ES2353970T3 - Detector de partículas . - Google Patents

Abstract

Un aparato para detectar la presencia y la posición de una partícula transitoria en gas en el interior de un conducto (1) que comprende: (i) al menos un emisor (3) de iluminación (4) dispuesto para el barrido de la iluminación a través de una sección transversal del conducto desde el exterior de dicho conducto, en donde la iluminación está dispuesta para ser un haz colimado y (ii) al menos un detector (6) dispuesto para detectar la presencia y la posición de cualquier destello de la iluminación desde cualquier partícula dentro de la iluminación a medida que el haz es barrido a través de la sección transversal del conducto, en donde el detector está montado en el exterior del conducto y fuera de la zona que se extiende perpendicularmente desde la zona barrida del conducto; estando el ángulo de visualización del detector desplazado respecto a la perpendicular al plano de la sección transversal barrida y desplazado hacia el lado del conducto, en donde el detector está sincronizado con el haz emitido y el emisor está configurado para ser barrido, por etapas, con un ángulo de barrido predeterminado, de modo que el haz esté dispuesto para ser barrido en prácticamente la totalidad de la sección transversal del conducto.

Description

Detector de partículas.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a aparatos y métodos para la detección de partículas, incluyendo el control de la partícula y sistemas de canalización.

Antecedentes de la invención

La presencia de partículas es, en numerosas situaciones, al menos una molestia y en el caso más desfavorable, catastrófica o ilegal. Las partículas pueden transportar impurezas a lugares donde su presencia es indeseable. Dichos lugares incluyen las plantas industriales y el medio ambiente, incluyendo la supervisión de la calidad del aire.

En estaciones generadoras de electricidad, por ejemplo, la presencia de partículas en las entradas a turbinas se debe mantener en un mínimo con el fin de reducir la acumulación de partículas sobre las paletas de las turbinas; dicha acumulación ha de eliminarse, generalmente por pulverización de agua o, si no se realiza, da lugar a una reducción en el rendimiento de la turbina y a la larga, la desintegración de las paletas con resultados destructivos evidentes. En uno u otro caso, se reduce el tiempo de generación.

Las condiciones sin la presencia de partículas, en los ejemplos anteriormente dados, deben existir en la entrada de gas, frecuentemente aire, en el área afectada. Sin embargo, las partículas no se deben alimentar a través de la salida de un área. Por ejemplo, el escape de las estaciones generadoras de energía así como instalaciones de procesos industriales, incluyendo procesos de plantas químicas, no debe emitir partículas a la atmósfera. Dicha práctica es medioambientalmente inadmisible y las emisiones de partículas se deben mantener dentro de un máximo autorizado o límites legales.

En las pruebas de diseño y uso de numerosos sistemas de motores, la cantidad y tipo de partículas emitidas son en función de la eficiencia del motor. Esta eficiencia puede resultar afectada por numerosos factores, incluyendo la temperatura ambiente y la presión del aire. Una operación no eficiente puede ser un desperdicio de combustible, pudiendo dar lugar a daños en el motor que crean más ineficiencia y puede ser perjudicial para el medio ambiente y/o la salud de operadores del sistema de motores. Por lo tanto, sería de utilidad poder analizar la emisión de partículas de un motor con el fin de optimizar su rendimiento. Además, debe ser beneficioso si dicho sistema es utilizado en tiempo real. Sería ventajoso si dicho sistema fuera capaz de realimentación al sistema de gestión de los motores permitiendo la optimización del rendimiento.

Las partículas que entran o salen de un área suelen reducirse mediante el uso de una de gama de sistemas de atenuación, frecuentemente situados en un conducto a través del cual se suministra gas a un área o se elimina desde un área. Dichos sistemas de atenuación comprende, por ejemplo, filtros, combinación de filtros, precipitadores electrostáticos y pararrayos en húmedo. Si el sistema de atenuación se ha instalado de forma incorrecta o errónea o en el transcurso del tiempo, se degrada el sistema de atenuación, se reduce la eficiencia del sistema de atenuación disminuyendo la cantidad de partículas que pasan a través de dicho sistema de atenuación. Es práctica común sustituir un sistema de atenuación transcurrido un periodo de tiempo dado, que se determina por la experiencia del rendimiento del sistema de atenuación admisible. Sin embargo, también se encuentra que un sistema de atenuación puede tener fallos catastróficos antes de que haya transcurrido dicho periodo y permitir el paso inadmisible de partículas a través del sistema de filtro. Esto es un problema particular donde, por ejemplo, el caudal de gas es muy alto o donde el sistema de atenuación comprende un conjunto de filtros y un filtro en dicho conjunto tuviera un fallo prematuro.

Cuando el fallo del sistema de atenuación es inadmisible, entonces el sistema de atenuación o uno o más de los filtros defectuosos se deben sustituir antes de que se alcance el final de la vida útil del sistema. Dicha falta de sustitución puede estar asociada con:

- Desventajas de costes cuando se reduce el uso adecuado del filtro.

- Desperdicio de recursos y en consecuencia, daños producidos al medio ambiente.

- Desventajas de costes por tiempo inactivo de la planta se producen con más frecuencia.

- En algunos casos, se producen incrementos en la posibilidad de una pérdida de contención de las partículas y gas que han pasado a través del sistema de atenuación con el consiguiente mayor riesgo para los seres humanos o el medio ambiente o los procesos protegidos por el sistema de atenuación.

En los sistemas de atenuación existe frecuentemente un límite al tamaño máximo de las partículas que se excluyen como partículas de un tamaño menor que no pueden plantear problemas para el proceso que es objeto de protección. De este modo, las técnicas de conteo de partículas o de integración de señales pueden fallar cuando se cuentan todas las partículas, incluyendo las que no producen ninguna consecuencia. En numerosas aplicaciones, la situación se complica todavía más cuando las partículas que no deben analizarse pueden no tener un nivel continuo, estable o conocido. Su producción puede ser una función de numerosos parámetros complejos y puede ser o parecer caótica. Por ejemplo, el polen puede ser no importante al pasar a través de un filtro, pero la variación en el polen, sobre una base diaria, haría, de poco uso, un conteo de partículas o una medida de la oclusión
total.

El análisis del fallo total de los filtros, por medios convencionales, está limitado porque el daño ha sido ya producido. Al principio del fallo, las partículas, que pasan a través del filtro, sólo pueden ser algo más grandes que las que se suponen quedan excluidas y los medios convencionales posiblemente no sean capaces de discernir que el fallo es inminente.

Por lo tanto, existe una necesidad de un aparato y un método para detectar la presencia de partículas en suspensión en gas, en dichos conductos, a través de la sección transversal del conducto. La detección de partículas, sobre una base periódica, también da lugar a la supervisión continua o periódica de un conducto con el fin de detectar la presencia de partículas transitorias por encima de su cero normal o nivel aceptable bajo y el aparato de la invención proporciona dichos medios. En estos conductos, el nivel de normal de partículas es prácticamente cero (es decir, libre de partículas) o en un nivel muy bajo y admisible, cuando el sistema de atenuación está funcionando de modo eficiente. El aparato según formas de realización preferidas de la presente invención evita un supuesto de que una pequeña muestra de la sección transversal representa la totalidad de la sección transversal.

Un problema especialmente agudo está asociado cuando el sistema de atenuación comprende un conjunto de filtros dispuestos a través de un conducto de área de sección transversal de gran magnitud. Dichos conductos pueden ser cuadrados de 20 metros, aunque lo más frecuente está en la zona cuadrada de 5 m de lado. Dichos conjuntos de filtros pueden encontrarse, por ejemplo, en entradas de turbinas a estaciones generadoras de electricidad, pero son bien conocidos en otras áreas. Otros detectores de partículas, anteriormente descritos, generan información sobre el nivel de partículas a través de la totalidad de la sección transversal de un conducto; si se encuentra así un nivel inadmisible de partículas, en ese caso se debe sustituir el sistema de atenuación completo. Dicha sustitución total es de alto coste y probablemente sea innecesaria en el caso de un conjunto de filtros, porque solamente uno de dichos filtros en el conjunto puede estar defectuoso. Por lo tanto, existe necesidad de un detector de partículas que no solamente detectará un nivel inadmisible de partículas dentro de un conducto, sino que también determinará dónde falla de un sistema de atenuación, por ejemplo, qué filtro, en un conjunto de filtros, es defectuoso y por lo tanto, da lugar a ese nivel inadmisible de partículas.

Sin embargo, se han encontrado problemas con las partículas en la realización de detectores de partículas para dichos entornos, debido a las dificultades encontradas cuando el equipo necesita mantenerse o hacerse funcionar en el conducto.

El documento US-A-5 352 901 da a conocer un aparato para detectar la presencia de partículas transitorias en gas, según la parte precaracterizante de su reivindicación 1.

El documento US-A-3 713 743 da a conocer un turbidímetro óptico que incluye una fuente de luz para generar un haz de luz, en forma de cinta, para la transmisión a través de un flujo de proceso de fluidos, un primer detector de luz para medir la intensidad del haz de luz después del paso a través del flujo del proceso, un segundo detector de luz sensible a la luz dispersa en la dirección hacia delante por el haz directo, dispositivos ópticos de filtrado espacial para enfocar la luz dispersa solamente desde una sección central del haz directo sobre el segundo detector y medios de procesamiento electrónico de señales sensible a las señales generadas por los dos detectores para desarrollar una señal de salida proporcional a la relación de la luz dispersa al haz de luz transmitido.

El documento US-A-5 331 177 da a conocer un sensor de turbidez provisto de una fuente de luz y una pluralidad de componentes fotosensibles, que están dispuestos próximos a un conducto para medir la intensidad de la luz directamente a través del conducto desde la fuente de luz y formando un ángulo con ella.

El documento US-A-5 828 458 da a conocer un sensor de turbidez o de oclusión de filtros de fluidos, que comprende una fuente de luz y un detector que presenta al menos una posición de sensor para atravesar una ruta de flujo o un elemento de filtro con el fin de mejorar la correspondencia de la intensidad de luz recibida en el receptor, en correspondencia con el nivel de turbidez o nivel de oclusión que se produzca en la célula de prueba. Preferentemente, el detector comprende un sensor de ruta directa, un sensor de ruta dispersa situado para atravesar la ruta de flujo desde el transmisor y el sensor de luz de referencia que se comunica con la fuente fuera de la cámara de
pruebas.

Sumario de la invención

Según la presente invención, según se define en la reivindicación 1, un aparato para detectar la presencia y posición de partículas transitorias en gas, dentro de un conducto, que comprende:

(i) al menos un emisor de iluminación dispuesto para efectuar el barrido de la iluminación a través de una sección transversal del conducto desde el exterior del propio conducto, en el que la iluminación está dispuesta para ser un haz colimado y

(ii) al menos un detector dispuesto para detectar la presencia y posición de cualquier destello de la iluminación, procedente de cualquier partícula dentro de la iluminación, a medida que el haz es objeto de barrido a través de la sección transversal del conducto, en donde el detector está montado en el exterior del conducto y fuera de la zona que se extiende perpendicular desde el área barrida del conducto; el ángulo de visión del detector está desplazado respecto a la perpendicular al plano de la sección transversal barrida y se desplaza al lado del conducto, en donde el detector está sincronizado con el haz emitido y el emisor está configurado para un barrido, paso a paso, a través de un ángulo de exploración predeterminado, de modo que el haz esté dispuesto para ser barrido a través de prácticamente la totalidad de la sección transversal del conducto.

El ángulo de visión es desde la dirección perpendicular al plano de la sección transversal barrida del conducto.

De este modo, para los conductos en los que la cámara no se pueda situar en la zona que proyecta el área barrida, se proporciona una solución. En algunos conductos, un cambio del ángulo del conducto puede permitir que la cámara sea localizada en la zona que proyecta el área barrida, pero en numerosas aplicaciones ello no es factible.

Por el término "prácticamente la totalidad" con respecto a la sección transversal de un conducto se entiende que se ilumina una parte suficiente de la sección transversal del conducto, de modo que no se necesite el muestreo de partes de sección transversal seleccionadas de la tubería y el supuesto de homogeneidad aproximada de la concentración de partículas y por lo tanto, la invención proporciona una detección, exacta y real, de la presencia de partículas a través de la totalidad de la sección transversal del conducto. Dicho término requiere, preferentemente, que la totalidad de la sección transversal del conducto esté iluminada, pero se puede admitir algunas pequeñas excepciones. El margen del ángulo de la iluminación debe exceder del 50%, preferentemente del 80% y más preferentemente todavía del 90% de la sección transversal del conducto.

De este modo, el ángulo de visión está sustancialmente desviado respecto a la dirección de flujo del gas, en condiciones de utilización.

El aparato y método de la invención son de utilidad, por lo tanto, en no solamente la detección de la presencia de partículas transitorias en el gas en la entrada o salida de un proceso industrial, de forma adecuada después de que el gas haya atravesado un sistema de atenuación y en particular, flujo arriba en una entrada o flujo abajo en una salida de dicho proceso, p.e., antes o después, respectivamente, de, por ejemplo, una turbina, pero también en la determinación de dónde está localizado un fallo en el sistema de atenuación, que permite el paso de las partículas.

Por el término "partículas", en esta memoria descriptiva, se entiende uno o más centros de dispersión como materias animales, vegetales o minerales en forma de partículas. En particular, dicho término incluye materias en partículas diminutas encontradas en la atmósfera y generadas dentro de motores y procesos industriales. Por el término "gas", en la presente, se entiende cualquier material gaseoso, en particular aire, que no reacciona de forma significativa, desde el punto de vista químico, con el material utilizado en el sistema de atenuación.

El aparato y el método de la presente invención se basan en la detección de destellos procedentes de partículas de iluminación a las que estén sujetos. Por el término "destello" se entiende un parpadeo o reflejo de la iluminación procedente de una partícula. El destello puede ser en cualquier dirección cuando la iluminación se refleja desde la partícula; al menos parte del destello estará en la dirección del detector. En un área de flujo de gas, el aparato de la invención, y su método, permiten una determinación más exacta de las partículas en suspensión en el flujo de gas a través de prácticamente la totalidad de la sección transversal del conducto. Si el gas próximo a la salida de un filtro es esencialmente laminar, es preferible que el aparato de la invención esté situado en el área del flujo laminar. En el aparato y método de la presente invención, la sincronización del detector con el haz emitido permite esencialmente que sólo se detecte el destello a lo largo de dicho haz. Esto presenta la ventaja de que se detecte la posición del destello en el haz y por lo tanto, el fallo de una zona particular del sistema de atenuación, por ejemplo, un filtro en un conjunto ordenado de filtros. Además, no se detectará el destello que surja de las partículas en cualquier otra área de un conducto y por ello, no dará lugar a una detección indeseada de destellos. De este modo, se consigue una determinación precisa de la localización de un fallo en un filtro particular en un conjunto planar de filtros. Se apreciará que la iluminación es prácticamente invisible en el gas en el que no existe ninguna partícula presente.

El aparato de la invención estará situado dentro de un conducto de entrada o de salida, que dirige el gas hacia dentro o fuera desde un lugar. El conducto puede ser cualquier espacio cerrado o semicerrado a través del cual puede fluir gas, tal como, por ejemplo, una tubería, chimenea, túnel, pozo o motores de aeronaves. El conducto puede estar construido de cualquier material adecuado conocido en esta técnica. Ejemplos de conducción incluyen los conductos metálicos, normalmente de acero, que pueden estar recubiertos o no recubiertos (p.e., galvanizados), acero inoxidable o aluminio; materiales plásticos, por ejemplo cloruro de polivinilo rígido o flexible, polipropileno, vidrio, poliestireno, polietileno de baja o alta densidad, ABS y compuestos similares y la canalización puede en forma de acordeón. La canalización puede ser transparente u opaca. Asimismo, la canalización puede ser de cualquier sección transversal conveniente o adecuada tal como, por ejemplo, rectangular (p.e., cuadrada), circular, oval y teniendo cualquier magnitud de sección transversal, siempre que dicha sección transversal pueda alojar el emisor y el detector. El área de sección transversal de un conducto tiene relativamente poca importancia y el aparato y método de la invención se pueden utilizar con cualquier tamaño o forma del conducto, aunque la salida del emisor y la sensibilidad del detector deben optimizar para los parámetros del conducto. El emisor y/o el detector pueden estar situados dentro de la sección transversal de la canalización; sin embargo, donde exista un muy alto rendimiento de gas, el emisor y el detector están preferentemente situados en la pared de la canalización o adyacentes a una ventana (transparente a la iluminación) en la pared de la canalización, de modo que el emisor o el detector no reduzca el rendimiento de gas y el riesgo de que cualquier parte del emisor o del detector sea desplazada de su lugar y se reduce así los posibles daños al conducto o al aparato.

Es preferible una iluminación que tenga una longitud de onda desde 300 nm a 1,5 \mum. El uso de longitudes de onda más cortas es beneficioso puesto que se maximiza la dispersión. La eficiencia de la dispersión de una partícula aumenta inversamente con la cuarta potencia de la longitud de onda de la iluminación. Sin embargo, se debe seleccionar la longitud de onda para reducir los efectos de la absorción. En entornos donde estén presentes gotículas o vapor de agua, en cantidad importante, esta circunstancia puede excluir el uso de la iluminación de infrarrojos (IR) y ultravioleta (UV).

Además de la eficiencia de dispersión, se debe detectar la iluminación y los detectores tienen una sensibilidad de longitud de onda. Cuando se utilizan detectores de estado sólido, es frecuente que los detectores sean más eficientes hacia el extremo de luz roja del espectro. Cuando se utilizan detectores basados en fósforos y la multiplicación electrónica de los detectores, es frecuente que los detectores sean más eficientes hacia la zona extrema azul del espectro.

La iluminación de luz infrarroja tiende a considerarse como más segura para los ojos que los láseres de UV/visibles, puesto que esta iluminación es atenuada en gran medida antes de que la retina y el ojo sean ineficaces en el enfoque de la iluminación IR sobre la retina. La iluminación de luz infrarroja presenta un límite de seguridad por cuanto que el usuario no puede ver fácilmente el haz y puede desconocer su posición o su estado de energización.

Cuando se utilizan detectores basados en material semiconductor, resulta beneficioso que el detector se enfríe para reducir el ruido térmico. El detector, incluso enfriado, puede sufrir las consecuencias de un incremento de los efectos térmicos, si una muestra caliente se considera como objetos calientes fuera de la radiación de luz infrarroja. Es conveniente que la cámara contenga un filtro que bloquee toda la iluminación de infrarrojos (IR) por encima de la longitud de onda que esté utilizando el láser. Es también conveniente que la cámara contenga un filtro que solamente permite que se detecte la iluminación del margen de longitudes de onda del emisor. Por consiguiente, esta invención no está limitada a un tipo de detector o de longitud de onda específica. Existe una pluralidad de fuentes que se pueden utilizar en este caso. Estas fuentes incluyen las de diodos láser, que están disponibles en numerosas longitudes de onda entre 633 nm y unos pocos micrones. Además, láseres basados en cristales de itrio (granate de aluminio-itrio y compuestos similares) se pueden bombear por un láser de diodos con alta eficiencia y generar haces de alta potencia estables en la región de 1000 a 1100 nm. El emisor puede incluir una fuente de luz con generación de armónicos. Los láseres YAG pueden utilizarse para producir una emisión a longitudes de onda del orden de magnitud de 532 nm y 355 nm utilizando dichas tecnologías. La generación de armónicos es un efecto no lineal y las fuentes pulsadas suelen proporcionar una mayor eficiencia. Además, se pueden utilizar diodos emisores de luz y diodos súper luminiscentes para obtener fuentes ópticas en una amplia gama de longitudes de onda. Se pueden utilizar fuentes ópticas térmicas, tales como lámparas de arco, para producir pulsos muy intensos de haces continuos o de luz. Para un funcionamiento estable con la utilización de láseres, es preferible utilizar una fuente de láser polarizada. Para un funcionamiento estable con el uso de láseres y para conseguir un haz colimado de alta calidad, es preferible utilizar láseres de solamente un modo transversal único o predominantemente único. Un haz de láser colimado es un haz que se ha establecido para tener una divergencia mínima. En la práctica, una disposición de óptica para un haz colimado debe ser estrictamente estable y nunca se puede conseguir una colimación verdadera. Sin embargo, es conocido, en está técnica, que un haz de láser enfocado a una distancia que sea significativamente más grande que la distancia escaneada proporciona un haz que, en términos de esta invención, se puede considerar colimado.

El haz colimado puede ser esférico o no esférico. La forma del haz de un láser es una función de la cavidad lasérica. El método de fabricación de láseres de diodos proporciona una cavidad, que tiene lugar en una unión eléctrica y por lo tanto, la cavidad no es simétrica alrededor del eje de emisión de luz y en consecuencia, el haz emitido no es simétrico, sino una elipse. En condiciones normales, la elipse tiene una relación de aspecto de 1:2 o mayor. Esta invención no está limitada a haces esféricos y se pueden utilizar haces elípticos u otras formas de haces. La alineación del eje principal de la elipse con la dirección del flujo maximiza el tiempo en que la partícula está dentro del haz. La alineación del eje principal del haz transversal al flujo de aire maximiza la sección transversal del conducto analizado en una etapa única. Se puede utilizar una óptica que cambia un haz elíptico a un haz redondo, pero estas operaciones reducen la intensidad del láser total y no proporcionan ventajas importantes para la invención.

Otras formas de haces de láser se pueden definir por la naturaleza modal transversal del láser. Láseres monomodos proporcionan una divergencia mínima y por lo tanto, un haz colimado óptimo. En aplicaciones en donde se exige una importante potencia lasérica y/o en aplicaciones donde se utilizan láseres económicos, se pueden utilizar entonces láseres multimodo. Los haces laséricos pueden diseñarse para proporcionar un perfil de intensidad definido mediante control de los modos transversales. Una de dichas configuraciones de modos se conoce en la técnica como un perfil de sombrerete, que tiene la ventaja de que la intensidad de iluminación es prácticamente constante, a través del diámetro del haz, lo que reduce la variación en la medición debida a una posición de las partículas en el interior del haz.

La utilización de un haz colimado presenta la ventaja de generar una alta densidad de potencia dentro del haz. La dispersión es un fenómeno lineal y por ello, una más alta densidad de potencia da lugar a una mayor dispersión y una mejora de la relación señalización a ruido. El empleo de un haz colimado permite la utilización de sistemas ópticos más pequeños que proporcionan ahorros de costes. El uso de un haz colimado amplio presenta la ventaja de que la divergencia de un haz colimado es inversamente proporcional al diámetro del haz y de este modo, un haz de diámetro amplio se dispersa con menor rapidez, en función de la distancia desde el láser y se reduce la variación de la iluminación a través de la imagen.

Las dimensiones del haz se deben optimizar para el tamaño del conducto, para mayores conductos mayores diámetros del haz y de este modo, se reduce la divergencia, lo que resulta preferible.

Los láseres comerciales suelen fabricarse con cavidades laséricas que proporcionan un haz casi colimado a la salida. Los diámetros típicos de los láseres comerciales estándar están en el margen de 0,5 a 5 mm. Los diámetros de los haces, dentro de este margen, son adecuados para la mayor parte de los conductos, pero para mayores conductos se puede utilizar un expansor de haz (conocido en esta técnica) para aumentar las dimensiones del haz.

Los láseres de diodos no proporcionan una salida colimada y una lente única se puede utilizar para definir un haz elíptico colimado. La reducción de la longitud focal de la lente única reduce el diámetro del haz colimado y de este modo, se puede utilizar un módulo de diodos láser que permiten numerosos diámetros del haz mediante modificación de una sola
lente.

Los emisores, que incluyen láseres, pueden ser pulsados y en dicho modo pulsado, la energía máxima se puede aumentar frecuentemente, de modo que la energía emitida total sea constante o incluso mayor por utilizar el régimen pulsado.

La dispersión es un efecto lineal y la magnitud de la iluminación detectada es una función de la cantidad de luz proporcionada a la partícula en oposición a la duración en que fue excitada la partícula. El ruido térmico en una cámara es una función del tiempo de exposición. Por medio de la pulsación del láser, es posible reducir el tiempo de exposición real de la cámara (con el uso de un bucle de realimentación) y de este modo, reducir el ruido térmico sin reducción en la intensidad dispersa de una partícula y esta circunstancia resulta ventajosa.

Al proporcionar la potencia a la partícula, en un periodo de tiempo corto, la partícula dispersa la iluminación solamente a través de una longitud reducida de la ruta de vuelo y ello aumenta la resolución de la imagen de la partícula y mejora el análisis, con la consiguiente ventaja operativa.

El láser debe introducir iluminación suficiente a una partícula, durante su tránsito para distinguirla del ruido térmico. El uso de un láser pulsado permite que el láser introduzca más luz en un tiempo de exposición único que como sería normalmente el caso de utilizar un láser de onda continua (CW) de la misma potencia media, con la siguiente ventaja operativa.

Se pueden seleccionar láseres que tengan una automodulación debido a sus características internas o sean modulados externamente mediante el control del bombeo lasérico o de la calidad de la cavidad (la calidad de la cavidad es un término técnico conocido para un experto en esta materia). Es preferible utilizar un láser con modulación exterior, de modo que un dispositivo de control pueda controlar el láser, el obturador de la cámara y los medios de exploración del láser.

Numerosos láseres se definen por medio de la vida útil operativa en horas. Mediante la utilización de un láser modulado, que esté inhibido durante la exploración del haz lasérico y cuando el sistema no esté adquiriendo datos, se reivindica que se puede aumentar la vida útil del láser, con la consiguiente ventaja económica.

La operación se puede reducir todavía más entrelazando las mediciones. Por ejemplo, una imagen puede estar compuesta por numerosas exposiciones en cada uno de 100 ángulos. Sin embargo, se necesita medir la totalidad de 100 ángulos para actualizar la imagen y se puede utilizar un sistema de entrelazado y rizado de modo que cada nuevo ángulo se analice sustituyendo la parte de imagen anterior en ese ángulo y la imagen se vuelve a visualizar y analizar con estos nuevos datos y las 99 mediciones precedentes. La imagen puede estar constituida por solamente unos pocos ángulos que cubren el margen de volumen de medición cuando no se ha detectado ninguna presencia de polvo y conmutar a numerosos ángulos solamente cuando el sistema detecte la presencia de partículas. Esto permite un tiempo de actualización más rápido o que el sistema/láser tenga más tiempo inactivo. Se puede incluir la realimentación, de modo que un conjunto específico de ángulos sean medidos a no ser que se detecte la presencia de partículas y en tal caso, el sistema aumenta el número de exploraciones dentro de ese margen.

Un emisor preferido es un láser. Se ha encontrado que los láseres producen destellos intensos desde las partículas y los dispositivos laséricos presentan una vida útil comparativamente más larga. Una salida lasérica adecuada se puede determinar tomando en consideración el tamaño de la partícula previsto y la sensibilidad exigida al aparato. La iluminación visible en el extremo más corto del espectro visible, por ejemplo, 532 nm es preferida puesto que es menos susceptible a interferencia con la humedad que, por ejemplo, la iluminación en el extremo más largo del espectro visible, por ejemplo, 780 nm, aunque se puede utilizar la iluminación en la totalidad del espectro. La adaptación de un emisor de frecuencia única con un detector específico para dicha frecuencia da lugar a una mayor reacción señal a ruido en la detección y por lo tanto, una mayor sensibilidad del aparato de la invención. El conducto puede estar provisto de un dispositivo de basculamiento del haz para absorber la iluminación, en particular, la iluminación procedente de un láser, en el lado del conducto opuesto al emisor, de modo que la iluminación no sea reflejada desde el lado opuesto del conducto.

El láser o el sistema óptico después del láser pueden incluir filtros para eliminar la luz no deseada. Una iluminación distinta a la requerida se puede emitir por un láser mediante emisión espontánea o se puede emitir a modo de fugas desde las fuentes de bombeo lasérico. Los filtros pueden incluir filtros ópticos. Asimismo, los filtros pueden incluir filtros espaciales. Uno o más de los detectores se puede instalar provisto de filtros para reducir la luz desde fuera del área de interés.

Uno o más detectores se pueden instalar con un filtro para reducir la detección de IR a frecuencias inferiores a la del láser, lo que puede causar ruido térmico. El detector puede incluir un filtro polarizado que se puede polarizar paralelo u ortogonal a la fuente de iluminación. El detector puede enfriarse para reducir el ruido térmico mediante, por ejemplo, un dispositivo de estado sólido o un dispositivo de enfriamiento Peltier. Los detectores pueden incluir viseras para minimizar la iluminación no deseada. Dichas viseras pueden estar provistas de desviadores para minimizar la iluminación no deseada.

La profundidad del foco del detector se puede controlar de modo que la iluminación dispersa dentro del plano del láser escaneado sea detectada preferentemente a través de la iluminación con origen fuera de este plano. El sistema óptico del detector puede disponer de medios para hacer que la profundidad de visión sea limitada por medio del uso de una abertura muy pequeña o iris o cualquier otro medio.

Un filtro de paso de banda se puede proporcionar también para reducir cualquier efecto de iluminación emitida sin emisor. El emisor debe proporcionar un haz colimado de iluminación, de forma que cuanto más estrecho sea el haz tanto mejor porque proporcionará una determinación más exacta de cualquier destello y mejorará la relación señal a ruido.

El emisor está dispuesto para el barrido de la iluminación, paso a paso, a través de la totalidad de la sección transversal del conducto; por ejemplo, se puede efectuar el barrido utilizando una lente, espejo o un prisma, que puede desplazarse o girarse con un motor paso a paso mediante un movimiento progresivo prácticamente continuo a través de un ángulo de paso deseado. Cuando el conducto tenga una mayor área de sección transversal, es preferible aumentar el número de pasos. En dicha disposición, la iluminación se dirige hacia el prisma o espejo para el barrido de la iluminación; sin embargo, es preferible que el emisor de iluminación, por ejemplo, un láser esté unido directamente al motor paso a paso. Aunque es preferido el uso de un emisor único de iluminación, se puede utilizar una pluralidad, en particular cuando la geometría de la sección transversal del conducto sea irregular o la estructura del conducto no sea regular.

El escaneado mecánico del haz desde el emisor por medio, por ejemplo, una lente o un espejo con desplazamiento mecánico prácticamente continuo permite el barrido del haz, paso a paso, a través de un ángulo de exploración deseado. En condiciones normales, un espejo se controla con un galvanómetro provisto de servomecanismo o un motor paso a paso, siendo este último preferido cuando la robustez mecánica del aparato sea exigida; otra ventaja de un motor paso a paso es la información que se relaciona con la posición del haz del emisor que se puede utilizar para enmascarar cualquier señal espúrea. Las ventajas de dicho sistema permiten una intensidad constante a lo largo del haz (excluyendo cualquier absorción), mantener una alta intensidad, es decir, poca dispersión del haz distinta a una divergencia normal y se pueden controlar fácilmente parámetros de exploración tales como ángulo de barrido, tasa de barrido y régimen de pasos. En general, el dispositivo de barrido tendrá un funcionamiento libre aunque dependiendo de los parámetros del sistema, siendo conocida la posición del haz; sin embargo, la posición del haz se puede realimentar para su análisis y nuevo control de la posición, si así se requiere.

La duración del barrido puede variar desde decenas de barridos por segundo hasta unas pocas por minuto; tiempos de barrido más prolongados permiten una detección muy sensible de pequeñas partículas puesto que un tiempo de parada más largo, en cada posición, permite que se tomen un mayor número de imágenes con lo que es posible aumentar la sensibilidad y la detección de partículas más pequeñas. La detección de pequeños destellos se puede integrar durante un periodo de segundos para facilitar las mediciones de partículas de mayor fiabilidad y reproducibilidad; regímenes de barrido más rápidos suelen permitir acciones correctoras más rápidas en el caso de fallo catastrófico del sistema de atenuación. Los tiempos de barrido típicos estarán en el margen de 1 a 20 veces por minuto, con salidas entre 1 y 100 emisores por barrido, pero dichos parámetros dependerán de la sensibilidad del emisor y del detector y de las posibles partículas.

Un destello aparecerá como un pico detectado de la intensidad de la luz a partir de una salida única desde un detector; sin embargo, si, en una forma preferida, existe una pluralidad de salidas desde un detector en cada paso, la salida del detector será un promedio de los picos individuales desde diferentes partículas. Dicha media parecerá reducir la salida total causada por destellos desde el detector, en cada paso, de modo que el ruido en el aparato pueda tender a enmascarar prácticamente el destello detectado. En consecuencia, es deseable reducir el efecto de ruido de fondo en la promediación del destelle detectado. Al menos un medio de umbral se puede utilizar para reducir el ruido. El ruido puede ser debido a cualquier parte del sistema incluyendo, sin limitación, el ruido térmico dentro del sistema del detector, el ruido térmico en el amplificador del detector u otros medios de lectura, el ruido térmico presente debido a la creación de imágenes de calor en el conducto, elementos de luz reflejada en el interior del conducto, dispersión secundaria cuando la luz se disperse por una partícula de polvo y luego se refleje desde el conducto con un artículo en su interior.

Existe una pluralidad de maneras de establecer un umbral.

El umbral puede ser el valor medio de todos los pixels dentro de un área de la exposición o dentro de un área de todas las exposiciones en ese ángulo de paso o en el interior de un área de todos los pixels dentro de dicha imagen.

El uso de la definición del umbral para un área de la imagen/exposición/exploración permite áreas más brillantes de una imagen debido a la reflexión desde el polvo o partes internas del conducto.

El valor del umbral se puede definir por una función que puede ser lineal o no lineal, aplicada a un área de una o varias exposiciones.

El umbral se puede definir a partir de imágenes anteriormente registradas. La imagen puede ser una imagen registrada cuando no había presencia de polvo. La imagen puede ser la integración de un tiempo significativo en el que había presencia de partículas de modo que los efectos de las partículas se hayan promediado. Un largo tiempo de integración se puede producir por la suma de numerosas exposiciones o el uso de un número único o más bajo de largas exposiciones. El umbral se puede definir promediando un número definido de imágenes precedentes de ese ángulo de exploración, de modo que el umbral sea estable, pero constantemente actualizado.

El umbral se puede utilizar en la determinación de la presencia de partículas mediante el uso de la comparación donde cualquier cambio significativo en la imagen a partir de los valores del umbral indica un cambio en la carga de partículas.

Otra forma de reducir un umbral es mediante la consideración de dónde el haz lasérico está dentro de la imagen. Un umbral espacial se puede aplicar cuando solamente esté orientado dentro de la extensión del haz lasérico según se define como la señal y los puntos que queden fuera de este régimen se consideran como ruido. Un umbral espacial se puede utilizar para obtener un umbral de magnitud. El área fuera de la extensión del haz lasérico se puede analizar y al menos definir un parámetro de los valores de pixels. Esto puede ser un valor máximo, un valor medio, un valor de mediana o algún otro valor definido desde el punto de vista matemático.

Todos los pixels en la imagen se pueden definir como cero si tienen un valor inferior a este umbral. Los pixels desplazados del haz lasérico se pueden definir también como cero. De este modo, en este caso, un umbral actúa por medio de un operador lógico, que define si una multiplicación es por 0 o 1.

El umbral puede implicar información temporal. Por ejemplo, el análisis puede implicar la consideración en la variación de uno o más pixels a través de una serie de posiciones tomadas secuencialmente y en donde un pixels tiene un valor significativo en una mayoría de exposiciones y en tal caso, se considera debido a ruido, mientras que si el pixels tiene un valor significativo en solamente en una o en un bajo número de exposiciones, se considera que la señal fue debida a las partículas.

El análisis puede implicar la sustracción de uno o más umbrales. El análisis puede implicar, asimismo, el análisis de varios umbrales. Por ejemplo, el análisis puede considerar un umbral histórico definido en la instalación del aparato y un umbral definido por las 100 exposiciones precedentes de ese ángulo de exploración. De este manera, se puede analizar el cambio en el sistema, desde la instalación o calibración así como el cambio en el sistema debido a mediciones precedentes.

El análisis puede comprender un segundo umbral, donde las exposiciones después de la suma de las exposiciones en un ángulo de paso particular reduzcan, todavía más el ruido o simplifique el análisis correspondiente.

El detector puede ser cualquier detector adecuado capaz de dirigir el destello de la iluminación procedente de partículas. Los sistemas detectores adecuados incluyen, por ejemplo, cámaras, fototransistores y diodos PIN. Una cámara adecuada debe tener una sensibilidad apropiada una resolución espacial que sea en función del número de pixels. El detector puede estar provisto de un filtro óptico o de varios filtros de modo que, por ejemplo, un filtro pueda presentar una cámara insensible fuera de la longitud de onda estrecha de la iluminación.

Preferentemente, puede estar provisto un sistema de fototransistor o detector único, pero no se excluye la utilización de una pluralidad de sistemas detectores. La salida del sistema detector, durante el movimiento del emisor desde una posición de paso a la siguiente no se considera; debido a que no tendrá ningún efecto significativo sobre la detección.

El posicionamiento relativo del emisor y del detector se puede optimizar y hacer depender del tipo de detector utilizado. Por ejemplo, es preferible para el campo de visión de la cámara que se desplace respecto a la línea de dirección del emisor, permitiendo, de este modo, la obtención de una imagen bidimensional del plano iluminado. Sin embargo, si se localiza un detector adyacente al emisor, de modo que un haz sea enviado a través del conducto, el destello detectado será el reflejado (dispersión posterior); sin embargo, la información posicional con respecto a la partícula podría no determinarse en dos dimensiones. Con el emisor situado fuera del conducto, el mapa de situación anteriormente descrito representa una imagen bidimensional distorsionada o alabeada del conducto, con el así denominado alabeo de la perspectiva. Para obtener las coordenadas de mapa del sistema de atenuación real para la vista en perspectiva alabeada, se pueden utilizar algoritmos bien conocidos (por ejemplo: Wolberg, Digital imagen warping 1990, IEEE Computer Society Press, 1990; Performance Metrics for Robot Coverage Tasks, Sylvia C Wong et al, Proceedings 2002 Australasian Conference on Robotics and automation, Auckland 27-29 noviembre 2002, páginas 7 a 12).

El detector mantiene el enfoque sobre el haz cuando el haz es barrido a través de la sección transversal del conducto; de esta manera, el detector detecta el destello resultante de cada posición paso a paso del haz colimado. De este modo, cuando el haz efectúa un barrido a través del conducto, se detecta un destello desde cada posición. A partir de la información sobre destellos así detectada, un mapa bidimensional de cualquier partícula detectada a través del conducto se obtiene en un dispositivo de registro. Este mapa muestra, entonces, qué parte del sistema de atenuación está fallando para impedir el paso de la partícula.

La determinación de las partículas puede incluir la suma de área de una imagen final y asimismo, puede incluir la suma de un área o volumen dentro de una imagen final. La determinación puede incluir el conteo del número de picos. El análisis puede comprender la producción de una distribución de algún parámetro de los picos. El parámetro puede ser la magnitud, el área o el volumen. El análisis puede incluir el de la forma de distribución.

La determinación puede comprender, además, valores de umbrales tales que cuando un cambio de magnitud específico se realice en uno o más parámetros definidos, se produce un disparo operativo debido a un cambio importante en el sistema.

El método de utilizar un láser escaneado desde el borde del conducto define qué la densidad de energía total proporcionada por el láser, dentro de una exploración, se reduce con el cuadrado de la distancia desde la posición del láser, para un haz perfectamente colimado. Utilizando un haz colimado, todas las partículas tienen el mismo flujo incidente, pero existe un mayor solapamiento de los haces en los ángulos de pasos diferentes más próximos al láser, de modo que se medirán más partículas. Preferentemente, el paso de determinación incluye el paso de normalizar la imagen o el resultado de la imagen, dependiendo de la densidad de energía proporcionada al área.

El método de creación de imágenes del láser explorado desde el borde del conducto produce distorsión en la imagen. Preferentemente, el paso de determinación incluye la eliminación o reducción de la distorsión de la imagen.

Preferentemente, el método de la invención comprende el paso de establecer al menos un objetivo de calibración para permitir el análisis de la ganancia del sistema de imágenes e incluso un segundo paso de normalización de la exposición en función de la ganancia del sistema. Preferentemente, esta normalización se produce para cada ángulo de exploración en oposición a la imagen total. Más preferentemente, esta normalización se produce para cada exposición en oposición a la suma total de todas las exposiciones.

En esta invención, la ganancia del sistema de imágenes se define como la ganancia total y tiene en cuenta la fluctuación lasérica así como la presencia de suciedad en ventanas y las variaciones de sensibilidad del detector y cualquier otro cambio que afecte a la magnitud de la señal medida.

Según otro aspecto de la presente invención, por lo tanto, se da a conocer un método, según se define por la reivindicación 20, para detectar la presencia de partículas en un gas dentro de un conducto.

En una forma adecuada, el método comprende, además:

(i) establecer un nivel umbral;

(ii) sumar el nivel detectado de destello desde el detector en cada paso del haz y

(iii) registrar el destello detectado y

(iv) determinar la presencia, cantidad y posición en el conducto, de cualquier partícula presente.

Se apreciará que el aparato y el método según la invención se puede utilizar en varios entornos, por ejemplo, en conductos de diferentes dimensiones, para detectar la presencia de partículas de tamaño variable y de un gas que presente varios caudales en el conducto. Los parámetros asociados con la invención se deben optimizar para cada entorno. En general, según la invención, el tiempo de exposición capaz de detectar una partícula se debe maximizar para mejorar la posibilidad de su detección. Se puede realizar varias generalidades:

El tiempo de exposición debe depender del tiempo de tránsito de las partículas a través de un haz de emisor.

El tiempo de exposición debe diferenciar la señal del ruido.

La salida del detector debe ajustarse para eliminar el ruido, preferentemente ajustando el umbral.

La posibilidad de detectar los destellos se aumenta con una mayor potencia de salida del emisor, pero se debe minimizar cualquier generación de ruido asociada.

El dispositivo de registro puede ser cualquier instrumento capaz de proporcionar información sobre el paso de partículas a través de un conducto. El registrador puede ser, por ejemplo, cualquier unidad de presentación visual que tenga una persistencia suficientemente larga para obtener una indicación de posición-plano de los barridos escalonados a través de la sección transversal del conducto. En otro tipo de registrador, el sistema detector proporciona una matriz X-Y de la sección transversal del conducto, siendo la matriz preferentemente corregida a partir de su vista en perspectiva alabeada para las coordenadas del conducto. Todavía otro tipo de registrador, se puede establecer un límite de admisibilidad para la concentración de partículas por encima del cual se indicaría una concentración inadmisible de las partículas, por ejemplo, un fallo del sistema de atenuación. Dicho fallo puede ser debido, por ejemplo, al rendimiento deficiente de uno o más elementos del sistema de atenuación. La posición de dicho fallo se puede visualizar en este caso, por ejemplo, con una pantalla LCD o diodos LED en un panel de control de planta industrial y/o ir acompañada por un generador de ruido de advertencia, por ejemplo, una bocina. En otra forma de realización de la presente invención, el registrador puede ser un bucle de realimentación que activa un sistema de gestión, por ejemplo, un sistema de gestión de motores, de modo que se corrija el rendimiento teniendo en cuenta el fallo.

Además, según el empleo del aparato y método de formas de realización preferidas de la presente invención, cuando las partículas pasan a través de, por ejemplo, luz lasérica, se refleja un pequeño destello de luz, es decir, un centelleo, se detecta por el sistema de detección. Aunque la amplitud del destello diferirá para cada partícula de polvo, debido a las diferencias en el tamaño de la partícula y el índice de refracción (y también cualquier presencia de suciedad en el sistema óptico) la tasa y duración de los destellos se puede utilizar para determinar el flujo de partículas y su contenido. Por lo tanto, se puede registrar la tasa y duración de los destellos y la amplitud de la luz de destellos puede constituir una indicación de la intensidad de las partículas. A continuación, la tasa y duración de los destellos se puede registrar mediante, por ejemplo, una suma, con lo que se proporciona una indicación de la cantidad de partículas en el conducto, además de determinar dónde las partículas pasan realmente a través del sistema de atenuación.

Al configurar y utilizar el aparato y realizar el método según la invención, es conveniente proporcionar una matriz de la sección transversal X-Y del conducto, adecuadamente en un ordenador, alimentar las imágenes registradas de los destellos para esa matriz desde el detector tomando en consideración la posición de la iluminación durante el barrido del conducto. De esta manera, se puede obtener un mapa del sistema de atenuación y su eficacia en impedir el paso de partículas. Es preferible al configurar el aparato y utilizar el método para detectar la presencia de partículas, que el aparato y el conducto se utilicen primero en la ausencia conocida de partículas, de modo que se pueda obtener una condición de línea base para comparación con los resultados cuando estén en funcionamiento.

La invención se extiende a la incorporación del aparato y uso del método en un sistema de canalización.

Otras características de la presente invención se establecen en las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se describirá ahora, a modo de ejemplo solamente, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es una vista en planta esquemática de un conducto que incorpora un aparato de detección, según la presente invención;

La Figura 2 es una vista en perspectiva de un detalle representado en la Figura 1.

La Figura 3 es un indicador de posición de plano.

La Figura 4 es una ilustración de una dispersión producida desde una partícula.

La Figura 5 es una ilustración de las imágenes representadas en la Figura 4 después de algún procesamiento de imágenes.

La Figura 6 es una vista de un sistema de atenuación dividido en una matriz 10 x 10.

La Figura 7 es un mapa de correlación del conjunto matricial representado en la Figura 6.

Las Figuras 8 y 9 son vistas correspondientes a la Figura 7, pero con un flujo de partículas presente.

Descripción de las formas de realización preferidas

La Figura 1 ilustra una vista en planta de un conducto (1) provisto de un aparato según la presente invención. Un sistema de atenuación (2) comprende un conjunto de filtros dispuestos en un formato alveolar a través de la sección transversal del conducto. Un láser (3) que tiene un haz de onda continua de 20 mW, un haz elíptico colimado que tiene una relación de aspecto de aproximadamente 2 mm x 4 mm, proporciona iluminación en una longitud de onda de 660 nm (roja), cuyo haz (4) está dirigido a través de la sección transversal completa del conducto a través del lado flujo abajo del sistema de atenuación. El haz es barrido a través del conducto en un lugar paralelo a los filtros mediante un motor paso a paso (5) que comprende el láser situado en un eje de una tasa de engranajes de un motor paso a paso, teniendo el motor paso a paso un ángulo de paso de 1,8º (modo de semipaso de 0,9º), con una exactitud del ángulo de paso del 5%, tensión de 5 V, corriente nominal de 0,5 A/fase. La caja de engranajes explora prácticamente la sección transversal completa del conducto, con una relación 100:1. Esta disposición de exploración fue encontrada robusta, a prueba de vibraciones, capaz de explorar a través de un amplio margen de temperaturas, a través de una gama de velocidades de exploración con información posicional repetible.

El conducto (1) es preferentemente un conducto de turbina de generación de electricidad.

Una zona que proyecta un área barrida del conducto se extiende perpendicular desde el área barrida, de modo que, en esta forma de realización incluya esencialmente el volumen completo del conduc-
to.

La Figura 2 ilustra la disposición de exploración con mayor detalle.

Los destellos desde cualquier partícula en el conducto se detectan por una cámara CCD con montura C/CS (tipo 1004XA, RF Concepts Limited, Belfast, N. Ireland BT16 1QT) (6) que tiene un objetivo de 12 mm Compatar con un campo de visión de 1:1,2, estando el centro de su campo de visión en un ángulo aproximado de 45º a través del conducto. El ángulo de visión (10) está sustancialmente desplazado con respecto a la dirección perpendicular al plano (4) del barrido del haz. En relación con un conducto cuadrado de 5 m, la cámara está a aproximadamente 3 m desde el plano del borde superior del sistema de atenuación. A continuación, se desplaza con respecto al lado del conducto. El emisor y la cámara están situados fuera de la pared del conducto. La cámara está situada flujo abajo del láser que por sí mismo, está situado flujo abajo del sistema de atenuación. La dirección del detector es no perpendicular al plano del barrido del haz.

En una forma de realización alternativa, la cámara está situada flujo arriba del láser y frente al flujo descendente; esta disposición puede ser preferida debido a que cualquier partícula presente en el gas es menos probable que obstruya de la cámara y puede reducir las reflexiones y por lo tanto, el ruido debido a la dispersión de la luz desde el sistema de atenuación. Sin embargo, esto reduce la resolución espacial del aparato debido a la disminución del flujo laminar y/o difusión de las partículas.

Para cada etapa del haz del emisor, a medida que es barrida la sección transversal del conducto, se obtiene una imagen de destellos; dicha imagen es única para la posición del haz de iluminación solamente.

Para cada paso, la salida desde la cámara del detector se alimenta luego a un registrador (7), que está sincronizado, con su base de tiempos, para la posición del haz de iluminación desde el emisor con una salida desde la cámara del detector, de modo que se obtenga una figura de intensidad para el destello procedente de cualquier partícula a lo largo de dicho ángulo. Este proceso se repite para cada paso a medida que el haz emisor es barrido a través del conducto.

Es conveniente definir la geometría del conducto con anterioridad a la utilización del aparato y método según la invención, en términos de coordenadas X-Y a través del conducto. Un conjunto matricial de intensidad de destellos puede establecerse en correlación, por lo tanto, con las coordenadas X-Y de la sección transversal del conducto para formar imágenes o mapas de partículas en el conducto. Con esta información, el rendimiento de filtros individuales en un sistema de atenuación se puede controlar y detectar cualquier deterioro en el rendimiento de uno o cualquier filtro.

Con el fin de utilizar el presente aparato y método, es conveniente realizar primero una configuración del aparato para asegurar que el emisor, el detector y el sincronizador funcionen de forma concertada. A continuación, el flujo de aire en el interior del conducto se puede iniciar sin ninguna introducción de partículas. En condiciones normales, el flujo de aire continuará, durante unos minutos, para permitir que el aparato sedimente cualquier partícula residual en el conducto y disminuya cualesquiera efectos transitorios. El método de la invención fue iniciado, a continuación, durante un periodo de 10 segundos en cada paso. En cada paso, se detectaron 100 imágenes para crear imágenes consolidadas a partir de cada uno de los 50 pasos de emisor.

Una indicación de posición de plano desde un registrador, se representa en la Figura 3 después del procesamiento descrito a continuación.

La Figura 4 ilustra la dispersión de partículas desde un haz de láser único de más de 100 exposiciones. El fondo alveolar es una rejilla protectora a través de un elemento de un conjunto de filtros. Las dos líneas distorsionadas son áreas de adhesivo en la cara mallada del filtro.

Se entenderá que la imagen detectada puede contener un gran número de destellos dentro y fuera del haz lasérico. El umbral se establece también manualmente para reducir la presencia de destellos fuera del haz y aplicarse a la imagen completa para reducir todavía más el ruido. Cualquier destello por debajo de dicho nivel umbral será por consiguiente desechado. La Figura 5 ilustra una exposición única a partir de la cual se ha establecido un umbral de ruido de
fondo.

El establecimiento del umbral fue realizado promediando 100 exposiciones en una posición de motor de paso única para determinar el ruido que fue luego sustraído de una exposición única para obtener la representación de la Figura 5.

A continuación, el ruido se reduce todavía más y el sesgo se disminuye mediante la correlación transversal de cada píxel con un efecto gaussiano de mitad de la anchura de 3 pixels. La correlación es un análisis numéricamente complejo y consumidor de tiempo, pero el efecto gaussiano es simétrico alrededor del eje, pudiéndose establecer la correlación mediante convolución. La convolución en dos dimensiones es, en sí misma, no trivial pero el análisis es separable y el procesamiento se puede realizar como una secuencia de convoluciones en cada dimensión.

A continuación, la imagen se analiza por el procesador 8 para el número de magnitud de los centros de destellos por medio de un algoritmo de detección de picos. El algoritmo utiliza una máscara deslizante de dimensión de 5 x 5 pixels. Esta máscara se aplica a cada píxel en la imagen y si el centro de la máscara es el máximo de la máscara, en tal caso, este píxel se define como un pico y se registra la posición X-Y. Si la posición X-Y está fuera del ámbito de haz lasérico, entonces este centro se ignora como ruido. A continuación, el método permite la definición de cada centro de dispersión por una posición X-Y y una magnitud que reduce notablemente los datos.

La Figura 6 representa una vista de un sistema de atenuación, en una sección de una matriz de 10 x 10, como una vista en perspectiva alabeada según se observa por un detector. Esta vista se convierte en la geometría real del sistema de partículas utilizando el método de Wolberg anteriormente descrito mediante un ajustador de imagen (9); dicho método se utiliza también para establecer un mapa de las posiciones de láser en imágenes distorsionadas. La línea representada en los cuadros 40 a 49 y en los cuadros 50 a 59 muestran la posición de dos haces de un láser.

Un mapa típico de un conducto que presenta una sección transversal cuadrada, dividida en una matriz de 10 x 10, se representa en la Figura 7, en donde cada cuadrado está numerado de 0 a 99 inclusive. El conjunto matricial representa un mapa X-Y a través de un conducto corregido a partir de la vista en perspectiva alabeada del conducto desde la salida del detector. En el mapa de la Figura 7 se presenta una exploración cuando ninguna partícula fue deliberadamente introducida en el conducto; los dígitos en el centro de cada cuadrado del conjunto representan una necesidad relativa de cualquier partícula en el conducto utilizando una escala de 0, para indicar la ausencia de partículas, hasta 9, que indica una fuerte concentración de partículas. Puede observarse que las partículas estaban presentes solamente en baja concentración a través de partes del conducto. Este mapa se utiliza como una línea base de referencia.

La Figura 8 representa un mapa similar al representado en la Figura 7 de una exploración cuando se introdujo una inyección continua de partículas en el conducto. Las partículas no siguieron un flujo estrecho sino que tendieron a dispersarse a través de una parte de grandes amplia de la sección transversal del conducto según se indica por los dígitos en el mapa.

La Figura 9 representa un mapa similar al de la Figura 7 de una exploración en la que fue inyectada partículas en una sección particular del sistema de atenuación, a través del conducto, utilizando una fuente de partículas bombeadas a mano; se puede observar que una fuerte concentración de partículas fue encontrada en los cuadros 24 y 34. Esto indica que el aparato y método según la invención puede detectar partículas en puntos específicos a la salida de un sistema de atenuación. Los mapas de las Figuras 8 y 9 tienen en cuenta la condición de línea de base representada en la Figura 7.

Los mapas representados en las Figuras 7, 8 y 9, cuyos dígitos indican la concentración relativa de las partículas en los diversos cuadrados en el conducto, se pueden sustituir por un mapa que tenga diferentes colores y formas, que no sean dígitos, para indicar la densidad de las partículas; por ejemplo, ningún color (blanco) puede indicar la ausencia de partículas, la luz azul una ligera concentración de partículas, hasta el verde, amarillo, naranja y rojo, indicando este último una fuerte concentración de partículas.

Claims (26)

1. Un aparato para detectar la presencia y la posición de una partícula transitoria en gas en el interior de un conducto (1) que comprende:

(i) al menos un emisor (3) de iluminación (4) dispuesto para el barrido de la iluminación a través de una sección transversal del conducto desde el exterior de dicho conducto, en donde la iluminación está dispuesta para ser un haz colimado y

(ii) al menos un detector (6) dispuesto para detectar la presencia y la posición de cualquier destello de la iluminación desde cualquier partícula dentro de la iluminación a medida que el haz es barrido a través de la sección transversal del conducto,

en donde el detector está montado en el exterior del conducto y fuera de la zona que se extiende perpendicularmente desde la zona barrida del conducto; estando el ángulo de visualización del detector desplazado respecto a la perpendicular al plano de la sección transversal barrida y desplazado hacia el lado del conducto, en donde el detector está sincronizado con el haz emitido y el emisor está configurado para ser barrido, por etapas, con un ángulo de barrido predeterminado, de modo que el haz esté dispuesto para ser barrido en prácticamente la totalidad de la sección transversal del conducto.

2. Un aparato según la reivindicación 1, en el que el detector es enfocable sobre la iluminación.

3. Un aparato según la reivindicación 1 o la reivindicación 2 en donde está previsto, además, un registrador (7) para cualquier destello detectado en la iluminación a medida que el haz (4) es barrido a través del conducto (1).

4. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se encuentra, además, un dispositivo de ajuste de la imagen configurado para ajustar la imagen recibida por el detector (7) para justificar la imagen recibida en el exterior del conducto (1).

5. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde el emisor (3) es un
láser.

6. Un aparato según la reivindicación 5, en donde el láser (3) proporciona iluminación a 660 nm.

7. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un motor paso a paso (5) para realizar el barrido del haz emisor, por etapas, a través de un conducto (1).

8. Un aparato según la reivindicación 7, en donde el emisor (3) está fijado en un eje del motor paso a paso (5).

9. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el detector (6) es una cámara sintonizada a la longitud de onda del emisor (3).

10. Un aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende medios para establecer un nivel de umbral de ruido en el aparato, que puede tender a enmascarar un destello detectado.

11. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el registrador (7) es una bocina de aviso.

12. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, que comprende un bucle de realimentación para activar un sistema de gestión, que puede corregir los rendimientos para tener en cuenta un fallo del sistema de atenuación.

13. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde están previstos medios para corregir la vista en perspectiva distorsionada del conducto (1) a partir de la salida del detector
(6).

14. Aparato según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el emisor (3) está situado en el exterior del conducto (1).

15. Sistema de canalización que comprende un conducto (1), un sistema de atenuación (2), al menos en parte en el interior del conducto, y un aparato para detectar la presencia de partículas transitorias en un gas, en el interior del conducto, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

16. Sistema de canalización según la reivindicación 16, en donde el ángulo de visualización del detector (6) está desplazado respecto a la perpendicular al plano de la sección transversal barrida con una magnitud de 20º, preferentemente 30º y todavía más preferentemente 40º.

17. Sistema de canalización según la reivindicación 16 o la reivindicación 17, en donde el conducto (1) comprende una entrada de turbina.

18. Sistema de canalización según la reivindicación 18, en donde la entrada de turbina es la de una turbina generadora de electricidad.

19. Método para detectar la presencia y la posición de una partícula en un gas en el interior de un conducto (1), que comprende las etapas que consisten en:

(i) efectuar el barrido del conducto con un haz de iluminación colimado (4) a partir de al menos un emisor (3) de iluminación a través de una sección transversal del conducto,

(ii) utilizar al menos un detector (6) para detectar la presencia y la posición de cualquier partícula de la iluminación, procedente de cualquier partícula en el interior de la iluminación a medida que el haz es barrido a través de la sección transversal del conducto, en donde el detector está montado en el exterior del conducto y en el exterior de la zona que se extiende perpendicularmente a la zona barrida del conducto; estando el ángulo de visualización del detector desplazado respecto a la perpendicular al plano de la sección transversal barrida y desplazado hacia el lado del conducto, en donde el detector está sincronizado con el haz emitido y el emisor es barrido, por etapas, en un ángulo de barrido predeterminado, con el fin de que el haz sea barrido en prácticamente toda la sección transversal del conducto y

(iii) detectar cualquier destello de la iluminación procedente de la partícula, con el fin de determinar la presencia y la posición en el conducto de cualquier partícula presente.

20. Método según la reivindicación 20, que comprende la etapa que consiste en establecer un nivel de umbral para detectar un ruido.

21. Método según la reivindicación 21, en donde el umbral está, al menos en parte, definido en el espacio.

22. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 21 o 22, en donde el umbral está, al menos en parte, temporalmente definido.

23. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 23, que comprende la etapa que consiste en sumar el nivel de destello detectado por el detector en cada etapa del haz, cuando existe más de una salida de detector en una etapa dada.

24. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 24, en donde el haz (4) es barrido a razón de 1 a 20 veces por minuto, con 20 a 100 etapas de emisor (3) por barrido.

25. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, en donde el haz (4) es barrido a razón de 20 a 100 etapas de emisor por barrido.

26. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 20 a 26, que comprende la etapa de corrección de la visualización de la vista en perspectiva distorsionada en coordenadas X-Y de un conducto
(1).