ITUB20159550A1 - Sistema per la determinazione delle caratteristiche di un gas e relativo metodo di misura di tali caratteristiche - Google Patents
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Description
''SISTEMA PER LA DETERMINAZIONE DELLE CARATTERISTICHE DI UN GAS E RELATIVO METODO DI MISURA DI TALI CARATTERISTICHE"
La presente invenzione si riferisce ad un sistema per la determinazione delle caratteristiche di un gas e ad un relativo metodo di misura di tali caratteristiche .
In particolare, la presente invenzione si riferisce ad un trasduttore di pressione di un gas, secondo il principio di diffusione di Rayleigh, Rayleigh scattering .
I trasduttori di pressione si distinguono in diverse categorie in genere specifiche per diversi campi di pressione. I trasduttori più comuni in campo industriale e scientifico sono:
- trasduttori a colonna di liquido, tipo colonna di mercurio, ormai poco usati;
trasduttori meccanici basati sulla misura meccanica di una deformazione tra cui, i principali sono:
-il manometro di Bourdon composto da un tubo metallico curvo che tende a raddrizzarsi quando viene riempito da un gas in pressione: la deformazione, proporzionale alla pressione, viene misurata quindi da un indice;
-il manometro a membrana nel quale una membrana 0 un soffietto separano la parte esposta al gas da misurare da una camera in cui è mantenuto il vuoto: la deformazione elastica della membrana è quindi proporzionale alla pressione. Entrambi 1 suddetti manometri sono molto usati in applicazioni industriali di media e bassa accuratezza,-- trasduttori elettrici basati sulla misura elettrica della deformazione meccanica di una membrana attraverso "strain gauges" o sensori capacitivi. Essi sono i più usati nelle applicazioni scientifiche o industriali di elevata accuratezza. Robusti, ma con campo di misura non esteso essi vengono progettati per lavorare in campi specifici di misura, ad esempio 1-1300 Fa, o 10-10QkPa, o 90-1000 kPa, e al di sotto di essi non sono accurati mentre al di sopra saturano;
sensore Pirani basato sulla misura del riscaldamento di un filamento percorso da corrente posto nel gas da misurare; il suo funzionamento basato sul principio che minore è la pressione, minore è la dissipazione del calore, mentre maggiore è la temperatura del filamento. Esso presenta grande campo di misura ma risulta poco accurato;
- "spinning rotor” in cui una sfera sospesa magneticamente è posta in rotazione ad elevata velocità; in tale strumento il rallentamento della rotazione dipende dalla viscosità del gas e quindi dalla pressione. Esso risulta accurato ma molto complesso e costoso;
- scattering di Rayleigh che si basa sul principio secondo il quale quando una radiazione elettromagnetica, quale un fascio di luce, attraversa un gas, le molecole del gas oscillano alla frequenza del campo elettrico e irradiano una parte dell'energia incidente. In pratica, una porzione molto piccola della energia del fascio luminoso viene diffusa in tutte le direzioni dalle molecole del gas. La legge di Rayleigh descrive la relazione tra la luce incidente e la luce diffusa:
8TT<4>Q'<2>n
<1 = IQ>X<4>R<2 1 COS>^
in cui, la intensità della luce diffusa I è proporzionale al numero di molecole, alla polarizzabilità della molecola , alla lunghezza d'onda e alla potenza della radiazione incidente IO. Quindi, se questi parametri sono costanti, la luce diffusa dipende dal numero di molecole nell'unità di volume osservata, quindi alla densità del gas in moli/m3.
A sua volta, la densità del gas è proporzionale alla pressione e temperatura, dalla legge dei gas. Quindi, nota la temperatura, dalla radiazione diffusa si può stimare la pressione del gas .
Un problema riguardante un trasduttore di pressione di un gas, secondo il principio di diffusione di Rayleigh, è quello di assicurare una stima assoluta del valore della pressione linearmente proporzionale alla radiazione misurata. Per questo è necessario conoscere esattamente il volume di interazione e misurare tutta la radiazione diffusa. In pratica, entrambe le cose sono difficili da stimare con sufficiente accuratezza, perché il volume di misura non è definito da una geometria esatta, dipendendo dalla dimensione del fascio del laser. Inoltre, il sistema di misura della radiazione ha una efficienza che è difficile da stimare teoricamente. Lo stato dell'arte è rappresentato da diversi brevetti .
In particolare, il brevetto JPH0894475A descrive un dispositivo ed un metodo di misura della pressione di un gas rilevando una luce laser diffusa da un gas. Il dispositivo comprende una camera di misura chiusa collegata ad una camera sottovuoto attraverso una flangia. Una luce laser emessa da una sorgente laser costituita da un semiconduttore viene fatta collimare e introdotta nella camera di misura attraverso una finestra. In questo modo particelle di tale gas vengono sottoposte a diffusione di Rayleigh. Il numero di fotoni diffusi, proporzionale alla densità di molecola del gas permette di misurare la densità di molecola del gas medesimo. La luce diffusa viene condensata mediante un condensatore ottico e quindi convertita in un segnale elettrico attraverso un rilevatore. Il segnale elettrico viene alimentato attraverso un circuito di conversione corrente/tensione collegato ad un computer.
Il brevetto JPH0894475A descrive un dispositivo basato su una sorgente a impulsi di luce laser verde, in cui il rilevatore per convertire il fascio ottico in un segnale elettrico è un fotomoltiplicatore e 1'intervallo di misura del valore di pressione va da 1 a 100 Kpa. Invece oggi sarebbe opportuno usare una luce blu di un laser in continua, CW Laser, meno costoso, un fotodiodo normale, meno costoso e con maggiore dinamica. Inoltre sarebbe possibile incrementare anche di molto la soglia del valore massimo di pressione del gas misurato.
Scopo quindi della presente invenzione è quello di risolvere i suddetti problemi della tecnica anteriore fornendo un sistema per la determinazione delle caratteristiche di un gas che risulti in un dispositivo performante, in grado di misurare valori di pressione di parecchie atmosfere del gas innalzando la soglia massima di pressione assoluta e riducendo al tempo stesso i costi di realizzazione .
Un ulteriore scopo è quello di fornire un sistema per la determinazione delle caratteristiche di un gas in grado di sfruttare la linearità della relazione luce diffusa/pressione, per poter tarare esattamente un trasduttore di pressione.
I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell'invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un sistema per la determinazione delle caratteristiche di un gas come quello descritto nella rivendicazione 1.
Inoltre, i suddetti ed altri scopi e vantaggi dell'invenzione, quali risulteranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti con un metodo di misura delle caratteristiche di un gas, come quello descritto nella rivendicazione 9.
Forme di realizzazione preferite e varianti non banali della presente invenzione formano l'oggetto delle rivendicazioni dipendenti.
Resta inteso che tutte le rivendicazioni allegate formano parte integrante della presente descrizione.
Risulterà immediatamente ovvio che si potranno apportare a quanto descritto innumerevoli varianti e modifiche (per esempio relative a forma, dimensioni, disposizioni e parti con funzionalità equivalenti) senza discostarsi dal campo di protezione dell'invenzione come appare dalle rivendicazioni allegate.
La presente invenzione verrà meglio descritta da alcune forme preferite di realizzazione, fornite a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la FIG. 1 mostra uno schema di una prima realizzazione preferita del sistema per la determinazione delle caratteristiche di un gas secondo la presente invenzione;
- la FIG. 2 mostra uno schema di una seconda realizzazione preferita del sistema per la determinazione delle caratteristiche di un gas secondo la presente invenzione;
- la FIG. 3 mostra una immagine ripresa con una telecamera della zona di interazione tra laser e gas all'interno di un sistema secondo la presente invenzione;
- la FIG. 4 mostra un grafico riportante risultati sperimentali ad alte pressioni fino a 850 kPa; e
- la FIG. 5 mostra un grafico riportante risultati sperimentali a basse pressioni da 0,3 a 800 Pa,
Facendo riferimento alle FIGG. 1 e 2, è possibile notare che un sistema 1 per la determinazione delle caratteristiche di un gas secondo la presente invenzione comprende almeno un fascio 10 di luce coerente e monocromatica, mezzi di rilevazione 20 comprendenti almeno un fotorilevatore 21. Inoltre, il sistema 1 secondo la presente invenzione comprende almeno una camera di misura 30, per esempio collegata ad almeno un recipiente (non raffigurato) contenente un tale gas in pressione, entro cui il fascio 10 ed i mezzi di rilevazione 20 sono operanti.
In particolare, il sistema 1 secondo la presente invenzione comprende inoltre mezzi di controllo 40 collegati operativamente al fotorilevatore 21 per registrare una quantità di luce diffusa secondo il principio dello scattering di Rayleigh, in funzione delle dimensioni della molecola del gas e della lunghezza d'onda della luce coerente e monocromatica.
Vantaggiosamente, il fascio 10 di luce coerente e monocromatica viene emesso da almeno un laser 11 in onda continua. Inoltre, il laser 11 e il foto-rilevatore 21 possono essere entrambi fissati rispetto alla camera di misura 30 per permettere il collegamento di tale sistema 1 rispetto al recipiente contenente gas in pressione.
Secondo una prima realizzazione preferita del sistema 1 secondo la presente invenzione, il laser 11 e il foto-rilevatore 21 sono integrati all'interno della camera di misura 30 così come mostrato, per esempio, nella FIG. 1.
In alternativa, così come mostrato, per esempio, nella FIG. 2, è possibile prevedere che il laser 11 e il foto-rilevatore 21 siano posti all'esterno della camera di misura 30, il fascio 10 ed i mezzi di rilevazione 20 operanti quindi all'interno della camera di misura 30 stessa attraverso rispettive finestrature.
La camera di misura 30 può inoltre comprendere al suo interno mezzi di assorbimento 12, 22 disposti all'estremità opposta rispetto al laser 11 e al foto-rilevatore 21. Inoltre, la camera di misura 30 comprende mezzi di schermatura 13 disposti lungo il cammino del fascio 10 per contenere la luce diffusa in direzioni casuali dalla camera di misura 30. I mezzi di assorbimento 12, 22 sono di colore nero per permettere una registrazione del fascio di luce diffusa mediante almeno una telecamera o un foto-rivelatore così come mostrato, per esempio, nella FIG. 3.
Preferibilmente, il laser 11 è del tipo a lunghezza d'onda corta, blu, violetto o UV, per avere una luce diffusa con un segnale maggiore e di potenza dell'ordine di 100 mW.
Il foto-rilevatore 21 è formato da una matrice di foto-rivelatori, tipo CCD o CMOS, per convertire la luce in segnale elettrico e per permettere di rilevare la forma del luogo geometrico del fascio di luce diffusa, attraverso una o più di lenti ottiche 23 atte a raccogliere la luce diffusa dalle molecole colpite dal fascio 10 di luce coerente e monocromatica e focalizzare tale luce diffusa entro un angolo solido sulla matrice del foto-rilevatore 21 .
I mezzi di controllo 40 permettono di mantenere costante la potenza in uscita attraverso un sistema di stabilizzazione di ampiezza agente sulla corrente di pilotaggio.
I mezzi di controllo 40 permettono di misurare 1'intensità della luce e regolare il tempo di esposizione in modo che il foto-rivelatore 21 operi sempre all'interno del proprio campo di misura. In particolare, i mezzi di controllo 40 permettono di calcolare il valore di pressione del gas sulla base di un coefficiente di taratura (CC) e della composizione del gas opportunamente inseriti.
Un metodo di misura delle caratteristiche di un gas, mediante un tale sistema 1, si basa sul fatto che il coefficiente di taratura (CC) si ottiene misurando la risposta a una pressione nota per confronto con un campione.
Il sistema 1 per la determinazione delle caratteristiche di un gas, oggetto della presente invenzione permette di raggiunge gli scopi prefissi.
Il sistema 1 secondo la presente invenzione può quindi comprendere, per realizzare le componenti sopra descritte, per esempio, una sorgente laser collimata, una camera di misura, un sistema di raccolta e misura della luce diffusa. I mezzi di controllo collegati operativamente al foto-rilevatore possono comprendere uno stabilizzatore di potenza del laser, un misuratore della potenza del laser, un misuratore di temperatura del gas, una unità di elaborazione elettronica. Eventualmente, tale sistema 1 può comprendere una o più delle seguenti parti accessorie: mezzi di assorbimento della radiazione diretta del laser, mezzi di schermatura disposti lungo il cammino del fascio per contenere la luce diffusa in direzioni casuali all'interno della camera di misura, una trappola di luce per ridurre la radiazione di "zero".
Il laser è preferibilmente a lunghezza d'onda corta (blu, violetto o UV) in quanto la luce diffusa è proporzionale a 1/<4>, quindi lunghezze d'onda corte generano segnali più forti, e di potenza media (dell'ordine di lOOmW) . Il laser viene accoppiato ad un sistema di lenti che genera un fascio di luce collimato. La camera di misura è un ambiente stagno in comunicazione con il gas da misurare in cui la luce laser entra attraverso una finestra, o direttamente se il laser è posto dentro la camera ed alimentato attraverso passaggi elettrici stagni. Il sistema di raccolta di luce, attraverso tali una o più lenti ottiche 23 raccoglie la luce diffusa dalle molecole colpite dal fascio laser entro un angolo solido e convoglia la luce sul foto-rilevatore 21 formato da una matrice di foto-rivelatori, tipo CCD o CMOS, che convertono la luce in segnale elettrico. Anche in questo caso il sistema 1 secondo la presente invenzione può essere integrato direttamente nella camera di misura e collegato all'esterno attraverso passaggi elettrici stagni, o può raccogliere la luce attraverso una finestra.
Particolare attenzione deve essere posta per limitare la luce diffusa dalle parti fisiche che potrebbe falsare la misura di interesse. In particolare, dalla sorgente laser, oltre al fascio collimato vengono prodotti fasci di luce di intensità minore in direzioni casuali. Per evitare che tali fasci vengano raccolti dal foto-rilevatore 21 è necessario introdurre una serie di schermi, che lascino passare solo la luce collimata assorbendo la luce rimanente. Inoltre, la luce laser del fascio principale deve essere assorbita da una opportuna ''trappola" in modo che la luce non venga riflessa indietro verso la zona di misura. Infine, sempre per minimizzare la luce spuria, una trappola di luce sistemata in opposizione alla camera aiuta a minimizzare il numero di fotoni spuri provenienti dalla direzione di misura. La potenza del laser influenza direttamente la misura della radiazione diffusa, quindi deve essere tenuta sotto controllo. In alternativa si può mantenere costante la potenza in uscita attraverso un sistema di stabilizzazione di ampiezza che misura la potenza e agisce sulla corrente di pilotaggio, o più semplicemente si può misurare la potenza del laser con un opportuno foto-rivelatore e utilizzare il valore per la post correzione dei risultati. Il sistema di elaborazione gestisce il foto-rivelatore 21, misura l'intensità della luce, regola il tempo di esposizione in modo che il foto-rivelatore sia sempre in campo di misura. Infine, esso normalizza la misura della luce diffusa per il tempo di esposizione impostato, eventualmente corregge per le variazioni di potenza del laser e calcola la pressione sulla base del coefficiente di taratura e della composizione del gas opportunamente inseriti così come mostrato, per esempio, nelle FIGG. 4 e 5.
Il sistema 1 secondo la presente invenzione presenta quindi le seguenti proprietà:
- campo dinamico estremamente elevato (maggiore di IO<6>). Il campo dinamico è limitato dalla capacità di misura del foto-rivelatore il cui tempo di integrazione può essere variato a piacere,-- elevata linearità. La misura si basa su un principio fisico lineare;
- elevata velocità. Non essendoci parti meccaniche, la velocità è limitata esclusivamente del tempo di misura della luce; - facilità di taratura. Grazie alla elevata linearità è sufficiente misurare un punto della curva per conoscere la caratteristica del sistema 1 in tutto il campo di misura;
- elevata stabilità nel tempo. Assenza di parti meccaniche in movimento;
- potenziale utilizzo come misuratore campione.
Con opportuni accorgimenti è possibile definire accuratamente il volume di misura e l'efficienza assoluta del sistema di raccolta dei fotoni. In questo caso è possibile applicare direttamente la formula di Rayleigh e conoscere la pressione senza la necessità di un confronto con trasduttore di riferimento. Si è descritta una forma preferita di attuazione dell'invenzione, ma naturalmente essa è suscettibile di ulteriori modifiche e varianti nell'ambito della medesima idea inventiva . In particolare, agli esperti nel ramo risulteranno immediatamente evidenti numerose varianti e modifiche, funzionalmente equivalenti alle precedenti, che ricadono nel campo di protezione dell'invenzione come evidenziato nelle rivendicazioni allegate.
Claims (9)
- RIVENDICAZIONI 1. Sistema (1) per la determinazione delle caratteristiche di un gas comprendente almeno un fascio (10) di luce coerente e monocromatica, mezzi di rilevazione (20) di luce diffusa, detti mezzi di rilevazione (20) comprendenti almeno un foto-rilevatore (21), almeno una camera di misura (30) entro cui detto almeno un fascio (10) e detti mezzi di rilevazione (20) sono operanti, e mezzi di controllo (40) collegati operativamente a detto foto-rilevatore (21) per registrare una quantità di luce diffusa secondo il principio dello scattering di Rayleigh in funzione delle caratteristiche fisiche della molecola di detto gas e di una lunghezza d'onda di detta luce coerente e monocromatica, caratterizzato dal fatto che detto fascio (10) di luce coerente e monocromatica viene emesso da almeno un laser (11) in onda continua.
- 2, Sistema (1) per la determinazione delle caratteristiche di un gas secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta camera di misura (30) è collegata ad almeno un recipiente contenente detto gas in pressione.
- 3. Sistema (1) per la determinazione delle caratteristiche di un gas secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto laser (11) e detto fotorilevatore (21) sono fissati rispetto a detta camera di misura (30) per permettere un collegamento di detto sistema (1) rispetto a detto recipiente.
- 4. Sistema (1) per la determinazione delle caratteristiche di un gas secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta camera di misura (30) comprende al suo interno mezzi di assorbimento (12, 22) disposti all'estremità opposta rispetto a detto laser (11) e a detto foto-rilevatore (21) e mezzi di schermatura (13) disposti lungo il cammino di detto fascio (10) per contenere la luce diffusa in direzioni casuali da detta camera di misura (30), detti mezzi di assorbimento (12, 22) essendo di colore nero per permettere una registrazione del fascio di luce diffusa mediante almeno una telecamera.
- 5, Sistema (1) per la determinazione delle caratteristiche di un gas secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto laser (11) è del tipo a lunghezza d'onda corta, blu, violetto o UV, per avere una luce diffusa con un segnale maggiore e di potenza dell'ordine di 100 mW.
- 6. Sistema (1) per la determinazione delle caratteristiche di un gas secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto foto-rilevatore (21) è formato da una matrice di foto-rivelatori, tipo CCD o CMOS, per convertire la luce in segnale elettrico e permettere di rilevare la forma del luogo geometrico di un fascio di luce diffusa, attraverso una o più lenti ottiche (23) atte a raccogliere la luce diffusa dalle molecole colpite da detto fascio (10) di luce coerente e monocromatica e focalizzarla entro un angolo solido sulla matrice di detto foto-rilevatore (21).
- 7. Sistema (1) per la determinazione delle caratteristiche di un gas secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di controllo (40) permettono di mantenere costante la potenza in uscita attraverso un sistema di stabilizzazione di ampiezza agente sulla corrente di pilotaggio.
- 8. Sistema (1) per la determinazione delle caratteristiche di un gas secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di controllo (40) permettono di misurare 1'intensità della luce e regolare il tempo di esposizione in modo che detto foto-rivelatore (21) operi sempre all'interno del proprio campo di misura e dal fatto che detti mezzi di controllo (40) permettono di calcolare il valore di pressione del gas sulla base di un coefficiente di taratura (CC) e della composizione del gas opportunamente inseriti.
- 9.Metodo di misura delle caratteristiche di un gas, mediante un sistema (1) secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto coefficiente di taratura (CC) si ottiene misurando la risposta a una pressione nota per confronto con un campione.
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