BRPI0708807A2 - modelo àtico de um sistema de mediÇço de particulado - Google Patents

Abstract

MODELO àTICO DE UM SISTEMA DE MEDIÇçO DE PARTICULADO. Descreve-se o projeto ótico de um sistema de medição. O sistema de medição compreendendo de uma fonte luminosa (10) configurada para fornecer luz ao longo de um primeiro eixo. O sistema de medição apresentando uma lente de reflexão (1) alinhada ao longo de um segundo eixo aonde a lente de reflexão (1) apresenta um primeiro foco no segundo eixo e um segundo foco no segundo eixo aonde o segundo foco encontra-se entre o primeiro foco e a lente de reflexão (1) e onde o segundo foco encontra-se posicionado próximo ao primeiro eixo. O sistema de medição apresenta uma lente de campo (2) localizado no segundo eixo e posicionada de tal modo que o segundo foco da lente de reflexão (1) ocorre no interior da lente de campo (2). O sistema de medição apresenta um sistema de lentes para retransmissão (3,4) alinhado com o segundo eixo aonde o sistema de lentes para retransmissão (3,4) forma um primeiro foco no segundo foco da lente de reflexão (1). O sistema de medição apresenta um sensor (5) localizado no segundo eixo em um segundo foco do sistema de lentes para retransmissão (3,4) e é configurado para detectar a luz espalhada próxima ao segundo foco da lente de reflexão (1).

Description

"MODELO ÓTICO DE UM SISTEMA DE MEDIÇÃO DE PARTICULADO"ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

A qualidade ou pureza do produto (meio onde se dá a suspensão de partículas) emlinha de fabricação seja ele líquido, gás, produto farmacêutico, ou algo similar é do interessedo especialista em processo, engenheiro, cientista, e outros. Uma medida da qualidade doproduto compreende de um ensaio da matéria particulada ou da concentração da matériaparticulada contida no produto final ou durante os vários estágios de produção do produto deforma a se garantir que a matéria particulada na forma de um constituinte do processo ousob a forma de um produto do processo, exista em uma quantidade prescrita ou então den-tro de uma tolerância adequada. Quando as partículas em suspensão são desconhecidas,as partículas podem diferir em composição, tamanho, e formato. É bem sabido que a maté-ria interage em uma variedade de maneiras, como exemplo temos através de absorção, re-flexão ou espalhamento, e fluorescência para nominarmos umas poucas. Vários mecanis-mos óticos têm sido projetados para a medição da matéria particulada contida em uma sus-pensão, tal como o turbidômetro ou nefelômetro, contador de partículas, e densitômetro,mas todos utilizam fundamentalmente configurações óticas, cada uma das quais designadaspara a medição de um atributo específico ou faixa de concentração das partículas suspen-sas por meio de transmitância, reflexão, ou re-emitância da luz.

Uma outra restrição na configuração para medição ótica é a imposta por agenciasregulatórias ou através de métodos padronizados, como exemplo temos o Método Norte-Americano EPA 180,1, o Método de Teste Padrão ASTM para determinação da Turvação daÁgua D 1889-00, e o Padrão Internacional ISO 7027 para a determinação da turvação juntoa um ensaio de qualidade da água. Esses métodos e normas regulam a relação geométricaquanto à emissão junto ao detector com o ângulo sólido do conjunto ótico de modo a garan-tir que o instrumento com função similar desempenhe dentro dos mesmos parâmetros proje-tados para fins de monitoração.

Outras limitações dos dispositivos no que tange a medição nefelométrica projetadapara determinação da presença de partículas em uma suspensão é a habilidade do disposi-tivo em operar para uma vasta faixa de tamanhos de partículas e concentrações sem impe-dimentos. Os contadores de partículas desempenham bem para baixas concentrações departículas, mas são propensos a bloqueios quando a concentração ou o tamanho das partí-culas tornam-se maiores do que a habilidade do vapor em escoamento fazer-se passar atra-vés de uma restrição, orifício ou capilaridade estreitos do interruptor de medição. Dispositi-vos, tais como um turbidômetro, com trajetos de escoamento irrestritos são insensíveis parapequenas concentrações de partículas devido que a técnica de medição primária baseia-seno fato da energia da luz espalhada atingindo o mecanismo detector ser maior do que aque-la do ruído auto-gerado pelo detector.Ainda uma outra deficiência dos dispositivos utilizados na medição de partículas emsuspensão compreende uma carência de mecanismos que possam avaliar falhas operacio-nais referentes ao estado do instrumento sem a interrupção do escoamento de partículasdevido à introdução de um dispositivo de calibragem ou um procedimento de calibração,necessitando da interação entre um operador especialista ou um técnico da área e o dispo-sitivo nefelométrico.

A invenção deste relatório descritivo elimina a necessidade por múltiplos dispositi-vos de medição nefelométricos e também de dispositivos de verificação do sistema de modoa se poder realizar o ensaio das partículas presentes ou ausentes ou o número delas emsuspensão em um meio, bem como, a verificação quanto à habilidade de medição dos sis-temas em acordo com os atributos de desempenho esperados.

ASPECTOS

Um aspecto da invenção inclui um sistema de medição compreendendo:

uma fonte luminosa configurada para fornecer luz ao longo de um primeiro eixo;

uma lente de reflexão alinhada ao longo de um segundo eixo aonde a lente de re-flexão apresenta um primeiro foco no segundo eixo e um segundo foco no segundo eixoaonde o segundo foco encontra-se entre o primeiro foco e a lente de reflexão e aonde o se-gundo foco encontra-se posicionado próximo ao primeiro eixo;

uma lente de campo localizada no segundo eixo e posicionada de modo que o se-gundo foco da lente de reflexão ocorre no interior da lente de campo;

um sistema de lentes para retransmissão alinhado junto ao segundo eixo aonde osistema de lentes para retransmissão forma um primeiro foco no segundo foco da lente dereflexão;

um sensor localizado no segundo eixo em um segundo foco do sistema de lente pa-ra retransmissão e configurado para detectar a luz espalhada próxima ao segundo foco dalente de reflexão.

Preferencialmente, o primeiro eixo é perpendicular ao segundo eixo.

Preferencialmente, a lente de campo é feita a partir de um material apresentandoum índice de refração semelhante aquele para um meio de suspensão escoando através dosistema de medição.

Preferencialmente, a lente de reflexão é uma lente côncavo-convexa apresentandouma primeira superfície de refração e uma segunda superfície de reflexão.

Preferencialmente, a primeira superfície de refração e a segunda superfície de re-flexão da lente côncavo-convexa são esféricas.

Preferencialmente, a primeira superfície de refração e a segunda superfície de re-flexão da lente côncavo-convexa não são concêntricas.

Preferencialmente, a lente côncavo-convexa é feita de um material apresentandoum índice de refração maior do que aquele de um meio de suspensão escoando através dosistema de medição.

Preferencialmente, uma interrupção com abertura localizada no sistema de lentespara retransmissão aonde a lente de campo é configurada para focar uma imagem da inter-rupção com abertura na lente de reflexão.

Preferencialmente, o sensor apresenta uma pluralidade de áreas ativas aonde cadaárea ativa converte luz em carga.

Preferencialmente, um processador acoplado junto ao sensor e configurado paradeterminar pelo menos um dos seguintes itens: um contador de partículas por unidade devolume, turvação, uma taxa de escoamento de um meio de suspensão.

Preferencialmente, o sistema de medição compreende ainda:uma esfera de integração apresentando um acesso de admissão e um acesso deescape aonde a esfera de integração apresenta-se no primeiro eixo oposto à fonte luminosae o acesso de admissão encontra-se alinhado com o primeiro eixo;

um detector alinhado com o acesso de escape e configurado para detectar a inten-sidade da luz na esfera de integração.

Preferencialmente, o acesso de admissão encontra-se posicionado substancialmen-te a 90 graus com respeito ao acesso de escape.

Um outro aspecto da invenção compreende de um método para a medição da luzespalhada, compreendendo:

iluminação de um volume de amostra ao longo de um primeiro eixo aonde o volumede amostra contém particulados suspensos em um meio;

focagem da luz espalhada a partir dos particulados suspensos no meio ao longo deum segundo eixo junto a uma imagem intermediária utilizando uma superfície de reflexãoaonde a imagem intermediária encontra-se localizada no interior de uma lente de campo;

focagem da imagem intermediária em um sensor utilizando um sistema de lentes.Preferencialmente, o método compreende ainda:

bloqueio de uma porção da luz espalhada a partir dos particulados suspensos nomeio aonde a porção bloqueada apresenta-se dependente do ângulo da luz espalhada.

Preferencialmente, o método compreende ainda do primeiro eixo sendo perpendi-cular ao segundo eixo.

Preferencialmente, o método compreende ainda da superfície de reflexão apresen-tar-se em uma lente côncavo-convexa tendo uma primeira superfície de refração e uma se-gunda superfície de reflexão.

Um outro aspecto da invenção compreende de um sistema de medição, compreendendo:

uma fonte luminosa direcionada ao longo de um primeiro eixo e configurada para i-luminar um volume de amostra aonde o volume de amostra contém particulados suspensosem um meio;

uma esfera de integração apresentando um acesso de admissão e um acesso deescape aonde o acesso de admissão encontra-se localizado no primeiro eixo oposto a fonteluminosa e a esfera de integração encontra-se configurada para coletar a luz vinda da fonteluminosa passando através do volume de amostra;um sensor alinhado com o acesso de escape e configurado para detectar umaquantidade de luz coletada pela esfera de integração.

Preferencialmente, o acesso de admissão encontra-se posicionado substancialmen-te a 90 graus com respeito ao acesso de escape.

Preferencialmente, o acesso de admissão não encontra-se no campo de visão dosensor.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 compreende de uma vista seccional do perfil ótico de um sistema demedição de particulados em uma modalidade de exemplo da invenção.

A Figura 2 compreende de uma primeira vista lateral do sistema de medição de par-ticulados em uma modalidade de exemplo da invenção.

A Figura 3 compreende de uma segunda vista lateral, com a lente côncavo-convexaremovida, de um sistema de medição de particulados em uma modalidade de exemplo dainvenção.

A Figura 4 compreende de uma vista seccional do trajeto de escoamento de um sis-tema de medição de particulados em uma modalidade de exemplo da invenção.

A Figura 5 compreende de um diagrama de blocos do perfil ótico do trajeto de de-tecção em uma modalidade de exemplo da invenção.

A Figura 6 compreende de um diagrama de blocos do perfil ótico quando utilizandomais do que um trajeto de detecção em uma modalidade de exemplo da invenção.

A Figura 7 compreende de um diagrama de blocos do perfil ótico do trajeto da fonteluminosa em uma modalidade de exemplo da invenção.

As Figuras de 7a a 7g compreendem diagramas de blocos de várias disposições econstruções de máscaras com aberturas utilizadas para discriminação do ânguío de espa-Ihamento a partir de partículas em suspensão em uma modalidade de exemplo da invenção.

A Figura 8 compreende de um diagrama de blocos do perfil ótico da área de visãodos meios em suspensão em uma modalidade de exemplo da invenção.

A Figura 9 compreende de um diagrama de blocos de um sistema de medição departiculados utilizando uma pluralidade de trajetos da fonte luminosa em uma modalidade deexemplo da invenção.

A Figura 10 compreende de um diagrama de blocos do perfil ótico de um sistemade medição de particulados com uma fonte virtual de coroa anular e a segunda fonte lumi-nosa em uma modalidade de exemplo da invenção.

A Figura 11 compreende de um diagrama de blocos do perfil ótico de um sistemade medição de particulados com uma área sem revestimento da superfície da lente convexae uma segunda fonte luminosa em uma modalidade de exemplo da invenção.

A Figura 12 compreende de um diagrama de blocos do detalhe ótico de uma cali-bragem local e mecanismo de verificação utilizando luz da fonte luminosa primária e meca-nismo de comutação ótico para desviar uma porção da fonte primária para o mecanismo deverificação e calibragem em uma modalidade de exemplo da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA

As Figuras de 1 a 12 e o relatório descritivo exibem e detalham os exemplos espe-cíficos para aqueles especialistas na área em como utilizar e por em prática o melhor mododa invenção. Com a finalidade de ensinar-se os princípios inventivos, alguns aspectos con-vencionais foram simplificados ou omitidos. Os especialistas irão apreciar variações a partirdesses exemplos que se inserem dentro do escopo da invenção. Os especialistas irão apre-ciar que as características descritas adiante podem ser combinadas em várias maneiraspara a formação de múltiplas variações da invenção. Resultando que a invenção não seencontra limitada aos exemplos específicos descritos adiante, mas limitada somente pelasreivindicações e seus equivalentes.

A Figura 1 compreende de uma vista seccional do perfil ótico de um sistema demedição de particulados em uma modalidade de exemplo da invenção. O sistema de medi-ção de particulados compreende: fonte luminosa 10, suporte flexível 27, lente côncavo-convexa 1, lente de recepção 6, lente de liberação 7, lente de campo 2, carcaça do disposi-tivo 19, esfera de integração 11, detectorde transmissão 17, lente 3, máscara com abertura9, lente 4, e detector de partícula 5. A fonte luminosa 10 é instalada no suporte flexível 27 eprojeta uma luz ao longo de um primeiro eixo ótico AA. O suporte flexível 27 é utilizado paraajustar ou alinhar a relação angular entre a fonte luminosa 10 e a carcaça do dispositivo 19.Uma cavidade 8 é formada pela lente côncavo-convexa 1, lente de recepção 6, lente de libe-ração 7, lente de campo 2, e carcaça do dispositivo 19. O meio a ser testado escoa atravésda cavidade 8 ao longo de um eixo perpendicular junto ao plano do papel. Gaxetas ou dis-positivos de vedação, por exemplo, anéis em "O", podem ser utilizados entre a lente e a car-caça do dispositivo para auxiliar na formação de uma vedação firme ao fluido no entorno dacavidade 8. A lente de liberação é instalada na carcaça do dispositivo 19 e alinhada com oprimeiro eixo ótico AA. A esfera de integração 11 é instalada na carcaça do dispositivo 19próxima a lente de liberação 7. A esfera de integração 11 apresenta um acesso de admissão15 alinhado com o primeiro eixo ótico AA. O detector de transmissão 17 é instalado subs-tancialmente a 90 graus ao acesso de admissão 15 em um acesso de escape 16 da esferade integração 11. A lente côncavo-convexa 1, a lente de campo 2, a lente 3, a máscara comabertura 9, e a lente 4 são alinhadas ao longo de um segundo eixo ótico BB. O detector departículas 5 é instalado junto à carcaça do dispositivo e alinhado com o segundo eixo óticoBB. A superfície interna 12 da esfera de integração 11 pode ser preferencialmente revestidapara alterar a refletividade ou acentuar a estabilidade, durabilidade, ou capacidade de manu-tenção da superfície refletiva.

A Figura 2 compreende de uma primeira vista lateral do sistema de medição de par-ticulados em uma modalidade de exemplo da invenção. A fonte luminosa 10 pode ser umlaser, um LED (Diodo Emissor de Luz), uma lâmpada incandescente, ou uma lâmpada dedescarga, ou qualquer outra fonte de radiação coerente ou incoerente capaz de estimular odetector a produzir informação que seja utilizável. O ingresso 41 e a saída 44 de um escoa-mento através do dispositivo nefelométrico é feito pelo tubo de entrada 40 e pelo tubo desaída 43 facilitados pelas conexões 39 e 42 fixadas junto à carcaça do dispositivo 19. Umavista da seção da garra de sujeição 33 na Figura 2 mostra o mecanismo pelo qual uma ros-ca 36 aplica força junto à garra de sujeição 33 para apertar a bucha do detector 32 retendo oapoio do detector 34 em uma posição fixa.

A Figura 3 compreende de uma segunda vista lateral, com a lente côncavo-convexaremovida, de um sistema de medição de particulados em uma modalidade de exemplo dainvenção.

A Figura 4 compreende de uma vista seccional do trajeto de escoamento de um sis-tema de medição de particulados em uma modalidade de exemplo da invenção. O sistemade medição de particulados compreende: lente côncavo-convexa 1, lente de liberação 7,lente de campo 2, carcaça do dispositivo 19, lente 3, máscara com abertura 9, lente 4, de-tector de partículas 5, tubo de entrada 40 e, tubo de saída 43. O ingresso 41 e a saída 44 deum escoamento através do dispositivo nefelométrico é feito pelo tubo de entrada 40 e pelotubo de saída 43 facilitados pelas conexões 39 e 42 fixadas junto à carcaça do dispositivo19. As vedações em "O" 45 e 46 vedam os tubos 43 e 40 junto à carcaça do dispositivo 19.O primeiro eixo ótico AA forma uma linha perpendicular junto ao papel e é centralizado nalente de liberação 7.

A Figura 5 compreende de um diagrama de blocos do perfil ótico do trajeto de de-tecção em uma modalidade de exemplo da invenção. A Figura 5 mostra a luz espalhada nadireção da lente côncavo-convexa 1 pelas partículas no meio de suspensão 47 no plano doobjeto 49. A lente côncavo-convexa 1, lente de campo 2, e lentes 3 e 4 ao longo do eixoótico BB formam uma imagem ereta no plano da imagem 49" da partícula localizada no pla-no do objeto 49. Uma imagem intermediária das partículas é formada pela lente côncavo-convexa 1 ao longo do eixo ótico BB no plano de imagem 49', dentro da lente de campo 2.Através da formação da imagem intermediária no interior da lente de campo 2 somente aporção da luz que é refletida, espalhada ou emitida a partir das partículas em direção a lentecôncavo-convexa 1 são trazidas para foco no plano da imagem 49". Resultando que ne-nhuma imagem de partículas em suspensão é formada como resultado direto das lentes 3 e-4, mas tão somente como resultado da luz que está atingindo a lente côncavo-convexa 1.

Em uma modalidade de exemplo da invenção, a lente côncavo-convexa 1 compre-ende uma lente de emersão de material refrativo maior do que o índice de refração do meiode suspensão. A lente côncavo-convexa 1 apresenta uma primeira superfície de refraçãocôncava em contato com o meio de suspensão, e uma segunda superfície de reflexão con-vexa. A primeira e segunda superfícies não necessitam de serem concêntricas e nenhumadas superfícies necessita de serem concêntricas com o objeto no plano 49. Em uma modali-dade de exemplo da invenção a primeira superfície de refração da lente côncavo-convexa 1pode se apresentar inerte junto ao meio de suspensão. Devido à segunda superfície de re-flexão da lente côncavo-convexa 1 ser protegida pela primeira superfície de refração, a lentecôncavo-convexa 1 pode ser limpa sem perigo de danificar a superfície de reflexão maisdelicada. A primeira superfície de refração possibilita um grau de liberdade a mais na corre-ção das aberrações óticas que podem de alguma forma degradar a qualidade da imagemnos planos de imagem 49' e 49" sem a necessidade de superfícies asféricas em benefícioda redução do custo de produção. Devido que a capacidade ótica principal da lente cônca-vo-convexa ser fornecida através da superfície de reflexão, podem ser minimizados proble-mas com a dispersão para uma ampla faixa de comprimentos de onda de teste. O raio mar-ginal 50 a partir do plano do objeto 49 é refratado pela superfície côncava da lente côncavo-convexa 1, e se propaga na forma de um raio 50a para a superfície convexa refletiva da len-te côncavo-convexa 1. Mediante a reflexão na superfície convexa revestida da lente, o raiorefletido 50b é novamente refratado pela superfície côncava da lente côncavo-convexa 1 edeixa a lente na forma de uma raio refratado 50c. Devido que o plano do objeto 49 e o planoda imagem intermediária 49', no interior da lente de campo 2, são deslocados ao longo doeixo ótico BB , ocorre uma pequena refração em cada lado da lente de campo 2 uma vezque o índice de refração entre o meio de suspensão 47 e o índice de refração da lente decampo 2 são semelhantes e a imagem intermediária 49" é concêntrica, ou próxima a isso, àsuperfície convexa da lente de campo 2. A lente côncavo-convexa 1 fornece uma aberturanumérica ampla que captura uma grande porção da luz espalhada de uma partícula no meiode suspensão 47. Em uma modalidade de exemplo da invenção, o excesso a 1/7 do total daluz espalhada pode ser utilizado para atingir o detector de partículas 5 no plano da imagem49". O raio marginal 50c é refratado pela lente 3, como raio marginal 50d, e emerge da lente3 como raio marginal 50e. A interrupção de campo 9 define a extensão pela qual os raiosmarginais espalhados de partículas no meio de suspensão 47 irão se propagar através dosistema ótico. Uma imagem da interrupção de campo 9 é formada próxima ou na superfícieda lente côncavo-convexa 1 na forma de imagem de interrupção de campo 9'. O raio margi-nal 50e propaga-se até a lente 4 e é retratado como raio marginal 50f, emergindo da lente 4como raio marginal 50g aonde uma imagem ereta da partícula é formada a partir da luz es-palhada do plano do objeto 49 no plano da imagem 49". O raio principal 51 segue um trajetosimilar através do sistema ótico passando através do centro da interrupção de campo 9 etambém através do centro da imagem 9' da interrupção de campo formada na superfície dalente côncavo-convexa 1. A interrupção de campo 9 é posicionada a partir da lente 4 de mo-do que o detector de partículas 5 apresente-se conjugado no ponto infinito da interrupção decampo 9. Assim, qualquer porção da imagem formada na interrupção de campo 9 atingeigualmente a superfície do detector de partícula 5.

O detector 5 pode compreender de um fotodiodo, Tubo Foto-Multiplicador (PMT),Dispositivo Com Carga Acoplada (CCD) ou sensor de imagem Semicondutor de Óxido deMetal Complementar (CMOS), ou qualquer outro mecanismo para converter luz ou radiaçãoem valores quantificáveis do potencial ou corrente elétrica. Em uma modalidade de exemploda invenção, detectores em um conjunto de área, tal como sensores de imagens CCD ouCMOS podem ser utilizados para medição da intensidade da imagem formada no sensor deimagem pela posição espacial e pela área de incremento. Utilizando-se esta informação, odispositivo pode medir tamanho, formato, distribuição, ocorrência, e velocidade das partícu-las em suspensão no plano do objeto 49. A ampliação do objeto para imagem ao longo doeixo ótico BB é selecionada para fornecimento de uma resolução adequada para as medi-ções de interesse e define a área máxima que pode ser medida na suspensão. Caso o ta-manho do sensor de imagem seja de 6,4 χ 4,8 mm e a ampliação do sistema ótico seja de2x, então a área máxima que pode ser medida na suspensão será de 3,2 χ 2,4 mm. Para umdado sensor de imagem um número fixo de sites foto sensitivos estão presentes como pixéisde exemplo, 640 χ 480, portanto, cada pixel tendo 10 μιτι e representando uma resolução de5 μm de objeto por pixel na suspensão. Caso as partículas a serem medidas sejam, pelomenos, 2 a 3 vezes maiores do que a resolução do sistema, então uma medida razoável dotamanho e formato do objeto pode ser determinada. A profundidade da imagem ao longo doeixo ótico BB é determinada a partir do resultado do diâmetro ou largura do feixe de ilumina-ção ao longo do eixo ótico BB e, ou a profundidade do campo do sistema ótico de imagem.Um volume de medição definido pode ser determinado utilizando a largura da iluminação aolongo do eixo ótico BB1 a profundidade de campo do sistema ótico de imagem, a ampliaçãodo sistema ótico, e o tamanho do detector de partículas. Uma contagem das partículas ilu-minadas ou fluorescentes no interior do volume de medição definido pode ser interpretadocomo uma contagem por milímetro cúbico. Caso o sensor de imagem seja de um tipo deintegração, como no caso de sensores de imagens CCD e CMOS, o tempo de integração -o tempo alocado para a carga se acumular na área foto sensitiva do dispositivo, pode serutilizado para determinar a taxa de escoamento das partículas em suspensão para a medi-ção do número de pixéis excedentes durante o período de integração. A imagem resultanteé por vezes referida como um "impacto", cuja largura e o tempo de integração conhecidospodem ser usados para se calcular a velocidade da partícula, determinando-se a taxa deescoamento do meio de suspensão. Quando a concentração de partículas em suspensão ésuficientemente alta, as partículas individuais tornam-se indistinguíveis no sensor de ima-gem, mas elas podem ser medidas na forma de uma concentração de partículas por meioda carga total acumulada durante o período de integração conhecido no sensor de imagem,ou pelo produto de corrente em amperes do detector de partículas 5, na forma de um fotodi-odo, que esteja ligado às Unidades de Turvação Nefelométricas (NTU), Unidade Nefelomé-trica Formazina (FNU), Unidades McFarIane1 ou qualquer outra unidade nefelométrica pa-drão para medição do embaçamento ou sujeira da suspensão calibrada, por uma concentra-ção com padrão nefelométrico conhecido.

A invenção descrita não se encontra limitada a um único trajeto de detecção. A Fi-gura 6 compreende um diagrama de blocos de um perfil ótico quando se utilizando mais doque um trajeto de detecção em uma modalidade de exemplo da invenção. Um segundo eixoótico é introduzido substancialmente a 90 graus junto ao eixo ótico BB, ambos substancial-mente a 90 junto ao eixo ótico da fonte luminosa. A dispersão da luz a partir da partícula noplano do objeto 49 é coletada e transmitida ao longo do eixo ótico CC na mesma maneiraconforme já descrito para o caso da Figura 5 utilizando agora a lente côncavo-convexa 1A,lente de campo 2A, lentes 3A e 4A, para formação de uma imagem ereta da partícula nodetector de partículas 5A. As duas imagens são relacionadas, uma vez que a imagem for-mada no detector de partículas 5A é o perfil de imagem formada no detector de partículas 5.

Em acréscimo a isso, os dois detectores, 5 e 5A não precisam apresentar a mesma respostaespectral nem existe uma necessidade para as lentes côncavo-convexas 1 e 1A apresenta-rem a mesma refletividade espectral. De fato, o trajeto ótico pode ser alterado através dainclusão de filtros óticos ou por meio de revestir-se a refletividade ou pela resposta do detec-tor de modo que cada trajeto ótico seja sensitivo para uma diferente porção do espectro demaneira a se determinar a absorção ou emissão a partir de partículas em suspensão nomeio 47 no plano do objeto 49 para comprimentos de onda seletivos.

A Figura 7 compreende um diagrama de blocos do perfil ótico do trajeto da fonteluminosa em uma modalidade de exemplo da invenção. Deseja-se impedir que a energiaradiante dispersa se propague ao longo do eixo ótico BB para o detector de partículas 5.Portanto, a melhor forma de atuação é não se iluminar mais do volume de amostra do que aparte que possa ser obtida a imagem no detector de partícula 5. A lente de recepção 6 focaa luz 53 como 53a a partir da fonte luminosa 10 para iluminar aquele volume de amostra queirá contribuir em forma de uma imagem do volume de amostra no detector de partícula 5.Após a luz ter-se propagado através do volume de amostra, a lente de liberação 7 direcionaa luz transmitida, não absorvida ou espalhada pelas partículas em suspensão, como a luz53b, para o acesso de admissão 15 da esfera de integração 11. Faz-se o revestimento oudá-se o acabamento na superfície interna 12 da esfera de integração 11 para esta ser difu-sivamente refletiva de modo a iluminar-se uniformemente a parte interna das superfícies daesfera de integração com a luz transmitida. Ao se proceder dessa maneira o detector detransmissão 17 irá medir a mesma intensidade de luz a despeito do ângulo exato ou distribu-ição exata da luz no interior do feixe de transmissão da fonte luminosa 10 ao longo do eixoótico de iluminação AA. O acesso de escape 16 na esfera de integração 11 encontra-se po-sicionado substancialmente a 90 graus junto ao acesso de admissão da esfera de integra-ção 11. De modo a se prevenir quanto à iluminação direta do detector de transmissão 17 eassim se reduzir as sensitividades da incidência e posição do feixe, as linhas de visão dodetector 54 e 54a do detector de transmissão 17 não incluem o acesso de admissão 15 ou aenergia de transmissão incidente na superfície interna 12 da esfera de integração 11. Ossinais gerados a partir do detector de transmissão 17 e do detector de partículas 5 podemser utilizados para determinarem a razão da luz transmitida pela luz espalhada ou para me-dição da absorção ou fluorescência das partículas. Uma outra vantagem do uso inovativo deuma esfera de integração para a medição da luz transmitida em um nefelômetro é dada pelare-distribuição da luz através da superfície mais interna 12 da esfera de integração 11, resul-tando em um decréscimo na intensidade da superfície no detector de transmissão 17, elimi-nando assim a necessidade para aprisionamento da luz ou filtros de densidade neutros pararedução do valor máximo para a luz incidente atingindo o detector de transmissão 17.

Uma qualidade ímpar da invenção descrita é sua habilidade de obter a imagem deum objeto ou máscara, posicionados ao longo do eixo ótico BB na interrupção de campo 9,na ou próximo da superfície da lente côncavo-convexa 1. Conforme mostrada na Figura 7a,uma máscara anular 9a posicionada na localização da interrupção de campo 9, é utilizadapara discriminar através da propagação permissível, somente aqueles raios que venham aser refletidos ou espalhados do plano do objeto 49 para um ângulo reto em relação ao eixoótico BB. As máscaras anulares 9b e 9c utilizadas em vista da interrupção 9 são utilizadaspara alterarem o ângulo da propagação permissível do espalhamento enquanto que man-tendo um rendimento do sistema ótico constante. O rendimento é utilizado para especificar acapacidade geométrica de um sistema ótico em transmitir radiação, ou seja, sua produção.

O valor numérico do rendimento é tipicamente uma constante do sistema e é calculado co-mo o produto do lado de abertura com o ângulo sólido da luz que é aceita pelo sistema. Orendimento pode ser conhecido também como a capacidade de coleta ou aglutinação da luzde um sistema ótico. Um diafragma da íris, conforme mostrado na Figura 7b, substituída poruma interrupção de campo 9 fixa da Figura 7 pode ser ajustada para alteração da quantida-de de luz incidindo no detector de partícula 5 e também a totalidade do ângulo de espalha-mento incluso do plano do objeto 49. A luz espalhada de uma partícula (ou de partículas) emdireção ao feixe incidente de iluminação é referida como uma "dispersão de retorno" emtermos nefelométricos. De outra forma, a luz espalhada para longe da fonte de iluminação éreferida como a "dispersão adiante". A luz espalhada a partir de uma partículam, nem emdireção e nem para longe da luz incidente, é referida como "dispersão lateral" em linguagemnefelométrica. As aberturas ou máscaras nas formas mostradas na Figura 7c até a Figura7g permitem a medição da quantidade de luz, por força da dispersão, espalhada de umapartícula (ou de partículas). Isto é bom para se ser capaz de medir as diferentes concentra-ções de partículas, uma vez que diferentes tipos de dispersão apresentam maiores utiliza-ções quanto à linearidade ou sensitividade dependendo da concentração de partículas nomeio de suspensão. Uma máscara circular deslocada do eixo ótico BB posicionada na posi-ção da interrupção de campo 9 da Figura 7, como na Figura 7c, é girada excentricamentejunto ao eixo ótico BB como 9a, 9b, e 9c, para manter constante o rendimento do sistemaótico com seleção preferencial do ângulo de dispersão em torno do eixo ótico BB na formade uma seção cônica. Duas máscaras semicirculares rotacionadas independentemente emtorno do eixo ótico BB, laminadas em grande proximidade uma da outra na posição da inter-rupção de campo 9 da Figura 7, são mostradas como 9a, 9b, 9c, e 9d na Figura 7d. A rota-ção das máscaras cria independentemente uma abertura de setor através de onde uma por-ção da luz espalhada em torno do eixo ótico BB é permitida passar através do sistema óticopara o detector de partícula 5 na direção da dispersão selecionada. Uma máscara na formade obturador (es) é utilizada para seleção de uma porção angular da luz emitida ou espalha-da a partir do plano do objeto 49 conforme mostrado na Figura 7e. Um obturador é deslizadoatravés da face de abertura 9 da Figura 7 para transmitir preferencialmente ou bloquear apropagação de raios junto ao detector de partículas 5 dependendo do ângulo de dispersãoou emissão do plano do objeto 49. O obturador na posição 9a da Figura 7e transmite luz queé espalhada adiante a partir do plano do objeto 49. Apresenta-se na Figura 7f, dois obtura-dores ajustados independentemente, ortogonais entre si, laminados em grande proximidadena posição da interrupção de campo 9 da Figura 7. A abertura, um setor, formada pelos doisobturadores pode ser transladada para fora do eixo ótico BB diferentemente do caso daque-la abertura do setor formada pelas máscaras semicirculares da Figura 7d. Utiliza-se umamáscara pixilatada na posição da interrupção de campo 9 controlada por mecanismos depolarização seletiva da luz espalhada passando através de uma película de polarização ecristais líquidos eletricamente polarizados como no caso de uma transmissão LCD (Visuali-zador de Cristal Líquido), para bloqueio, via mecanismos de polarização cruzada, a que aluz se propague através do referido LCD ao longo do eixo ótico BB. Uma máscara pixilatadapode ser substituída por qualquer uma ou por todas as formas de aberturas previamentedescritas sem preferência. A escolha da máscara efetivamente seleciona os ângulos de re-flexão que o detector 5 irá eventualmente processar. Alternativamente, quando somente oângulo e ou a intensidade da luz espalhada ou emitida deve ser medida a partir do plano doobjeto 49 e nenhuma imagem necessite de ser formada da(s) partícula(s) espalhada(s), co-mo no caso da presença de partículas ou fluorescências, então uma disposição de imagens,tais como um sensor de plano de imagens CCD ou CMOS, é utilizada em substituição a in-terrupção de campo 9, conforme mostrado na Figura 7g. A luz incidindo nos pixéis do sensorde plano da imagem é assim discriminada pelo ângulo de dispersão ou emissão uma vezque uma imagem do pixel é formada na superfície da lente côncavo-convexa 1 na forma deuma imagem de interrupção de campo 9'. Utilizando-se o perfil ótico apresentando múltiplostrajetos de detecção conforme mostrado na figura 6, podem ser usadas múltiplas máscarasapresentando diferentes áreas de mascaramento, de modo que medições diferenciadas doângulo de dispersão para partículas podem ser feitas simultaneamente.

A Figura 8 compreende um diagrama de blocos do perfil ótico da área de visão domeio de suspensão em uma modalidade de exemplo da invenção. A luz vinda da fonte lumi-nosa 10 se propaga na forma de um raio marginal 53 para a lente de recepção 6 constituin-do uma iluminação ou imagem focalizada causticamente da fonte no plano do objeto 49. Aluz que não se espalhou ou foi absorvida prossegue ao longo do trajeto ótico AA indo para alente de liberação 7 aonde mediante a luz não-absorvida ou não espalhada pela matériaparticulada é retransmitida para a superfície interna 12 da esfera de integração 11 atravésdo acesso de admissão 15. Alternativamente, as lentes 6 e 7 não precisam apresentar acapacidade ótica no caso em que a luz sendo emitida para o meio de suspensão é colimadaou focalizada e o ângulo subentendido na esfera de integração é pequeno. As lentes 6 e 7podem ser completamente removidas no caso em que o meio de suspensão não precise seapresentar isolado dos elementos externos do dispositivo, por exemplo, quando as partícu-las encontram-se suspensas no ar ou algum outro gás ou vapor.

Em uma modalidade de exemplo da invenção, uma pluralidade de trajetos de ilumi-nação podem ser empregados. A Figura 9 compreende de um diagrama de blocos de umsistema de medição de particulados utilizando uma pluralidade de trajetos da fonte luminosaem uma modalidade de exemplo da invenção. A Figura 9 apresenta fontes luminosas 10,10A e 10b projetando iluminação ao longo do eixo ótico 52, 52A, e 52B. Em uma modalida-de de exemplo da invenção, as fontes luminosas 10, 1A e 10B não precisam apresentar amesma emissão espectral ou podem ter comprimentos de onda de emissão selecionadosatravés da introdução de material de filtro ótico ao longo do eixo ótico 52, 52A, ou 52B, oupor seleção criteriosa dos materiais óticos ou revestimentos óticos utilizados para as lentes6, 6A, 6B, e, ou as lentes 7, 7A, e 7B.

Um outro aspecto da presente invenção é sua habilidade de introduzir luz no(s) tra-jeto(s) de detecção com uma percentagem ou quantidade conhecida de maneira a facilitar acalibragem ou verificação do estado operacional do dispositivo sem interrompimento do es-coamento ou fluxo das partículas. Uma calibragem ou verificação sem interrompimento éefetuada através da introdução de luz dentro do campo de visão do conjunto ótico de detec-ção ao longo do eixo ótico BB no plano da imagem da interrupção de campo 9', idêntica a dasuperfície da lente côncavo-convexa 1, conforme mostrado na Figura 10. O guia de ondaanular 60, feito de material plástico transparente, vidro, ou outros tipos de materiais adequa-dos, transporta a luz a partir da segunda fonte luminosa 56 ao longo do eixo ótico 59 entreas duas superfícies de guarnição por intermédio da Reflexão Interna Total (TIR)1 a partir daborda externa do guia de onda anular 60 junto à borda mais interna do guia de onda anular60. A borda mais interna do guia de onda anular 60 pode ser preferencialmente aterrada,cauterizada, ou revestida de maneira a se dispersar a luz ao longo do eixo ótico BB na for-ma de uma coroa circular de raios marginais para formação de uma imagem do guia de on-da anular 60 na interrupção de campo 9 e, subseqüentemente, incidir igualmente no detec-tor de partículas 5, uma vez que o detector de partículas encontra-se conjugado no infinitoda lente 4. Através de seletivamente se permitir que a segunda fonte luminosa 56 emita luza uma intensidade conhecida, pelo fornecimento de mecanismos mecânicos ou elétricos, aluz é introduzida ao longo do eixo ótico BB em adição a luz espalhada ou emitida a partir departículas estimuladas pela fonte luminosa 10. Uma vez que a luz introduzida pela fonte Iu-minosa 10 deve viajar através do meio de suspensão, a luz é afetada pela concentração departículas no meio de suspensão por meio de absorção, espalhamento, e emissão da luz damesma maneira conforme a luz transmitida a partir da fonte luminosa 10 para o detector detransmissão 17. A razão da quantidade de luz transmitida para o detector 17 a partir da fonteluminosa 10 pela quantidade de luz transmitida a partir da segunda fonte luminosa 56 para odetector de partículas 5 é constante, desde que a fonte luminosa 10 e a segunda fonte lumi-nosa 56 emitam a uma intensidade constante e que todas as superfícies óticas degradem damesma maneira. Uma condição anormal resulta a partir do fato do valor estabelecido darazão se encontrar desviado além de uma quantidade prescrita aonde se possa garantir e-xecução, tanto da correção da condição anormal, quanto para a compensação do desvio darazão de maneira a retornar a razão ao seu valor estabelecido.

Uma vez que as lentes 3 e 4 retransmitem uma imagem a partir do interior da lentede campo 2, é também possível se utilizar esta disposição para optar-se por um material ouconstrução para a lente de campo 2 que irá proceder a dispersão parcial através de umcampo elétrico aplicado ou outro tipo de estimulação levando a lente de campo 2 a alterar ascaracterísticas óticas junto ao objetivo, e redirecionando a luz emitida para a borda da lentede campo 2 por meio de espalhamento ou emissão da luz no interior da lente de campo 2 aolongo do eixo ótico BB e assim incidir no detector de partículas 5. Esta disposição apresentaa vantagem da luz espalhada ou emitida apresentar-se desimpedida e não ser transmitidaatravés do meio de suspensão e não ser afetada por películas biológicas ou por restos demateriais que entram em contato com o meio de suspensão, podendo assim resultar emuma fonte de calibragem ou verificação mais estável e reprodutível.

Alternativamente a luz pode ser introduzida ao longo do eixo ótico BB através deuma porção ou abertura central sem revestimento 58 no revestimento ótico da superfícieconvexa da lente côncavo-convexa 1, conforme mostrado na Figura 11. Uma imagem dasegunda fonte luminosa 56 é trazida para focagem na superfície côncava da lente côncavo-convexa 1 idêntica a imagem 9' da interrupção de campo 9, pela lente 57 através da abertu-ra central sem revestimento 58 na lente côncavo-convexa 1. O esquema alternativo para aintrodução de luz a partir de uma segunda fonte luminosa difere do método descrito previa-mente na Figura 10, uma vez que nenhum radiador físico se encontra presente na superfíciecôncava I da lente côncavo-convexa 1, mas sim, uma imagem da segunda fonte luminosa56, e aquela luz constituída de raios principais e não de raios marginais. A luz incidindo nodetector de partícula 5 é, entretanto, indistinguível, como resultado entre os métodos de in-trodução da luz da Figura 10 e Figura 11, uma vez que ambos emitem luz, efetivamente noplano da imagem 9' da interrupção de campo 9 no interior do campo de visão do conjuntoótico de detecção ao longo do eixo ótico BB.

Apresenta-se na Figura 12 um outro mecanismo para se introduzir luz ao longo do eixo ótico BB para fins de calibragem ou verificação do estado operacional descrito pelapresente invenção sem a necessidade de uma segunda fonte luminosa. A luz a partir dafonte luminosa 10 é emitida ao longo do eixo ótico BB através da lente de recepção 6 e alente de liberação 7 via a abertura de liberação 15 do hemisfério de integração 13 para inci-dência na superfície interna 12 da esfera de integração 11. A luz é difusivamente refletidapor incidências múltiplas entre a superfície interna 12 da esfera de integração emergindo aolongo do eixo ótico 55 na abertura de escape 16 da esfera de integração 11. A superfícieótica 61, por exemplo, selecionável via a rotação em torno do eixo de rotação 63 com, pelomenos, uma superfície ou abertura de transmissão 64, e pelo menos, uma área de reflexão62, encontra-se posicionada além da abertura de escape 16 do hemisfério de integração 13 para refletir luz, substancialmente a 90 graus junto ao eixo ótico 55 ao longo do eixo ótico 68ou transmitir luz ao longo do eixo ótico 55 dependendo do alinhamento da abertura 64 ouárea de reflexão 62 junto ao eixo ótico 55. O posicionamento da superfície de reflexão 62 aolongo do eixo ótico 55, reflete a luz emergindo da abertura de escape 16 para incidir no de-tector de transmissão 17 posicionado ao longo do eixo ótico 68, assim assegura-se umamedição da luz transmitida a partir da fonte luminosa 10. O posicionamento da abertura 64ao longo do eixo ótico 55 permite a transmissão da luz ao longo do eixo ótico BB através daabertura central 58 da lente côncavo-convexa 1 via retransmissão da luz emitida a partir daabertura de escape 16 através da interrupção de abertura 65, lente 66, fibra ótica 67, e lente57. Uma imagem da extremidade da fibra ótica 67 é formada na superfície côncava da lentecôncavo-convexa 1 através da abertura central 58 idêntica à imagem 9' da interrupção decampo 9, para incidência no detector de partículas 5 e, proporção e a luz detectada pelodetector de transmissão 17 por meio da lente de campo 2, e a lente 3, interrupção de campo9, e a lente 4.

Claims (19)

1. Sistema de medição compreendendo de*uma fonte luminosa (10) configurada pa-ra fornecer luz ao longo de um primeiro eixo, com o sistema de medição sendoCARACTERIZADO pelo fato de compreender:uma lente de reflexão (1) alinhada ao longo de um segundo eixo aonde a lente dereflexão (1) apresenta um primeiro foco no segundo eixo e um segundo foco no segundoeixo aonde o segundo foco encontra-se entre o primeiro foco e a lente de reflexão (1) e ondeo segundo foco encontra-se posicionado próximo ao primeiro eixo;uma lente de campo (2) localizada no segundo eixo e posicionada de modo que osegundo foco da lente de reflexão (1) ocorre no interior da lente de campo (2);um sistema de lentes para retransmissão (3,4) alinhado junto ao segundo eixo aon-de o sistema de lentes para retransmissão (3,4) forma um primeiro foco no segundo foco dalente de reflexão (1);um sensor (5) localizado no segundo eixo em um segundo foco do sistema de Ien-tes para retransmissão (3,4) e configurado para detectar a luz espalhada próxima do segun-do foco da lente de reflexão (1).

2. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato do primeiro eixo ser perpendicular ao segundo eixo.

3. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato da lente de campo (2) ser feita a partir de um material apresentando um índice de refra-ção similar aquele de um meio de suspensão escoando através do sistema de medição.

4. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato da lente de reflexão (1) compreender uma lente côncavo-convexa (1) apresentandouma primeira superfície de refração e uma segunda superfície de reflexão.

5. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelofato da primeira superfície de refração e a segunda superfície de reflexão da lente côncavo-convexa serem esféricas.

6. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelofato de que a primeira superfície de refração e a segunda superfície de reflexão da lentecôncavo-convexa não serem concêntricas.

7. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelofato da lente côncavo-convexa (1) ser feita a partir de um material apresentando um índicede refração maior do que aquele de um meio de suspensão escoando através do sistema demedição.

8. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de compreender ainda:uma interrupção de abertura (9) no sistema de lentes para retransmissão (3,4) aon-de a lente de campo (2) é configurada para focar uma imagem da interrupção com aberturana lente de reflexão (1).

9. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que o sensor (5) apresenta uma pluralidade de áreas ativas aonde cada área ativaconverte luz em carga.

10. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de compreender ainda:um processador acoplado ao sensor (5) e configurado para determinar, pelo menosum dos seguintes itens: uma contagem de partículas por unidade de volume, turvação, umataxa de escoamento de um meio de suspensão.

11. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de compreender ainda:uma esfera de integração (11) apresentando um acesso de admissão (15) e um a-cesso de escape (16) aonde a esfera de integração (11) encontra-se no primeiro eixo opostoa fonte luminosa (10) e o acesso de admissão (15) encontra-se alinhado com o primeiro ei-xo;um detector (17) alinhado com o acesso de escape (16) e configurado para detectara intensidade da luz na esfera de integração (11).

12. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pe-lo fato do acesso de admissão (15) encontrar-se posicionado substancialmente a 90 grauscom respeito ao acesso de escape (16).

13. Método para medição da luz espalhada, compreendendo a iluminação de umvolume de amostra ao longo de um primeiro eixo aonde o volume de amostra contém parti-culados suspensos em um meio, com o método CARACTERIZADO pelo fato de compreender:focagem da luz espalhada a partir dos particulados suspensos no meio ao longo deum segundo eixo junto a uma imagem intermediária utilizando-se uma superfície de reflexãoaonde a imagem intermediária encontra-se localizada no interior de uma lente de campo;focagem da imagem intermediária em um sensor utilizando-se um sistema de lente.

14. Método para a medição da luz espalhada, de acordo com a reivindicação 13,CARACTERIZADO pelo fato de compreender ainda:bloqueio de uma porção da luz espalhada a partir dos particulados suspensos nomeio aonde a porção bloqueada é dependente do ângulo da luz espalhada.

15. Método para a medição da luz espalhada, de acordo com a reivindicação 13,CARACTERIZADO pelo fato do primeiro eixo ser perpendicular ao segundo eixo.

16. Método para a medição da luz espalhada, de acordo com a reivindicação 13,CARACTERIZADO pelo fato da superfície de reflexão estar encima de uma lente côncavo-convexa apresentando uma primeira superfície de refração e uma segunda superfície dereflexão.

17. Sistema de medição, compreendendo uma fonte luminosa (10) direcionada aolongo de um primeiro eixo e configurada para iluminar um volume de amostra (8) aonde ovolume de amostra (8) contém particulados suspensos em um meio, com o sistema de me-dição sendo CARACTERIZADO pelo fato de compreender:uma esfera de integração (11) apresentando um acesso de admissão (15) e um a-cesso de escape (16) aonde o acesso de admissão (15) encontra-se localizado no primeiroeixo oposto à fonte luminosa (10) e a esfera de integração (11) sendo configurada para cole-tar a luz a partir da fonte luminosa (10) passando através do volume de amostra (8);um sensor (17) alinhado com o acesso de escape (16) e configurado para detectaruma quantidade de luz coletada pela esfera de integração (11).

18. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pe-lo fato do acesso de admissão (15) estar posicionado substancialmente a 90 graus com res-peito ao acesso de escape (16).

19. Sistema de medição, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pe-lo fato do acesso de admissão (15) não se apresentar dentro do campo de visão do sensor(17).