ES2841315T3 - Dispositivo sensor de gas móvil y portátil, procedimiento de medición de gas y uso del dispositivo sensor de gas - Google Patents

Dispositivo sensor de gas móvil y portátil, procedimiento de medición de gas y uso del dispositivo sensor de gas Download PDF

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ES2841315T3 ES18000603T ES18000603T ES2841315T3 ES 2841315 T3 ES2841315 T3 ES 2841315T3 ES 18000603 T ES18000603 T ES 18000603T ES 18000603 T ES18000603 T ES 18000603T ES 2841315 T3 ES2841315 T3 ES 2841315T3
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Abstract

Dispositivo sensor de gas móvil y portátil con una fuente de luz infrarroja (3), una cámara de detección (4) y un detector de infrarrojos (2), en donde la fuente de luz infrarroja (3) y el detector de infrarrojos (2) están dispuestos en extremos opuestos de la cámara de detección (4), y el dispositivo sensor de gas presenta un disco perforado (1) giratorio dispuesto aguas arriba del detector de infrarrojos (2) y accionado por medio de una unidad de accionamiento (17) y un regulador de flujo de gas que forma un dispositivo de bombeo combinado con el disco perforado (1) giratorio y en donde la unidad de accionamiento (17) para accionar el disco perforado (1) giratorio es la única unidad de accionamiento (17) del dispositivo sensor de gas, y en donde el dispositivo de bombeo es un compresor de canal lateral (10), estando diseñado el disco perforado (1) giratorio como su rotor (1) con un sistema de álabes (15) y con al menos un orificio (16), y por que el compresor de canal lateral (10) presenta una carcasa (11,18) que - está compuesta de un material transparente a la luz IR para el paso de la luz IR, o que - presenta al menos dos elementos ópticos (12, 20) de un material transparente a IR para el paso de la luz IR, que se sitúan en una trayectoria de luz (L) definida entre la fuente de luz infrarroja (3) y el detector de infrarrojos (2) y cuyo posicionamiento delante y detrás del rotor-disco perforado (1) con respecto a la trayectoria de luz (L) corresponde a una posición angular predeterminada del al menos un orificio (16) del rotor-disco perforado (1).

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo sensor de gas móvil y portátil, procedimiento de medición de gas y uso del dispositivo sensor de gas
La invención se refiere a un dispositivo sensor de gas móvil y portátil y a un procedimiento de medición de gas que puede llevarse a cabo con el mismo. La invención también se refiere al uso del dispositivo sensor de gas móvil y portátil, para transportar o colocar el dispositivo sensor de gas móvil y portátil en puntos donde se debe verificar la presencia de al menos un gas y medir su concentración.
Por el estado de la técnica se conocen diferentes dispositivos para el análisis de gases, siendo un desafío particular el desarrollo de dispositivos de detección de gases móviles y portátiles con los que incluso pequeñas concentraciones de gas puedan detectarse y analizarse de forma rápida y fiable in situ en puntos de medición.
Los dispositivos de medición de gas portátiles se utilizan, por ejemplo, para mediciones personales, monitorización de áreas y al entrar en espacios estrechos para determinar la presencia de gases o vapores potencialmente peligrosos en el lugar de trabajo. Además, los dispositivos de medición de gas portátiles se utilizan para la detección de fugas, especialmente para comprobar redes de tuberías de gas.
El documento DE 19713469 C1 describe un aparato para analizar mezclas de gases, que presenta un diseño pequeño y compacto y, por lo tanto, es portátil. El aparato presenta un compresor para aspirar la mezcla de gases en un sistema de tuberías de gas para enviar el flujo de gas, que está equipado con sensores de gas para determinar al menos un componente gaseoso y con al menos una unidad de absorción en la que el flujo de gas se mezcla con un agente absorbente suministrado desde un depósito de modo que al menos un cierto componente gaseoso del flujo de gas pasa al estado de solución y, por lo tanto, se convierte en un compuesto sensible a UV-VIS. El aparato también presenta al menos una celda de medición fotométrica asociada a la unidad de absorción para determinar la concentración del componente gaseoso específico, que ha pasado al estado de solución, y una unidad de evaluación para registrar, procesar adicionalmente y/o mostrar los valores medidos suministrados por el al menos un sensor de gas y la al menos una celda de medición fotométrica. Para su uso, se requieren reactivos que son necesarios para convertir el componente gaseoso al estado de solución para poder realizar la medición fotométrica.
Los sensores infrarrojos no dispersivos (sensores NDIR) no necesitan reactivos para el análisis de mezclas de gases; además de la fuente de radiación infrarroja, se requiere un espacio de detección del gas que se va a analizar, a través del cual pasa la radiación infrarroja, así como un detector de infrarrojos, dado el caso con filtro de longitud de onda dispuesto aguas arriba. El gas que se va a analizar se bombea o se difunde al espacio de detección, en el que la radiación IR de determinadas longitudes de onda es absorbida por las moléculas de gas correspondientes. A partir de la absorción dependiente de la longitud de onda detectada por el detector de infrarrojos se pueden sacar conclusiones acerca de la concentración del gas que absorbe en cada caso a una longitud de onda predeterminada. Para calibrar el detector de infrarrojos, estos dispositivos sensores normalmente comprenden una cubeta de referencia con un gas de referencia encerrado, p. ej. nitrógeno, por el que pasa la radiación IR alternativamente al espacio de detección. El cambio entre el espacio de detección y la cubeta de referencia se efectúa, por ejemplo, mediante un disco perforado giratorio (seccionador). Las señales de infrarrojos utilizadas a menudo se modulan, por ejemplo, para compensar las influencias térmicas.
Por el documento EP 0076356 A1 se conocen un procedimiento y un dispositivo para medir la concentración de un componente absorbente de radiación IR o NDIR de una mezcla de componentes sobre la base de la fotometría de correlación o bifrecuencia. El dispositivo descrito presenta un irradiador, al que le sigue un modulador espectral y un espacio de medición lleno de la mezcla de componentes que se va a examinar, estando dispuesto un detector de banda ancha en la trayectoria del haz por detrás de ambos: Al detector de banda ancha se antepone una lente que focaliza la radiación sobre el mismo. Como modulador espectral se utiliza un carrusel de filtro de gas o de filtro de interferencia, que trabaja con una frecuencia angular y presenta dos filtros, en donde el primer filtro absorbe o transmite selectivamente en el rango del espectro de absorción de un componente de medición y el segundo filtro absorbe selectivamente o transmite selectivamente en el rango ni del espectro de absorción del componente de medición ni en el rango de los espectros de cualquier componente de interferencia. La modulación hace que dos funciones de distribución espectral diferentes, que están separadas entre sí por fases oscuras, se impriman en la radiación de medición una tras otra en el tiempo. A este respecto, las señales de salida generadas por el detector se someten a un análisis de Fourier, en donde el cociente de los coeficientes de Fourier así obtenidos representa una medida de la concentración de la sustancia de absorción óptica. La fotometría de haz único que se hace posible de esta manera permite un menor esfuerzo mecánico en cuanto a diseño de la correspondiente estructura del aparato en comparación con la fotometría de dos haces habitual en los dispositivos sensores NDIR, pero aún no ofrece suficiente movilidad, como la que se requiere para un detector de gas manual que se pueda usar en cualquier momento y en cualquier lugar.
Además, se conocen diversos dispositivos para espectroscopia IR que, aunque no son aparatos manuales, se pueden usar aun así en el sitio. Por ejemplo, el documento EP 0706042 A1 muestra un dispositivo que divulga espectroscopía IR para analizar la pureza de gases usando un láser semiconductor. Una cámara de análisis y de comparación se llenan con gases o con las impurezas que se van a someter a ensayo y el haz de luz dividido pasa a través de ellas por dos caminos distintos, indicando los picos de absorción indican la cantidad de la impureza respectiva.
En la patente estadounidense 6.594.016 B1 se realiza un análisis fotoacústico para medir las concentraciones de gas presentes en el aire respirable de un animal, utilizándose el efecto acústico intensificado a través de un micrófono como medida de la concentración.
El documento US 2015/0136961 A1 propone primero extraer gases de un líquido para luego determinar su composición en relación con los hidrocarburos contenidos en un examen espectroscópico FTIR.
Por el contrario, el documento DE 102008001 440 A1 describe un aparato de detección de gas portátil de pequeñas dimensiones, que es muy sensible y también tiene un bajo consumo de energía. Sin embargo, este aparato utiliza, como fuente de luz, un láser de infrarrojo medio y un escáner de luz, que están dispuestos en un extremo de una cámara de detección, en el otro extremo de la cual está dispuesto un sensor de luz. Una fuente de gas proporciona gas a la cámara de detección a través de un regulador de flujo de gas y un dispositivo de control del detector de gas controla la fuente de luz y el sensor de luz, en donde el escáner de luz de la fuente de luz refleja y escanea la luz láser en la cámara de detección, mientras que el dispositivo de control presenta un detector sensible a la fase que está conectado eléctricamente al sensor de luz.
El documento DE 20 06 371 A1 da a conocer un detector de gases de humo que transporta un gas de medición a través de un canal de medición por medio de un ventilador de aspiración. Un rayo de luz, cuya absorción se evalúa en el gas de medición, es interrumpido periódicamente por un disco perforado inmediatamente después de su generación, de modo que se genera una corriente alterna en el detector dispuesto al final del canal de medición. A este respecto, el ventilador y el disco perforado son impulsados por un motor común, lo que da como resultado un diseño compacto.
Partiendo de este estado de la técnica, el objetivo de la presente invención es proporcionar un dispositivo sensor de gas móvil y portátil con reducidos requisitos de energía, que no sea sensible a influencias interferentes, que no requiera el uso de reactivos y que esté construido de manera robusta en una construcción mecánica simple.
Este objetivo se consigue mediante un dispositivo sensor de gas con las características de la reivindicación 1.
En las reivindicaciones dependientes se especifican perfeccionamientos.
El objetivo adicional de proporcionar un procedimiento de medición de gas se logra mediante el procedimiento con las características de la reivindicación 7 independiente.
El uso del dispositivo sensor de gas se divulga mediante las características de la reivindicación 9 independiente.
De acuerdo con una primera forma de realización del dispositivo sensor de gas móvil y portátil de acuerdo con la invención, este presenta una fuente de luz infrarroja, una cámara de detección y un detector de infrarrojos, en donde la fuente de luz infrarroja y el detector de infrarrojos están dispuestos en extremos opuestos de la cámara de detección. Además, el dispositivo sensor de gas presenta un disco perforado giratorio conectado aguas arriba del detector de infrarrojos, accionado por medio de una unidad de accionamiento, y un regulador de flujo de gas que, de acuerdo con la invención, forma un dispositivo de bombeo combinado con el disco perforado giratorio. A este respecto, la unidad de accionamiento para accionar el disco perforado giratorio es la única unidad de accionamiento del dispositivo sensor de gas, lo cual es ventajoso y ahorra espacio. Esta también impulsa el dispositivo de bombeo.
De acuerdo con la invención, se utiliza en este caso un compresor de canal lateral como dispositivo de bombeo, cuyo rotor no solo está equipado con un sistema de álabes, sino que presenta al menos un orificio o varios orificios de modo que el rotor pueda servir simultáneamente como un disco perforado giratorio.
Para que pase la luz IR, es posible que la carcasa del compresor de canal lateral esté hecha, por completo, de un material transparente a IR o, alternativamente, que consista en al menos dos elementos ópticos de un material transparente a IR. En cambio, para cumplir con la función de seccionador, el rotor-disco perforado está hecho de un material que no es transparente a la radiación IR utilizada. Los dos elementos ópticos se sitúan en una trayectoria de luz definida entre la fuente de luz infrarroja y el detector de infrarrojos y detrás del rotor-disco perforado. El posicionamiento de los elementos ópticos corresponde, a este respecto, a una posición angular del orificio del rotordisco perforado (lo mismo se cumple en el caso de múltiples orificios). Posición angular significa aquí cualquier punto definido, pero predeterminado, en la trayectoria circular sobre la que el orificio o los orificios se mueven con el rotordisco perforado giratorio.
Se requiere un dispositivo de bombeo cuando se utilizan detectores infrarrojos en detectores de gas móviles, ya que la difusión ya no proporciona tiempos de reacción suficientes, es decir, el tiempo hasta que la cámara de detección se llena uniformemente para obtener un resultado de medición representativo y fiable es demasiado largo sin el uso de una bomba. En los detectores de gas anteriores que utilizan una bomba de membrana o una bomba de paletas rotativas como reguladores de flujo de gas se requieren desventajosamente dos unidades de accionamiento, una para el dispositivo de bombeo y otra para el disco perforado giratorio para interrumpir la trayectoria de luz para el detector de IR. Con respecto al peso para la realización como aparato de mano portátil, al dispositivo sensor de gas de acuerdo con la invención le basta ventajosamente con una sola unidad de accionamiento con la que el dispositivo de bombeo y el disco perforado giratorio combinado con este son accionados conjuntamente.
Además de la posible combinación de rotor y disco perforado con función de seccionador, las ventajas del compresor de canal lateral radican en su suave funcionamiento, de modo que el dispositivo sensor de gas no produce ningún ruido al medir. Otra ventaja es la construcción mecánica simple, de modo que el dispositivo sensor de gas es robusto y poco sensible a las influencias mecánicas y fácil de montar y mantener.
La disposición de los elementos ópticos en lugar de simples orificios en las partes de carcasa del compresor de canal lateral es necesaria para evitar que el flujo de gas tome un camino diferente al previsto a través del compresor de canal lateral. Para que pase la radiación IR, los elementos ópticos están hechos de un material transparente al menos para las longitudes de onda utilizadas. A este respecto, puede tratarse de un material de vidrio transparente al infrarrojo, pero también de un plástico. Por ejemplo, existen plásticos termoplásticos a base de polimetilmetacrilato que son permeables a la luz infrarroja. Los elementos ópticos pueden consistir en piezas delgadas de película de dicho plástico. Además, los elementos ópticos también pueden presentar, dado el caso, una función óptica de lente, espejo o filtro, etc.
Para permitir el camino de paso más largo posible de la luz IR a través de la cámara de detección en el dispositivo sensor de gas realizado como un aparato de mano, la cámara de detección puede estar configurada ventajosamente como un canal en forma de V, estando previsto en su punta deflectora, en la que confluyen los dos brazos del canal en forma de V, un espejo deflector para la luz IR. A este respecto, la salida de gas puede estar prevista en el extremo del canal en forma de V con la fuente de luz infrarroja y la entrada de gas del dispositivo sensor de gas puede desembocar en la carcasa del compresor de canal lateral, que está dispuesta debido al rotor-disco perforado en el extremo con el detector de infrarrojos y en comunicación de fluido con el canal en forma de V. El compresor de canal lateral aspira así una mezcla de gases que se va a analizar y la bombea a la cámara de detección, que es atravesada por la mezcla de gases a una velocidad similar a la difusión.
Para proporcionar un flujo de gas similar a la difusión a través de la cámara de detección, el compresor de canal lateral está diseñado de manera correspondiente, debiendo tenerse en cuenta que el rotor-disco perforado se hace funcionar simultáneamente a un número de revoluciones que proporciona una función de seccionador, es decir, una división de los pulsos de luz IR con una frecuencia predeterminada de, por ejemplo, 100 Hz. A una frecuencia predeterminada de la función de seccionador, el número de revoluciones requerido depende del número de orificios en el rotor-disco perforado.
Son especialmente adecuados los compresores de canal lateral cuyo canal lateral está configurado como canal unidireccional en la parte de carcasa del canal lateral, preferentemente con una sección transversal semicircular. Para cumplir de manera óptima las condiciones -frecuencia de seccionador y flujo de gas similar a la difusión con una diferencia de presión predefinida (por ejemplo, para fluir a través de un filtro de polvo, etc.)- la relación entre el radio de la sección transversal del canal lateral y el radio de la circunferencia exterior del canal lateral es preferentemente inferior a 0,1. En el presente caso, "similar a la difusión" indica flujos de gas que pasan por el trayecto de medición con flujos volumétricos en un intervalo de 2 a 40 l/h a lo largo de la guía del haz de luz. El tiempo de reacción que se puede alcanzar con el dispositivo sensor de gas viene dado por la elección del flujo volumétrico. Se prefieren flujos de gas similares a la difusión para poder realizar una determinación fiable y correcta en un corto tiempo de detección, sin que los flujos volumétricos excesivos puedan provocar efectos de dilución indeseables.
Además, puede estar previsto que el canal lateral en la parte de carcasa del canal lateral presente una sección de interrupción entre una tubuladura de aspiración y una de presión, que se extienda al menos por dos divisiones de álabe del sistema de álabe, incluido un grosor de borde de álabe, del rotor-disco perforado. Para evitar la pérdida de presión en la salida de la tubuladura de presión, puede estar previsto que una salida tangencial conecte el canal lateral con la tubuladura de presión.
La forma de la carcasa de la parte de carcasa del canal lateral y la parte de carcasa del motor, que forman la carcasa del compresor de canal lateral, están diseñadas de tal manera que resulte posible un fácil acceso tanto al sistema de álabes como al canal lateral. La unidad de accionamiento se puede soportar en una abertura de paso sellada de la parte de carcasa del motor, pudiendo desmontarse fácilmente la unidad de accionamiento de la parte de carcasa del motor, por ejemplo, para no tener que reemplazar el compresor de canal lateral completo, sino solo la unidad de accionamiento, en caso de dañarse. Ventajosamente, la carcasa consta de solo dos partes de carcasa y, por lo tanto, tiene un número lo más bajo posible de superficies de sellado. A pesar del pequeño tamaño constructivo, la carcasa es, por tanto, fácil de montar. El canal lateral, y por lo tanto también la tubuladura de presión y de aspiración, está preferentemente orientado de manera que mira en sentido opuesto a la unidad de accionamiento, de modo que en una forma de realización preferida del dispositivo, el detector de infrarrojos se puede posicionar cerca o directamente sobre o en la parte de carcasa del motor, donde solo está presente el cableado de la unidad de accionamiento, de modo que el detector de infrarrojos es fácilmente accesible desde el exterior.
Los componentes individuales o todos los componentes del compresor de canal lateral, es decir, el rotor-disco perforado, la parte de carcasa del canal lateral y/o la parte de carcasa del soporte del motor, se pueden producir en cada caso de una sola pieza mediante impresión 3D. En este sentido, en función de las propiedades deseadas, se pueden usar los mismos o diferentes materiales de plástico; también se pueden usar mezclas de plásticos adaptadas a los requisitos respectivos. En la fabricación mediante impresión 3D de plástico, los elementos ópticos también pueden imprimirse ventajosamente a partir de un material transparente para los infrarrojos, siempre que las partes de carcasa no estén compuestas en su totalidad por un material transparente a los infrarrojos. Los elementos de sellado previstos para el sellado entre las partes de carcasa y/o entre la parte de carcasa del soporte del motor y la unidad de accionamiento también se pueden imprimir a partir de un material de plástico con función de sellado. Ejemplos de materiales de plástico con función de sellado imprimibles son nitrilo butadieno y caucho de etileno propileno.
La fabricación mediante impresión 3D permite proporcionar un compresor de canal lateral con las dimensiones necesarias para su instalación en un aparato de mano, para lo cual se requiere un diámetro inferior a 55 mm, de modo que el dispositivo sensor de gas aún puede producirse en un tamaño de aparato que se pueda sostener en la mano. Las dimensiones del rotor y el canal lateral necesarias para el uso previsto también se pueden implementar en este caso de forma fiable.
Aparte de la impresión 3D de plástico, se consideran también procedimientos de producción generativa metalúrgica (en polvo) o el mecanizado por arranque de virutas convencional, p. ej. el torneado, de la parte de carcasa del soporte del motor. Además, para una orientación más precisa del rotor mediante una chapa de montaje, el rotor también se puede fabricar mediante moldeo por inyección (metal o plástico). Se prefiere el plástico debido al peso del compresor de canal lateral.
Una forma de realización del procedimiento de medición de gas de acuerdo con la invención usa un dispositivo sensor de gas móvil y portátil de acuerdo con la invención y comprende las etapas de:
- posicionar el dispositivo sensor de gas móvil y portátil en un punto de medición de gas, es decir, un punto en el que se debe comprobar la presencia de al menos un gas y se debe determinar su concentración,
- activar la unidad de accionamiento única del dispositivo sensor de gas para accionar el dispositivo de bombeo en forma de un compresor de canal lateral y hacer girar el disco perforado configurado como su rotor, a este respecto - ajustar el dispositivo de bombeo combinado con el disco perforado giratorio a un número de revoluciones predeterminado, proporcionando así un flujo volumétrico de gas en un intervalo de 2 a 40 l/h, y generando un flujo de gas similar a la difusión a través de la cámara de detección, y
- activar la fuente de luz IR y el detector de IR de modo que la radiación IR pase a través de la cámara de detección a lo largo de una trayectoria de luz IR, pudiendo tener lugar a este respecto una absorción en función de la longitud de onda y en función del tipo y la concentración de gases absorbentes de IR;
- detectar la radiación IR transmitida por medio del detector de IR y, a partir de ella, determinar el tipo y la concentración de los gases absorbentes de IR.
El ajuste del dispositivo de bombeo combinado con el disco perforado giratorio a un número de revoluciones predeterminado proporciona una función de seccionador al disco perforado giratorio.
El resultado de medición, es decir de la etapa asociada a la "detección", se puede representar entonces a través de un dispositivo de salida adecuado, p. ej. a través de un dispositivo de visualización. Adicional o alternativamente, también se puede utilizar en este sentido una señal de advertencia óptica o acústica.
Un uso de acuerdo con la invención de un dispositivo sensor de gas móvil y portátil de acuerdo con la invención prevé que el dispositivo sensor de gas móvil y portátil sea transportado o posicionado en puntos en los que se debe comprobar la presencia de al menos un gas y medir su concentración, llevando a cabo las etapas del procedimiento anterior.
Formas de realización adicionales, así como algunas de las ventajas asociadas con estas y otras formas de realización, se aclararán y comprenderán mejor mediante la siguiente descripción detallada con referencia a las figuras adjuntas. Los objetos o partes de los mismos que son esencialmente iguales o similares pueden estar provistos de las mismas referencias. Las figuras son solo una representación esquemática de una forma de realización de la invención.
A este
la Fig. 1 una vista esquemática del dispositivo sensor de gas,
la Fig. 2 una vista esquemática correspondiente a la figura 1 con flujo de gas,
la Fig. 3 una vista esquemática correspondiente a la figura 1 con una trayectoria de luz IR, la Fig. 4 una vista esquemática correspondiente a la figura
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1 con flujo de gas y trayectoria de luz IR, la Fig. 5 una vista en planta de un disco perforado convencional,
la Fig. 6 una vista en planta de un rotor-disco perforado de un dispositivo sensor de gas de acuerdo con la invención,
la Fig. 7 una vista esquemática en sección media de un compresor de canal lateral de un dispositivo sensor de gas de acuerdo con la invención,
la Fig .8 una vista en despiece ordenado en perspectiva de un compresor de canal lateral de un dispositivo sensor de gas de acuerdo con la invención,
la Fig .9 una vista en sección a través de un compresor de canal lateral de un dispositivo sensor de gas de acuerdo con la invención según la figura 8,
la Fig. 10 vista superior y vista en sección de la parte de carcasa del motor del compresor de canal lateral de las figuras 8/9,
la Fig. 11 vista superior y vistas en sección de la parte de carcasa del canal lateral del compresor de canal lateral de las figuras 8/9.
El dispositivo sensor de acuerdo con la invención se refiere a un aparato de mano móvil y portátil para la medición de gas, que utiliza espectroscopia IR, preferentemente espectroscopia NDIR, para el análisis de gases.
Las figuras 1 a 4 muestran la disposición de medición que se utiliza en el dispositivo sensor de gas de acuerdo con la invención.
No se muestran en las figuras una carcasa exterior del aparato de mano que aloja los componentes de la disposición de medición, ni un dispositivo de visualización presente en la carcasa exterior para mostrar los resultados de medición, que está conectado a una unidad de procesamiento de datos que puede formar parte del detector de infrarrojos o puede estar presente junto con este conectado dentro de la carcasa para evaluar los datos de medición detectados. Dado el caso, el dispositivo sensor de gas también puede presentar una interfaz de comunicación con la que los datos de medición o los resultados de la evaluación se pueden transmitir a otro dispositivo. Además, la carcasa exterior del dispositivo sensor de gas puede equiparse con dispositivos de sujeción o transporte que faciliten el transporte y, dado el caso, el posicionamiento del dispositivo sensor de gas móvil y portátil. Por supuesto, un dispositivo sensor de gas de acuerdo con la invención también presenta al menos una fuente de energía para la unidad de accionamiento, la fuente de luz IR y el detector de IR (y, dado el caso, otros consumidores de energía como la unidad de procesamiento de datos y el dispositivo de visualización, etc.). Como fuente de energía puede estar previsto un acumulador recargable, batería(s), células solares, una opción de conexión a red o una combinación de al menos dos de estas fuentes de energía.
La disposición de medición mostrada en las figuras 1 a 4 de un dispositivo sensor de gas móvil y portátil de acuerdo con la invención presenta un canal 4 en forma de V como cámara de detección 4, a través del cual fluye el flujo de gas G que se va a medir. En un extremo del canal 4 en forma de V está dispuesta una fuente de luz infrarroja 3, que emite radiación de luz infrarroja que atraviesa la cámara de detección 4 siguiendo la trayectoria de luz L. Para ello, en la punta del canal 4 en forma de V, en la que confluyen los dos brazos del canal 4 en forma de V, se encuentra un espejo deflector 5 para la radiación de luz IR. El espejo deflector 5 está hecho de un material reflectante a la luz IR y está configurado y orientado de tal manera que la radiación de luz IR que incide sobre el espejo 5 desde la fuente de luz infrarroja 3 a través del primer brazo del canal 4 en forma de V se refleja y se desvía en el segundo brazo del canal 4 en forma de V, en cuyo extremo está dispuesto un detector de infrarrojos 2.
En el ejemplo representado, el ángulo formado entre los brazos del canal 4 en forma de V es un ángulo agudo, de modo que el canal 4 en forma de V por un lado proporciona un trayecto lo más largo posible de la trayectoria de luz L a través del flujo de gas G, pero por otro lado también puede alojarse en una carcasa portátil para ahorrar espacio. Por supuesto, son concebibles realizaciones de una cámara de detección que difieren del ejemplo representado, en cuyos extremos están dispuestos un detector de infrarrojos y una fuente de luz infrarroja. Dependiendo de las especificaciones de la carcasa y de las dimensiones del canal, también son concebibles cámaras de detección sin ángulo, en ángulo recto o en ángulo obtuso. Para alargar aún más el trayecto de medición, la cámara de detección también se puede formar con múltiples ángulos, por ejemplo, mediante un canal en forma de N o en forma de M. Recorridos de medición más largos son especialmente ventajosos para la medición de gases diluidos o trazas de gas, ya que la absorción según la ley de Lambert-Beer aumenta con la longitud de la muestra irradiada.
La disposición de medición del dispositivo sensor de gas presenta un disco perforado 1 giratorio, que está conectado aguas arriba del detector de infrarrojos 2 con respecto a la trayectoria de luz L y es accionado por una unidad de accionamiento 17, para interrumpir las señales de luz que inciden sobre el detector de IR 2. Un dispositivo de bombeo no representado en detalle en las figuras 1 a 4 como regulador de flujo de gas, que está combinado de acuerdo con la invención con el disco perforado 1 giratorio, hace que al dispositivo sensor de gas de acuerdo con la invención le baste con una única unidad de accionamiento 17, lo que tiene un efecto positivo sobre el tamaño y peso del dispositivo sensor de gas portátil.
El dispositivo de bombeo combinado con el disco perforado 1 giratorio está posicionado en una carcasa 11, 18 que presenta una entrada de gas 7 y está en comunicación de fluidos con el canal 4 en forma de V en el extremo con el detector de infrarrojos 2, de modo que el flujo de gas G aspirado a través de la entrada de gas 7 puede fluir a través del canal 4 en forma de V hasta la salida de gas 6, que está dispuesta en o cerca del extremo del canal 4 en forma de V con la fuente de luz infrarroja 3. Además, la carcasa 11, 18 permite que la radiación de luz IR pase siguiendo la trayectoria de luz L hasta el detector de IR 2, estando dispuesto el disco perforado 1 giratorio dentro de la trayectoria de luz L de modo que el o los orificios 16 del disco perforado 1 cumplen la función de seccionador. La figura 5 muestra un disco perforado 1' convencional que se puede utilizar con el fin de interrumpir la luz.
En principio, el trayecto de medición formado por la cámara de detección 4 puede llenarse meramente por difusión sin dispositivo de bombeo, pero esto requiere un período de tiempo relativamente largo hasta que la cámara de detección se llene por completo y uniformemente y se pueda obtener un resultado de medición fiable.
Por otro lado, flujos volumétricos excesivamente grandes a través de la cámara de detección 4 no son deseables, ya que esto puede conducir a efectos de dilución indeseables, especialmente con concentraciones bajas de gas. Por tanto, se prefieren flujos de gas similares a la difusión que pasen por el trayecto de medición con flujos volumétricos en un intervalo de 2 a 40 l/h a lo largo de la guía del haz de luz para poder realizar determinaciones correctas.
Es concebible que un disco perforado 1' como el mostrado en la figura 5 se pueda acoplar a un dispositivo de bombeo a través de dispositivos de transmisión mecánica para ser accionado así por una única unidad de accionamiento, pero tales enfoques están asociados con ruido no deseado o con un alto requerimiento de energía.
Sorprendentemente, se ha demostrado que un compresor de canal lateral cumple los requisitos con respecto a un funcionamiento suave, consumo de energía y también con respecto a los flujos volumétricos en asociación con un número de revoluciones del rotor 1, que simultáneamente realiza la función de seccionador como disco perforado 1 giratorio. En este caso, el haz de luz IR se divide a través del orificio o los orificios 16 en pulsos de luz cortos, preferentemente con una frecuencia de 100 Hz.
Incluso cuando se dispone un filtro de partículas o de polvo (no mostrado en las figuras) en la entrada de gas, el compresor de canal lateral proporciona un flujo volumétrico suficiente para el paso a través de la cámara de detección. En este sentido se pueden utilizar filtros textiles, filtros de latón o filtros sinterizados.
Las figuras 6 a 11 muestran a modo de ejemplo un compresor de canal lateral 10 y sus componentes: rotor-disco perforado 1, parte de carcasa del canal lateral 11 y parte de carcasa del motor 18.
En el ejemplo mostrado, el rotor 1 que sirve como disco perforado presenta dos orificios 16 y un sistema de álabes 15 que coopera con el canal lateral 14, que está configurado en la carcasa del canal lateral 11, para comprimir el flujo de gas. Para interrumpir la luz IR a lo largo de la trayectoria de luz L hasta el detector 2, el compresor de canal lateral 10 se posiciona de tal manera que los orificios 16 del rotor-disco perforado 1 se sitúen en la trayectoria de luz L en una posición angular definida. Una posición angular significa aquí un punto en la trayectoria circular en el que los orificios 16 se mueven junto con el rotor-disco perforado 1 giratorio. Para el paso de la luz IR a lo largo de la trayectoria de luz L hasta el detector 2, la carcasa del canal lateral 11 y el soporte del motor 18 presentan elementos ópticos 12, 20 que son transparentes a las longitudes de onda IR utilizadas en los puntos a lo largo de la trayectoria de luz L que corresponden a la posición angular. En lugar del elemento óptico 20, el detector de IR 2 también se puede instalar en el soporte del motor 18. Dado el caso, este también puede presentar un elemento óptico 20 que, como en el caso del elemento óptico 12 en la carcasa del canal lateral 11, no solo puede ser un cristal transparente a IR; el elemento óptico 12, 20 también puede tener una función óptica adicional, como lente, filtro de longitud de onda, espejo, etc.
El compresor de canal lateral 10, que se utiliza en el dispositivo sensor de gas y cumple las condiciones especificadas con respecto al flujo volumétrico, número de revoluciones, diferencia de presión, etc., presenta geometrías especiales. Entre las diversas formas de canal de un compresor de canal lateral que influyen en el curso del flujo, se prefiere un canal unidireccional formado en la parte de carcasa del canal lateral 11 del compresor de canal lateral, en este caso con una sección transversal semicircular.
El canal lateral 14 es relativamente pequeño, en donde una relación r</ ra (cf. figura 11) entre el radio n< de la sección transversal del canal lateral 14 y el radio ra de la circunferencia exterior del canal lateral 14 se sitúa claramente por debajo de 0,1.
El compresor de canal lateral 10 presenta una tubuladura de aspiración y una de presión 13, en donde el gas que se va a medir es aspirado a través de la tubuladura de aspiración 13, llega al canal lateral 14 por la boca 13a y allí es transportado por medio del sistema de álabes 15 del rotor 1 a la boca 13a de la tubuladura de presión 13. Allí, la salida 13b del canal lateral 14 hacia la abertura de conexión 13c no forma un ángulo recto como la entrada a la tubuladura de aspiración 13, sino que discurre más o menos tangencialmente para minimizar una pérdida de presión en este punto.
La sección de interrupción en la parte de carcasa del canal lateral 11, que separa el lado de aspiración y el lado de presión entre una tubuladura de aspiración y una de presión 13, se extiende al menos por dos divisiones de álabe del sistema de álabes 15, incluido un grosor de borde de álabe, del rotor-disco perforado 1. Por tanto, el tamaño de la sección de interrupción también depende del sistema de álabes 15 del rotor-disco perforado 1, es decir, del número y el grosor de los álabes, o viceversa.
El sistema de álabes 15 de un rotor-disco perforado 1 ventajoso puede tener una forma de álabe en la dirección radial, pudiendo estar los álabes inclinados en la dirección de la marcha. El número de álabes puede situarse entre 12 y 60 en función del tamaño de la sección de interrupción. Para una sección de interrupción con un ángulo circunferencial de 45°, el rotor-disco perforado 1 debe presentar al menos 16 álabes para cumplir también los requisitos adicionales para el compresor de canal lateral 10.
En un ejemplo de realización de un compresor de canal lateral, que está diseñado para un dispositivo sensor de gas de acuerdo con la invención para proporcionar un flujo volumétrico de gas de entre 20 y 40 l/h y para proporcionar la función de seccionador, la relación entre el radio de la sección transversal del canal lateral y el radio de la circunferencia exterior del canal lateral se sitúa en un intervalo de 0,05 a 0,07. Con un diámetro del compresor de canal lateral de, por ejemplo, 30 mm, esto significa un diámetro del canal lateral semicircular de tan solo 2,2 a 2,6 mm. Un compresor de canal lateral con tales dimensiones puede transportar de manera fiable el flujo volumétrico requerido incluso con fluctuaciones en la presión ambiental.
La sección de interrupción en la parte de carcasa del canal lateral entre la tubuladura de aspiración y la de presión puede abarcar, a este respecto, un ángulo en un intervalo de 38° a 45° y extenderse al menos por dos divisiones de álabe del sistema de álabes de un rotor-disco perforado, que presenta entre 12 y 60 álabes con una forma de álabe en dirección radial. Los álabes del sistema de álabes pueden estar inclinados, a este respecto, en la dirección de la marcha en un ángulo de álabe en un intervalo de 50° a 60° con respecto al plano del rotor. La salida tangencial del canal lateral para evitar la pérdida de presión puede presentar un ángulo con el canal lateral en un intervalo de 160° a 165°.
Tanto el rotor-disco perforado 1 como la parte de carcasa del canal lateral 11 y la parte de carcasa del soporte del motor 18 pueden fabricarse en cada caso de una sola pieza mediante impresión 3D, preferentemente a partir de un material de plástico, que puede estar compuesto en cada caso por uno o más plásticos en función de las propiedades deseadas del material. Sin embargo, también se pueden fabricar componentes individuales o todos los componentes a partir de materiales de plástico o metálicos mediante un procedimiento de producción generativa metalúrgica u otros procedimientos de mecanizado, en particular mediante torneado o mediante procedimientos de fundición o moldeo por inyección.
Los procedimientos de impresión 3D ofrecen la ventaja de poder imprimir los elementos de sellado requeridos a partir de un material de plástico con función de sellado, como p. ej. nitrilo-butadieno o caucho de etileno-propileno, que están previstos para el sellado entre las partes de carcasa 11, 18 y entre la parte de carcasa de soporte del motor 18 y la unidad de accionamiento 17. También es concebible imprimir los elementos ópticos 12, 20 a partir de un material transparente a IR. La parte de carcasa del motor 18 presenta una abertura de alojamiento 18a para la unidad de accionamiento 17 y una entalladura de encaje 18b en la que se aloja una sección de brida de la unidad de accionamiento 17. Esta puede desviarse de una forma circular, como se muestra, para facilitar la disposición de la unidad de accionamiento 17 en la posición correcta durante el montaje. La unidad de accionamiento se selecciona de tal manera que proporcione un número de revoluciones requerido para la función seccionador de, por ejemplo, 3000 revoluciones por minuto para una función seccionador con una frecuencia de interrupción de 100 Hz para dos orificios 16 en el rotor-disco perforado 1 con simultáneamente un momento de giro suficiente requerido para la función de compresor de canal lateral para transportar el flujo volumétrico deseado.
La unidad de accionamiento 17 puede atornillarse, tal y como se representa en la figura 8, desde el interior en la parte de carcasa del motor 18. Para esta forma de realización puede ser útil diseñar los orificios 16 en el rotor-disco perforado 1 como orificios oblongos, tal como puede verse en la figura 6, para asegurar un acceso a los tornillos 19 a través del rotor-disco perforado 1. En la figura 8 solo el elemento óptico 12 se puede ver en la parte de carcasa del canal lateral 11, el elemento óptico 20 correspondiente en la parte de carcasa del motor 18 queda tapado por su diseño en forma de brida, que sirve para un sellado mejorado con la parte de carcasa del canal lateral 11, que tiene una forma correspondiente. La parte de carcasa del motor 18 y la parte de carcasa del canal lateral 11 también se pueden unir de manera separable entre sí mediante tornillos. Se requiere un buen sellado para evitar un escape no deseado de gas del compresor de canal lateral 10.
En la figura 10, el elemento óptico 20 en la parte de carcasa del motor 18 y en la figura 9, adicionalmente, el elemento óptico 12 en la parte de carcasa del canal lateral 11 también se muestran esquemáticamente como una abertura de paso para la luz IR.
LISTA DE REFERENCIAS
1 rotor-disco perforado
1' disco perforado
2 detector de IR
3 emisor de IR
4 cámara de detección
5 espejo deflector
6 salida de gas
7 entrada de gas
10 compresor de canal lateral
11 parte de carcasa del canal lateral
12 elemento óptico
13 tubuladura de entrada, de salida
13a boca del canal lateral
13b salida tangencial
13c abertura de conexión
14 canal lateral
15 sistema de álabes
16 orificio
17 unidad de accionamiento
18 parte de carcasa del soporte del motor
18a abertura de alojamiento
18b entalladura de encaje
19 elemento de fijación
20 elemento óptico
G flujo de gas
L trayectoria de luz IR
rK, ra radio de la sección transversal del canal lateral, radio de la circunferencia exterior del canal lateral

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo sensor de gas móvil y portátil con una fuente de luz infrarroja (3), una cámara de detección (4) y un detector de infrarrojos (2),
en donde la fuente de luz infrarroja (3) y el detector de infrarrojos (2) están dispuestos en extremos opuestos de la cámara de detección (4), y el dispositivo sensor de gas presenta un disco perforado (1) giratorio dispuesto aguas arriba del detector de infrarrojos (2) y accionado por medio de una unidad de accionamiento (17) y un regulador de flujo de gas que forma un dispositivo de bombeo combinado con el disco perforado (1) giratorio y en donde la unidad de accionamiento (17) para accionar el disco perforado (1) giratorio es la única unidad de accionamiento (17) del dispositivo sensor de gas,
y en donde
el dispositivo de bombeo es un compresor de canal lateral (10), estando diseñado el disco perforado (1) giratorio como su rotor (1) con un sistema de álabes (15) y con al menos un orificio (16), y
por que el compresor de canal lateral (10) presenta una carcasa (11,18) que
- está compuesta de un material transparente a la luz IR para el paso de la luz IR, o que
- presenta al menos dos elementos ópticos (12, 20) de un material transparente a IR para el paso de la luz IR, que se sitúan en una trayectoria de luz (L) definida entre la fuente de luz infrarroja (3) y el detector de infrarrojos (2) y cuyo posicionamiento delante y detrás del rotor-disco perforado (1) con respecto a la trayectoria de luz (L) corresponde a una posición angular predeterminada del al menos un orificio (16) del rotor-disco perforado (1).
2. Dispositivo sensor de gas según la reivindicación 1,
caracterizado por que
la cámara de detección (4) está formada por un canal en forma de V (4) que presenta un espejo deflector (5) para la luz IR en una punta deflectora en la que confluyen los dos brazos del canal en forma de V (4), en donde en el extremo del canal en forma de V (4) con la fuente de luz infrarroja (3) hay una salida de gas (6), y en donde una entrada de gas (7) desemboca en la carcasa (11, 18), que está en comunicación de fluido con el canal en forma de V (4) en el extremo con el detector de infrarrojos (2).
3. Dispositivo sensor de gas según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado por que
el compresor de canal lateral (10) está diseñado
- para un número de revoluciones predeterminado del rotor-disco perforado (1) y
- para proporcionar un flujo volumétrico de gas en un intervalo de 2 a 40 l/h.
4. Dispositivo sensor de gas según al menos una de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado por que
un canal lateral (14) en una parte de carcasa del canal lateral (11) de la carcasa (11, 18) del compresor de canal lateral (10) está configurado como canal unidireccional, preferentemente con una sección transversal semicircular, en donde de manera especialmente preferente una relación (n</ra) entre un radio (n<) de la sección transversal del canal lateral (14) y un radio (ra) de la circunferencia exterior del canal lateral (14) se sitúa por debajo de 0,1.
5. Dispositivo sensor de gas según al menos una de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado por que
el canal lateral (14) en la parte de carcasa del canal lateral (11) presenta una sección de interrupción entre una tubuladura de aspiración y una de presión (13) que se extiende al menos por dos divisiones de álabe del sistema de álabes (15) del rotor-disco perforado (1), en donde una salida tangencial (13b) conecta el canal lateral (14) con la tubuladura de presión (13).
6. Dispositivo sensor de gas según al menos una de las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado por que
el rotor-disco perforado (1) y/o la parte de carcasa del canal lateral (11) y/o una parte de carcasa del soporte del motor (18) están fabricados de una sola pieza mediante impresión 3D, preferentemente a partir de un material de plástico, en donde, preferentemente,
- los elementos ópticos (12, 20) están impresos a partir de un material transparente a IR y/o
- unos elementos de sellado, que están previstos para el sellado entre las partes de carcasa (11, 18) y/o entre la parte de carcasa del soporte del motor (18) y la unidad de accionamiento (17), están impresos a partir de un material de plástico con función de sellado.
7. Procedimiento de medición de gas que usa un dispositivo sensor de gas móvil y portátil según al menos una de las reivindicaciones 1 a 6,
que comprende las etapas de
- posicionar el dispositivo sensor de gas móvil y portátil en un punto de medición de gas,
- activar la única unidad de accionamiento (17) del dispositivo sensor de gas para accionar el compresor de canal lateral (10) y hacer girar el disco perforado (1) configurado como su rotor (1), a este respecto
- ajustar el dispositivo de bombeo combinado con el disco perforado (1) giratorio a un número de revoluciones predeterminado, proporcionando así un flujo volumétrico de gas en un intervalo de 2 a 40 l/h, y generar un flujo de gas (G) de tipo difusión a través de la cámara de detección (4), y
- activar la fuente de luz IR (3) y el detector de IR (2) de modo que la radiación IR pase a través de la cámara de detección (4) a lo largo de una trayectoria de luz IR (L), pudiendo tener lugar a este respecto una absorción en función de la longitud de onda y en función del tipo y la concentración de gases absorbentes de IR;
- detectar la radiación IR transmitida por medio del detector de IR (2) y, a partir de ella, determinar el tipo y la concentración de los gases absorbentes de IR.
8. Uso de un dispositivo sensor de gas móvil y portátil, según al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, para llevar a cabo el procedimiento según la reivindicación 7.
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