MX2015001175A - Analizador de caracteristicas de mano. - Google Patents

Abstract

Se divulga un analizador de características de mano (300) portátil para analizar las composiciones químicas en tiempo real o casi en tiempo real. El analizador (300) puede incluir un alojamiento portátil (304), al menos un dispositivo óptico de computación (312) dispuesto dentro del alojamiento portátil (304) para monitorear una muestra (310), dicho al menos un dispositivo óptico de computación (312) tiene al menos un elemento computacional integrado configurado para interactuar ópticamente con la muestra (310) y de esta manera generar luz interactuada ópticamente, al menos un detector (212, 216; 420) dispuesto para recibir la luz interactuada ópticamente y generar una señal de salida que corresponde a una característica de la muestra (310), y un procesador de señal (304) acoplado comunicativamente a dicho al menos un detector (212, 216; 420) para recibir la señal de salida, el procesador de señal (314) está configurado para determinar la característica de la muestra (310) y proporcionar una señal de salida resultante indicativa de la característica de la muestra (310).

Description

ANALIZADOR DE CARACTERÍSTICAS DE MANO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a sistemas ópticos de análisis y métodos para analizar composiciones químicas y, en particular, a analizadores de características de mano que se utilizan para analizar composiciones químicas en tiempo real o casi en tiempo real.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En la industria del petróleo y gas, puede ser importante saber con precisión las características y composiciones químicas de los fluidos y sustancias que se encuentran en y alrededor de las refinerías de petróleo u otras instalaciones de procesamiento de hidrocarburos. Por ejemplo, hay un énfasis cada vez mayor en reducir o de otra forma prevenir las emisiones gaseosas y fugas de las refinerías y otras instalaciones de procesamiento, dadas las amenazas ambientales y de salud que pueden plantear tales emisiones. Saber qué composiciones químicas están siendo emitidas/fugadas en la ubicación y la concentración de tales emisiones/fugas puede resultar conveniente en los esfuerzos correctivos para invertir o detener los efectos indeseables.

La detección e identificación de composiciones químicas incluyen, entre otros, el uso de detectores de onda acústica de superficie, espectrómetros de movilidad de iones, detectores foto métricos de llamas, y similares. En los detectores de onda acústica de superficie, los químicos objetivo son absorbidos o adsorbidos en un recubrimiento específico de un sustrato piezoeléctrico, para de esta manera variar su masa. El cambio de masa afecta la frecuencia de resonancia del sustrato piezoeléctrico la cual se mide utilizando un circuito electrónico apropiado. En los espectrómetros de movilidad de iones, una muestra gaseosa se ioniza en una región de ionización dentro del espectrómetro, p.ej., utilizando una fuente radiactiva, y se acelera a través de una distancia corta a un detector. La muestra gaseosa se analiza al medir un tiempo de vuelo característico de los iones negativos y positivos desde la región de ionización al detector. En los detectores foto métricos de llamas (FPDs, Fíame Photometric Detectors) se introduce una muestra gaseosa a una llama rica en nitrógeno y los electrones en la envuelta exterior de átomos obtenidos de los químicos objetivo se excitan a estados de más alta energía. Cuando un electrón excitado regresa a su estado fundamental, se emite energía en la forma de luz por lo cual se confirma la presencia de los químicos objetivo. La longitud de onda de la luz emitida depende del químico objetivo, mientras que su intensidad depende de la concentración del químico.

Los detectores portátiles con base en las téenicas anteriores son generalmente conocidos. Sin embargo, las técnicas mencionadas anteriormente tienen sensibilidad limitada y selectivamente en entornos particulares, tal como en entornos industriales en los cuales la detección e identificación de las composiciones químicas a menudo se llevan a cabo en condiciones menores a las óptimas. En consecuencia, por lo general se conducen determinaciones de composiciones químicas más precisas fuera de línea utilizando análisis retrospectivos de laboratorio, tales como los métodos espectroscópicos y/o de química húmeda, que analizan una muestra extraída de la composición química. Aunque los análisis fuera de línea, retrospectivos pueden ser satisfactorios en ciertos casos, no obstante no permiten que se realicen las capacidades de análisis en tiempo real o casi en tiempo real sino que a menudo requieren de horas a días para completar el análisis. Durante el tiempo de retraso entre la recolección y el análisis, a menudo cambian las características de la muestra extraída de la composición química, haciendo de esta manera que las propiedades de la muestra no sean indicativas de la verdadera composición química o característica.

La detección confiable en el sitio, en tiempo real de las composiciones químicas es de importancia mayor con el fin de monitorear cómo es que las composiciones químicas detectadas cambian con el tiempo, sirviendo de esta manera como una medida de control de calidad para procesos en los cuales se utilizan fluidos y otras sustancias.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a sistemas y métodos de análisis óptico para analizar composiciones químicas y, en particular, a analizadores de características de mano que se utilizan para analizar composiciones químicas en tiempo real o casi en tiempo real.

En algunos aspectos de la divulgación, se divulga un analizador de características de mano. El analizador puede incluir un alojamiento portátil, al menos un dispositivo óptico de computación dispuesto dentro del alojamiento portátil para monitorear una muestra, dicho al menos un dispositivo óptico de computación tiene al menos un elemento computacional integrado configurado para interactuar ópticamente con la muestra y de esta manera generar luz interactuada ópticamente, al menos un detector dispuesto para recibir la luz interactuada ópticamente y generar una señal de salida que corresponde a una característica de la muestra, y un procesador de señal acoplado comunicativamente a dicho al menos un detector para recibir la señal de salida, el procesador de señal está configurado para determinar la característica de la muestra y proporcionar una señal de salida resultante indicativa de la característica de la muestra.

En otros aspectos de la divulgación, se divulga un método para determinar una característica de una muestra. El método puede incluir dirigir un analizador de características de mano a la muestra, el analizador de características de mano tiene al menos un elemento computacional integrado dispuesto en el mismo, activar el analizador de características de mano, interactuando ópticamente de esta manera dicho al menos un elemento computacional integrado con la muestra y generando luz interactuada ópticamente, recibir la luz interactuada ópticamente con dicho al menos un detector dispuesto dentro del analizador de características de mano, generar una señal de salida que corresponde a la característica de la muestra con dicho al menos un detector, recibir la señal de salida con un procesador de señal acoplado comunicativamente a dicho al menos un detector, y determinar la característica de la muestra con el procesador de señal.

Las características y ventajas de la presente invención serán fácilmente aparentes para aquellos experimentados en la materia con una lectura de la descripción de las modalidades preferidas que siguen.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las siguientes figuras se incluyen para ilustrar ciertos aspectos de la presente invención, y no se deben ver como modalidades exclusivas. El tema que se divulga es capaz de modificaciones, alteraciones, combinaciones, y equivalentes considerables en forma y función, como ocurrirá para aquellos experimentados en la materia y que tengan el beneficio de esta divulgación.

La Figura 1 ilustra un elemento de computación integrado ejemplar, de acuerdo con una o más modalidades.

La Figura 2 ilustra un diagrama de bloques que ilustra no mecánicamente cómo un dispositivo óptico de computación distingue la radiación electromagnética relacionada con una característica de interés de otra radiación electromagnética, de acuerdo con una o más modalidades.

Las Figuras 3A y 3B ilustran las vistas lateral y en perspectiva de un analizador de características de mano ejemplar, de acuerdo con una o más modalidades.

La Figura 4 ilustra un dispositivo óptico de computación ejemplar capaz de monitorear la composición química de una muestra y determinar una característica de la misma, de acuerdo con una o más modalidades.

La Figura 5 ilustra otro dispositivo óptico de computación ejemplar capaz de monitorear la composición química de una muestra y determinar una característica de la misma, de acuerdo con una o más modalidades.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a sistemas ópticos de análisis y métodos para analizar composiciones químicas y, en particular, a analizadores de características de mano que se utilizan para analizar composiciones químicas en tiempo real o casi en tiempo real.

Los analizadores de características de mano ejemplares que se describen en este documento, y sus diferentes modalidades alternativas, son capaces de emplear diferentes configuraciones de dispositivos ópticos de computación, también comúnmente denominados como "dispositivos óptico-analíticos", para el monitoreo en tiempo real o casi en tiempo real composiciones químicas que se encuentran en fluidos y otras sustancias. En algunos casos, los analizadores de características de mano ejemplares, como se describe en este documento, se pueden caracterizar como dispositivos óptico-analíticos. En operación, el analizador de características de mano ejemplar puede ser útil y de otra forma conveniente en la determinación de la presencia y/o concentración de sustancias peligrosas y/o contaminantes que deben existir en y alrededor, por ejemplo, de equipo industrial. Por ejemplo, los dispositivos ópticos de computación, los cuales se describen a mayor detalle más adelante, pueden proporcionar convenientemente monitoreo en tiempo real o casi en tiempo real de las composiciones químicas que actualmente no se pueden lograr con análisis en el sitio de trabajo o por medio de análisis más detallados que se llevan a cabo en un laboratorio. Por otra parte, la portabilidad de los analizadores de características de mano ejemplares permite a un usuario posicionar selectivamente los dispositivos ópticos de computación en el sitio o en ubicaciones cercanas donde se puede tener una detección más directa que las sustancias peligrosas o contaminantes.

Una ventaja significativa y distinta de estos dispositivos ópticos de computación es que se pueden configurar para detectar y/o medir específicamente un componente o característica particular de interés de una composición química, tal como una sustancia peligrosa u otro contaminante presente en la composición química, permitiendo de esta manera que ocurran análisis cualitativos y/o cuantitativos sin tener que extraer una muestra de la composición química y emprender análisis tardados de la muestra en un laboratorio fuera del sitio. En algunos casos, los dispositivos pueden monitorear cómo cambia la presencia de una sustancia peligrosa o contaminante en la composición química con base en la actividad emprendida en la vecindad, tal como esfuerzos correctivos enfocados a remover o de otra forma contener la sustancia peligrosa o contaminante.

Con la capacidad de desempeñarse en el sitio, análisis de composición química en tiempo real o casi en tiempo real, el analizador de características de mano ejemplar, y sus diferentes modalidades alternativas, puede ser capaz de proporcionar una indicación oportuna de cualquiera de entornos salubres o insalubres circundantes a diferentes equipos industriales. En algunos casos, el analizador de características de mano puede ser útil en la detección temprana de fugas de hidrocarburos o fugas de otras sustancias o materiales ambientalmente peligrosos del equipo de petróleo y gas. La detección de fugas de hidrocarburos puede resultar conveniente para iniciar medidas preventivas que detienen la pérdida de producto valioso al entorno circundante. Por otra parte, una vez que se detecta una sustancia peligrosa o contaminante en el entorno circundante, se pueden emprender esfuerzos correctivos antes que los niveles de toxicidad ambiental sobrepasen un limite "salubre" predeterminado, y de esta manera exponer a un operador a las preocupaciones ambientales y de seguridad, multas, costos innecesarios de remoción/corrección, y publicidad negativa.

Aquellos experimentados en la materia apreciarán fácilmente que el analizador de características de mano que se divulga, y sus diferentes modalidades alternativas, puede ser adecuado para su uso en la industria de petróleo y gas ya que los dispositivos ópticos de computación descritos proporcionan un medio rentable, robusto, y preciso para monitorear el equipo industrial con el fin de facilitar la administración eficiente de la producción de petróleo/gas. Se apreciará, sin embargo, que el analizador de características de mano que se divulga, y sus diferentes modalidades alternativas, son igualmente aplicables a otros campos de teenología incluyendo, pero no limitado a, la industria de los alimentos, la industria médica y de medicamentos, aplicaciones industriales, industrias de maquinaria pesada, industrias de minería, campos militares, o cualquier campo donde pueda ser conveniente determinar en tiempo real o casi en tiempo real la concentración o una característica de una composición química en un fluido o cualquier otra sustancia. Por ejemplo, el analizador de características de mano ejemplar puede ser útil en la detección de contaminantes en o propiedades de fluidos lubricantes de maquinaria o grasa, fluido hidráulico de maquinaria, fluido refrigerante, y agua para beber. En otras aplicaciones, el analizador de características de mano ejemplar puede ser útil en la detección de agua en combustible de gasolina o diésel en maquinaria, o en proporcionar un análisis rápido de los hidrocarburos recuperados de un pozo de petróleo.

Como se utiliza en este documento, el término "fluido" se refiere a cualquier substancia que sea capaz de fluir, incluyendo partículas de sólidos, líquidos, gases, lechadas, emulsiones, polvos, lodos, cristales, combinaciones de los mismos, y similares. En algunas modalidades, el fluido puede ser un fluido acuoso, incluyendo agua, tal como agua de mar, agua dulce, agua potable, agua para beber, o similares. En algunas modalidades, el fluido puede ser un fluido no acuoso, incluyendo compuestos orgánicos,. más específicamente, hidrocarburos, petróleo, un componente refinado del petróleo, productos petroquímicos, y similares. En algunas modalidades, el fluido puede ser un fluido de tratamiento o un fluido de la formación. Los fluidos pueden incluir diferentes mezclas de sólidos, líquidos y/o gases que pueden fluir. Los gases ilustrativos que se pueden considerar fluidos de acuerdo con las presentes modalidades incluyen, por ejemplo, el aire, nitrógeno, dióxido de carbono, argón, helio, metano, etano, butano, y otros gases de hidrocarburos, combinaciones de los mismos y/o similares.

Como se utiliza en este documento, el término "característica" se refiere una propiedad química, mecánica, o física de una sustancia o material. Una característica de una sustancia puede incluir un valor cuantitativo o una concentración de uno o más componentes químicos presentes en la misma. Tales componentes químicos se pueden denominar en este documento como "analitos". Las características ilustrativas de una sustancia que se pueden monitorear con los dispositivos ópticos de computación que se divulgan en este documento pueden incluir, por ejemplo, la composición química (p.ej., identidad y concentración en total o de componentes individuales), contenido de impurezas, pH, viscosidad, densidad, resistencia iónica, sólidos disueltos totales, contenido de sal, porosidad, opacidad, contenido de bacterias, combinaciones de los mismos, y similares.

Como se utiliza en este documento, los términos "sustancia peligrosa", y "contaminante", y variaciones de los mismos, se usan de manera intercambiable en este documento y se refieren a una materia o material de interés a ser evaluado utilizando el analizador de características de mano (esto es, con los dispositivos ópticos de computación dispuestos en el mismo) descrito en este documento. En algunas modalidades, la sustancia peligrosa es la característica de interés, como se definió anteriormente, y puede incluir cualquier fluido contaminante o sustancia emitida desde o de otra forma asociada con el equipo o maquinaria industrial. En otras modalidades, la sustancia peligrosa puede ser simplemente una sustancia indeseable, pero no necesariamente una sustancia que se consideraría "peligrosa" en sí. Por ejemplo, la sustancia peligrosa puede incluir analitos no peligrosos tales como, pero no limitados, nitrógeno y helio, y también se podrían incluir compuestos o tintas de rastreo y de detección de fugas que se utilizan en las operaciones de pruebas.

En una o más modalidades, la sustancia peligrosa puede incluir químicos tales como compuestos de BTEX (esto es, benceno, tolueno, etilbenceno, y xilenos), compuestos orgánicos volátiles (VOCs, Volatile Organic Compounds), naftaleno, estireno, compuestos de azufre, hexano, hidrocarburos, hidrocarburos licuables, bario, boro, calcio, manganeso, magnesio, aleaciones de magnesio, fósforo, compuestos de potasio, zinc, aleaciones de zinc, cobre, plomo, estaño, níquel, plata, aleaciones de molibdeno, aleaciones de titanio, combinaciones de los mismos, y cualquier combinación de los mismos. En otras modalidades, la sustancia peligrosa puede incluir o referirse de otra manera a las parafinas, ceras, asfáltenos, aromáticos, saturados, espumas, sales, bacterias, combinaciones de los mismos, y similares. En todavía otras modalidades, la sustancia peligrosa puede incluir compuestos que contienen elementos tales como aluminio, aleaciones de aluminio, bario, calcio, manganeso, magnesio, fósforo, azufre, hierro, estroncio, cloro.

En otros aspectos, la sustancia peligrosa puede incluir cualquier sustancia utilizada en operaciones de pozos tales como, pero no limitado a, ácidos, compuestos que generan ácidos, bases, compuestos que generan bases, biocidas, surfactantes, inhibidores de escamas, inhibidores de corrosión, agentes gelificantes, agentes reticulantes, agentes anti lodo, agentes espumantes, agentes des espumantes, agentes antiespumantes, agentes emulsionantes, agentes demulsionantes, agentes de control de hierro, apuntalantes u otras partículas, graba, desviadores de partículas, sales, aditivos de control de pérdida de fluido, gases, catalizadores, agentes de control de arcillas, agentes quelantes, inhibidores de corrosión, dispersantes, floculantes, eliminadores (p.ej., eliminadores de H2S, eliminadores de CO2 o eliminadores de 02), lubricantes, trituradores, trituradores de liberación retardada, reductores de fricción, agentes de puenteo, viscosificantes, agentes densificantes, solubilizantes, agentes de control de reologia, modificadores de viscosidad, agentes de control de pH (p.ej., reguladores), inhibidores de hidratos, modificadores de permeabilidad relativa, agentes desviadores, agentes de consolidación, materiales fibrosos, bactericidas, trazadores, sondas, nanoparticulas, y similares. También se pueden utilizar combinaciones de estas sustancias.

En modalidades donde la sustancia peligrosa se caracteriza como un contaminante, esto puede incluir, agua, hollín, glicol, productos de oxidación, restos de desgaste, partículas de contaminación, combinaciones de los mismos, y similares. Diferentes contaminantes de, por ejemplo, agua para beber pueden incluir aluminio, cloro, cobre, flúor, hierro, manganeso, sulfato, zinc, desinfectantes, químicos inorgánicos, acrilamida, bromato, clorito, ácidos haloacéticos (HAA5), trihalometanos totales (TTHMs), cloraminas (como Cl2), cloro (como Cl2), dióxido de cloro (como C102), químicos inorgánicos, antimonio, aleaciones de antimonio, arsénico, asbestos (fibra de >10 micrómetros), bario, berilio, cadmio, cromo (total), aleaciones de cromo, cobre, cianuro (como cianuro libre), fluoruro, plomo, mercurio (inorgánicos), nitrato (medido como nitrógeno), nitrito (medido como nitrógeno), selenio, talio, acrilamida, alaclor, atrazina, benceno, benzo (a)pireno (PAHs), carbofuran, tetracloruro de carbono, clordano, clorobenceno, 2,4-D, dalapon, 1,2-dibromo-3-cloropropano (DBCP), o-diclorobenceno, p-diclorobenceno, 1,2-dicloroetano, 1,1-dicloroetileno, cis-1,2-dicloroetileno, trans-1,2-dicloroetileno, diclorometano, 1,2-dicloropropano, di (2-etilhexil) adipato, di (2-etilhexil) ftalato, dinoseb, dioxina (2,3,7,8-TCDD), diquat, endotal, endrina, epiclorhidrina, etilbenceno, dibromuro de etileno, glifosato, heptacloro, epóxido de heptacloro, hexaclorobenceno, hexaclorociclopentadieno, lindano, metoxicloro, oxamilo (vydate), bifenilos policlorados, pentaclorofenol, picloram, simazina, estireno, tetracloroetileno , tolueno, toxafeno, 2,4,5-TP (silvex), 1,2,-triclorobenceno, 1,1,1-tricloroetano, 1,1,2-tricloroetano, tricloroetileno, cloruro de vinilo, xilenos, silicio, combinaciones de los mismos, y similares.

Como se utiliza en este documento, el término "radiación electromagnética" se refiere a las ondas de radio, radiación de microondas, radiación de infrarrojos e infrarrojos cercanos, luz visible, los ultravioleta, radiación de rayos X y radiación de rayos gamma.

Como se utiliza en este documento, el término "dispositivo óptico de computación" se refiere a un dispositivo óptico que está configurado para recibir una entrada de radiación electromagnética desde una sustancia (p.ej., un fluido u otro material, tal como una composición química) o una muestra en la sustancia, y producir una salida de radiación electromagnética desde un elemento de procesamiento dispuesto dentro del dispositivo óptico de computación. El elemento de procesamiento puede ser, por ejemplo, un elemento computacional integrado (ICE, Integrated Computational Element) que se utiliza en el dispositivo óptico de computación. Como se discute a mayor detalle más adelante, la radiación electromagnética que interactúa ópticamente con el elemento de procesamiento se cambia para ser legible por un detector, de tal forma que una salida del detector se puede correlacionar con al menos una carácter!stica de la sustancia que está siendo medida o monitoreada. La salida de radiación electromagnética desde el elemento de procesamiento puede ser radiación electromagnética reflejada, radiación electromagnética transmitida, y/o radiación electromagnética dispersada. Si la radiación electromagnética reflejada o transmitida es analizada por el detector lo dictan los parámetros estructurales del dispositivo óptico de computación así como otras consideraciones conocidas por aquellos experimentados en la materia. Además, también se puede monitorear la emisión y/o dispersión de la sustancia, por ejemplo por medio de fluorescencia, luminiscencia, dispersión de Raman, y/o dispersión de Rayleigh, por medio de los dispositivos ópticos de computación. En algunos casos, el analizador de características de mano en sí, como se describe generalmente en este documento, puede contener o de otra forma estar caracterizado como un dispositivo óptico de computación.

Como se utiliza en este documento, el término "interactuar ópticamente" o variaciones del mismo se refieren a la reflexión, transmisión, dispersión, difracción, o absorción de radiación electromagnética ya sea en, a través, o desde uno o más elementos de procesamiento (esto es, elementos computacionales integrados). En consecuencia, la luz interactuada ópticamente se refiere a la radiación electromagnética que ha sido reflejada, transmitida, dispersada, difractada, o absorbida por, emitida, o re irradiada, por ejemplo, utilizando los elementos computacionales integrados, pero también puede aplicar a la interacción con un fluido o cualquier otra sustancia.

* Como se utiliza en este documento, el término "muestra", o variaciones del mismo, se refiere a por lo menos una porción de una sustancia o composición química de interés a ser probada o de otra forma evaluada utilizando el analizador de características de mano (y el(los) dispositivo(s) óptico (s) de computación de acompañamiento) descrito en este documento. La muestra incluye la característica de interés, como se definió anteriormente, y puede ser cualquier fluido, como se define en este documento, o de otra forma cualquier sustancia o material sólido tal como, pero no limitado a, formaciones de roca, concreto, mampostería (esto es, ladrillos, baldosas, etc.), fibra de vidrio, compuestos, metales, suelo, soldaduras, plásticos, otras superficies sólidas, y similares.

El analizador de características de mano ejemplar descrito en este documento, y sus diferentes modalidades alternativas, incluirán o de otra manera formarán parte de al menos un dispositivo óptico de computación para monitoreo en tiempo real o casi en tiempo real en el sitio de una o más composiciones químicas, tal como una sustancia peligrosa o un contaminante presente dentro de un fluido de muestra u otra sustancia. El dispositivo óptico de computación puede incluir una fuente de radiación electromagnética, al menos un elemento de procesamiento (p.ej., elementos computacionales integrados), y al menos un detector dispuesto para recibir la luz interactuada ópticamente desde dicho al menos un elemento de procesamiento. Como se divulgue más adelante, sin embargo, en algunas modalidades, la fuente de radiación electromagnética se puede omitir del dispositivo óptico de computación y en su lugar la radiación electromagnética se puede derivar de la luz ambiental (p.ej., el sol, fluorescencia o luminiscencia natural, u otra luz artificial) o la composición o sustancia química en sí. En algunas modalidades, los dispositivos ópticos de computación ejemplares pueden estar específicamente configurados para detectar, analizar, y medir cuantitativamente una característica o analítico particular de interés de la composición química. En otras modalidades, los dispositivos ópticos de computación pueden ser dispositivos ópticos de propósito general, con procesamiento post-adquisición (p.ej., a través de medios de computadora) que se utiliza para detectar específicamente la característica de interés.

En algunas modalidades, los componentes estructurales adecuados para los dispositivos ópticos de computación ejemplares se describen en los documentos de propiedad común de Patente de los Estados Unidos Nos.6,198,531; 6,529,276; 7,123,844; 7,834,999; 7,911,605; 7,920,258; y 8,049,881, cada uno de los cuales se incorpora en este documento por referencia en su totalidad, y los documentos de Solicitud de Patente de los Estados Unidos Nos. de Serie 12/094,460; 12/094,465; y 13/456,467, cada uno de los cuales también se incorpora en este documento por referencia en su totalidad. Como se apreciará, pueden ser adecuadas variaciones de los componentes estructurales de los dispositivos ópticos de computación descritos en las patentes y solicitudes de patente mencionadas anteriormente, sin apartarse del alcance de la divulgación, y por lo tanto, no se deben considerar limitando las diferentes modalidades que se divulgan en este documento.

Los dispositivos ópticos de computación descritos en las patentes y solicitudes de patente anteriores combinan la ventaja de la potencia, precisión y exactitud asociadas con los espectrómetros de laboratorio, mientras son extremadamente robustos y adecuados para su uso en campo. Además, los dispositivos ópticos de computación pueden llevar a cabo cálculos (análisis) en tiempo real o casi en tiempo real sin la necesidad de extracciones y procesamientos tardados de muestras. En este respecto, los dispositivos ópticos de computación pueden estar específicamente configurados para detectar y analizar características y/o analitos particulares de interés de una composición química, tal como una sustancia peligrosa o un contaminante presente dentro de un fluido de muestra u otra sustancia. Como resultado, se discriminan las señales de interferencia de aquellas de interés en el fluido de muestra u otra sustancia por la .configuración apropiada de los dispositivos ópticos de computación, de tal forma que los dispositivos ópticos de computación proporcionan una respuesta rápida con respecto a la(s) característica(s) de interés con base en la salida detectada. En algunas modalidades, la salida detectada se puede convertir en un voltaje que es distintivo de la magnitud de la característica que está siendo monitoreada en el fluido o sustancia. Las ventajas anteriores y otras hacen al analizador de características de mano ejemplar, y sus dispositivos ópticos de computación de acompañamiento, particularmente bien adecuados para su uso en campo para cualquier aplicación industrial.

El(los) dispositivo (s) óptico(s) de computación dispuesto(s) en el analizador de carácter!sticas de mano ejemplar puede(n) estar configurado(s) para detectar no solamente la composición y concentraciones de una sustancia peligrosa o contaminante en un fluido de muestra o sustancia, sino que también puede(n) estar configurado (s) para determinar las propiedades físicas y otras características de la sustancia peligrosa o contaminante, con base en un análisis de la radiación electromagnética recibida desde la sustancia peligrosa o contaminante en particular. Por ejemplo, los dispositivos ópticos de computación pueden estar configurados para determinar la concentración de un analito y correlacionar la concentración determinada con una característica de una sustancia peligrosa al utilizar medios de procesamiento adecuados. Como se apreciará, los dispositivos ópticos de computación pueden estar configurados para detectar tantas sustancias peligrosas o tantas características o analitos de la sustancia peligrosa como se desee en la muestra de fluido o sustancia. Todo lo que se requiere para lograr el onitoreo de múltiples características es la incorporación de medios de procesamiento y detección adecuados con el dispositivo óptico de computación para cada sustancia peligrosa o contaminante. En algunas modalidades, las propiedades de la sustancia peligrosa pueden ser una combinación de las propiedades de los analitos detectados en la misma (p.ej., una combinación lineal, no lineal, logarítmica, y/o exponencial). En consecuencia, mientras más características y analitos se detecten y analicen utilizando los dispositivos ópticos de computación, se determinarán de manera más precisa las propiedades de la sustancia peligrosa dada.

Los dispositivos ópticos de computación descritos en este documento utilizan radiación electromagnética para llevar a cabo los cálculos, contrario a los circuitos cableados de procesadores electrónicos convencionales. Cuando la radiación electromagnética interactúa con una sustancia peligrosa en un fluido de muestra u otra sustancia, la información física y química única acerca de la sustancia peligrosa se puede codificar en la radiación electromagnética que se refleja de, se transmite a través, o se irradia desde la sustancia peligrosa. Esta información a menudo se denomina como la "huella" espectral de la sustancia peligrosa. Los dispositivos ópticos de computación descritos en este documento son capaces de extraer la información de la huella espectral de múltiples características o analitos y convertir esa información en una salida detectable con respecto a las propiedades generales de la sustancia peligrosa. Esto es, a través de configuraciones adecuadas de los dispositivos ópticos de computación, se puede separar la radiación electromagnética asociada con una característica o analito de interés de una sustancia peligrosa a partir de la radiación electromagnética asociada con todos los componentes del fluido de muestra o sustancia con el fin de estimar las propiedades de la sustancia peligrosa en tiempo real o casi en tiempo real.

Como se mencionó anteriormente, los elementos de procesamiento que se utilizan en los dispositivos ópticos de computación descritos en este documento se pueden caracterizar como elementos computacionales integrados (ICE, Integrated Computational Elements). Cada ICE es capaz de distinguir la radiación electromagnética relacionada con una característica de interés que corresponde a una sustancia peligrosa de la radiación electromagnética relacionada con otros componentes de la sustancia peligrosa o el fluido de muestra o sustancia donde se encuentra la sustancia peligrosa. Haciendo referencia a la Figura 1, se ilustra un ICE 100 ejemplar adecuado para su uso en los dispositivos ópticos de computación que se utilizan en el analizador de características de mano ejemplar descrito en este documento. Como se ilustra, el ICE 100 puede incluir una pluralidad de capas alternantes 102 y 104, tal como silicio (Si) y S1O2 (cuarzo), respectivamente. En general, estas capas 102, 104 consisten de materiales cuyo índice de refracción es alto y bajo, respectivamente. Otros ejemplos podrían incluir niobia y niobio, germanio y germania, MgF2, S1O2, y otros materiales de índice alto y bajo conocidos en la materia. Las capas 102, 104 pueden estar depositadas estratégicamente en un sustrato óptico 106. En algunas modalidades, el sustrato óptico 106 es vidrio óptico BK-7. En otras modalidades, el sustrato óptico 106 puede ser otro tipo de sustrato óptico, tal como el cuarzo, zafiro, silicio, germanio, seleniuro de zinc, sulfuro de zinc, o diferentes plásticos tales como el policarbonato, polimetilmetacrilato (PMMA, Polymethylmethacrylate), polivinilcloruro (PVC, Polyvinylchloride), diamante, cerámica, combinaciones de los mismos, y similares.

En el extremo opuesto (p.ej., opuesto al sustrato óptico 106 en la Figura 1), el ICE 100 puede incluir una capa 108 que está generalmente expuesta al entorno del dispositivo o instalación. El número de capas 102, 104 y el espesor de cada capa 102, 104 se determinan a partir de los atributos espectrales adquiridos desde un análisis espectroscópico de una característica de interés (p.ej., una composición química de una sustancia peligrosa o contaminante) utilizando un instrumento espectroscópico convencional. El espectro de interés de una característica dada de interés por lo general incluye cualquier número de diferentes longitudes de onda. Se debe entender que el ICE 100 ejemplar en la Figura 1 no representa de hecho ninguna característica particular de interés, pero se proporciona para propósitos de ilustración solamente. En consecuencia, el número de capas 102, 104 y sus espesores relativos, como se muestra en la Figura 1, no guarda correlación con ninguna característica de interés. Ni las capas 102, 104 y sus espesores relativos están dibujados necesariamente a escala, y por lo tanto no se deben considerar limitando la presente divulgación. Por otra parte, aquellos experimentados en la materia reconocerán fácilmente que los materiales que componen cada capa 102, 104 (esto es, Si y Si02) pueden variar, dependiendo de la aplicación, costo de los materiales, y/o aplicabilidad de los materiales al fluido de muestra o sustancia que se está monitoreando.

En algunas modalidades, se puede impurificar el material de cada capa 102, 104 o se pueden combinar dos o más materiales en una manera para lograr la característica óptica deseada. Además de los sólidos, el ICE 100 ejemplar puede también contener líquidos y/o gases, opcionalmente en combinación con sólidos, con el fin de producir una característica óptica deseada. En el caso de los gases y los líquidos, el ICE 100 puede contener un buque correspondiente (no mostrado), que aloja los gases o líquidos. Variaciones ejemplares del ICE 100 pueden también incluir elementos ópticos holográficos, rejillas, piezoeléctricos, tubo de luz, tubo de luz digital (DLP, Digital Light Pipe), y/o elementos acústico-ópticos, por ejemplo, que pueden crear transmisión, reflexión, y/o propiedades absorbentes de interés.

Las múltiples capas 102, 104 exhiben diferentes indices refractivos. Al seleccionar apropiadamente los materiales de las capas 102, 104 y su espesor y espaciamiento relativos, el ICE 100 se puede configurar para pasar/reflejar/refractar selectivamente fracciones predeterminadas de radiación electromagnética en diferentes longitudes de onda. Cada longitud de onda tiene una ponderación o factor de carga predeterminado. El espesor y espaciamiento de las capas 102, 104 se pueden determinar utilizando una variedad de métodos de aproximación a partir del espectrograma de la característica o analito de interés. Estos métodos pueden incluir la transformada inversa de Fourier (IFT, Inverse Fourier Transform) del espectro de transmisión óptica y estructurar el ICE 100 como la representación física de la IFT. Las aproximaciones convierten la IFT en una estructura con base en materiales conocidos con índices refractivos constantes. Información adicional con respecto a las estructuras y diseño de los elementos computacionales integrados ejemplares (también denominados como elementos ópticos multivariados) se proporciona en Applied Optics, (Óptica Aplicada), Vol.35, pp. 5484-5492 (1996) y Vol.129, pp. 2876-2893, el cual se incorpora en la presente por referencia.

Las ponderaciones que las capas 102, 104 del ICE 100 aplican en cada longitud de onda se establecen en las ponderaciones de regresión descritas con respecto a una ecuación, o datos, o firma espectral conocida. Brevemente, el ICE 100 puede estar configurado para llevar a cabo el producto de punto del haz de luz de entrada en el ICE 100 y un vector de regresión cargado deseado representado por cada capa 102, 104 para cada longitud de onda. Como resultado, la intensidad de la luz de salida del ICE 100 se relaciona con la característica o analito de interés. Detalles adicionales con respecto a cómo es capaz el ICE 100 ejemplar de distinguir y procesar la radiación electromagnética relacionada con la característica o analito de interés se describen en los documentos de Patente de los Estados Unidos Nos. 6,198,531; 6,529,276; y 7,920,258, previamente incorporados en este documento por referencia.

Haciendo referencia ahora a la Figura 2, se ilustra un diagrama de bloques que ilustra no mecánicamente cómo un dispositivo óptico de computación 200 es capaz de distinguir la radiación electromagnética relacionada con una característica de interés de otra radiación electromagnética. Como se muestra en la Figura 2, después de ser iluminada con radiación electromagnética incidente, una muestra 202 produce una salida de radiación electromagnética (p.ej., luz interactuada de muestra), parte de la cual es la radiación electromagnética 204 que corresponde a la característica de interés y parte de la cual es radiación electromagnética de fondo 206 que corresponde a otros componentes o características de la muestra 202. En algunas modalidades, la muestra 202 puede ser influido, pero en otras modalidades puede ser una sustancia sólida, como se define en este documento. Por otra parte, en algunas modalidades, la muestra 202 puede incluir una sustancia peligrosa o un contaminante y la característica de interés puede corresponder a la sustancia peligrosa y/o contaminante.

Aunque no se muestra específicamente, se pueden emplear uno o más elementos espectrales en el dispositivo 200 con el fin de restringir las longitudes de onda y/o anchos de banda ópticos del sistema y de esta manera eliminar la radiación electromagnética no deseada existente en las regiones de longitud de onda que no tienen importancia. Tales elementos espectrales se pueden ubicar en cualquier parte a lo largo del tren óptico, pero se emplean por lo general directamente después de la fuente de luz (si está presente), que proporciona la radiación electromagnética inicial. Se pueden encontrar diferentes configuraciones y aplicaciones de los elementos espectrales en dispositivos ópticos de computación en los documentos de propiedad común de Patente de los Estados Unidos Nos. 6,198,531; 6,529,276; 7,123,844; 7,834,999; 7,911,605; 7,920,258; 8,049,881, y los documentos de Solicitud de Patente de los Estados Unidos Nos. de Serie 12/094,460 (Publicación de Solicitud de Patente de los Estados Unidos No. 2009/0219538); 12/094,465 (Publicación de Solicitud de Patente de los Estados Unidos No.2009/0219539); y 13/456,467, incorporados por referencia en este documento, como se indicó anteriormente.

Los haces de radiación electromagnética 204, 206 inciden sobre un ICE 208 ejemplar dispuesto dentro del dispositivo óptico de computación 200. El ICE 208 puede ser similar al ICE 100 de la Figura 1, y por lo tanto no se describirá nuevamente a detalle. En la modalidad que se ilustra, el ICE 208 puede estar configurado para producir luz interactuada ópticamente, por ejemplo, la luz interactuada ópticamente transmitida 210 y la luz interactuada ópticamente reflejada 214. En operación, el ICE 208 puede estar configurado para distinguir la radiación electromagnética 204 de la radiación electromagnética de fondo 206.

La luz interactuada ópticamente transmitida 210, la cual se puede relacionar con la característica de interés en la muestra 202, se puede transmitir a un detector 212 para su análisis y cuantificación. En algunas modalidades, el detector 212 está configurado para producir una señal de salida en la forma de un voltaje que corresponde a la característica particular de interés, tal como una concentración de una sustancia peligrosa encontrada en la muestra 202. En al menos una modalidad, la señal producida por el detector 212 y la concentración de la característica de interés pueden ser directamente proporcionales. En otras modalidades, la relación puede ser una función polinomial, una función exponencial, y/o una función logarítmica. La luz interactuada ópticamente reflejada 214, la cual se puede relacionar con las características de otros componentes y composiciones químicas de la muestra 202, se puede dirigir lejos del detector 212. En configuraciones alternativas, el ICE 208 puede estar configurado de tal forma que la luz interactuada ópticamente reflejada 214 se puede relacionar con la característica de interés, y la luz interactuada ópticamente transmitida 210 se puede relacionar con otras composiciones químicas y/o componentes de la muestra 202.

En algunas modalidades, un segundo detector 216 se puede incluir en el dispositivo óptico de computación 200 y disponer para detectar la luz interactuada ópticamente reflejada 214. En otras modalidades, el segundo detector 216 puede estar dispuesto para detectar la radiación electromagnética 204, 206 que se deriva de la muestra 202 o la radiación electromagnética que se dirige hacia o delante de la muestra 202. Sin limitación, el segundo detector 216 se puede utilizar para detectar desviaciones de radiación que se derivan de una fuente de radiación electromagnética (no mostrada), que proporciona la radiación electromagnética (esto es, luz) al dispositivo 200. Por ejemplo, las desviaciones de radiación pueden incluir cosas tales como, pero no limitado a, fluctuaciones de intensidad en la radiación electromagnética, fluctuaciones interferentes (p.ej., polvo u otros interferentes que pasan enfrente de la fuente de radiación electromagnética), recubrimientos o ventanas incluidos en el dispositivo óptico de computación 200, combinaciones de los mismos, o similares. En algunas modalidades, se puede emplear un divisor de haz (no mostrado) para dividir la radiación electromagnética 204, 206, y la radiación electromagnética transmitida o reflejada se puede entonces dirigir a uno o más ICEs 208. Esto es, en tales modalidades, el ICE 208 no funciona como un tipo de divisor de haz, como se representa en la Figura 2, y la radiación electromagnética transmitida o reflejada simplemente pasa a través del ICE 208, siendo procesada computacionalmente en el mismo, antes de transmitirse a o ser detectado de otra forma por el detector 212.

La(s) característica(s) del fluido 202 de interés que está(n) siendo analizada(s) utilizando el dispositivo óptico de computación 200 se puede(n) procesar computacionalmente adicionalmente para proporcionar información de caracterización adicional acerca de la muestra 202, o cualquier sustancia peligrosa o contaminante presente en la misma. En algunas modalidades, la identificación y concentración de cada analito de interés en la muestra 202 se puede utilizar para predecir ciertas características físicas de la muestra 202. Por ejemplo, las características en general de la muestra 202 se pueden estimar al utilizar una combinación de las propiedades conferidas a la muestra 202 por cada analito.

En algunas modalidades, la concentración o magnitud de la característica de interés determinada utilizando el dispositivo óptico de computación 200 se puede alimentar a un algoritmo que opera bajo control de computadora. El algoritmo puede estar configurado para hacer predicciones acerca de cómo cambiarían las características de la muestra 202 si las concentraciones de la característica de interés se cambian una con relación a otra. En algunas modalidades, el algoritmo puede producir una salida que es legible por un operador para su consideración. Por ejemplo, con base en la salida, el operador puede desear emprender alguna acción correctiva para remediar, reducir, o de otra forma prevenir la detección futura de una sustancia peligrosa o contaminante monitoreado. En otras modalidades, el algoritmo se puede programar para tomar control proactivo de proceso al iniciar automáticamente un esfuerzo correctivo cuando se reporta o de otra forma se detecta un nivel predeterminado de toxicidad de la sustancia peligrosa.

El algoritmo puede ser parte de una red neuronal artificial configurado para utilizar la concentración de cada sustancia peligrosa detectada con el fin de evaluar la(s) característica(s) general(es) de la muestra 202 y de esta manera determinar cuándo se ha alcanzado o sobrepasado de otra forma un nivel de toxicidad predeterminado. Redes neuronales artificiales ilustrativas, pero no limitativas, se describen en los documentos de propiedad común de Solicitudes de Patente de los Estados Unidos No.11/986,763 (Publicación de Solicitud de Patente de los Estados Unidos No. 2009/0182693), la cual se incorpora en este documento por referencia. Se debe reconocer que una red neuronal artificial se puede entrenar utilizando muestras de características predeterminadas de interés tales como sustancias peligrosas y contaminantes conocidos, que tienen concentraciones, composiciones, y/o propiedades conocidas y de esta manera generar una librería virtual. Mientras la librería virtual disponible para la red neuronal artificial se hace más grande, la red neuronal puede hacerse más capaz de predecir con precisión las características de interés que corresponden a un fluido de muestra u otra sustancia que tiene cualquier número de analitos presentes en el mismo. Además, con entrenamiento suficiente, la red neuronal artificial puede predecir con más precisión las características del fluido de muestra o sustancia, aún en la presencia de sustancias peligrosas o contaminantes desconocidos.

Se reconoce que las diferentes modalidades dirigidas en este documento al control de computadora y las redes neuronales artificiales, incluyendo los diferentes bloques, módulos, elementos, componentes, métodos, y algoritmos, se pueden implementar utilizando hardware, software de computadora, combinaciones de los mismos, y similares. Para ilustrar esta intercambiabilidad de hardware y software, se describen diferentes bloques, módulos, elementos, componentes, métodos y algoritmos ilustrativos generalmente en términos de su funcionalidad. Si tal funcionalidad se implementa como hardware o software dependerá de la aplicación particular y cualquier restricción de diseño impuesta. Por al menos esta razón, se debe reconocer que alguien experimentado en la materia puede implementar la funcionalidad descrita en una variedad de formas para una aplicación en particular. Además, los diferentes componentes y bloques se pueden acomodar en un orden diferente o particionar de manera diferente, por ejemplo, sin apartarse del alcance de las modalidades descritas expresamente.

El hardware de computadora que se utiliza para implementar los diferentes bloques, módulos, elementos, componentes, métodos, y algoritmos ilustrativos descritos en este documento puede incluir un procesador configurado para ejecutar una o más secuencias de instrucciones, instancias de programación, o código almacenado en un medio legible por computadora no transitorio. El procesador puede ser, por ejemplo, un microprocesador de propósito general, un microcontrolador, un procesador de señal digital, un circuito integrado de aplicación especifica, un antenaje de puerta de campo programadle, un dispositivo lógico programable, un controlador, una máquina de estado, lógica cerrada, componentes discretos de hardware, una red neuronal artificial, o cualquier entidad similar adecuada que pueda llevar a cabo los cálculos u otras manipulaciones de datos. En algunas modalidades, el hardware de computadora puede además incluir elementos tales como, por ejemplo, una memoria (p.ej., memoria de acceso aleatorio (RAM, Random Access Memory), memoria flash, memoria de sólo lectura (ROM, Read Only Memory), memoria de sólo lectura programable (PROM, Programmable Read Only Memory), memoria de sólo lectura borrable programable (EPROM, Erasable Programmable Read-Only Memory)), registros, discos duros, discos removibles, CD-ROMs, DVDs, o cualquier otro dispositivo o medio de almacenamiento adecuado similar.

Las secuencias ejecutables descritas en este documento se pueden implementar con una o más secuencias de código contenidas en una memoria. En algunas modalidades, tal código se puede leer en la memoria desde otro medio legible por máquina. La ejecución de las secuencias de instrucciones contenidas en la memoria puede provocar que un procesador lleve a cabo los pasos del proceso descritos en este documento. También se pueden emplear uno o más procesadores en una disposición de multi-procesamiento para ejecutar las secuencias de instrucciones en la memoria. Además, se pueden utilizar circuitos cableados en lugar de o en combinación con instrucciones de software para implementar diferentes modalidades descritas en este documento. Por lo tanto, las presentes modalidades no se limitan a ninguna combinación especifica de hardware y/o software.

Como se utiliza en este documento, un medio legible por máquina se referirá a cualquier medio que proporciona directamente o indirectamente instrucciones a un procesador para su ejecución. Un medio legible por máquina puede tomar muchas formas incluyendo, por ejemplo, medios no volátiles, medios volátiles, y medios de transmisión. Los medios no volátiles pueden incluir, por ejemplo, discos ópticos y magnéticos. Los medios volátiles pueden incluir, por ejemplo, memoria dinámica. Los medios de transmisión pueden incluir, por ejemplo, cables coaxiales, alambre, fibra óptica, y alambres que forman un enlace común (bus) . Las formas comunes de medios legibles por máquina pueden incluir, por ejemplo, discos floppy, discos flexibles, discos duros, cintas magnéticas, otros medios magnéticos similares, CD-ROMs, DVDs, otros medios ópticos similares, tarjetas perforadas, cintas de papel y medios físicos similares con agujeros en patrón, RAM, ROM, PROM, EPROM y flash EPROM.

En algunas modalidades, los datos recopilados utilizando los dispositivos ópticos de computación se pueden archivar junto con los datos asociados con los parámetros operacionales que están siendo registrados en un sitio de trabajo. Después, la evaluación de desempeño de trabajo se puede valorar y mejorar para operaciones futuras o tal información se puede utilizar para diseñar operaciones subsecuentes. Además, los datos e información se pueden comunicar (alámbricamente o inalámbricamente) a una ubicación remota por medio de un sistema de comunicación (p.ej., comunicación satelital o comunicación de red de área amplia) para análisis adicional. El sistema de comunicación puede también permitir que se lleve a cabo el monitoreo y operación remotos de un proceso. El control automatizado con un sistema de comunicación de largo alcance puede facilitar adicionalmente el desempeño de operaciones de trabajo remoto. En particular, una red neuronal artificial se puede utilizar en algunas modalidades para facilitar el desempeño de las operaciones de trabajo remoto. Esto es, las operaciones de trabajo remoto se pueden conducir automáticamente en algunas modalidades. En otras modalidades, sin embargo, pueden ocurrir operaciones de trabajo remoto bajo el control de operador directo, donde el operador no está en el sitio de trabajo pero es capaz de acceder al sitio de trabajo por medio de comunicación inalámbrica.

Haciendo referencia ahora a las Figuras 3A y 3B, se ilustran respectivamente las vistas lateral y en perspectiva, de un analizador de características de mano 300 ejemplar, de acuerdo con una o más modalidades. Mientras se representa y se describen este documento un diseño particular del analizador de características de mano 300, aquellos experimentados en la materia apreciarán fácilmente que se pueden hacer diferentes modificaciones y alteraciones de diseño al analizador de características de mano 300. Por ejemplo, mientras el analizador de características de mano 300 se ilustra como diseñado generalmente en la forma de una pistola o similar, aquellos experimentados en la materia apreciarán que también se pueden utilizar otras formas y configuraciones de diseño y no obstante estar dentro del alcance de la divulgación. En algunas modalidades, por ejemplo, el analizador 300 puede simplemente estar configurado como un dispositivo portátil que se podría emplear en el sitio para análisis químico y/o de sustancias en tiempo real o casi en tiempo real.

Como se ilustra, en algunas modalidades, el analizador de características de mano 300 puede tener un mango 302 para agarrar o de otra forma sostener el analizador de características de manó 300, y un alojamiento 304 para encerrar los diferentes componentes internos del analizador 300. En otras modalidades, el analizador 300 se puede agarrar o de otra forma sostener manualmente en otras configuraciones variables, sin apartarse del alcance de la divulgación. En algunas modalidades, el mango 302 forma parte del alojamiento 304, pero en otras modalidades, el mango 302 se extiende desde el alojamiento 304 como un componente separado del mismo. El mango 302 puede definir o de otra forma proporcionar un mecanismo de gatillo 306 que se puede activar manualmente por un usuario cuando se desea iniciar o de otra forma activar el analizador de características de mano 300 y de esta manera proporcionar una medición o lectura. En algunas modalidades, el analizador de características de mano 300 puede también estar configurado para capturar una imagen de luz visual, similar a una cámara digital, y el mecanismo del gatillo 306 puede además estar configurado para iniciar la captura de la imagen de luz visual. En consecuencia, activar el analizador de características 300 también se puede referir a la captura, registro, y/o visualización de una imagen de luz visual.

El alojamiento 304, o el mismo analizador 300, puede tener un extremo de detección 308a y un extremo de salida 308b. En el extremo de detección 308a, el analizador 300 puede estar configurado para capturar la radiación electromagnética proporcionada desde una muestra 310 y de esta manera de terminar una característica de interés en la muestra 310. La muestra 310 puede ser similar a la muestra 202 de la Figura 2 y, por lo tanto, puede incluir cualquier fluido o sustancia sólida como se define generalmente en este documento. En una o más modalidades, la muestra 310 puede incluir al menos una sustancia peligrosa o contaminante presente en la misma, y la característica de interés como se determina por medio del analizador 300 puede ser indicativa de una concentración de la sustancia peligrosa o contaminante como se mide en la muestra 310.

Con el fin de determinar la característica de interés en la muestra 310, el analizador 300 puede utilizar un dispositivo óptico de computación 312 dispuesto en el mismo y configurado para interactuar ópticamente con la muestra 310. En algunas modalidades, el dispositivo óptico de computación 312 puede ser similar al dispositivo óptico de computación 200 de la Figura 2. En al menos una modalidad, sin embargo, el analizador 300 en sí se puede caracterizar como el dispositivo óptico de computación con los diferentes componentes del dispositivo óptico de computación 312 dispuestos en el mismo para su funcionalidad apropiada.

En operación, el extremo de detección 308a del analizador 300 se puede apuntar a la muestra 310 y subsecuentemente se puede accionar el mecanismo de gatillo 306 para iniciar una lectura desde el analizador 300. El accionamiento del mecanismo de gatillo 306, y como se describirá a mayor detalle más adelante, el dispositivo óptico de computación 312 puede estar configurado para recibir y detectar radiación interactuar ópticamente como se deriva a partir de la muestra 310. En al menos una modalidad, el dispositivo óptico de computación 312 puede estar configurado para proporcionar un impulso inicial de radiación electromagnética a la muestra 310 desde una fuente de radiación electromagnética (no mostrada) con el fin de generar la radiación interactuada ópticamente. En otras modalidades, sin embargo, la luz ambiental, tal como la luz del sol u otra luz artificial, puede proporcionar suficiente radiación electromagnética de tal forma que la luz interactuada ópticamente que corresponde a la muestra 310 es generada y detectable por el dispositivo óptico de computación 312.

El dispositivo óptico de computación 312 puede estar acoplado comunicativamente a un procesador de señal 314 también dispuesto dentro del alojamiento 304 o de otra manera formando parte del analizador 300. En tiempo real o casi en tiempo real, el dispositivo óptico de computación 312 puede estar configurado para generar una señal de salida 316 que corresponde a la característica particular de interés como se detecta en la muestra 310. La señal de salida 316 puede ser transmitida al procesador de señal 314 el cual convierte la señal de salida 316 en una señal de salida resultante 318 indicativa de la característica de interés. El procesador de señal 314 puede estar acoplado comunicativamente a una o más interfaces de comunicación y de otra forma configurado para transmitir la señal de salida resultante 318 a las mismas. Por ejemplo, una interfaz de comunicación puede ser un puerto de comunicación 320 (compatible con Ethernet, USB, etc.) definido o de otra forma proporcionado en el analizador 300 el cual permite al analizador 300 acoplarse a un dispositivo de procesamiento externo 321, tal como una computadora, un disco duro, una computadora de mano, un asistente personal digital (PDA, Personal Digital Assistant), un otro dispositivo de transmisión inalámbrica. Una vez acoplado al dispositivo de procesamiento externo 321, el procesador de señal 314 puede ser capaz de descargar datos (p.ej., datos relacionados con la característica de interés) al mismo, por ejemplo, desde una memoria a bordo que forma parte del procesador de señal 314.

En otras modalidades, la interfaz de comunicación puede ser un transmisor o enlace inalámbrico 322 dispuesto dentro del alojamiento 304. El procesador de señal 314 puede estar acoplado comunicativamente al enlace inalámbrico 322 y configurado para transmitir la señal de salida resultante 318 al mismo, el cual puede operar de acuerdo con cualquier teenología inalámbrica conocida (p.ej., Bluetooth, Wi-Fi, etc.) y por lo tanto estar configurado para telecomunicación inalámbrica con cualquier dispositivo inalámbrico remoto 323, tal como, pero no limitado a, radios, teléfonos celulares, PDAs, redes inalámbricas, telecomunicaciones satelitales, y similares.

En todavía otras modalidades, la interfaz de comunicación puede ser una interfaz gráfica de usuario (GUI, Graphical User Interface) 324 dispuesta en o de otra manera formando parte del alojamiento 304 del analizador 300 y el extremo de salida 308b. El procesador de señal 314 puede estar acoplado comunicativamente a la GUI 324 y configurado para transmitir la señal de salida resultante 318 a la misma. La GUI 324 puede estar configurada para proporcionar una o más representaciones visuales de la característica de interés como se detecta en la muestra 310. En algunas modalidades, la GUI 324 puede ser una pantalla táctil capacitiva, pantalla de cristal líquido, u otro tipo de pantalla electrónica de visualización. La GUI 324 puede incluir un teclado de entrada física (no mostrado), o similar, habilitando de esta manera al usuario para que se comunique interactivamente con el procesador de señal 314 y el analizador 300.

Como se ilustra en la Figura 3B, la GUI 324 puede ser capaz de proporcionar al usuario una pantalla de imágenes que representa, por ejemplo, un espectro óptico 326 de la característica de interés detectada. Las modalidades que se contemplan en este documento, sin embargo, además incluyen la GUI 324 como siendo capaz de desplazarse interactivamente entre una pantalla de imágenes, a una pantalla de promedios, a una pantalla composicional o de características, etc. La GUI 324 puede estar configurada para mostrar gráficas que muestran concentraciones cambiantes de diferentes químicos calculadas a partir de las lecturas de espectros. En algunas modalidades, la GUI 324 puede estar configurada para mostrar los niveles de concentración de varias sustancias o compuestos químicos simultáneamente, y/o el nivel de coincidencia con un compuesto o característica. Esto puede resultar especialmente útil o conveniente en la determinación de grados, tipos, y/o clases de petróleo, donde cada grado, tipo, y/o clase tiene principalmente los mismos constituyentes químicos pero en diferentes niveles o concentraciones.

En algunas modalidades, la GUI 324 puede indicar que los niveles de concentración de ciertos químicos han alcanzado o están de otra forma dentro de un límite operacional seguro. La GUI 324 puede estar codificada por colores, donde los colores predeterminados (p.ej., verde, amarillo, rojo) pueden corresponder a concentraciones/características que se consideran neutras, de advertencia, y no seguras, respectivamente. El límite operacional seguro puede ser, por ejemplo, predefinido por un usuario en una forma de químico por químico (o en una forma de característica por característica) cuando se configura inicialmente el analizador 300 para su operación. Adicionalmente, la GUI 324 puede estar configurada para proporcionar o de otra forma mostrar datos de tendencia relacionados con las concentraciones químicas particulares. Tales datos de tendencia pueden tener marca de hora y fecha para conveniencia del usuario. En consecuencia, en al menos una modalidad, la GUI 324 puede estar configurada para presentar los datos de tendencia a través del tiempo, ya sea de la presente muestra 310, o los datos de tendencia derivados de muestras históricas durante un lapso de tiempo más largo o más corto.

En algunas modalidades, la pantalla de imágenes de la GUI 324 puede estar configurada para o de otra forma ser capaz de funcionalidad de superposición de imágenes. Brevemente, la GUI 324 puede ser capaz de combinar dos o más imágenes gráficas y producir una imagen combinada que indica o mejora características particulares de una de las imágenes. Por ejemplo, el analizador 300 puede ser capaz de capturar una imagen de luz visual de un objeto (p.ej., similar a una cámara digital) donde se desea monitorear o de otra forma detectar una muestra 310 de interés. La GUI 324 puede ser programada con un modo de superposición de imágenes que puede estar configurado para superponer la imagen de luz visual capturada con la composición química o información de concentración, como se deriva a través del dispositivo óptico de computación 312. Como se puede apreciar, tal funcionalidad puede resultar conveniente en usos tales como, pero no limitados a, detección de fugas, monitoreo de derrames, inspección de contaminación, etc.

En algunas modalidades, el analizador 300 puede incluir una o más sondas de fibra óptica 328 acopladas comunicativamente a o de otra manera formando parte del dispositivo óptico de computación 312. En algunas modalidades, las sondas de fibra óptica 328 pueden estar configuradas para transmitir radiación electromagnética a la muestra 310 para el propósito de determinar la característica particular de interés. En otras modalidades, las sondas de fibra óptica 328 pueden estar configuradas para transmitir la radiación interactuada ópticamente desde la muestra 310 al dispositivo óptico de computación 312. En todavía otras modalidades, las sondas de fibra óptica pueden estar configuradas para transmitir la radiación electromagnética a la muestra 310 y transmitir la radiación interactuada ópticamente desde la muestra 310 al dispositivo óptico de computación 312.

Las sondas de fibra óptica 328 se pueden unir de manera desprendible o temporalmente al analizador 300 en el extremo de detección 308a. Las sondas de fibra óptica 328 pueden ser cualquier tipo de tubo de luz óptica conocido por aquellos experimentados en la materia incluyendo, pero no limitado a, sondas de fibra óptica de infrarrojos, sondas de fibra óptica de infrarrojo medio, sondas de reflectancia, sondas de fluorescencia, sondas de vista lateral, combinaciones de las mismas, y similares. Detalles adicionales de los tipos y configuraciones de sondas de fibra óptica 328 adecuadas se pueden encontrar en los artículos " Fiber-optic Probes for Mid-infrared Spectrometry", (Sondas de Fibra Óptica para Espectrometría de Infrarrojo Medio), por Peter J. Melling y Mary Thomson, Handbook of Vibratíonal Spectrometry, 2002, y "Fiber Optic Probes for Biomedical Optical Spectroscopy", (Sondas de Fibra Óptica para Espectroscopia Óptica Biomédica), por Urs ützinger y Rebecca R. Richards-Kortum, Journal of Biomedical Optics 8(1), pp 121-147 (Enero de 2003), cada uno de los cuales se incorpora en la presente por referencia en sus totalidades.

Las sondas de fibra óptica 328 pueden proporcionar una solución alternativa para interactuar ópticamente con la muestra 310 en aplicaciones donde puede ser difícil acceder a la muestra 310 o de otra forma está afuera de una línea de visión directa para el extremo de detección 308a del analizador 300. Por ejemplo, las sondas de fibra óptica 328 se pueden avanzar al interior de cavidades y estructuras tubulares, proporcionando de esta manera una forma más fácil de acceder y analizar las composiciones químicas encontradas dentro de buques de almacenamiento, tanques, u otros contenedores sellados que pueden hacer difícil transmitir o recibir la radiación electromagnética directamente desde el extremo de detección 308a del analizador 300. Las sondas de fibra óptica 328 pueden ser especialmente convenientes en aplicaciones donde la muestra 310 es, por ejemplo, lubricante de motor/máquina, refrigerante, fluido hidráulico, o combustibles que están almacenados o contenidos en recipientes cerrados. Mientras el cuerpo 304 del analizador de características de mano 300 puede no ser capaz de acceder al interior de tales recipientes cerrados, las sondas de fibra óptica 328 pueden estar configuradas para penetrar tales recipientes cerrados a través de puertos de acceso designados definidos en los mismos. En consecuencia, las sondas de fibra óptica 328 esencialmente comunican el analizador de características de mano 300 con muestras 310 difíciles de alcanzar.

En algunas modalidades, el analizador 300 puede además incluir una batería u otra fuente de energía utilizada para proporcionar energía a los diferentes componentes internos del analizador 300. Como se representa, la batería puede estar acoplada comunicativamente con al menos cada uno del dispositivo óptico de computación 312, el procesador de señal 314, y la GUI 324. La batería puede ser recargable o reemplazable, dependiendo de la aplicación o consideraciones de diseño para el analizador 300. Aquellos experimentados en la materia, sin embargo, reconocerán fácilmente que están disponibles muchos medios alternativos para energizar el analizador 300, sin apartarse del alcance de la presente divulgación.

Aquellos experimentados en la materia además apreciarán fácilmente las diferentes y numerosas aplicaciones con las cuales puede ser adecuado utilizar el analizador de características de mano 300, y sus configuraciones alternativas. Por ejemplo, la muestra 310 puede ser un lubricante de maquinaria, grasa, fluido hidráulico, o fluido refrigerante, y el analizador 300 puede ser útil en la detección de contaminantes en la muestra 310 tales como, pero no limitados a, agua, hollín, glicol, productos de oxidación, restos de desgaste, partículas de contaminación, bario, calcio, magnesio, fósforo, zinc, hierro, cobre, plomo, combinaciones de los mismos, y similares. El analizador 300 puede también ser útil en la detección de propiedades físicas de la muestra 310 tales como, pero no limitado a, pH, sólidos disueltos totales, opacidad, densidad/gravedad específica, y viscosidad.

En otras modalidades, la muestra 310 puede ser agua para beber, y el analizador 300 puede ser útil en la detección de sustancias peligrosas en la muestra 310 tales como, pero no limitado a, aluminio, cloro, cobre, mercurio, plomo, arsénico, fluoruro, hierro, manganeso, sulfato, zinc, desinfectantes, químicos inorgánicos, combinaciones de los mismos, y similares. En todavía otras modalidades, la muestra 310 puede ser combustible de gasolina o diésel, hidrocarburos en general, diferentes químicos o soluciones de tratamiento, y el analizador 300 puede ser útil en la detección de la concentración de, por ejemplo, agua en la muestra 310.

En todavía otras modalidades, la muestra 310 puede ser un gas, tal como una fuga gaseosa otra emisión gaseosa desde un recipiente de contención o linea de tubería. Por ejemplo, la muestra 310 se puede referir a uno o más gases de hidrocarburo que se fuga de·una línea de tubería, así como uno o más trazadores no tóxicos y/o gases tales como el nitrógeno, dióxido de carbono, y helio. El analizador 300 puede ser útil en la determinación de una característica de la muestra 310, tal como proporcionando imágenes de una composición química específica contenida dentro de la muestra 310. En una aplicación, el analizador 300 se puede dirigir a una soldadura en una línea de tubería u otro accesorio, y la GUI 324 puede estar configurada para proporcionar al usuario una lectura de, por ejemplo, cualquier gas de metano fugándose alrededor de o desde la soldadura. En consecuencia, en tiempo real o casi en tiempo real, se puede proporcionar al usuario un mapa del compuesto químico de interés. Como se puede apreciar, esto se podría aplicar al monitoreo de emisiones y/o detección de fugas en cualquier número de industrias. Esto también se podría aplicar en aplicaciones generales de inspección de línea de tubería, donde se desea determinar si cualquier soldadura o punto de conexión encontrado a lo largo de la longitud de una línea de tubería están sellados apropiadamente.

En algunas modalidades, la muestra 310 puede ser agua de producción separada después de haber emprendido un proceso de separación de agua/petróleo en conjunción con el procesamiento de hidrocarburos mar adentro. A menudo es deseable descargar el agua de producción separada directamente en el océano circundante, eliminando de esta manera el costo de bombear el fluido nuevamente al pozo. Antes de que el agua de producción se pueda descargar en el océano, sin embargo, primero se debe probar rigurosamente, para asegurar, que ésta no contiene ningún aceite u otras impurezas que podrían dañar la vida marina circundante. En consecuencia, el analizador 300 puede ser útil en la determinación de una característica de interés de la muestra 310, que puede corresponder a un contenido de impurezas del agua de producción, tal como la presencia de hidrocarburos, sales, bacterias, precipitados, partículas, marcadores (p.ej., químicos o físicos), metales, compuestos orgánicos y compuestos orgánicos volátiles, aditivos y tratamientos, polímeros, bacterias, virus, microorganismos, tóxicos, u otros componentes de interés.

En otras modalidades, la muestra 310 se puede adquirir y subsecuentemente colocar cerca, sobre, o dentro del analizador 300. Por ejemplo, la muestra 310 se podría adquirir en o dentro de un sustrato o contenedor de muestras, tal como una tira de papel, portaobjetos de microscopio o similares, una pipeta, tubo de prueba, combinaciones de los mismos, y similares. Tal modalidad, por ejemplo, puede funcionar un tanto de manera similar a un medidor de glucosa en la sangre, donde la muestra 310 puede ser introducida físicamente en el analizador 300 en una tira de un solo uso, pero en una configuración o disposición que permite el acceso óptico a la muestra 310 para monitoreo y detección.

En todavía otras modalidades, el analizador de características de mano 300 puede ser utilizado para monitorear o analizar las sustancias o compuestos químicos encontrados en los dispositivos de inspección en línea, comúnmente llamados "pigs". Por ejemplo, los pigs que han sido recuperados desde una línea de tubería, por lo general una línea de gas, a menudo se pueden cubrir en sustancias o compuestos químicos comúnmente denominados como "polvo negro". El analizador 300 puede ser útil en el análisis de los contenidos del polvo negro acumulado, el cual podría ser tóxico, radioactivo, o de otra forma peligroso. En cooperación, el analizador 300 se puede utilizar para determinar si el polvo negro es inofensivo o peligroso, o para verificar que el pig ha sido limpiado apropiadamente después de su recuperación y limpieza.

Haciendo referencia ahora a la Figura 4, con referencia continua a las Figuras 3A-3B, se ilustra una vista esquemática ejemplar del dispositivo óptico de computación 312, de acuerdo con una o más modalidades. Como se discutió brevemente antes, en operación, el dispositivo óptico de computación 312 puede estar configurado para determinar una característica particular de interés en la muestra 310, tal como una concentración de una sustancia peligrosa o contaminante que puede estar presente dentro de la muestra 310. Saber la concentración de las sustancias peligrosas o contaminantes conocidos puede ayudar a determinar la calidad general o sanidad de la muestra 310 y de otra forma indicar una necesidad de remediar los niveles potencialmente indeseables de las sustancias peligrosas.

Como se ilustra, el dispositivo óptico de computación 312 puede estar alojado dentro de una carcasa o alojamiento 402. En al menos una modalidad, el alojamiento 402 puede ser el mismo que el alojamiento 304 del analizador de características de mano 300 de las Figuras 3A-3B. En otras modalidades, sin embargo, el alojamiento 402 puede ser distinto al alojamiento 304 y de otra forma configurado para proteger sustancialmente los componentes internos del dispositivo 312 del daño o contaminación de la muestra 310 u otros contaminantes externos. En tales implementaciones, el alojamiento 402 puede operar para acoplar mecánicamente el dispositivo 312 al analizador de características de mano 300 con, por ejemplo, sujetadores mecánicos, téenicas de soldadura fuerte o suave, adhesivos, imanes, combinaciones de los mismos, o similares.

En una o más modalidades, el dispositivo 312 puede incluir una fuente de radiación electromagnética 404 configurada para emitir o de otra forma generar radiación electromagnética 406. La fuente de radiación electromagnética 404 puede ser cualquier dispositivo capaz de emitir o generar radiación electromagnética, como se define en este documento. Por ejemplo, la fuente de radiación electromagnética 404 puede ser una bombilla de luz, un diodo de emisión de luz (LED, Light Emitting Diode) , un láser, un cuerpo negro, un cristal fotónico, una fuente de rayos X, combinaciones de los mismos, o similares. En algunas modalidades, un lente 408 puede estar configurado para captar o de otra forma residir la radiación electromagnética 406 y dirigir un haz 410 de radiación electromagnética 406 hacia una ubicación para detectar la muestra 310. El lente 408 puede ser cualquier tipo de dispositivo óptico configurado para transmitir o de otra forma comunicar la radiación electromagnética 406 como se desee. Por ejemplo, el lente 408 puede ser un lente normal, un lente Fresnel, un elemento óptico difractivo, un elemento gráfico holográfico, un espejo (p.ej., un espejo de enfoque), un tipo de colimador, o cualquier otro dispositivo de transmisión de radiación electromagnética conocido por aquellos experimentados en la materia. En otras modalidades, los lentes 408 pueden omitirse del dispositivo 312 y la radiación electromagnética 406 puede más bien ser dirigida hacia la muestra 300 directamente desde la fuente de radiación electromagnética 404.

En una o más modalidades, el dispositivo 312 puede también incluir una ventana de muestreo 412. En al menos una modalidad, la ventana de muestreo 412 puede formar parte del alojamiento 304 del analizador de características de mano 300 de las Figuras 3A-3B y de esta manera proporcionar una ubicación de transmisión para el haz 410 de la radiación electromagnética 406 para interactuar ópticamente con la muestra 310. La ventana de muestreo 412 puede estar hecha de una variedad de materiales transparentes, rígidos o semirrígidos que están configurados para permitir la transmisión de la radiación electromagnética 406 a través de los mismos. Por ejemplo, la ventana de muestreo 412 puede estar hecha de, pero no está limitado a, vidrios, plásticos, semiconductores, materiales cristalinos, materiales policristalinos, polvos presionados en caliente o en frío, combinaciones de los mismos, o similares. Con el fin de remover fantasmas u otros problemas de imagen que resultan de la reflectancia en la ventana de muestreo 412, el sistema 300 puede emplear uno o más elementos internos de reflectancia (IRE, Internal Reflectance Elements), tales como aquellos descritos en los documentos de propiedad común de Patente de los Estados Unidos No.7,697,141, y/o uno o más sistemas de generación de imágenes, tales como aquellos descritos en los documentos de propiedad común de Solicitud de Patente de los Estados Unidos No. de Serie 13/456,467, el contenido de los cuales se incorpora en la presente por referencia.

Después de pasar a través de la ventana de muestreo 412, la radiación electromagnética 406 incide sobre e interactúa ópticamente con la muestra 310, incluyendo cualquier sustancia peligrosa o contaminante presente en el mismo. Como resultado, la radiación interactuada ópticamente 414 se genera por y se refleja desde la muestra 310. Aquellos experimentados en la materia, sin embargo, reconocerán fácilmente que variaciones alternativas del dispositivo 312 pueden permitir que la radiación interactuada ópticamente 414 se genere al ser transmitida, dispersada, difractada, absorbida, emitida, o re-irradiada por y/o desde la muestra 310, o una o más sustancias peligrosas presentes dentro de la muestra 310, sin apartarse del alcance de la divulgación.

La radiación interactuada ópticamente 414 generada por la interacción con la muestra 310, y al menos una sustancia peligrosa presente en el mismo, se puede dirigir a o de otra forma ser recibida por un ICE 416 dispuesto dentro del dispositivo 312. El ICE 416 puede ser un componente espectral sustancialmente similar al ICE 100 descrito anteriormente con referencia a la Figura 1. En consecuencia, en operación el ICE 416 se puede configurar para recibir la radiación interactuada ópticamente 414 y producir radiación electromagnética modificada 418 correspondiente a una característica particular de interés en la muestra 310. En particular, la radiación electromagnética modificada 418 es radiación electromagnética que ha interactuado ópticamente con el ICE 416, por lo cual se obtiene una imitación aproximada del vector de regresión correspondiente a la característica de interés en la muestra 310. En una o más modalidades, la característica de interés corresponde a una concentración de la sustancia peligrosa o contaminante presente dentro de la muestra 310.

Se debe observar que, mientras la Figura 4 representa el ICE 416 como recibiendo la radiación electromagnética reflejada desde la muestra 310, el ICE 416 puede estar dispuesto en cualquier punto a lo largo del tren óptico del dispositivo 312, sin apartarse del alcance de la divulgación. Por ejemplo, en una o más modalidades, el ICE 416 (como se muestra en líneas punteadas) puede estar dispuesto dentro del tren óptico antes de la ventana de muestreo 412 y obtener igualmente sustancialmente los mismos resultados. En otras modalidades, la ventana de muestreo 412 puede servir un propósito dual tanto como una ventana de transmisión como el ICE 416 (esto es, un componente espectral). En todavía otras modalidades, el ICE 416 puede generar la radiación electromagnética modificada 418 a través de reflexión, en lugar de transmisión a través.

Por otra parte, mientras se muestra solamente un ICE 416 en el dispositivo 312, se contemplan en este documento modalidades que incluyen el uso de dos o más componentes de ICE en el dispositivo 312, cada uno estando configurado para determinar cooperativamente la característica de interés en la muestra 310. Por ejemplo, se pueden disponer dos o más componentes de ICE en serie o en paralelo dentro del dispositivo 312 y configurar para recibir la radiación interactuada ópticamente 414 y de esta manera mejorar la sensibilidad y límites de detector del dispositivo 312. En otras modalidades, se pueden disponer dos o más componentes de ICE en un ensamble movible, tal como un disco giratorio o un arreglo lineal oscilatorio, que se mueve de tal forma que los componentes de ICE individuales sean capaces de quedar expuestos a o de otra forma interactuar ópticamente con la radiación electromagnética por un breve periodo de tiempo distinto. Dos o más componentes de ICE en cualquiera de estas modalidades se pueden configurar para estar asociados o desasociados con la característica de interés de la muestra 310. En otras modalidades, se pueden configurar dos o más componentes de ICE para estar correlacionados positivamente o negativamente con la característica de interés de la muestra. Estas modalidades opcionales que emplean dos o más componentes de ICE se describen adicionalmente en los documentos en trámite de Solicitud de Patente de los Estados Unidos Nos. de Serie 13/456,264; 13/456,405; 13/456,302; y 13/456,327, los contenidos de los cuales se incorporan en la presente por referencia en sus totalidades.

En algunas modalidades, puede ser deseable monitorear más de una característica de interés al mismo tiempo utilizando el dispositivo 312. En tales modalidades, se pueden utilizar diferentes configuraciones para múltiples componentes de ICE, donde cada componente de ICE está configurado para detectar una característica particular y/o distinta de interés. En algunas modalidades, la característica de interés se puede analizar secuencialmente utilizando los múltiples componentes de ICE que se proporcionan en un solo haz de radiación electromagnética que es reflejada desde o transmitida a través de la muestra 310. En algunas modalidades, como se mencionó brevemente antes, se pueden disponer múltiples componentes de ICE en un disco giratorio, donde los componentes de ICE individuales solamente se exponen al haz de radiación electromagnética por un tiempo corto. Ventajas de este enfoque pueden incluir la capacidad de analizar múltiples sustancias peligrosas y contaminantes dentro de la muestra 310 utilizando un solo dispositivo óptico de computación y la oportunidad de ensayar sustancias peligrosas adicionales simplemente al agregar componentes de ICE adicionales al disco giratorio.

En otras modalidades, se pueden utilizar múltiples dispositivos ópticos de computación 312 en una sola ubicación (o al menos en proximidad estrecha) dentro de la muestra 310, donde cada dispositivo óptico de computación 312 contiene un componente de ICE único que está configurado para detectar una característica particular de interés presente en la muestra 310, tal como una sustancia peligrosa o contaminante particular. Cada dispositivo óptico de computación 312 se puede acoplar a un detector o arreglo de detectores correspondiente que está configurado para detectar y analizar una salida de radiación electromagnética desde el dispositivo óptico de computación 312 respectivo. Configuraciones paralelas de dispositivos ópticos de computación 312 pueden ser particularmente benéficas para aplicaciones que requieren entradas de energía baja y/o ninguna parte movible.

La radiación electromagnética modificada 418 generada por el ICE 416 se puede transmitir subsecuentemente a un detector 420 para cuantificación de la señal. El detector 420 puede ser cualquier dispositivo capaz de detectar radiación electromagnética, y se puede caracterizar generalmente como un transductor óptico. En algunas modalidades, el detector 420 puede ser, pero no está limitado a, un detector térmico tal como un detector de termopila o fotoacústico, un detector semiconductor, un detector piezoeléctrico, un detector de dispositivo de carga acoplada (CCD, Charge Coupled Device), un detector de video o arreglo, un detector de división, un detector de fotones (tal como un tubo fotomultiplicador), fotodiodos, combinaciones de los mismos, o similares, u otros detectores conocidos por aquellos experimentados en la materia.

En algunas modalidades, el detector 420 puede estar configurado para producir la señal de salida 316 (hacer referencia a la Figura 3A) en tiempo real o casi en tiempo real en la forma de un voltaje (o corriente) que corresponde a la característica particular de interés en la muestra 310. El voltaje regresado por el detector 420 es esencialmente el producto de punto de la interacción óptica de la radiación interactuada ópticamente 414 con el ICE 416 respectivo como una función de la concentración de la característica de interés de la muestra 310. Como tal, la señal de salida 316 producida por el detector 420 y la concentración de la característica de interés en la muestra 310 se puede relacionar, por ejemplo, directamente proporcional. En otras modalidades, sin embargo, la relación puede corresponder a una función polinomial, una función exponencial, una función logarítmica, y/o una combinación de las mismas.

En algunas modalidades, el dispositivo 312 puede incluir un segundo detector 424, el cual puede ser similar al primer detector 420 en que éste puede ser cualquier dispositivo capaz de detectar radiación electromagnética. Similar al segundo detector 216 de la Figura 2, el segundo detector 424 de la Figura 4 se puede utilizar para detectar las desviaciones de radiación que se derivan de la fuente de radiación electromagnética 404. Pueden ocurrir desviaciones de radiación indeseables en la intensidad de la radiación electromagnética 406 debido a una amplia variedad de razones y potencialmente provocar diferentes efectos negativos en el dispositivo 312. Estos efectos negativos pueden ser particularmente perjudiciales para las mediciones tomadas a través de un periodo de tiempo. En algunas modalidades, las desviaciones de radiación pueden ocurrir como resultado de una acumulación de película o material en la ventana de muestreo 412 que tiene el efecto de reducir la cantidad y calidad de luz que por último alcanza el primer detector 420. Sin la compensación apropiada, tales desviaciones de radiación podrían resultar en falsas lecturas y la señal de salida 316 no se relacionaría más primariamente o con precisión con la característica de interés.

Para compensar estos tipos de efectos indeseables, el segundo detector 424 puede estar configurado para generar una señal de compensación 426 generalmente indicativa de las desviaciones de radiación de la fuente de radiación electromagnética 404, y de esta manera normalizar la señal de salida 316 generada por el primer detector 420. Como se ilustra, el segundo detector 424 puede estar configurado para recibir una porción de la radiación interactuada ópticamente 414 por medio de un divisor de haz 428 con el fin de detectar las desviaciones de radiación. En otras modalidades, sin embargo, el segundo detector 424 puede estar dispuesto para recibir radiación electromagnética desde cualquier porción del tren óptico en el dispositivo 312 con el fin de detectar las desviaciones de radiación, sin apartarse del alcance de la divulgación.

Como se ilustra, la señal de salida 316 y la señal de compensación 426 se pueden transmitir a o de otra forma recibir por un procesador de señal 314 (hace referencia a la Figura 3A) acoplado comunicativamente con ambos detectores 420, 424. En una o más modalidades, el procesador de señal 314 puede ser una computadora que incluye un medio legible por máquina no transitorio, y puede estar configurado para combinar computacionalmente la señal de compensación 426 con la señal de salida 316 con el fin de normalizar la señal de salida 316 en vista de cualquier desviación de radiación detectada por el segundo detector 424. En algunas modalidades, combinar computacionalmente las señales de salida y de compensación 316, 426 puede implicar calcular una relación de las dos señales 316, 426. Por ejemplo, la concentración o magnitudes de cada característica de interés determinada utilizando el dispositivo óptico de computación 312 se puede alimentar en un algoritmo ejecutado por medio del procesador de señal 314. El algoritmo puede estar configurado para hacer predicciones acerca de cómo cambian las características de la muestra 310 si la concentración de la característica medida de interés cambia.

En tiempo real o casi en tiempo real, el procesador de señal 314 puede estar configurado para proporcionar una señal de salida resultante 318 (hace referencia a la Figura 3A) que corresponde a la característica de interés, tal como la concentración de la sustancia peligrosa presente en la muestra 310. Como se discutió brevemente antes, la señal de salida resultante 318 se puede transmitir, ya sea alámbricamente o inalámbricamente, a un operador para su análisis y consideración. En otras modalidades, la señal de salida resultante 318 puede ser transmitida a una GUI 324 (ver la Figura 3A) la cual puede estar configurada para proporcionar una representación gráfica de la característica de interés para su consideración por el usuario. Con la revisión de la señal de salida resultante 318, el operador puede ser capaz de determinar cuáles sustancias peligrosas están presentes en la muestra 310, y en qué concentración.

Haciendo referencia ahora a la Figura 5, con referencia continua a la Figura 4, se ilustra una modalidad alternativa del dispositivo óptico de computación 312 de acuerdo con una o más modalidades. El dispositivo óptico de computación 312 de la Figura 5 incluye una o más sondas de fibra óptica 502 que se utilizan para interactuar ópticamente con la muestra 310. Las sondas de fibra óptica 502 pueden ser similares a las sondas de fibra óptica 328 de la Figura 3A, y por lo tanto no se describirán nuevamente a detalle. Como se ilustra, la radiación electromagnética 406 se puede alimentar o proporcionar a las sondas de fibra óptica 502 las cuales pueden estar configuradas para transmitir la radiación electromagnética 406 a la muestra 310. Específicamente, las sondas de fibra óptica 502 pueden estar configuradas para penetrar el alojamiento 402 en un buje de conexión 504 definido en el alojamiento 402. En al menos una modalidad, el buje de conexión 504 puede proporcionar una ubicación en el alojamiento 402 donde la sonda de fibra óptica 502 puede estar unida de manera desprendióle al dispositivo 312.

Después de que la radiación electromagnética 406 ha interactuado ópticamente con la muestra 310, las sondas de fibra óptica 502 pueden también estar configuradas para regresar radiación interactuada ópticamente 414 de vuelta al dispositivo 312 y transmitir la misma al ICE 416. El ICE 416, a su vez, recibe la radiación interactuada ópticamente 414 y produce la radiación electromagnética modificada 418 que corresponde a la característica particular de interés de la muestra 310, tal como una concentración de una sustancia peligrosa o contaminante que se encuentra en la misma. Se debe observar que, mientras la Figura 5 representa el ICE 416, recibiendo radiación electromagnética desde la muestra 310 por medio de la sonda de fibra óptica 502, el ICE 416 puede estar dispuesto en cualquier punto a lo largo del tren óptico del dispositivo 312, sin apartarse del alcance de la divulgación. Por ejemplo, en una o más modalidades, el ICE 416 puede igualmente estar dispuesto dentro del tren óptico antes del buje de conexión 504, e igualmente obtener sustancialmente los mismos resultados.

Como se describió generalmente antes con referencia a la Figura 4, la radiación electromagnética modificada 418 generada por el ICE 416 se puede subsecuentemente al detector 420 para cuantificación de la señal. En tiempo real o casi en tiempo real, el detector 420 puede producir la señal de salida 316 en la forma de un voltaje (o corriente) que corresponde a la característica particular de interés en la muestra 310. El segundo detector 424 puede detectar desviaciones de radiación que se derivan de la fuente de radiación electromagnética 404, y subsecuentemente generar la señal de compensación 426. La señal de salida 316 y la señal de compensación 426 se pueden entonces transmitir o recibir por el procesador de señal 314 el cual combina computacionalmente las señales 316, 426 con el fin de normalizar la señal de salida 316. Por último, la señal de salida resultante 318 que corresponde a la característica de interés (p.ej., la concentración de la sustancia peligrosa presente en la muestra 310), puede ser transmitida, ya sea alámbricamente o inalámbricamente, a un operador para su análisis y consideración. En otras modalidades, la señal de salida resultante 318 puede ser transmitida a una GUI 324 (Figura 3A) la cual puede estar configurada para proporcionar una representación gráfica de la característica de interés para su consideración por el usuario. Con la revisión de la señal de salida resultante 318, el operador puede ser capaz de determinar qué sustancias peligrosas están presentes en la muestra 310 y en qué concentración Haciendo referencia a las Figuras 4 y 5, aquellos experimentados en la materia reconocerán fácilmente que, en una o más modalidades, la radiación electromagnética se puede derivar a partir de la misma muestra 310 o el entorno ambiental en el cual reside la muestra 310, y de otra forma derivar independientemente de la fuente de radiación electromagnética 404. Por ejemplo, diferentes sustancias irradian naturalmente radiación electromagnética que es capaz de interactuar ópticamente con el ICE 416. En algunas modalidades, por ejemplo, la muestra 310 o una sustancia dentro de la muestra 310 puede ser una sustancia de radiación de cuerpo negro configurada para irradiar calor que puede interactuar ópticamente con el ICE 416. En otras modalidades, la muestra 310 o la sustancia dentro de la muestra 310 puede ser radioactiva o quimio-luminiscente y, por lo tanto, irradiar la radiación electromagnética que es capaz de interactuar ópticamente con el ICE 416. En todavía otras modalidades, la radiación electromagnética puede ser inducida desde la muestra 310 o la sustancia peligrosa dentro de la muestra 310 al actuar sobre la misma mecánicamente, magnéticamente, eléctricamente, combinaciones de los mismos, o similares. Por ejemplo, en al menos una modalidad, se puede aplicar un voltaje a la muestra 310 con el fin de inducir la radiación electromagnética. En todavía otras modalidades, la radiación electromagnética puede ser proporcionada desde la luz ambiental (p.ej., los del sol, luz artificial, etc.). Como resultado, se contemplan modalidades en este documento donde la fuente de radiación electromagnética 404 se omite del dispositivo óptico de computación particular.

Aquellos experimentados en la materia apreciarán fácilmente que el dispositivo óptico de computación 312, y sus componentes descritos en este documento, no están dibujados necesariamente a escala ni, estrictamente hablando, se representan como ópticamente correctos como se entiende por aquellos experimentados en óptica. Más bien, las Figuras 4 y 5 son solamente ilustrativas en su naturaleza y se utilizan generalmente en este documento con el fin de complementar el entendimiento de la descripción de las diferentes modalidades ejemplares. No obstante, mientras las Figuras 4 y 5 pueden no ser ópticamente precisas, las interpretaciones conceptuales que se representan en ellas reflejan con precisión la naturaleza ejemplar de las diferentes modalidades que se divulgan.

Por lo tanto, la presente invención está bien adaptada para alcanzar los fines y ventajas mencionadas asi como aquellas que son inherentes a las mismas. Las modalidades particulares divulgadas anteriormente son sólo ilustrativas, ya que la presente invención se puede modificar y practicar en diferentes pero equivalentes maneras aparentes para aquellos experimentados en la materia que tengan el beneficio de las enseñanzas en este documento. Además, no se pretende ninguna limitación a los detalles de construcción o diseño mostrados en este documento, además de los descritos en las reivindicaciones que siguen. Es por lo tanto evidente que las modalidades ilustrativas particulares divulgadas anteriormente se pueden alterar, combinar o modificar y que todas esas variaciones se consideran dentro del alcance y espíritu de la presente invención. La invención que se divulga ilustrativamente en este documento se puede practicar de manera adecuada en la ausencia de cualquier elemento que no se divulgue específicamente en este documento y/o cualquier elemento opcional que se divulgue en este documento. Mientras las composiciones y métodos se describen en términos de "que comprende", "que contiene", o "que incluye" diferentes componentes o pasos, las composiciones y métodos también pueden "consistir esencialmente de" o "consistir de" los diferentes componentes y pasos. Todos los números y rangos divulgados anteriormente pueden variar en alguna cantidad. Siempre que se divulga un rango numérico con un límite inferior y un límite superior, se divulga específicamente cualquier número y cualquier rango incluido que caigan dentro del rango. En particular, cada rango de valores (de la forma, "desde unos A a unos B", o, equivalentemente, "desde aproximadamente A a B", o, equivalentemente, "desde aproximadamente A-B ") que se divulga en este documento se debe entender para establecer cualquier número y rango abarcado dentro del rango más amplio de valores. También, los términos en las reivindicaciones tienen su significado simple, ordinario a menos que se defina explícitamente y claramente lo contrario por el titular de la patente. Además, los artículos indefinidos "uno" o "una", como se utiliza en las reivindicaciones, se definen en este documento para hacer referencia a uno o más de uno del elemento que introduce. Si hay cualquier conflicto en los usos de una palabra o término en esta especificación y una o más patentes u otros documentos que se puedan incorporar en este documento por referencia, se deben adoptar las definiciones que sean consistentes con esta especificación.

Claims (19)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito la presente invención como antecede, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES

1. Un analizador de características de mano, que comprende: un alojamiento portátil; al menos un dispositivo óptico de computación dispuesto dentro del alojamiento portátil para monitorear una muestra, dicho al menos un dispositivo óptico de computación tiene al menos un elemento computacional integrado configurado para interactuar ópticamente con la muestra y de esta manera generar luz interactuada ópticamente; al menos un detector dispuesto para recibir la luz interactuada ópticamente y generar una señal de salida que corresponde a una característica de la muestra; y un procesador de señal acoplado comunicativamente a dicho al menos un detector para recibir la señal de salida, el procesador de señal está configurado para determinar la característica de la muestra y proporcionar una señal de salida resultante indicativa de la característica de la muestra .

2. El analizador de características de mano de acuerdo con la reivindicación 1, además comprende un mango que se extiende desde el alojamiento portátil y que proporciona una ubicación para sostener el analizador de características de mano.

3. El analizador de características de mano de acuerdo con la reivindicación 2, además comprende un mecanismo de gatillo definido en el alojamiento portátil y accionable para activar el analizador de características de mano.

4. El analizador de características de mano de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la característica de la muestra es una concentración de una sustancia presente dentro de la muestra.

5. El analizador de características de mano de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la muestra es un fluido.

6. El analizador de características de mano de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el fluido comprende al menos uno seleccionado del grupo que consiste de agua para beber, agua de producción separada, combustible de gasolina, combustible diésel, un gas, lubricante de maquinaria, grasa, fluido hidráulico, fluido refrigerante, y cualquier combinación de los mismos.

7. El analizador de características de mano de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la muestra es una sustancia sólida.

8. El analizador de características de mano de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones anteriores, además comprende un puerto de comunicación definido en el alojamiento portátil y acoplado comunicativamente al procesador de señal, el procesador de señal está configurado para transmitir la señal de salida resultante al puerto de comunicación.

9. El analizador de características de mano de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones anteriores, además comprende un enlace inalámbrico dispuesto dentro del alojamiento portátil y acoplado comunicativamente al procesador de señal, el procesador de señal está configurado para transmitir la señal de salida resultante al enlace inalámbrico.

10. El analizador de características de mano de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones anteriores, además comprende una interfaz gráfica de usuario dispuesta en el alojamiento portátil y acoplada comunicativamente al procesador de señal, el procesador de señal está configurado para transmitir la señal de salida resultante a la interfaz gráfica de usuario.

11. El analizador de características de mano de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque la interfaz gráfica de usuario está configurada para proporcionar una o más representaciones visuales de la característica de la muestra.

12. El analizador de características de mano de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque dichas una o más representaciones visuales de la característica de la muestra incluye un espectro óptico de la característica de la muestra.

13. El analizador de características de mano de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque la interfaz gráfica de usuario está configurada para mostrar una imagen de luz visual.

14. El analizador de características de mano de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado porque la interfaz gráfica de usuario proporciona una o más representaciones visuales de la característica de la muestra, y en donde la imagen de luz visual se superpone con dichas una o más representaciones visuales.

15. El analizador de características de mano de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones anteriores, además comprende una o más sondas de fibra óptica acopladas comunicativamente a dicho al menos un dispositivo óptico de computación y configuradas para transmitir radiación interactuada ópticamente desde la muestra al dispositivo óptico de computación.

16. El analizador de características de mano de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque dicho al menos un dispositivo óptico de computación además comprende una fuente de radiación electromagnética configurada para emitir radiación electromagnética, dichas una o más sondas de fibra óptica están configuradas para transmitir la radiación electromagnética a la muestra.

17. El analizador de características de mano de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado porque dichas una o más sondas de fibra óptica están acopladas de manera desprendióle al alojamiento portátil.

18. El analizador de características de mano de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho al menos un dispositivo óptico de computación además comprende una fuente de radiación electromagnética configurada para emitir radiación electromagnética que interactúa ópticamente con la muestra, y en donde dicho al menos un detector es un primer detector y el sistema además comprende un segundo detector dispuesto para detectar la radiación electromagnética de la fuente de radiación electromagnética y de esta manera generar una señal de compensación indicativa de las desviaciones de radiación electromagnética.

19. El analizador de características de mano de acuerdo con la reivindicación 18, caracterizado porque el procesador de señal está acoplado comunicativamente al primer y segundo detector es y está configurado para recibir y combinar computacionalmente las señales de salida y de compensación con el fin de normalizar la señal de salida y determinar la característica de la muestra.