ES2256834T3 - Procedimiento de deteccion de gas y dispositivo de deteccion de gas. - Google Patents
Procedimiento de deteccion de gas y dispositivo de deteccion de gas.Info
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Abstract
Procedimiento de detección de gas comprendiendo los siguientes pasos de: proporcionar una señal de luz inicial (S0), mediante una fuente de láser de modulación de longitud de onda (2, 34, 36) dicha señal de luz inicial (S0) es una longitud de onda modulada a una primera frecuencia (F) simétricamente alrededor de una línea de absorción de un gas, la concentración o la presencia del cual se va a determinar; pasar dicha señal de luz inicial (S0) provista de variaciones de intensidad sobre el tiempo resultante a partir de un rastreado alternativo alrededor de dicha línea de absorción del gas a través de una zona de detección de gas (4, 48) pensada para recibir por lo menos uno de dichos gases; recepción de una señal de luz resultante (SG) que sale de dicha zona de detección de gas (4, 48) por medios de detección (6; 54, 56), dicha señal de luz resultante (SG) comprendiendo cambios en la intensidad de la señal de luz inicial (S0) debidos a la concentración de gas en la zona de detección (4, 48).
Description
Procedimiento de detección de gas y dispositivo
de detección de gas.
La presente invención se refiere en particular a
una detección de gas de infrarrojos de bajo coste (IR). Una
tecnología normal en este campo consiste en una fuente de luz
térmica de infrarrojos (IR), un filtro de línea de interfaz, una
cámara de muestra y un detector de infrarrojos (IR). El filtro de
línea corresponde a la longitud de onda de absorción característica
del gas que se va a detectar de forma que sólo luz de esta longitud
de onda específica incide sobre el detector. Si el gas que se va a
detectar está presente en la cámara de muestra, parte de la luz es
absorbida por el gas y la señal del detector se rebaja por
consiguiente. A fin de tener en cuenta la variación de la
intensidad en la fuente de luz debido al envejecimiento, la humedad
o la suciedad, una parte de la luz emitida se dirige fuera de la
cámara de muestra sobre un detector de referencia (la técnica
denominada de dos rayos o rayo de referencia).
Los detectores de gas de infrarrojos de no
difracción de este tipo (NDIR) sufren dos desventajas. En primer
lugar, las fuentes de luz térmica tienen un consumo de alta potencia
y un bajo rendimiento de luz lo que hace difícil el funcionamiento
accionando mediante una batería e implica aspectos de refrigeración.
En segundo lugar, la longitud de onda central de los filtros de
línea de interferencia depende de la temperatura de forma que para
diferentes temperaturas ambientales, la detección funciona en
diferentes posiciones del pico de absorción del gas lo cual a su
vez hace difícil la calibración.
Desarrollos recientes con láseres de emisión
superficial de cavidad vertical (VCSEL - Vertical Cavity Surface
Emitting Lasers) han mostrado un camino para mejorar los detectores
de gas únicos de bajo coste. Las longitudes de onda de los VCSEL
están precisamente definidas y se pueden sintonizar sobre unos pocos
nanómetros mediante un cambio en la corriente de accionamiento.
Tales diodos VCSEL están mientras tanto disponibles para la
siguiente gama de longitudes de onda cerca del infrarrojo (NIR -
Near Infrared) de 1,3 - 2,05 \mum. Muchos de los gases detectados
por absorción de infrarrojos tienen los primeros y los segundos
armónicos superiores de sus picos de absorción en esta gama de
longitudes de onda. Aunque estos armónicos superiores son
sustancialmente más débiles que los picos fundamentales, la
detección de gas es muy sensible ya que los VCSEL típicamente
suministran aproximadamente 1000 veces más intensidad de luz que
una fuente de luz térmica. Una ventaja importante de los VCSEL es
su bajo consumo de energía de unos pocos miliwatios comparado con
unos pocos watios de las fuentes de luz térmica.
Una diferencia principal entre una detección
normal de infrarrojos de no difracción (NDIR) y una detección
basándose en los VCSEL es que las técnicas de infrarrojos de no
difracción (NDIR) tienen una baja resolución espectral y por lo
tanto de los picos de absorción del gas de las medidas las cuales
son típicamente de varios 100 nm de ancho. Estos picos de absorción
amplios están compuestos de hecho de un gran número de líneas de
absorción muy afiladas. Los VCSEL emiten con un pico de longitud de
onda muy afilado el cual se puede modular dentro de unos pocos
nanómetros. Por esta razón, un detector de gas basado en VCSEL mide
una única línea de absorción en lugar de un pico de absorción
amplio.
Diversos autores han descrito una detección de
gas establecida con una fuente de VCSEL en la que la longitud de
onda del VCSEL es rastreada a través de la línea de absorción del
gas como se representa en la figura 2. Este rastreo se realiza con
una frecuencia de modulación F dada. Esta modulación se consigue
imponiendo una pequeña corriente alternativa (típicamente 100
\mum) de frecuencia F sobre una corriente constante por encima
del umbral del láser (típicamente algunos mA). Para algunas técnicas
de medición, esta "corriente constante" es lentamente barrida
a través de toda la gama de funcionamiento completa del VCSEL a fin
de detectar líneas de absorción subsiguientes. Con un ajuste de
este tipo, no se necesita ya un filtro de línea lo cual es un
factor de reducción de coste importante para productos de bajo
coste.
La presente invención se basa en una fuente
formada por un VCSEL con modulación de la longitud de onda y utiliza
el hecho de que la modulación de la longitud de onda está
directamente relacionada con la intensidad de salida del VCSEL. La
intensidad de la luz que ha pasado por el volumen de gas y que
incide en el detector muestra por lo tanto una primera modulación
relacionada con la intensidad del VCSEL y una segunda modulación
relacionada con la absorción del gas a medida que la longitud de
onda es rastreada a través de la línea de absorción del gas.
Con un detector de infrarrojos normal el cual
distribuye una señal proporcional a la radiación incidente, el
tratamiento de la señal consiste en la medición de la señal del
detector mediante una técnica de enganche de fase en el doble de la
frecuencia de modulación (detección 2F). Mediante esto, se suprime
el componente de la señal de corriente continua -el cual proviene
de la luz desviada detectada a través de la gama de modulación. Sin
embargo, todavía se tiene que utilizar un rayo de referencia a fin
de obtener información sobre la intensidad de luz global del rayo
de luz inicial provisto por la fuente para obtener un valor preciso
de la concentración de gas. Este rayo de referencia generalmente es
detectado por un segundo detector específico. De ese modo, la
generación y la detección de un rayo de referencia complican el
dispositivo e incrementa sus costes de fabricación.
El documento US 6 356 350 B1 describe un
procedimiento y un aparato para desmodular una pluralidad de
componentes de frecuencia a partir de un fotodetector en un sistema
de espectroscopia de modulación de longitud de onda y la
determinación de las formas de las líneas de absorción a partir de
los datos desmodulados. El procedimiento permite información sobre
la forma de la línea absorbente y la anchura de línea, la medición
de la concentración de gas sobre una gama de temperaturas,
presiones y concentraciones de gas. Por esto, son necesarios por lo
menos dos pares armónicos o una pluralidad de armónicos de la
frecuencia de modulación de la longitud de onda F. En general, el
documento de la técnica anterior enseña a utilizar más componentes
de pares armónicos de frecuencia desmodulada que componentes de
frecuencia impares. El procedimiento descrito en el documento US 6
356 350 B1 no es apropiado para proporcionar un dispositivo de
detección de gas con costes de fabricación bajos para grandes
series que permitan una medición eficaz de concentración de gas o de
la presencia de gas.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar un dispositivo de medición de la concentración de gas
eficaz o detector con un coste bajo. En particular el propósito de
la presente invención es resolver el problema anteriormente
mencionado relativo al rayo de referencia.
Este objeto se consigue de acuerdo con las
características del procedimiento de la reivindicación independiente
1 y el aparato de la reivindicación 2. Características ventajosas
adicionales se reivindican en las respectivas
subreivindicaciones.
Debido a las características del dispositivo de
detección de gas de la invención, se necesita sólo una unidad de
sensor única para una fuente de láser, siendo proporcionada toda la
información necesaria para la determinación de un valor preciso de
la concentración de gas mediante el procesamiento de la señal
electrónica generada la cual es proporcional a la derivada de la
señal de la luz recibida por la unidad de sensor después de haber
pasado a través de una muestra de gas definido.
Otras características y ventajas particulares de
la presente invención se describirán con referencia a la siguiente
descripción y los dibujos anexos, proporcionados a título de
realizaciones no limitativas, en los cuales:
- la figura 1 muestra esquemáticamente un
dispositivo de detección de gas de acuerdo con la presente
invención;
- la figura 2 muestra la modulación de la
longitud de onda de una fuente de VCSEL alrededor de una línea de
absorción del gas utilizada para detectar la concentración de este
gas;
- la figura 3 muestra la modulación de la
intensidad de la luz del rayo de luz inicial provisto mediante la
fuente de VCSEL y que resulta de la modulación de la longitud de
onda de la figura 2;
- la figura 4 proporciona un gráfico del rayo
de luz resultante que ha pasado a través de la muestra de
gas;
gas;
- la figura 5 es un gráfico de una señal
proporcional a la derivada del tiempo de la señal representada en
la figura 4;
- las figuras 6 y 7 muestran respectivamente la
señal de referencia de modulación primera y segunda a frecuencias F
y 2F, siendo F la frecuencia de la modulación de la longitud de onda
proporcionada en la figura 2;
- la figura 8 muestra una primera señal
resultante generada por la multiplicación de la señal de la figura
5 por la primera referencia de modulación de la figura 6;
- la figura 9 muestra una segunda señal
resultante generada por la multiplicación de la señal de la figura
5 por la segunda referencia de modulación de la figura 7;
- las figuras 10 y 11 muestran variaciones en
una primera señal de medición y en una segunda señal de medición
provistas por un dispositivo de detección de gas de la presente
invención en función de la longitud de onda central de la
modulación de la fuente de VCSEL con relación a una línea de
absorción;
- la figura 12 muestra variaciones de la
segunda señal de medición en función de la amplitud de la modulación
del VCSEL;
- la figura 13 es una vista esquemática de una
primera realización del dispositivo de detección de gas de acuerdo
con la presente invención; y
- la figura 14 es una vista esquemática de una
segunda realización del dispositivo de detección de gas de acuerdo
con la presente invención.
Con referencia a las figuras 1 a 9, se describirá
el procedimiento para la detección de una concentración de gas de
acuerdo con la presente invención.
Como se representa esquemáticamente en la figura
1, el dispositivo de detección de gas de acuerdo con la invención
comprende una fuente de luz formada por un VCSEL 2, una cámara de
muestra o zona de detección 4 en la que se puede introducir el gas
que se va a detectar, un detector de luz 6 y medios de procesamiento
8 los cuales proporcionan dos señales de medición S_{MF} y
S_{M2F} que permiten que se defina una concentración de gas. El
VCSEL genera un rayo de luz inicial S_{0} el cual está modulado en
la longitud de onda. Este rayo de luz pasa a través de la zona 4.
Debido a la absorción del gas, la señal de luz inicial presenta una
variación de la intensidad después de haber pasado a través de la
zona de detección de gas 4 y de ese modo el detector 6 recibe una
señal de la luz resultante S_{G}. El detector proporciona la
correspondiente señal de detección S_{D} a los medios de
procesamiento 8.
Como se representa en la figura 2, la longitud de
onda \lambda del VCSEL (centro del pico de la intensidad de luz
10) está modulada dentro de una gama pequeña alrededor de una línea
de absorción del gas dada 12. Esta modulación de la longitud de
onda está directamente acoplada a una modulación de la amplitud de
la intensidad de luz inicial, indicada en la figura 2 mediante
alturas de picos intensidad diferentes. La figura 3 muestra la
variación de la intensidad de la señal de luz inicial S_{0} sobre
el tiempo resultante a partir de un rastreo alternativo alrededor
de la línea de absorción del gas.
La variación de la intensidad de la señal de luz
resultante S_{G} que sale de la cámara de absorción del gas o de
la zona 4 se representa en la figura 4. Esta señal S_{G} tiene por
lo tanto dos contribuciones:
- la primera contribución proviene del hecho de
que la intensidad del VCSEL varía (aproximadamente linealmente) con
su longitud de onda. Esta contribución es independiente de la
absorción del gas y existe incluso aunque no haya gas.
- la segunda contribución proviene de la
absorción del gas cuando la longitud de onda es rastreada a través
de la línea de absorción del gas. Esta contribución es linealmente
proporcional a la intensidad de luz emitida por el VCSEL y es una
función de la concentración de gas en la zona de absorción del
gas.
Para separar estas dos contribuciones, el
principio de la medición de la presente invención propone primero
obtener la derivada del tiempo de la señal de luz resultante S_{G}
y procesar entonces la señal de la derivada del tiempo 18
representada en la figura 5 con los denominados amplificadores
síncronos como se describirá con mayor detalle más adelante.
En un amplificador síncrono, una señal modulada
se multiplica con una señal rectangular simétrica ("referencia de
modulación") la cual tiene una relación de fase bien definida con
la señal modulada. La señal electrónica resultante es integrada
entonces sobre un número de períodos de modulación a fin de
proporcionar una señal de medición en la salida del amplificador
síncrono.
La figura 6 muestra una primera señal de
referencia de modulación 20 a la frecuencia F la cual corresponde a
la frecuencia del rastreo por la fuente de VCSEL, esto es la
frecuencia de la modulación de la intensidad 22 de la señal de luz
inicial S_{0}. Esta figura 6 también muestra la relación de fase
entre la señal de modulación de la intensidad 22 y la primera
referencia de modulación 20 generada a partir de esta señal 22. La
figura 7 muestra una segunda señal de referencia de la modulación 24
al doble de dicha frecuencia F. Esta figura 7 también muestra la
relación de fase entre la señal de modulación de la intensidad 22 y
la segunda referencia de modulación 24 generada a partir de esta
señal 22.
De acuerdo con la invención, la derivada del
tiempo de la señal de luz resultante S_{G} tanto se obtiene
directamente mediante la utilización de un sensor piroeléctrico el
cual produce una señal sustancialmente proporcional al cambio de la
intensidad de la luz recibida por este sensor piroeléctrico como se
obtiene mediante un derivador electrónico en el caso en el que el
sensor empleado produzca una señal S_{D} sustancialmente
proporcional a la señal de la luz incidente S_{G} (es decir, un
fotodiodo, termoelemento, bolómetro).
La figura 8 muestra la curva resultante 26 de la
multiplicación de la señal de la intensidad de la derivada del
tiempo 18 (figura 5) con la primera modulación de la señal de
referencia 20 a la frecuencia de modulación F del VCSEL. Es
evidente que las contribuciones subsiguientes positiva y negativa a
partir de la absorción del gas cancelan cualquier integración en el
tiempo de la curva resultante 26, la denominada detección F. El
resultado de una integración del tiempo de este tipo es una primera
señal de medición S_{MF} que es una función de la modulación de
la intensidad del VCSEL y relacionada con la intensidad global del
VCSEL, pero la cual es independiente de la presencia de un gas en
la zona de detección.
La figura 9 muestra la curva resultante 28 de la
multiplicación de la señal de la intensidad de la derivada del
tiempo 18 (figura 5) con la segunda modulación de la señal de
referencia 24 al doble de dicha frecuencia F. Aquí, la contribución
de la modulación de la intensidad del VCSEL cancela en cualquier
integración del tiempo de la curva resultante 28, la denominada
detección 2F, mientras las contribuciones individuales de la
absorción del gas se sumarán. El resultado de una integración de
este tipo es una segunda señal de medición S_{M2F} la cual es una
función de la absorción del gas y por lo tanto de la concentración
de gas. Dicha integración cancela la contribución que es
independiente de la absorción del gas.
La segunda señal de medición S_{M2F} es de
hecho sustancialmente proporcional a la intensidad de luz global
que proviene del VCSEL. Dividiendo esta segunda señal de medición
S_{M2F} por la primera señal de medición S_{MF}, se obtiene un
valor del cual es función de la concentración de gas pero
independiente de la intensidad de luz que incide sobre el
detector.
Un sensor de gas de acuerdo con la invención,
basado en un VCSEL y un amplificador síncrono de dos canales,
proporciona por lo tanto la señal de absorción del gas y la
referencia de la intensidad del VCSEL con un único detector de
forma que se suprime la necesidad de un canal de referencia físico
separado como se utiliza en los sensores convencionales NDIR.
Además, el valor de referencia de la intensidad se obtiene
directamente a partir de la luz que incide en el detector mientras
un sensor NDIR de dos rayos obtiene una referencia de este tipo a
partir de rayos separados los cuales no proporcionan información
sobre los cambios en el rayo medido (es decir, el envejecimiento de
los componentes ópticos o desalineación debido a variaciones
térmicas).
El análisis de las señales de medición S_{MF} y
S_{M2F} muestra que la relación de la fase entre la señal de la
modulación de la intensidad del VCSEL y las señales de referencia de
la modulación 20 y 24 como se describe en las figuras 6 y 7 es
crítica para el principio de la medición. Una desviación desde esta
relación de fase dada resultará en contribuciones de la señal de
absorción del gas (S_{M2F}) a la señal de referencia de la
intensidad (S_{MF}) y viceversa.
Un análisis más extenso de las señales muestra
que el procesamiento de la señal descrito antes no depende de la
forma de la modulación de corriente alterna del VCSEL, es decir, en
lugar de la modulación triangular descrita en la figura 3, la
modulación también puede ser de forma sinusoidal, de diente de
sierra o bien de otra forma.
Las fuentes de VCSEL pueden ser moduladas en
longitud de onda en una amplia gama de frecuencias desde unos pocos
hertzios hasta varios MHz. Como consecuencia, un sensor de gas de
acuerdo con la presente invención se puede construir para que
produzca tiempos de respuesta desde varios segundos hasta varios
microsegundos, dependiendo de la especificación requerida.
Las figuras 10 y 11 muestran la influencia de la
posición de la longitud de onda central del VCSEL (la cual se
ajusta mediante la corriente continua del VCSEL) con respecto al
centro de la línea de absorción del gas en las dos señales de
medición. Las curvas se tomaron mediante la rampa de la corriente
continua del VCSEL mientras se aplica una pequeña modulación de
corriente alterna que corresponde a una modulación de la longitud
de onda de 0,15 nm. Es evidente que el principio de la medición como
se ha descrito antes sólo se mantiene si la longitud de onda del
VCSEL está exactamente centrada en la línea de absorción del gas y
la modulación de la corriente alterna rastrea simétricamente a
través de la línea de absorción del gas. Una desviación desde esta
posición central produce una señal de absorción disminuida así como
un error en la señal de referencia. Sin embargo, la última
disminuye con la disminución de la concentración de gas.
Como se representa en la figura 12, la amplitud
de la modulación de corriente alterna del VCSEL tiene una
influencia en ambas señales de medición primera y segunda. El
análisis de la señal muestra que la señal de la absorción del gas
S_{M2F} tiene un máximo para una amplitud de modulación del orden
de magnitud de la anchura de la línea de absorción del gas
(0,1-0,15 nm). El error de la señal de referencia de
la intensidad S_{MF} disminuye con la amplitud de modulación
creciente. En consecuencia, la amplitud de modulación se puede
optimizar para una especificación dada del sensor de gas.
Puesto que la longitud de onda de un VCSEL es una
función de la temperatura ambiente, la longitud de onda central del
VCSEL se tiene que mantener síncrona sobre la longitud de onda
exacta de la línea de absorción del gas (véanse las figuras 10 y
11). Esto se puede conseguir incluyendo una célula transparente
herméticamente cerrada en la trayectoria de la luz la cual contiene
el gas que se va a detectar. Al conectar el sensor de gas, la
corriente continua del VCSEL forma rampa hacia arriba lentamente
desde un valor de fallo de corriente continua mientras rastrea con
la frecuencia de corriente alterna F hasta que la línea de absorción
del gas viene a descansar dentro de la gama de modulación de
corriente alterna. A partir de este punto en adelante, la señal de
absorción del gas no será cero y el bucle de retroalimentación a la
fuente de corriente continua mantendrá esta señal en su máximo la
cual corresponde a la sincronización de la longitud de onda central
del VCSEL con el centro de la línea de absorción del gas. Sin
embargo, debido a que la variación de la longitud de onda de un
VCSEL determinado es limitada, es necesario mantener la fuente del
VCSEL aproximadamente a una temperatura previamente definida. En el
caso de un detector de CO_{2} para el aire del ambiente, la célula
herméticamente cerrada se puede omitir ya que la concentración
natural del CO_{2} de 350-400 ppm es
suficientemente elevada para los propósitos de sincronía
descritos.
El hecho de que la luz emitida por un VCSEL sea
altamente direccional permite un diseño simple de un sensor de
múltiples gases sin ópticas adicionales. En un dispositivo de este
tipo, diversos VCSEL (cada uno de una longitud de onda que
corresponde a un gas diferente) se montan en un cabezal láser
mientras el detector es una matriz de tantos sensores de luz como
cabezales de láser contienen los VCSEL. El montaje se realiza de un
modo que el rayo de láser de cada VCSEL tiene por objetivo un sensor
diferente lo cual produce un dispositivo de detección de múltiples
gases muy compacto para 2, 3 o más gases diferentes.
Con relación a la fuente de láser, también se
puede seleccionar un láser de retroalimentación distribuido (láser
DFB) en el marco de la presente invención. Los VCSEL y los láseres
DFB son fuentes de láser preferidas.
La figura 13 muestra una primera realización de
un dispositivo de detección de gas de acuerdo con la invención.
Este dispositivo comprende un cabezal de emisión de luz láser 32 en
el cual están dispuestas dos fuentes de VCSEL 34 y 36. Por lo tanto
este dispositivo forma un detector para dos gases diferentes, ambas
fuentes estando respectivamente elegidas para que correspondan a
líneas de absorción seleccionadas de estos dos gases. Este cabezal
32 adicionalmente comprende una célula herméticamente cerrada llena
con dichos dos gases diferentes para determinar con precisión el
valor de la corriente eléctrica que se va a suministrar a cada
fuente 34 y 36 de modo que la longitud de onda central del pico de
luz provisto corresponda al centro de la línea de absorción del gas
respectivo, como se ha explicado aquí antes. Finalmente, el cabezal
32 comprende un sensor de temperatura 40 eléctricamente conectado a
medios de suministro de energía 42 de medios de calefacción 44
colocados en la zona en la que están dispuestas las fuentes.
El dispositivo de detección de gas tiene una
cámara de muestra o zona de detección del gas 48 a través de la
cual los dos rayos de láser 50 y 52 provistos por las dos fuentes de
láser pasan a través. Los dos rayos de láser son entonces recibidos
por dos sensores de luz respectivos 54 y 56 dispuestos en una base
común 58. En esta primera realización, los dos sensores son del
tipo que proporcionan una señal de detección eléctrica
sustancialmente proporcional a la señal de luz incidente en el
sensor, como un termoelemento o un bolómetro o preferiblemente un
fotodiodo. De acuerdo con la invención los dos sensores 54 y 56
están conectados, a través de un selector electrónico 62, a un
derivador del tiempo electrónico 64. Este derivador proporciona de
ese modo una señal electrónica la cual es sustancialmente
proporcional a la derivada del tiempo de dicha señal de luz
incidente a medios de preamplificador 66.
El dispositivo de detección de gas adicionalmente
comprende medios de control de suministro 70 conectados a medios de
suministro eléctrico 72 los cuales alimentan corriente eléctrica a
las fuentes 34 y 36 a través de un selector electrónico 74. Los
medios de control de suministro 70 tienen una primera parte 76 para
definir una señal de corriente continua y una segunda parte 78 para
definir una señal de corriente alterna a una frecuencia de
referencia a dada F que genera un rastreado alternativo alrededor de
la línea de absorción del gas como se ha explicado antes. Los
medios de procesamiento del dispositivo también comprenden primeros
medios 80 para la generación de una primera señal de referencia de
modulación a dicha frecuencia de referencia F y unos segundos
medios 82 para la generación de una segunda señal de referencia de
modulación al doble de dicha frecuencia de referencia F. De acuerdo
con el procedimiento de la presente invención descrito antes, estas
señales de referencia de modulación primera y segunda son
respectivamente provistas a dos amplificadores síncronos 84 y 86 en
los cuales estas señales de referencia son multiplicadas
respectivamente con la señal provista por el derivador del tiempo
64 a estos dos amplificadores síncronos a través de medios de
preamplificador e integrados entonces sobre varios períodos de
tiempo de la primera señal de referencia de modulación. El primer
amplificador síncrono 84 proporciona una primera señal de medición
la cual es independiente de la absorción del gas como se ha
explicado antes. El segundo amplificador síncrono 86 proporciona una
segunda señal de medición la cual es independiente de la modulación
de la señal de luz inicial generada por la fuente respectiva y
relativa a la absorción del gas y por lo tanto a la concentración
de gas en la zona 48.
En un paso preliminar, la segunda señal de
medición se utiliza para definir la señal de corriente continua
mediante la detección del máximo de esta segunda señal de medición
cuando el nivel de corriente continua se varía linealmente. Debe
indicarse que este paso preliminar se puede evitar si el dispositivo
está equipado con un control de la temperatura muy preciso para la
fuente láser.
Finalmente, la segunda señal de medición se
divide por la primera señal de medición en una unidad de
procesamiento 90 en la cual el resultado de esta división es
procesado adicionalmente a fin de suministrar una señal o una
información útil relativa a la presencia de un gas determinado o a
su concentración.
La figura 14 muestra una segunda realización de
un dispositivo de detección de gas de acuerdo con la invención. Las
referencias descritas en la primera realización no se describirán
otra vez aquí. Esta segunda realización difiere de la primera en
que los dos sensores de luz 94 y 96 son de un tipo específico y
proporcionan directamente una señal de detección eléctrica la cual
es sustancialmente proporcional a la derivada del tiempo de la señal
de luz incidente en estos sensores. Preferiblemente, los sensores
94 y 96 son sensores piroeléctricos. Por lo tanto el derivador de
tiempo electrónico ya no se necesita en esta segunda realización. La
señal de detección eléctrica se proporciona directamente a los dos
amplificadores síncronos 84 y 86 a través de un preamplificador
66.
En una realización preferida del dispositivo de
la invención, tanto la fuente como el sensor de luz están colocados
en el mismo lado de la zona de detección de gas, una estructura
reflector estando dispuesta en el lado opuesto. Por lo tanto, para
una longitud determinada de la zona de detección de gas, la
trayectoria de la luz a través de la muestra de gas es el doble de
larga que en las realizaciones primera y segunda de las figuras 13
y 14. Adicionalmente, la fuente, el sensor y los elementos
electrónicos pueden estar integrados en un sustrato común, lo cual
es muy ventajoso y reduce los costes. La estructura reflectora se
puede utilizar para enfocar el rayo de luz, especialmente cuando su
abertura numérica es relativamente elevada.
En otra realización de la invención para la
detección de dos gases, el dispositivo comprende dos fuentes de
láser pero sólo un único sensor de luz, los dos rayos de luz
generados estando orientados a fin de que incidan en este sensor de
luz. Al igual que en la realización de las figuras 13 y 14, un
multiplexor de tiempo en el control de ambas fuentes permite medir
la concentración de dos gases. Por lo tanto los dos rayos de luz
son dirigidos alternativamente al único sensor de luz.
Finalmente, si las líneas de absorción de los
gases diferentes son suficientemente estrechas, es posible utilizar
sólo una fuente de láser para detectar estos gases.
El detector de gas de acuerdo con las
características diferentes de la invención tiene las siguientes
ventajas:
- supresión del rayo de referencia lo cual es
especialmente importante para mediciones de múltiples gases;
- no hay influencia de la degradación de los
componentes ópticos o de la intensidad del VCSEL;
- bajo consumo de energía, permitiendo
dispositivos sin cables;
- baja disipación de calor, por lo tanto no hay
aspectos de refrigeración;
- resolución temporal hasta micro segundos
- detección automática de un mal funcionamiento
del VCSEL;
- compensación activa de la temperatura;
- autosincronización espectral;
- diseño compacto para un detector de múltiples
gases;
- bajos costes de fabricación para grandes
series ya que los VCSEL, el detector y la electrónica de lectura se
pueden fabricar todos mediante técnicas de procesamiento
discontinuo.
Claims (3)
1. Procedimiento de detección de gas
comprendiendo los siguientes pasos de:
proporcionar una señal de luz inicial (S_{0}),
mediante una fuente de láser de modulación de longitud de onda (2,
34, 36) dicha señal de luz inicial (S_{0}) es una longitud de onda
modulada a una primera frecuencia (F) simétricamente alrededor de
una línea de absorción de un gas, la concentración o la presencia
del cual se va a determinar;
pasar dicha señal de luz inicial (S_{0})
provista de variaciones de intensidad sobre el tiempo resultante a
partir de un rastreado alternativo alrededor de dicha línea de
absorción del gas a través de una zona de detección de gas (4, 48)
pensada para recibir por lo menos uno de dichos gases;
recepción de una señal de luz resultante
(S_{G}) que sale de dicha zona de detección de gas (4, 48) por
medios de detección (6; 54, 56), dicha señal de luz resultante
(S_{G}) comprendiendo cambios en la intensidad de la señal de luz
inicial (S_{0}) debidos a la concentración de gas en la zona de
detección (4, 48);
generación de una señal de detección (S_{D})
por dichos medios de detección (5; 54; 56) que es sustancialmente
proporcional a la derivada del tiempo de dicha señal de luz
resultante (S_{G});
generación de una primera señal de medición
(S_{MF}) a partir de dicha señal de detección (S_{D}), la cual
es una función de la intensidad de dicha señal de luz inicial
(S_{0}), dicha primera señal de medición (S_{MF}) estando
generada por la multiplicación de dicha señal de detección (S_{D})
con una primera señal de referencia de modulación (20) a la primera
frecuencia (F) e integrada entonces sobre el tiempo; por lo que la
primera señal de referencia de modulación (20) está exactamente
definida en fase con las variaciones de la intensidad de dicha
señal de luz inicial (S_{0});
generación de una segunda señal de medición
(S_{M2F}) a partir de dicha señal de detección (S_{D}), la cual
es una función de la absorción del gas y sustancialmente
independiente de una modulación de la intensidad de dicha señal de
luz inicial a dicha primera frecuencia (F), dicha segunda señal de
medición (S_{M2F}) estando generada por la multiplicación de
dicha señal de detección (S_{D}) con una segunda señal de
referencia de modulación (24) al doble de dicha primera frecuencia
(F) e integrada entonces sobre el tiempo, por lo que la segunda
señal de referencia de modulación (24) está exactamente definida en
fase con las variaciones de la intensidad de dicha señal de luz
inicial (S_{0});
proporcionar una señal de medición final que es
independiente de la intensidad de la luz que incide sobre los
medios de detección (6, 54, 56) dividiendo dicha segunda señal de
medición (S_{M2F}) por dicha primera señal de medición (S_{MF})
y proporcionando de ese modo una señal relativa a la presencia o a
la concentración de un gas determinado.
2. Dispositivo de detección de gas comprendiendo
por lo menos una fuente de láser de modulación de longitud de onda
(2; 34, 36) que proporciona una señal de luz inicial (S_{0});
una zona de detección (48) pensada para recibir
por lo menos un gas, la concentración o la presencia del cual se va
a determinar;
suministrar medios de control (70) para la
modulación de la longitud de onda de dicha señal de luz inicial
(S_{0}) a dicha primera frecuencia (F) simétricamente alrededor de
una línea de absorción de uno de dichos gases y proporcionar dicha
señal de luz inicial provista de variaciones de la intensidad sobre
el tiempo;
un sensor de luz (94, 96) respectivamente
dispuesto en la periferia de dicha zona de detección, dicho sensor
estando pensado para recibir una señal de luz resultante (S_{G})
que comprende cambios en la intensidad de la señal de luz inicial
(S_{0}) que ha pasado a través de dicha zona de detección y que
proporciona una señal de detección (S_{D}) proporcional a la
variación de la intensidad de la luz de dicha señal de luz
resultante (S_{G}); medios de procesamiento (8; 64, 66, 80, 82,
84, 86, 90) para proporcionar a partir de dicha señal de detección
(S_{D}) una señal relativa a la presencia o a la concentración de
un gas determinado en dicha zona de detección; en el que dicho
sensor de luz (94, 36) o dichos medios de procesamiento comprenden
medios (64) para proporcionar una señal de detección sustancialmente
proporcional a la derivada del tiempo de dicha señal de luz
resultante (S_{G}); y dichos medios de procesamiento
adicionalmente comprenden
- primeros medios (80) para la generación de una primera señal de referencia de modulación (20) a dicha primera frecuencia (F) y segundos medios (82) para la generación de una segunda señal de referencia de modulación (24) al doble de dicha primera frecuencia (F), primeros medios (84) para la multiplicación de dicha primera señal de referencia de modulación (20) por dicha señal de detección e integrar entonces sobre el tiempo la señal resultante a fin de proporcionar una primera señal de medición (S_{MF}) la cual es una función de la intensidad de dicha señal de luz inicial (S_{0}) y sustancialmente independiente de la concentración de dicho gas;
- segundos medios (86) para multiplicar dicha segunda señal de referencia de modulación (24) con dicha señal de detección e integrar entonces sobre el tiempo la señal resultante a fin de proporcionar una segunda señal de medición (S_{M2F}) la cual es una función de la absorción del gas y sustancialmente independiente de la modulación de la intensidad de dicha señal de luz inicial (S_{0}) a dicha primera frecuencia (F); y
- una unidad de procesamiento (90) para dividir dicha segunda señal de medición (S_{M2F}) por dicha primera señal de medición (S_{MF}) para proporcionar la señal relativa a la presencia de un gas determinado o a su concentración.
3. El dispositivo de detección de gas de
acuerdo con la reivindicación 2 en el que dichos medios de control
de suministro (70) comprenden una primera parte (76) para definir
una señal de corriente continua y una segunda parte (78) para
definir una señal de corriente alterna a dicha frecuencia de
referencia dada (F) para la generación de un rastreado alternativo
de la intensidad de luz de dicha señal de luz inicial (S_{0})
alrededor de dicha línea de absorción del gas.
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