, sin tener que aumentar el tamaño de las cubetas de muestra para evitar la reflexión de las ondas. El resonador (20) de diapasón, debido a su forma y a su orientación en el líquido que está siendo analizado, contiene componentes de la velocidad normales a la superficie que vibra. Así, se asumió en el estado de la técnica que dichos resonadores de diapasón eran inadecuados para medir propiedades de los líquidos porque generarían ondas acústicas, causando falsas lecturas. En realidad, sin embargo, los resonadores (20) de diapasón son muy efectivos, por diversas razones, en la supresión de la generación de ondas acústicas. En primer lugar, el tamaño preferente del resonador (20) de diapasón utilizado en la invención es mucho más pequeño que la longitud de onda de las ondas acústicas que se generan, normalmente, en un líquido, tanto como de un décimo a un centésimo del tamaño. En segundo lugar, tal como se muestra en la figura 3, las púas (22) del resonador (20) de diapasón oscilan en direcciones opuestas, actuando cada púa (22) como un generador potencial de ondas acústicas, por separado. En otras palabras, las púas (22) se mueven acercándose o alejándose entre sí. Sin embargo, debido a que las púas (22) oscilan en direcciones opuestas y fases opuestas, las ondas que terminan siendo generadas localmente por cada púa (22) tienden a anularse mutuamente, dando como resultado, virtualmente, una ausencia de generación de ondas acústicas desde el resonador (22) de diapasón en conjunto.
En la figura 2 se muestra un diagrama simplificado de un ejemplo de sistema de resonador mecánico (20) según la invención. Aunque la explicación del sistema se centra en la utilización del resonador (20) de diapasón, el resonador TSM (10), descrito con anterioridad, también puede ser utilizado para el mismo propósito. Para medir la propiedad de un líquido dado, simplemente se sumerge el resonador (20) en el líquido a ser analizado. Entonces, se envía una señal de entrada de frecuencia variable al resonador de diapasón, utilizando cualquiera de los medios conocidos, para hacer oscilar el diapasón, y se hace que la frecuencia de la señal de entrada realice un barrido dentro de una gama predeterminada. La respuesta del resonador de diapasón es controlada y registrada. En el ejemplo mostrado en la figura 2, el resonador (20) de diapasón está colocado dentro de una cubeta (26) que contiene un líquido a ser analizado. Dicho líquido puede ser uno entre muchos líquidos, para su comparación y representación gráfica, o puede ser simplemente un líquido cuyas propiedades van a ser analizadas independientemente. Además, si hay múltiples líquidos a ser analizados, pueden ser colocados en una ordenación y ser medidos con una serie de resonadores de diapasón, simultáneamente, para analizar muchos líquidos en un plazo de tiempo dado. El líquido también puede ser un líquido que está experimentando una reacción de polimerización, o un líquido que fluye por un conducto.
Preferentemente, el resonador -20 de diapasón está acoplado a un analizador (28) de red, tal como un analizador de red Hewlett-Packard 8751A, que envía una señal de entrada de frecuencia variable al resonador (20) de diapasón para generar las oscilaciones de resonancia, y que recibe la respuesta de resonancia a diferentes frecuencias. Entonces, la señal de salida de resonancia pasa a través de un compensador (30) de alta impedancia antes de ser medida por un receptor (32) de banda ancha. Sin embargo, la invención no está limitada a este tipo específico de analizador de red; se puede utilizar cualquier otro analizador que genere y controle la respuesta de resonancia dentro una gama de frecuencias seleccionada, sin apartarse del ámbito de la invención. Por ejemplo, se pueden utilizar un generador de barrido y un voltímetro de corriente alterna en lugar del analizador de red.
En las figuras 4a y 4b se muestran un circuito equivalente del resonador (20) de diapasón y su circuito de medición asociado. La figura 4a muestra un sistema ilustrativo de resonador de diapasón que mide la viscosidad y la constante dieléctrica de un líquido, simultáneamente, mientras que la figura 4b muestra un sistema de resonador de diapasón que asimismo puede medir también la conductividad de un líquido. Con referencia a la figura 4a, el circuito de medición incluye una fuente (42) de señal de entrada de frecuencia variable, y el circuito (43) equivalente del resonador contiene un condensador Cs, una resistencia Rs y una inductancia L en serie, y un condensador Cp en paralelo. El circuito (43) equivalente del resonador muestra explícitamente el hecho de que el cristal de cuarzo (24), en el resonador (20) de diapasón, actúa como un condensador Cp. El circuito representativo (40) también incluye un condensador Cin de entrada, una resistencia Rin de entrada y un compensador (44) de salida.
El circuito representativo mostrado en la figura 4b añade una resistencia Rp en paralelo al condensador Cp, para ilustrar un circuito que mide tanto la conductividad como la constante dieléctrica y la viscosidad, preferentemente mediante la comparación de la resistencia equivalente encontrada en un líquido dado con una resistencia equivalente encontrada a través de calibración. Estos conceptos serán explicados con aún más detalle más adelante, con referencia a las figuras 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a y 8b. Rp representa la conductividad del líquido que se está analizando. La resistencia puede ser calibrada utilizando una serie de líquidos de conductividad conocida y, entonces, utilizada para medir la conductividad de un líquido dado. Por ejemplo, la figura 4c muestra un trazo de muestra, comparando la respuesta de resonancia en tolueno puro y en una disolución de KaBr en tolueno. Un líquido con una mayor conductividad tiende a desplazar la respuesta de resonancia hacia arriba en el gráfico, similar a la de líquidos con unas mayores constantes dieléctricas. Sin embargo, a diferencia de los líquidos con unas mayores constantes dieléctricas, un líquido con una mayor conductividad también causará que la respuesta de resonancia se nivele algo en el barrido de frecuencias entre 30 y 31,5 kHz, tal como se puede ver en el trazo superior (45). En el ejemplo mostrado en la figura 4c, la diferencia entre el trazo superior (45) y el trazo inferior (46) indica que la resistencia equivalente Rp causada por el KaBr adicional en la disolución era de aproximadamente 8 megaohms.
Ejemplos experimentales
Las figuras 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a y 8b son ejemplos demostrativos de la efectividad de la invención. Dichas figuras muestran algunas diferencias entre las respuestas a la frecuencia, para varias composiciones líquidas, del resonador TSM (10) de tipo placa y del resonador (20) de diapasón. Las figuras 5a, 6a, 7a y 8a son ejemplos de utilización del resonador TSM (10), y las figuras 5b, 6b, 7b y 8b son ejemplos de utilización del resonador (20) de diapasón.
Las condiciones experimentales para generar los gráficos de ejemplo del resonador de diapasón, en las figuras 5b, 6b, 7b y 8b, se describen más adelante. Las condiciones experimentales para generar los gráficos comparativos del resonador TSM, en las figuras 5a, 6a, 7a y 8a, son generalmente similares, o incluso iguales, que las condiciones para el resonador de diapasón excepto por modificaciones menores, si es que se necesitan, para adaptarse a la geometría particular del resonador TSM. Por lo tanto, para simplicidad y claridad, las condiciones experimentales particulares del resonador TSM no serán descritas por separado.
Todos los disolventes, polímeros y otras sustancias químicas fueron adquiridos a la firma Aldrich, y las disoluciones de polímeros se realizaron según técnicas estándar de laboratorio. Los polímeros secos y sus correspondientes disolventes se pesaron mediante balanzas estándar, y el polímero y el disolvente se mezclaron hasta que el polímero se disolvió completamente, dando lugar a una disolución de concentración conocida. Las disoluciones se vertieron y se extrajeron de una cubeta cilíndrica de medición, de acero inoxidable y de 30 ul, que es lo suficientemente larga como para permitir que un resonador de diapasón sea cubierto por el líquido. El vertido del líquido en la cubeta y la extracción del líquido de la misma se realizaron mediante una pipeta o una jeringuilla.
Antes de que se realizara cualquier experimento con las disoluciones, se midió la respuesta de resonancia del diapasón en el aire, como referencia. Los procesos de análisis reales se realizaron en un laboratorio a temperatura controlada, dispuesta aproximadamente en 20 grados centígrados. Una vez que el líquido era vertido en la cubeta, se colocaba el diapasón en la misma y se dejaba el sistema solo, para permitir que la temperatura se estabilizara. De una manera alternativa, el diapasón puede estar construido dentro de una parte de la pared o del fondo de la cubeta, con resultados igualmente exactos. Entonces, se hacía oscilar el diapasón utilizando el analizador de red. La respuesta de resonancia era registrada durante cada medición, y guardada en una memoria del ordenador. La curva de respuesta medida era ajustada a una curva modelo utilizando un circuito equivalente, que proporcionaba valores específicos para los componentes del circuito equivalente, descritos con anterioridad con respecto a las figuras 4a y 4b y a los trazos de la figura 6a a la figura 8b.
Después de que fuera completada la medición de una disolución dada, se mantenía el resonador en la cubeta y se vertía disolvente puro dentro de la cubeta, para disolver cualquier residuo de polímero o de recubrimiento en la cubeta o en el diapasón. La cubeta y el diapasón se sometían a soplado, hasta secarse, utilizando aire seco, y se medía otra vez la respuesta del diapasón en el aire y se comparaba con la medición inicial del diapasón para asegurar que el diapasón estaba completamente limpio; un diapasón limpio debería dar la misma respuesta que la respuesta inicial de dicho diapasón. Obsérvese que las condiciones experimentales descritas con anterioridad se describen únicamente a propósito de ilustración y no de limitación, y aquellos con un conocimiento normal del estado de la técnica deben entender que se pueden utilizar otras condiciones experimentales sin apartarse del ámbito de la invención.
Aunque tanto el resonador TSM (10) como el resonador (20) de diapasón son considerados como parte del método y sistema de la presente invención, el resonador (20) de diapasón tiene una aplicación más amplia que el resonador TSM (10) y está considerado por los inventores como la realización preferente para la mayoría de aplicaciones de medición, debido a su sensibilidad, disponibilidad y relativo bajo coste. Por ejemplo, en las figuras 5a y 5b obsérvese que el barrido de frecuencias para el resonador TSM (10) está en la gama de los 8 MHz, mientras que el barrido de frecuencias para el resonador (20) de diapasón de la presente invención está en la gama de los 25-30 kHz, varios órdenes de magnitud menos que la gama del barrido de frecuencias del resonador TSM. Esto aumenta la versatilidad y aplicabilidad del resonador (20) de diapasón para medir líquidos de alto peso molecular, porque la frecuencia de funcionamiento del resonador (20) de diapasón no es lo suficientemente alta como para hacer que los líquidos de alto peso molecular se comporten como geles. Además, debido a que la mayoría de aplicaciones para disoluciones son aplicaciones a más baja frecuencia, las condiciones de laboratorio en que las composiciones líquidas se analizan utilizando el resonador (20) de diapasón se corresponden más estrechamente con las condiciones del mundo real.
La frecuencia de funcionamiento del resonador (20) de diapasón también varía según la geometría del resonador; más particularmente, la frecuencia de resonancia del diapasón (20) depende del coeficiente entre el área de la sección transversal de la púa y la longitud de la púa. Teóricamente, es posible construir un resonador (20) de diapasón de cualquier longitud, para una frecuencia dada, cambiando el área de la sección transversal del diapasón para mantener constante el coeficiente entre la longitud y la sección transversal. En la práctica, sin embargo, los resonadores (20) de diapasón se fabrican a partir de obleas de cuarzo con unos pocos espesores estándar seleccionados. Por lo tanto, el área de la sección transversal del diapasón (20) tiende a estar limitado en base a los espesores estándar de las obleas de cuarzo, obligando al fabricante a cambiar la frecuencia de resonancia del diapasón mediante el cambio de la longitud de la púa. Estas limitaciones de fabricación deben tenerse en cuenta a la hora de seleccionar un resonador (20) de diapasón que sea lo suficientemente pequeño como para que quepa en cubetas de muestra de mínimo volumen (porque las sustancias químicas utilizadas son bastante caras) y aún funcione a una frecuencia lo suficientemente baja como para prevenir que los líquidos analizados se comporten como geles. Desde luego, en otras aplicaciones, tal como la medición de líquidos en un conducto o en otros recipientes, el tamaño total del resonador (20) de diapasón no es tan crucial, permitiendo una mayor flexibilidad en la selección del tamaño y las dimensiones del resonador (20) de diapasón. En vista de las limitaciones de fabricación, seleccionar las dimensiones del diapasón real y diseñar un resonador de diapasón son tareas que deben ser realizadas por aquellos con conocimiento de la técnica, después de revisar esta memoria.
Con referencia a las figuras 5a y 5b, las disoluciones utilizadas como ejemplos en las figuras 5a y 5b tienen estructuras y pesos algo similares. Como resultado, las respuestas del resonador TSM para cada disolución, mostradas en la figura 5a, producen trazos muy similares en la misma gama general. Debido a que los trazos asociados al resonador TSM (10) se superponen entre sí en gran medida, es difícil aislar y comparar las diferencias entre las respuestas asociadas a cada disolución. En comparación, tal como se muestra en la figura 5b, la sensibilidad aumentada del resonador (20) de diapasón causa que pequeñas diferencias en la estructura química se traduzcan en diferencias significativas en la respuesta de resonancia. Debido a que los trazos generados por el resonador (20) de diapasón son tan distintos y están tan separados, son mucho más fáciles de analizar y comparar.
La utilización de un resonador (20) de diapasón para medir propiedades de líquidos también da como resultado una mayor linealidad, en comparación con un resonador TSM (10), en la relación entre la raíz cuadrada del producto de la densidad de viscosidad del líquido y la resistencia Rs en serie equivalente (figuras 6a y 6b) así como en la relación entre la constante dieléctrica y la capacitancia Cp en paralelo equivalente (figuras 7a y 7b). Por ejemplo, la relación entre la viscosidad del líquido y la resistencia en serie para un resonador (20) de diapasón, tal como se muestra en la figura 6b, es mucho más lineal que para el resonador TSM, tal como se muestra en la
figura 6a.
De manera similar, la relación entre la constante dieléctrica y la capacitancia en paralelo equivalente es más lineal para un resonador (20) de diapasón, tal como se muestra en las figuras 7a y 7b. La relación lineal mejorada se debe, principalmente, a las relativamente bajas frecuencias a las que el resonador (20) de diapasón funciona; debido a que muchos líquidos presentan un comportamiento diferente a las frecuencias de funcionamiento requeridas por el resonador TSM (10), el resonador TSM (10) tiende a no generar en los análisis resultados que concuerden con los datos conocidos sobre las características del líquido.
Las figuras 8a y 8b muestran resultados de muestra del control en tiempo real de reacciones de polimerización mediante un resonador TSM y un resonador de diapasón, respectivamente. Los gráficos trazan la resistencia Rs equivalente de los resonadores, que oscilan en disoluciones de 10 y 20 mg/ml de poliestireno en tolueno, en relación con el peso molecular medio del poliestireno. Como se ha explicado con anterioridad, las disoluciones con alto peso molecular a menudo presentan características físicas diferentes, tal como la viscosidad, a frecuencias superiores.
El tamaño y la forma del resonador TSM (10) lo hacen adecuado, aunque no tan exacto, para el control en tiempo real de las reacciones de polimerización, en comparación con el resonador (20) de diapasón. Esto es porque la alta frecuencia de funcionamiento del resonador TSM disminuye la exactitud de las mediciones tomadas cuando aumenta el peso molecular de la disolución de la polimerización. Tal como se muestra en la figura 8a, un resonador TSM de alta frecuencia de funcionamiento no es muy sensible en el control del peso molecular de la disolución de poliestireno utilizada en el ejemplo mostrado. En contraste, un resonador de diapasón tiene una mayor sensibilidad al peso molecular de la disolución que se está midiendo, tal como se muestra en la figura 8b. Esta sensibilidad y exactitud hacen posible, para muchas reacciones, estimar la cantidad de disolución transformada en la reacción de polimerización y utilizar los datos de la transformación para estimar el peso molecular medio del polímero que se está produciendo.
Aunque los ejemplos descritos con anterioridad describen la utilización de un resonador TSM o de diapasón sin ninguna modificación, el resonador también puede ser tratado con una "funcionalidad" (un recubrimiento especializado) de modo que sea más sensible a ciertas sustancias químicas. El resonador también puede ser tratado con un recubrimiento general, para proteger el resonador de la corrosión u otros problemas que pueden obstaculizar su rendimiento. En las figuras 9a y 9b se muestra un diagrama representativo de una realización con un resonador funcionalizado. Aunque las figuras 9a y 9b, así como la siguiente descripción, se centran en recubrir o funcionalizar un resonador de diapasón, también puede utilizarse cualquier otro resonador mecánico sin apartarse del ámbito de la invención.
El resonador (20) de diapasón se puede recubrir con un material seleccionado para cambiar el modo en que el resonador (20) es afectado por una composición fluida (que, tal como se ha explicado con anterioridad, incluye tanto las composiciones líquidas como las de vapor). Tal como se ha mencionado con anterioridad, una opción consiste en utilizar un recubrimiento general para dotar al resonador (20) de propiedades adicionales, tales como la resistencia a la corrosión, la resistencia química, la resistencia eléctrica, y similares. Otra opción, tal como se ha indicado con anterioridad, consiste en utilizar una "funcionalización" que recubre las púas con materiales que se designan para una aplicación específica, tales como proteínas para permitir que el resonador (20) se utilice como medidor de pH o receptores que atraen sustancias específicas en la composición fluida para detectar la presencia de dichas sustancias. El recubrimiento o la funcionalización pueden ser aplicados en el resonador (20) utilizando cualquier método conocido, tales como la pulverización o la inmersión. Además, el material específico seleccionado para el recubrimiento o la funcionalización dependerá de la aplicación específica en la que se va a utilizar el resonador (20) de diapasón. J. Hlavay y G. G. Guilbault han descrito varios métodos para el recubrimiento y la funcionalización, y materiales para adaptar detectores de cristal piezoeléctrico para aplicaciones específicas en "Aplicaciones del Detector de Cristal Piezoeléctrico en la Química Analítica", Química Analítica, Vol. 49, No. 13, Noviembre de 1977, p. 1890, incorporado aquí a modo de referencia. Por ejemplo, la aplicación de diferentes funcionalidades inorgánicas en el resonador (20) de diapasón permite al diapasón detectar compuestos organofosforosos y pesticidas.
En las figuras 9a y 9b se muestra un ejemplo de un resonador que ha experimentado un tratamiento de funcionalización. La figura 9a representa una púa (22) del resonador de diapasón que ha sido tratada mediante absorción, recubrimiento u otro modo, rodeando la púa (22) con una funcionalidad diseñada para que cambie la frecuencia de resonancia del diapasón tras estar expuesto a una sustancia química objetivo seleccionada. En el ejemplo mostrado, la púa (22) del diapasón está cubierta con moléculas receptoras (90) representadas en las figuras 9a y 9b mediante elementos con forma de Y, diseñadas para que se adhieran con moléculas objetivo específicas. Debido a que la frecuencia de resonancia y la mitigación del resonador de diapasón dependen de la masa efectiva de la púa (22) y de la cantidad de "arrastre" de la púa (22) con el fluido, cualquier cambio en la masa de la púa o en la cantidad de arrastre cambiará la respuesta de resonancia del diapasón. Más específicamente, la frecuencia de resonancia del resonador de diapasón es proporcional a la raíz cuadrada del inverso de la masa del diapasón. Por lo tanto, un incremento en la masa del diapasón reducirá la frecuencia de resonancia del diapasón.
En este ejemplo se utiliza esta relación entre la masa y la frecuencia para detectar la presencia de una específica sustancia química objetivo en una composición fluida. Cuando la púa (22) del diapasón funcionalizada se coloca en una composición fluida que contiene la sustancia química objetivo, los receptores (90) en la púa (22) del diapasón se adherirán químicamente con moléculas de la sustancia química objetivo (92), tal como se muestra en la figura 9b. Consecuentemente, la frecuencia de resonancia del resonador de diapasón decrecerá a causa de la masa incrementada y el arrastre adicional originados por las moléculas (92) añadidas, fijadas a las púas (22) del diapasón mediante las moléculas receptoras (90). Así, cuando se representan gráficamente una serie de composiciones fluidas para detectar la presencia de una sustancia química objetivo en cualquiera de las mismas, sólo las composiciones fluidas que contengan la sustancia química objetivo provocarán que cambie la frecuencia de resonancia del diapasón. Las composiciones fluidas sin la sustancia química objetivo no contendrán moléculas que se puedan adherir a las moléculas receptoras (90) en la púa (22) del diapasón, dando como resultado que no cambia la frecuencia de resonancia para dichos fluidos. De manera alternativa, las púas (22) del diapasón pueden ser funcionalizadas con un material que cambie físicamente al ser expuesto a moléculas de una sustancia química seleccionada, de tal modo que el material cambie el arrastre mecánico en la púa (22) del diapasón al ser expuesto a la sustancia química seleccionada. Por ejemplo, la adición a la púa (22) del diapasón de una funcionalidad hidrófoba o hidrófila permite que la púa (22) atraiga o repela sustancias escogidas en el medio que se está analizando, cambiando la masa o masa efectiva del diapasón y, por lo tanto, cambiando su frecuencia de resonancia.
En aún otra realización de la presente invención, múltiples resonadores mecánicos pueden ser fijados juntos en un único sensor para medir una gama más amplia de respuestas para una composición de fluido determinada, tal como se muestra en las figuras 10a, 10b y 10c. El sensor de resonador múltiple puede ser fabricado a partir de una única pieza de cuarzo, ya que todos los resonadores están fijados juntos mediante una base común, tal como se muestra en las figuras. El sensor de multirresonador podría ser fijado, también, a múltiples circuitos generadores de frecuencia, tales como múltiples analizadores (28) de red, para medir propiedades de las composiciones fluidas en múltiples barridos de frecuencia, de modo que los datos generados puedan ser correlacionados para obtener información adicional sobre las composiciones líquidas. Debido a que diferentes estructuras de resonador son las más apropiadas para la medición en diferentes gamas de frecuencia y para materiales con diferentes características, un sensor que combina una serie de resonadores diferentes puede proporcionar una representación más completa de las características de la composición fluida en una gama de frecuencias más amplia que con un único resonador. Las figuras 10a, 10b y 10c muestran ejemplos específicos de configuraciones de multirresonador, aunque aquellos con conocimiento de la técnica deben entender que pueden construirse sensores con cualquier combinación de resonadores, sin apartarse del ámbito de la invención.
La figura 10a muestra una configuración de sensor (100) posible que contiene tanto un resonador (102) de diapasón como un resonador (104) de TSM. Este tipo de sensor (100) puede utilizarse, por ejemplo, para medir las propiedades mecánicas y eléctricas de líquidos muy espesos, tales como resinas de polímero y epoxis. Dicho sensor (100) también puede utilizarse para controlar un material al polimerizar y estabilizarse. Por ejemplo, el sensor (100) puede estar colocado en una composición líquida que contiene un caucho de uretano en su estado diluido, de modo que se utiliza inicialmente el diapasón (102) para medir tanto el producto de la densidad y viscosidad de la composición como su constante dieléctrica. Así como el caucho se transforma en un gel y, finalmente, en un sólido, el sensor (100) puede cambiar para utilizar el resonador (104) de TSM para medir las propiedades mecánicas del caucho, dejando que el resonador (102) de diapasón sólo funcione como un sensor dieléctrico.
En la figura 106 se muestra un sensor (106) para observar una composición fluida en una amplia gama de frecuencias. Las disoluciones de polímeros con una alta polidispersión son medidas, idealmente, en un amplio espectro de frecuencias, pero la mayoría de resonadores tienen un rendimiento óptimo dentro de una gama de frecuencias relativamente limitada. Mediante la combinación de diferentes resonadores con diferentes frecuencias de resonancia y diferentes características de respuesta, es posible obtener un espectro más completo de respuestas de resonancia para analizar las características del fluido bajo muchas condiciones diferentes. Por ejemplo, debido al amplio espectro de tiempos de relajación de una disolución polidispersa, generalmente se prevé que las composiciones con un alto peso molecular reaccionarán a frecuencias inferiores que las composiciones con un peso molecular más ligero. Mediante el cambio de temperatura, y observando la respuesta a la frecuencia de resonadores diferentes y correlacionando las diferentes respuestas de resonancia, es posible obtener un retrato del espectro de relajación de una composición más exacto que a partir de un único resonador.
Probablemente serán suficientes un resonador (108) de diapasón de baja frecuencia y un resonador (110) de diapasón de alta frecuencia en un sensor para mediciones en la mayoría de gamas de amplia frecuencia. Para ciertos casos, sin embargo, los resonadores en el sensor (106) de multirresonador pueden incluir también un resonador (112) de diapasón de tridente, un resonador (114) de dilatación, un resonador (116) de torsión, y un resonador (118) de TSM, osciladores de membrana, dimorfos, unimorfos, y varios dispositivos de onda acústica de superficie, así como cualquier combinación de los mismos, o incluso una única estructura de resonador que puede funcionar en múltiples modos mecánicos (por ejemplo, en modo de compresión, en modo axial, en modo de torsión). Desde luego, no se necesitan todos estos resonadores para cada aplicación, pero aquellos con conocimiento del estado de la técnica pueden seleccionar diferentes combinaciones que sean pertinentes para la aplicación específica en la que se utilizará el sensor (106).
De manera alternativa, se pueden incorporar múltiples resonadores con la misma estructura pero diferentes recubrimientos y/o funcionalidades en un sensor (120), tal como se muestra en la figura 10c. En este ejemplo, una serie de resonadores (122), (124), (126) de diapasón tienen la misma estructura pero tienen diferentes funcionalidades, siendo diseñada, por ejemplo, cada funcionalidad para adherirse con una diferente molécula objetivo. La alta sensibilidad de los resonadores (122), (124), (126) de diapasón los hace particularmente adecuados para ser utilizados como "narices artificiales", que pueden detectar la presencia de una molécula contaminante del medio ambiente, tal como sulfuro de hidrógeno u óxido nitroso, en emisiones industriales. Cuando se utiliza el sensor (120) en dicha aplicación, por ejemplo, un resonador (122) de diapasón puede estar funcionalizado con un material diseñado para adherirse con el sulfuro de hidrógeno mientras que otro resonador (124) puede estar funcionalizado con un material diseñado para adherirse con el óxido nitroso. La presencia de cualquiera de estas moléculas en la composición que está siendo analizada provocará que el correspondiente resonador (122), (124) de diapasón cambie su frecuencia de resonancia, tal como se ha explicado con referencia a las figuras 9a y 9b.
Los resonadores (122), (124), (126) de diapasón también pueden ser funcionalizados con una capa de polímero u otras capas absorbentes selectivas para detectar la presencia de moléculas específicas en un vapor. Debido a que los resonadores (122), (124), (126) de diapasón son altamente sensibles a la constante dieléctrica del fluido circundante, los resonadores (122), (124), (126) de diapasón pueden detectar fácilmente los cambios en la constante dieléctrica del fluido y reconocer una serie de disolventes con diferentes constantes dieléctricas en el fluido. Esta información, combinada con otros parámetros observables, hace a los resonadores de diapasón particularmente adaptables para su utilización como narices artificiales.
El método y sistema de la presente invención han sido descritos con anterioridad en el contexto de la química combinatoria, pero no están limitados a dicha aplicación. Debido a que los resonadores, en el método y sistema de la presente invención, tienen altas sensibilidades y rápidos tiempos de respuesta, también pueden utilizarse para controlar en línea las composiciones fluidas que fluyen por conductos o tuberías. Por ejemplo, la invención puede ser utilizada en un sistema de realimentación para controlar las propiedades de líquidos que fluyen por una tubería de gas o petróleo, para controlar y supervisar la concentración de aditivos en el gas o petróleo, o para detectar la presencia de impurezas en el agua que fluye por una tubería. Los aditivos o impurezas cambiarán las características físicas y eléctricas del líquido que fluye por el conducto. Un resonador (20) de diapasón funcionalizado puede detectar, además, la presencia de una sustancia química específica en una composición fluida, tanto si es un líquido como un vapor, y puede ser utilizado, por ejemplo, para controlar la presencia de una conocida sustancia química contaminante en una chimenea. La alta sensibilidad y rápido tiempo de respuesta del resonador, y del resonador (20) de diapasón en particular, lo hacen el único adecuado para dicha aplicación. La circuitería y sistema utilizados para generar los trazos visuales a partir de la respuesta del resonador puede ser el mismo que se ha descrito con anterioridad o cualquier otro sistema equivalente de análisis de resonancia.
Además, aunque la descripción anterior se centra en la utilización de resonadores TSM y resonadores de diapasón, principalmente, puede utilizarse cualquier otro resonador mecánico que presente características similares. El resonador TSM o el resonador de diapasón pueden ser sustituidos por resonadores de tridente, en voladizo, de barra de torsión, dimorfos y/o de membrana, sin apartarse del ámbito de la invención que se reivindica.
Debería entenderse que, en la puesta en práctica de la invención, pueden emplearse varias alternativas a las realizaciones de la invención aquí descritas. Se pretende que las siguientes reivindicaciones definan el ámbito de la invención, y que los métodos y aparatos dentro del ámbito de estas reivindicaciones, y sus equivalentes, estarán cubiertos por las mismas.

Claims (39)

1. Método para controlar una propiedad de una composición fluida, consistiendo dicho método en:
colocar un resonador mecánico en la composición fluida, de tal modo que, como mínimo, una parte de dicho resonador mecánico esté rodeada por la composición fluida;
aplicar una señal de entrada de frecuencia a un circuito de medición acoplado al resonador, para hacer oscilar el resonador mecánico para obtener una respuesta de resonancia, dependiente de la frecuencia, de dicho resonador mecánico;
determinar la propiedad del fluido en base a la respuesta de resonancia mecánica
caracterizado porque
se aplica una frecuencia variable como señal de entrada de frecuencia, y
se varía la frecuencia de la señal de entrada de frecuencia variable dentro de una gama de frecuencias predeterminada para obtener una respuesta de resonancia, dependiente de la frecuencia, de dicho resonador mecánico.
2. Método, según la reivindicación 1, que además consiste en:
repetir las fases de aplicación, variación y determinación a lo largo del tiempo; y
controlar, a lo largo del tiempo, un cambio en la respuesta de resonancia mecánica que refleja un cambio en la propiedad de la composición fluida.
3. Método, según la reivindicación 2, en el que el cambio que se controla en la fase de control es un cambio físico en una composición líquida.
4. Método, según la reivindicación 3, en el que el cambio físico que se produce en la composición líquida es una transformación de estado líquido a estado sólido de dicha composición líquida.
5. Método, según la reivindicación 2, en el que el cambio que se controla en la fase de control es una transformación química de la composición fluida.
6. Método, según la reivindicación 5, en el que la transformación química que se controla en la fase de control es una reacción de polimerización.
7. Método, según la reivindicación 1, en el que el oscilador mecánico es un resonador de diapasón.
8. Método, según la reivindicación 1 ó 7, en el que la composición fluida es una composición líquida, y en que se miden una serie de composiciones líquidas mediante una serie de resonadores mecánicos, y en el que el mencionado método consiste además en:
proporcionar una ordenación de cubetas de muestra;
colocar cada elemento de la mencionada serie de composiciones líquidas en una cubeta de muestra separada;
colocar al menos un elemento de la mencionada serie de resonadores mecánicos en al menos una cubeta de muestra;
aplicar una señal de entrada de frecuencia variable a un circuito acoplado a cada resonador mecánico, en las mencionadas, al menos una, cubetas de muestra para hacer oscilar cada resonador mecánico asociado a cada una de las mencionadas, al menos una, cubetas de muestra;
variar la frecuencia de la señal de entrada de frecuencia variable dentro de una gama de frecuencias predeterminada para obtener una respuesta de resonancia, dependiente de la frecuencia, de cada resonador mecánico asociado a la mencionada, al menos una, cubeta de muestra; y
analizar la respuesta de resonancia de cada resonador mecánico asociado a la mencionada, al menos una, cubeta de muestra para medir una propiedad de cada composición líquida en la mencionada, al menos una, cubeta de muestra.
9. Método, según la reivindicación 1, 2, 7 u 8, en el que el mencionado método mide una propiedad física de la composición fluida.
10. Método, según la reivindicación 9, en el que la propiedad física medida mediante el mencionado método está seleccionada entre el grupo que consta del peso específico, la temperatura y la viscosidad.
11. Método, según la reivindicación 1, 2, 7 u 8, en el que el mencionado método mide una propiedad eléctrica.
12. Método, según la reivindicación 11, en el que la propiedad física medida mediante el mencionado método está seleccionada entre el grupo que consta de la constante dieléctrica y la conductividad.
13. Método, según la reivindicación 1, 2, 7 u 8, en el que el mencionado método mide una propiedad eléctrica y una propiedad física de la composición fluida, simultáneamente.
14. Método, según la reivindicación 13, en el que las propiedades eléctricas y las propiedades físicas medidas mediante el mencionado método están seleccionadas entre el grupo que incluye el peso específico, la viscosidad, la temperatura, la constante dieléctrica y la conductividad.
15. Método, según la reivindicación 14, en el que el mencionado método mide, simultáneamente, al menos dos propiedades seleccionadas entre el grupo que consiste en el peso específico, la viscosidad, la temperatura, la constante dieléctrica y la conductividad de cada composición fluida, en una ordenación de cubetas de muestra.
16. Método, según cualquiera de las reclamaciones 1 a 15, en el que además incluye la fase de recubrir el resonador mecánico con un material que modifica las características de resonancia mecánica.
17. Método, según la reivindicación 16, en el que el material utilizado en la mencionada fase de recubrimiento es una funcionalidad diseñada para cambiar la respuesta de resonancia del resonador de diapasón si una sustancia seleccionada está presente en la composición fluida.
18. Método, según la reivindicación 12, en el que la mencionada funcionalidad, utilizada en la fase de recubrimiento, contiene moléculas receptoras para atraer a las moléculas de la sustancia seleccionada existentes en la composición fluida para cambiar la respuesta de resonancia.
19. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, en el que la fase de colocación incluye colocar una serie de resonadores mecánicos en la composición fluida.
20. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, en el que la fase de variación consiste en variar la frecuencia de la señal de entrada de frecuencia variable dentro de un serie de gamas de frecuencia predeterminadas, para obtener una serie de respuestas de resonancia, dependientes de la frecuencia, de la serie de resonadores mecánicos.
21. Método, según la reivindicación 19 ó 20, en el que cada elemento de la mencionada serie de resonadores mecánicos tiene una diferente característica de respuesta de resonancia.
22. Método, según las reivindicaciones 1 a 18, en el que el resonador mecánico que se coloca en la fase de colocación es un resonador de modo múltiple que puede hacerse funcionar en más de un modo mecánico, y en el que la fase de variación consiste en variar la frecuencia de la señal de entrada de frecuencia variable para obtener una serie de respuestas de resonancia, dependientes de la frecuencia, correspondientes a los mencionados, al menos uno, modos mecánicos.
23. Método, según la reivindicación 8, o según las reivindicaciones 7 y 8 en combinación, que además incluye la fase de diferenciación entre al menos dos elementos de la mencionada serie de composiciones líquidas, en base a la respuesta de resonancia
mecánica.
24. Método, según la reivindicación 23, en el que el resonador mecánico que se coloca en la fase de colocación es un resonador de efecto de corte.
25. Método, según la reivindicación 8 ó 19, en el que la serie de resonadores mecánicos que se coloca en la fase de colocación se selecciona entre el grupo que consta de tridentes, en voladizo, barras de torsión, resonadores de dilatación, dimorfos, unimorfos, resonadores de membrana, dispositivos generadores de ondas acústicas de superficie, resonadores de efecto de corte, y resonadores de diapasón.
26. Método, según la reivindicación 25, en el que cada elemento de la serie de resonadores mecánicos que se coloca en la fase de colocación es un resonador mecánico de un tipo diferente al resto de resonadores mecánicos de la serie de resonadores mecánicos.
27. Método, según la reivindicación 7, que además incluye las fases de:
calibrar cada uno de los mencionados resonadores de diapasón con un líquido estándar, de propiedades conocidas, para obtener datos de calibración; y
determinar la propiedad de cada composición líquida en base a los datos de calibración.
28. Método, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la composición líquida está fluyendo por un conducto y el resonador mecánico está colocado dentro de dicho conducto, de tal modo que al menos una parte de dicho resonador mecánico estará rodeada por la composición fluida cuando dicha composición fluida fluye por el conducto.
29. Método, según la reivindicación 28, que además incluye las fases de:
calibrar el resonador mecánico con un fluido estándar, de propiedades conocidas, para obtener datos de calibración; y
determinar la propiedad de la composición fluida en base a los datos de calibración.
30. Método, según la reivindicación 28 ó 29, en el que el resonador mecánico que se coloca en la fase de colocación es uno seleccionado entre el grupo que consta de tridentes, en voladizo, barras de torsión, resonadores de dilatación, dimorfos, unimorfos, resonadores de membrana, y dispositivos de generación de ondas acústicas de superficie.
31. Aparato para medir una propiedad de una composición fluida, compuesto por:
un resonador mecánico (10,20);
medios para contener la composición fluida;
un circuito de medición acoplado al mencionado resonador mecánico, teniendo el mencionado circuito de medición un generador de señal para generar una señal de entrada de frecuencia variable para provocar que el mencionado resonador mecánico oscile; y
un receptor acoplado al circuito de medición para captar una respuesta de frecuencia del mencionado resonador mecánico,
caracterizado porque
dicho aparato está dotado de un sistema de barrido de frecuencias para variar la señal de entrada de frecuencia variable dentro de una gama de frecuencias seleccionada.
32. Aparato, según la reivindicación 31, en el que la composición fluida es una composición líquida, estando dicho aparato compuesto, además, por:
una ordenación de resonadores (20) de diapasón; y
una ordenación de cubetas de muestra para contener una serie de composiciones líquidas, y en el que el mencionado circuito de medición y el mencionado receptor están acoplados a la mencionada ordenación de resonadores de diapasón para obtener una respuesta de frecuencia asociada a cada elemento de la mencionada serie de composiciones líquidas.
33. Aparato, según la reivindicación 32, en el que el diapasón está compuesto por al menos dos púas (22), incluyendo cada púa una parte central de cristal de cuarzo con al menos dos caras, y un electrodo en al menos una de las dos caras de la mencionada parte central de cristal de cuarzo.
34. Aparato, según la reivindicación 33, en el que la mencionada parte central de cristal de cuarzo de cada púa tiene cuatro caras, y en el que están conectados cuatro electrodos a la mencionada parte central de cristal de cuarzo de tal modo que cada electrodo está acoplado a cada cara.
35. Aparato, según la reivindicación 32, compuesto además por un material de recubrimiento sobre el mencionado resonador mecánico que modifica las características de dicho resonador mecánico.
36. Aparato, según la reivindicación 35, en el que el mencionado material de recubrimiento es una funcionalidad diseñada para cambiar la respuesta de resonancia del resonador mecánico si una sustancia seleccionada está presente en la composición fluida.
37. Aparato, según la reivindicación 36, en el que la mencionada funcionalidad contiene moléculas receptoras para atraer moléculas de la sustancia seleccionada, presentes en la composición fluida, para cambiar la respuesta de resonancia.
38. Aparato, según la reivindicación 31, compuesto además por una serie de resonadores de diapasón, teniendo cada resonador de diapasón unas diferentes características de respuesta de resonancia.
39. Aparato, según la reivindicación 38, en el que cada diapasón tiene una funcionalidad diferente, estando diseñada cada funcionalidad para cambiar la respuesta de resonancia de su resonador de diapasón asociado si una sustancia seleccionada, correspondiente con el recubrimiento específico, está presente en la composición fluida.
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