ES2847583T3 - Sistema de detección remota anticontaminación autocalibrado y procedimiento del mismo - Google Patents
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Abstract
Un detector de contaminación (111; 211) de tipo LIDAR o DIAL, que comprende: - una fuente óptica de tipo láser (40; 240); y - un sistema de calibración (121; 221) que comprende: un controlador (132; 232), acoplado operativamente a la fuente óptica (40; 240) y configurado para accionar (158) la fuente óptica (40; 240) con el fin de provocar la emisión de una primera señal óptica (IR) y una segunda señal óptica (IR) en la misma primera longitud de onda de emisión (λL; λL1), una primera cámara estanca a fluidos (22; 222), que incluye una primera ventana óptica (78a; 88) y una segunda ventana óptica (78b; 98) a una primera distancia (L) de la primera ventana óptica (78a; 88), la primera cámara (22; 222) está configurada para: (i) recibir, a través de la primera ventana óptica (78a; 88), en una primera condición de funcionamiento en la que la primera cámara (22; 222) contiene una primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1) a una primera presión, la primera señal óptica (IR), y permitir el paso, a través de la segunda ventana óptica (78b; 98), de una tercera señal óptica (IT) generada tras una interacción (Ag, Af) de la primera señal óptica (IR) con la primera ventana óptica (78a; 88) y la segunda ventana óptica (78b; 98) y con dicha primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1), siendo dicha primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1) un gas o partícula contaminante, y (ii) recibir, a través de la primera ventana óptica (78a; 88), en una segunda condición de funcionamiento en la que la presión en la primera cámara (22; 222) es una presión de alto vacío menor que la primera presión, la segunda señal óptica (IR) generada por la fuente óptica (40; 240), y permitir el paso, a través de la segunda ventana óptica (78b; 98), de una cuarta señal óptica (IT) generada tras una interacción (Af) de la segunda señal óptica (IR) con la primera ventana óptica (78a; 88) y la segunda ventana óptica (78b: 98), un sistema de medición (30; 230), que está acoplado operativamente a la fuente óptica (40; 240) y a la segunda ventana óptica (78b; 98) y está configurado para adquirir la primera señal óptica (IR), la segunda señal óptica (IR), la tercera señal óptica (IT) y la cuarta señal óptica (IT), y para medir la intensidad (IR, IT), respectivamente, de la primera señal óptica (IR), la segunda señal óptica (IR), la tercera señal óptica (IT) y la cuarta señal óptica (IT); dicho controlador (132; 232) está configurado además para: recibir (158), desde el sistema de medición (30; 230), dichas intensidades medidas (IR, IT), calcular (164) una primera relación entre las intensidades (IR, IT) de la cuarta señal óptica (IT) y la segunda señal óptica (IR), y una segunda relación entre las intensidades (IR, IT) de la tercera señal óptica (IT) y la primera señal óptica (IR), y calcular (164) la sección de absorción (α) de la primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1) sobre la base de una relación entre la primera relación y la segunda relación para cancelar el efecto de la interacción (Af) entre las primeras y segundas señales ópticas con la primera ventana óptica (78a; 88) y la segunda ventana óptica (78b; 98); el detector de contaminación (111; 211) comprende además: - una óptica de transmisión (4), configurada para recibir una porción (ITX) de la cuarta señal óptica y transmitirla hacia una primera sustancia contaminante (12), siendo la primera sustancia contaminante (12) un gas o partícula contaminante; - una óptica de recepción (6), configurada para recibir una primera señal retrodispersada (P) tras una interacción entre dicha porción (ITX) de la cuarta señal óptica y la primera sustancia contaminante (12); y - un módulo fotodetector (8), configurado para adquirir la primera señal retrodispersada (P) y medir la potencia de la primera señal retrodispersada (P); el controlador (132; 232) está configurado además para calcular (168) la concentración (N) de la primera sustancia contaminante (12) sobre la base de la potencia medida de la primera señal retrodispersada (P) y la sección transversal de absorción (α) de la primera sustancia contaminante (GAS_1).
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de detección remota anticontaminación autocalibrado y procedimiento del mismo
Campo técnico
La presente invención se refiere a un sistema de detección anticontaminación autocalibrado y a un procedimiento asociado para detectar la contaminación.
Los agentes contaminantes dispersos en la atmósfera tienen un impacto ambiental y económico significativo en todo el mundo. Una vez emitidos a la atmósfera, ya sea de origen humano o natural, los agentes contaminantes pueden desplazarse cientos de kilómetros, transportados por corrientes de gran altitud y circulación local.
Antecedentes de la técnica
Como es sabido, en particular, la contaminación atmosférica transfronteriza a larga distancia tiene repercusiones negativas sobre el medio ambiente y la salud humana. Diversos estudios y convenios internacionales han coincidido en la importancia de limitar las emisiones que contribuyen a la contaminación atmosférica y establecer una red internacional de observación de las fuentes de contaminación.
Con el aumento de la conciencia de los riesgos para el medio ambiente y la salud humana relacionados con la contaminación del aire, las medidas de protección y control de los gobiernos para limitar las emisiones de gases y partículas contaminantes se han incrementado, por ejemplo, mediante la imposición de sanciones a las personas o empresas responsables de exceder los umbrales de emisión establecidos por ley. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, los agentes contaminantes emitidos a la atmósfera pueden extenderse hasta cientos de kilómetros de distancia antes de ser detectados, por esta razón, no siempre es evidente la demostración de cuál es la fuente efectiva de contaminación.
En consecuencia, existe conciencia de la necesidad de proporcionar un sistema y un procedimiento capaces de: (i) distinguir las fuentes de contaminación de origen natural de las fuentes de contaminación de origen humano, (ii) distinguir la contaminación de fondo natural presente en un área y, si es necesario, restarla de la contaminación medida, (iii) distinguir la contaminación de fondo de origen humano presente en el territorio y monitorizarla continuamente para que no exceda los umbrales de emisión, (iv) distinguir la contribución a la contaminación humana proveniente de áreas vecinas para restarla de la contaminación humana medida para no superar los umbrales previstos por la ley.
En general, se conocen instrumentos para medir gases y/o partículas que están adaptados para caracterizar gases y/o partículas, por ejemplo, en términos de concentración, dimensiones, composición químico-física, etc.
Por ejemplo, se conocen sistemas optoelectrónicos que se basan en una técnica activa de detección remota conocida como “Detección de luz y alcance” (LIDAR), configurada para determinar la concentración de especies químicas en ambientes cerrados o abiertos, por ejemplo, en la atmósfera o tramos de agua. En adelante, estos sistemas optoelectrónicos también se denominan sistemas LIDAR.
En particular, los sistemas LIDAR se basan en la interacción entre la radiación electromagnética y un medio de propagación de la radiación electromagnética (por ejemplo, la atmósfera), siendo la radiación electromagnética producida por una fuente láser, configurada para generar un haz de luz coherente de una longitud de onda deseada. Los sistemas LIDAR se basan en el mismo principio básico de funcionamiento que el radar, pero a diferencia del radar, utilizan ondas electromagnéticas que tienen longitudes de onda dentro del espectro óptico y, en consecuencia, comparables a los tamaños de moléculas y aerosoles atmosféricos.
Desde sus primeras aplicaciones, la tecnología LIDAR ha encontrado un amplio uso como una poderosa herramienta de investigación y calibración de ciertos parámetros físicos en la atmósfera, tal como, por ejemplo, la temperatura y concentración de vapor de agua. A medida que la tecnología LIDAR ha ido evolucionando a lo largo de los años, tanto en lo que respecta a las fuentes láser como a los sistemas de control electrónico asociados, ha sido posible ampliar los campos de aplicación de los sistemas LIDAR.
Por ejemplo, se conocen sistemas LIDAR que están configurados para realizar barridos topográficos, o realizar barridos tridimensionales de objetos sólidos, o para medir la altura de la capa límite planetaria (PBL), o incluso para medir perfiles de viento.
En su configuración más simple, los sistemas LIDAR de un tipo conocido comprenden típicamente una única fuente láser sintonizada a una longitud de onda deseada, y un único módulo de detección sintonizado a dicha longitud de onda. Para resolver con suficiente precisión una ecuación matemática en la que se basa la técnica LIDAR, como se explica mejor a continuación, es preferente utilizar fuentes láser de alto poder emisor. Sin embargo, las fuentes de láser de alta potencia suelen ser muy costosas y difíciles de usar, debido a la necesidad de observar estrictas medidas de seguridad, para evitar lesiones a un operador humano potencialmente causadas por efectos biológicos no deseados de la radiación láser en los ojos y la piel del operador.
También son conocidos los sistemas optoelectrónicos LIDAR del tipo LIDAR de absorción diferencial (DIAL), en los que dos pulsos láser, respectivamente a una primera y segunda longitud de onda, se envían a través del ambiente que contiene el gas o partículas a caracterizar, siendo la primera longitud de onda coincidente con una línea de absorción de la sustancia a caracterizar, siendo la segunda longitud de onda diferente de la primera longitud de onda y, en particular, estando tomada en la cola de la curva de resonancia en forma de campana de dicha sustancia. A continuación, estos sistemas optoelectrónicos y las técnicas de medición relacionadas también se denominan sistemas DIAL y técnicas DIAL, respectivamente.
Los sistemas DIAL permiten la caracterización cuantitativa de la sustancia a estudiar, permitiendo, por ejemplo y a diferencia de los sistemas LIDAR convencionales, distinguir moléculas individuales caracterizadas por una determinada línea de absorción espectral.
Además, se conocen instrumentos de medida denominados ceilómetros, basados en la emisión de un rayo láser en la atmósfera por una fuente láser sintonizada a una única longitud de onda, y originalmente concebidos para caracterizar nubes, especialmente en entornos aeroportuarios. En particular, los ceilómetros pueden comprender fuentes láser que emiten pulsos cortos de alta potencia a la atmósfera, en dirección vertical. Por medio de dispositivos sensores especiales, los ceilómetros pueden recibir y, si es necesario, comunicar información precisa sobre la cantidad de luz reflejada por cualquier obstáculo gaseoso a la propagación de la luz, tal como, por ejemplo, nubes, niebla y neblina. Los ceilómetros calculan la altura de un obstáculo gaseoso con respecto a la superficie sobre la base del tiempo de retorno de la radiación láser reflejada, tomando en consideración la posibilidad de que la radiación láser pase a través de múltiples capas de nubes que tengan diferentes características, siendo también capaces de calcular, por ejemplo, la altura a la que se ubican las capas de nubes en su densidad óptica.
Los ceilómetros suelen ser más compactos y fáciles de usar que los tipos convencionales de sistemas LIDAR/DIAL, pero generalmente son menos versátiles en cuanto a los posibles campos de aplicación.
También se conocen otros instrumentos de medición para la caracterización de gases y partículas como alternativa a los sistemas LIDAR/DIAL o ceilómetros, por ejemplo, se conocen otros instrumentos de medición que utilizan cualquier tipo de fuente láser pulsado y/o continuo (por ejemplo, anillo de cavidad, diodos semiconductores, láser CO2 (dióxido de carbono), láser Nd:YAG, láser de femtosegundo, etc.) y/o instrumentos de medición basados en técnicas de detección que explotan la ley de Beer-Lambert, espectrómetros, espectrofotómetros, instrumentos de espectroscopía óptica, aparatos biomédicos e incluso otros instrumentos.
Un inconveniente común de las clases de instrumentos de tipo conocido antes mencionadas se refiere al hecho de que la precisión de sus medidas depende del conocimiento de los parámetros ópticos fundamentales vinculados a la sustancia a caracterizar, tal como, por ejemplo, la sección de absorción, el coeficiente de atenuación atmosférica y el coeficiente de retrodispersión volumétrica. El inconveniente se debe a la falta de instrumentos para medir de forma rápida y precisa dichos coeficientes ópticos.
Los procedimientos conocidos para obtener información sobre los coeficientes ópticos significativos para la caracterización deseada incluyen la consulta de manuales técnicos, el uso de simulaciones numéricas y/o experimentos que envían un haz óptico a la atmósfera para monitorizar las condiciones atmosféricas de fondo.
Sin embargo, la precisión de estos procedimientos se ve parcialmente comprometida dado que los valores de los coeficientes ópticos no solo dependen de las características físico-químicas de las sustancias que se desea estudiar, sino también de las características electro-ópticas y de potencia propias de la fuente de energía del instrumento de medición, por ejemplo, la fuente láser en el caso de los sistemas LIDAR y DIAL.
Es evidente que los coeficientes ópticos que se pueden obtener de los manuales técnicos o, en general, de la consulta de la bibliografía científica, pueden referirse a fuentes láser con características de potencia muy diferentes a las del instrumento de medida que se pretende utilizar. Además, la precisión con la que las simulaciones numéricas pueden reproducir las características del haz óptico producido por la fuente láser suele ser insuficiente. De manera similar, los experimentos mencionados anteriormente pueden utilizar potencias de emisión de láser y longitudes de onda que no siempre son las mismas, y a menudo ni siquiera similares, a las de las fuentes de láser disponibles.
En consecuencia, los procedimientos conocidos para determinar parámetros ópticos fundamentales para resolver ecuaciones de medición basados en fuentes láser inducen errores de medición de hasta el 50%, inaceptables para muchos campos de aplicación.
Algunos sistemas LIDAR/DIAL están configurados para generar una señal de referencia obtenida a partir de mediciones de blancos de la atmósfera. En estos casos, la fuente láser se apunta hacia la atmósfera para caracterizar las condiciones atmosféricas de fondo, correlacionándolas con las características de potencia del láser.
No obstante, este procedimiento ralentiza considerablemente los tiempos de medición, ya que es necesario interrumpir la medición cada vez que se aconseja recalibrar el instrumento. Por ejemplo, puede ser oportuno realizar sucesivas calibraciones del mismo instrumento a lo largo del tiempo ya que las características de potencia de la fuente láser, una vez activada, pueden variar en el tiempo, incluso en el lapso de tan solo un día, alterando dichos parámetros ópticos de forma imprevista. Además, las sucesivas calibraciones son indispensables debido a cambios en la homogeneidad
de la atmósfera durante el día, que en consecuencia cambia sus características ópticas. En consecuencia, sería necesario activar una serie de procedimientos de medición de referencia que ralentizarían considerablemente todo el experimento, dado que ciertos fenómenos físico-químicos y procesos que ocurren en la atmósfera tienen escalas de tiempo de aproximadamente diez minutos o menos en presencia de una atmósfera turbulenta.
En particular, si se utilizan para detectar fuentes de contaminación, un inconveniente de los sistemas de detección remota LIDAR conocidos consiste en que los procedimientos de calibración conocidos no son lo suficientemente rápidos y precisos para detectar rápidamente gases o partículas contaminantes antes de que se propaguen excesivamente, haciéndolo difícil, si no imposible, distinguir la fuente de contaminación.
La patente US4853543 se refiere a la detección de gas trazador en la atmósfera cercana a la superficie. Más específicamente, este documento se refiere a un sistema de prospección remota de minerales, petróleo y depósitos de gas natural, depósitos de vapor geotérmico y fugas en tuberías de gas natural mediante la detección de un gas trazador mediante un solo rayo láser. Sin embargo, los problemas antes mencionados permanecen no resueltos. Por tanto, existe conciencia de la necesidad de un sistema de detección remota que permita tomar medidas de gases y/o partículas de una manera rápida y precisa y, en consecuencia, tenga éxito en determinar rápidamente una fuente de contaminación.
Divulgación de la invención
El objeto de la presente invención es proporcionar un detector de contaminación y un procedimiento de detección de contaminación, adaptados para superar los inconvenientes de la técnica conocida.
De acuerdo con la presente invención, se proporcionan un detector de contaminación y un procedimiento de detección de contaminación, como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
Para una mejor comprensión de la presente invención, se describirán a continuación algunas realizaciones preferentes, puramente a modo de ejemplo no limitativo, y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- La Figura 1 muestra esquemáticamente, mediante un diagrama de bloques, un instrumento de medida de tipo conocido para la caracterización de gases y/o partículas que comprende una fuente láser,
- La Figura 2 muestra esquemáticamente, mediante un diagrama de bloques, un sistema de calibración de acuerdo con un aspecto de la presente invención,
- La Figura 3 muestra esquemáticamente, mediante un diagrama de bloques, un procedimiento de calibración de acuerdo con un aspecto de la presente invención,
- La Figura 4 muestra una vista en perspectiva de una parte del sistema de calibración de la Figura 2.
- La Figura 5 muestra esquemáticamente una vista en sección transversal de la porción de la Figura 4,
- La Figura 6 muestra esquemáticamente una vista en sección transversal de una porción de un sistema de calibración de acuerdo con otro aspecto de la presente invención,
- La Figura 7 muestra esquemáticamente una vista en sección transversal de una porción de un sistema de calibración de acuerdo con otro aspecto de la presente invención,
- La Figura 8 muestra esquemáticamente, mediante un diagrama de bloques, un detector de contaminación de acuerdo con una realización de la presente invención,
- La Figura 9 muestra esquemáticamente, mediante un diagrama de bloques, un procedimiento de detección de contaminación del sistema de la Figura 8, y
- La Figura 10 muestra esquemáticamente, mediante un diagrama de bloques, un detector de contaminación de acuerdo con otra realización de la presente invención.
Mejor modo de realizar la invención
La presente invención puede aplicarse a cualquier instrumento de detección remota que comprenda una fuente láser y se base en una interacción entre un rayo láser emitido por la fuente láser y sustancias presentes en un volumen atravesado por el rayo láser. En particular, meramente a modo de ejemplo no limitativo, se hará referencia a continuación en la presente memoria a los instrumentos de detección remota LIDAR o DIAL. Para una mejor comprensión de la presente invención, las técnicas de medición LIDAR y DIAL, comenzando con la técnica LIDAR, se resumen a continuación.
La Figura 1 muestra esquemáticamente, mediante un diagrama de bloques, un sistema LIDAR 1 de tipo conocido. El sistema LIDAR 1 comprende una fuente láser 2, óptica de transmisión 4 acoplada ópticamente a la fuente láser 2, óptica de recepción 6, un módulo fotodetector 8 acoplado ópticamente a la óptica de recepción 6, y una unidad de control electrónico 10 acoplada operativamente a la fuente láser 2 y el módulo fotodetector 8. La óptica de recepción 6 comprende, por ejemplo, un telescopio. El módulo fotodetector 8 comprende al menos un dispositivo fotodetector. Por ejemplo, el módulo fotodetector 8 comprende un único dispositivo fotodetector configurado para detectar una parte del espectro óptico. Alternativamente, el módulo fotodetector 8 comprende una pluralidad de dispositivos fotodetectores configurados para detectar diferentes porciones del espectro óptico. En particular, el módulo fotodetector 8 puede comprender, por ejemplo, un dispositivo fotodetector con el que se desea ajustar la fuente láser 2.
De acuerdo con un procedimiento de medición de tipo conocido implementado por el sistema LIDAR 1, la unidad de control 10 está configurada para controlar la fuente láser 2 para que emita un pulso láser corto a una longitud de onda dada. El pulso láser se envía a la atmósfera hacia un objetivo 12 mediante la óptica de transmisión 4, que está diseñada para enfocar la energía emitida por la fuente láser 2 en un haz de luz en forma de cono con un ángulo de apertura dependiente de la óptica de transmisión 4 y alcanzando una distancia de la fuente láser 2 que depende de la potencia de la fuente láser 2 , de una manera que es en sí conocida.
El objetivo 12 es, por ejemplo, una nube, una fuente de contaminación, humo generado por incendios forestales, o cualquier volumen atmosférico para el que se desee caracterizar los gases y/o partículas presentes en el mismo.
El haz de luz es reflejado parcialmente por el objetivo 12, dando lugar a la radiación retrodispersada recogida por la óptica de recepción 6 y medida por el módulo fotodetector 8.
La unidad de control electrónico 10 está configurada además para recibir información sobre la potencia óptica recibida por el módulo fotodetector 8 y, en consecuencia, obtener información sobre el objetivo 12. En particular, y de una manera que es en sí conocida, esto es posible la resolución de la denominada ecuación LIDAR, que pone la potencia óptica recibida por el módulo fotodetector 8 en relación con la potencia óptica transmitida por la fuente láser 2 y las propiedades del objetivo 12 que se pretende caracterizar.
En adelante en la presente memoria, se consideran válidos los siguientes supuestos y aproximaciones:
- la dispersión óptica provocada por la interacción entre el haz de luz transmitido por el sistema LIDAR 1 y el objetivo 12 es de tipo elástico, es decir, la longitud de onda de la radiación retrodispersada recibida es igual a la del haz de luz enviado por el láser fuente 2 ,
- el ancho de línea de la radiación retrodispersada del objetivo 12 es muy pequeño con respecto a la ventana espectral de la óptica de recepción 6, para que pueda aproximarse a una función delta de Dirac,
- la tendencia temporal del pulso láser emitido por la fuente láser 2 es rectangular, es decir, el objetivo 12 está iluminado uniformemente por el haz de luz,
- en una zona de solapamiento entre el campo de visión de la óptica de recepción 6 y el haz de luz, el medio de propagación óptico es homogéneo y la probabilidad de que la radiación retrodispersada llegue al receptor óptico es unitaria.
Aceptando los supuestos y aproximaciones antes mencionados, la ecuación LIDAR generalmente se escribe de la siguiente forma:
en la que Al es la longitud de onda del haz de luz, P(Al,R) es la potencia óptica recibida por el módulo fotodetector 8 correspondiente a la radiación retrodispersada a una distancia fíd e l sistema LIDAR 1, Pl es la potencia del haz de
luz que incide en el objetivo 12 , ^ es e| factor ¿g transmisión espectral,
^ es el factor de forma geométrica, Ao es el área activa de la óptica de recepción 6, P(Al,P) es el coeficiente de retrodispersión del volumen atmosférico, c es la velocidad de la luz, tl es la duración del pulso láser y A(Al,P) es el coeficiente de extinción
atmosférica. Además, el parámetro dR
define el "espesor óptico".
Como es sabido, el coeficiente de retrodispersión del volumen atmosférico p y el coeficiente de extinción atmosférica k son parámetros ópticos relacionados con el medio que ha causado la retrodispersión, es decir, relacionados con el objetivo 12. En particular, cuando la longitud de onda Al del haz de luz que incide en el objetivo coincide con una de las líneas de absorción de las sustancias químicas que constituyen el objetivo 12 , el haz de luz se atenúa y la radiación retrodispersada disminuye, en consecuencia, la señal medida por el módulo fotodetector 8 es de menor intensidad cuando el haz de luz atraviesa áreas en las que la densidad de la sustancia en consideración es mayor.
En consecuencia, al tener los valores respectivos del coeficiente de retrodispersión del volumen atmosférico y el coeficiente de extinción atmosférica k (en función de la longitud de onda A l a la que está sintonizada la fuente láser 2) para diversas sustancias, es posible obtener información físico-química sobre las sustancias que forman el objetivo 12 mediante la ecuación LIDAR (1).
El impacto que la precisión con la que se conocen los parámetros p y k tiene sobre la precisión de las mediciones LIDAR es, por tanto, evidente. Como se explica mejor a continuación, los parámetros mencionados anteriormente se pueden obtener con precisión por medio de un sistema de calibración de acuerdo con un aspecto de la presente invención.
La técnica de medición DIAL se resume a continuación, con referencia a la Figura 1. El sistema LIDAR 1 de la Figura 1 también se puede utilizar para implementar la técnica de medición DIAL, a condición de que la unidad de control electrónico 10 esté configurada para controlar la fuente láser 2 y para procesar los datos recibidos por el módulo fotodetector 8 como se describe a continuación. En consecuencia, en adelante en la presente memoria, el sistema LIDAR 1 de la Figura 1 también se denomina sistema DIAL 1 o genéricamente sistema LIDAR/DIAL 1.
La técnica DIAL prevé enviar un primer rayo láser que tiene una primera longitud de onda A on y un segundo rayo láser que tiene una segunda longitud de onda A off, diferente de la primera longitud de onda A on, en el volumen en consideración.
En particular, la primera longitud de onda A on coincide con una línea de absorción de una sustancia (un átomo o una molécula) que se pretende detectar en el objetivo 12, mientras que la segunda longitud de onda A off no coincide con una línea de absorción de la sustancia que se pretende detectar en el objetivo 12.
En consecuencia, el módulo fotodetector 8 recibe una primera potencia óptica Pon relacionada con la radiación retrodispersada correspondiente al primer rayo láser, y una segunda potencia óptica Poff relacionada con la radiación retrodispersada correspondiente al segundo rayo láser, en el que las primeras y segundas potencias ópticas Pon y Poff dependen de los parámetros ópticos de la sustancia descritos por la ecuación LIDAR (1):
En una primera aplicación de la técnica DIAL, el objetivo 12 es un objetivo topográfico 12 dispuesto a una distancia Fh
de la fuente láser 2 ; en este caso, es posible obtener una concentración media Ñ de la sustancia en consideración en una región interpuesta entre la fuente láser 2 y el objetivo topográfico 12. En esta primera aplicación de la técnica DIAL, la señal recibida por el módulo fotodetector 8 es la radiación reflejada por el objetivo topográfico 12.
En este caso, de una manera en sí conocida, es posible demostrar que la concentración media Ñ se puede calcular a partir de las potencias ópticas recibidas Pon y Poff, como se describe en la siguiente ecuación:
en la que DR es la distancia recorrida por el rayo láser para alcanzar el objetivo topográfico 12 y luego alcanzar el módulo fotodetector 8 tras ser reflejado por el objetivo topográfico 12 , y en consecuencia,
Ai? ?= 2R t } CIon (^ ow) y 0(o f f (X o7f ) son . las secci . ones transversal . es d . e a , bsorción a d . e . la sustanci . a en consideración para la primera longitud de onda Aon y para la segunda longitud de onda Aoff, respectivamente.
En una segunda aplicación de la técnica DIAL, no se utiliza un objetivo topográfico, en esta segunda aplicación, el objetivo 12 es un gas o partícula dispersa en la atmósfera, y la señal recibida por el módulo fotodetector 8 es la radiación retrodispersada de gas o partículas, dado que esta señal es claramente más débil que la señal reflejada medida en la primera aplicación de la técnica DIAL, permite obtener información sobre la concentración de los átomos o moléculas que forman la sustancia en consideración con mayor resolución espacial, lo que depende de las características del sistema utilizado. En particular, es posible obtener la concentración N de la sustancia en consideración en función de la distancia R del sistema DIAL 1, a partir de las potencias ópticas recibidas Pon y Poff, mediante la siguiente ecuación:
N ( R ) = 
en la que
Como es sabido, la sección transversal de absorción a(Ai_) es un parámetro óptico relacionado con el medio que ha causado la retrodispersión, es decir, el objetivo 12. En particular, contar con los valores respectivos de la sección transversal de absorción (en función de la longitud de onda Al a la que se sintoniza la fuente láser 2) para diversas sustancias, permite obtener información físico-química sobre las sustancias que forman el objetivo 12 , mediante las ecuaciones (4) y (5).
El impacto de la precisión con la que se conoce el perfil de a(AL) sobre la precisión de las mediciones DIAL es, por tanto, evidente. Como se explica mejor a continuación, la sección transversal de absorción, representada por el coeficiente de absorción a(AL), puede obtenerse con precisión por medio de un sistema de calibración de acuerdo con una realización de la presente invención.
Otra razón por la que es importante conocer con precisión la sección de absorción a(AL) en función de la longitud de onda de las diversas sustancias a estudiar es porque de esta depende la sensibilidad Nmin del sistema LIDAR/DIAL 1.
En particular, la sensibilidad Nmin del sistema LIDAR/DIAL 1 se define en relación con una sustancia como la concentración mínima de dicha sustancia que el sistema LIDAR/DIAL 1 es capaz de detectar.
En particular, la sensibilidad Nmin se correlaciona con el parámetro DP/P, es decir, la variación porcentual mínima de potencia recibida entre Pon y Poff, debido, por ejemplo, a variaciones en la composición atmosférica a lo largo de la trayectoria entre el sistema LIDAR/DIAL 1 y el objetivo 12, o a fluctuaciones aleatorias generadas por turbulencias o perturbaciones atmosféricas.
De una manera en sí conocida, es posible demostrar que en el caso en que el parámetro DP/P está limitado por el ruido del módulo fotodetector 8, es decir, generalmente para distancias R inferiores a 5 km, la sensibilidad Nmin se puede calcular utilizando la siguiente ecuación:
AP 1
N m in = P 2AaR (6)
De lo contrario, para distancias R superiores a 5 km, la sensibilidad Nmin se calcula con mayor precisión utilizando la siguiente ecuación:
en la que C es una constante determinada experimentalmente, por ejemplo, igual a 79, para objetivos ubicados a una distancia R de aproximadamente 5 km.
La Figura 2 muestra esquemáticamente, por medio de un diagrama de bloques, un sistema de calibración 21 de acuerdo con un aspecto de la presente invención.
El sistema de calibración 21 comprende una cámara de calibración 22, un mezclador de gas 24, una bomba de vacío 26, un divisor de haces 28, un sistema de medición 30, un controlador 32 y un dispositivo de entrada/salida 34. opcionalmente, el sistema de calibración 21 puede comprender una memoria y un módulo de comunicación (que no se muestra en la Figura 2).
El sistema de calibración 21 está configurado para calibrar un instrumento de medición que comprende una fuente láser 40.
Como se explica mejor a continuación, la cámara de calibración 22 es una cámara, por ejemplo, de forma cilíndrica o paralelepípeda, que puede sellarse herméticamente.
La cámara de calibración 22 está configurada para que pueda contener un gas o partículas para las que se desea medir los parámetros ópticos, la cámara de calibración 22 puede entonces cerrarse herméticamente. Talesparámetros ópticos incluyen, por ejemplo, la sección transversal de absorción a(AL), el coeficiente de retrodispersión del volumen atmosférico P(Al) y el coeficiente de extinción atmosférica k(AL), medidos en función de las características técnicas únicas de la fuente láser 40 y de su longitud de onda Al.
El mezclador de gases 24 está configurado para introducir gases o partículas cuyos parámetros ópticos se desea medir dentro de la cámara de calibración 22. Los gases o partículas se introducen de manera controlada mediante caudalímetros que comprenden sensores de presión y temperatura, no mostrados en la Figura 2.
A modo de ejemplo no limitativo, el mezclador de gases 24 puede introducir en la cámara de calibración 22 uno o más gases seleccionados entre monóxido de carbono (CO), amoníaco, óxidos de nitrógeno (NOx), óxidos de azufre (SOx), mercurio gaseoso (Hg), vapor de agua, gases NBC tal como gases nerviosos o gases tóxicos en general, compuestos orgánicos volátiles (COV), ozono, hidrocarburos aromáticos policíclicos, moléculas olorosas, fármacos que emiten moléculas gaseosas a la atmósfera y productos derivados de la combustión.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, el volumen V de la cámara de calibración 22 puede ajustarse automáticamente o manualmente por un operador del sistema de calibración 21, para controlar la concentración de gas o partículas introducidas por el mezclador de gas 24 dentro de un intervalo preferente.
En particular, como se describe mejor a continuación, el volumen V está definido por el espacio dentro de la cámara de calibración 22, delimitado por las paredes de la cámara de calibración 22 y por una primera y una segunda ventana óptica, no mostradas en la Figura 2. Estas ventanas ópticas están configuradas para permitir, al mismo tiempo, el sellado hermético de la cámara de calibración 22 y el paso de radiación electromagnética, y están dispuestas respectivamente en una entrada y una salida de la cámara de calibración 22 (en términos del paso de radiación electromagnética).
En particular, el volumen V de la cámara de calibración 22 se puede ajustar modificando una longitud L de la misma, medida a lo largo de una dirección principal de extensión de la cámara de calibración 22, siendo dicha dirección principal de extensión paralela a una dirección de propagación del rayo láser a través de la cámara de calibración 22.
La bomba de vacío 26 es, por ejemplo, una bomba giratoria, por ejemplo una bomba turbomolecular, configurada para obtener y mantener el vacío en la cámara de calibración 22. En particular, la cámara de calibración 22 y la bomba de vacío 26 están diseñadas para ser capaces de mantener condiciones de alto vacío dentro de la cámara de calibración 22, correspondiente a una presión interna de menos de 0,1 Pa. La fuerte presión de sellado de la cámara de calibración 22 permite evitar reacciones químico-físicas del gas con impurezas no deseadas dentro de la cámara de calibración 22, e incluso operar con gases altamente tóxicos o letales para el operador del sistema de calibración 21.
La cámara de calibración 22 y el divisor de haces 28 están dispuestos de manera que estén alineados con el rayo láser emitido por la fuente láser 40. Además, de acuerdo con un aspecto de la presente invención, la alineación de la cámara de calibración 22 y el divisor de haces 28 con respecto al rayo láser se puede monitorizar y corregir automáticamente.
El divisor de haces 28 se fabrica con un material seleccionado de acuerdo con el intervalo de longitudes de onda en el que se puede sintonizar la fuente láser 40, o de acuerdo con un intervalo de longitudes de onda en el que se pretende utilizar la fuente láser 40. Por ejemplo, para un láser CO2 TEA (atmósfera excitada transversalmente), el divisor de haces 28 puede ser seleniuro de zinc (ZnSe).
El sistema de medición 30 está configurado para medir la intensidad y/o energía de la radiación electromagnética. Por ejemplo, el sistema de medición 30 comprende uno o más instrumentos para medir la intensidad de la radiación electromagnética, tal como, por ejemplo, fotodetectores, fotomultiplicadores o espectrómetros (no mostrados en la Figura 2). Por ejemplo, el sistema de medición 30 comprende además uno o más instrumentos (no mostrados en la Figura 2 ) para medir la energía de radiación electromagnética, tal como, por ejemplo, joulemetros.
El controlador 32 está configurado para recibir las señales medidas del sistema de medición 30 y procesar dichas señales para calcular los parámetros ópticos de interés a(ÁL), P(Al) y k(ÁL) como se especifica a continuación.
El controlador 32 está configurado además para controlar el ajuste del volumen V de la cámara de calibración 22 y para controlar la fuente láser 40 para implementar un procedimiento de calibración de acuerdo con un aspecto de la presente invención.
Opcionalmente, el controlador 32 también está acoplado al mezclador de gas 24 y a la bomba de vacío 26 para que pueda controlarlos para implementar las etapas de un procedimiento de calibración de acuerdo con un aspecto de la presente invención.
El dispositivo de entrada/salida 34, que comprende por ejemplo un teclado y una pantalla, permite al operador del sistema de calibración 21 enviar datos de entrada al controlador 32 y recibir datos de salida desde el controlador 32. Por ejemplo, el operador puede solicitar un ajuste del volumen V de la cámara de calibración 22, por ejemplo, el operador puede iniciar o interrumpir el procedimiento de calibración, por ejemplo, el operador puede modificar los parámetros del procedimiento de calibración, por ejemplo, el operador puede mostrar los resultados del procedimiento de calibración, tal como, por ejemplo, los parámetros ópticos medidos, y guardarlos en una memoria (no mostrada en la Figura 2) del sistema de calibración 21.
A continuación se describe un procedimiento de cálculo para el volumen V de la cámara de calibración 22 en el que la cámara de calibración 22 debería ajustarse preferentemente para proceder con el cálculo de los parámetros ópticos de un gas.
Como se ha dicho, el sistema de calibración 21 está configurado para permitir la calibración de la fuente láser 40 en relación con un amplio intervalo de gases, que tienen diferentes propiedades físico-químicas y se utilizan como muestras de un volumen atmosférico o acuoso a caracterizar. El sistema de calibración 21 está configurado para poder calibrar la fuente láser 40 para gases que tienen parámetros ópticos significativamente diferentes entre sí, preferentemente, el sistema de calibración 21 es adaptable para que pueda calibrar la fuente láser 40 tanto para gases de alta absorción como para gases de absorción débil. Además, por razones de seguridad, es preferente trabajar con concentraciones bajas en los casos en que el gas o partículas a caracterizar sean tóxicos o letales para el operador del sistema de calibración 21.
Además, la concentración de la muestra de gas debe ser, en cualquier caso, superior a un umbral mínimo de detectabilidad, es decir, la sensibilidad del instrumento de medición que comprende la fuente láser 40.
En consecuencia, es preferente poder controlar la concentración del gas a inyectar en la cámara de calibración 22 de acuerdo con el tipo de gas. Por ejemplo, la concentración del gas se puede controlar ajustando parámetros físicos del gas a inyectar, tal como, por ejemplo, la presión y la temperatura, además, es posible ajustar la cantidad de gas inyectado. De acuerdo con un aspecto de la presente invención, la concentración del gas también se puede controlar ajustando el volumen V de la cámara de calibración 22, por lo que se obtiene un grado adicional de libertad para ajustar la concentración del gas. El volumen V al que la cámara de calibración 22 preferentemente se ajusta para proceder con el cálculo de los parámetros ópticos del gas por lo tanto se calcula por el ajuste de una concentración de gas deseada y por el uso de la ley de gas ideal:
V
=
nRTgas
(
8
)
^gas
en la que n es el número de moles de gas a inyectar y R es la constante perfecta de gas, mientras que Pgas y Tgas son respectivamente la presión y la temperatura del gas, medidas por sensores de presión y temperatura acoplados a los caudalímetros entre el mezclador de gas 24 y la cámara de calibración 22.
A continuación se describe un procedimiento de cálculo para la sección transversal de absorción a(ÁL) que se puede utilizar para resolver las ecuaciones DIAL (4) y (5).
Con referencia a la Figura 2, la fuente láser 40 emite un rayo láser que tiene una intensidad I y una longitud de onda Al. El rayo láser incide en el divisor de haces 28, que tiene reflectancia S, para que una primera porción I1 = SI de la intensidad del rayo láser sea recibida y medida, por ejemplo, por un primer fotodetector (no mostrado) del sistema de medición 30, mientras que la porción restante Ir = (1-S)I es recibida por la cámara de calibración 22. El rayo láser recibido por la cámara de calibración 22, que tiene intensidad Ir en la entrada de la cámara de calibración 22, atraviesa la cámara de calibración 22 y se atenúa de acuerdo con el contenido de la cámara de calibración 22 , dando como resultado una intensidad de salida It, recibida y medida, por ejemplo, por un segundo fotodetector (no mostrado) del sistema de medición 30. A continuación, se hace referencia a la intensidad Ir recibida en la entrada de la cámara de calibración 22 utilizando el término "intensidad de entrada" Ir.
En una primera etapa del procedimiento de cálculo de la sección transversal de absorción a(AL), la cámara de calibración 22 se encuentra en condiciones de vacío, por lo que la única atenuación a la que se somete el rayo láser al pasar por la cámara de calibración 22 se debe a las ventanas ópticas de entrada y salida, que contribuyen a dicha atenuación con un parámetro Af(AL), por lo que en esta primer etapa se aplica la siguiente relación:
en la que el subíndice “CV” del primer ítem de la ecuación (9) significa que las medidas de la intensidad de salida It y de la intensidad de entrada Ir, y por tanto su relación, se han realizado con la cámara de calibración 22 vacía.
En una segunda etapa del procedimiento de cálculo de la sección transversal de absorción a(AL), se ha llenado la cámara de calibración 22 con el gas para el cual se desea calcular la sección transversal de absorción a(AL), el gas contribuye a la atenuación del rayo láser con un factor Ag(AL), dependiente de los parámetros ópticos del gas, por lo tanto, en esta segunda etapa, se aplica la siguiente relación:
en la que el subíndice “CP” del primer ítem de la ecuación (10) significa que las medidas de la intensidad de salida T y de la intensidad de entrada Ir, y consecuentemente su relación, se han realizado con la cámara de calibración 22 llena.
Una vez que se han calculado las proporciones de la intensidad de salida It y la intensidad de entrada Ir para condiciones de celda llena y celda vacía, es posible realizar la siguiente relación para eliminar la influencia de las ventanas ópticas en la atenuación y aislar el factor de atenuación Ag(ÁL) debido al gas:
Una vez obtenido el parámetro Ag(ÁL), es posible calcular la sección transversal de absorción a(ÁL) a partir de la siguiente ecuación:
A g(Á L) = exp(-a(/lL)pL) (12) en la que p es la presión parcial del gas, medida en atm, y L es la longitud de la cámara de calibración 22, como se describió anteriormente.
Al invertir la ecuación (12), se obtiene la sección de absorción a(ÁL):
A continuación se describe un procedimiento de cálculo para el coeficiente de retrodispersión del volumen atmosférico P (A l) y el coeficiente de extinción atmosférica A(A l), que se puede utilizar para resolver la ecuación LIDAR (1).
Con referencia a la Figura 2, la fuente láser 40 emite un rayo láser que tiene energía E y longitud de onda A l. El rayo láser incide en el divisor de haces 28 que tiene reflectancia S, para que una primera porción Ei = SE de la energía del rayo láser es recibida y medida, por ejemplo, mediante un primer joulemetro (no mostrado) del sistema de medición 30, mientras que la porción restante Er = (1-S)E es recibida por la cámara de calibración 22.
El rayo láser recibido por la cámara de calibración 22, que tiene energía Er en la entrada de la cámara de calibración 22 , atraviesa la cámara de calibración 22 y se atenúa de acuerdo con el contenido de la cámara de calibración 22 , dando como resultado una energía de salida Et, recibida y medida, por ejemplo, por un segundo joulemetro (no mostrado) del sistema de medición 30. A continuación, también se hará referencia a la energía Er en la entrada de la cámara de calibración 22 usando el término "energía de entrada Er".
En una primera etapa del procedimiento de cálculo del coeficiente de retrodispersión del volumen atmosférico P (A l) y el coeficiente de extinción atmosférica A(A l), la cámara de calibración 22 se encuentra en condiciones de vacío, por lo que es posible calcular el parámetro Et/ErI cv, correspondiente a la relación entre la energía de salida Et y la energía de entrada Er cuando la cámara de calibración 22 está en condiciones de vacío.
En un segunda etapa del procedimiento de cálculo del coeficiente de retrodispersión del volumen atmosférico P (A l) y del coeficiente de extinción atmosférica A(A l), la cámara de calibración 22 se ha llenado con la muestra de gas en consideración, por lo que es posible calcular el parámetro Et/ErIcp, correspondiente a la relación entre la energía de salida Et y la energía de entrada Er cuando la muestra de gas en consideración está presente en la cámara de calibración 22.
Una vez que se han calculado las relaciones de la energía de salida Et y la energía de entrada Er para las condiciones de celda llena y celda vacía, es posible calcular la transmitancia atmosférica T del gas de acuerdo con la siguiente ecuación:
Una vez obtenida la transmitancia atmosférica T(A l), es posible calcular el coeficiente de extinción atmosférica A(A l) de acuerdo con la siguiente ecuación:
Además, una vez obtenida la transmitancia atmosférica T(Al), también es posible calcular el coeficiente de retrodispersión del volumen atmosférico P(Al) de acuerdo con la siguiente ecuación:
en la que P(ÁL) es la potencia recibida por el sistema de medición 30.
Por lo tanto, es posible, usando la cámara de calibración 22 y las ecuaciones (13), (15) y (16), calcular con precisión los parámetros ópticos necesarios para resolver las ecuaciones LIDAR y DIAL (1), (4) y (5).
La Figura 3 muestra esquemáticamente, mediante un diagrama de bloques, un procedimiento de calibración implementado por el sistema de calibración 21 de la Figura 2. En particular, el procedimiento de calibración de la Figura 3 permite calibrar un instrumento de medición que comprende una fuente láser (por ejemplo, la fuente láser 40 de la Figura 2), estando configurado dicho instrumento de medida para caracterizar un gas o partículas, teniendo dicho procedimiento de calibración el propósito de calcular los parámetros ópticos de dicho gas o partículas con una relación de perfil de potencia y otras características técnicas exclusivas de la fuente láser. A continuación, a modo de ejemplo no limitativo, se hará referencia a la calibración para mediciones de gas, el mismo procedimiento de calibración también se puede aplicar con respecto a las mediciones de partículas.
Con referencia combinada a las Figuras 2 y 3, el procedimiento de calibración comprende primero la etapa 50 de recibir datos indicativos de las propiedades de la fuente láser 40 y del gas para el que se desea realizar la calibración.
En particular, en la etapa 50, el controlador 32 recibe datos indicativos de una o más longitudes de onda Al a las que se pretende sintonizar (y por tanto calibrar) la fuente láser 40.
Además, en la etapa 50, el controlador 32 recibe datos indicativos del tipo de gas para el que se desea realizar la calibración, para que los parámetros específicos del tipo de gas se pueden asociar en las etapas posteriores del procedimiento de calibración.
La etapa 50 comienza, por ejemplo, tras una solicitud de calibración por parte de un operador que interactúa con el sistema de calibración 21 a través del dispositivo de entrada/salida 34. Por ejemplo, el dispositivo de entrada/salida 34 permite al operador especificar el tipo de gas a calibrar y una o más longitudes de onda Al con las que realizar la calibración.
Luego de la etapa 50, el control pasa a la etapa 52 de optimización del volumen V de la cámara de calibración 22 en base al tipo de gas recibido en la etapa 50.
En particular, en la etapa 52, el controlador 32 calcula el volumen ideal V al que fijar la cámara de calibración 22 para proceder con las mediciones de los parámetros ópticos relevantes para la calibración, usando la ecuación (8) indicada anteriormente. En detalle, en la etapa 52, el controlador 32 recibe datos indicativos de la presión Pgas y la temperatura Tgas del gas, medidos por el sensor de presión y el sensor de temperatura, respectivamente.
Además, el controlador 32 selecciona el número de moles n que se inyectarán en la cámara de calibración 22, basándose en datos indicativos del tipo de gas recibido en la etapa 50. Por ejemplo, cada tipo de gas puede asociarse con un número de moles n, y dicha asociación se puede almacenar en una memoria del sistema de calibración 21. El controlador 32 calcula entonces el volumen ideal V para la cámara de calibración 22 en base al número de moles n, para que se obtenga una concentración deseada C = n/V.
Después, el volumen de la cámara de calibración 22 se ajusta para que corresponda al volumen ideal calculado V.
En particular, en una realización del sistema de calibración 21 en la que la cámara de calibración 22 permite ajustar una longitud L de la cámara de calibración 22, dicha longitud L se ajusta de manera tal que el volumen de la cámara de calibración 22 corresponda al volumen ideal V calculado.
Preferentemente, la operación de ajuste del volumen V de la cámara de calibración 22 se puede realizar automáticamente, sin intervención manual de un operador, en base a una señal de control enviada por el controlador 32 y por medio de un sistema de accionamiento no mostrado en la Figura 2.
Luego de la etapa 52, el control pasa a la etapa 54 de alinear la fuente láser 40 con la cámara de calibración 22. En particular, en la etapa 54, se comprueba, según técnicas en sí mismas conocidas, si el rayo láser emitido por la fuente láser 40 coincide con un eje longitudinal de la cámara de calibración 22. Por ejemplo, en realizaciones en las que la cámara de calibración 22 tiene forma cilíndrica, en la etapa 52 se comprueba si la dirección del rayo láser coincide con el eje del cilindro. Si no es así, la posición y/u orientación de la fuente láser 40 y/o la cámara de calibración 22 se modifican para lograr la condición de alineación. En particular, el sistema de calibración 21 está configurado para que la etapa 54 de alinear la fuente láser 40 con la cámara de calibración 22 se pueda realizar automáticamente, sin
intervención manual de un operador, en base a una señal de control enviada por el controlador 32 y por medio de un sistema de accionamiento no mostrado en la Figura 2, permitiendo dicho sistema de accionamiento precisión micrométrica en los movimientos de la fuente láser 40 y/o la cámara de calibración 22 en un espacio tridimensional.
Luego de la etapa 54, el control pasa a la etapa 56 de generar el vacío en la cámara de calibración 22. En particular, en la etapa 56, la bomba de vacío 26 recibe una señal eléctrica indicativa de una solicitud para generar un vacío en la cámara de calibración 22. Por ejemplo, dicha señal eléctrica puede ser enviada por el controlador 32. Alternativamente, dicha señal eléctrica puede ser enviada a través de un interruptor operado por el operador del sistema de calibración 21.
Entonces, la bomba de vacío 26 genera condiciones de alto vacío en la cámara de calibración 22, reduciendo la presión dentro de la cámara de calibración 22 hasta un valor que varía entre, por ejemplo, 0,1 Pa y 0,9 Pa, por ejemplo 0,5 Pa.
Luego de la etapa 56, el control pasa a la etapa 58 de realizar mediciones con la cámara vacía. En particular, en la etapa 58, el controlador 32 acciona la fuente láser 40 para que emita un rayo láser que tiene intensidad I y energía E, por ejemplo definible por el operador en un intervalo de valores permitidos de la fuente láser 40 por medio del dispositivo de entrada/salida 34, a una longitud de onda Al. El rayo láser incide en el divisor de haces 28 para que la intensidad de entrada Ir y la energía de entrada Er se envíen a la cámara de calibración 22, mientras que la intensidad restante I1 y la energía E1 se envían al sistema de medición 30. Como se describió anteriormente, el sistema de medición 30 mide y envía datos al controlador 32 indicativos de la relación entre la intensidad de salida T y la intensidad de entrada Ir, y de la relación entre la energía de salida Et y la energía de entrada Er. En particular, la intensidad de entrada Ir y la energía de entrada Er, se calculan sobre la base de la intensidad I1 y la energía E1 medidas por el sistema de medición 30.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, las mediciones de las relaciones It/Ir y Et/Er se repiten para más de un pulso láser, en particular para un número de pulsos láser suficiente para tener una muestra estadísticamente significativa, por ejemplo para un número de pulsos láser comprendidos entre 70 y 120, por ejemplo 100.
Además, las mediciones de las relaciones It/Ir y Et/Er se repiten para cada longitud de onda Al a la que se pretende sintonizar la fuente láser 40.
Como se indicó, la fuente láser 40 se puede accionar automáticamente, sin la intervención manual de un operador, sobre la base de una o más señales de control enviadas por el controlador 32.
Luego de la etapa 58, el control pasa a la etapa 60 de inyectar n moles del gas dentro de la cámara de calibración 22. En particular, en la etapa 60, el mezclador de gas 24 recibe una señal indicativa del gas a inyectar y una solicitud para inyectar n moles de dicho gas en la cámara de calibración 22. Por ejemplo, dicha señal puede ser una señal eléctrica enviada por el controlador 32. Luego, el mezclador de gas 24 inyecta n moles del gas en la cámara de calibración 22, para obtener la concentración deseada C.
Luego de la etapa 60, el control pasa a la etapa 62 de realizar mediciones con la cámara llena, de manera similar a lo descrito para las mediciones de cámara vacía en la etapa 58.
En consecuencia, una vez completada la etapa 62, el controlador 32 tiene acceso a los parámetros It/IrIcv e It/IrIcp, que permiten resolver la ecuación (11), y las relaciones Et/ErIcv y Et/ErIcp, que habilitan la resolución de la ecuación (14).
Luego de la etapa 62, el control pasa a la etapa 64 de calcular la sección transversal de absorción a(AL), el coeficiente de retrodispersión del volumen atmosférico P(Al) y el coeficiente de extinción atmosférica A(Al), en particular, en la etapa 64, el controlador 32 calcula los parámetros a(AL), k(AL) y P(Al) sobre la base de los parámetros It/IrIcv It/IrIcp, Et/ErIcv y Et/ErIcp obtenidos al completar la etapa 62 y la resolución de las ecuaciones (13), (15) y (16), respectivamente. El cálculo de los parámetros a(AL), k(AL) y P(Al) se repite para cada longitud de onda Pl a la que se pretende sintonizar la fuente láser 40.
Una vez obtenidos los parámetros a(AL), k(AL) y P(Al) como se describió anteriormente, es posible almacenarlos en una memoria (no mostrada en la Figura 2) del sistema de calibración 21, visualizarlos por medio de del dispositivo de entrada/salida 34 o enviarlos a otros dispositivos por medio de un módulo de comunicación (no mostrado en la Figura 2) del sistema de calibración 21.
En particular, los parámetros a(AL), k(AL) y P(Al) calculados en la etapa 64 pueden utilizarse por el instrumento de medición que comprende la fuente láser 40, aumentando consecuentemente la precisión de medición de dicho instrumento de medición.
En particular, en el caso de los sistemas LIDAR/DIAL, el solicitante ha verificado que aplicando el procedimiento de calibración de la Figura 3, el error de medición de los parámetros ópticos cae a un valor aproximadamente entre el 5% y el 10%, con respecto a un intervalo entre 40% y 50% alcanzable utilizando datos obtenidos de simulación numérica y/o de la bibliografía. La mayor precisión de medición de los parámetros ópticos significa una mayor precisión de
medición LIDAR/DIAL, como lo muestran las ecuaciones (1), (4) y (5).
Luego de la etapa 64, el control pasa a la etapa 66 de calcular la sensibilidad Nmin del instrumento de medición, que en el caso de los sistemas LIDAR/DIAL depende de la absorción sección transversal a(ÁL), como se indica en las ecuaciones (6) y (7).
La sensibilidad Nmin se puede almacenar, mostrar o transmitir a otros dispositivos de manera similar a la descrita para los parámetros a(ÁL), k( ÁL) y P (A l) en la descripción de la etapa 64 del procedimiento.
En particular, la memoria del sistema de calibración 21 se puede configurar para almacenar una base de datos en la que, para cada tipo de gas en consideración, existen parámetros asociados a(AL), k( AL) P (A l) y Nmin, clasificados por longitud de onda A l y potencia de la fuente láser.
Luego de la etapa 66, el control vuelve a la etapa 50 de recibir datos indicativos de las propiedades de la fuente láser 40 y del gas para el que se desea realizar la calibración, las etapas 50-66 del procedimiento pueden repetirse a lo largo del tiempo para el mismo gas y para la misma fuente láser, con el fin de monitorizar la tendencia de los parámetros a(AL), k( AL) P (A l) y Nmin en tiempo real.
La Figura 4 muestra una vista en perspectiva de una porción de una cámara de calibración de acuerdo con una realización de la presente invención, en un espacio tridimensional definido por tres ejes cartesianos x, y y z. La Figura 5 muestra esquemáticamente una vista en sección lateral en el plano y-z de dicha porción.
En particular, de acuerdo con un aspecto de la presente invención, la cámara de calibración 22 puede tener una estructura modular, es decir, la cámara de calibración 22 puede comprender una o más celdas unitarias que tienen una estructura similar entre sí y que se pueden acoplar para obtener una longitud deseada L. En particular, las Figuras 4 y 5 muestran una celda unitaria 70.
En detalle, la celda unitaria 70 comprende un elemento tubular 72 con una dirección principal de extensión paralela al eje y. El elemento tubular 72 puede tener una sección transversal circular o rectangular.
En particular, con referencia a las Figuras 4 y 5, el elemento tubular 72 comprende una primera cara abierta 72a y una segunda cara abierta 72b, conectadas entre sí por una pared lateral 72c. La pared lateral 72c se fabrica con un material metálico, tal como, por ejemplo, acero inoxidable.
En el ejemplo de la Figura 4, el elemento tubular 72 tiene una sección transversal circular, las caras abiertas 72a y 72b tienen un radio R que varía entre 5 |um y 30 cm, por ejemplo 5 cm, y la pared lateral 72c tiene una longitud Lcell que varía entre unos pocos micrómetros y unos pocos metros, por ejemplo, entre 1 |um y 5 m, por ejemplo, si la muestra de gas está a una presión de 2 kPa y tiene un coeficiente de absorción del orden de 40 (atmcm)-1, Lcell es del orden de 10 cm, por ejemplo 11,9 cm. El elemento tubular 72 es simétrico con respecto a un eje óptico O. Un rayo láser con una dirección de propagación paralela al eje y, por ejemplo alineado con el eje óptico O, puede pasar a través del elemento tubular 72.
La celda unitaria 70 también comprende una primera brida 74a y una segunda brida 74b. Cada una de las primeras y segundas bridas 74a y 74b está acoplada mecánicamente de una manera liberable al elemento 72 tubular en las primeras y segundas caras abiertas 72a y 72b, respectivamente. En particular, cada una de las primeras y segundas bridas 74a y 74b tiene un espesor (medido a lo largo del eje y) tal que, una vez acoplado mecánicamente al elemento 72 tubular, sobresale con respecto al elemento tubular 72 a lo largo del eje y por una longitud DF, en la que la longitud DF varía, por ejemplo, entre 3 |um y 5 cm, por ejemplo 0,5 cm. Cada una de las primeras y segundas bridas 74a y 74b se fabrica con un material metálico, tal como, por ejemplo, acero inoxidable y/o un material que no reacciona con las moléculas inyectadas.
Las primeras y segundas bridas 74a y 74b tienen una primera y una segunda cavidad 76a y 76b respectivas. En particular, las primeras y segundas cavidades 76a y 76b se extienden a lo largo de todo el espesor de las primeras y segundas bridas 74a y 74b, respectivamente. En consecuencia, un rayo láser con una dirección de propagación paralela al eje y, por ejemplo alineado con el eje óptico O, puede atravesar la primera cavidad 76a, el elemento tubular 72 y la segunda cavidad 76b.
Las primeras y segundas bridas 74a y 74b están configuradas para albergar respectivamente una primera ventana óptica 78a y una segunda ventana óptica 78b, en las primeras y segundas cavidades 76a y 76b, respectivamente.
Cada una de las primeras y segundas ventanas ópticas 78a y 78b tiene una forma similar a la sección transversal del elemento tubular 72, y tiene dimensiones tales que desacoplan fluídicamente el elemento tubular 72 del entorno exterior de la celda unitaria 70. En otras palabras, las primeras y segundas ventanas ópticas 78a y 78b tienen formas y dimensiones tales que sellan el elemento tubular 72.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, cada una de las primeras y segundas ventanas ópticas 78a y 78b tiene un espesor (medido a lo largo del eje y) menor que la longitud Af por la cual las primeras y segundas bridas 74a y 74b sobresalen con respecto a las primeras y segundas caras abiertas 72a y 72b del elemento tubular 72. Por
ejemplo, el espesor de cada una de las primeras y segundas ventanas ópticas 78a y 78b varía entre 0,1 gm y 1 gm, por ejemplo 0,2 gm. Además, cada una de las primeras y segundas ventanas ópticas 78a y 78b pueden alojarse en diferentes posiciones dentro de las respectivas cavidades 76a y 76b, para ajustar una distancia ALa (a lo largo del eje y) entre la primera ventana óptica 78a y la primera cara abierta 72a, y una distancia ALb (a lo largo del eje y) entre la segunda ventana óptica 78b y la segunda cara abierta 72b. A continuación se hará referencia al caso en el que dichas distancias son iguales (ALa = ALb = AL), aunque en general, ALa y ALb pueden ser diferentes. En general, las distancias ALa y ALb oscilan, por ejemplo, entre 0,1 gm y 0,5 gm, por ejemplo, ambas iguales a AL = 0,4 gm. De esta manera, es posible ajustar la longitud de la cámara de calibración 22 con precisión submicrométrica.
Cada una de las primeras y segundas ventanas ópticas 78a y 78b se fabrica con material adaptado para sellar herméticamente el elemento tubular 72, mientras que al mismo tiempo permite el paso de radiación electromagnética. En consecuencia, el material de las primeras y segundas ventanas ópticas 78a y 78b se selecciona de acuerdo con las características de la fuente láser que se pretende utilizar, de una manera que es en sí conocida para un experto en el campo técnico de referencia. Por ejemplo, cada una de las primeras y segundas ventanas ópticas 78a y 78b se fabrica con sílice fundida de alta pureza, además, por ejemplo, cada una de las primeras y segundas ventanas ópticas 78a y 78b puede tener un revestimiento adaptado para modificar las propiedades de transmisión en función de la longitud de onda. En consecuencia, un rayo láser con una dirección de propagación paralela al eje y, por ejemplo alineado con el eje óptico O, puede pasar a través de la primera ventana óptica 78a, la primera cavidad 76a, el elemento tubular 72, la segunda cavidad 76b y la segunda ventana óptica 78b.
Además, la pared lateral 72c del elemento tubular 72 tiene una entrada 80 a través de la cual es posible inyectar un gas (etapa 60 del procedimiento de la Figura 3) y una salida 82 a través de la cual generar el vacío (etapa 56 del procedimiento de la Figura 3) en el elemento tubular 72, sellado herméticamente en sus extremos por medio de la primeras y segundas ventanas ópticas 78a y 78b.
La cámara de calibración 22 puede comprender una sola celda unitaria 70. En este caso, la longitud L de la cámara de calibración 22 viene dada por la siguiente relación:
L —
¿cell + 2A
L
(17)
En consecuencia, en el caso de que la cámara de calibración 22 comprenda una única celda unitaria 70, la etapa de optimizar el volumen V de la cámara de calibración 22 (etapa 52 del procedimiento de la Figura 3) comprende ajustar la posición de las ventanas ópticas 78a y 78b dentro de la cavidad de las bridas 74a y 74b respectivas, y/o seleccionando un elemento tubular 72 de diferente longitud Lcell. Por ejemplo, en sucesivas iteraciones del procedimiento de calibración de la Figura 3, es posible reemplazar el elemento tubular 72 con otro elemento tubular de diferente longitud, basándose en la información sobre el gas recibido en la etapa 50 del procedimiento.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, una celda unitaria 70 se puede acoplar mecánicamente a otra celda unitaria, para aumentar la longitud L de la cámara de calibración 22. Por ejemplo, dos celdas unitarias se pueden acoplar mecánicamente por medios de acoplamiento de un tipo liberable. Por ejemplo, dichos medios de acoplamiento de tipo liberable pueden comprender, con referencia a la Figura 4, una primera pluralidad de orificios roscados 83a y una segunda pluralidad de orificios roscados 83b. En particular, las primeras y segundas bridas 74a y 74b tienen una primera pluralidad de orificios roscados 83a y una segunda pluralidad de orificios roscados 83b, respectivamente. Por ejemplo, cada una de la primera y segunda pluralidad de orificios roscados 83a, 83b comprende dos orificios roscados dispuestos simétricamente con respecto al eje óptico O. En otras realizaciones, el número de orificios roscados puede ser diferente.
De una manera en sí conocida y obvia para un experto en el campo técnico de referencia, la forma, dimensiones y disposición de la primera y segunda pluralidad de orificios roscados 83a, 83b están diseñados de manera que cada uno de los orificios de la primera pluralidad de los orificios roscados 83a de una primera celda unitaria pueda superponerse en un orificio respectivo de la segunda pluralidad de orificios roscados 83b de una segunda celda unitaria, colocando la primera brida 74a de la primera celda unitaria en contacto y alineada con la segunda brida 74b de la segunda celda unitaria, para permitir el acoplamiento mecánico entre la primera celda unitaria y la segunda celda unitaria por medio de tornillos prisioneros. En otras realizaciones, los medios de acoplamiento de un tipo liberable entre dos celdas unitarias pueden ser de un tipo diferente.
La Figura 6 muestra esquemáticamente una vista en sección lateral en el plano y-z de una porción de una cámara de calibración de acuerdo con otro aspecto de la presente invención.
En particular, la cámara de calibración de la Figura 6 difiere de la cámara de calibración de la Figura 5 en que comprende dos celdas unitarias ensambladas juntas para aumentar la longitud L de la cámara de calibración.
En detalle, la cámara de calibración de la Figura 6 comprende una primera celda unitaria 80 y una segunda celda unitaria 90.
De manera similar a la descrita para la celda unitaria 70 de la Figura 5, la primera celda unitaria 80 comprende un primer elemento tubular 82, que a su vez comprende una primera cara abierta 82a y una segunda cara abierta 82b, conectadas entre sí por una primera pared lateral 82c. El primer elemento tubular 82 puede tener la forma, dimensiones y materiales descritos anteriormente para el elemento tubular 72 de la Figura 4. En particular, el primer elemento tubular 82 de la Figura 6 tiene una longitud Lcell que varía, por ejemplo, entre unos pocos micrómetros y un pocos metros, por ejemplo entre 1 gm y 5 m, por ejemplo, si la muestra de gas está a una presión de 2 kPa y tiene un coeficiente de absorción del orden de 40 (atmcm)-1, LCELL es de alrededor de 10 cm, por ejemplo 11,9 cm.
La primera celda unitaria 80 también comprende una primera brida 84a y una segunda brida 84b. Cada una de las primeras y segundas bridas 84a y 84b está acoplada mecánicamente al primer elemento tubular 82 de una manera liberable en las primeras y segundas caras abiertas 82a y 82b, respectivamente. Las primeras y segundas bridas 84a y 84b pueden tener la forma, dimensiones y materiales descritos anteriormente para las bridas 74a y 74b de la celda unitaria 70 de la Figura 4.
En particular, cada una de las primeras y segundas bridas 84a y 84b tiene un espesor tal que, una vez acopladas mecánicamente al primer elemento tubular 82, sobresalen con respecto al primer elemento tubular 82 a lo largo del eje y por una longitud DF, en la que la longitud DF varía, por ejemplo, entre 3 gm y 5 cm, por ejemplo 0,5 cm.
Las primeras y segundas bridas 84a y 84b tienen una primera y segunda cavidad 86a y 86b respectiva, similar a la descrita para las cavidades 76a y 76b de las bridas 74a y 74b de la celda unitaria 70 de la Figura 5. En particular, la primera brida 84a aloja una primera ventana óptica 88 en la primera cavidad 86a. La primera ventana óptica 88 puede tener la forma, dimensiones y materiales descritos para la primera ventana óptica 78a de la celda unitaria 70 de la Figura 5. En particular, la primera ventana óptica 88 de la primera celda unitaria 80 se puede alojar en diferentes posiciones dentro la primera cavidad 86a, para ajustar la carcasa de la primera ventana óptica con precisión micrométrica, es decir, ajustando una distancia DL (a lo largo del eje y) entre la primera ventana óptica 88 y la primera cara abierta 82a, dicha distancia varía, por ejemplo, entre 0,1 gm y 0,5 gm, por ejemplo 0,2 gm.
A su vez, la segunda celda unitaria 90 comprende un segundo elemento tubular 92, dicho segundo elemento tubular 92 comprende una tercera cara abierta 92a y una cuarta cara abierta 92b, conectadas entre sí por una segunda pared lateral 92c. El segundo elemento tubular 92 puede tener la forma, dimensiones y materiales descritos anteriormente para el elemento tubular 72 de la Figura 4. En particular, en este ejemplo, el segundo elemento tubular 92 de la Figura 5 tiene una longitud Lcell igual a la longitud del primer tubular elemento 82. En otras realizaciones, la longitud del segundo elemento tubular 92 puede ser diferente.
La segunda celda unitaria 90 también comprende una tercera brida 94a y una cuarta brida 94b. Cada una de las terceras y cuartas bridas 94a y 94b está acoplada mecánicamente al segundo elemento tubular 92 de una manera liberable, en las terceras y cuartas caras abiertas 92a y 92b, respectivamente. Las terceras y cuartas bridas 94a y 94b pueden tener la forma, dimensiones y materiales descritos anteriormente para las bridas 74a y 74b de la celda unitaria 70 de la Figura 4.
En particular, cada una de las terceras y cuartas bridas 94a y 94b tiene un espesor tal que, una vez acopladas mecánicamente al segundo elemento tubular 92, sobresalen con respecto al segundo elemento tubular 92 a lo largo del eje y por una longitud DF, por ejemplo igual a la longitud DF en la que sobresalen las primeras y segundas bridas 84a y 84b con respecto al primer elemento tubular 82. En otras realizaciones, dicha longitud AF puede ser diferente.
Las terceras y cuartas bridas 94a y 94b tienen una tercera y cuarta cavidad 96a y 96b respectiva, similar a la descrita para las cavidades 76a y 76b de las bridas 74a y 74b de la celda unitaria 70 de la Figura 5. En particular, la cuarta brida 94a aloja una segunda ventana óptica 98, en la cuarta cavidad 96b. La segunda ventana óptica 98 puede tener la forma, dimensiones y materiales descritos para la primera ventana óptica 78a de la celda unitaria 70 de la Figura 5. En particular, la segunda ventana óptica 98 de la segunda celda unitaria 90 se puede alojar en diferentes posiciones dentro de la cuarta cavidad 96b, para ajustar una distancia DL (a lo largo del eje y) entre la segunda ventana óptica 98 y la cuarta cara abierta 92b, en este ejemplo, dicha distancia DL entre la segunda ventana óptica 98 y la cuarta cara abierta 92b es igual a la distancia DL entre la primera ventana óptica 88 y la primera cara abierta 82b, en otros ejemplos, dicha distancia puede ser diferente.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, la primera celda unitaria 80 está acoplada mecánicamente a la segunda celda unitaria 90, para aumentar la longitud L de una cámara de calibración que comprende las primeras y segundas celdas unitarias 80 y 90. Por ejemplo, las primeras y segundas celdas unitarias 80 y 90, están acopladas mecánicamente por medios de acoplamiento de un tipo liberable (no mostrado en la Figura 6), por ejemplo que comprenden una pluralidad de orificios roscados y tornillos prisioneros similares a los descritos con respecto a la celda unitaria 70 de la Figura 4. En otras realizaciones, los medios de acoplamiento de un tipo liberable entre las primeras y segundas celdas unitarias 80 y 90 pueden ser de un tipo diferente. Por ejemplo, dichos medios de acoplamiento de tipo liberable pueden comprender una junta tórica, utilizable como sello entre la segunda brida 84b y la tercera brida 94a.
El acoplamiento mecánico entre las primeras y segundas celdas unitarias 80 y 90 asegura que el volumen V delimitado por las ventanas ópticas 88 y 98, las bridas 84a, 84b, 92a y 92b y los elementos tubulares 82 y 92 esté sellado
herméticamente. Además, al menos una de la primera pared lateral 82c y la segunda pared lateral 92c tiene una entrada (no mostrada en la Figura 6) a través de la cual es posible inyectar un gas, y una salida (no mostrada en la Figura 6) a través de la cual generar el vacío dentro de dicho volumen V.
En consecuencia, en la realización de la Figura 6, la longitud L de una cámara de calibración que comprende las primeras y segundas celdas unitarias 80 y 90 viene dada por la siguiente relación:
L
=
2¿ cell
+
2AF
+
2AL
(18)
En general, es evidente que una cámara de calibración puede comprender un número n de celdas unitarias, ensambladas en serie entre sí, como en el caso de la Figura 6 para dos celdas unitarias, en general, dos ventanas ópticas están dispuestas dentro de dos respectivas bridas, preferentemente dispuestas en los extremos de entrada y salida de la serie de celdas unitarias.
En este caso, la longitud L de la cámara de calibración viene dada por la siguiente relación:
L
= n£CELL 2 (n — 1)AF 2A
L
(19)
en la que se supone, a modo de ejemplo no limitativo, que cada celda unitaria tiene la misma longitud LCELL y cada brida sobresale por la misma longitud DF.
La Figura 7 muestra esquemáticamente una vista en sección lateral en el plano y-z de una porción de una cámara de calibración de acuerdo con otra realización de la presente invención.
En particular, la cámara de calibración de la Figura 7 difiere de la cámara de calibración de la Figura 5 en que la posición de las ventanas ópticas es fija, estando alojadas las ventanas ópticas en una cara abierta respectiva de un elemento tubular.
En detalle, la Figura 7 muestra esquemáticamente una celda unitaria 100, que comprende un elemento tubular 102, que a su vez comprende una primera cara abierta 102a y una segunda cara abierta 102b, conectadas entre sí por una pared lateral 102c. El primer elemento tubular 102 puede tener la forma, dimensiones y materiales descritos anteriormente para el elemento tubular 72 de la Figura 4. En particular, el elemento tubular 102 de la Figura 7 tiene una longitud Lcell que varía, por ejemplo, entre unos pocos micrómetros y unos pocos metros, por ejemplo entre 1 gm y 5 m, por ejemplo, si la muestra de gas está a una presión de 2 kPa y tiene un coeficiente de absorción del orden de 40 (atm-cm)-1, Lcell es del orden de 10 cm, por ejemplo 11,9 cm.
La celda unitaria 100 también comprende una primera brida 104a y una segunda brida 104b. Cada una de las primeras y segundas bridas 104a y 104b está acoplada mecánicamente al elemento tubular 102 de una manera liberable en la primeras y segundas caras abiertas 102a y 102b, respectivamente. Las primeras y segundas bridas 104a y 104b pueden tener la forma, dimensiones y materiales descritos anteriormente para las bridas 74a y 74b de la celda unitaria 70 de la Figura 4.
En particular, cada una de las primeras y segundas bridas 104a y 104b tiene un espesor tal que, una vez acopladas mecánicamente al primer elemento tubular 102, sobresalen con respecto al primer elemento tubular 102 a lo largo del eje y en una longitud DF, en la que la longitud DF varía, por ejemplo, entre 3 gm y 5 cm, por ejemplo 0,5 cm.
Las primeras y segundas bridas 104a y 104b tienen una primera y segunda cavidad 106a y 106b respectiva, similar a la descrita para las cavidades 76a y 76b de las bridas 74a y 74b de la celda unitaria 70 de la Figura 5. En particular, la primera brida 104a aloja una primera ventana óptica 108a en la primera cavidad 106a. La primera ventana óptica 108a puede tener la forma, dimensiones y materiales descritos para la primera ventana óptica 78a de la celda unitaria 70 de la Figura 5. En particular, la primera ventana óptica 108a de la celda unitaria 100 está acoplada mecánicamente al elemento tubular 102 de una manera liberable en la primera cara abierta 102a, para sellar herméticamente la primera cara abierta 102a. De manera similar, la segunda brida 104b aloja una segunda ventana óptica 108b, en la segunda cavidad 106b. La segunda ventana óptica 108b puede tener la forma, dimensiones y materiales descritos para la segunda ventana óptica 78b de la celda unitaria 70 de la Figura 5. En particular, la segunda ventana óptica 108b de la celda unitaria 100 está acoplada mecánicamente al elemento tubular 102 de una manera liberable en la primera cara abierta 102b, para sellar herméticamente la primera cara abierta 102b.
De manera similar a la descrita para la cámara de calibración de la Figura 6, la celda unitaria 100 de la Figura 7 se acopla mecánicamente a otras celdas unitarias a través de medios de acoplamiento de un tipo liberable (no mostrado en la Figura 7), por ejemplo que comprende una pluralidad de orificios roscados y tornillos prisioneros del tipo anteriormente descrito en relación con la celda unitaria 70 de la Figura 4.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención, en el caso de que la cámara de calibración 22 comprenda una pluralidad de celdas unitarias, la etapa de optimizar el volumen V de la cámara de calibración 22 (etapa 52 del procedimiento de la Figura 3) comprende ajustar la posición de las ventanas ópticas dentro de la cavidad de la brida
respectiva y/o seleccionando elementos tubulares de diferente longitud y/o añadiendo o quitando celdas unitarias a/de la cámara de calibración.
Preferentemente, las operaciones mencionadas anteriormente adaptadas para ajustar la longitud L de la cámara de calibración se pueden realizar al menos en parte de forma automática. Por ejemplo, cada celda unitaria de la cámara de calibración puede acoplarse mecánicamente, de una manera en sí conocida, a rieles motorizados o etapas lineales motorizadas o cualquier otro componente para tablas ópticas configuradas para permitir el movimiento de componentes ópticos de manera controlada. En cualquier caso, los accionadores electromecánicos permiten mover independientemente celdas unitarias individuales con resolución micrométrica, mediante señales de control enviadas por el controlador 32.
Por ejemplo, dichas etapas o rieles lineales motorizados pueden controlarse para juntar o separar varias celdas unitarias de acuerdo con la longitud L deseada para la cámara de calibración 22 (etapa 52 del procedimiento de calibración en la Figura 3).
Por ejemplo, dichas etapas o rieles lineales motorizados pueden configurarse para permitir la alineación entre el rayo láser emitido por la fuente láser 40 y el eje óptico O de la cámara de calibración 22 (etapa 54 del procedimiento de calibración de la Figura 3).
La Figura 8 muestra esquemáticamente, por medio de un diagrama de bloques, un detector de contaminación 111 de acuerdo con una realización de la presente invención. En particular, el detector de contaminación 111 es un sistema de detección remota de gases y/o partículas contaminantes. En particular, el detector de contaminación 111 es un sistema LIDAR/DIAL autocalibrado.
Los elementos en común entre el detector de contaminación 111 de la Figura 8 y el sistema LIDAR/DIAL 1 de la Figura 1 se indican con los mismos números de referencia y no se describen en forma adicional. En particular, el detector de contaminación 111 comprende una fuente láser 40, óptica de transmisión 4, óptica de recepción 6 y un módulo fotodetector 8. Además, el detector de contaminación 111 está configurado para caracterizar un objetivo 12. Por ejemplo, el objetivo 12 es una nube que comprende agentes contaminantes o una fuente de contaminación de la posición conocida.
El detector de contaminación 111 de la Figura 8 se diferencia del sistema LIDAR/DIAL 1 de la Figura 1 en que el detector de contaminación 111 comprende además un sistema de calibración 121.
Los elementos en común entre el sistema de calibración 121 de la Figura 8 y el sistema de calibración 21 de la Figura 2 se indican con los mismos números de referencia y no se describen en forma adicional.
En particular, el sistema de calibración 121 comprende una cámara de calibración 22, un mezclador de gas 24, una bomba de vacío 26, un primer divisor de haces 28, un sistema de medición 30 y un dispositivo de entrada/salida 34.
El sistema de calibración 121 de la Figura 8 difiere del sistema de calibración 21 de la Figura 2 debido a la presencia de un controlador 132 que, como se describe mejor a continuación, realiza tanto las funciones del controlador 32 de la Figura 2 como las funciones de la unidad de control 10 de la Figura 1. En consecuencia, el controlador 132 está acoplado operativamente no sólo a la cámara de calibración 22, el dispositivo de entrada/salida 34, la fuente láser 40 y opcionalmente al mezclador de gas 24 y el sistema de medición 30, sino que también está operativamente acoplado al módulo fotodetector 8.
Además, el sistema de calibración 121 comprende un segundo divisor de haces 128, que tiene reflectancia £2. El segundo divisor de haces 128 se fabrica con un material seleccionado de acuerdo con las consideraciones antes mencionadas para el primer divisor de haces 28.
En particular, el segundo divisor de haces 128 puede alinearse con el haz láser emitido por la fuente láser 40 y pasar a través de la cámara de calibración 22. En consecuencia, una primera porción I2 = £2It de la intensidad IT del haz láser que sale de la cámara de calibración 22 durante el uso del detector de contaminación 111 es recibida y medida por el sistema de medición 30, mientras que una porción restante Itx = (1 -£2)It es recibida por la óptica de transmisión 4.
Como se explica mejor a continuación, a diferencia de los sistemas de detección remota de un tipo conocido, el sistema de calibración 121 del detector de contaminación 111 permite la calibración en tiempo real de los parámetros ópticos fundamentales para resolver las ecuaciones LIDAR/DIAL, como la sección transversal de absorción a(ÁL), el coeficiente de retrodispersión del volumen atmosférico P(Al) y el coeficiente de extinción atmosférica A(Al). En consecuencia, el detector de contaminación 111 es un sistema de detección remota autocalibrado que permite una caracterización más rápida y precisa del objetivo 12 con respecto a los sistemas de detección remota de un tipo conocido.
La Figura 9 muestra esquemáticamente, por medio de un diagrama de bloques, un procedimiento de detección de contaminación del detector de contaminación 111 de la Figura 8. En particular, el procedimiento de detección de contaminación de la Figura 9 comprende un ciclo de medición para el detector de contaminación 111 de la Figura 8.
Con referencia a la Figura 9, el procedimiento de detección de contaminación comienza en primer lugar con la etapa 148 de recibir una solicitud para llevar a cabo mediciones de detección remota de gases o partículas. En lo que sigue, a modo de ejemplo no limitativo, se hará referencia a las mediciones de un gas, el mismo procedimiento de detección de contaminación también se puede aplicar con respecto a las mediciones de partículas.
En particular, con referencia combinada a las Figuras 8 y 9, en la etapa 148 el controlador 132 recibe una solicitud para realizar mediciones del gas objetivo. Por ejemplo, la solicitud para realizar mediciones del gas objetivo incluye datos indicativos del tipo de gas objetivo que se espera que esté presente. Por ejemplo, la solicitud para realizar mediciones del gas objetivo incluye datos indicativos de la posición del gas objetivo. Por ejemplo, la solicitud para realizar mediciones del gas objetivo la realiza un operador, mediante el dispositivo de entrada/salida 34. La solicitud también puede programarse con anticipación, por ejemplo, la solicitud puede ser parte de una serie de solicitudes, por ejemplo, con el propósito de caracterizar diferentes tipos de gas objetivo y/o con el propósito de caracterizar diferentes áreas del espacio alrededor del detector de contaminación 111 y/o repetir la caracterización con el tiempo para monitorizar cualquier cambio.
Luego de la etapa 148, el control pasa a la etapa 150 de cálculo de los parámetros de caracterización de la fuente láser 40. En particular, en la etapa 150 el controlador 132 controla la fuente láser 40 para realizar mediciones de prueba, en sí mismo conocidas por un experto en la técnica, con el fin de caracterizar la fuente láser 40, en términos de parámetros tal como, por ejemplo, potencia y divergencia de haces. Estas mediciones se llevan a cabo a una longitud de onda Al seleccionada dependiendo del tipo de gas objetivo y el tipo de medición solicitada en la etapa 148, como se describió previamente con referencia a las técnicas de medición LIDAR/DIAL. Por ejemplo, para una medición LIDAR, la longitud de onda Al a la que se sintoniza la fuente láser en la etapa 150 corresponde a la línea de absorción Aon de la sustancia que forma el gas objetivo. En otro ejemplo, para una medición DIAL, la longitud de onda Al coincide con dicha la longitud de onda Aon en su primera iteración del procedimiento, mientras que en una segunda iteración del procedimiento coincide con una segunda longitud de onda Aoff tomada en la cola de la curva de resonancia con forma de campana de dicha sustancia.
Luego de la etapa 150, el control pasa a la etapa 152 de optimización del volumen V de la cámara de calibración 22 en base al tipo de gas recibido en la etapa 148, para obtener una concentración C deseada, similar a la descrita con referencia a la etapa 52 del procedimiento de calibración de la Figura 3.
Luego de la etapa 152, el control pasa a la etapa 154 de alinear la fuente láser 40 con la cámara de calibración 22, de manera similar a la descrita con referencia a la etapa 54 del procedimiento de calibración de la Figura 3.
Luego de la etapa 154, el control pasa a la etapa 156 de generar el vacío en la cámara de calibración 22, de manera similar a lo descrito con referencia a la etapa 56 del procedimiento de calibración de la Figura 3.
Luego de la etapa 156, el control pasa a la etapa 158 de realizar mediciones con la cámara vacía. En particular, de manera similar a lo descrito con referencia a la etapa 58 del procedimiento de calibración de la Figura 3, en la etapa 158 el controlador 132 acciona la fuente láser 40 para que emita un rayo láser, y el sistema de medición 30 mide y envía datos al controlador 132 indicativo de la relación entre la intensidad de salida T y la intensidad de entrada Ir, y de la relación entre la energía de salida Et y la energía de entrada Er en la cámara de calibración 22.
Además, en la etapa 158, de manera concomitante con las mediciones antes mencionadas con el fin de calibrar la fuente láser 40, el controlador 132 recibe datos del módulo fotodetector 8 indicativos de la potencia óptica P(Al) recibidos por el módulo fotodetector 8 y correspondientes a la radiación retrodispersada que sigue a la interacción entre el objetivo 12 y el rayo láser transmitido por la óptica de transmisión 4.
Luego de la etapa 158, el control pasa a la etapa 160 de inyectar n moles del gas dentro de la cámara de calibración 22, de forma similar a la descrita con referencia a la etapa 60 del procedimiento de calibración de la Figura 3.
Luego de la etapa 160, el control pasa a la etapa 162 de realizar mediciones con la cámara llena. En particular, de manera similar a lo descrito con referencia a la etapa 62 del procedimiento de calibración de la Figura 3, en la etapa 158 el controlador 132 acciona la fuente láser 40 de manera que emita un rayo láser, y el sistema de medición 30 mide y envía datos al controlador 132 indicativo de la relación entre la intensidad de salida It y la intensidad de entrada Ir, y de la relación entre la energía de salida Et y la energía de entrada Er en la cámara de calibración 22. En consecuencia, al completar la etapa 62, el controlador 32 tiene acceso a los parámetros It/IrIcv e It/IrIcp, que permiten resolver la ecuación (11) y las relaciones Et/ErIcv e Et/ErIcp, que permiten resolver la ecuación (14).
Además, en la etapa 162, de manera concomitante con las mediciones antes mencionadas con el fin de calibrar la fuente láser 40, el controlador 132 recibe datos del módulo fotodetector 8 indicativos de la potencia óptica P(Al) recibida por el módulo fotodetector 8 y correspondientes a la radiación retrodispersada que sigue a la interacción entre el objetivo 12 y el rayo láser transmitido por la óptica de transmisión 4.
Luego de la etapa 162, el control pasa a la etapa 164 de cálculo de la sección transversal de absorción a(AL), el coeficiente de retrodispersión del volumen atmosférico P(Al) y el coeficiente de extinción atmosférica A(Al), de forma similar al descrito con referencia a la etapa 64 del procedimiento de calibración de la Figura 3. En particular, en la etapa 164, el controlador 132 calcula los parámetros a(AL), A(Al) y P(Al) sobre la base de los parámetros It/IrIcv e
/t//rIcp, ET/ErIcv y ET/ErIcp obtenidos al completar la etapa 162 y resolver las ecuaciones (13), (15) y (16), respectivamente. Además, en la etapa 164 los parámetros a(ÁL), k(ki) y P(Al) se asocian con los parámetros de caracterización de la fuente láser 40 obtenidos en la etapa 150, y luego se almacenan en una memoria, no mostrada, del detector de contaminación 111. En otras palabras, el detector de contaminación 111 comprende una memoria en la que un conjunto de parámetros ópticos a(AL), k(AL) y P(Al) adecuados para resolver las ecuaciones LIDAR/DIAL se asocia con un conjunto de parámetros de entrada constituido por (i) un tipo de gas a caracterizar, (ii) una longitud de onda y (iii) un conjunto de parámetros de caracterización de una fuente láser en dicha longitud de onda.
Luego de la etapa 164, el control pasa a la etapa 166 de cálculo de la sensibilidad Nmin del detector de contaminación 111, de manera similar a la descrita con referencia a la etapa 66 del procedimiento de calibración de la Figura 3. Además, la sensibilidad Nmin se puede almacenar de manera similar a la descrita para los parámetros a(AL), k(AL) y P(Al) almacenados en la etapa 164.
Luego de la etapa 166, el control pasa a la etapa 168 de calcular los parámetros que caracterizan el GAS_12 objetivo.
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Por ejemplo, en la etapa 168 es posible calcular la concentración media del GAS_12 objetivo, a partir de la ecuación (4), y/o la concentración N(R) en función de la distancia P desde el detector de contaminación 111, comenzando de la ecuación (5). En cualquier caso, la ecuación LIDAR (1) se resuelve en la etapa 168 en base a la potencia óptica P recibida durante las etapas 158 y 162 y en base a los parámetros ópticos calculados en la etapa 164. Por tanto, es posible aumentar la precisión de la medición con respecto a los instrumentos de medida de gases y partículas conocidos ya que la calibración se realiza en el detector de contaminación 111 en tiempo real, realizándose de forma concomitante con las medidas de la potencia P y de los parámetros /t//rIcv, /t//rIcp, Et/ErIcv y Et/ErIcp.
En particular, la etapa 168 del procedimiento puede comprender una etapa para detectar agentes contaminantes por encima de un umbral que puede establecer un operador del detector de contaminación 111, por ejemplo, correspondiente a límites regulados por la ley.
Luego de la etapa 168, el control vuelve a la etapa 148 de recibir una solicitud de medición por detección remota de gases o partículas, por ejemplo, en el caso de mediciones DIAL, un proceso de medición de acuerdo con el procedimiento de la Figura 9, en el que la fuente láser 40 se sintoniza con la longitud de onda Aon y se sigue el mismo proceso de medición en el que la fuente láser 40 se sintoniza con la longitud de onda Aoff, o viceversa.
La Figura 10 muestra esquemáticamente, por medio de un diagrama de bloques, un detector 211 de contaminación autocalibrado, de acuerdo con otra realización de la presente invención. Los elementos en común entre el detector de contaminación 111 de la Figura 8 y el detector de contaminación 211 de la Figura 10 se indican con los mismos números de referencia y no se describen en forma adicional.
En particular, el detector de contaminación 211 de la Figura 10 se diferencia del detector de contaminación 111 de la Figura 8 debido a la posibilidad de medir diferentes tipos de gas contaminante al mismo tiempo, calibrando las respectivas muestras de gas en tiempo real. En particular, en el ejemplo de la Figura 10, el detector de contaminación 211 está configurado para permitir la calibración simultánea para una primera muestra de gas GAS_1 y para una segunda muestra de gas GAS_2, por medio de un sistema de calibración 221. En otra realización, el número de gases para el que se realiza la calibración puede ser diferente.
En particular, el sistema de calibración 221 de la Figura 10 difiere del sistema de calibración 121 de la Figura 8 debido a la presencia de una primera cámara de calibración 222 y una segunda cámara de calibración 223. De manera similar a la descrita para la cámara de calibración 22 de la Figura 8, la primera y la segunda cámara de calibración 222 y 223 están configuradas para contener respectivamente la primera muestra de gas GAS_1 y la segunda muestra de gas GAS_2, inyectadas por un mezclador de gas 224 controlado por un controlador 232, en las etapas respectivas de un procedimiento de detección de contaminación del detector de contaminación 211.
Una bomba de vacío 226 está configurada para mantener respectivamente la primera cámara de calibración 222 y la segunda cámara de calibración 223 en condiciones de alto vacío en las respectivas etapas del procedimiento de detección de contaminación del detector de contaminación 211, de manera similar a la descrita para la bomba de vacío 26 en la Figura 8.
El detector de contaminación 211 comprende una fuente láser 240 configurada para generar un primer rayo láser /(AL1) a una primera longitud de onda AL1 y un segundo rayo láser /(AL2) a una segunda longitud de onda AL2. Por ejemplo, de acuerdo con un aspecto de la presente invención, la primera longitud de onda AL1 se selecciona en relación con la primera muestra de gas GAS_1, mientras que la segunda longitud de onda AL2 se selecciona en relación con la segunda muestra de gas GAS_2. Por ejemplo, la primera longitud de onda AL1 corresponde a una línea de absorción Aon de la primera muestra de gas GAS_1, mientras que la segunda longitud de onda AL2 corresponde a una línea de absorción Aon de la segunda muestra de gas GAS_2.
El primer rayo láser /(AL1) incide en un primer divisor de haces 228, para que una porción /1 (AL1) del primer rayo láser es recibido y medido por un sistema de medición 230 de manera similar al descrito para el sistema de medición 30 de la Figura 8, mientras que una porción restante /r(AL1) es recibida por la primera cámara de calibración 222. El primer rayo láser /(AL1) atraviesa la primera cámara de calibración 222 e incide en un segundo divisor de haces 229 para que una porción fe(AL1) del primer rayo láser que sale de la primera cámara de calibración 222 sea recibida y medida por
el sistema de medición 230, mientras que la porción restante /T(AL1) es recibida por la óptica de transmisión 4.
De manera similar, el segundo rayo láser /(AL2) incide en un tercer divisor de haces 234, para que una porción /1 (Al2) del segundo rayo láser sea recibida y medida por el sistema de medición 230, mientras que una porción restante /r(Al2) es recibida por la segunda cámara de calibración 223. El segundo rayo láser /(AL2) atraviesa la segunda cámara de calibración 223 e incide en un cuarto divisor de haces 235, para que una porción ¿(Al2) del segundo rayo láser que sale de la segunda cámara de calibración 223 sea recibida y medida por el sistema de medición 230, mientras que la porción restante /t(Al2) es recibida por la óptica de transmisión 4.
El controlador 232 está configurado para implementar un procedimiento de detección de contaminación similar al procedimiento de detección de contaminación de la Figura 9 del detector de contaminación 111 de la Figura 8, pero modificado para permitir la calibración simultánea para una pluralidad de gases, de una manera obvia para un experto en el campo técnico de referencia.
Por ejemplo, en la etapa 150 se calculan los parámetros de caracterización de la fuente láser 240 tanto para la primera longitud de onda AL1 como para la segunda longitud de onda AL2. Por ejemplo, en la etapa 152 se optimizan tanto el volumen de la primera cámara 222 de calibración como el volumen de la segunda cámara 223 de calibración, y así sucesivamente para las etapas sucesivas del procedimiento de detección de contaminación de la Figura 9.
A partir de un examen de las características de la presente invención descritas e ilustradas en la presente memoria, las ventajas que se pueden lograr con estas son evidentes.
Por ejemplo, los parámetros ópticos de las sustancias a investigar se miden y calculan con precisión en función de las características técnico-constructivas reales de la fuente láser, más allá de las tolerancias de los módulos del sistema. A diferencia de los procedimientos de calibración conocidos, de acuerdo con el procedimiento de la presente divulgación es posible tomar en consideración: (i) el factor de calidad M2 del rayo láser enviado a la atmósfera, que describe la desviación del rayo láser de un rayo gaussiano ideal, (ii) la coherencia del rayo láser, (iii) la longitud de onda exacta del rayo láser, que puede ser diferente de la longitud de onda nominal, (iv) la potencia exacta emitida por el rayo láser, que puede ser diferente de la potencia nominal, y (v) la divergencia del rayo láser. Además, los parámetros mencionados anteriormente se controlan durante la medición, lo que permite corregir la calibración durante la medición en caso de cambios. En consecuencia, el error de medición desciende al 40% con respecto al error obtenido al calcular los parámetros ópticos mediante simulaciones numéricas y/o utilizando parámetros ópticos especificados en la bibliografía científica.
El uso del sistema de calibración de acuerdo con la presente invención es particularmente ventajoso en términos de precisión de los parámetros ópticos medidos en condiciones atmosféricas turbias (en las que los coeficientes de atenuación atmosférica son particularmente diferentes de aquellos en condiciones atmosféricas estables), en atmósferas extraterrestres, en la presencia de paredes de humo (fuego o bombas de humo), niebla, tormentas de arena/polvo, etc.
Además, el procedimiento de calibración de la presente invención permite acelerar la inversión del procedimiento en los algoritmos LIDAR/DIAL.
Además, la calibración de los parámetros ópticos se puede realizar en tiempo real sin interrumpir la medición principal que se está tomando mediante el instrumento de medida de gases y/o partículas, tal como, por ejemplo, un sistema LIDAR/DIAL.
Además, la cámara de calibración de acuerdo con la presente invención se puede aplicar a cualquier instrumento que realice medidas de concentración de gases y moléculas presentes en la atmósfera y/o en tramos de agua y/o medidas de espectrometría o espectrofotometría, instrumentos de seguimiento de incendios forestales, fugas de gas, contaminación, etc.
Además, la posibilidad de controlar remotamente la cámara de calibración con precisión micrométrica permite no perder la alineación óptica del rayo láser que entra y sale de la cámara de calibración, asegurando movimientos que siempre son integrales con el eje óptico de la cámara de calibración.
Además, la posibilidad de controlar de manera remota la cámara de calibración permite no exponer al operador a riesgos por el uso de gases tóxicos y/o letales.
Finalmente, está claro que se pueden realizar modificaciones y variantes con respecto a la invención expuesta en la presente memoria sin apartarse del alcance de la presente invención, como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Por ejemplo, el dispositivo de entrada/salida 34 del sistema de calibración 21 permite a un operador del sistema de calibración 21 programar de antemano, por ejemplo, mediante un programa de ordenador, todas las etapas 50-64 del procedimiento de calibración de la Figura 3, para que se ejecuten automáticamente en una fecha y hora establecidas por el operador.
Por ejemplo, una o más celdas unitarias de una cámara de calibración pueden tener bridas de un tipo diferente con respecto a las bridas 84a y 84b de la celda unitaria 70 de la Figura 4, por ejemplo, las bridas de un tipo diferente pueden incluir acoplamientos para fibras ópticas, para poder calibrar sistemas de medida que comprenden fuentes láser de fibra óptica.
También es evidente que la longitud o el volumen en general de la cámara de calibración se pueden ajustar de forma diferente a la descrita.
Claims (10)
1. Un detector de contaminación (111; 211) de tipo LIDAR o DIAL, que comprende:
- una fuente óptica de tipo láser (40; 240); y
- un sistema de calibración (121 ; 221) que comprende:
un controlador (132; 232), acoplado operativamente a la fuente óptica (40; 240) y configurado para accionar (158) la fuente óptica (40; 240) con el fin de provocar la emisión de una primera señal óptica (Ir) y una segunda señal óptica (Ir) en la misma primera longitud de onda de emisión (Al; Al1),
una primera cámara estanca a fluidos (22; 222), que incluye una primera ventana óptica (78a; 88) y una segunda ventana óptica (78b; 98) a una primera distancia (L) de la primera ventana óptica (78a; 88),
la primera cámara (22 ; 222) está configurada para:
(i) recibir, a través de la primera ventana óptica (78a; 88), en una primera condición de funcionamiento en la que la primera cámara (22; 222) contiene una primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1) a una primera presión, la primera señal óptica (Ir), y permitir el paso, a través de la segunda ventana óptica (78b; 98), de una tercera señal óptica (It) generada tras una interacción (Ag, Af) de la primera señal óptica (IR) con la primera ventana óptica (78a; 88) y la segunda ventana óptica (78b; 98) y con dicha primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1), siendo dicha primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1) un gas o partícula contaminante, y
(ii) recibir, a través de la primera ventana óptica (78a; 88), en una segunda condición de funcionamiento en la que la presión en la primera cámara (22 ; 222) es una presión de alto vacío menor que la primera presión, la segunda señal óptica (Ir) generada por la fuente óptica (40; 240), y permitir el paso, a través de la segunda ventana óptica (78b; 98), de una cuarta señal óptica (It) generada tras una interacción (Af) de la segunda señal óptica (Ir) con la primera ventana óptica (78a; 88) y la segunda ventana óptica (78b: 98),
un sistema de medición (30; 230), que está acoplado operativamente a la fuente óptica (40; 240) y a la segunda ventana óptica (78b; 98) y está configurado para adquirir la primera señal óptica (Ir), la segunda señal óptica (Ir), la tercera señal óptica (It) y la cuarta señal óptica (It), y para medir la intensidad (Ir, It), respectivamente, de la primera señal óptica (Ir), la segunda señal óptica (Ir), la tercera señal óptica (It) y la cuarta señal óptica (It);
dicho controlador (132; 232) está configurado además para:
recibir (158), desde el sistema de medición (30; 230), dichas intensidades medidas (Ir, It),
calcular (164) una primera relación entre las intensidades (Ir, It) de la cuarta señal óptica (It) y la segunda señal óptica (Ir), y una segunda relación entre las intensidades (Ir, It) de la tercera señal óptica (It) y la primera señal óptica (Ir), y calcular (164) la sección de absorción (a) de la primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1) sobre la base de una relación entre la primera relación y la segunda relación para cancelar el efecto de la interacción (Af) entre las primeras y segundas señales ópticas con la primera ventana óptica (78a; 88) y la segunda ventana óptica (78b; 98);
el detector de contaminación (111 ; 211 ) comprende además:
- una óptica de transmisión (4), configurada para recibir una porción (Itx) de la cuarta señal óptica y transmitirla hacia una primera sustancia contaminante (12 ), siendo la primera sustancia contaminante (12 ) un gas o partícula contaminante;
- una óptica de recepción (6), configurada para recibir una primera señal retrodispersada (P) tras una interacción entre dicha porción (Itx) de la cuarta señal óptica y la primera sustancia contaminante (12 ); y
- un módulo fotodetector (8), configurado para adquirir la primera señal retrodispersada (P) y medir la potencia de la primera señal retrodispersada (P);
el controlador (132; 232) está configurado además para calcular (168) la concentración (N) de la primera sustancia contaminante (12) sobre la base de la potencia medida de la primera señal retrodispersada (P) y la sección transversal de absorción (a) de la primera sustancia contaminante (GAS_1).
2. El detector de contaminación (111; 211) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el controlador (132; 232) está configurado además para recibir (150) una señal indicativa de una concentración deseada (C) para la primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1),
y en el que la primera cámara (22; 222) comprende un primer elemento tubular (82) y medios de ajuste (84a, 84b, 94a, 94b), configurados para variar un volumen (V) de la primera cámara (22; 222) para que, en la primera configuración de funcionamiento, la primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1) tenga la concentración deseada (C) dentro de dicho volumen (V),
dichos medios de ajuste (84a, 84b, 94a, 94b) comprenden medios de acoplamiento de un tipo liberable (83a, 83b), configurados para acoplar el primer elemento tubular (82) a un segundo elemento tubular (92) para que el volumen resultante ( V) de la primera cámara (22 ; 222) comprenda la suma de los volúmenes del primer elemento tubular (82) y el segundo elemento tubular (92),
dichos medios de ajuste (84a, 84b, 94a, 94b) comprenden opcionalmente carcasas (86a, 86b, 96a, 96b) para albergar de manera liberable cada una de la primera ventana óptica (88) y la segunda ventana óptica (98) en un primer extremo (82a) del primer elemento tubular (82) o en un segundo extremo (82b) del primer elemento tubular (82), o en un primer extremo (92a) del segundo elemento tubular (92) o en un segundo extremo (92b) del segundo elemento tubular (92), estando delimitado el volumen (V) de la primera cámara (22; 222) por el espacio comprendido entre la primera ventana óptica (88) y la segunda ventana óptica (98),
dichas carcasas (86a, 86b, 96a, 96b) están configuradas opcionalmente para permitir la variación de una distancia (AL) entre cada primera ventana óptica (88) y segunda ventana óptica (98) respectiva y el extremo (82a; 82b; 92a; 92b) respectivo en el que está alojada, para variar la primera distancia (L) entre la primera óptica ventana (88) y la segunda ventana óptica (98).
3. El detector de contaminación (111; 211) de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende además una etapa lineal motorizada, en el que cada uno de los primeros y segundos elementos tubulares (82; 92) está acoplado mecánicamente a dicha etapa lineal motorizada,
y en el que el controlador (132; 232) está configurado para accionar (152) dicha etapa lineal motorizada para controlar la posición de cada uno de los primeros y segundos elementos tubulares (82; 92), permitiendo el acoplamiento o liberación de los primeros y segundos elementos tubulares (82, 92).
4. El detector de contaminación (111; 211) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
en el que el sistema de medición (30; 230) está configurado además para medir (158, 162) la energía (Er, Et), respectivamente, de la primera señal óptica (Er), la segunda señal óptica (Er), la tercera señal óptica (Et) y la cuarta señal óptica (Et), y en el que el controlador (132; 232) está configurado además para:
recibir (158) del sistema de medición (30; 230) dichas energías medidas (Er, Et),
calcular (164) una tercera relación entre las energías (Er, Et) de la cuarta señal óptica (Et) y la segunda señal óptica (Er), y una cuarta relación entre las energías (Er, Et) de la tercera señal óptica (Et) y la primera señal óptica (Er),
calcular (164) la transmitancia atmosférica (7) y el coeficiente de extinción atmosférica (k) de la primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1) sobre la base de una relación entre la tercera relación y la cuarta relación para cancelar el efecto de la interacción (Af) entre las primeras y las segundas señales ópticas con la primera ventana óptica (78a; 88) y la segunda ventana óptica (78b; 98), y
calcular (168) la concentración (N) de la primera sustancia contaminante (12 ) sobre la base de la potencia medida de la primera señal retrodispersada (P) y sobre la base de la sección transversal de absorción calculada (a), transmitancia atmosférica (7) y coeficiente de extinción atmosférica (k) de la primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1).
5. El detector de contaminación (211) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
en el que el controlador (232) está configurado además para accionar (158) la fuente óptica (240) con el fin de provocar la emisión de una quinta señal óptica (Ir) y una séptima señal óptica (Ir) en la misma segunda longitud de onda de emisión (ÁL2),
y en el que el sistema de calibración (221) comprende además una segunda cámara estanca a fluidos (223), que incluye una tercera ventana óptica (78a; 88) y una cuarta ventana óptica (78b; 98) a una segunda distancia (L) de la tercera ventana óptica (78a; 88), estando configurada la segunda cámara (223) para:
(i) recibir, a través de la tercera ventana óptica (78a; 88), en una tercera condición operativa en la que la segunda cámara (223) contiene una segunda muestra de sustancia contaminante (GAS_2) a una segunda presión, la quinta señal óptica (Ir), y permitir el paso, a través de la cuarta ventana óptica (78b; 98), de una sexta señal óptica (It) generada tras una interacción (Ag, Af) de la quinta señal óptica (Ir) con la tercera ventana óptica (78a; 88) y la cuarta ventana óptica (78b; 98) y con la segunda muestra de sustancia contaminante (GAS_2), siendo la segunda muestra de sustancia contaminante (GAS_2) un gas o partícula contaminante, y
(ii) recibir, a través de la tercera ventana óptica (78a; 88), en una cuarta condición operativa en la que la presión de la segunda muestra de sustancia contaminante (GAS_2) en la segunda cámara (223) tiene una presión de alto vacío menor que la segunda presión, la séptima señal óptica (Ir) generada por la fuente óptica (240) y permitir el paso, a través de la cuarta ventana óptica (78b; 98), de una octava señal óptica (It) generada siguiendo una interacción (Af) de la séptima señal óptica (Ir) con la tercera ventana óptica (78a; 88) y la cuarta ventana óptica (78b; 98);
y en el que el sistema de medición (230) está además operativamente acoplado a la cuarta ventana óptica (78b; 98) y además está configurado para adquirir la quinta señal óptica (/r), la sexta señal óptica (IT), la séptima señal óptica (/r), y la octava señal óptica (/t) y para medir la intensidad (/r, /t), respectivamente, de la quinta señal óptica (/r), la sexta señal óptica (/r), la séptima señal óptica (/t) y la octava señal óptica (/t);
y en el que el controlador (232) está configurado además para:
recibir (158), desde el sistema de medición (230), dichas intensidades medidas (/r, /t) de la quinta señal óptica (/r), la sexta señal óptica (/t), la séptima señal óptica (/r) y la octava señal óptica (/t),
calcular (164) una quinta relación entre las intensidades (/r, /t) de la octava señal óptica (/t) y la séptima señal óptica (/r), y una sexta relación entre las intensidades (/r, /t) de la sexta señal óptica (/t) y la quinta señal óptica (/r), y
calcular (164) la sección transversal de absorción (a) de la segunda muestra de sustancia contaminante (GAS_2) sobre la base de una relación entre la quinta relación y la sexta relación para cancelar el efecto de la interacción (Af) entre las quintas y las séptimas señales ópticas con la tercera ventana óptica (78a; 88) y la cuarta ventana óptica (78b; 98);
y en el que la óptica de transmisión (4) está configurada además para recibir una porción de la octava señal óptica y transmitirla hacia una segunda sustancia contaminante (12 ), siendo la segunda sustancia contaminante (12 ) un gas o partícula contaminante;
y en el que la óptica de recepción (6) además está configurada para recibir una segunda señal retrodispersada (P) tras una interacción entre dicha porción de la octava señal óptica y la segunda sustancia contaminante (12 );
y en el que el módulo fotodetector (8) está configurado además para adquirir la segunda señal retrodispersada (P) y medir la potencia de la segunda señal retrodispersada (P);
el controlador (232) está configurado además para calcular (168) la concentración (N) de la segunda sustancia contaminante (12) sobre la base de la potencia medida de la segunda señal retrodispersada (P) y la sección transversal de absorción (a) de la segunda muestra de sustancia contaminante (GAS_2).
6. Un procedimiento de detección de contaminación implementado por un detector LIDAR o DIAL, que comprende las etapas de:
- reducir (156) la presión en una primera cámara estanca a fluidos (22 ; 222) a una presión de alto vacío;
- accionar (158) una fuente óptica (40; 240) para enviar una primera señal óptica (/r) a una primera longitud de onda de emisión (A; Au) hacia la primera cámara (22; 222), siendo la primera señal óptica (/r) recibida por la primera cámara (22; 222) a través de una primera ventana óptica (78a; 88) de la primera cámara (22; 222) y dando como resultado una tercera señal óptica (/t) procedente de la primera cámara (22; 222) a través de una segunda ventana óptica (78b; 98) de la primera cámara (22; 222) a una primera distancia (L) de la primera ventana óptica (78a; 88), siendo la tercera señal óptica (/t) generada tras la interacción (Af) de la primera señal óptica (/r) con la primera ventana óptica (78a; 88) y la segunda ventana óptica (78b; 98);
- inyectar (160) una primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1) en la primera cámara (22; 222), siendo la primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1) un gas o partícula contaminante;
- accionar (162) la fuente óptica (40; 240) para enviar una segunda señal óptica (/r) a dicha primera longitud de onda de emisión (Al; Au ), siendo la segunda señal óptica (/r) recibida por la primera cámara (22; 222) a través de la primera ventana óptica (78a; 88) y dando como resultado una cuarta señal óptica (/t) procedente de la primera cámara (22; 222) a través de la segunda ventana óptica (78b; 98), siendo la cuarta señal óptica (/t) generada tras la interacción (Af, Ag) de la segunda señal óptica (/r) con la primera ventana óptica (78a; 88) y la segunda ventana óptica (78b; 98) y con dicha primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1);
- medir (158, 162) las intensidades (/r, /t), respectivamente, de la primera señal óptica (/r), la segunda señal óptica (/r), la tercera señal óptica (/t) y la cuarta señal óptica (/t);
- calcular (164) una primera relación entre las intensidades (/r, /t) de la cuarta señal óptica (/t) y la segunda señal óptica (/r), y una segunda relación entre las intensidades (/r, /t) de la tercera señal óptica (/t) y la primera señal óptica (/r);
- calcular (164) la sección transversal de absorción (a) de la primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1) sobre la base de una relación entre la primera relación y la segunda relación para cancelar el efecto de la interacción (Af) entre las primeras y las segundas señales ópticas con la primera ventana óptica (78a; 88) y la segunda ventana óptica (78b; 98);
- transmitir (158) una porción de la cuarta señal óptica hacia una primera sustancia contaminante (12), siendo la primera sustancia contaminante (12 ) un gas o partícula contaminante;
- recibir (158) una primera señal retrodispersada (P) tras una interacción entre dicha porción de la cuarta señal óptica y la primera sustancia contaminante (12 );
- adquirir (158) la primera señal retrodispersada (P) y medir la potencia de la primera señal retrodispersada (P); y
- calcular (168) la concentración (N) de la primera sustancia contaminante (12 ) sobre la base de la potencia medida de la primera señal retrodispersada (P) y la sección transversal de absorción (a) de la primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1).
7. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, que comprende además las etapas de:
- recibir (50) una señal indicativa de una concentración deseada (C) para la primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1); y
- variar (52) un volumen (V) de la primera cámara (22; 222) para que, una vez inyectada (160) la primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1) en la primera cámara (22; 222), tenga la concentración deseada (C) dentro de dicho volumen (V);
la etapa de variar (52) dicho volumen ( V) comprende las etapas de:
- acoplar mecánicamente de forma liberable un primer elemento tubular (82) de la primera cámara (22 ; 222) a un segundo elemento tubular (92), para que el volumen resultante (V) de la primera cámara (22; 222) comprenda la suma de los volúmenes del primer elemento tubular (82) y el segundo elemento tubular (92);
- opcionalmente desplazar al menos una de entre la primera ventana óptica (88) y la segunda ventana óptica (98) desde una primera carcasa (86a; 86b; 96a; 96b) respectiva a una segunda carcasa (86a; 86b; 96a; 96b) respectiva, estando dispuestas cada una de las primeras y segundas carcasas (86a, 86b; 96a, 96b) en una posición correspondiente a una seleccionada entre un primer extremo (82a) del primer elemento tubular (82), un segundo extremo (82b) del primer elemento tubular (82), un primer extremo (92a) del segundo elemento tubular (92), y un segundo extremo (92b) del segundo elemento tubular (92), para variar la primera distancia (L) entre la primera ventana óptica (88) y la segunda ventana óptica (98);
- opcionalmente desplazar la primera ventana óptica (88) o la segunda ventana óptica (98) dentro de la carcasa (86a; 86b; 96a; 96b) respectiva en la que está alojada, para variar una distancia (AL) desde el extremo (82a; 82b; 92a; 92b) respectivo en el que está alojada para variar la primera distancia (L) entre la primera ventana óptica (88) y la segunda ventana óptica (98).
8. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la etapa de variar (52) el volumen (V) de la primera cámara (22; 222) comprende controlar (152) la posición de cada uno de los primeros y segundos elementos tubulares (82, 92) mediante una etapa lineal motorizada, que permite el acoplamiento o liberación de los primeros y segundos elementos tubulares (82, 92).
9. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, que además comprende las etapas de:
- medir (158, 162) las energías (Er, Et), respectivamente, de la primera señal óptica (Er), la segunda señal óptica (ET), la tercera señal óptica (Er) y la cuarta señal óptica (Et);
- calcular (64) una tercera relación entre las energías (Er, Et) de la cuarta señal óptica (Et) y la segunda señal óptica (Er), y una cuarta relación entre las energías (Er, Et) de la tercera señal óptica (Et) y la primera señal óptica (Er);
- calcular (64) la transmitancia atmosférica (7) y el coeficiente de extinción atmosférica (k) de la primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1) sobre la base de la relación entre la tercera relación y la cuarta relación para cancelar el efecto de la interacción (Af) entre las primeras y segundas señales ópticas con la primera ventana óptica (78a; 88) y la segunda ventana óptica (78b; 98); y
- calcular (168) la concentración (N) de la primera sustancia contaminante (12 ) sobre la base de la potencia medida de la primera señal retrodispersada (P) y sobre la base de la sección transversal de absorción calculada (a), transmitancia atmosférica (7) y coeficiente de extinción atmosférica (k) de la primera muestra de sustancia contaminante (GAS_1).
10. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, que comprende además las etapas de:
- reducir (156) la presión en una segunda cámara estanca a fluidos (223) a una presión de alto vacío;
- accionar (158) la fuente óptica (240) para enviar una quinta señal óptica (Ir) a una segunda longitud de onda de emisión (ÁL2) hacia la segunda cámara (223), siendo recibida la quinta señal óptica (Ir) por la segunda cámara (223) a través de una tercera ventana óptica (78a; 88) de la segunda cámara (223) y dando como resultado una sexta señal
óptica (/t) proveniente de la segunda cámara (223) a través de una cuarta ventana óptica (78b; 98) de la segunda cámara (223) a una segunda distancia (L) de la tercera ventana óptica (78a; 88), siendo la sexta señal óptica (/t) generada tras una interacción (Af) de la quinta señal óptica (/r) con la tercera ventana óptica (78a; 88) y la cuarta ventana óptica (78b; 98);
- inyectar (160) una segunda muestra de sustancia contaminante (GAS_2) en la segunda cámara (223), siendo la segunda muestra de sustancia contaminante (GAS_2) un gas o partícula contaminante;
- accionar (162) la fuente óptica (240) para enviar una séptima señal óptica (/r) a dicha segunda longitud de onda de emisión (ÁL2), siendo recibida la séptima señal óptica (/r) por la segunda cámara (223) a través de la tercera ventana óptica (78a; 88) y dando como resultado una octava señal óptica (/t) procedente de la segunda cámara (223) a través de la cuarta ventana óptica (78b; 98), siendo la octava señal óptica (/t) generada tras una interacción (Af, Ag) de la séptima señal óptica (/r) con la tercera ventana óptica (78a; 88) y la cuarta ventana óptica (78b; 98) y con dicha segunda muestra de sustancia contaminante (GAS_2);
- medir (158, 162) las intensidades (/r, /t), respectivamente, de la quinta señal óptica (/r), la sexta señal óptica (/t), la séptima señal óptica (/r) y la octava señal óptica (/t);
- calcular (164) una quinta relación entre las intensidades (/r, /t) de la octava señal óptica (/t) y la séptima señal óptica (/r), y una sexta relación entre las intensidades (/r, /t) de la sexta señal óptica (/t) y la quinta señal óptica (/r);
- calcular (164) la sección de absorción (a) de la segunda muestra de sustancia contaminante (GAS_2) sobre la base de una relación entre la quinta relación y la sexta relación para cancelar el efecto de la interacción (Af) entre las quintas y las séptimas señales ópticas con la tercera ventana óptica (78a; 88) y la cuarta ventana óptica (78b; 98);
- transmitir (158) una porción de la sexta señal óptica hacia una segunda sustancia contaminante (12), siendo la segunda sustancia contaminante (12 ) un gas o partícula contaminante;
- recibir (158) una segunda señal retrodispersada (P) tras una interacción entre dicha porción de la sexta señal óptica y la segunda sustancia contaminante (12 );
- adquirir (158) la segunda señal retrodispersada (P) y medir la potencia de la segunda señal retrodispersada (P); y; - calcular (168) la concentración (N) de la segunda sustancia contaminante (12) sobre la base de la potencia medida de la segunda señal retrodispersada (P) y la sección transversal de absorción (a) de la segunda muestra de sustancia contaminante (GAS_2).
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