ES2214014T3 - Procedimiento de calibracion en longitud de onda de un dispositivo de filtrado de una radiacion electromagnetica. - Google Patents
Procedimiento de calibracion en longitud de onda de un dispositivo de filtrado de una radiacion electromagnetica.Info
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Abstract
Procedimiento de calibración en longitud de onda de un dispositivo (16) de filtrado de una radiación electromagnética que está incluido en un aparato (10; 32) que mide la transmisión espectral de un medio de propagación externa a dicho aparato y en cuyo medio dicha radiación se propaga, presentando dicho dispositivo de filtrado una transmisión espectral sintonizable en una gama de longitudes de onda de dicha radiación en función del valor de un parámetro físico, caracterizado porque dicho procedimiento consiste en: - seleccionar al menos una marca de gas de absorción que esté siempre presente en estado natural en el medio de propagación y cuya longitud de onda correspondiente esté incluida en dicha gama de longitudes de onda de sintonización del dispositivo de filtrado, - y calibrar el dispositivo de filtrado con respecto a dicha al menos una marca de gas de absorción que sirve de referencia natural.
Description
Procedimiento de calibración en longitud de onda
de un dispositivo de filtrado de una radiación
electromagnética.
La invención se refiere a un procedimiento de
calibración en longitud de onda de un dispositivo de filtrado de
una radiación electromagnética que está incluido en un aparato que
mide la transmisión espectral de un medio de propagación externo a
dicho aparato y medio en el que dicha radiación se propaga.
Se conocen aparatos, tales como analizadores de
gas, aparatos de medida del poder calorífico de gas o incluso, por
ejemplo, sensores de gas que comprenden:
- -
- al menos una fuente de radiación,
- -
- un dispositivo de filtrado que presenta una transmisión espectral sintonizable en una gama de longitudes de onda de dicha radiación en función del valor de un parámetro físico,
- -
- un dispositivo de detección de la radiación emitida por la fuente, estando separados la fuente de radiación y dicho dispositivo de detección por dicho medio de propagación.
Una de las características de un dispositivo de
filtrado sintonizable es la relación existente entre el valor V
del parámetro físico aplicado a dicho dispositivo y la longitud
\lambda_{max} de onda central correspondiente al máximo de la
transmitancia del dispositivo de filtrado.
La relación \lambda_{max} (V) puede
determinarse, por ejemplo, por medio de un espectrómetro de
transformada de Fourier, midiendo la transmitancia del dispositivo
de filtrado por distintos valores V del parámetro físico aplicado a
dicho dispositivo e identificando los valores correspondientes de
la longitud de onda central por los que la transmitancia del
dispositivo de filtrado es máxima.
La figura 1 representa la transmisión T espectral
en longitud de onda de un dispositivo de filtrado sintonizado en
varias longitudes de onda centrales para valores V1, V2 del
parámetro físico.
Esta operación de calibración en longitud de onda
se realiza generalmente en laboratorio y la calibración depende,
por tanto, de las características internas del espectrómetro.
A continuación, el aparato se instala en el
terreno.
Durante el uso del aparato y, por tanto, del
dispositivo de filtrado, se ha constatado que podía cambiar la
relación \lambda_{max} (V) entre la longitud de onda central
para la que la transmitancia del dispositivo de filtrado es máxima
y el valor de control V del dispositivo de filtrado.
Un cambio de este tipo puede explicarse por el
hecho de que el dispositivo de filtrado esté sometido, durante su
uso, a una temperatura distinta de la que reina durante su
calibración.
Un cambio de este tipo puede proceder igualmente
de un envejecimiento del o de los materiales que constituyen el
dispositivo de filtrado.
Tras haber efectuado esta constatación,
únicamente falta extraer el aparato de su lugar de instalación,
proceder a una nueva calibración del dispositivo de filtrado en el
laboratorio, tal como se ha descrito anteriormente, y reinstalar el
aparato en su lugar con el dispositivo de filtrado recalibrado.
Por consiguiente, sería interesante encontrar un
procedimiento de calibración en longitud de onda que solucione al
menos uno de los dos problemas siguientes: efectuar una calibración
en laboratorio sin tener que recurrir a un espectrómetro de
transformada de Fourier o efectuar la calibración sin tener que
retirar el aparato del lugar de instalación.
Para ello, la presente invención propone un
procedimiento de calibración en longitud de onda de un dispositivo
de filtrado de una radiación electromagnética que está incluido en
un aparato que mide la transmisión espectral de un medio de
propagación externo a dicho aparato y medio en el que se propaga
dicha radiación, presentando dicho dispositivo una transmisión
espectral sintonizable el una gama de longitudes de onda de dicha
radiación en función del valor de un parámetro físico,
caracterizado porque dicho procedimiento consiste en:
- -
- seleccionar al menos una marca de gas de absorción que siempre esté presente en el estado natural en el medio de propagación y cuya longitud de onda correspondiente esté incluida en dicha gama de longitudes de onda de sintonización del dispositivo de filtrado,
- -
- y calibrar el dispositivo de filtrado con respecto a dicha al menos una marca de gas de absorción que sirve de referencia natural.
\newpage
Este procedimiento es particularmente simple de
realizar porque no necesita modificar el aparato en el que está
incluido el dispositivo de filtrado, incluyendo en el mismo
artificialmente, por ejemplo, una célula que contiene un gas de
referencia.
Preferiblemente, dicha al menos una marca de gas
de absorción es de una anchura espectral inferior o igual a la del
dispositivo de filtrado y es suficientemente intensa para no ser
enmascarada por otras marcas de gas.
Por tanto, un procedimiento de este tipo puede
utilizarse ventajosamente para la calibración del dispositivo de
filtrado cuando el aparato en el que está incluido se instala en su
lugar de utilización.
Así, gracias a este procedimiento, ya no es
necesario llevar el aparato al laboratorio para proceder a su
calibración, puesto que la marca de gas de absorción que sirve de
referencia está presente de forma natural en el medio de
propagación.
El medio de propagación puede ser, por ejemplo,
la atmósfera y el aparato, un sensor de monóxido de carbono que
utiliza la(s) marca(s) del dióxido de carbono
presente(s) en la atmósfera como referencia(s)
natural(es).
Preferiblemente, el aparato comprende además:
- -
- al menos una fuente de radiación electromagnética y
- -
- un dispositivo de detección de la radiación emitida por la fuente, estando separados dicha fuente y dicho dispositivo de detección por el medio de propagación.
Asimismo, es posible que un volumen de gas, cuya
radiación espectral se desea medir, esté interpuesto entre la
fuente y el dispositivo de detección, y que este volumen de gas
contenga marcas de gas de absorción que puedan servir de referencia
natural conforme al procedimiento según la invención.
En este caso, el volumen de gas interpuesto sirve
de medio de propagación con respecto a la invención.
Si el volumen de gas interpuesto no ocupa todo el
volumen entre la fuente y el dispositivo de detección, es entonces
igualmente posible elegir entre las marcas de gas naturales del
volumen de gas y las marcas de gas naturales presentes en el
volumen que queda sin ocupar entre dicha fuente y dicho dispositivo
que se deseen utilizar.
Asimismo, este procedimiento puede aplicarse en
el laboratorio para calibrar el dispositivo de filtrado antes de
ponerlo en funcionamiento por primera vez sin tener que recurrir a
un espectrómetro de transformada de Fourier.
Más particularmente, el procedimiento según la
invención consiste sucesivamente en:
- -
- hacer variar el parámetro físico aplicado al dispositivo de filtrado para hacer coincidir el máximo de la transmisión espectral de dicho dispositivo de filtrado con la longitud de onda de la marca de gas de referencia,
- -
- deducir el(los) coeficiente(s) de la ley que rige la sintonización del dispositivo de filtrado en longitud de onda, conociéndose previamente el desarrollo general de dicha ley,
- -
- determinar a partir de esta ley otros valores del parámetro físico correspondiente cada uno a una longitud de onda a la que está sintonizada la transmisión espectral del dispositivo de filtrado durante su utilización.
Por ejemplo, es posible seleccionar en dicha gama
de longitudes de onda de la radiación electromagnética, la marca
de gas de absorción que presenta la intensidad más fuerte con
respecto a las otras marcas de gas de absorción.
Durante la calibración del dispositivo de
filtrado, se facilita la identificación de estas marcas de gas
porque ésta corresponde a la absorción máxima en la gama de
longitudes de onda.
Es igualmente ventajoso seleccionar en dicha gama
de longitudes de onda de la radiación electromagnética dos marcas
de gas de absorción en lugar de una sola para garantizar una mayor
fiabilidad de la calibración.
Preferiblemente, la radiación electromagnética es
de tipo infrarroja.
Una de las marcas de gas de absorción es, por
ejemplo, la del metano a 1,666 micras.
Asimismo, puede ser interesante seleccionar la
marca de absorción del metano a 1,791 micras, en función de la gama
de longitudes de onda establecidas y de la extensión de
sintonización del dispositivo de filtrado.
Preferiblemente, el procedimiento consiste en
aplicar al dispositivo de filtrado como parámetro físico un campo
eléctrico en forma de una tensión eléctrica, pero podría tratarse
igualmente de un campo magnético.
\newpage
Según otras características:
- -
- el dispositivo de filtrado es un interferómetro de Fabry-Pérot,
- -
- el interferómetro de Fabry-Pérot es un interferómetro corto,
- -
- el interferómetro de Fabry-Pérot es un interferómetro micro-mecanizado,
- -
- el aparato es un analizador de gas,
- -
- el aparato es un aparato de medida del poder calorífico del gas,
- -
- el aparato es un sensor de gas.
Otras características y ventajas de la invención
aparecerán durante la descripción que sigue a continuación a título
de ejemplo no limitativo, y realizada con referencia a los dibujos
adjuntos, en los que:
- la figura 1 ya se ha descrito,
- la figura 2 representa esquemáticamente los
distintos elementos que constituyen un sensor de gas,
- las figuras 3 y 3b representan dos posiciones
sucesivas de un dispositivo de filtrado eléctricamente sintonizable
para dos valores de tensión distintos,
- la figura 4 representa esquemáticamente los
distintos elementos que constituyen un sensor de gas en una
aplicación distinta de la del sensor representado en la figura
2,
- la figura 5 proporciona el desarrollo de las
marcas de gas de absorción del metano,
- las figuras 6 y 7 proporcionan respectivamente
la intensidad I (en atm^{-1}.cm) de los espectros de
rotación-vibración de las moléculas de agua y de
dióxido de carbono en función del número de onda (m^{-1}).
En la figura 2 se representa un aparato que
determina la concentración de un gas, tal como por ejemplo un
sensor de monóxido de carbono, y está designado por la referencia
general 10.
Este aparato comprende una fuente 12 de emisión
de una radiación electromagnética que es preferiblemente una
radiación situada en la infrarroja. Esta radiación se emite a
través de un medio 14 de propagación exterior al aparato y que es,
por ejemplo, la atmósfera.
Sin embargo, podrían valer igualmente una
radiación situada en la franja visible, o en la ultravioleta, o
bien en el campo de las hiperfrecuencias o incluso en el campo de
los rayos X.
La fuente 12 de radiación infrarroja es, por
ejemplo, una fuente de banda ancha constituida por un filamento de
tungsteno y emite una radiación cuyas longitudes de onda están
comprendidas entre 0,8 y 20 \mum.
El aparato 10 comprende un dispositivo 16 de
filtrado de la radiación que es emitida por la fuente 12 y que se
propaga en el medio 14.
Este dispositivo podría colocarse también
directamente delante de la fuente 12 sin que esto modifique el
funcionamiento del aparato.
El dispositivo 16 de filtrado es, por ejemplo, un
interferómetro de Fabry-Pérot corto (siendo el
orden del interferómetro por ejemplo de 10).
Este dispositivo de filtrado puede realizarse en
silicio y fabricarse por técnicas conocidas de
micro-mecanizado.
Por ejemplo, en los documentos EP 0 608 049 y EP
0 219 359 se describe un dispositivo de este tipo.
Tal como se representa en las figuras 3a y 3b, el
dispositivo 16 de filtrado está constituido por un electrodo 18
fijo que forma un soporte y un electrodo 20 móvil separados uno del
otro a una distancia e_{0} determinada correspondiente a una
posición en la que el electrodo móvil no está deformado.
En esta posición denominada de reposo, la
radiación indicada por la flecha con referencia R en la figura 3a,
está filtrada por la longitud \lambda_{0} de onda que es igual
a 2e_{0} (y para los armónicos de esta longitud de onda).
El dispositivo 16 de filtrado presenta una
transmisión T espectral (representada en la figura 1) que es
sintonizableen una gama de longitudes de onda de la radiación
infrarroja en función del valor de un parámetro físico que es, por
ejemplo, un campo electromagnético, es decir, que es posible hacer
coincidir el máximo de transmitancia de filtrado con distintas
longitudes de onda incluidas en dicha gama haciendo variar el campo
electromagnético aplicado a dicho dispositivo de filtrado.
El campo electromagnético es más precisamente un
campo eléctrico creado por una fuente 22 de tensión.
Sin embargo, podría tratarse asimismo de un campo
magnético. Un imán, por ejemplo, puede estar fijado en el
electrodo fijo, y una bobina puede estar dispuesta en el electrodo
móvil (o a la inversa). Una corriente que circula en la bobina
permite acercar el electrodo móvil al electrodo fijo y, por tanto,
desplazar la longitud de onda en la que está sintonizado el
dispositivo de filtrado.
El parámetro físico también podría ser la
temperatura. En este caso, los electrodos móvil y fijo podrían
estar separados por un calzo realizado en un material con fuerte
coeficiente de dilatación térmica que, bajo el efecto de una
variación de temperatura, produciría una variación de la distancia
entre los electrodos y, por tanto, una sintonización del
dispositivo de filtrado en una longitud de onda particular.
La fuente 22 de tensión está conectada a los
electrodos móvil y fijo y, cuando se aplica una tensión (figura
3b), el electrodo móvil se deforma y se acerca al electrodo fijo.
La distancia entre los electrodos se reduce a e_{1} (e_{1} <
e_{0}) y, a continuación, la radiación se filtra para la longitud
\lambda_{1} de onda igual a 2e_{1}. Así, para distintos
valores de tensión eléctrica, el dispositivo de filtrado se
sintoniza en distintas longitudes de onda.
La gama de longitudes de onda se extiende por
ejemplo de 4 a 5 \mum.
El aparato 10 comprende además un dispositivo 24
de detección de la radiación que es parcialmente absorbida en el
medio 14 de propagación y que está filtrada por el dispositivo 16
de filtrado.
El dispositivo 24 de detección es un detector de
banda ancha tal como por ejemplo, un bolómetro, una termopila o un
fotodiodo.
La energía contenida en la radiación infrarroja y
recibida por el detector se transforma en una señal eléctrica
representativa de esta radiación.
A continuación, la señal es amplificada, es
convertida en una señal digital por el convertidor 26, y después es
introducida en un microprocesador 28.
Se utiliza un convertidor 30 digital a analógico
para sintonizar la transmisión espectral del filtro 16 en distintas
longitudes de onda.
En la primera aproximación, se puede considerar
la transmitancia de un filtro interferencial como de Gauss
T_{f}(V)=T_{max}(V)exp-\left(
\frac{\lambda - \lambda_{max}(V)}{\sigma
(V)}\right)^{2}
donde V es la tensión de comando del filtro,
\lambda_{max} la longitud de onda del máximo de transmisión, y
\sigma su
anchura.
Para el dispositivo 16 de filtrado sintonizable,
la longitud \lambda_{max} de onda del máximo de transmisión varía
con la tensión V de comando según la relación:
\lambda_{max}(\lambda_{max}-\lambda_{max0})
+ (KV)^{2} =
0
donde
\lambda_{max0} (en \mum) es la longitud de
onda del máximo de transmisión del dispositivo de filtrado a V = 0
(= V_{0}), y K (\mum/V) una constante dependiente de la
construcción del dispositivo de filtrado.
El dispositivo de filtrado está concebido para
estar sintonizado de 5 \mum a 4 \mum con tensiones aplicadas de
0 a 20V, lo que corresponde a un valor de K sensiblemente igual a
0,10 \mum/V.
La operación de calibración en longitud de onda
consistente en determinar inicialmente (es decir, antes de
cualquier uso del dispositivo 16 de filtrado y del sensor 10) la
relación ) \lambda_{max} (V), se realiza en laboratorio mediante
un espectrómetro de transformada de Fourier, igual que la
operación de calibración en amplitud del sensor, y los datos que
resultan de estas operaciones son memorizados en el microprocesador
28. El dispositivo de filtrado se monta a continuación en el
sensor, y este último se instala en el lugar de su utilización.
Ahora bien, por ejemplo, cuando la temperatura a
la que está sometido el dispositivo de filtrado en uso es distinta
de la que reina alrededor de dicho dispositivo de filtrado durante
su calibración, puede producirse un desvío del dispositivo de
filtrado en longitud de onda que se traduce, por ejemplo, por una
sintonización del dispositivo de filtrado en las longitudes de onda
iguales a 4,9 y 3,8 \mum para las tensiones respectivas de 0 y
20V en lugar de las longitudes de onda respectivas 5 y 4
\mum.
Si no se aporta ninguna corrección, el sensor de
gas perderá su precisión al determinar la concentración de
monóxido de carbono.
La invención prevé la utilización de al menos una
marca de absorción de una sustancia gaseosa presente de manera
natural en el volumen de gas a analizar para calibrar en frecuencia
el dispositivo 16 de filtrado in situ.
El procedimiento según la invención consiste en
seleccionar en la gama de longitudes de onda que se extienden de 4
a 5 \mum una longitud de onda particular correspondiente a una
marca de gas de absorción que está siempre presente en esta
gama.
Efectivamente, no sería necesario elegir una
marca de absorción, como por ejemplo, la de un gas interferente,
que podría desaparecer con el tiempo o consecutivamente a las
variaciones de diversos parámetros tales como la presión o la
temperatura.
En el presente caso, la elección de una marca de
gas de dióxido de carbono es particularmente apropiada, puesto que
la posición de las marcas de gas del CO2 no depende ni de la
precisión ni de la temperatura y estas marcas están siempre
presentes en la atmósfera.
Para otras aplicaciones (entorno distinto, gama
de longitudes de onda distintas...) podría ser interesante
seleccionar, por ejemplo, una marca de gas de absorción del vapor
de agua para medidas atmosféricas o una marca de gas de absorción
del metano.
Se encuentran marcas de absorción de estos gases
en numerosas longitudes de onda: 1,893 \mum (número de onda de
aproximadamente 5281 cm^{-1}) o 1,855 \mum (número de onda de
aproximadamente 5390 cm^{-1}) para H_{2}O (figura 6), 4,280
\mum (número de onda de aproximadamente 2336 cm^{-1}) o 4,237
\mum (número de aproximadamente 2360 cm^{-1}) para CO_{2}
(figura 7).
Preferiblemente, la marca de absorción
seleccionada debe ser fina, es decir, que su anchura debe ser
inferior o igual a la anchura espectral del dispositivo de filtrado
en la parte que forma un pico centrado alrededor de la transmisión
máxima, para que puedan descubrirse posibles desplazamientos de la
transmisión espectral de dicho dispositivo de filtrado.
Preferiblemente, esta marca de absorción debe
además ser suficientemente intensa con respecto a las otras marcas
de gas presentes en la gama de longitudes de onda, para poder
distinguirla fácilmente de éstas.
Si la marca seleccionada corre el riesgo de ser
enmascarada por otras marcas de gas, ésta perdería todo su interés
como referencia natural para la calibración. La marca de absorción
del dióxido de carbono que se encuentra para una longitud de onda de
4,237 \mum responde a los criterios anteriormente definidos para
esta aplicación y por tanto puede utilizarse como referencia
natural.
La anchura espectral de la marca elegida está
próxima a 1nm, mientras que la del dispositivo de filtrado está
próxima a 10nm.
Antes de utilizar el dispositivo de filtrado, tal
como se ha explicado anteriormente, éste se calibra en longitud de
onda (relación \lambda (V)) y el sensor se calibra en amplitud con
un gas patrón del que se conoce la composición, para memorizar en
el microprocesador 28 los pares de valores tensión / longitud de
onda que verifican la relación [1] y que corresponde a puntos de
funcionamiento del dispositivo de filtrado durante su uso.
Estos pares memorizados deben comprender el par
V_{i} / 4,237 \mum correspondiente al punto de funcionamiento
del dispositivo de filtrado, cuando la transmisión espectral del
mismo está sintonizada en la longitud de onda 4,237 aun bajo una
tensión eléctrica igual a V_{i}.
Asimismo, es posible memorizar únicamente este
par V_{i}/4,237 aun durante la calibración y calcular y memorizar
finalmente los otros pares de valores tensión / longitud de onda
correspondiente a los puntos de funcionamiento del dispositivo de
filtrado durante su uso.
Tras el uso del sensor 10, que integra el
dispositivo 16 de filtrado, es decir tras una duración
predeterminada, es decir para una razón particular, se puede desear
una nueva calibración del dispositivo de filtrado en longitud de
onda. Para realizarlo, se aplica una serie de tensiones al
dispositivo 16 de filtrado por medio del microprocesador 28, lo que
tiene como efecto sintonizar la transmisión espectral de éste en
distintas longitudes de onda de la gama [4 ; 5\mum]. Se recoge
para cada tensión la señal correspondiente a la salida del detector
24.
Conociendo la tensión V_{i} inicial, para la
que estaba sintonizada la transmisión espectral del dispositivo de
filtrado en 4,237 \mum, el microprocesador 28 identifica entre
las señales numeradas aquella que tiene la intensidad más débil
para una posición del dispositivo de filtrado correspondiente a una
tensión próxima de V_{i}.
El valor V_{f} de la tensión para la que se
obtiene la señal está memorizado en asociación con la longitud de
onda de 4,237 \mum y el desvío del dispositivo de filtrado se
proporciona por la diferencia \DeltaV = | V_{f} - V_{i} |.
Conociendo este desvío y conociendo las
longitudes \lambda_{max} de onda en las que debe sintonizarse
la transmisión espectral del dispositivo de filtrado, los nuevos
valores V' de la tensión para las que esta sintonización puede
obtenerse son deducidas de la relación V' = V + \DeltaV.
Este procedimiento es ventajoso porque permite
una recalibración de la relación \lambda_{max} (V) del
dispositivo de filtrado en al menos un punto donde se produce una
verificación de su estabilidad en longitud de onda sin desmontar el
dispositivo 16 de filtrado ni el sensor 10.
La recalibración en varios puntos permite poder
tener en consideración relaciones \lambda (V) más complicadas que
aquella descrita más arriba.
Además, este procedimiento es independiente de la
temperatura y de la presión puesto que la marca de referencia no
es sensible a estas magnitudes.
En otra aplicación ilustrada por el aparato 32 de
la figura 4, el aparato de la figura 2 conserva la misma
estructura que la anteriormente descrita, pero una célula 34 que
encierra una muestra de gas a analizar está colocada en el medio 14
de propagación en la trayectoria de la radiación infrarroja emitida
por la fuente 12.
Los elementos idénticos a los de la figura 2
conservan las mismas referencias.
Es posible, o bien conservar como
referencia(s) la(s) marca(s) de gas de
absorción presente(s) de manera natural en el medio de
propagación (ejemplo: marcas del CO_{2} o del vapor de agua) en
cuyo caso, el procedimiento de calibración del dispositivo 16 de
filtrado tal como el anteriormente descrito se aplica de manera
análoga, o bien seleccionar una o varias marcas de gas de absorción
presentes de manera natural en el gas de la célula de la que se
desea medir la transmisión espectral y aprovecharse de la misma
para calibrar el dispositivo 16 de filtrado en longitud de
onda.
Esta última solución podría consistir por ejemplo
en seleccionar marcas del metano en una célula que encierra gas
natural del que se desea medir el poder calorífico.
Según una variante de realización, el
procedimiento según la invención puede consistir en seleccionar dos
marcas de gas de absorción cuyas longitudes de onda están situadas
en la gama de longitudes de onda considerada [4 ; 5 \mum] que son
finas, intensas y siempre están presentes en esta gama.
Por ejemplo, las dos marcas pueden ser las del
CO_{2} en 4,237 y en 4,280 \mum.
Es ventajoso seleccionar una segunda marca de gas
de absorción y utilizar para la calibración del dispositivo de
filtrado teniendo en cuenta el hecho de que el(los)
material(es) constitutivo(s) de dicho dispositivo de
filtrado pueden envejecer con el tiempo. Así, el módulo de Young
del material puede variar produciendo con ello una variación de la
constante K anteriormente definida.
Utilizando las dos marcas de gas de absorción
anteriores, los 2 parámetros, \lambda_{max0} y K que
caracterizan la relación [1], pueden determinarse de la siguiente
manera:
Se buscan las tensiones V_{1} y V_{2}
correspondientes al primer y al segundo mínimo de la transmitancia
del dispositivo 16 de filtrado, lo que consiste, de hecho, en una
búsqueda del mínimo local alrededor de cada valor de tensión por la
que el dispositivo de filtrado estaba inicialmente sintonizado en
la longitud de onda de la marca de referencia.
A partir de los valores de V_{1} y V_{2} así
obtenidos se puede calcular:
\lambda_{\text{max
0}}\frac{\lambda_{1}^{2}V_{2}{}^{2}-\lambda_{2}^{2}V_{1}{}^{1}}{\lambda_{1}V_{2}{}^{2}-\lambda_{2}V_{1}{}^{2}}
y
K=\frac{\sqrt{\lambda_{1}\left(\frac{\lambda_{1}^{2}V_{2}{}^{2}-\lambda_{2}^{2}V_{1}{}^{2}}{\lambda_{1}V_{2}{}^{2}-\lambda_{2}V_{1}{}^{2}}-\lambda_{1}\right)}}{V_{1}}
Los valores de tensión a aplicar al dispositivo
de filtrado para obtener las longitudes de onda deseadas pueden
calcularse entonces a partir de la relación [1] y coeficientes
\lambda_{max0} y K que se acaban de determinar.
Conviene destacar que puede ser interesante
seleccionar más de dos marcas de gas de absorción, por ejemplo,
para mejorar la precisión de la recalibración.
La búsqueda de estas marcas puede realizarse
designando el orden en el que aparecen durante la primera
calibración e indicándolas.
El procedimiento según la invención puede
aplicarse igualmente a un dispositivo de filtrado incluido en un
analizador de una mezcla de gas o en un aparato de medida del poder
calorífico de un gas, tal como por ejemplo el gas natural.
Este último comprende los mismos elementos 12 a
28 que aquellos representados en las figuras 2, 3a y 3b.
La gama de longitudes de onda en la que la
transmisión espectral del dispositivo 16 de filtrado puede
sintonizarse se extiende, por ejemplo, de 1,50 a 1,85 \mum.
En el gas natural, el metano es un constituyente
principal siempre presente, por tanto es particularmente
interesante seleccionar una marca de absorción del metano como
referencia natural para proceder a la calibración en frecuencia del
dispositivo 16 de filtrado in situ.
La marca correspondiente a 1,666 Km es la más
intensa de todas las marcas de absorción en la gama de longitudes
de onda establecidas y ésta es suficientemente fina (1nm) con
respecto a la anchura espectral del dispositivo 16 de filtrado
(10nm).
El procedimiento de calibración según la
invención se utiliza de la misma manera que la anteriormente
indicada por el sensor de CO.
Dado que la marca de absorción en 1,666 \mum es
la más intensa de todas las marcas en la gama [1,50 ; 1,85 \mum],
se facilita la detección de la señal mínima en la salida del
detector 24.
Tal como se indica por las flechas de la figura 5
que representa la transmitancia T en función de la longitud k de
onda, dos marcas de absorción del metano pueden seleccionarse en la
gama [1,50; 1,85 \mum], la marca en 1,666 y la de 1,731
\mum.
Se obtienen así las ventajas anteriormente
mencionadas para el sensor de CO.
A título de ejemplo, el gas natural tiene la
siguiente composición:
| Metano | 89,5% |
| Etano | 5% |
| Propano | 1% |
| Butano | 0,6% |
| Pentano | 0,3% |
| Gases neutros | 3,6% |
Varias longitudes \lambda_{1} a \lambda_{5}
de onda van a utilizarse para determinar la contribución de los
distintos constituyentes del gas natural anteriormente citados a
excepción de los gases neutros que no aportan ninguna contribución
al poder calorífico.
Estas longitudes de onda son tales que a cada una
de ellas corresponde a la contribución de varios constituyentes
combustibles.
Aplicando una tensión V de determinado valor, por
ejemplo igual a 20V, al dispositivo 16 de filtrado, éste se
sintoniza en la longitud \lambda_{1} de onda y el detector 24
suministra una señal eléctrica correspondiente a S_{1} (V):
S1(V) = \int E \
(\lambda) \ \theta gas \ (\lambda , xi) \ \theta f \ (\lambda , V)
\ Sd \ (\lambda) \
d\lambda
donde E (\lambda) designa la intensidad
luminosa emitida por la fuente
12,
\theta gas \ (\lambda, \
x_{1}) = exp \ (-L \ \sum\alpha_{i} \ (\lambda). \
Xi)
designa la respuesta espectral producida por
todos los constituyentes combustibles gaseosos presentes en esta
longitud de onda, designando L la longitud de la trayectoria óptica
en el
gas,
representando x_{i} el número de moles del
constituyente combustible i por unidad de volumen a la presión P y
a la temperatura T,
designando \alpha_{i} el coeficiente de
absorción del constituyente combustible i, y dependiendo de la
longitud de onda, de la presión y de la temperatura,
representando \thetaf (\lambda, V) la
transmisión óptica producida al dispositivo 16 de filtrado y
representando Sd la respuesta espectral del detector.
Sintonizando el dispositivo 16 de filtrado en las
distintas longitudes \lambda_{1} a \lambda_{5} de onda para
distintos valores de tensión V_{1} a V_{5} se miden los valores
S_{1}(V_{1}) a S_{5}(V_{5}). La absorbancia A
se define como sigue A(V) = Ln(1/S(V)), donde
Ln designa la función logaritmo neperiano, y se obtiene el
siguiente sistema de cinco ecuaciones:
A_{1} (V_{1}) = a_{11} X_{1} + a_{21}
x_{2} + ... + a_{51}
x_{5}
A_{2} (V_{2}) = a_{12} x_{1} + a_{22}
x_{2} + ... + a_{52}
x_{5}
.................................
A_{5} (V_{5}) = a_{15} x_{1} + a_{25}
x_{2} + ... + a_{55}
x_{5}
donde los términos aij dependen del constituyente
i y del aparato
10.
Antes de utilizar la invención en un gas natural
de composición desconocida, se procede a una etapa de calibración
previa en el laboratorio introduciendo en el aparato 10 varios
gases con constituyentes de numerosos moles por unidad de volumen
xi conocidas en T y P dadas.
La etapa de calibración en longitud de onda del
dispositivo de filtrado efectuada en el laboratorio se realiza
habitualmente mediante un espectrómetro de transformada de
Fourier.
El procedimiento según la invención permite
efectuar esta calibración sin tener que recurrir a un
espectrómetro, utilizando únicamente por ejemplo las dos marcas del
metano en 1,666 y en 1,791 \mum.
Para realizarlo, se introduce una primera mezcla
conocida de gas en el aparato 10 y se hace variar la tensión V
aplicada al dispositivo 16 de filtrado para hacer coincidir el
máximo de transmisión de dicho dispositivo de filtrado con las
longitudes de onda de las marcas de referencia del metano
anteriormente mencionadas.
Desde que se obtienen los valores V_{a} y
V_{b} de la tensión para los que se sintoniza la transmisión
espectral del dispositivo de filtrado en las longitudes de onda
1,666 y 1,791 \mum, los parámetros K y \lambda_{max0} (V) se
determinan de la manera ya indicada más arriba y, por tanto, la
relación \lambda_{max}(V) se conoce perfectamente.
Conociendo esta relación
\lambda_{max}(V) que se escribe bajo la forma
\lambda_{max}(V) \
(\lambda_{max}(V)\ - \ \lambda_{max0} \ + \ (KV)^{2} \ = \
0
así como las longitudes de onda
\lambda_{1}(i = 1, 5), se deducen fácilmente las
tensiones V_{i}(i = 1, ..., 5) que corresponden
respectivamente a las posiciones del dispositivo 16 de filtrado
para las que el máximo de transmisión de dicho dispositivo de
filtrado coincide con las longitudes \lambda_{i} de
onda.
Los valores K, \lambda_{max0} y los pares
V_{a} / 1,666 im, V_{b} / 1,791 y V_{i} / \lambda_{1} se
memorizan en el microprocesador 28 de la figura 4.
Las tensiones V_{i} (i = 1, ..., 5) obtenidas
de esta manera se aplican sucesivamente al dispositivo de filtrado
para que su transmisión espectral se sintonice en las longitudes
\lambda_{i}(1 = 1, ..., 5) de onda y para cada par
V_{i} / \lambda_{1}, el detector proporciona un valor
S_{i1}(V_{i}).
De este modo se obtiene un sistema de cinco
ecuaciones:
A_{11} (V_{1}) =
a_{11} x_{1} + ... + a_{51}
x_{5}
...
A_{51} (V_{5}) =
a_{15} x_{1} + ... + a_{55}
x_{5}
donde se conocen los x_{i} (i = 1, ..., 5) y
donde los términos a_{ij} son los que se
desconocen.
Al introducir otras cuatro mezclas conocidas de
gas en el aparato 10, se obtienen así veinte ecuaciones adicionales
con los mismos términos a_{ij}; que anteriormente.
Esto permite entonces calcular por un método
matemático conocido, tal como por ejemplo un método de resolución
de ecuaciones lineales, siendo los coeficientes a_{ij} definidos
de la siguiente manera:
donde los índices k identifican la respectiva
mezcla conocida de
gas.
A título de variante, conviene notar que puede
efectuarse una medición de referencia eligiendo una longitud de
onda a la que no corresponde la contribución de ningún
constituyente de la mezcla de gas, y la tensión correspondiente se
deduce de la relación \lambda_{max}(V) anteriormente
citada.
Esta tensión se aplica al dispositivo de filtrado
y se recoge el valor S_{ref} en la salida del detector, después
se hace la relación de cada uno de los valores
S_{ij}(V_{i}) con este valor S_{ref}. Esta relación
S_{ij}(V_{i}) / S_{ref} se utiliza a continuación en
lugar del valor S_{ij}(V_{i}) en la expresión de arriba,
y esto permite eliminar los desvíos del aparato 10.
Al invertir la matriz [a_{ij}] por un método
matemático clásico de inversión, se llega a un sistema de
ecuaciones
De esta manera, los valores x_{i} se
escriben
Es suficiente memorizar los datos b_{ij}
calculados durante la calibración en la memoria del microprocesador
28, y cuando se trata de un gas natural de composición y por tanto
de poder calorífico desconocidos, los diferentes valores
A_{j}(V) se miden por diferentes longitudes de onda del
filtro obtenidas por los valores de tensiones correspondientes y
deduciéndose fácilmente los términos x_{i}.
El poder calorífico H (P, T) del gas se
escribe
donde H_{i} representa el poder calorífico del
constituyente i en Julios por
mol.
Por consiguiente, una vez que se determinan los
términos x_{i}, el poder calorífico H (P, T) se obtiene
directamente.
Claims (18)
1. Procedimiento de calibración en longitud de
onda de un dispositivo (16) de filtrado de una radiación
electromagnética que está incluido en un aparato (10; 32) que mide
la transmisión espectral de un medio de propagación externa a dicho
aparato y en cuyo medio dicha radiación se propaga, presentando
dicho dispositivo de filtrado una transmisión espectral
sintonizable en una gama de longitudes de onda de dicha radiación
en función del valor de un parámetro físico, caracterizado
porque dicho procedimiento consiste en:
- seleccionar al menos una marca de gas de
absorción que esté siempre presente en estado natural en el medio
de propagación y cuya longitud de onda correspondiente esté
incluida en dicha gama de longitudes de onda de sintonización del
dispositivo de filtrado,
- y calibrar el dispositivo de filtrado con
respecto a dicha al menos una marca de gas de absorción que sirve
de referencia natural.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, que
consiste en seleccionar dicha al menos una marca de gas de
absorción que sea, por una parte, de una amplitud espectral
inferior o igual a aquella del dispositivo de filtrado, y de otra
parte, suficientemente intensa para no poder ser enmascarada por
otras marcas de gas.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
que consiste sucesivamente en:
- hacer variar el parámetro físico aplicado al
dispositivo (16) de filtrado para hacer coincidir el máximo de la
transmisión espectral de dicho dispositivo de filtrado con la
longitud de onda de la marca de gas de referencia,
- deducir el(los) coeficiente(s) de
la ley que rige la sintonización del dispositivo (16) de filtrado
en longitud de onda, conociéndose previamente el desarrollo general
de dicha ley,
- determinar a partir de esta ley otros valores
del parámetro físico correspondiente cada uno a una longitud de
onda a la que está sintonizada la transmisión espectral del
dispositivo de filtrado durante su utilización.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, que consiste en calibrar el dispositivo (16)
de filtrado cuando el aparato se ha instalado en su lugar de
utilización.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, según el cual el aparato comprende
además:
- al menos una fuente (12) de la radiación
electromagnética y
- un dispositivo de detección (24) de la
radiación emitida por la fuente, estando dicha fuente y dicho
dispositivo (24) de detección separados por el medio de
propagación.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, que
consiste en interponer un volumen de gas cuya transmisión espectral
entre la fuente (12) y el dispositivo (24) de detección se desea
medir.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 2 a 6, que consiste en seleccionar en dicha gama de
longitudes de onda de la radiación electromagnética la marca de gas
de absorción que presenta la intensidad más fuerte con respecto a
las otras marcas de gas de absorción.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7, que consiste en seleccionar en dicha gama de
longitudes de onda de la radiación electromagnética dos marcas de
gas de absorción.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 8, según el cual la radiación electromagnética
es del tipo infrarrojo.
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
según el cual una de las marcas de gas de absorción es aquella del
metano a 1,666 micras.
11. Procedimiento según la reivindicación 9 ó 10,
según el cual una de las marcas de gas de absorción es aquella del
metano a 1,791 micras.
12. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 11, que consiste en aplicar al dispositivo de
filtrado como parámetro físico un campo eléctrico bajo la forma de
una tensión eléctrica.
13. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 12, según el cual el dispositivo de filtrado es
un interferómetro (16) de Fabry-Perot.
14. Procedimiento según la reivindicación 13,
según el cual el interferómetro (16) de Fabry-Perot
es un interferómetro corto.
15. Procedimiento según la reivindicación 13 6
14, según el cual el interferómetro (16) de
Fabry-Perot es un interferómetro
micro-mecanizado.
16. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 15, según el cual el aparato es un analizador
(10; 32) de gas.
17. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 15, según el cual el aparato es un aparato
(10; 32) de medida del poder calorífico del gas.
18. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 15, según el cual el aparato es un sensor (10;
32) de gas.
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