ES2565413T3 - Procedimiento y dispositivo para la medición de la concentración de sustancias en medios gaseosos o fluidos por espectroscopía óptica mediante fuentes de luz de banda ancha - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para la medición de la concentración de sustancias en medios gaseosos o fluidos por espectroscopía óptica mediante fuentes de luz de banda ancha Download PDF

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Abstract

Procedimiento para la determinación de la concentración de sustancias en medios gaseosos o fluidos mediante espectroscopía de absorción óptica con referenciación, con 1 a n fuentes de luz de banda ancha (1) selectivas espectralmente, especialmente LED, acoplándose y dividiéndose después la luz de las fuentes de luz de banda ancha (1) por primeros guiaondas de luz (2) en un segundo guiaondas de luz (4) común, tras lo cual la luz se conduce parcialmente por un tercer guiaondas de luz (7) y por un tramo de medición de una célula de medición (10) con un medio gaseoso o fluido a un detector de medición (11) y parcialmente por un cuarto guiaondas de luz (8) a un detector de referencia (15), caracterizado por que la característica de irradiación fluctuante temporal y localmente de las fuentes de luz de banda ancha (1) se homogeneiza mediante acopladores de modo (5, 9, 14) en los segundos, terceros y cuartos guiaondas de luz (4, 7, 8).

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento y dispositivo para la medicion de la concentracion de sustancias en medios gaseosos o fluidos por espectroscopia optica mediante fuentes de luz de banda ancha
La invencion hace referencia a un procedimiento para la determinacion de la concentracion de sustancias en medios gaseosos o fluidos de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1 y a un dispositivo para la determinacion de concentraciones de sustancias en medios gaseosos o fluidos de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 2.
El dispositivo sirve, entre otros, para la medicion de monoxido de nitrogeno (NO), dioxido de nitrogeno (NO2), dioxido de azufre (SO2), ozono (O3) asi como componentes en medios fluidos y semejantes, para motores de combustion interna, especialmente en la supervision en linea de motores diesel, en la tecnica de medicion del medio ambiente, en la tecnica medica, por ejemplo, para la medicion del aire respirado y semejantes.
Para la medicion de concentraciones de sustancias se conocen mediciones espectroscopicas con ayuda de fuentes de luz de banda ancha y receptores selectivos espectralmente como, por ejemplo, espectrometros o fotorreceptores filtrados. Aparte de esto, es habitual conducir fuentes selectivas espectralmente como, por ejemplo, laseres o fuentes de luz de banda ancha, por un tramo de medicion a receptores filtrados o no filtrados, para caracterizar de esta forma, por ejemplo, gases y liquidos. Una deduccion logica de esto es el empleo de fuentes de luz LED selectivas espectralmente de todos modos con y sin filtro optico. En este caso, los LED se entienden como fuentes de luz de banda ancha, puesto que a diferencia de fuentes de luz lineales (por ejemplo, laseres) emiten un espectro de frecuencia comparativamente ancho. El empleo de opticas de guia de luz, por ejemplo, guiaondas de luz, para el desacoplamiento mecanico y termico o para la separacion espacial de lugar de medicion y unidad de emision/recepcion se conoce igualmente en la tecnologia de sensores.
El principio de medicion fundamental de la espectroscopia optica se basa en la medicion de extincion de la luz, la cual ha recorrido una celula de medicion. La conclusion de una concentracion molar definida en la celula de medicion es, asi, solo un procedimiento indirecto. La seguridad de medicion puede alcanzarse por el empleo adicional de las denominadas longitudes de onda de referencia, aprovechandose la caracteristica espectral de la sustancia que va a medirse. Estas declaraciones dan como resultado, por ejemplo, una estructura de medicion que esta representada en la Figura 5 en el articulo de M. Degner y H. Ewald "Low cost sensor for online detection of harmful diesel combustion gases in UV-VIS region" [SPIE Photonics Europe 2006, Photonics in the Automobile II, ISBN 0-8194-6254-3, FR Strasbourg, 04/2006]. Ademas de fuentes de banda ancha, en la espectroscopia para altas resoluciones se utilizan muchas mas fuentes de laser frecuentes que pueden sintonizarse. A este respecto, se escanea mediante la linea de laser una banda de absorcion de la sustancia solicitada. Simplificadamente, la intensidad de la luz recibida esta vista fuera de la banda de absorcion, a este respecto, como referencia a la intensidad en el lugar de la banda de absorcion, puesto que en el area de la banda de absorcion se debilita la intensidad de luz.
En este caso, resulta desventajoso que se puedan lograr, en efecto, altas resoluciones de concentracion con ayuda de la denominada espectroscopia laser. Sin embargo, el numero de las sustancias que van a detectarse es limitado por la existencia de una fuente de laser adecuada en las correspondientes longitudes de onda de interaccion de sustancia. Ademas, estas disposiciones a menudo son muy caras, poco robustas y, por lo tanto, no aptas para aplicaciones de masas en la tecnologia de sensores.
El empleo de fuentes de luz de banda ancha en combinacion con espectrometros da como resultado igualmente configuraciones de medicion costosas y ademas no muy sensibles. En este caso, todo el espectro de la fuente de luz de banda ancha se compara con el espectro tras el paso por la celula de medicion. Las fuentes de luz de banda ancha filtradas y especialmente los LED son, en cambio, una alternativa mas bien economica. El problema general de las disposiciones con fuentes de luz de banda ancha es la fluctuacion espectral y temporal de la intensidad de luz o caracteristica de irradiacion, por la cual se limita considerablemente la resolucion y, sobre todo, la precision maxima alcanzable. Aparte, por la densidad de potencia optica espectral limitada (a excepcion de algunos LED muy especiales) son necesarios elevados tiempos de medicion para lograr resoluciones tan altas.
Por "Monitoring of Environmentally Hazardous Exhaust Emissions from Cars Using Optical Fibre Sensors", Elfed Lewis et a/., 21 de julio de 2008, Embedded Computer Systems: Architecture, Modeling and Simulation; [Lecture Notes in Computer Science], paginas 238 a 247, Springer Verlag, ISBN:9783540705499 se conocen ya un procedimiento y un dispositivo del tipo mencionado al principio para la determinacion de la concentracion de sustancias en medios gaseosos o fluidos mediante espectroscopia de absorcion optica asi como un procedimiento y un dispositivo para la medicion de temperatura. En el ultimo, una fuente de luz de banda ancha esta unida por un guiaondas de luz a un sensor FBG, mientras que un filtro de Fabry-Perot que puede ajustarse esta unido a un sensor FBG de referencia para la determinacion del desplazamiento de la longitud de onda de Bragg. Ambos guiaondas de luz estan acoplados entre si ahi mediante un acoplador de fibra de 2 x 2.
Por eso, la invencion se basa en el objetivo de crear un procedimiento economico, de alta resolucion y simultaneamente de rapida espectroscopia asi como un dispositivo para la medicion de concentraciones de
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sustancias en medios gaseosos o fluidos, el cual o los cuales son robustos frente a influencias externas.
La solucion para este objetivo se consigue de acuerdo con los rasgos caracterizadores de la reivindicacion de procedimiento por que la caracteristica de irradiacion fluctuante temporal y localmente de las fuentes de luz de banda ancha homogeneiza por acopladores de modo en los guiaondas de luz y, de esta manera, se eliminan las influencias de la caracteristica de irradiacion de las fuentes de luz de banda ancha y la ponderacion de modo de los componentes opticos. La solucion para el objetivo se consigue de acuerdo con los rasgos caracterizadores de la reivindicacion de dispositivo por un acoplador de modo en la trayectoria de luz para la homogeneizacion de la caracteristica de irradiacion fluctuante temporal y localmente de las fuentes de luz de banda ancha.
A este respecto, estos acopladores de modo deberian estar disenados de manera que presenten una atenuacion o dispersion lo menor posible. A este respecto, se utilizan tipicamente fuentes de luz de banda ancha economicas selectivas espectralmente cuya luz se acopla por una guia de luz en el tramo de medicion y se analiza de manera selectiva y espectral.
Un problema en las divisiones de haz conocidas para la espectroscopia es que ambas corrientes parciales no pueden mantenerse estables entre si con suficiente precision. Esto se lleva a cabo por la fluctuacion local variable temporalmente de la intensidad emitida de la luz. A este respecto, la division momentanea de la luz depende de la caracteristica de irradiacion momentanea no homogenea variable temporalmente de las fuentes de luz de banda ancha. De acuerdo con la invencion, la homogeneizacion de la caracteristica de irradiacion se realiza por el uso del acoplador de modo. La division posterior de la luz ya no depende, por lo tanto, de la distribucion de intensidad fluctuante de la fuente de luz. La luz irradiada "olvida", en cierto sentido, de donde viene. En principio, pueden utilizarse para esto placas de dispersion (vidrio opalino, difusor), contando, sin embargo, con una notable perdida de intensidad. De acuerdo con la invencion, el acoplamiento de modo por los acopladores de modo se efectua en las opticas de guia de luz o trayectorias de luz. Para esto son apropiados guiaondas de luz, puesto que pueden integrarse en estos acopladores de modo. Para esto hay distintas posibilidades de realizacion como, por ejemplo, aprovechamiento de fibras muy largas, guiaondas fusiformes, acopladores curvados de varias dimensiones y semejantes. Con los acopladores de modo se usa un elemento constructivo optico eficiente para la homogeneizacion de la caracteristica de irradiacion.
De acuerdo con la invencion, las fluctuaciones temporales que quedan de las fuentes de luz de banda ancha selectivas espectralmente, especialmente LED, se compensan con ayuda de una disposicion de referencia adecuada, es decir, las magnitudes de perturbacion debidas a la disposicion de medicion y el ambiente se compensan en relacion con la magnitud del objetivo. Por lo tanto, la seguridad de senal de medicion es fundamentalmente mayor y especialmente con ello se alcanzan altas precisiones de medicion/resoluciones.
Por el empleo del acoplador de modo, llevado a cabo, por ejemplo, como acoplador anular, y el acoplador de fibra para el reparto de la luz se posibilita una referenciacion independiente de fuentes, robusta y, por lo tanto, exacta para medir, por ejemplo, concentraciones de gas de menos de 1 ppm en una longitud de absorcion de menos centimetros en un tiempo de medicion de menos milisegundos.
Como un caso de aplicacion del procedimiento anteriormente descrito para la referenciacion y para la realizacion de sensores espectroscopicos economicos y de alta precision, se menciona, en este caso, el sensor de gases de escape para procesos o motores de combustion interna sobre la base del LED UV nuevo. Este sensor tambien es adecuado y esta probado constructivamente para el empleo en ambientes extremamente mas rigurosos como, por ejemplo, el canal de gases de escape de un automovil (entre otros, altas temperaturas, vibraciones, medios agresivos quimicamente).
El dispositivo de acuerdo con la invencion para la medicion de concentraciones de sustancias en medios gaseosos o fluidos esta explicado con mas detalle a continuacion mediante las formas de realizacion representadas en los dibujos. Muestra:
Fig. 1 una representacion basica de la forma de realizacion de acuerdo con la invencion.
La forma de realizacion representada en la Fig. 1 de un dispositivo para la medicion de concentraciones de sustancias en medios comprende 1 ... n fuentes de luz 1 de banda ancha selectivas espectralmente, por ejemplo, LED, que llevan por guiaondas de luz 2 un primer acoplador de fibra 3, se mezclan ahi y se acoplan en una trayectoria de luz. Un guiaondas de luz 4 conectado al primer acoplador 3 esta llevado por un acoplador de modo 5 a un segundo acoplador de fibra 6 (por ejemplo, 75/25). De este salen otros dos guiaondas de luz 7 y 8, de los cuales el guiaondas de luz 7 esta guiado por un acoplador de modo 9 a una celula de medicion 10 que contiene el medio que va a medirse, despues a un primer fotorreceptor 11, a un convertidor A/D 12 y luego a un ordenador 13, por ejemplo, un microordenador o un DSP. El otro guiaondas de luz 8 guia la fuente de luz por un acoplador de modo 14 a un segundo fotorreceptor 15, a un convertidor A/D 16 y luego al ordenador anteriormente mencionado. Por el procesamiento de senales adecuado, por ejemplo, referenciacion por comparacion de ambos canales de recepcion, se posibilita una referenciacion de fibra optica. Por lo tanto, puede realizarse una medicion de concentracion muy precisa de las sustancias que se encuentran en el tramo de medicion de la celula de medicion 10. El control
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electronico de las fuentes de luz selectivas espectralmente se realiza por el ordenador anteriormente mencionado v^a cable de control 18, lo cual resulta favorable para el control y alojamiento de senal sincronos o altas tasas de medicion.
De acuerdo con la invencion, la homogeneizacion de la caracteristica de irradiacion de las 1 ... n fuentes de luz 1 selectivas espectralmente se realiza por el uso de los acopladores de modo 5, 9, 14. La division posterior de la luz ya no depende, por lo tanto, de la distribution de intensidad fluctuante de las fuentes de luz 1. La luz irradiada "olvida", en cierto sentido, de donde viene. A este respecto, el acoplamiento de modo se utiliza, en este caso, por los acopladores de modo 5, 9, 14 en los guiaondas de luz 2, 4, 7, 8 opticos. Para esto hay distintas posibilidades de realization como, por ejemplo, aprovechamiento de fibras muy largas, guiaondas fusiformes, acopladores curvados de varias dimensiones y semejantes. Con los acopladores de modo 5, 9, 14 se usa un elemento constructivo optico eficiente para la homogeneizacion de la caracteristica de irradiacion.
Las fluctuaciones de las 1 ... n fuentes de luz 1 de banda ancha filtradas selectivas espectralmente, especialmente LED, se compensan en el ordenador 13 con ayuda de la disposition de referencia, que consta de la trayectoria de luz del guiaondas de luz 8, con acoplador de modo 14 y el segundo fotorreceptor 15 asi como el convertidor A/D 16 asociado con el correspondiente procesamiento de senal. Por lo tanto, se suprimen las magnitudes de perturbation debidas a la disposicion de medicion y el ambiente en relation con la magnitud del objetivo. Por eso, la seguridad de senal de medicion es fundamentalmente mayor y especialmente con ello se alcanzan altas precisiones de medicion/resoluciones. Por el empleo del acoplador de modo 5, 9, 14, llevado a cabo, por ejemplo, como acoplador anular, y el acoplador de fibra 3, 6 para el reparto de la luz se posibilita una referenciacion independiente de fuentes, robusta y, por lo tanto, exacta para medir, por ejemplo, concentraciones de gas de menos de 1 ppm en una longitud de absorcion de menos centimetros en un tiempo de medicion de menos milisegundos.
Como un caso de aplicacion del procedimiento anteriormente tratado para la referenciacion y para la realizacion de sensores espectroscopicos economicos y de alta precision, se menciona, en este caso, el sensor de gases de escape para procesos o motores de combustion interna sobre la base del LED UV nuevo. Este sensor tambien es adecuado y esta probado constructivamente para el empleo en ambientes extremamente mas rigurosos como, por ejemplo, el canal de gases de escape de un automovil (entre otros, altas temperaturas, vibraciones, medios agresivos quimicamente).
Lista de referencias
01 Fuente de luz
02 Guiaondas de luz
03 Acoplador de fibra
04 Guiaondas de luz
05 Acoplador de modo
06 Acoplador de fibra
07 Guiaondas de luz
08 Guiaondas de luz
09 Acoplador de modo
10 Celula de medicion
11 Fotorreceptor
12 Convertidor analogico/digital (convertidor A/D)
13 Ordenador
14 Acoplador de modo
15 Fotorreceptor
16 Convertidor A/D
18 Cable de control de fuentes

Claims (2)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para la determinacion de la concentracion de sustancias en medios gaseosos o fluidos mediante espectroscop^a de absorcion optica con referenciacion, con 1 a n fuentes de luz de banda ancha (1) selectivas
    5 espectralmente, especialmente LED, acoplandose y dividiendose despues la luz de las fuentes de luz de banda ancha (1) por primeros guiaondas de luz (2) en un segundo guiaondas de luz (4) comun, tras lo cual la luz se conduce parcialmente por un tercer guiaondas de luz (7) y por un tramo de medicion de una celula de medicion (10) con un medio gaseoso o fluido a un detector de medicion (11) y parcialmente por un cuarto guiaondas de luz (8) a un detector de referencia (15), caracterizado por que la caracteristica de irradiacion fluctuante temporal y localmente 10 de las fuentes de luz de banda ancha (1) se homogeneiza mediante acopladores de modo (5, 9, 14) en los segundos, terceros y cuartos guiaondas de luz (4, 7, 8).
  2. 2. Dispositivo para la determinacion de concentraciones de sustancias en medios gaseosos o fluidos mediante espectroscopia de absorcion optica de acuerdo con el procedimiento segun la reivindicacion 1, con 1 a n fuentes de
    15 luz de banda ancha (1) selectivas espectralmente, especialmente LED, que estan unidas por primeros guiaondas de luz (2) a un primer acoplador de guiaondas de luz o de fibra (3), un segundo guiaondas de luz (4) comun conectado al acoplador de guiaondas de luz o de fibra (3), un segundo acoplador de guiaondas de luz o de fibra (6) conectado al segundo guiaondas de luz (4), que esta unido por un tercer guiaondas de luz (7) asi como por un tramo de medicion de una celula de medicion (10) a un detector de medicion (11) y por un cuarto guiaondas de luz (8) a un 20 detector de referencia (15), caracterizado por acopladores de modo (5, 9, 14) en los segundos, terceros y cuartos guiaondas de luz (4, 7, 8) para la homogeneizacion de la caracteristica de irradiacion fluctuante temporal y localmente de las fuentes de luz de banda ancha (1).
ES09796360.7T 2008-12-22 2009-12-10 Procedimiento y dispositivo para la medición de la concentración de sustancias en medios gaseosos o fluidos por espectroscopía óptica mediante fuentes de luz de banda ancha Active ES2565413T3 (es)

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