ES2240433T3 - Dispositivo para determinar los valores de al menos un parametro, particularmente el tamaño, de particulas tales como gotitas de agua. - Google Patents
Dispositivo para determinar los valores de al menos un parametro, particularmente el tamaño, de particulas tales como gotitas de agua.Info
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Abstract
Dispositivo para determinar los valores de al menos un parámetro, particularmente el tamaño, de partículas, en particular de gotitas de agua, comportando dicho dispositivo (1): - un elemento de medición (2) que comprende una zona de medición (ZM) que está destinada a recibir dichas partículas; - unos medios de iluminación (M1) susceptibles de realizar una iluminación de dicha zona de medición (ZM); - unos medios de toma de imagen (M2) que comportan al menos una cámara (3) susceptible de tomar al menos una imagen de dicha zona de medición (ZM) iluminada por dichos medios de iluminación (M1); y - unos medios de tratamiento (4) susceptibles de determinar los valores de dicho parámetro, a partir de dicha imagen tomada por la cámara (3), caracterizado porque dichos medios de iluminación (M1) están formados de manera que realicen una fuente de iluminación puntual, a través de un haz luminoso (7A, 7B) cuyos rayos luminosos (RA, RB) estén focalizados en una óptica del objetivo (12A, 12B) de los medios de toma de imagen (M2).
Description
Dispositivo para determinar los valores de al
menos un parámetro, particularmente el tamaño, de partículas tales
como unas gotitas de agua.
La presente invención se refiere a un dispositivo
para determinar los valores de al menos un parámetro,
particularmente el tamaño, de partículas tales como unas gotitas de
agua.
Aunque no exclusivamente, dicho dispositivo se
aplica más particularmente para la detección y caracterización de
condiciones de formación de escarcha en, las aeronaves,
particularmente en los aviones de transporte civil, permitiendo la
medición del tamaño y del número de gotitas de agua presentes en
particular en las nubes y en la niebla por las que atraviesa una
aeronave.
Es sabido que el problema de formación rápida de
escarcha en una aeronave es un problema grave que puede provocar
accidentes cuando se produce repentinamente y no ha podido ser
detectada a tiempo.
Por las patentes US-5- 484 121,
EP-0 405 625 y GB-2 158 939, se
conocen unos dispositivos para detectar la presencia de hielo (o de
escarcha) en las partes externas de una aeronave, particularmente
las alas, una vez se haya formado este hielo. Estos dispositivos
utilizan, para ello, haces luminosos y tienen en cuenta la reflexión
de estos haces luminosos para detectar la presencia de hielo.
Llegado el caso, se emite una señal para informar al piloto que es
necesario activar un dispositivo de descongelación.
Estos dispositivos conocidos presentan,
particularmente, el inconveniente de advertir al piloto únicamente
cuando el hielo ya está formado. Por lo tanto no permiten
anticiparse al fenómeno de formación de hielo y tomar decisiones
adaptadas a las condiciones climáticas antes de que aparezca el
problema.
Se conocen otros dispositivos para caracterizar
condiciones de formación de escarcha, particularmente en el momento
de vuelos de desarrollo o de prueba. Es sabido que, con ocasión de
vuelos de desarrollo, se debe demostrar que las condiciones con las
que uno se encuentra se conforman a las exigencias reglamentarias
dictadas por las autoridades de certificación, lo que valida
entonces el comportamiento del avión en dichas condiciones.
Los dispositivos conocidos, utilizados a este
efecto, están destinados generalmente a determinar la granulometría
de las nubes, es decir, el tamaño, el número y la forma de las
gotitas de agua presentes en estas nubes, y ellas se pueden
clasificar en dos categorías:
- -
- los contadores de partículas, que determinan las características de cada partícula, tomada individualmente; y
- -
- los integradores, que efectúan la suma de las contribuciones de todas las partículas presentes en un volumen de medición.
Estos dispositivos conocidos pueden clasificarse
igualmente en función de su principio de medición, a saber en
particular:
- -
- el diagnóstico por imagen o la técnica de imagen de sombras;
- -
- el efecto Doppler, o
- -
- la difusión de la luz (medición según los ángulos dados).
A título ilustrativo, se pueden citar algunos
ejemplos de dispositivos conocidos que ponen en práctica principios
de diagnóstico por imagen y de la técnica de imagen de sombras y
que actúan por ejemplo como contadores de partículas.
En primer lugar, un dispositivo que es conocido
con la expresión inglesa "Optical Array Probe" pone en
práctica usualmente, el principio llamado de imagen de sombras con
varillas. En este caso, una partícula que pase en un haz luminoso
colimado produce una sombra directamente relacionada con su
diámetro en una varilla de detectores espaciados por intervalos
iguales. Cuando no hay partículas en el volumen de medición
considerado, el haz luminoso ilumina todos los detectores. Por el
contrario, cuando una partícula atraviesa dicho volumen de medición,
una pérdida de luz debida a la difusión, refracción y absorción de
la partícula genera una señal a la salida de los detectores. El
número de detectores que acusen una variación de amplitud mayor que
un umbral determinado (por ejemplo del 50%) es sumado para que dé
directamente el tamaño de la partícula. Sin embargo, este
dispositivo conocido presenta una gama de medición limitada y no
puede medir con precisión partículas cuyo diámetro sea inferior a
100 \mum.
En segundo lugar, un dispositivo que es conocido
con la expresión inglesa "Cloud Particle Imager" genera dos
haces láser. La intersección de estos dos haces láser define un área
de muestreo rectangular. Se focaliza bien cualquier partícula que
pase por este área de muestreo rectangular y activa una iluminación
por un láser de diagnóstico por imagen, con vistas a realizar una
toma de imagen. Se colocan unos detectores enfrente de los haces
láser: permiten detectar el paso de partículas por la medición de la
disminución de intensidad producida al pasar estas partículas. Se
lleva a cabo la medición del diámetro de las partículas a partir de
la imagen de la partícula bien focalizada. Sin embargo, este
dispositivo conocido es voluminoso y presenta un volumen demasiado
importante para aportar una mejora a las dificultades operacionales
indicadas a continuación y relacionadas con los dispositivos
actualmente utilizados en las pruebas durante el vuelo.
En tercer lugar, por la patente
FR-2 689 247, se conoce un dispositivo de medición
que comporta particularmente:
- -
- una vara que comprende una zona de medición que está destinada a recibir las partículas a analizar;
- -
- unos medios de iluminación susceptibles de realizar una iluminación de dicha zona de medición, por medio de al menos un haz luminoso;
- -
- unos medios de toma de imagen susceptibles de tomar las imágenes de dicha zona de medición iluminada por dichos medios de iluminación; y
- -
- unos medios de tratamiento susceptibles de determinar los valores de dicho parámetro, a partir de dichas imágenes.
Más concretamente, este último dispositivo
conocido emite un haz luminoso pulsado que es transportado por fibra
óptica y que se focaliza sobre la zona de medición. El transporte de
imagen se hace también por fibra óptica hasta una lámina separadora
que divide y orienta el haz hacia los medios de toma de imagen que
comprenden dos sensores del tipo "CCD". Se registra una primera
imagen según un cierto eje de mira en uno de los sensores. Al cabo
de un tiempo muy corto, se registra una segunda imagen siguiendo el
mismo eje de mira en el otro sensor. A partir de la sustracción de
estas dos imágenes se obtiene un doblete sombra/claro que se destaca
bien del fondo uniforme, a partir del cual es posible deducir el
tamaño y la velocidad de las partículas captadas en la imagen. Este
dispositivo conocido permite eliminar la mayor parte de los
defectos del fondo. Los medios de toma de imagen con doble sensor
se comportan en efecto como un doble obturador y sólo ven el campo
durante dos lapsos de tiempo muy cortos.
Sin embargo, este dispositivo conocido presenta
un volumen de medición reducido. Es sabido que el volumen de
medición analizado por segundo es igual al volumen de medición
asociado a cada imagen, multiplicado por la frecuencia de imagen de
los medios de toma de imagen.
En lo que se refiere al volumen de medición
asociado a cada imagen, está relacionado con el tamaño del sensor
(dividido por la ampliación) y la profundidad de campo.
Por consiguiente, particularmente en razón de su
volumen de medición reducido, el dispositivo conocido descrito por
la patente FR-2 689 247 no está adaptado a las
aplicaciones consideradas en la presente invención, referidas a la
medición de parámetros de gotitas de agua, ya que, particularmente
debido a las concentraciones a menudo relativamente reducidas de las
gotitas de agua presentes en las nubes analizadas en el curso de
pruebas, es necesario un volumen de medición importante para dicha
aplicación.
Se observará, por otra parte, que los diferentes
dispositivos conocidos comportan diversos inconvenientes molestos
para la aplicación preferida antes citada. En efecto, los
dispositivos conocidos están, en general, mal adaptados a las
inclemencias meteorológicas y tensiones operacionales previstas, en
razón particular debido a las dificultades siguientes: una
instalación larga y difícil en una aeronave, un volumen muy
importante, una explotación difícil de los resultados,... Además, la
mayoría de estos dispositivos conocidos presentan una gama reducida
de medición del tamaño de las gotitas, que es reducido y no están
en situación de detectar y analizar al mismo tiempo las gotas
pequeñas y grandes sobrefundidas (agua a temperatura inferior a 0ºC)
y conocidas con la expresión inglesa "Super Cooled Large
Droplet" que, como es sabido, favorecen la aparición de
escarcha.
La presente invención se refiere a un dispositivo
para determinar los valores de al menos un parámetro,
particularmente el tamaño, de partículas, en particular gotitas de
agua, que permita remediar los inconvenientes antes citados y que
comprende particularmente un mayor volumen de medición.
A este efecto, según la invención, dicho
dispositivo del tipo que comporta:
- -
- un elemento de medición que comprende una zona de medición que está destinada a recibir las partículas;
- -
- unos medios de iluminación susceptibles de realizar una iluminación de dicha zona de medición;
- -
- unos medios de toma de imagen que comportan al menos una cámara susceptible de tomar al menos una imagen de dicha zona de medición iluminada por dichos medios de iluminación; y
- -
- unos medios de tratamiento susceptibles de determinar los valores de dicho parámetro, a partir de dicha imagen tomada por la cámara, es notable porque dichos medios de iluminación están formados de manera que realicen una fuente de iluminación puntual, por medio de un haz luminoso, cuyos rayos luminosos se focalizan en una óptica del objetivo de los medios de toma de imagen.
Así, gracias a esta iluminación puntual, se
aumenta el contraste (en la o las imágenes tomadas), de la sombra de
las partículas situadas en la zona de medición. Este aumento del
contraste produce una mejor observabilidad de las partículas a falta
de puesta a punto y, por lo tanto, un aumento de la profundidad de
campo, ya que la imagen sigue siendo observable para unos valores de
desfocalización más importantes. Por su parte este aumento de la
profundidad de campo produce una ampliación del volumen de medición
que, como se ha indicado anteriormente, depende del tamaño del
sensor y de la profundidad de campo.
En un modo de realización preferido, para
realizar dicha iluminación puntual, dichos medios de iluminación
comportan al menos un conjunto óptico que comprende:
- -
- una fuente luminosa, de preferencia una fuente láser, susceptible de generar un haz luminoso;
- -
- una fibra óptica conectada por una primera extremidad a dicha fuente luminosa y susceptible de transmitir un haz luminoso generado por esta última; y
- -
- una óptica del campo dispuesta en una segunda extremidad opuesta a dicha primera extremidad de dicha fibra óptica y que focaliza el haz luminoso que emerge de dicha fibra óptica en el centro de la óptica del objetivo de la cámara de dichos medios de toma de imagen.
De preferencia, dicha fibra óptica es una fibra
monomodal, es decir una fibra que permita por su construcción
transmitir sólo un modo de un haz láser. Esto permite impedir la
aparición de un ruido parásito.
Además, para aumentar todavía más el volumen de
medición, de modo ventajoso:
- -
- dichos medios de iluminación comportan una fuente luminosa que genera un haz luminoso coherente, lo que permite aumentar el contraste antes citado; y/o
- -
- se utiliza una cámara que presente una cadencia de toma de imágenes elevada; y/o
- -
- dicha cámara comprende unos medios que realizan una apertura de esta última para tomar una imagen, realizando dichos medios de iluminación la iluminación bajo forma de destellos luminosos y son accionados de manera que emitan al menos dos destellos luminosos durante una única y misma apertura de la cámara en el momento de la toma de imagen. Así, se multiplica el volumen de medición que se observa mientras dure la apertura de la cáma-ra.
Para la puesta en práctica de esta última
característica, de preferencia, dichos medios de iluminación
comportan un láser pulsado con absorbente saturable para emitir
dichos destellos luminosos, es decir un láser que permita emitir
destellos luminosos de muy corta duración. Esto permite prescindir
de la velocidad de flujo de las partículas. En efecto, el destello
luminoso inmoviliza las partículas.
Por otra parte, para aumentar la gama de los
tamaños de partículas medidas, particularmente de gotitas de agua,
de modo ventajoso, dichos medios de iluminación están formados de
manera que emitan secuencialmente al menos dos destellos luminosos
dedicados a una medición de diámetros diferentes.
Para ello, en un modo de realización preferido,
dichos medios de iluminación comportan dos fuentes láser asociadas
respectivamente a unas ópticas de ampliación diferentes, y dichos
medios de toma de imagen comportan una única cámara y unos medios
ópticos que permitan dirigir los dos haces láser emitidos por dichas
dos fuentes láser, a dicha cámara.
Para aumentar todavía más la gama de medición,
dichos medios de tratamiento están formados de manera que determinen
dicho parámetro por imagen de sombras.
Por otra parte, ventajosamente, dichos medios de
iluminación están formados de manera que emitan dos destellos
luminosos espaciados de una duración predeterminada, estando formada
dicha cámara de manera que tome una imagen en el momento de la
emisión de cada uno de dichos destellos luminosos y dichos medios de
tratamiento están formados de modo que determinen, como parámetro,
el vector velocidad de dichas partículas, a partir de la
superposición de dos imágenes relativas a dichos dos destellos
luminosos y de dicha duración predeterminada.
A este efecto, dichos medios de iluminación
comportan, de preferencia, una fuente luminosa y una fibra óptica
que está conectada a dicha fuente luminosa.
Además, ventajosamente, el dispositivo según la
invención comporta asimismo:
- -
- un filtro interferencial que está dispuesto en la entrada de dicha cámara, para eliminar la luz parásita que pudiera alcanzar la cámara; y/o
- -
- un tratamiento antirreflectante, para evitar las interferencias; y/o
- -
- una zona de medición que está delimitada por al menos una ventanilla; y/o
- -
- unos medios para insuflar aire, de preferencia filtrado, en la cara externa de dicha ventanilla, lo que impide la aparición de suciedad sobre dicha ventanilla.
En un modo de realización preferido, dicho
elemento de medición es una vara provista de una abertura pasante,
de preferencia oblonga, en una primera de sus extremidades,
conteniendo dicha abertura pasante dicha zona de medición.
Además, ventajosamente, el dispositivo según la
invención comporta asimismo una protección detallada a continuación,
que protege contra dichas partículas generalmente en movimiento, a
todo dicho dispositivo, con la excepción de al menos dicha primera
extremidad de la vara que, por su parte, es llevada directamente al
ambiente que contiene dichas partículas.
Además, ventajosamente, al menos dicha primera
extremidad de la vara está aislada eléctricamente de manera que
convierta al dispositivo según la invención poco atractivo para los
rayos, por ejemplo en el caso en que dicho dispositivo estuviera
dispuesto sobre una aeronave, como se indica a continuación.
Se observará, por otra parte, que el dispositivo
según la invención es particularmente apropiado para proporcionar, a
las autoridades de certificación, unas informaciones fiables y de
calidad sobre las condiciones con las que se encuentra una aeronave
con ocasión de pruebas durante el vuelo. Naturalmente, se le ofrecen
otras posibilidades de uso, tales como la certificación de
helicópteros en vuelos estacionarios, la comprobación de las
condiciones producidas en túneles de soplado para formar escarcha,
las mediciones en tierra con malas condiciones de visibilidad
(niebla,...).
Otra aplicación interesante se refiere a la
prevención y la anticipación de condiciones que produzcan escarcha
sobre una aeronave. En efecto, como se ha indicado anteriormente,
la mayoría de los dispositivos existentes sólo avisan al piloto
cuando la escarcha ya está instalada sobre las zonas sensibles de la
aeronave. Por el contrario, el conocimiento de las condiciones que
llevan a la formación de escarcha por el estudio de las gotitas que
componen la nube, asociado a informaciones de temperaturas, permite
anticipar esta formación de escarcha. Así, gracias al dispositivo
según la invención que permite el estudio de las gotitas de agua en
toda la gama de medición a tener en cuenta, es posible avisar al
piloto de la probable formación de escarcha antes de que ésta se
forme en las zonas sensibles de la aeronave.
La presente invención se refiere igualmente a una
aeronave, en particular un avión de transporte civil, que es notable
porque comporta un dispositivo tal como el citado, para determinar
los valores de dicho parámetro de gotitas de agua presentes en el
exterior de dicha aeronave.
De modo ventajoso, dicha aeronave comporta además
un manguito:
- -
- que está dispuesto en el fuselaje de la aeronave de manera que cree una abertura pasante;
- -
- que presenta un diámetro adaptado al diámetro de la vara precitada del dispositivo según la invención de modo que este último pueda estar dispuesto de modo estanco en dicho manguito; y
- -
- que es susceptible de cerrarse de modo estanco, en ausencia de dicha vara.
Así, el dispositivo según la invención puede ser
montado y desmontado fácil y rápidamente. Además, sólo se modifica
ligeramente la aerodinámica de la aeronave.
Las figuras del dibujo adjunto harán comprender
como puede realizarse la invención. En estas figuras, referencias
idénticas designan elementos semejantes.
La figura 1 ilustra esquemáticamente un
dispositivo según la invención.
La figura 2 es un esquema óptico que permite
ilustrar un principio de funcionamiento del dispositivo según la
invención.
Las figuras 3 y 5 son vistas esquemáticas,
respectivamente lateral y desde abajo de un modo de realización
preferido del dispositivo según la invención.
La figura 4 es una sección esquemática según la
línea IV-IV de la figura 3.
La figura 6 ilustra esquemáticamente un modo de
realización particular de la invención.
Las figuras 7 y 8 muestran parcialmente un
fuselaje de una aeronave destinado a recibir un dispositivo según la
invención, respectivamente en presencia y en ausencia de dicho
dispositivo.
El dispositivo 1 según la invención está
destinado a determinar al menos un parámetro, tal como el tamaño, la
velocidad o la dirección de desplazamiento, de partículas tales como
gotitas de agua por ejemplo.
A este efecto, dicho dispositivo 1 comporta de
modo conocido y general, como se representa en un modo de
realización preferido en las figuras 3 a 5:
- -
- un elemento de medición 2 que comprende una zona de medición ZM que está destinada a recibir dichas partículas;
- -
- unos medios de iluminación M1 detallados a continuación susceptibles de realizar una iluminación de dicha zona de medición ZM, por medio de al menos un haz luminoso 7A, 78;
- -
- unos medios de toma de imagen M2 que comportan al menos una cámara 3 susceptible de tomar al menos una imagen de dicha zona de medición ZM iluminada por dichos medios de iluminación M1; y
- -
- una unidad de tratamiento 4 conectada a dichos medios de toma de imagen M2 por medio de una conexión 5 y susceptible de determinar, de preferencia por imagen de sombras, los valores de dicho parámetro, a partir de dicha imagen tomada por la cámara 3.
Según la invención, dichos medios de iluminación
M1 están formados de manera que realicen una iluminación puntual,
por medio de un haz luminoso 7A, 7B que comprende unos rayos
luminosos RA, RB que están focalizados de la manera indicada a
continuación.
A este efecto, en un modo de realización
preferido, dichos medios de iluminación M1 comportan, como se
representa de modo esquemático en la figura 1, al menos un conjunto
óptico 5A, 5B que comprende:
- -
- una fuente luminosa 6A, 68, de preferencia una fuente láser, susceptible de generar un haz luminoso 7A, 7B;
- -
- una fibra óptica 8A, 8B conectada, por un primer extremo 9A, 9B a dicha fuente luminosa 6A, 6B y susceptible de transmitir un haz luminoso 7A, 7B generado por este último; y
- -
- una óptica de campo 10A, 10B dispuesta en un segundo extremo 11A, 11B que está opuesto a dicho primer extremo 9A, 9B de dicha fibra óptica 8A, 8B y que focaliza el haz luminoso 7A, 7B que emerge de dicha fibra óptica 8A, 8B en una óptica del objetivo 12A, 12B de la cámara 3 de dichos medios fotográficos M2.
La óptica de campo 10A, 10B focaliza el haz
luminoso 7A, 7B que emerge de la fibra óptica 8A, 8B, de preferencia
un haz láser, en el centro de la óptica del objetivo 12A, 12B, es
decir que canaliza los rayos RA, RB de dicho haz luminoso 7A, 7B
emergen-
te.
te.
La óptica del objetivo 12A, 12B forma la imagen
del objeto en el plano conjugado. Para destacar bien esta
característica, se ha representado en la figura 2 el plano objeto P1
y el plano P2 de la cámara 3.
Gracias a esta iluminación "puntual", se
aumenta el contraste (sobre la o las imágenes tomadas) de la sombra
de las partículas situadas en la zona de medición ZM (plano P1).
Este aumento del contraste produce una mejor observabilidad de las
partículas a falta de una puesta a punto y por lo tanto un aumento
de la profundidad de campo, ya que la imagen sigue siendo observable
para unos valores de desfocalización más importantes. Este aumento
de la profundidad de campo por su parte produce, un aumento del
volumen de medición que depende de modo conocido, a la vez del
tamaño del sensor, de preferencia un sensor CCD, de la cámara 3 y de
la profundidad de campo.
Se observará que con una imagen de sombras usual
por iluminación no puntual (o iluminación difusa) como se describe
por ejemplo en la patente FR-
2 689 247 antes citada, las sombras que figuran en cada punto de la fuente luminosa no se acaballan exactamente. La sombra del objeto está entonces iluminada por la luz parásita procedente de dicha fuente, lo que, naturalmente es perjudicial para el contraste. Gracias a la presente invención, se remedia eficazmente este problema.
2 689 247 antes citada, las sombras que figuran en cada punto de la fuente luminosa no se acaballan exactamente. La sombra del objeto está entonces iluminada por la luz parásita procedente de dicha fuente, lo que, naturalmente es perjudicial para el contraste. Gracias a la presente invención, se remedia eficazmente este problema.
Según la invención, la fibra óptica 8A, 8B es una
fibra monomodal. Este tipo de fibra permite, por construcción,
transmitir sólo un modo de haz láser 7A, 7B y evita así cualquier
ruido parásito. La superficie de la "fuente" es entonces
reducida a un diámetro de algunas micras. La utilización de una
fibra óptica permite además instalar fácilmente la fuente luminosa
6A, 6B en una zona protegida, por ejemplo en una cabina de un
avión.
Por otra parte, según la invención, la óptica del
campo 10A, 10B y la óptica del objetivo 12A, 12B pueden ser unas
lentillas simples o unos juegos de lentillas.
Además, el diámetro de la óptica del objetivo
12A, 12B está dimensionada para que la precisión de las mediciones
no sea degradada por los fenómenos de difracción. Estos fenómenos
están unidos a la dimensión de la pupila de entrada (diámetro de la
óptica del objetivo) y la longitud de ondas utilizada. También,
para evitar dichos problemas de difracción, se utiliza, de
preferencia, una fuente láser del tipo "yag" doblado a una
longitud de ondas preferentemente de
532 nm.
532 nm.
Por otro lado, para aumentar todavía más el
volumen de medición, particularmente contribuyendo a aumentar el
contraste, de modo ventajoso:
- -
- dichos medios de iluminación M1 comportan al menos una fuente luminosa 6A, 6B, de preferencia una fuente láser, que genera un haz luminoso 7A, 7B coherente, lo que permite aumentar el contraste anteriormente citado;
- -
- se utiliza una cámara 3 que presenta una cadencia de toma de imagen elevada, por ejemplo una cámara del tipo "CAD6" que permite una cadencia de 262 tramas/segundo con una resolución de 512 x 512 píxeles; y
- -
- en un modo de realización particular, dicha cámara 3 comprende unos medios conocidos y no representados, que realizan una apertura de esta última para tomar una imagen, realizando dichos medios de iluminación M1 la iluminación bajo forma de destellos luminosos y están accionados de manera que emitan al menos dos destellos luminosos durante una apertura de la cámara 3 en el momento de una toma de imagen. Así, se multiplica el volumen de medición que se observa durante la duración de la apertura de la cámara 3.
Esto sólo es posible disminuyendo la intensidad
del haz láser para no saturar la cámara 3. En la práctica, se
prefiere limitar el número de destellos luminosos a dos o tres, ya
que esta técnica presenta el inconveniente de disminuir la relación
señal/ruido. Se multiplica así el volumen observado durante el
periodo de apertura de la cámara por el número de destellos
luminosos previstos por imagen.
Se observará que la periodicidad de estos
destellos luminosos tiene en cuenta el tiempo de vaciado de los
píxeles de la cámara 3 (tiempo muerto durante el cual no es posible
la adquisición de una nueva imagen).
Además, la utilización de destellos luminosos de
corta duración permite prescindir de la velocidad de flujo de las
partículas. En efecto, dicho destello luminoso inmoviliza la
partícula. El dispositivo 1 según la invención permite entonces
medir las características de partículas tales como las gotitas de
agua, para desde velocidades sensiblemente nulas hasta grandes
velocidades (V > 150 m/s). Sin embargo, para velocidades
elevadas, es necesario iluminar las gotitas con unos destellos
luminosos de duración suficientemente corta para inmovilizarlas en
su desplazamiento. Para velocidades del aire del orden de 100 a 150
m/s, la duración del destello no debe exceder 5 a 10 ns. Es por esta
razón que la fuente láser preferida es un láser pulsado con
absorbente saturable (de tipo "Q-switch") que
genere unos impulsos de duración inferior a 1 ns. Esta fuente láser
presenta además la ventaja de ser ligera y poco voluminosa.
Por otra parte, para aumentar la gama de
mediciones del tamaño de las partículas o gotitas de agua, los
medios de iluminación M1 comportan, según la invención, como se
representa en las figuras 1 y 5, los dos conjuntos ópticos 5A y 5B
precitados, que emiten cada uno de modo secuencial un haz láser 7A y
7B de diámetro diferente adaptado al campo observado. Esta
diferencia de diámetro, que se debe particularmente a las
ampliaciones diferentes de las ópticas 12A, 12B, está ilustrada en
la figura 1 por unos paralelepípedos rectángulos 13A y 13B de
diferentes tamaños. A título ilustrativo, las ópticas 12B y 12A
pueden ser ajustadas para procurar, respectivamente, una ampliación
de 3, adaptado para la observación de pequeñas gotitas (alrededor de
10 \mum a 50 \mum) presentes en un primer espacio de medición
ZM1, representado en la figura 4, y una ampliación de 0,66 apto
para observar las gotas grandes (de 50 \mum a 600 \mum)
presentes en un segundo espacio de medición ZM2, lo que permite
obtener globalmente una gama de medición de
10 \mum a 600 \mum. Además, estas ampliaciones permiten cubrir toda la gama de diámetro sin distorsión en la zona de intersección.
10 \mum a 600 \mum. Además, estas ampliaciones permiten cubrir toda la gama de diámetro sin distorsión en la zona de intersección.
En dicho modo de realización preferido, el
dispositivo 1 comporta una única cámara 3 y los medios de toma de
imagen M2 comportan además, como se representa en las figuras 1 y
5:
- -
- un prisma de reenvío 14, de tipo usual, dispuesto en el trayecto óptico de un primer haz 7A de dichos haces 7A, 7B; y
- -
- una lámina semirreflectante 16, de tipo usual, dispuesta en el trayecto óptico del segundo haz 7B, así como en el trayecto óptico de reenvío del primer haz 7A, debajo del prisma de reenvío 14.
Se observará que la longitud de onda, el tamaño
de las ópticas y la ampliación permiten definir la dimensión mínima
de las partículas que se puedan medir. El diámetro de la mancha de
difracción o de la mancha De Airy está relacionado con la longitud
de onda y el diámetro de la pupila. La ampliación permite elegir el
número de píxeles que están recubiertos por la partícula más pequeña
que se desea observar. Para observar unas partículas de tamaño
superior o inferior a la gama de medición antes citada, conviene
entonces modificar las características ópticas, que son la longitud
de onda, el diámetro de las ópticas y/o la ampliación.
Se aumenta todavía más la profundidad de campo,
utilizando el principio conocido de la técnica de imagen de sombras
para determinar el tamaño a partir de las imágenes tomadas por los
medios de toma de imagen M2. A este efecto se integran unos
algoritmos apropiados y usuales en la unidad de tratamiento 4.
En el modo de realización preferido representado
en las figuras 3 a 5, el dispositivo 1 comporta además:
- -
- un elemento de medición 2 en forma de vara, que está provisto cerca de su extremidad libre 2A de una abertura pasante 19 que contiene la zona de medición ZM que comprende los dos espacios de medición ZM1 y ZM2 antes citados. Las partículas a medir atraviesan la abertura 19 según un sentido de flujo E;
- -
- dos pares de ventanillas 20A, 20B y 21 A, 21 B protegen los elementos ópticos del dispositivo 1 en relación con dicho flujo de partículas;
- -
- dos prismas de reenvío 22 y 23 para reenviar hacia los espacios de medición ZM2 y ZM1, respectivamente los haces luminosos 7A y 7B;
- -
- un sistema 24 de insuflado de aire filtrado representado parcialmente en la figura 3, accionado por ejemplo manualmente por medio de un botón 25 y que comprende de preferencia una pluralidad de inyectores no representados, para insuflar aire en las caras externas de las ventanillas 20A, 20B, 21 A y 21 B, como se ilustra por unas flechas f, de manera que impida cualquier depósito de suciedad (susceptible de ser ópticamente perturbador) en estas ventanillas. El sistema de insuflado 24 permite además descongelar las ventanillas 20A, 20B, 21 A y 21 B si fuera necesario. El aire insuflado tiene entonces una temperatura suficiente para eliminar cualquier escarcha en dichas ventanillas:
- -
- un filtro interferencial no representado, que está dispuesto en la entrada de la cámara 3 y que permite eliminar la luz parásita susceptible de alcanzar dicha cámara 3; y
- -
- un botón de mando 26 que acciona los medios de iluminación M1 y los medios fotográficos M2, como se ilustra respectivamente por medio de conexiones 27 y 28.
Además, para evitar las interferencias, todas las
ópticas del dispositivo 1 son sometidas, preferiblemente, a un
tratamiento antirreflectante.
Por otra parte, en un modo de realización
particular, representado parcial y esquemáticamente en la figura
6:
- -
- dichos medios de iluminación M1 están formados de manera que emitan dos destellos luminosos 7B espaciados por una duración predeterminada;
- -
- dicha cámara 3 está formada de modo que tome una imagen en el momento de la emisión de cada uno de dichos dos destellos luminosos 7B; y
- -
- dicha unidad de tratamiento 4 está formada de manera que determine el vector velocidad de las partículas, a partir de las dos imágenes relativas a dichos dos destellos luminosos 7B y de dicha duración predeterminada.
Para emitir dos destellos luminosos 7B espaciados
por una duración predeterminada, los medios de iluminación M1
comportan una única fuente luminosa 6B y una fibra óptica 8B que
está conectada a dicha fuente luminosa 6B. Una línea de retardo 15
que comprende una fibra óptica, de preferencia bobinada, puede
montarse en paralelo con dicha fibra óptica 8B, por medio de
acopladores ópticos 17, 18.
Cuando la fuente láser 6B emite un impulso
luminoso, una primera mitad de este último, correspondiente a un
primer destello luminoso, es dirigido directamente a la cámara 3 por
la fibra óptica 8B y la otra mitad, que corresponde al segundo
destello luminoso, penetra al nivel del acoplador 17 en la línea con
retardo 15 que presenta, por ejemplo, una longitud de 200 metros y
es dirigido a continuación a la cámara 3 a través del acoplador 18
y la fibra óptica 8B, con un retraso correspondiente al tiempo de
cruce de la línea de retardo 15.
Se puede utilizar el vector velocidad de las
partículas así medido para calibrar el dispositivo 1 de manera que
se obtenga una representatividad del flujo en la zona de medición ZM
en relación con el flujo en el ambiente al cual es llevada la vara
2. La línea de retardo 15 permite calibrar el dispositivo dando
la
indicación del vector velocidad de las partículas. Esta indicación permite determinar si la vara 2 está bien posicionada en relación con el flujo del ambiente en el cual está sumergida. Una vez localizada la buena posición y evitado cualquier riesgo de flujo turbulento que pudiera perjudicar la calidad de la medición, se retira la línea de retardo.
indicación del vector velocidad de las partículas. Esta indicación permite determinar si la vara 2 está bien posicionada en relación con el flujo del ambiente en el cual está sumergida. Una vez localizada la buena posición y evitado cualquier riesgo de flujo turbulento que pudiera perjudicar la calidad de la medición, se retira la línea de retardo.
Por otra parte, en una aplicación preferida, el
dispositivo 1 según la invención está montado sobre una aeronave,
por ejemplo un avión de transporte civil, del que se ha representado
únicamente una parte del fuselaje F en las figuras 7 y 8, para
detectar el tamaño de las gotitas de agua presentes en el exterior
de la aeronave de manera que pueda caracterizar unas condiciones
susceptibles de producir escarcha y, llegado el caso, avisar al o a
los pilotos de la aeronave de la necesidad de activar un sistema de
descongela-
ción.
ción.
En este caso, el fuselaje F de la aeronave está
provista de un manguito 29:
- -
- que está dispuesto en dicho fuselaje F de la aeronave de manera que cree una abertura pasante;
- -
- que presenta un diámetro adaptado al diámetro de la vara 2 del dispositivo 1 de modo que este último pueda estar dispuesto de forma estanca en dicho manguito 29 (figura 7); y
- -
- que es susceptible de ser cerrado de modo estanco, por medio de un tapón 30 apropiado y usual, en ausencia de dicha vara 2 (figura 8).
Por consiguiente, el dispositivo 1 según la
invención puede ser montado y desmontado, fácil y rápidamente.
Además, se modifica lo menos posible la aerodinámica de la
aeronave.
Por otra parte, a excepción de la parte 2B (que
comprende al menos la extremidad 2A) de la vara 2 que se encuentra
en el exterior del fuselaje F, el resto del dispositivo 1 está
protegido del ambiente exterior y particularmente de dichas
partículas, por dicho fuselaje F.
Además, dicha parte 2B de la vara 2 está aislada
eléctricamente de manera que el dispositivo 1 resulte poco atractivo
para los rayos.
Por consiguiente, el dispositivo 1 según la
invención permite, en la aplicación citada,
particularmen-
te:
te:
- -
- medir el tamaño de las gotitas de agua presentes en las nubes;
- -
- medir la concentración de las gotitas, es decir contar su número por unidad de volumen. Esto requiere un conocimiento preciso del volumen de los espacios de medición ZM1, ZM2;
- -
- proporcionar en tiempo real al piloto los datos necesarios para la realización de pruebas en vuelo;
- -
- registrar a bordo de la aeronave la totalidad de las informaciones. A este efecto, la unidad de tratamiento 4 comporta o está asociada a al menos una unidad de almacenamiento no representada;
- -
- diferenciar las gotitas de agua y los cristales; y
- -
- medir la velocidad (en un plano) de dichas gotitas de agua.
Una aplicación preferida del dispositivo 1 según
la invención se refiere por lo tanto a la prevención y anticipación
de condiciones susceptibles de formar escarcha en una aeronave.
Sin embargo, otras numerosas aplicaciones son
igualmente posibles, tales como facilitar informaciones fiables y
de calidad a las autoridades de certificación sobre las condiciones
con las que se encuentra una aeronave con ocasión de pruebas en
vuelo, la certificación de helicópteros en vuelos estacionarios, la
comprobación de las condiciones producidas en los túneles de soplado
para producir escarcha, las mediciones en tierra con malas
condiciones de visibilidad (niebla,...).
Claims (20)
1. Dispositivo para determinar los valores de al
menos un parámetro, particularmente el tamaño, de partículas, en
particular de gotitas de agua, comportando dicho dispositivo
(1):
- -
- un elemento de medición (2) que comprende una zona de medición (ZM) que está destinada a recibir dichas partículas;
- -
- unos medios de iluminación (M1) susceptibles de realizar una iluminación de dicha zona de medición (ZM);
- -
- unos medios de toma de imagen (M2) que comportan al menos una cámara (3) susceptible de tomar al menos una imagen de dicha zona de medición (ZM) iluminada por dichos medios de iluminación (M1); y
- -
- unos medios de tratamiento (4) susceptibles de determinar los valores de dicho parámetro, a partir de dicha imagen tomada por la cámara (3),
caracterizado porque dichos medios de
iluminación (M1) están formados de manera que realicen una fuente de
iluminación puntual, a través de un haz luminoso (7A, 7B) cuyos
rayos luminosos (RA, RB) estén focalizados en una óptica del
objetivo (12A, 12B) de los medios de toma de imagen (M2).
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichos medios de
iluminación (M1) comportan al menos un conjunto óptico (5A, 5B) que
comprende:
- -
- una fuente luminosa (6A, 6B) susceptible de generar un haz luminoso (7A, 7B);
- -
- una fibra óptica (8A, 8B) conectada por una primera extremidad (9A, 9B) a dicha fuente luminosa (6A, 6B) y susceptible de transmitir un haz luminoso (7A, 7B) generado por esta última; y
- -
- una óptica de campo (10A, 10B) dispuesta en una segunda extremidad (11A, 11B) opuesta a dicha primera extremidad (9A, 9B) de dicha fibra óptica (8A, 8B) y que focalice el haz luminoso que emerge de dicha fibra óptica (8A, 8B) en el centro de la óptica del objetivo (12A, 12B) de los medios de toma de imagen (M2).
3. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque dicha fibra óptica
(8A, 8B) es una fibra monomodal.
4. Dispositivo según una de las reivindicaciones
1 a 3,
caracterizado porque dichos medios de
iluminación (M1) comportan al menos una fuente luminosa (6A, 6B) que
genera un haz luminoso coherente.
5. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque dicha cámara (3)
comprende unos medios que realizan una apertura de esta última para
tomar una imagen, porque dichos medios de iluminación (M1) realizan
la iluminación bajo forma de destellos luminosos y porque dichos
medios de iluminación (M1) son accionados de manera que emitan al
menos dos destellos luminosos durante una única y misma apertura de
la cámara (3) en el momento de una toma de imagen.
6. Dispositivo según la reivindicación 5,
caracterizado porque dichos medios de
iluminación (M1) comportan al menos un láser pulsado con absorbente
saturable, para emitir dichos destellos luminosos.
7. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos
medios de iluminación (M1) están formados de manera que emitan
secuencialmente al menos dos haces luminosos (7A, 78) que presenten
diámetros diferentes.
8. Dispositivo según la reivindicación 7,
caracterizado porque dichos medios de
iluminación (M1) comportan dos fuentes láser (6A, 6B) asociadas
respectivamente a unas ópticas (12A, 12B) de aumentos diferentes y
porque dichos medios de toma de imagen (M2) comportan una única
cámara (3) y unos medios ópticos (14, 16) que permiten dirigir los
dos haces (7A, 7B) láser emitidos por dichas dos fuentes láser (6A,
6B), a dicha cámara (3).
9. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones que anteceden,
caracterizado porque dichos medios de
tratamiento (4) están formados de manera que determinen dicho
parámetro por imágenes de sombras.
10. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones que anteceden,
caracterizado porque dichos medios de
iluminación (M1) están formados de manera que emitan dos destellos
luminosos espaciados de una duración predeterminada, porque dicha
cámara (3) está formada de manera que tome una imagen en el momento
de la emisión de cada uno de dichos destellos luminosos y porque
dichos medios de tratamiento (4) están formados de manera que
determinen, como parámetro, el vector velocidad de dichas
partículas, a partir de las dos imágenes relativas a dichos dos
destellos luminosos y de dicha duración predeterminada.
11. Dispositivo según la reivindicación 10,
caracterizado porque dichos medios de
iluminación (M1) comportan al menos una fuente luminosa (6B) y una
fibra óptica (8B) que está conectada a dicha fuente luminosa
(6B).
12. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones que anteceden,
caracterizado porque comporta un filtro
interferencial que está dispuesto en la entrada de dicha cámara
(3).
13. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones que anteceden,
caracterizado porque comporta un
tratamiento antirreflectante.
14. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones que anteceden,
caracterizado porque dicha zona de
medición (ZM) está delimitada por al menos una ventanilla (20A, 20B,
21 A, 21 B).
15. Dispositivo según la reivindicación 14,
caracterizado porque comporta unos medios
(24) para insuflar aire sobre la cara externa de dicha ventanilla
(20A, 20B, 21 A, 21 B).
16. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones que anteceden,
caracterizado porque dicho elemento de
medición (2) es una vara provista de una abertura pasante (19) en
una primera (2A) de sus extremidades, conteniendo dicha abertura
pasante (19) dicha zona de medición (ZM).
17. Dispositivo según la reivindicación 16,
caracterizado porque comporta una
protección (F) que protege contra dichas partículas la totalidad de
dicho dispositivo (1), con la excepción de al menos dicha primera
extremidad (2A) de la vara (2) que es llevada a un ambiente que
contiene dichas partículas.
18. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 y 17, caracterizado porque al menos dicha primera
extremidad (2A) de la vara (2) está aislada eléctricamente.
19. Aeronave,
caracterizada porque comporta al menos un
dispositivo (1) tal como el especificado en una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 18, para determinar los
valores de dicho parámetro de gotitas de agua presentes en el exterior de dicha aeronave.
valores de dicho parámetro de gotitas de agua presentes en el exterior de dicha aeronave.
20. Aeronave según la reivindicación 19,
caracterizada porque comporta un
dispositivo (1) tal como el especificado más particularmente según
una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18 y porque comporta
además un manguito (29):
- -
- que está dispuesto en el fuselaje (F) de la aeronave de manera que cree una abertura pasante;
- -
- que presenta un diámetro adaptado al diámetro de dicha vara (2) de modo que esta última pueda estar dispuesta de forma estanca en dicho manguito (29); y
- -
- que es susceptible de ser cerrado de forma estanca, en ausencia de dicha vara (2).
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