BRPI0903370B1 - Sistema opto-eletrônico dedicado à medição do coeficiente de retrorrefletância para diferentes geometrias, aparelho retrorrefletômetro portâtil e carenagem idealtzada para abrigar o mesmo - Google Patents

Abstract

SISTEMA OPTOELETRÔNICO DEDICADO A MEDIÇÃO DO COEFICIENTE DE RETRORREFLETÂNCIA PARA DIFERENTES GEOMETRIAS, APARELHO RETRORREFLETÔMETRO PORTÁTIL E CARENAGEM IDEALIZADA PARA ABRIGAR O MESMO O presente pedido de patente de invenção tem por objetivo um sistema optoeletrônico super compacto monobloco e um aparelho retrorrefletômetro portátil, que emprega esse sistema e possui uma carenagem idealizada, e é capaz de avaliar, em áreas anelares, a retrorrefletância de materiais para dois ou mais ângulos de observação. O sistema de medição é constituído por dois caminhos ópticos: o primeiro é responsável por captar e direcionar os raios emitidos pela fonte de luz em direção ao material em avaliação, conforme o ângulo de incidência desejado. O segundo caminho, sobreposto ao primeiro, capta e concentra os raios luminosos retrorrefletidos, direcionando-os a máscaras, por meio de divisores ópticos. As máscaras, por sua vez, permitem a passagem da luz em áreas anelares, conforme o ângulo de observação desejado. Os raios luminosos que atravessam as máscaras são filtrados e captados por fotosensores. Sendo que é definido um fotosensor por máscara. O sinal elétrico de cada fotosensor é submetido a amplificadores de transresistência e posteriormente a conversores do tipo analógico para digital. O sinal digital obtido é então fornecido ao sistema (...).

Description

Breve descrição da invenção;

O presente pedido de patente de invenção tem por objetivo um sistema opto-eletrônico super compacto monobloco e um aparelho retrorrefletômetro portátil, que emprega esse sistema e possui uma carenagem idealizada, e é capaz de avaliar, em áreas anelares, a retrorrefletância de materiais para dois ou mais ângulos de observação.

A técnica de construção permite obter dimensões físicas reduzidas em comparação com metodologias conhecidas, sendo que o sistema opto-eletrônico apresentado, pode ser utilizado para construção de equipamentos retrorrefletômetros portáteis com características desejáveis ao emprego em campo no controle da qualidade ou avaliação das características ópticas de materiais retrorrefletivos.

Descrição do Estado da Técnica;

Materiais retrorrefletivos possuem a característica de propiciar o retorno da luz incidente na direção da fonte emissora. Eles são frequentemente utilizados na indústria, principalmente para a sinalização visual. Assim, quanto mais luz retornar ao observador, melhor será a visibilidade do material. Em se tratando de sinalização viária, interessa saber quanto de luz retorna em direção ao motorista daquele total que foi emitido, por exemplo, pelos faróis do carro. Assim foi definido o coeficiente de retrorrefletância, expresso como "cd.lx'x.m"2", sendo a relação entre a intensidade luminosa no material (cd), na direção de observação, pelo produto da iluminância no material em plano perpendicular à direção dos raios luminosos incidentes (lx-1) , com a área física considerada 5 (m‘2) . üma das aplicações mais comuns ocorre no segmento de sinalização viária, principalmente em vestimentas de segurança, sinalização vertical e horizontal.

Alguns materiais retrorrefletivos, em especial aqueles 10 utilizados em sinalização viária, precisam ser constantemente avaliados quanto a suas propriedades ópticas face âs degradações ambientais. Assim, equipamentos conhecidos como retrorrefletômetros prestam-se à tarefa de avaliar a retrorrefletância de materiais.

Esse controle é vital em rodovias, aeroportos e outros sistemas onde a garantia da visibilidade contribui para evitar acidentes. Obviamente, na avaliação devem ser consideradas as características técnicas do material, o contexto da instalação e a possível localização do 20 observador.

Para se obter maior retrorrefletância ou visibilidade noturna, os fabricantes usam estruturas prismáticas na construção dos refletivos. Os prismas possuem diagrama de reflexão de luz não uniforme, o que, em outras palavras, 25 significa que se o observador variar o posicionamento dos olhos, terá diferentes impressões de luminosidade.

Além de simular as condições ópticas do observador, é conveniente que os equipamentos retrorrefletômetros possuam características físicas que propiciem a portabilidade em 3 0 campo, pois a sinalização nem sempre se encontra em local de fácil acesso. No atual estado da técnica, as dimensões externas dos equipamentos são superiores a 300x400mm. O limitante do tamanho físico deve-se, em grande parte, às dimensões do sistema óptico de medição, o que é um assunto 5 tratado neste pedido de patente. No trabalho prático em campo, grandes dimensões dificultam a portabilidade, a ergonomia de operação e o manuseio do equipamento na avaliação da sinalização.

Nas medições, os equipamentos retrorrefletômetros 10 devem simular as condições geométricas do observador. No Brasil a norma técnica recomenda que o ângulo de incidência de luz fique a -4 graus, com o ângulo de observação a 0,2 graus. Em outros países recomendam-se diferentes ângulos de observação, como 0,5 e 0,33 graus. Os diferentes ângulos 15 devem-se aos tipos de veículos que trafegam nas rodovias.

Em automóveis, o posicionamento da fonte de luz (faróis) em relação ao olho do motorista (observador) é bastante diferente do encontrado em caminhões ou utilitários.

O sistema opto-eletrônico para medição da 20 retrorrefletância apresentado neste pedido de patente atende a todas as exigências técnicas e às necessidades de mercado. Além de propiciar dimensões físicas reduzidas na construção, emprega-se o método anelar de medição, que permite avaliação do retorno de luz para possíveis 25 diferentes posicionamentos do olho do observador.

Apresentação dos desenhos:

A Figura 1, adaptada da norma estrangeira ASTM E1709, apresenta a medição anelar;

A Figura 2 representa uma visão lateral do sistema 30 óptico;

A Figura 3 representa um sistema óptico com câmeras intermediárias ;

A Figura 4 representa um aspecto da carenagem externa do aparelho retrorrefletômetro portátil; e

A Figura 5 representa o diagrama de blocos funcionais simplificado para utilização do sistema óptico como equipamento retrorrefletômetro.

Descrição detalhada da invenção;

O sistema opto-eletrônico super compacto dedicado à medição do coeficiente de retrorrefletância para diferentes geometrias é constituído por dois caminhos ópticos: o primeiro é responsável por captar e direcionar os raios emitidos pela fonte de luz em direção ao material em avaliação, conforme o ângulo de incidência desejado. 0 segundo caminho, sobreposto ao primeiro, capta e concentra os raios luminosos retrorrefletidos, direcionando-os a máscaras, por meio de divisores ópticos. As máscaras, por sua vez, devem ser confeccionadas com material opaco não reflexivo, com espessura não superior a 1 mm e permitir a passagem da luz em áreas anelares, conforme o ângulo de observação desejado. Os raios luminosos que atravessam as máscaras são filtrados e captados por fotossensores. Sendo que é definido um fotossensor por máscara. O sinal elétrico de cada fotossensor é submetido à amplificadores de transresistência ou similar e posteriormente a conversores do tipo analógico para digital. 0 sinal digital obtido é então fornecido ao sistema de controle para apresentação e armazenamento dos valores correspondentes ao coeficiente de retrorrefletância. Desta maneira, obtém-se valores acurados para diferentes geometrias de avaliação em sistema físico super compacto.

A Figura 1 apresenta o comportamento de um raio de luz ao atingir o material retrorrefletivo. 0 conhecido comportamento do material retrorrefletivo, utilizado para construção da figura, foi adaptado da norma estrangeira ASTM E1709. Um raio de luz (1), ao atingir a superfície de material retrorrefletivo (2) , forma um ângulo de entrada (3) em relação à normal (N) . O raio de luz possui abertura (4) e temperatura de cor especificada pela legislação vigente. Os raios de luz refletidos ocorrem em diversos ângulos (5 e 6) em relação à luz incidente. Esses são chamados de ângulos de observação. A Figura 1 caracteriza a avaliação anular da retrorreflexão do raio luminoso.

Em um contexto de sinalização viária, a fonte de luz pode ser o farol do veículo. Para uma boa visibilidade noturna, a luz refletida pela sinalização deve atingir o olho do motorista ou observador. 0 ângulo de observação é aquele medido entre a posição do olho do motorista e o farol do veículo. Obviamente, o ângulo de observação em veículos utilitários ou caminhões é diferente do caracterizado em veículos de passeio. Assim, a legislação de alguns países recomenda avaliação das propriedades ópticas dos materiais retrorrefletivos para dois ou mais ângulos de observação. Nesse contexto, avaliar a reflexão em modo anelar permite obter valores mais correlacionados com as possíveis posições do observador para um mesmo ângulo de observação.

O sistema óptico super compacto apresentado nesta patente realiza medição anelar e permite a avaliação simultânea de dois ou mais ângulos de observação para um ângulo de incidência fixo ou continuamente variável.

A Figura 2 apresenta a visão lateral do sistema óptico super compacto monobloco, o qual é empregado e concretizado em um aparelho retrorrefletômetro portátil em que uma fonte de luz (8) , que pode ser um LED (Light Emitting Diode - Diodo Emissor de Luz) ou similar, projeta raios luminosos através da abertura (9) . A abertura (9) limita o fluxo luminoso, conforme a área de medição desejada. O fluxo luminoso é direcionado a um divisor óptico não polarizado (11) , posicionado a 45 graus em relação ao eixo óptico (20) . Parte do raio incidente sofre reflexão especular, sendo desviado, com intensidade diminuída, em direção ao túnel óptico (13) e à lente objetiva frontal (12) . O túnel óptico (13) delimita a abertura angular do fluxo luminoso e absorve reflexões internas enquanto a lente objetiva frontal (12) uniformiza os raios incidentes no material em avaliação (14) . O ângulo de incidência é definido mecanicamente pela peça frontal (15). A técnica de definição mecânica do ângulo de incidência, via peça externa ao sistema óptico, permite controle ou a variação contínua durante as medições. O raio de luz retrorrefletido pelo material em avaliação (14) é focalizado pela lente objetiva frontal (12) e percorre o túnel (13) em direção ao divisor óptico (11) . O raio incidente é então dividido em duas componentes. Cada componente do raio incidente contém todas as informações sobre a retrorrefletância do material. A primeira componente sofre reflexão especular, projetando- se em direção à fonte de luz (8) . A outra metade atravessa o divisor, concentrando-se no ponto focal (10) da lente objetiva frontal (12), localizado na câmara de recepção (16). A luz que chega à câmara contém informações sobre a retrorreflexão para todos os ângulos de observação. Faz-se necessário selecionar apenas o que é desejado. A seleção é feita pela máscara (17) . Ela permite a passagem da luz em área anelar correspondente a um único ângulo de observação. Os valores típicos para o ângulo de observação são: 0,2°; 0,33°; 0,5° e 1°. A intensidade de luz que atravessa a máscara é filtrada por um filtro (19) e detectada pelo elemento fotossensor (18) que converte a intensidade de luz em sinal elétrico, a ser enviado ao circuito eletrônico de controle. 0 filtro (19) possui características ópticas que viabilizam a avaliação fotométrica da retrorrefletância, com resposta espectral compatível com a conhecida para o olho humano. A câmara de recepção pode ser seccionada indeterminadamente, conforme as características geométricas envolvidas via divisores ópticos (11) inclinados a 45 graus em relação ao eixo óptico (20), criando câmeras intermediárias. Cada câmera intermediária permite avaliar a luz retrorrefletida para diferentes ângulos de observação.

A Figura 3 apresenta uma modalidade alternativa de realização da presente invenção, apresentando um sistema óptico com uma câmera intermediária (33) . Ela é capaz de avaliar, simultaneamente, a intensidade de luz refletida para 2 ângulos de observação. Adicionando-se mais uma câmera intermediária pode-se construir um sistema capaz de avaliar 3 ângulos de observação e assim por diante.

O sistema óptico com câmera intermediária tem funcionamento similar ao já exposto. A descrição a seguir, que elucida o funcionamento, pode ser estendida a sistemas com mais de uma câmera intermediária.

O raio de luz proveniente da abertura (37) da fonte de luz (36) é retrorrefletido pelo material em avaliação (21), sendo concentrado pela lente (34) no ponto focal (31) localizado na câmera de recepção (35). Para tanto, atravessa o primeiro divisor óptico (22), separando-se em duas componentes. Uma das componentes atravessa o divisor óptico (22) sem sofrer desvio, dirigindo-se ao próximo divisor óptico (23) que a divide novamente em duas componentes. Ambas contêm todas as informações sobre o material em avaliação. A primeira componente (raio luminoso) atinge a máscara seletora (24) (que também deve ser confeccionada com material opaco não reflexivo, com espessura não superior a 1 mm, porém, o raio da coroa circular, ou anel, deve ser ajustado conforme o ângulo de observação desejado), os filtros ópticos (25) e elemento fotossensor (26). A outra componente, que se mantém paralela ao eixo óptico (30), passa pela máscara seletora (27) e filtros ópticos (28) antes de atingir o elemento fotossensor (29) que converte a intensidade de luz em sinal elétrico. Assim, a intensidade de luz captada pelo elemento fotossensor (26) corresponde à intensidade de retrorreflexão avaliada para a área anelar correspondente ao ângulo de observação determinado pela máscara seletora (24) .

A intensidade de luz captada pelo elemento fotossensor (29) corresponde à intensidade do raio de luz retrorrefletido pelo material em avaliação (21) para a área anelar correspondente ao ângulo de observação determinado pela máscara seletora (27) .

O tamanho físico mínimo do sistema óptico está relacionado ã distância focal da lente objetiva frontal (34) . Ela é responsável por concentrar os raios luminosos no ponto focal (31), na superfície da máscara seletora (27) .

Os sistemas ópticos descritos podem ser construídos posicionando-se os elementos ópticos em uma única peça ou bloco (32) . A estrutura monobloco compacta elimina a necessidade de elementos de fixação, o que aumenta a robustez contra desalinhamentos ópticos decorrentes de impactos ou vibrações.

Essas são características desejáveis para instrumentos destinados a operar em campo, como rodovias ou ambientes industriais.

A técnica construtiva monobloco apresentada, propicia sistema óptico com dimensões físicas reduzidas, com comprimento próximo à distância focal da lente objetiva.

A Figura 4 apresenta a carenagem idealizada para abrigar o sistema óptico super compacto descrito neste pedido de patente. O manuseio do instrumento difere do famigerado formato de pistola dos instrumentos conhecidos no atual estado da técnica. A carenagem consiste de corpo inteiriço (38) que pode ser envolvido pela mão do operador. Em uma das laterais concentram-se o mostrador digital e teclas para comando (39) do sistema digital de controle. Como em todo sistema digital moderno, pode-se trabalhar comunicação digital, armazenamento de valores, posições, nomes e recursos matemáticos. Na lateral oposta ao mostrador, uma alça (40) destina-se a suportar a mão do operador, que, ao segurar a carenagem, utiliza o botão (41) na porção traseira (42) da carenagem para comandar medições com sistema óptico. A lente objetiva (12) do sistema óptico está presente na porção frontal da carenagem (43) , que deve ser posicionada sobre o material a ser avaliado. Ela confunde-se com a peça para determinação mecânica do ângulo 5 de incidência (15) do sistema óptico descrito.

A Figura 5 descreve o processo em que o sinal elétrico de cada fotossensor é submetido à amplificadores de transresistência (44) e posteriormente a conversores do tipo analógico para digital (45). O sinal digital obtido é 10 então fornecido ao sistema de controle (46) para o processamento, apresentação e armazenamento dos valores correspondentes ao coeficiente de retrorrefletância. Desta maneira, obtêm-se valores acurados para diferentes geometrias de avaliação em sistema físico super compacto. A 15 construção do sistema óptico pode ser abrigada em espaço físico de pequenas dimensões como, por exemplo, o espaço ocupado por cilindro com diâmetro da base de 50 mm e 100 mm de altura.

Claims (10)

1. Sistema opto-eletrônico dedicado à medição do coeficiente de retrorrefletância para diferentes geometrias, caracterizado pelo fato de compreender: a captação e direcionamento dos raios emitidos pela fonte de luz em direção ao material em avaliação, conforme o ângulo de incidência desejado em que uma fonte de luz (8) projeta raios luminosos através da abertura (9) a qual limita o fluxo luminoso, conforme a área de medição desejada; o fluxo luminoso é direcionado a um divisor óptico não polarizado (11); parte do raio incidente sofre reflexão especular, sendo desviado, com intensidade diminuída em direção ao túnel óptico (13) e à lente objetiva frontal (12) respectivamente; o túnel óptico (13) delimita a abertura angular do fluxo luminoso e absorve reflexões internas enquanto a lente objetiva frontal (12) uniformiza os raios incidentes no material em avaliação (14) ; o ângulo de incidência é definido mecanicamente pela peça frontal (15); a técnica de definição mecânica do ângulo de incidência, via peça externa ao sistema óptico, permite controle ou a variação contínua durante as medições; captação do raio de luz retrorref letido pela focalização através da lente objetiva frontal (12) que percorre o túnel (13) em direção ao divisor óptico (11) onde o raio incidente é então dividido em duas componentes, contendo todas as informações sobre a retrorrefletância do material; a primeira componente sofre reflexão especular, projetando-se em direção à fonte de luz (8); a outra metade atravessa o divisor, concentrando-se no ponto focal (10) da lente objetiva frontal (12), localizado na câmara de recepção (16) ; a luz que chega à câmara contém informações sobre a retrorreflexão para todos os ângulos de observação; sendo que as máscaras (17) , permitem a passagem da luz em áreas anelares correspondentes a um único ângulo de observação desejado e os raios luminosos que atravessam as máscaras (17) são filtrados por filtros ópticos (19) e captados por fotossensores para avaliação do coeficiente de retrorrefletância.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de possuir estrutura super compacta monobloco e sua construção poder ser abrigada em espaço físico de pequenas dimensões como o espaço ocupado por cilindro com diâmetro da base de 50 mm e 100 mm de altura.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a câmera de recepção pode ser seccionada indeterminadamente, conforme as características geométricas envolvidas, resultando em câmeras intermediárias.

4. Sistema opto-eletrônico dedicado ã medição do coeficiente de retrorrefletância para diferentes geometrias, caracterizado pelo fato de compreender: uma câmera intermediária (33) em que o raio de luz proveniente da abertura (37) da fonte de luz (36) é retrorrefletido pelo material em avaliação (21), sendo concentrado pela lente (34) no ponto focal (31) localizado na câmera de recepção (35); o raio atravessa o primeiro divisor óptico (22), separando-se em duas componentes; uma das componentes atravessa o divisor óptico (22) sem sofrer desvio, dirigindo-se ao próximo divisor óptico (23) que a divide novamente em duas componentes; ambas contém todas as informações sobre o material em avaliação; a primeira componente, atinge a máscara seletora (24), filtros ópticos (25) e elemento fotossensor (26) ; a outra componente passa pela máscara seletora (27) e filtros ópticos (28) antes de atingir o elemento fotossensor (29) que converte a intensidade de luz em sinal elétrico; a intensidade de luz captada pela fotocélula (26) corresponde à intensidade de retrorreflexão avaliada para a área anelar correspondente ao ângulo de observação determinado pela máscara seletora (24) ; a intensidade de luz captada pelo elemento fotossensor (29) corresponde à intensidade do raio de luz retrorrefletido pelo material em avaliação (21) para a área anelar correspondente ao ângulo de observação determinado pela máscara seletora (27).

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a adição de câmera intermediária (33) possibilita avaliar, simultaneamente, a intensidade de luz refletida para dois ângulos de observação.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que ao adicionar uma segunda câmera intermediária, pode-se construir sistema capaz de avaliar três ângulos de observação e assim por diante.

7. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os componentes podem ser estruturados em monobloco ou peça única (32).

8. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de possuir peça mecânica (15) para definição ou variação contínua do ângulo de incidência.

9. Aparelho retrorrefletômetro portátil que emprega o sistema opto-eletrônico definido nas reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que os sinais elétricos dos fotossensores são submetidos a amplificadores de transresistência (44) ou similares e posteriormente a conversores do tipo analógico para digital (45) para então o sinal digital obtido ser fornecido ao sistema de controle (46) para apresentação e armazenamento dos valores correspondentes ao coeficiente de retrorrefletância.

10. Carenagem idealizada para abrigar o aparelho retrorrefletômetro definido na reivindicação 9 caracterizado pelo fato de consistir em corpo inteiriço (38) que pode ser envolvido pela mão do operador, sendo que em uma das laterais concentram-se o mostrador digital e teclas para comando (39) do sistema digital de controle, na lateral oposta ao mostrador, uma alça (40) destina-se a suportar a mão do operador, que, ao segurar a carenagem, utiliza o botão (41) na porção traseira (42) da carenagem para comandar medições com sistema óptico; a lente objetiva (12) do sistema Óptico está presente na porção frontal da carenagem (43), que deve ser posicionada sobre o material a ser avaliado.

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