WO2014096480A1

WO2014096480A1 - Método y dispositivo para la detección y medida de la concentración de gases

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Publication number: WO2014096480A1
Application number: PCT/ES2013/070801
Authority: WO
Inventors: Francisco CORTÉS MARTÍNEZ; Miguel Ángel RODRÍGUEZ CONEJO; Juan MELÉNDEZ SÁNCHEZ; Fernando LÓPEZ MARTÍNEZ
Original assignee: Universidad Carlos Iii De Madrid
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2014-06-26
Also published as: ES2478698B1; ES2478698A1

Abstract

La presente invención está dirigida a un método y un dispositivo para la detección y medida de la concentración de gases con firma infrarroja de manera no intrusiva. El método está basado en la obtención y procesado de imágenes multiespectrales (en diferentes bandas espectrales a diferentes longitudes de onda) en el infrarrojo (IR) para la detección y medida, a distancia y en tiempo real, de la concentración de mezclas de gases o materiales en fase vapor. La medida se puede realizar mediante cualquier sensor o dispositivo de imagen IR que pueda proporcionar imágenes del gas o vapor, en modo activo o pasivo, en diferentes bandas seleccionadas con la única condición de que lo haga de forma cuasi-instantánea.

Description

DESCRIPCIÓN

METODO Y DISPOSITIVO PARA LA DETECCION Y MEDIDA DE LA CONCENTRACON

DE GASES

OBJETO DE LA INVENCION

El conjunto de medidas en modo activo comprende aquellas medidas de radiación infrarroja de una mezcla de gases tomadas en un sensor de imagen, de modo que tras la mezcla de gases existe al menos una fuente de radiación externa, por ejemplo un foco, el sol, un cuerpo negro, etc. de al menos un orden de magnitud mayor que las emisiones de la atmósfera o la de los gases a medir. En esta medida se considera la radiación debida a la fuente de radiación externa, despreciando toda emisión radiativa de los propios gases en la mezcla y de la atmosfera. Cuando la emisión radiométrica de la fuente de radiación externa sea del mismo orden de magnitud que la emisión radiométrica de la mezcla de gases, es necesario considerar la emisión de esta segunda, aunque esta situación no sea la óptima.

El conjunto de medidas en modo pasivo comprende aquellas medidas de radiación infrarroja de una mezcla de gases tomadas en un sensor de imagen, de modo que tras la mezcla de gases no hay ninguna fuente de radiación externa.

El campo técnico donde se ubica la invención con especial interés es el de la medida a distancia de gases mediante sensores IR de base multiespectral. El control de procesos y la protección del medio ambiente son otros campos técnicos donde se puede ubicar la invención. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Son conocidos en el estado de la técnica métodos de detección de gases con firma infrarroja. Sin embargo, no son conocidos métodos de medida de concentración de determinados gases en una mezcla de gases a distancia y cuya temperatura es desconocida.

Los métodos espectométricos de detección de gases se basan en la radiación detectada dada una imagen en una banda del IR determinada. La radiación varía con la temperatura y la concentración de los gases que comprende la mezcla. Por este motivo, sin conocer la temperatura de la mezcla de gases, los métodos encontrados en el estado de la técnica no determinan el valor de la concentración de determinados gases de interés a una distancia dada hasta la mezcla. Actualmente existen equipos y metodologías de detección y cuantificación de gases basados en espectro radiometría y de imagen infrarroja. Se pueden resumir las principales características de estos equipos y procedimientos en las siguientes:

• Alta resolución espectral, imagen hiperespectral, y alta precisión de medidas con bajos niveles de ruido.

• Están basados en sistemas complejos, difíciles de calibrar y de utilizar.

• Están basados en sistemas de elevado peso y tamaño, lo que hace igualmente compleja su integración para su uso comercial, restringiéndose su empleo en el ámbito fundamentalmente científico y en laboratorios.

· Los sistemas más habituales necesitan un considerable tiempo de adquisición y un complejo procesado de datos. La mayoría de estos sistemas son dispersivos (con red de difracción) o basados en la transformada de Fourier IR (FTIR). Esto implica que la energía del emisor se distribuye espectralmente en toda la banda útil del detector, lo que da lugar a una energía muy débil en la banda útil de cada gas. Ello implica la necesidad de compensar la baja energía espectral mediante un tiempo de observación muy alto (integrando en el tiempo, sumando espectros, etc.). Además estos sistemas requieren un procesado de datos complejo (inversión de la TF, etc.).

• Lo anterior impide a los sistemas dispersivos o por FTIR, por lo general, la medida en tiempo real de un gran número de fenómenos.

· Lo anterior hace que estos sistemas no sean válidos para medir gases que varíen de forma rápida en el tiempo (fenómenos dinámicos). Lo que es un grave inconveniente cuando nos enfrentamos a la medida de emisiones de gases o vapores cuyas concentraciones pueden variar con frecuencias de hercios.

• Otro tipo de sistemas habituales de detección y medida de gases son los basados en Infrarrojo no-dispersivo (NDIR). Estos a diferencia de los anteriores suelen ser sistemas de respuesta más rápida y se basan en la selección de filtros ópticos adecuados a cada gas. Los sistemas NDIR tienen sin embargo una serie de problemas:

El primero es que no son sistemas in-situ, es decir no pueden medir a distancia y al aire libre. Son sistemas que actúan sobre cámaras donde el gas a medir se introduce por diferentes procedimientos (bombas aspirantes u otros). Al no medir in-situ no tienen en cuenta el efecto de la temperatura en la absorción/emisión de los gases o vapores. Lo compensan midiendo a una temperatura fijada por un calefactor o bien considerando que el gas está a temperatura ambiente. Estos procedimientos alteran el estado original del gas en la situación real por lo que modifican su concentración no considerando por ello la gran influencia de la temperatura en la medida por IR de la concentración del gas.

• Los algoritmos habitualmente utilizados no separan el efecto conjunto de las magnitudes temperatura y concentración. Se basan fundamentalmente en la medida de concentración a partir de:

Una estimación de la temperatura basada en otros principios de medida (como por ejemplo mediante el uso de termopares) o bien en el conocimiento del proceso de estudio.

Uso de factores de corrección a partir de medidas sobre gases trazadores.

Ajuste iterativo e independiente de ambas magnitudes (concentración y temperatura).

Los dispositivos basados en estos principios tienen un campo de aplicación limitado, debido a su complejidad, poca robustez, gran volumen de datos y largo tiempo de adquisición. De esta forma surge la necesidad de desarrollar dispositivos más simples, operativos y de menor coste que puedan resolver problemas específicos en tiempo real.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve los problemas anteriormente descritos mediante un método según la reivindicación 1 y un dispositivo según la reivindicación 8. Las reivindicaciones dependientes definen realizaciones preferidas de la invención.

Un primer aspecto inventivo presenta un método no intrusivo para la medida de la concentración de gases con firma infrarroja en una masa formada por una mezcla de gases que comprende gases con firma infrarroja caracterizado porque comprende las etapas de: a) seleccionar un conjunto n de gases con firma infrarroja presentes en la masa de mezcla de gases cuya concentración se quiere medir, b) seleccionar una primera ventana (0) de lectura con una longitud de onda de centrado λ₀, en el espectro infrarrojo, y un ancho de banda tal que la radiación a detectar de un primer gas G₁ del conjunto de n gases es sensible a cambios de temperatura T del gas en esa ventana, c) seleccionar una segunda ventana (1) de lectura con una longitud de onda de centrado λ_χ, en el espectro infrarrojo, y un segundo ancho de banda tal que la radiación a detectar del primer gas G_t del conjunto de n gases es sensible a cambios de la concentración c_x del gas en esa ventana, donde la longitud de onda h y el ancho de banda es distinto que los de la primera ventana, d) para cada uno de los gases G_u i = 2. . n del conjunto de n gases distinto del primero, seleccionar una ventana i-ésima (i) de lectura con una longitud de onda de centrado λι, en el espectro infrarrojo, y un ancho de banda tal que la radiación a detectar del gas i-ésimo G_¿ del conjunto de n gases es sensible al menos a cambios de la concentración c¿ del gas en esa ventana, donde la longitud de onda λ y el ancho de banda es distinto que los del resto de las ventanas, e) proveer de medios de lectura de la radiación en cada una de las ventanas de lectura; f) proveer αι(Τ,λ) i = 1. . n, para cada gas G¿ al menos en el ancho de banda de G¿ y en un rango de temperaturas T preestablecido,

• donde α es la absortividad espectral,

• T es la temperatura,

• Á es la longitud de onda considerada, g) definir el sistema de ecuaciones:

s₀ = W (J, ₂, ...,c_n)

S₁ = W ( , C , C₂, ..., c_n)

s₂ = W₂(T,c₁,c₂, ...,c_n) s_n = W_n(T,c_ltc₂, -,c_n) donde s¿ con i = 0, ... ,n es el valor de una lectura de la radiación llevada a cabo por los medios de lectura en la ventana i-ésima y W_t es la función que modeliza el proceso de transferencia radiativa de la mezcla hasta los medios de lectura;

con

W_L( ,c₁,c₂,...,c_n)

^{= c}l> ^c2>^■■■ > ^cn>

hnf

^"Ί^" Afondo (Afondo' Ό ' ^τ atmósfera (Tatm> ^cl> ^c2>^■■■ > ^cn> Ό '

^cl> ^c2>^■■■ > ^cn> Ό) " tfütr_OiW άλ

siendo

^ T_mezci_a(T,c₁,c₂, ...,c_n,X)\a transmitancia de la mezcla de gases,

^ ^Tatmósfera(Tatm_> ^ci_> ^c2_> -,c_n,X)\a transmitancia de la atmósfera dependiente de las concentraciones de los gases involucrados en la detección,

L(T,, λ, c_x, c₂, ... , c_n) la radiación espectral de la mezcla,

^ci_> ^c2_> ---_> ^cn) '^a radiación espectral de la atmósfera, que pueden depender a su vez de trazas de gases coincidentes con aquellos que se quieren medir, éstos estando en un caso particular a diferente temperatura,

^ Afondo (Tfondo_<^)l^a radiación espectral del fondo,

Tf_iltro(X) es la transmitancia espectral del filtro de medida.

A_sup,A_inf los límites de integración, en un ejemplo particular mayores que el ancho de banda del filtro óptico utilizado llevar a cabo una lectura con los medios de lectura de las variables s¿ con i = Ο,.,.,η sobre la misma mezcla y en el mismo instante de tiempo, o en un intervalo de tiempo en el que no haya evolución de la temperatura y concentraciones de la mezcla, para cada ventana; y, resolver el sistema de ecuaciones en las variables T, c_x, c₂, ... , c_n; i) proveer al menos uno de los valores c_t, c₂, ... , c_n como valores de la concentración de gases.

Un primer paso para la medida de la concentración de gases es determinar qué gases se quieren detectar. Cada gas tiene una respuesta infrarroja diferente y es por este motivo por el que se seleccionan ventanas de lectura con una longitud de onda de centrado determinada, en el espectro infrarrojo, y un ancho de banda tal que la radiación a detectar de un gas es sensible a cambios de la concentración. Además, para un gas de referencia, se selecciona una ventana sensible a cambios de temperatura T del gas.

Radiación es el fenómeno físico que comprende la propagación de energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas subatómicas a través del vacío o de un medio material. La radiación térmica se produce cuando un cuerpo está más caliente que su entorno y pierde calor hasta que su temperatura se equilibra con la de su entorno.

La absortividad espectral es la medida de la cantidad de luz absorbida por una solución, que en el caso de la presente invención es una mezcla de gases, por unidad de concentración y por unidad de longitud de la trayectoria de luz. Para la determinación de la concentración se utilizan unos medios de lectura de la radiación en cada una de las ventanas. Estos medios de lectura de la radiación puede ser un sensor de imagen espectral que genera una imagen de píxeles donde en cada píxel se representa un valor de radiación en la banda del espectro donde es sensible el sensor. Se lleva a cabo una lectura con los medios de lectura de las variables s¡ con i = 0, ... , n sobre la misma mezcla y en el mismo instante de tiempo, o en un intervalo de tiempo en el que no haya evolución de la temperatura y concentraciones de la mezcla, para cada ventana, de manera que los medios de lectura empleados en cada ventana no capturan imágenes diferentes, solo medidas de la radiación de una muestra en diferentes longitudes de onda que no ha evolucionado en el tiempo.

Un modelo de un proceso de transferencia radiativa es aquel modelo que describe la evolución de todos los fenómenos de transferencia radiativa a partir de fuentes de radiación siguiendo una ley de disminución de energía. El resultado es expresable mediante una ecuación que toma en cuenta la radiación que alcanzaría al sensor. Definiendo el sistema de ecuaciones presentado, se tiene un sistema de n ecuaciones con n incógnitas, que se resuelve mediante cualquier método de resolución de ecuaciones para obtener el par concentración-temperatura. Por ejemplo, es posible llevar a cabo la resolución de los sistemas de ecuaciones resultantes haciendo uso de métodos de gradiente o de gradiente conjugado. Como ejemplo de realización preferido, se ha encontrado especialmente eficiente desde el punto de vista computacional el algoritmo Nelder-Mead Simplex. De esta manera, es posible obtener el valor de las concentraciones de los gases seleccionados.

Finalmente se tienen como resultado los valores c₁, c₂, ... , c_n como valores de la concentración de gases. De la resolución del mismo sistema se obtiene también la temperatura de la mezcla de gases. Algunas de las ventajas derivadas de la aplicación de este método son:

• Es posible la medida a distancia: hasta cientos de metros en función del sistema óptico.

• Medida en aire libre sin alterar la muestra al no ser necesario introducir la mezcla de gases en una celda cerrada con ventanas ópticas.

• Obtención simultánea de la concentración y la temperatura.

· Método basado en sistemas multiespectrales, lo que significa que permiten la medida en tiempo real ya que el volumen de datos es reducido y muy sintetizado, además son sistemas robustos, portátiles, etc.

• La metodología permite desarrollar sistemas a medida de cada problema en función de los requisitos. Este es el caso de mezclas de gases sobre las que se tiene determinada información sobre su composición dado el origen de la misma.

• Metodología aplicable para cualquier gas con firma I R.

• Proporciona la distribución espacial de concentración y temperatura dentro del campo de visión del sensor IR. Un segundo aspecto inventivo presenta un dispositivo no intrusivo para la medida de la concentración de gases con firma infrarroja en una masa formada por una mezcla de gases que comprende gases con firma infrarroja adaptados para llevar a cabo un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende:

• unos medios de lectura de radiación en un conjunto de n+1 ventanas de lectura con una longitud de onda de centrado A¿ con ¡=0, 1, ..., n y un ancho de banda tales que todas las ventanas son distintas y donde todos los medios de lectura llevan a cabo la observación de la misma mezcla de gases,

• una unidad de proceso adaptada:

/^'. para recibir los valores de las lecturas de los medios de lectura,

//^'. para llevar a cabo las etapas f) aj) según el primer aspecto inventivo. Los medios de lectura de radiación están adaptados para detectar la radiación debida a los diferentes gases, de manera que son sensibles a imágenes en el infrarrojo caracterizadas por una longitud de onda central y un ancho de banda, en el cual, se considera que la radiación de cada gas es sensible a cambios en la temperatura y concentración de ese gas. La longitud de onda central y el ancho de banda definen lo que hemos denominado ventana. Las ventanas son diferentes entre sí de manera que sus anchos de banda no interfieren entre sí y las imágenes se obtienen sobre la misma mezcla y en el mismo instante de tiempo, o en un intervalo de tiempo en el que no haya evolución de la temperatura y concentraciones de la mezcla, para cada ventana.

La unidad de proceso está adaptada para recibir una imagen de píxeles que representa la radiación observada en el infrarrojo y está adaptada para llevar a cabo el procesado de la imagen tomada por el sensor de manera que es posible construir el sistema de ecuaciones como el descrito en el primer aspecto inventivo y resolverlo para proveer un conjunto de valores de concentraciones asociadas a los gases. En esta fase de construcción del sistema de ecuaciones se hace uso de una correspondencia entre el color de un pixel y el valor de la variable de medida. Las variaciones de color en la imagen pueden ser ponderadas para establecer un único valor asignado a la mezcla. Todas las características técnicas descritas en esta memoria (incluyendo las reivindicaciones, descripción y dibujos) pueden combinarse en cualquier combinación, exceptuando las combinaciones de tales características mutuamente excluyentes.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma preferida de realización, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan.

Figura 1 En esta figura se muestra un ejemplo de realización donde el modelo de transferencia radiativa tiene en cuenta la radiación debida al fondo, la radiación debida a una mezcla de gases y la radiación debida a una mezcla de gases, que en este ejemplo particular es la atmósfera, situada entre la mezcla de gases objetivo y el sensor.

Figura 2 En esta figura se muestra un ejemplo de realización donde el modelo de transferencia radiativa tiene en cuenta la radiación debida una fuente de iluminación de fondo, la radiación debida a una mezcla de gases y la radiación debida a una segunda mezcla de gases, que en este ejemplo particular es la atmósfera, situada entre la mezcla de gases objetivo y el sensor.

Figura 3a En esta figura se muestra la radiación de un gas de ejemplo, en este caso el C0₂ en función del número de onda para la temperatura 300K.

Figura 3b En esta figura se muestra la radiación de un gas de ejemplo, en este caso el C0₂ en función del número de onda para la temperatura 400 K

Figura 3c En esta figura se muestra la superposición de las figuras 3a y 3b.

Figura 4 En esta figura se muestra la absortividad de un gas de ejemplo en diferentes gráficas en función de la temperatura fijando un valor de longitud de onda, A λ₂,

Figura 5 Muestra las variaciones de absortividad de un gas de ejemplo en función de la longitud de onda y la temperatura.

Figura 6 Muestra las emisiones de gases durante la combustión en relación al ratio A/F, o el ratio combustible/comburente.

Figura 7 Muestra un ejemplo de la transmitancia de monóxido y dióxido de carbono para el caso de temperatura ambiente y concentraciones promedio.

Figura 8 Muestra el error cometido en la estimación de los pares temperatura- concentración según un ejemplo del método según la invención. Figura 9 Muestra un ejemplo de filtros interferenciales asociados a las bandas de transmisión de los gases contaminantes CO y C02.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Método no intrusivo para la medida de la concentración de gases con firma infrarroja

La presente invención se refiere a un método no intrusivo para la medida de la concentración de gases con firma infrarroja que se basa en la comparación de la medida de un sensor de imagen infrarroja en bandas específicas del espectro IR, seleccionadas exhaustivamente para cada gas, con los resultados obtenidos a partir de un modelo de transferencia radiativa que simula el escenario medido por el sensor de imagen infrarroja. En la comparación, el método toma como variables de cálculo la temperatura y concentración del gas, ajusfándolos hasta coincidir con los valores empíricos. El resultado es el par concentración-temperatura que mejor ajusta con los resultados de la medida.

En una realización de la invención las ventanas de lectura son tales que las variaciones de la lectura de la radiación s¿ para un gas determinado se consideran despreciables ante variaciones de la concentración o temperatura de los otros gases, donde el sistema de ecuaciones definido está simplificado de la siguiente forma:

s₀ = W₀(T, _Cl)

S_l = W^T. cJ

s₂ = W₂ (T, c₂) s_n = W_n(T, c_n

Ventajosamente esta realización basada en una adecuada selección de las ventanas de lectura elimina la dependencia en ecuaciones que involucran las concentraciones de otros gases.

En una realización de la invención para cualquiera de los gases, se define:

• una ventana de lectura adicional con una longitud de onda de centrado, situado en el espectro infrarrojo, y con un ancho de banda tal que la radiación a detectar en el gas es tal que es sensible a cambios de la concentración de ese gas en esa ventana, donde la longitud de onda y el ancho de banda es distinto que los de las otras ventanas; y,

• una ecuación adicional de la forma s = W(T, c) para dicho gas.

En esta realización se tiene una ecuación adicional para uno de los gases con lo que ventajosamente al añadir lecturas en bandas adicionales de un mismo gas disminuye el error principalmente en la determinación del valor de la concentración para ese gas y, a través de la dependencia que establecen el resto de ecuaciones, también se disminuye el error del resto de concentraciones y de la temperatura. En una realización de la invención dadas dos ventanas de lectura de un mismo gas cada una de ellas se selecciona de acuerdo a los siguientes criterios:

• una ventana de lectura seleccionada de forma que en su ancho de banda las variaciones de la radiación a detectar debido a variaciones en la temperatura del gas son máximas,

• la otra ventana de lectura seleccionada de forma que en su ancho de banda las variaciones de la señal debido a variaciones en la concentración del gas son máximas. En una realización de la invención la manera de detectar las variaciones máximas en la concentración es obtener los valores máximos de gradiente positivo variando los valores de radiación, obtenidos estos valores de una base de datos donde se tienen valores de radiación observada en función de la concentración, por ejemplo, la base de datos conocida como HITRAN (high-resolution transmission molecular absorption datábase).

En una realización de la invención la manera de detectar las variaciones máximas en la temperatura es obtener los valores máximos de gradiente positivo variando los valores de radiación, obtenidos estos valores de una base de datos donde se tienen valores de radiación observada en función de la temperatura, por ejemplo, la base de datos conocida como HITRAN (high-resolution transmission molecular absorption datábase).

En la figura 5 se representa la absortividad, α(Τ, λ), relacionada con la radiación, observada desde un sensor en función de la longitud de onda, o número de onda que es el inverso del valor de la longitud de onda, y en función de la temperatura. En un ejemplo de realización de la invención, para obtener la absortividad en función de la temperatura, se construye un polinomio de interpolación dependiente de la temperatura a partir de la gráfica de la figura 5 para cada número de onda.

La absortividad y la transmitancia se relacionan mediante la expresión para la transmitancia:

Donde

• a es la absortividad para cada número de onda y temperatura,

• C es la concentración del gas,

• l es el camino óptico. Mediante la realización de un número suficiente de simulaciones de absortividad para diversas temperaturas, se obtiene una función de la absortividad en función de la temperatura mediante una expresión polinómica:

con el sumatorio en i extendido desde 0 hasta el grado del polinomio. Dichos valores de absortividad empleados en la simulación pueden obtenerse a partir de bases de datos que contienen los parámetros fundamentales de un gran número de compuestos. Un ejemplo de estas bases de datos es HITRAN.

La absortividad detectada varía en función de la temperatura y la ventana de lectura en la que se está observando. Un ejemplo de radiación de C0₂ se representa en las figuras 3a y 3b para las temperaturas 300K y 400 K respectivamente y la figura 3c como superposición de las anteriores en función de la longitud de onda para diferentes temperaturas. A partir de esta función se obtiene una aproximación por polinomios, que en un ejemplo particular toma esta forma donde se ha desacoplado la dependencia de a y T:

α(Τ, λ) = ρ₃ (λ) · T³ + ρ₂ (λ) · T² + _Pl (A) · T¹ + Po(A)

Si se representa la absortividad para diferentes longitudes de onda, λ , λ₂, λ_ζ y λ , se obtienen diferentes gráficas de absortividad en función de la temperatura como se muestra en la figura 4. En concreto en el ejemplo de la figura 4 se representa la absortividad del C0₂ para diferentes números de onda: 2292cm^"1 , 2269cm^"1 , 2255cm^"1 , 2246cm^"1 en función de la temperatura en grados centígrados.

En una realización de la invención la función W(T, c₁, c₂, ... , c_n) es la radiación L(T, c₁, c₂, - , c_n) en función de la temperatura de la mezcla y la concentración de cada uno de los gases, integrada espectralmente de acuerdo a la transmitancia espectral del filtro óptico empleado en la medida..

En una realización particular de la invención la función W(T, c₁, c₂, - , c_n) contempla:

• la presencia de una masa de gases adicional, preferentemente la atmósfera, dispuesto entre la masa de gases sobre los que se lleva a cabo la lectura y los medios de lectura,

• la presencia de radiación de fondo por la presencia de una fuente de radiación dispuesta tras la masa de gases; y,

• la presencia de cualquiera de los dos anteriores

de tal modo que adopta la expresión:

siendo

T_mezcla (T, ci, X)\a transmitancia de la mezcla de gases,

^ ^Tatmósfera (T_atm_> ^cí_> A)\a transmitancia de la atmósfera dependiente de las concentraciones de los gases involucrados en la detección,

ΚΤ, , λ, c_¿) la radiación espectral de la mezcla,

Latmósfera (T_atm, Ci, ¿) la radiación espectral de la atmósfera;

^ Afondo (Tfondo_<^)l^a radiación espectral del fondo,

Tf_iltro (X) es la transmitancia espectral del filtro de medida.

A_sup, A_inf l°^s límites de integración, en un ejemplo particular mayores que el ancho de banda del filtro óptico utilizado. y donde L_{atmó¡¡rera} o h_fondo es nula caso de no estar presentes en el escenario de medida.

Ljatmósfera puede recuperar la dependencia con c_í, c₂, ... , c_n en el caso en el que puede haber trazas de gases coincidentes con aquellos que se quieres medir en la atmósfera.

En el caso general, la función depende de las concentraciones de todos los gases. En este caso particular, las expresiones de la función W¡ dependen solo del gas que se quiere medir en la banda de interés, c¡. Es el caso cuando las funciones W¡ no dependen del resto de gases, cuyo efecto técnico es el de simplificar la detección.

Con esta expresión general se tienen todos los términos posibles que forman la ecuación para las hipótesis que determinan este ejemplo de realización. En los casos en los que algún término se sepa que no contribuye a la ecuación porque se dispone de información adicional sobre los gases a medir entonces la ecuación a utilizar prescindirá de dicho término.

En un ejemplo de realización mostrado en la figura 1 , se tiene un escenario de detección por un sensor de imagen infrarroja donde intervienen en la radiación:

· el fondo (B), que puede ser la iluminación del exterior, la iluminación solar, o cualquier cuerpo que emita radiación térmica,

• la mezcla de gases (m), que puede ser, por ejemplo, una mezcla de dióxido de carbono y monóxido de carbono, y se encuentra a una temperatura (T), y se caracateriza por tener una transmitancia (τ),

• atmósfera (atm), que es una mezcla de gases no contaminantes, a priori, y se encuentra entre la mezcla de gases cuya concentración se quiere valorar y el sensor de imagen (Im).

En la figura 2 se representa un escenario similar al de la figura 1 con la diferencia de que además, interviene un iluminador de infrarrojo. Dispositivo no intrusivo para la medida de la concentración de gases con firma infrarroja

En una realización del dispositivo según el segundo aspecto inventivo los medios de lectura son sensores de infrarrojo sensibles únicamente en la ventana de lectura. En esta realización es necesario un sensor por cada gas para el que su concentración requiere ser determinada.

En una realización de la invención los medios de lectura son un sensor de infrarrojos que comprende al menos un filtro donde este filtro es de longitud y ancho de banda de acuerdo a la ventana de lectura. De esta manera el sensor no tiene porque ser sensible en la ventana de lectura de interés, sino que puede ser reutilizable simplemente cambiando el filtro.

En una realización de la invención el mismo sensor dispone de más de un filtro, desplazable, adaptado para que en un periodo de tiempo en el que no se produce evolución de las variables de la mezcla es capaz de llevar a cabo lecturas con distintas ventanas de lectura.

En una realización de la invención el desplazamiento de los filtros es rotatorio, de manera que los filtros, en un ejemplo de realización, se disponen en una rueda giratoria que gira a una velocidad tal que el sensor de imagen, único para una realización, capta imágenes en diferentes ventanas de lectura en el infrarrojo en un tiempo en el cual la mezcla de gases no ha evolucionado. La ventaja de este modo de realización es un dispositivo que puede llevar a cabo de forma repetida y a alta velocidad muchas medidas manteniendo el enfoque del sensor sobre la mezcla de gases.

En una realización de la invención los medios de lectura son sensores de infrarrojo situados en la línea de visión de la mezcla y tras un elemento óptico de separación o discriminación de longitudes de onda, como por ejemplo, un elemento dicroico, o un elemento de difracción, de manera que cada elemento divide el haz de luz conforme a diferentes longitudes de onda.

Eiemplo de realización de la invención: Detección de la emisión de un vehículo en base al ratio CO/CQ2.

En un motor de combustión interna, el ratio aire/combustible (A/F) indica la calidad de la combustión, por lo que se trata de un factor determinante en las emisiones de gases. La fórmula estequiométrica de una combustión se rige por la siguiente ecuación:

CH + 1.5 (O + 4 N ) ► H O + C0₂ + 6 N

I

Aire

De aquí se deduce la relación A/F de la combustión:

A ₌ C₂ · (m₀_ + C₃ ^■ m_Nz)

F ^■ m_CHz

donde:

• Ci , C₂ y C₃ son los coeficientes de reacción del combustible, aire y N2 respectivamente,

• m₀ , m_N y m_CH son las masas molares del 0₂, N₂, y el combustible.

Entonces, el ratio CO/C02 en condiciones estequiométricas toma el valor 0. Si, en cambio, se hace operar al motor en condiciones de riqueza de combustible, exactamente con un 50% menos de aire, la ecuación queda:

CH + (0 + 4 N ) H O + CO + 4 N

Ya no hay emisión de C0₂ y el ratio CO/C0₂ es infinito.

Dadas estas fórmulas, se deduce que las proporciones A/F y CO/C0₂ están relacionadas, y que será posible medir el ratio CO/C0₂ siempre que la combustión sea en condiciones de riqueza de combustible. Por tanto, esta última relación nos aportará una idea del nivel de emisión del vehículo a su paso por delante del dispositivo según la invención.

Una de las principales características del método de la invención es el carácter dinámico en cuanto a detección de vehículos grandes y contaminantes. Así pues, se puede definir el límite de detección deseado cuando se están realizando medidas. La figura 6 muestra las emisiones de gases durante la combustión en relación al ratio A/F. En dicha figura se representan las distintas concentraciones de gases emitidos durante la combustión en un motor de combustión en función del factor A/F. Para valores menores que 1 de A/F la combustión es rica en combustible, mientras que para valores mayores a 1 es pobre. La combustión de máxima eficiencia pertenecerá a un valor en torno a 1 , tal y como indica el primer área rayada de la figura. Además, también se muestra el límite del rango de detección, que corresponde a un ratio A/F de 0.95. Dicho límite queda definido por las restricciones de resolución del equipo. Por lo tanto, el sistema permite la selección del límite de detección en un valor de A/F de 0.95 o menor. Dentro de este rango de detección se observa que aumentan las emisiones de CO y disminuyen las del C0₂. Esto es esperable ya que en estas condiciones de riqueza de combustible la combustión no es completa.

Un ejemplo que daría como lugar a este tipo de emisiones es cuando existe una fuga de gases antes del sensor de oxígeno del motor de combustión. Esta fuga transporta oxígeno al sensor, lo que provoca que éste reaccione llamando a los inyectores para aumentar la dosis de combustible. Esto provoca una disminución de la proporción A/F, y por tanto una mala combustión con el consiguiente aumento del ratio CO/C0₂ (Wenze, y otros, 1998). Otro ejemplo de la variación de A/F es el incremento de la carga en el motor, o la disminución del número de revoluciones.

El ratio CO/C0₂ además de indicar los posibles grandes contaminadores, o en inglés high- emiters, también es un indicador de la condición de la conducción, ya que en procesos de aceleración o deceleración el ratio aumentará. A pesar de todo, si el motor se encuentra en buenas condiciones este valor se mantendrá dentro de los límites esperables.

Niveles de dicho ratio A/F por debajo de 0.15 garantizan una baja emisión, ya que aumenta el ratio CO/C0₂ o, por lo menos, dentro de los niveles normales para un modelo de automóvil. Valores superiores indican un posible mal funcionamiento del motor, lo que conlleva a un aumento de las emisiones. Según la clasificación mostrada anteriormente, valores que superen la cota de 0.6 son clasificados como grandes contaminadores. Estos datos fueron establecidos hace una década. El avance en la industria automovilística ha conseguido la mejora de la combustión en los motores, lo que implica una disminución de las emisiones. Dado esto, es de esperar que el ratio CO/C0₂ para un coche en buen estado haya disminuido.

Gracias al límite dinámico de detección del dispositivo y del método de la presente invención, es posible modificar el nivel de detección según conveniencia, pudiendo adaptarse a lo largo del tiempo a los nuevos ratios establecidos para automóviles considerados grandes contaminadores.

Selección de bandas para el cálculo del ratio CO/C0₂

En esta sección se desarrolla el proceso completo de selección espectral necesario para la cuantificación de CO y C0₂, para el caso de una aplicación concreta de la medida de dichos compuestos provenientes de combustiones de vehículos a motor. En primer lugar se definen los rangos de concentración y temperatura esperables en este tipo de combustiones, así como las especificaciones relativas a su medida:

-Temperatura. Rango: 300K - 400K. Error máximo: 10K.

-Concentraciones:

• Dióxido de carbono. Rango: 4 - 14 % en volumen por metro de camino óptico recorrido, deducido a partir de las relaciones estequiométricas establecidas en la combustión. Error máximo: 200 ppnrm.

• Monóxido de carbono: Rango: 100 - 2000 ppnrm. Error máximo: 50 ppnrm.

Una vez calculadas las transmitancias resultantes para ambas especies y para los rangos de concentración y temperatura establecidos, se selecciona el gas térmicamente más representativo de la mezcla (GT).

El dióxido de carbono es en este caso el gas dominante en la mezcla, y sus efectos son, como indica la figura 7, preponderantes sobre el monóxido de carbono ya que si se calcula la integral de la transmitancia en la banda representada para uno y otro gas, el valor de la integral para el C0₂ es mayor que para el CO. Como se indica en la figura, la zona representada con la referencia (4) es la correspondiente a la transmitancia del CO y la representada con la referencia (5) es la transmitancia para el C0₂.Por lo tanto, se selecciona el C0₂ como térmicamente representativo de la mezcla.

Se selecciona un valor de 0, 1 cm como ancho de banda mínimo detectable por el dispositivo según la invención. Valor representativo de dispositivos del estado de la técnica en el ámbito de la termografía infrarroja, y que permite distinguir un número relativamente elevado de bandas de integración en los siguientes pasos del proceso. Banda de integración es el intervalo en el que se calcula la integral de la función de transmitancia, dependiente de la temperatura y de la longitud de onda, extendiendo la integral en la variable longitud de onda, para así dejar definida la transmitancia en función de la temperatura como única variable, como se ha explicado anteriormente.

Se seleccionan las bandas de integración óptimas para la cuantificación simultánea de concentración y temperatura:

« La primera banda de integración está asociada a las variaciones de concentración y muy poco sensible a variaciones en temperatura.

• La segunda banda está asociada a fuertes valores de gradiente relacionados con la temperatura. Además, dado que para el dióxido de carbono los incrementos de temperatura se traducen en ensanchamientos de las líneas espectrales. Así, pese a que ambas bandas seleccionadas representan la máxima variación de ambas magnitudes no proveen de suficiente información estadística como para alcanzar las especificaciones de la medida, por lo que es necesario añadir una banda más de integración y es conveniente emplear filtros interferenciales situados en los extremos de la banda del C0₂.

Una vez se ha añadido una tercera banda, se verifica el cumplimiento de las especificaciones establecidas en el primer paso:

-Temperatura. Rango: 300K - 400K. Error máximo: 10K.

-Concentraciones:

• Dióxido de carbono. Rango: 4% - 14% en volumen por metro de camino óptico recorrido, deducido a partir de las relaciones estequiométricas establecidas en la combustión. Error máximo: 200 ppnrm.

• Monóxido de carbono: Rango: 100 - 2000 ppnrm. Error máximo: 50 ppnrm.

De una forma gráfica, el efecto de aumentar el número de bandas espectrales se interpreta como una reducción del conjunto de posibles pares temperatura-concentración. A medida que se añaden bandas el espacio de valores posibles (identificado por la región intersección de todas ellas) disminuye, de forma que con suficiente resolución espectral se puede acotar el error cometido en la estimación de los pares temperatura-concentración hasta valores adecuados para este tipo de medidas, como se ve en la figura 8.

De la gráfica presentada en la figura 8 se deduce el valor de los errores cometidos conforme se continúa con el proceso de adición de bandas espectrales. La referencia (6) representa el error en temperatura que en el ejemplo de la figura es 9.02°C, la referencia (7) representa el error en concentración que en el caso del ejemplo son 169ppm m y la referencia (8) identifica las curvas de radiancia integrada para cada uno de los filtros de C0_2. Para el caso de 3 bandas de integración se obtiene un error en la estimación de la temperatura de aproximadamente 9 K y un error en concentración de 169 ppnrm, valores que satisfacen las especificaciones propuestas (de 10 K y 200 ppnrm respectivamente). Tras el proceso anterior, sólo resta la adición de una banda espectral por cada gas restante a cuantificar. Dado que el valor de temperatura es común al resto de especies, únicamente se seleccionan los anchos de banda que satisfacen las especificaciones propuestas.

Se selecciona aquella banda de integración que cumple las especificaciones referidas a la estimación de concentración del monóxido de carbono, y de forma que los filtros interferenciales utilizados son los que se muestran en la siguiente tabla y que se representan en la figura 9:

Ejemplo de selección de bandas para la medida de los compuestos aaseosos SO?, SF_fí v

CH. Al igual que en la estimación del ratio CO/C0₂, se proponen las bandas de integración óptimas para la detección y cuantificación de distintos compuestos gaseosos, como S0₂, SF₆ y CH₄. Dicha selección espectral sigue las etapas del método según la invención, por lo que no serán aquí de nuevo detallados y se omitirán los resultados obtenidos en los puntos intermedios, presentándose únicamente los resultados finales para cada uno de los compuestos de interés.

Dióxido de azufre ISO_?)

Los sensores actuales presentan una dificultad técnica para la detección y medida de este gas. Esta dificultad técnica es que los elementos electro-ópticos que componen el sensor (lentes, ventanas, coid stop, filtros, detector, y otros elementos) no presentan sensibilidad en el rango de longitudes de onda comprendidas al menos entre 7 y 9 mieras, que es donde se localizan los valores más elevados de la absortividad de dicho gas, es decir, su firma infrarroja.

Por este motivo, para la detección de S0₂, es necesario además de la correcta selección de bandas, la sintonización de todos los elementos electro-ópticos que intervienen en el proceso de detección.

Dicha sintonización consiste en:

• hacer que la transmitancia de la óptica y la ventana del detector sea alta (>50%) al menos entre 7 y 9 μηι

• Optimizar la sensibilidad del detector en el rango de longitudes de onda comprendido entre 7 y 9 μηι

Una vez salvada, mediante el proceso descrito, la dificultad técnica, el proceso de selección

• del escenario típico y

· las bandas óptimas de detección

es el mismo que para otros gases:

Configuración de medida: PASIVA o ACTIVA

Rango de Temperatura esperable: 323-1000 K.

Rango de Concentración esperable: 50 < c < 100000 ppm vol.

Espesor óptico de la mezcla de gases: >1 mm.

Error máximo en concentración: 500 ppm.

Error máximo en temperatura: 50K.

Distancia Sensor-Mezcla de gases: 1-500 m.

Bandas de Integración:

• BANDA I: A¡=7.14 μηι- λ δ.8 μηι , (longitud de onda incial y longitud de onda final)

• BANDA II: A¡=8.8 μηι - λ 9.4 μηι. (longitud de onda incial y longitud de onda final) Hexafluoruro de azufre (SFg)

Configuración de medida: PASIVA

Rango de Temperatura esperable: 323-393 K.

Rango de Concentración esperable: 50 < c < 1000 ppm vol.

Espesor óptico de la mezcla de gases: 10 cm.

Error máximo en concentración: 50 ppm.

Error máximo en temperatura: 10K. Distancia Sensor-Mezcla de gases: 5 m.

Bandas de Integración:

• BANDA I: Ac1 =10.63 μηι, BW1=460 nm. (longitud de onda central y ancho de banda)

• BANDA II: Ac2=10.2 μηι, BW2=410 nm. (longitud de onda central y ancho de banda)

Metano (CH

Configuración de medida: PASIVA

Rango de Temperatura esperable: 323-393 K.

Rango de Concentración esperable: 1 % < c < 20 % ppm vol.

(Se considera inflamable para concentraciones en el rango del 5 al 15 % de dilución en aire).

Espesor óptico de la mezcla de gases: 10 cm.

Error máximo en concentración: 1000 ppm.

Error máximo en temperatura: 10K.

Distancia Sensor-Mezcla de gases: 5 m.

Bandas de Integración:

• BANDA I: Ac1 =3.37 μηι, BW1=144 nm. (longitud de onda central y ancho de banda)

• BANDA II: Ac2=3.22 μηι, BW2=100 nm. (longitud de onda central y ancho de banda)

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Método no intrusivo para la detección y medida de la concentración de gases con firma infrarroja en una masa formada por una mezcla de gases que comprende gases con firma infrarroja caracterizado porque comprende las etapas de: a) seleccionar un conjunto n de gases con firma infrarroja presentes en la masa de mezcla de gases cuya concentración se quiere medir, b) seleccionar una primera ventana (0) de lectura con una longitud de onda de centrado λ₀, en el espectro infrarrojo, y un ancho de banda tal que la radiación a detectar de un primer gas G₁ del conjunto de n gases es sensible a cambios de temperatura T del gas en esa ventana, c) seleccionar una segunda ventana (1) de lectura con una longitud de onda de centrado λ_χ, en el espectro infrarrojo, y un ancho de banda tal que la radiación a detectar del primer gas G_t del conjunto de n gases es sensible a cambios de la concentración c_x del gas en esa ventana, donde la longitud de onda λ y el ancho de banda es distinto que los de la primera ventana, d) para cada uno de los gases G_u i = 2. . n del conjunto de n gases distinto del primero, seleccionar una ventana i-ésima (i) de lectura con una longitud de onda de centrado A¿, en el espectro infrarrojo, y un ancho de banda tal que la radiación a detectar del gas i-ésimo G_¿ del conjunto de n gases es sensible al menos a cambios de la concentración c¿ del gas en esa ventana, donde la longitud de onda λ y el ancho de banda es distinto que los del resto de las ventanas, e) proveer de medios de lectura de la radiación en cada una de las ventanas de lectura;

0 proveer a¿(T,A) i = 1. . n, para cada gas G_¿ al menos en el ancho de banda de G_¿ y en un rango de temperaturas T preestablecido,.

• donde a es la absortividad espectral,

• T es la temperatura,

• λ es la longitud de onda considerada, g) definir el sistema de ecuaciones:

W_Q ÍT. C^ C₂,

Si

s₂ W₂ (T, c₁, c₂, s_n = W_n(T, c_lt c₂, ... , c_n) donde s_¿ con i = Ο, .,. , η es el valor de una lectura de la radiación llevada a cabo por los medios de lectura en la ventana i-ésima y W_t es la función que modeliza el proceso de transferencia radiativa de la mezcla hasta los medios de lectura; h) llevar a cabo una lectura con los medios de lectura de las variables s_¿ con i = Ο, .,. , η sobre la misma mezcla y en el mismo instante de tiempo, o en un intervalo de tiempo en el que no haya evolución de la temperatura y concentraciones de la mezcla, para cada ventana; y, resolver el sistema de ecuaciones en las variables T, c_t, c₂, ... , c_n; i) proveer al menos uno de los valores c_x, c₂, ... , c_n como valores de la concentración de gases.

2.- Método según la reivindicación 1 caracterizado porque las ventanas de lectura son tales que las variaciones de la lectura de la radiación s_¿ para un gas determinado se consideran despreciables ante variaciones de la concentración o temperatura de los otros gases, donde el sistema de ecuaciones definido está simplificado de la siguiente forma:

s₀ = W₀(T, _Cl)

S_l = W^T. cJ

s₂ = W₂ (T, c₂)

3.- Método según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque para cualquiera de los gases, se define:

• una ventana de lectura adicional con una longitud de onda de centrado, situado en el espectro infrarrojo, y con un ancho de banda tal que la radiación a detectar en el gas es tal que es sensible a cambios de la concentración en esa ventana, donde la longitud de onda y el ancho de banda es distinto que los de las otras ventanas; y,

• una ecuación adicional de la forma s=W(T,c) para dicho gas.

4. - Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dadas dos ventanas de lectura de un mismo gas cada una de ellas se selecciona de acuerdo a los siguientes criterios:

• la otra ventana de lectura seleccionada de forma que en su ancho de banda las variaciones de la señal debido a variaciones en la concentración del gas son máximas.

5. - Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la función W (T, es la radiación L(T, c_u X) en función de la temperatura de la mezcla y la concentración de cada uno de los gases, integrada en λ a lo largo del ancho de banda de la ventana de lectura..

6. - Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la función W(T, c_t, c₂, ... , c_n) contempla:

• la presencia de cualquiera de los dos anteriores

de tal modo que adopta la expresión:

λ, sup

siendo

T_mezcla (T, ci,X)\a transmitancia de la mezcla de gases,

^ ^Tatmósfera (Tatm_> ^ci_> )\a transmitancia de la atmósfera dependiente de las concentraciones de los gases involucrados en la detección,

L(T, , A, Ci) la radiación espectral de la mezcla,

Latmósfera (Jatm, Ci, X) la radiación espectral de la atmósfera;

^ Lfondo (Tfondo_>^)l^a radiación espectral del fondo,

T_filtro (X) es la transmitancia espectral del filtro de medida. A_sup,A_inf los límites de integración, en un ejemplo particular mayores que el ancho de banda del filtro óptico utilizado, y donde L_atmósfera o L_fondo es nula caso de no estar presentes en un escenario de medida.

7. - Método espectroscópico no intrusivo para la detección de gases contaminantes según cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 2 caracterizado porque la etapa de obtener una aproximación por polinomios en la banda de interés de la absortividad espectral de los gases a detectar en función de la temperatura, utilizando datos reales de absortividad proporcionados por una base de datos, se realiza aproximando por polinomios la envolvente definida por los mínimos de absortividad en función de la temperatura, donde los polinomios adoptan la forma:

a(T, X) = ^ ¿ · ¿

8. - Dispositivo no intrusivo para la medida de la concentración de gases con firma infrarroja en una masa formada por una mezcla de gases que comprende gases con firma infrarroja adaptados para llevar a cabo un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende:

• unos medios de lectura de radiación en un conjunto de n+1 ventanas de lectura con una longitud de onda de centrado A¿ con i=0, 1 , ... ,n y un ancho de banda tales que todas las ventanas son distintas y donde todos los medios de lectura llevan a cabo la observación de la misma mezcla de gases,

• una unidad de proceso adaptada:

i. para recibir los valores de las lecturas de los medios de lectura

¡i. para llevar a cabo las etapas f) a j) según la reivindicación 1.

9. - Dispositivo según la reivindicación 8 caracterizado porque los medios de lectura son sensores de infrarrojo sensibles únicamente en la ventana de lectura.

10. - Dispositivo según la reivindicación 8 caracterizado porque los medios de lectura son un sensor de infrarrojos que comprende al menos un filtro donde este filtro es de longitud y ancho de banda de acuerdo a la ventana de lectura.

11. - Dispositivo según la reivindicación 10 caracterizado porque el mismo sensor dispone de más de un filtro, desplazable, adaptado para que en un periodo de tiempo en el que no se produce evolución de las variables de la mezcla es capaz de llevar a cabo lecturas con distintas ventanas de lectura.

12. - Dispositivo según la reivindicación 11 caracterizado porque el desplazamiento de los filtros es rotatorio.

13. - Dispositivo según la reivindicación 8 caracterizado porque los medios de lectura son sensores de infrarrojo situados en la línea de visión de la mezcla y tras un elemento óptico de separación o discriminación de longitudes de onda.