ES2294065T3 - Detector de gas optico. - Google Patents
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Abstract
Detector de gas óptico para la comprobación de la existencia de sustancias que absorben para una longitud de onda de 11 ñ 2 µm con una célula de medida (6) con un filtro de medida óptico (11), una célula de referencia (7) con un filtro óptico de referencia (12), con una fuente de luz (10) común para la célula de medida y la célula de referencia (6, 7) y con una electrónica de evaluación para evaluar señales que genera un gas perturbador tanto en la célula de medida (6) como también en la célula de referencia (7), caracterizado porque el filtro óptico de referencia (12) presenta una zona de paso para longitudes de onda de absorción de un posible gas perturbador, encontrándose la zona de paso del filtro de referencia (12) en la gama de longitudes de onda de 7.2 µm a 8.7 µm o de 3.02 µm hasta 4.0 µm.
Description
Detector de gas óptico.
La presente invención se refiere a un detector
de gas óptico para comprobar la existencia de substancias que
absorben en una longitud de onda de 11 \pm 2 \mum, con una
fuente de luz, una célula de medida con un filtro de medida, una
célula de referencia con un filtro de referencia y con una
electrónica de evaluación.
El documento EP 0 930 496 describe un
procedimiento para detectar un gas en un ámbito vigilado. Se
describe un sistema de filtro en el que el filtro de referencia
bloquea toda radiación cuya longitud de onda se encuentra en la
zona de la longitud de onda de absorción de la sustancia cuya
presencia hay que comprobar.
El documento WO 01/94916 A1 describe un
procedimiento y un dispositivo para determinar la seguridad de una
mezcla de gases con componentes inflamables como metano, etano,
hidrocarbonatos, etc. Para ello se realiza una espectroscopia de
infrarrojos de la mezcla de gases en una célula de gas utilizando un
filtro.
El documento WO 01/65219 A1 describe un
espectrómetro para determinar la concentración de una sustancia. Al
respecto se utiliza una fuente de luz para la sustancia a medir. Se
utiliza un filtro para filtrar las radiaciones transmitidas por la
sustancia. El filtro presenta zonas de paso para longitudes de onda
que se corresponden con los picos de absorción del espectro de
absorción de la correspondiente sustancia. Un detector detecta
finalmente la radiación filtrada por el filtro.
El documento DE 40 18 393 A1 da a conocer un
dispositivo para medir las concentraciones de gas que se presentan
en un cambio de gases de plantas, que se basa en el procedimiento de
análisis de gases fotoacústico. A ambos lados de un micrófono
simétrico están dispuestas cubetas de gas, en las que
alternativamente puede penetrar luz modulada en intensidad,
monocromática, de dos emisores de infrarrojos. En función de los
filtros ópticos, pueden medirse los gases CO2 y H2O.
Una sustancia conocida que absorbe en la
longitud de onda citada, es amoniaco (NH3), una sustancia para la
comprobación de cuya existencia son muy adecuados por ejemplo los
detectores de gas optacústicos. En el documento
EP-A-0 855592 se describe un
detector de gas optoacústico del tipo citado al principio, en el que
el filtro de medida y el filtro de referencia presentan una zona de
paso igual, característica del gas a detectar, que para la
comprobación de la existencia de NH3 se encuentra aproximadamente en
10 \mum. La utilización práctica ha mostrado que los alcoholes y
demás disolventes orgánicos pueden perturbar la comprobación de la
existencia de amoniaco, porque estos gases perturbadores absorben
en la misma gama de longitudes de onda que el amoniaco.
La sensibilidad a perturbaciones no queda
limitada a los detectores de gas optoacústicos, sino que existe en
general para los detectores de gas ópticos, que utilizan fuentes de
luz de banda ancha combinadas con filtros de infrarrojos o fuentes
de luz de banda estrecha, como LEDs, lásers, lásers de cascada
cuántica o similares. La medición puede realizarse entonces
mediante absorción, optoacústica o bien cualquier otro principio
óptico.
Mediante la invención deben mejorarse ahora los
detectores de gas ópticos del tipo citado al principio tal que se
reduzca claramente su tasa de alarmas erróneas debida a los
alcoholes y disolventes orgánicos.
Esta tarea se resuelve en el marco de invención
presentando el filtro de referencia una zona de paso que está
adaptada a un posible gas perturbador, encontrándose la zona de paso
del filtro de referencia en la gama de longitudes de onda de 7.2
\mum a 8.7 \mum o de 3.02 \mum a 4.0 \mum.
Una primera forma constructiva preferente del
detector de gas correspondiente a la invención se caracteriza
porque el filtro de medida presenta una zona de paso de 11 \pm 2
\mum y el filtro de referencia una zona de paso distinta a la del
filtro de medida.
Una segunda forma constructiva preferente del
detector de gas correspondiente a la invención se caracteriza
porque el filtro de referencia presenta dos zonas de paso, de las
cuales una se encuentra en la zona de longitudes de onda de 7.2
\mum hasta 8.7 \mum y la otra en la zona de longitudes de onda
de 3.02 \mum a 4.0 \mum.
Una tercera forma de constructiva preferente del
detector de gas correspondiente a la invención se caracteriza
porque la zona de paso del filtro de referencia está elegida tal que
para un valor dado de ambas longitudes de onda de la mitad de la
máxima transmisión del filtro de medida, los correspondientes
valores del filtro de referencia están adaptados tal que las
señales que genera el gas perturbador en la célula de referencia
son similares o de igual tamaño que las señales que genera el gas
perturbador en la célula de medida.
Una cuarta forma constructiva preferente del
detector de gas correspondiente a la invención se caracteriza
porque cuando existen varios gases perturbadores la zona de paso del
filtro de referencia está elegida tal que para un valor dado de
ambas longitudes de onda de la mitad de la máxima transmisión y una
distancia entre estas longitudes de onda del filtro de medida, los
correspondientes valores del filtro de referencia están adaptados
tal que las señales que generan los gases perturbadores en la célula
de referencia son similares o del mismo tamaño que las señales que
los gases perturbadores generan en la célula de medida.
Otra forma constructiva preferente del detector
de gas correspondiente a la invención se caracteriza porque se
sustraen las señales de la célula de referencia de las señales de la
célula de medida.
A continuación se describirá la invención en
base a un ejemplo de ejecución y de los dibujos más en detalle; se
muestra en:
figura 1 una representación de despiece de un
sensor de gas optoacústico correspondiente a la invención,
figura 2 una sección axial esquemática a través
del sensor de gas de la figura 1; y
figura 3 una curva de transmisión de un filtro
del sensor de gas de la figura 1.
La invención se describirá a continuación en
relación con un sensor de gas optoacústico, pero esto no ha de
entenderse como limitativo. Tal como ya se ha mencionado en la
introducción a la descripción, se refiere la invención en general a
sensores de gas ópticos, que utilizan fuentes de luz de banda ancha
combinadas con filtros de infrarrojos o fuentes de luz de banda
estrecha, como LEDs, lásers, diodos láser o lásers de cascada
cuántica o similares. La medición puede realizarse entonces mediante
absorción, optoacústica u otro cualquier principio óptico.
El sensor de gas optoacústico representado (ver
al respecto también el documento
EP-A-0 855 592) está compuesto por
dos mitades de carcasa 1 y 2 semiredondas idénticas, de fundición
inyectada de aluminio o de otro material adecuado, por una placa de
circuitos 3 y por dos anillos de seguridad 4 y 5. Cada una de ambas
mitades de carcasa 1 y 2, que cuando están ensambladas forman un
cuerpo cilíndrico de sensor, contiene una cámara cilíndrica,
sirviendo la cámara de una de las mitades de carcasa 1 como célula
de medida 6 y la cámara de la otra mitad de carcasa 2 como célula
de referencia 7 y una cámara 8 o bien 9 antepuesta a la célula de
medida y de referencia 6 y 7 respectivamente, que está prevista
para alojar una fuente de luz 10 común a la célula de medida y a la
célula de referencia 6 y 7 respectivamente. La célula de medida 6 y
la célula de referencia 7 están cerradas respecto a la fuente de
luz 10 mediante respectivos filtros de medida ópticos 11 o bien
filtros de referencia 12. La fuente de luz 10 está dispuesta
ventajosamente tal que su filamento de incandescencia se encuentra
sobre la prolongación de los ejes longitudinales de ambas cámaras
cilíndricas, célula de medida 6 y célula de referencia 7.
Sobre su superficie del suelo presenta la célula
de medida y la célula de referencia, 6 y 7 respectivamente, cada
una un agujero para el paso de un micrófono de medida 13 y un
micrófono de referencia 14, respectivamente. Las superficies
frontales superiores de ambas mitades de carcasa 1 y 2 presentan
respectivos agujeros que atraviesan hasta la célula de medida y de
referencia 6, 7 en la que se alojan respectivas membranas permeables
al gas 15 y a continuación de éstas una rejilla de agujeros 16. La
membrana 15, que es permeable para el gas e impermeable para las
gotitas de agua, está compuesta por un material de malla tupida con
aberturas del orden de magnitud de nanómetros. Las rejillas de
agujeros 16 sirven como soporte para las membranas 15 e impiden
además una irradiación directa de las membranas por parte de la
fuente de luz 10. El micrófono de medida 13, el micrófono de
referencia 14 y la fuente de luz 10 están montados sobre la placa de
circuitos 3, que además sustenta adicionalmente un fotodiodo 17
para vigilar la intensidad de la luz emitida por la fuente de luz
10.
En el suelo de las cámaras 8 y 9 están previstos
agujeros 18 y 19 para el paso de la fuente de luz 10 y del
fotodiodo 17, estando dispuesto el agujero 18 para la fuente de luz
10 en la superficie separadora entre ambas mitades de carcasa 1, 2,
con lo que la fuente de luz 10 se encuentra por mitades en cada una
de las mitades de carcasa 1, 2. El agujero 19 para el fotodiodo 17
está previsto, según la representación, en el suelo de la cámara 8,
pero podría, al igual que el agujero 18, encontrarse por mitades en
cada una de las cámaras. En cualquier caso, para que ambas mitades
de carcasa 1 y 2 sean idénticas y para que en su fabricación sólo
sea necesario un molde, está dotada la cámara 9 también de este
agujero. En lugar de una fuente de luz común 10 para la célula de
medida y la célula de referencia 6 y 7, puede está prevista también
para cada una de ambas células una fuente de luz separada.
Ambas mitades de carcasa 1 y 2 están dotadas en
sus superficies laterales planas de espigas con agujeros asociados,
que sirven para la guía y ajuste. En situación de listo para el
servicio del sensor, los filtros de medida y de referencia 11 y 12
están adheridos a la correspondiente mitad de sensor 1 o bien 2,
estando ensambladas las mitades del sensor 1 y 2 en sus superficies
laterales planas fijadas con los anillos 4 y 5 y unidas fijamente,
ventajosamente pegadas o encoladas y la placa de circuitos 3 está
fundida con el cuerpo del sensor. La célula de medida y la célula
de referencia 6 y 7 respectivamente y el micrófono de medida y el
micrófono de referencia 13 y 14 respectivamente, son idénticos.
La placa de circuitos 3 está conectada con otra
placa de circuitos no representada, que incluye una electrónica de
activación y de evaluación. La fuente de luz 10 es una lámpara con
un filamento incandescente o una fuente de láser. El fotodiodo 17
está compuesto por una célula de silicio y un filtro de luz diurna.
Cuando se utiliza una lámpara con filamento de incandescencia como
fuente de luz 10, mide el fotodiodo 17 la intensidad de la luz en
una gama de longitudes de onda alrededor de preferentemente 900 nm.
El filamento de incandescencia emite luz en un espectro muy amplio,
hasta la gama de los infrarrojos y en la mayoría de los casos se
utiliza para la detección de gas una línea espectral en la gama de
los infrarrojos. No obstante, se parte de que una medición de
control de la intensidad de la luz a 900 nm es suficientemente
expresiva y fiable para la vigilancia de la intensidad de la luz en
la gama de los infrarrojos.
La electrónica de activación da lugar a que la
fuente de luz 10 se conecte y desconecte en un ciclo de trabajo de
1:3, durando un ciclo de conexión aproximadamente 1/10s. Las señales
de salida del micrófono de medida 13 y del micrófono de referencia
14 se conducen a la electrónica de evaluación, donde se realiza una
sustracción de ambas señales. El resultado de esta sustracción se
amplifica y se transforma mediante rectificación sensible a la fase
en una tensión continua. La averiguación del valor de la
concentración de gas se realiza mediante una comparación de la
señal de tensión con valores de ajuste memorizados, a los que están
asociados valores de concentración del gas.
El filtro de medida y el filtro de referencia 11
y 12, respectivamente, actúan como filtros pasabanda ópticos con
una zona de paso característica cada uno en forma de una pequeña
banda espectral (fig. 3). En el filtro de medida 11 se encuentra
esta banda espectral para la comprobación de la existencia de NH3
en 11 \pm 2 \mum. Puesto que los alcoholes y demás disolventes
orgánicos absorben igualmente en esta zona de longitud de onda,
generaría el detector de gas alarmas erróneas cuando se utilizase un
filtro de referencia 12 con la misma zona de paso. Para evitar
tales alarmas erróneas, se encuentra la zona de paso del filtro de
referencia 12 bien en la zona de longitudes de onda de 7.2 \mum
hasta 8.7 \mum o bien de 3.02 \mum hasta 4.0 \mum o en ambas
zonas de longitud de onda citadas. Para minimizar la influencia del
vapor de agua, puede limitarse la zona de paso del filtro de
referencia 12 a aquellas zonas de longitudes de onda en las que el
agua no absorbe o absorbe poco.
La figura 3 muestra una curva típica de
transmisión del filtro de medida y del filtro de referencia 11 y 12
respectivamente, habiéndose representado sobre las abscisas la
longitud de onda \lambda y sobre las ordenadas la transmisión T
del filtro en porcentajes. Con el signo de referencia T_{m} se
denomina la máxima transmisión del filtro, que en el ejemplo de
ejecución representado es aprox. 78%. Las indicaciones anteriores
relativas a la zona de longitudes de onda se corresponden con los
valores de la curva de transmisión para la mitad de la máxima
transmisión 1/2 T_{m}. Con el signo de referencia B se denomina la
llamada anchura a la mitad del valor máximo del filtro, es decir,
la distancia entre ambas longitudes de onda para la mitad de la
máxima transmisión 1/2 T_{m}.
Para una anchura a la mitad del valor máximo
dada B y una posición de uno de ambos valores 1/2 T_{m} del
filtro de medida 11, se adaptan la anchura a la mitad del valor
máximo B y la posición de uno de ambos valores 1/2 T_{m} del
filtro de referencia 12 tal que las señales que genera el gas
perturbador en la célula de medida 6 es de similar o igual magnitud
que las señales que genera el gas perturbador en la célula de
referencia 7. Si ahora se substraen las señales de la célula de
referencia 7 de aquéllas de la célula de medida 6, entonces se
minimiza la influencia del gas perturbador sobre la señal de salida
del detector de gas o incluso se elimina por completo. Al extender
este principio a más de un gas perturbador, sólo puede llegarse
naturalmente a un compromiso lo mejor posible, que para
determinados gases perturbadores da mejores resultados y para otros
peores.
Durante el funcionamiento del sensor de gas se
irradia el gas presente en la célula de medida 6 mediante luz
modulada de la fuente de luz 10. El gas absorbe la radiación de la
luz y se calienta debido a ello. De esta forma resulta una
expansión térmica y, en función de la modulación de la radiación de
luz, una oscilación periódica de la presión, con lo que se origina
una onda acústica de presión, cuya intensidad se encuentra en
relación directa con la concentración del gas. La concentración
buscada se averigua mediante medición de la presión acústica.
Claims (6)
1. Detector de gas óptico para la comprobación
de la existencia de sustancias que absorben para una longitud de
onda de 11 \pm 2 \mum con una célula de medida (6) con un filtro
de medida óptico (11), una célula de referencia (7) con un filtro
óptico de referencia (12), con una fuente de luz (10) común para la
célula de medida y la célula de referencia (6, 7) y con una
electrónica de evaluación para evaluar señales que genera un gas
perturbador tanto en la célula de medida (6) como también en la
célula de referencia (7),
caracterizado porque el filtro óptico de
referencia (12) presenta una zona de paso para longitudes de onda
de absorción de un posible gas perturbador, encontrándose la zona de
paso del filtro de referencia (12) en la gama de longitudes de onda
de 7.2 \mum a 8.7 \mum o de 3.02 \mum hasta 4.0 \mum.
2. Detector de gas según la reivindicación
1,
caracterizado porque el filtro de medida
(11) presenta una zona de paso de 11 \pm 2 \mum y el filtro de
referencia (12) una zona de paso distinta de la del filtro de medida
(11).
3. Detector de gas según la reivindicación
2,
caracterizado porque el filtro de
referencia (12) presenta dos zonas de paso, de las cuales una se
encuentra en la gama de longitudes de onda de 7.2 \mum hasta 8.7
\mum y la otra en la gama de longitudes de onda de 3.02 \mum
hasta
4.0 \mum.
4.0 \mum.
4. Detector de gas según la reivindicación
1,
caracterizado porque la zona de paso del
filtro de referencia (12) está elegida tal que para un valor
determinado de ambas longitudes de onda, para la mitad de la máxima
transmisión (1/2 T_{m}) del filtro de medida (11), los
correspondientes valores del filtro de referencia (12) están
adaptados tal que las señales que genera el gas perturbador en la
célula de referencia (7) son de similar o igual magnitud que las
señales que genera el gas perturbador en la célula de medida
(6).
5. Detector de gas según la reivindicación
1,
caracterizado porque cuando existen
varios gases perturbadores, la zona de paso del filtro de referencia
(12) está elegida tal que, para un valor dado de ambas longitudes
de onda, para la mitad de la máxima transmisión (1/2 T_{m}) y
para una distancia dada entre estas longitudes de onda del filtro de
medida (11), los correspondientes valores del filtro de referencia
(11) están adaptados tal que las señales que generan los gases
perturbadores en la célula de referencia (7) son de similar o igual
magnitud que las señales que generan los gases perturbadores en la
célula de medida (6).
6. Detector de gas según la reivindicación 4 ó
5, caracterizado porque se realiza una sustracción de las
señales de la célula de referencia (7) de las señales de la célula
de medida (6).
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