ES2328800T3 - Metodo para detectar gases mediante espectroscopia de absorcion. - Google Patents

Abstract

Un método para detectar gas en un ambiente, que comprende: (1) mover continuamente una corriente de gas de muestra del ambiente en una zona de prueba limitada, dentro de un instrumento de detección; (2) activar una fuente de luz para que emita un haz de luz con una frecuencia preseleccionada, altamente absorbible por el gas preseleccionado, presentando la fuente de luz un conjunto de control térmico asociado con ella; (3) hacer pasar dicho haz de luz por dicha corriente de gas de muestra en dicha zona de prueba limitada; (4) medir la absorción de dicho haz de luz para proporcionar una indicación de la concentración de dicho gas preseleccionado en dicho gas de muestra, caracterizándose el método porque, además, comprende (5) hacer pasar dicha corriente de gas de prueba por dicho conjunto de control térmico para maximizar el control de la temperatura de dicha fuente de luz.

Description

Método para detectar gases mediante espectroscopia de absorción.

Antecedentes de la invención

Un modo común de distribución de energía en todo el mundo consiste en el transporte de gas, usualmente gas natural, aunque en algunas zonas del mundo se transportan, también, gases manufacturados para uso doméstico e industrial. Típicamente, el gas se transporta mediante conductos subterráneos con ramas que se extienden hasta residencias y otros edificios, con el fin de proporcionar energía para calefacción y calentamiento de agua. Existen muchos miles de kilómetros de conductos de gas en, virtualmente, cada ciudad importante del mundo. Como el gas se usa sólo por ser altamente combustible, los escapes de gas constituyen un motivo de preocupación serio. Por esta razón se han hecho muchos esfuerzos para ofrecer instrumentación destinada a detectar pequeñas cantidades de gas con el fin de localizar escapes y realizar las reparaciones oportunas.

Un sistema conocido y satisfactorio para detectar pequeñas cantidades de gas en el ambiente consiste en el uso de espectroscopia de absorción. Mediante esta técnica, un haz de luz de frecuencia seleccionada, altamente absorbible por el gas particular para el que el instrumento esté previsto, se hace pasar por una muestra del gas. La relación de absorción del haz de luz se usa como indicador del nivel de concentración del gas en la muestra. Un elemento básico del gas natural y de casi todos los gases manufacturados usados para calefacción y calentamiento de agua en todo el mundo es el metano. Al generar un haz de luz con una frecuencia altamente absorbible por el metano y hacerlo pasar por una muestra de gas puede determinarse el nivel de concentración de metano en la muestra de gas.

Con el fin de mejorar la sensibilidad de la detección de niveles bajos de concentración de gas mediante absorción espectral, es necesario hacer pasar el haz de luz por una vía relativamente larga de muestra de gas. Dicho de otro modo, a medida que aumente la distancia en la que el haz de luz sea hecho pasar por una muestra, mayor será la sensibilidad del instrumento para detectar niveles de gases muy bajos.

Es fácil entender que si un haz tiene que ser hecho pasar por un tubo muy largo que contenga una muestra de gas los instrumentos que lo requieran serían extremadamente inmanejables y, por tanto, no podrían transportarse fácilmente. Para solucionar este problema, se han concebido sistemas en los que un haz de luz es reflejado repetidamente entre espejos enfrentados con el fin de extender así la distancia de exposición del haz a una muestra de gas, de forma que el tamaño del instrumento pueda reducirse sustancialmente. Una célula de absorción típica consiste en un cilindro alargado en el que hay dispuestos espejos en extremos opuestos, existiendo un orificio en uno de los espejos por el que se introduce luz en la célula. En lo que se refiere a información acerca del uso de dispositivos ópticos en los que estén previstos múltiples pasos de luz dentro de una célula de prueba con espejos enfrentados, puede hacerse referencia al artículo titulado "Long optical paths of large aperture", J. White, J. Opt. Soc. Am. vol. 32, p. 285-288, May 1.942. Otro ejemplo de información en relación con este asunto se titula "Off-axis paths in spherical mirror interferometers", Herriot et al., Applied Optics, vol. 3, p. 523-526. Otro artículo de Herriott et al. titulado "Folded optical delay lines" puede encontrarse en Applied Optics, vol. 4, p. 883-889, Aug. 1965. Debido al trabajo precoz de Herriott en el desarrollo de la espectroscopia de absorción de luz que usa una célula con espejos enfrentados en la que un haz de luz es reflejado repetidamente, tales instrumentos se denominan frecuentemente "células de Herriott".

Puede obtenerse más información en relación con el asunto básico de la invención en las patentes norteamericanas expedidas previamente y otras publicaciones que siguen:

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(Tabla pasa a página siguiente)

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Otras publicaciones

"Folded optical delay lines", Herriott et al., Applied Optics, vol. 4, p. 883-889, Aug. 1965.

"Laser beams and resonators", Kogelnik et al., Applied Optics, vol. 5, p. 1550-1567, Oct. 1996.

"Narrow optical interference fringes for certain setup conditions in multipass absorption cells of the Herriott type", McManus et al., Applied Optics, Mar. 1, 1990.

"Measurement of water vapor pressure and activity using infrared diode laser absorption spectroscopy", S.A. Bone, P.G. Cummins, P.B. Davies, S.A. Johnson, Applied Spectroscopy, vol. 47, nº 6, 1993.

"Diode-laser absorption technique for simultaneous measurements of multiple gas dynamic parameters in high-speed flows containing water vapor", M.P. Arroyo, S. Langlois, R.K. Hanson; Applied Optics, vol. 33, nº 15, p. 3296-3307, 1994.

"Diode laser measurements of H_{2}O line intensities and self-broadening coefficients in the 1,4 \mum region", S. Langlois, T.P. Birbeck and R.K. Hanson; Journal of Molecular Spectroscopy, vol. 163, p. 27-42, 1994.

"Absorption measurements of water vapor concentration, temperature, and line-shape parameters using a tunable inGaAsP diode laser", M.P. Arroyo and R.K. Hanson; Applied Optics, vol. 32, nº 30, p. 6104-6116, 1993.

"Infrared diode laser determination of trace moisture in gases", J.A. Mucha, L.C. Barbalas, ISA Transactions, vol. 25, nº 3, p. 25-30, 1986.

"Application of tunable diode lasers in control of high pure material technologies", G.G. Devyatykh, V.A.
Khorshev, G.A. Maksimov, A.I. Nadezhdinskii, S.M. Shapin, Preprint.

"Laser absorption IR spectrometer for molecular analysis of high purity volatile substances. Detection of trace water concentrations in oxygen argon and monogermane", G.G. Devyatykh, G.A. Maksimov, A.I. Nadezhdinskii, V.A. Khorshev, S.M. Shapin; SPIE, vol. 1724 "Turnable diode laser applications".

"Application of FM spectroscopy in atmospheric trace gas monitoring: a study of some factors influencing the instrument design", P. Werle, K. Josek and F. Slemr, SPIE, vol. 1433, "Measurement of atmospheric gases", 1991.

"Stable isotope analysis using tunable diode laser spectroscopy", Joseph F. Becker, Todd B. Sauke and Max. Loewenstein, Applied Optics, vol. 31, nº 12, p. 1921-1927, 1992.

"High sensitivity detection of trace gases using sweep integration and tunable diode lasers", D.T. Cassidy and J. Reid, Applied Optics, vol. 21, nº 14, 1982.

"Atmospheric pressure monitoring of trace gases using tunable diode lasers", D.T. Cassidy and J. Reid, Applied Optics, vol. 21, nº 7, 1982.

"Near infrared diode lasers measure greenhouse gases", A. Stanton, C. Hovde, Laser Focus World, August 1992.

"Airborne measurements of humidity using a single mode Pb Salt diode laser", Joel A. Silver and Alan C. Stanton, Applied Optics, vol. 26, nº 13, 1987.

"Diode laser spectroscopy for on line chemical analysis", David S. Bomse, David C. Hovde, Daniel B. Oh, Joel A. silver and Alan C. Stanton, SPIE, vol. 1681, "Optically based method for process analysis", 1992.

"Two-mirror multipass absorption cell", J. Altmann, R. Baumgart and C. Weitkamp; Applied Optics, vol. 20, nº 6, 1981.

"Long optical paths of large aperture", J. White, J. Opt. Soc. Am., vol. 32, p. 285-288, May 1942.

"Folded optical delay lines", Herriott et al.; Applied Optics, vol. 4, p. 883-889, Aug. 1965.

"Off axis paths in spherical mirror interferometers", D. Herriott, H. Kogelnik, R. Komper; Applied Optics, vol. 3, nº 4, 1964.

El documento US 5,705,816 A describe un método para detectar un gas preseleccionado, por ejemplo, vapor de agua, en un ambiente, comprendiendo el método mover continuamente una corriente de gas de muestra del ambiente en una célula multipaso, por ejemplo, una célula Herriott, dentro de un instrumento de detección, activar un diodo láser para que emita un haz de luz con una frecuencia preseleccionada altamente absorbible por el gas preseleccionado, de manera que el diodo láser disponga de un conjunto de control térmico asociado con él, hacer pasar dicho haz de luz por dicha corriente de gas de muestra dentro de dicha célula multipaso, y medir la absorción de dicho haz de luz con el fin de proporcionar una indicación de la concentración de dicho gas preseleccionado en dicho gas de muestra.

Los documentos GB 2 286 458 A y EP 1 070 943 A describen, también, métodos de absorción de láser para detectar un gas preseleccionado en un gas de muestra hecho fluir en una célula de tipo Herriott. De acuerdo con el documento GB 2 286 458 A, el diodo láser está montado en un bloque cuya temperatura se controla mediante un controlador que recibe información de temperatura de un sensor de temperatura previsto dentro del bloque y que alimenta a una bobina de calentamiento prevista también en el bloque, mientras que el documento EP 1 070 943 A utiliza un enfriador termoeléctrico para controlar la temperatura del láser de diodo.

Breve compendio de la invención

La presente invención se dirige a un método de detección de un gas preseleccionado, tal como metano, de acuerdo con la reivindicación 1. Incluye las etapas de mover continuamente una corriente de gas de muestra en una zona de prueba limitada, en el interior de un instrumento de detección. Una fuente de luz, tal como un diodo emisor de láser o un diodo fotoemisor es activada dentro del instrumento de prueba de manera que emita un haz de frecuencia altamente absorbible por el gas preseleccionado. El haz es hecho pasar por la corriente de gas dentro de la zona de prueba limitada, haciendo que se refleje repetidamente entre espejos separados en una célula de tipo Herriott, de manera que la longitud de desplazamiento del haz dentro del gas de prueba se extienda considerablemente. Se mide la absorción del haz con el fin de proporcionar una indicación de la presencia del gas preseleccionado.

La frecuencia de la luz emitida por una fuente de luz típica, tal como un diodo láser o un diodo fotoemisor, es afectada por la temperatura de la fuente de luz, y, por tanto, la temperatura tiene que ser regulada. De acuerdo con la disposición de la invención descrita en este documento, la corriente de gas de muestra, una vez hecha pasar por la zona de prueba, es hecha pasar por un conjunto de control térmico.

El conjunto de control térmico incluye una fuente de frío con aletas refrigerantes expuestas a la corriente de gas de muestra, estando montada la fuente de luz en contacto con un elemento Peltier que, a su vez, se encuentra en relación de conducción térmica con la fuente de frío. Una termistancia detecta la temperatura de la fuente de frío y envía una señal de control a un microprocesador, que, a su vez, transmite instrucciones de ajuste de temperatura a una fuente de alimentación, que, a continuación, entrega una corriente ajustada al elemento Peltier, que ajusta la temperatura de la fuente de luz.

La célula de tipo Herriott usada por el instrumento de detección de gas de esta invención se mejora significativamente merced a la incorporación de un miembro de árbol central que proporciona una zona de prueba anular para el gas de muestra, por la que se mueve el haz de luz.

Se ofrece un sistema que emplea tres fotodetectores, a saber: (a) un fotodetector de referencia; (b) un fotodetector de trayectorias múltiples; y (c) un fotodetector de una única trayectoria o de trayectoria directa. Al emplear mediciones de los tres fotodetectores de referencia puede determinarse la concentración de gas en la muestra de prueba con precisión dentro de un margen mayor que el disponible típicamente con instrumentación existente.

La célula de espectroscopia por absorción de tipo Herriott usada de acuerdo con este documento se mejora de distintas maneras importantes, que incluyen la disposición por la que un haz de luz penetra por una abertura de un primer espejo y sale, después de múltiples pasos, por una abertura de un segundo espejo, para encontrar un fotodetector multipaso. Simultáneamente, está previsto medir la absorción después de un único paso del haz de luz. La activación del fotodetector de referencia se consigue mediante una ventana divisora de haz.

La invención usa un sistema altamente portátil pero robusto, que puede ser montado fácilmente en un vehículo, de modo que puedan tomarse muestras de prueba continuamente del ambiente y someterlas a un ciclo del sistema de prueba mientras el vehículo se esté moviendo, de manera que un operario pueda inspeccionar rápidamente una zona geográfica relativamente grande. Este sistema altamente portátil usado en un vehículo proporciona lecturas coordinadas con un monitor de posicionamiento global, de manera que las intensidades de nivel de gas de una zona geográfica puedan representarse de modo rápido y preciso.

La invención se comprenderá mejor a partir de la descripción detallada y las reivindicaciones que siguen, conjuntamente con los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una representación esquemática de los elementos básicos que constituyen el sistema usado de acuerdo con esta invención para detectar gases mediante espectroscopia de absorción de luz. El sistema puede usarse para detectar concentraciones extremadamente bajas de un gas seleccionado, tal como metano. El sistema se caracteriza por su transportabilidad y robustez. Puede transportarse manualmente en ambientes cerrados o limitados, o utilizarse en un vehículo que se desplace, con el fin de representar mapas que muestren los niveles de concentración de gas de distintas zonas geográficas.

La figura 2 es una vista en alzado, en sección transversal parcial, de la parte de extremo delantero de una célula de detección de gas de tipo Herriott, con mejoras. Esta figura ilustra un sistema de alineación de haz de luz que usa placas de bisagra.

La figura 3 es una vista en alzado, en sección transversal, de una célula de tipo Herriott mejorada destinada a detectar concentración de gas mediante espectroscopia de absorción de luz, que incluye ciertas mejoras.

La figura 4 es una vista en alzado lateral de la célula de detección de gas empleada por esta invención y muestra el aspecto externo de la célula, con un componente de cubierta en posición, que presenta una cavidad de gas anular en su interior por la que fluye gas de muestra.

La figura 5 es una vista lateral, tomada por la línea 5-5 de la figura 4, que muestra la célula de detección de gas hecha rotar 90º en torno a su eje, en relación con la vista de la figura 4. La figura 5 muestra la parte intermedia de la célula, en sección transversal, para ilustrar el paso anular de muestra de gas.

La figura 6 es una vista en sección transversal tomada por la línea 6-6 de la figura 5. Esta figura no muestra los manguitos de alojamiento ilustrados en las figuras 4 y 5.

La figura 7 es una vista de despiece de la parte delantera de la célula que aloja la fuente de luz, tal como un diodo láser, e ilustra la estructura de soporte que permite la alineación del haz de manera que penetre en la cavidad de gas de muestra.

La figura 8 es una vista esquemática de la relación entre un diodo láser y elementos asociados, merced a los cuales se controla la temperatura del diodo.

La figura 9 es una ilustración esquemática de la trayectoria que el haz de luz sigue en la cavidad anular de la célula al ser reflejado, repetidamente, entre espejos enfrentados, de manera que se desplace en vaivén en la cavidad anular de muestra de gas, lo que permite medir de modo preciso la absorción del haz por parte del gas de muestra en el interior de la célula.

La figura 10 es un diagrama de bloques de los componentes destinados a controlar la temperatura de la fuente de luz empleada con la célula de tipo Herriott con el fin de mejorar la precisión del sistema para la detección de un gas seleccionado.

La figura 11 es una vista externa, isométrica, de una célula de detección de gas que dispone de un sistema de alineación de haz de luz que emplea placas de bisagra.

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Descripción detallada de las realizaciones preferidas

La figura 1 de los dibujos ilustra un diagrama de bloques de los componentes principales de un sistema que puede usarse para poner en práctica los métodos de esta invención. El corazón del sistema consiste en una célula 10 que se describirá con detalle en lo que sigue, y que proporciona un ambiente en el que un haz de luz 12 pasa por una muestra de gas y en el que se mide la absorción del haz de luz.

De acuerdo con la invención, se genera un haz de luz mediante un diodo láser, en cuyo caso el haz de luz 12 será un haz de luz láser. Pero la invención puede ponerse en práctica usando una fuente de luz que genere un haz de luz no coherente. Un ejemplo de fuente de luz no coherente es un diodo fotoemisor (LED). Un diodo láser genera un haz de luz coherente, a saber, un haz de luz de frecuencia sustancialmente uniforme que presenta la característica de que el haz de luz láser no se dispersa en la misma medida que un haz de luz no coherente. El uso de un haz láser, tal como el generado mediante un diodo láser, es ventajoso, pero no es indispensable. En cualquier caso, los diodos láser son caros en comparación con los LED. En algunas aplicaciones, los LED funcionan satisfactoriamente. Tal como se usa en esta descripción, "haz láser" o "diodo láser" incluyen "haz de luz" o "LED".

Hay una estructura, soportada en la célula 10, que incluye un diodo láser 14, que, una vez activado, genera haz láser 12. Los diodos láser del tipo representado mediante la referencia 14 son sensibles a la temperatura. Es decir, la frecuencia de la luz láser generada por el diodo 14 varía de acuerdo con la temperatura del diodo. Para conseguir mediciones precisas es importante que la frecuencia del haz láser 12 se controle dentro de un intervalo adecuadamente estrecho, que, a su vez, significa que la temperatura de diodo láser 14 tenga que controlarse. Para este fin se emplea un sistema de regulación de temperatura, indicado en general mediante el bloque 16, y se describirá con detalle en lo que sigue.

La invención, en este caso, funciona haciendo pasar el haz láser 12 por una muestra de gas y determinando el nivel de concentración de un gas seleccionado en la muestra de gas, merced a la medición de la absorción del haz láser. Generalmente, esta tecnología se denomina "espectroscopia de absorción láser". La célula 10, que incluye los componentes asegurados en ella, constituye un espectroscopio de absorción de diodo láser ajustable. Hay previstos canales de flujo por los que una muestra de gas es movida en la célula 10. Se introduce gas de muestra por una entrada 18 del tubo de entrada 20, que penetra, a través del filtro 22, en la célula 10. El gas fluye por la célula 10 hasta un tubo de salida 24 conectado con el sistema de regulación de temperatura 16. El gas es movido a través del sistema por medio de una bomba 26 de gas, hasta un tubo 28 de descarga por el que la muestra de gas es devuelta a la atmósfera.

El haz láser 12 pasa por una ventana (que se describirá en lo que sigue). Parte del haz pasa por una abertura 30 en un primer espejo 44. El número 12A representa el primer paso del haz por el interior de la célula 10. Parte del haz láser 12 es reflejado por la ventana, indicándose el haz reflejado mediante el número 12B. Hay un fotodetector 32 destinado a recibir el haz reflejado 12B y entregar una señal eléctrica representativa de la intensidad del haz láser 12. La señal eléctrica del fotodetector 32 es transmitida mediante el conductor 34 a un amplificador 36, que la alimenta a un circuito de conversión analógico/digital 38, que entrega una entrada digital de referencia al conductor 40, que alimenta a un microprocesador 42.

La célula 10 es de un tipo conocido generalmente como célula "Herriott". Este nombre proviene del inventor de una célula que emplea espejos enfrentados que reflejan un haz de luz en vaivén, entre ellos, de modo que pueda conseguirse una trayectoria relativamente larga en un instrumento de longitud relativamente corta y en la que la trayectoria presenta un patrón circular. La célula 10 usada por esta invención, si bien, en general, es del tipo "Herriott", presenta muchas mejoras e innovaciones, como se describirá en lo que sigue con detalle.

La célula 10 emplea un primer espejo 44 y un segundo espejo 46 opuesto. Una abertura pequeña 30 está prevista en el primer espejo 44, por la que el haz láser pasa y da lugar al haz 12A dentro de la célula, que impacta una primera vez en el segundo espejo 46. El haz 12A es reflejado secuencialmente entre los espejos 44 y 46 cierto número de veces antes de salir del segundo espejo 46 por una abertura pequeña 48. El haz de salida 50 impacta en un segundo fotodetector 52, que entrega una señal al conductor 54, que alimenta a un circuito amplificador 56, que alimenta a un segundo convertidor analógico-digital 58, que entrega una señal digital al conductor 60, conectado con el microprocesador 42.

Los métodos y los sistemas para poner en práctica los métodos de esta invención se usan para detectar gases seleccionados, tales como metano, butano, propano, etano, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, H_{2}O, fluoruro de hidrógeno, cloruro de hidrógeno, boruro de hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, amoniaco, CO, CO_{2}, NO, NO_{2} y SF_{6}. El sistema puede destinarse a detectar distintos gases seleccionados merced a la sustitución del diodo láser por otro que genere la frecuencia de luz absorbida más fácilmente por el gas de interés. Cuando se use un diodo fotoemisor (en vez de un diodo láser), el espectro de la luz generada por él, más ancho, puede detectar un número mayor de gases diferentes, pero, usualmente, con concentraciones mayores. El sistema que se describirá está destinado a detectar gas metano, lo que es particularmente útil, puesto que el metano es el componente básico del gas natural y de casi todos los gases combustibles manufacturados. Si existe un escape en un sistema de distribución de gas, puede localizarse, usualmente, merced a la detección de la presencia de metano. Por tanto, la célula 10 emplea un diodo láser 14 que genere un haz caracterizado por una frecuencia absorbida en alto grado por el metano. El gas de muestra hecho pasar por la entrada 18 y que fluye por el tubo de entrada 20 para penetrar en la célula 10 y atravesarla, absorbe, es decir, hace disminuir la intensidad del haz de luz 12A en proporción a la cantidad de metano contenido en el gas de muestra.

El haz de luz 50 sale por la abertura 48 del segundo espejo 46, después de haber sido reflejado muchas veces entre los espejos 44 y 46. El modo de conseguirlo se describirá en lo que sigue. Experimentar múltiples reflexiones desde el momento en que el haz 12A penetre en la célula 10 hasta que salga por la abertura 48 significa que la trayectoria del haz es relativamente larga, igual a muchas veces la longitud de la célula 10, lo que, a su vez, significa que se ha previsto que pueda producirse la absorción del haz de luz en medida suficiente por efecto de la presencia de metano en el dispositivo de muestreo de gas.

La comparación de la intensidad de la señal en el conductor 34 con la señal en el conductor 54 permite determinar la concentración de metano en el gas de muestra que pase por la célula 10. Merced a un tratamiento preciso mediante el microprocesador 42 puede determinarse la cantidad de metano contenida en el gas de muestra que pase por la célula 10 con gran precisión, y puede expresarse, por ejemplo, en partes por millón. La presencia de metano puede detectarse con una sensibilidad de hasta algunas partes por millón, o incluso, idealmente, inferior a una parte por millón.

Como se ha indicado en lo que antecede, el haz 12 que emana del láser 14 pasa por una primera abertura 30 en un primer espejo 44, para dar lugar al haz 12A, dentro de la célula. Cuando el haz láser 12A encuentra el segundo espejo 46, durante su paso inicial en el interior de la célula 10, casi toda la intensidad del haz es reflejada de vuelta hacia el primer espejo 44, y, de modo subsiguiente, es reflejada, repetidamente, entre el primer espejo 44 y el segundo espejo 46, para, finalmente, salir por la segunda ventana 48 y dar lugar al haz de salida 50. Pero cuando el haz 12A impacta en el segundo espejo 46, una parte pequeña de la intensidad del haz atraviesa el espejo, aun cuando no esté prevista abertura o ventana alguna, ya que la mayoría de las superficies reflectantes no reflejan la luz al 100%. La parte del haz de luz 12A que atraviesa el segundo espejo 46 da lugar a un segundo haz 62 de salida que activa un tercer fotodetector 64. Ello da lugar a una señal eléctrica en el conductor 66 que pasa a un tercer amplificador 68, que alimenta un convertidor analógico/digital 70, que transmite una señal digital, a través de un conductor 72, al microprocesador 42. El empleo de dos haces de salida 50 y 62 separados que emanan de la célula 10 para activar los fotodetectores 52 y 64 es un atributo importante de esta disposición. Resulta evidente que sólo se requieren las señales presentes en los conductores 40 y 60 que alimentan el microprocesador 42 para medir niveles bajos de concentración de metano en el gas hecho pasar por la célula 10. Es importante detectar niveles muy bajos de metano en el gas de muestra, lo que se consigue usando una trayectoria de luz larga para el haz láser antes de que éste salga por la ventana 48, pero esta disposición falla si se requiere una escala amplia para la detección de metano. Si existe metano a un nivel relativamente alto en el gas de muestra que pase por la célula, el haz láser habrá sido absorbido de modo sustancialmente completo antes de que salga por la ventana 48, de manera que quedará poca intensidad de haz como para calcular el porcentaje de metano, en caso de concentración elevada en la muestra de gas. Este problema se soluciona merced al uso del tercer fotodetector 64. El segundo haz 62 de salida recorre una distancia relativamente corta en la muestra de gas, por ello, la atenuación del haz 62 tiene lugar en una proporción que permita una medición, aun cuando el porcentaje de metano en el gas de prueba sea muy superior al detectable mediante el fotodetector 52. En otros términos, el empleo de dos haces de salida 50 y 62 separados, uno con una trayectoria de luz de longitud pequeña en el gas de prueba y el otro con una trayectoria de luz de longitud larga, proporciona un sistema en el que el intervalo de concentración de metano que puede medirse se amplía considerablemente.

De acuerdo con la puesta en práctica preferida de la invención, el haz de luz láser 12 no es activado mediante una tensión de régimen sino que, por el contrario, el láser 14 es activado mediante impulsos, merced a una corriente con forma de onda en diente de sierra. Cada impulso de diodo láser 14 genera un impulso de haz láser 12, cuya frecuencia varía dentro de un ancho de banda seleccionado. Cada impulso de corriente genera luz cuya frecuencia varía por encima y por debajo de la frecuencia que experimenta la absorción máxima por parte del gas específico que el instrumento esté destinado a detectar.

Como el láser 14 es activado mediante una forma de onda de corriente por impulsos particular, las señales resultantes generadas por los fotodetectores 32, 52 y 64 (figura 1) se caracterizarán por esa forma de onda particular. De ese modo, el microprocesador 42 detecta la absorción al dividir la señal de los fotodetectores 52 y 64 por la señal del fotodetector 32.

Las figuras 2 a 7 ilustran detalles de una construcción preferida de la célula 10. Como se ha indicado previamente, la célula 10 es, en términos generales, del tipo Herriott, pero con cambios, innovaciones y mejoras significativos e importantes.

La figura 3 es una vista en sección transversal que muestra la construcción básica de la célula 10. Esta figura muestra una estructura que dispone de un primer espejo 44 y un segundo espejo 46. Una característica singular de la célula 10 mostrada en las figuras 2, 3, 5 y 6 consiste en el empleo de un miembro de árbol central 74, dotado de un primer extremo 76, aplicado con el primer espejo 44, y un segundo extremo 77, aplicado con el segundo espejo 46. La superficie exterior 78 del árbol central 74 está contorneada, a saber, presenta un diámetro menor en la mitad que en los extremos 76 y 77, para los fines que se describirán en lo que sigue.

Rodeando al árbol central 74 hay un alojamiento 80 que, en la disposición ilustrada, mostrada en la figura 4, está formado por dos partes 80A y 80B de acoplamiento, que encajan una con otra. El alojamiento 80A, 80B dispone de una superficie interior 82, separada de la superficie exterior 78 del árbol central, que proporciona una zona 84 anular alargada. En esta zona anular 84, por la que el gas de muestra se mueve, tiene lugar la absorción de luz del diodo láser, y merced a ella se detecta la concentración de metano en la muestra de gas.

En el primer espejo 44 hay formada una primera abertura 30, como muestra la figura 2. El haz de luz 12 del diodo láser 14, primero, pasa por una lente 86 montada en una abertura, en una placa 89 de soporte de lente, y encuentra una ventana inclinada 88. En la ventana 88 se refleja parte de haz 12 para dar lugar al haz láser 12B descrito con referencia a la figura 1. El haz 12B pasa por una lente 90 y encuentra el primer fotodetector 32. El haz 12 pasa por la ventana inclinada 88 y la primera abertura 30, en el primer espejo 44.

Como puede verse en el extremo izquierdo de la figura 3, el segundo espejo 46 presenta la abertura 48 mencionada previamente, alineada con un paso 92 en un miembro de tapa 94, por el que el haz sale de la célula. El fotodetector 52, descrito en relación con la figura 1, está alineado con el paso 92. En la figura 3, la abertura 30 del primer espejo 44 y la abertura 48 del segundo espejo 46 se muestran como si estuvieran en un plano vertical que pase por un eje longitudinal (no mostrado) del árbol 76. Ello tiene sólo carácter ilustrativo, ya que no es necesario que se encuentren en el mismo plano, y, como puede verse en la figura 9, que se describirá a continuación, las aberturas 30 y 48, típicamente, no se encuentran en el mismo plano.

El patrón de desplazamiento de luz de la célula 10 de entrada de haz se ilustra en la figura 9, en la que el primer espejo 44 y el segundo espejo 46 se representan mediante círculos, representándose la primera abertura 30 y la segunda abertura 48 mediante círculos más pequeños. El diodo láser, indicado con 14, genera el haz láser 12A, descrito en lo que antecede, que pasa por la primera abertura 30 para penetrar en la célula. El haz 12A impacta en el segundo espejo 46. Como se ha expuesto previamente, parte del haz 12A atraviesa el segundo espejo 46, dando lugar al haz 62, que impacta en el tercer fotodetector 64. Casi todo el haz 12A se refleja, como se indica mediante la flecha 96. El haz se desplaza en vaivén entre los espejos 44 y 46 un gran número de veces, y, finalmente, sale por la abertura 48 del segundo espejo 46, indicándose el haz de salida mediante la referencia 50, descrito en relación con la figura 1. El haz 50 impacta en el segundo fotodetector 52.

La figura 9 ilustra gráficamente la trayectoria singular del haz, que se propaga una pluralidad de veces, en vaivén, entre los espejos 44 y 46, en la zona anular que rodea al árbol central. Esta disposición permite una estructura de célula muy rígida con una trayectoria extremadamente larga de desplazamiento del haz de láser en la zona anular, que se alimenta continuamente con gas de muestra. Esta trayectoria larga, conseguida merced a múltiples reflexiones del haz de luz, asegura un nivel elevado de sensibilidad de absorción del haz láser, mientras que, al mismo tiempo, permite un sistema compacto, robusto y transportable fácilmente para la detección de la presencia de un gas seleccionado, tal como metano.

Como puede verse en la figura 9, el haz de luz 12A penetra en la célula en ángulo oblicuo en relación con el eje longitudinal imaginario del árbol 74. Ello hace que el punto de incidencia del haz de luz que impacta en los espejos enfrentados 44 y 46 esté desplazado radialmente en los espejos. La superficie de la sección transversal de la zona de absorción anular 84 por la que pasa el haz de luz entre los espejos enfrentados 44 y 46 es máxima en las superficies de los espejos y mínima en el punto medio entre ellos. Por esta razón el diámetro del árbol 74 es mínimo en el punto medio entre los extremos opuestos 76 y 77 del árbol, como muestra la figura 3.

El diodo láser 14 está soportado mediante una la estructura de montura de láser, indicada generalmente mediante el número 98, como puede verse en las figuras 4, 5, 6 y 7. Las figuras 2 y 11 muestran una estructura de montura 98A de láser diferente. La figura 7 es una vista de despiece de partes importantes de la estructura de montura 98 de láser, soportada en un extremo de la célula 10 por medio de ménsulas estructurales 100 mostradas en las figuras 4 y 5. Como puede verse de la mejor manera en la figura 7, la estructura de montura 98 de láser incluye una base de soporte 102 con partes paralelas 104 y 106 formadas de una pieza. Es decir, la base de soporte incluye la parte 104 formada de manera enteriza, abisagrada a la base 102, en torno a un eje vertical, mientras que la parte 106 está abisagrada de manera enteriza a la parte 104, en torno a un eje horizontal. Esta disposición singular de eje doble permite que pueda ajustarse la alineación del haz del diodo láser de modo muy preciso para hacer posibles las trayectorias críticas ilustradas en la figura 9, de manera que puedan conseguirse las trayectorias múltiples y, de ese modo, el haz salga apropiadamente de la célula para encontrar los fotodiodos 52 y 64. Una disposición alternativa del sistema de alineación de haz de eje doble se describirá en lo que sigue con referencia a las figuras 2 y 11.

Como puede verse en la figura 7, una pieza de intercambio 108 presenta una parte de clavija 110 enteriza que se extiende hacia delante. La pieza de intercambio 108 se asegura en la base de soporte 102 mediante un anillo tridimensional 112. Hay un aislador 114 no metálico posicionado en la zona delantera de la pieza de intercambio 108. Como se describirá con más detalle en lo que sigue, hay un dispositivo Peltier 118, un sustrato 120, una termistancia 122 y un diodo láser 14 montados en la superficie delantera 116 de la parte de clavija 110 de la pieza de intercambio. Las relaciones estructurales entre drenaje metálico 110, dispositivo Peltier 118, sustrato 120, termistancia 122 y diodo 14 se ilustran esquemáticamente en la figura 8.

Como se muestra en la figura 7, el extremo trasero de la pieza de intercambio 108 incluye una parte tubular 124 enteriza que dispone de aletas 126 de intercambio de calor (véanse las figuras 7 y 8). Hay una resistencia 128, en relación de conducción térmica con la parte de clavija 110, que cumple la función de drenaje térmico metálico, como se muestra en la figura 8.

Un aspecto importante de la invención consiste en el método para controlar la temperatura del diodo láser 14. Para la medición efectiva de la concentración de gas por absorción espectrográfica de un haz de luz, es importante que la frecuencia del haz de luz se controle dentro de un margen estrecho. Puede preverse un diodo láser para entregar la frecuencia de luz absorbida más fácilmente por las moléculas de metano. Pero si la frecuencia se desvía de la frecuencia de absorción crítica, la precisión del sistema se reduce. Además, la frecuencia de luz emitida por un diodo láser resulta afectada por la temperatura del diodo. El sistema usado por esta invención para controlar la temperatura de diodo láser 14 se ilustra de la mejor manera en las figuras 8 y 10. La figura 10 muestra esquemáticamente la relación entre el diodo láser 14 y sus componentes de control térmico. El diodo láser 14 está asegurado en un sustrato 120, por ejemplo, merced a la aplicación de un adhesivo termotransmisor. Hay una termistancia 122 asegurada, también, en el sustrato 120. El sustrato 120 está unido con un elemento Peltier 118 que cumple la función de elemento de refrigeración termoeléctrico. El elemento Peltier 118 se une térmicamente, por ejemplo, mediante soldadura, con un drenaje metálico 110, que consiste en la parte de clavija de la pieza de intercambio 108, como puede verse en la figura 7. El drenaje metálico, a su vez, se encuentra en contacto térmico con una o más aletas 126 de intercambio de calor, como muestran las figuras 2, 7 y 8. Hay, también, una resistencia 128 en contacto térmico con el drenaje metálico 110, como puede verse en la figura 8 y en el diagrama eléctrico de la figura 10.

La figura 10 muestra las interrelaciones eléctricas de los componentes de control térmico. La termistancia 122 entrega una señal de tensión proporcional a la temperatura del sustrato 120, que, a su vez, está relacionada con la temperatura del diodo láser 14. La señal de la termistancia 122 es alimentada al circuito generador 130 de corriente, y la señal del generador 130 es alimentada a un convertidor analógico/digital 132, cuya salida es transmitida a un microprocesador 138. Un circuito selector de temperatura 136 entrega una salida de tensión relacionada directamente con la temperatura deseada del sustrato 120 y, por tanto, del diodo láser 14, cuya salida se alimenta al microprocesador 138. El microprocesador 138 compara la señal del circuito selector de temperatura 136 con la temperatura codificada digitalmente detectada por la termistancia 122, para entregar una señal de control de salida al conductor 140. La señal del conductor 140 se alimenta a un interruptor térmico 142. Cuando el interruptor 142 se encuentra activado esta señal es alimentada a la resistencia 128, cuya función consiste en entregar calor, cuando sea necesario, a la parte 110 de clavija de intercambio de calor.

La salida del microprocesador 138 es alimentada a un generador 144 de señal de control Peltier, que, a su vez, se alimenta a un convertidor digital/analógico 146, cuya salida se alimenta a un generador 148 de corriente Peltier, que, a su vez, entrega una corriente de control al elemento Peltier 118.

En casi todas las condiciones operativas la función del sistema intercambiador de calor usado por la invención consiste en enfriar el diodo láser 14. Típicamente, los diodos láser generan un calor notable y, por tanto, normalmente, es necesario quitar calor de ellos para mantenerlos dentro del margen de funcionamiento deseado. Por esta razón, en condiciones de funcionamiento normales, no se utiliza la resistencia 128, ya que su única función consiste en entregar calor, cuando sea necesario, al intercambiador de calor de la parte de clavija 110, de modo que por medio del dispositivo Peltier 118 el calor sea transmitido al sustrato 120, y, por tanto, está destinada a proporcionar un ambiente caliente al diodo láser 14.

Puesto que normalmente resulta necesario enfriar el láser a temperaturas ambiente típicas, un aspecto importante de esta invención consiste en el concepto de utilizar el gas de prueba como medio de refrigeración. Como muestra la figura 1, el gas de prueba, una vez hecho pasar por la célula 10 es conducido al sistema termorregulador 16 ilustrado en las figuras 8 y 10, y cuyos elementos se ilustran también en la figura 7. El gas de prueba movido en la célula 10, en la que se determina la concentración de metano, se usa, también, ventajosamente, como medio de refrigeración. El gas de prueba sale de la célula 10 a través del sistema de refrigeración y de las aletas de refrigeración 126 contenidas en la parte tubular de alojamiento 124, como se ilustra en la figura 7 y, esquemáticamente, en la figura 8.

La corriente consumida por un diodo láser a tensiones seleccionadas puede usarse como indicador de la temperatura del diodo. A saber, a medida que aumenta la temperatura de un diodo láser, aumenta la resistencia al flujo de corriente. Esta característica puede usarse como medio de regulación de la temperatura del diodo. Puede emplearse el sistema de control de temperatura descrito en las figuras 8 y 10 teniendo en cuenta la corriente consumida por un diodo. Así, en lugar de la termistancia 122 puede usarse un amperímetro en serie con el diodo láser 14 para entregar una señal de control al generador 130 de corriente de medición con el fin de generar una señal apropiada que se alimente a un convertidor A/D 132 y, luego, al microprocesador 138. Merced al uso de lógica apropiada, el microprocesador puede poner en práctica una acción correctiva de temperatura mediante el dispositivo de Peltier 118 o la resistencia 128. Aunque este sistema presenta buenas posibilidades teóricas, en la práctica, conseguir la precisión requerida del control de la temperatura de un diodo usando tensión y corriente de diodo ha sido difícil.

La ruta seguida por el gas de muestra que penetra en la célula 10 y sale de ella se ilustra de la mejor manera con referencia a las figuras 1 y 3. Una vez introducido el gas de muestra por el tubo de entrada 20 y hecho pasar por el filtro 22, el gas penetra en la célula 10 por un paso 150, mostrado con línea discontinua en el miembro de tapa 94. Desde el paso 150, el gas penetra en el rebajo axial 152 del segundo extremo 77 del árbol central 74. Una pluralidad de pasos 154 separados, de pequeño diámetro, se extienden en planos radiales, desde el rebajo axial 152 hasta la superficie 78 del árbol 74, con el fin de conectar con la zona de absorción anular 84. La pluralidad de aberturas 154 están destinadas a distribuir uniformemente la entrada de gas de muestra en un extremo de la zona de absorción 84.

El gas atraviesa la zona de absorción 84 desde el segundo extremo 77 hasta el primer extremo 76 de árbol 74. Junto al primer extremo 76 del árbol 74 hay una pluralidad de pasos 156, en planos radiales, que comunican con un rebajo axial 158.

Hay un paso de salida 160, que comunica con el rebajo axial 158, por el que el gas de muestra fluye a partir de la célula 10. La pluralidad de pasos pequeños 156 que conectan el rebajo axial 158 con la zona 84 de absorción anular pueden verse en las figuras 2 y 3. El gas de muestra, después de salir de la célula 10 por el paso de salida 160, fluye por un tramo de tubo flexible 162 (véase la figura 5). Hay una tapa de extremo 164, que cierra el extremo trasero de la pieza de intercambio 108, que presenta un paso radial 166 que recibe un extremo del tubo flexible 162, como se muestra en la figura 5. Un segundo paso 168 en la tapa 164 (véase la figura 7) permite la comunicación con la bomba de gas 26 ilustrada en la figura 1, que puede materializarse, por ejemplo, mediante el tubo flexible 170 ilustrado en la figura 1, pero no mostrado en las demás figuras. El gas de muestra es aspirado por la acción de bomba 26 para ser introducido en la zona de absorción anular 84, distribuido uniformemente en todo el paso anular de manera que al reflejarse repetidamente un haz de luz entre los espejos enfrentados 44 y 46, la posibilidad de absorción del haz de luz se distribuya uniformemente y con una disposición en la que los pasos de gas estén previstos del modo más eficaz en las partes de extremo del árbol 74.

La célula para medir la concentración de un gas preseleccionado, tal como metano, ilustrada y descrita en este documento, está prevista, en general, para funcionar a presión atmosférica o a presiones cercanas a ella, pero el sistema funciona satisfactoriamente en el margen de, aproximadamente, 0,1 hasta, aproximadamente, 2,0 atmósferas. Básicamente, el sistema ilustrado no está destinado a analizar muestras de gas a presiones elevadas.

El sistema de detección de gas usado por esta invención puede destinarse, en particular, a inspeccionar una zona geográfica con el fin de determinar el punto en el que se esté produciendo un escape de gas. El sistema de detección de gas de este documento es particularmente apropiado para uso como instrumento de inspección debido a la zona de absorción anular limitada que se consigue merced al uso de un árbol central 74 rodeado por componentes de alojamiento 80A y 80B, que permite conseguir una zona de prueba de gas de muestra de volumen relativamente pequeño con una trayectoria relativamente larga para el paso de un haz de luz. El gas de muestra dentro de la zona de prueba se reemplaza rápidamente como consecuencia de la acción continua de la bomba de gas 26. Pueden aprovecharse estas características singulares para mover el sistema de detección de gas a una velocidad relativamente alta (en comparación con los sistemas de detección de gas existentes) en una zona geográfica. Específicamente, el instrumento de detección de gas descrito en este documento puede ser movido de un sitio a otro mediante un vehículo que se desplace a una velocidad que permita que una zona geográfica relativamente grande pueda ser inspeccionada por posibles escapes de gas en, relativamente, poco tiempo.

Cuando el sistema sea transportado mediante un vehículo es importante que la entrada 18 de gas de muestra ilustrada en la figura 1 se extienda por el exterior del vehículo de modo que, constantemente, se haga entrar gas del ambiente local a medida que el vehículo se mueva de una parte a otra en una zona geográfica.

Con el fin de ofrecer información precisa acerca de zonas de concentración de gas que pueda ser significativa, el sistema de esta invención puede adaptarse, en particular, para ser usado con un sistema global de determinación de posición 172, como se indica en la figura 1. El sistema global de determinación de posición 172 está conectado con el microprocesador 42. Además, merced al uso de una impresora 174 acoplada con el microprocesador 42 y el sistema global de determinación de posición 172, puede generarse un mapa con una impresión de niveles de concentración de gas detectados. Un usuario puede inspeccionar una zona, tal como el terreno ocupado por un establecimiento industrial, un pueblo, un parque industrial, parte de una ciudad grande o cualquier zona de interés, y obtener un mapa con niveles de concentración indicados de un gas específico, tal como metano. De este modo, un usuario puede determinar rápidamente las zonas en las que exista mayor concentración de gas, y, a continuación, el instrumento puede volver a llevarse a esas zonas, en las que el usuario puede llevarlo consigo (a diferencia de ser transportado en un vehículo) para la realización de una inspección más detallada, con el fin de determinar dónde se están produciendo escapes de gas.

Las figuras 2 y 11 muestran una disposición alternativa de una estructura de montura 98A de láser con una disposición de eje doble diferente para la alineación del haz del diodo láser. Una ménsula estructural 176 está asegurada en el extremo delantero de la célula 10. La ménsula 176 soporta una placa de base 178 (figura 11). Una placa ajustable 180 está abisagrada a la placa de base 178 mediante una primera hoja de bisagra 182 delgada, flexible. Una segunda hoja de bisagra 184 delgada, flexible (figuras 2 y 11) soporta la pieza de intercambio 186, dotada de una parte tubular 188 que funciona a modo de alojamiento de intercambio de calor, cuyo extremo exterior está cerrado mediante una cubierta de extremo 190. La parte tubular 188 aloja aletas 126 de intercambio de calor. La parte tubular 188 dispone de pasos 166A y 168A para el flujo de gas de muestra que corresponden a los pasos 166 y 168 descritos en relación con la figura 7.

Las hojas 182 y 184 de bisagra se doblan, dentro de sus límites elásticos, para alinear el haz láser con la célula 10, y, por tanto, cumplen la misma función que las bisagras formadas de modo enterizo de las partes paralelas 104 y 106 de la placa de soporte 102 descrita en relación con la figura 7. Ambas estructuras permiten al diodo láser pivotar en torno a ejes que se encuentran en planos perpendiculares. La estructura de montura 98A de láser de las figuras 2 y 11 se prefiere a la estructura de montura de láser de la figura 7 debido a su economía de fabricación. Por lo demás, las dos disposiciones funcionan del mismo modo para hacer lo mismo y conseguir los mismos resultados.

Aunque la invención haya sido descrita con cierto grado de particularidad, es evidente que pueden hacerse muchos cambios dentro del alcance de la invención, definido mediante las reivindicaciones.

Claims (8)

1. Un método para detectar gas en un ambiente, que comprende:

(1) mover continuamente una corriente de gas de muestra del ambiente en una zona de prueba limitada, dentro de un instrumento de detección;

(2) activar una fuente de luz para que emita un haz de luz con una frecuencia preseleccionada, altamente absorbible por el gas preseleccionado, presentando la fuente de luz un conjunto de control térmico asociado con ella;

(3) hacer pasar dicho haz de luz por dicha corriente de gas de muestra en dicha zona de prueba limitada;

(4) medir la absorción de dicho haz de luz para proporcionar una indicación de la concentración de dicho gas preseleccionado en dicho gas de muestra, caracterizándose el método porque, además, comprende

(5) hacer pasar dicha corriente de gas de prueba por dicho conjunto de control térmico para maximizar el control de la temperatura de dicha fuente de luz.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, por el que dicho gas preseleccionado se selecciona del grupo que comprende metano, butano, propano, etano, oxígeno, hidrógeno, nitrógeno, H_{2}O, fluoruro de hidrógeno, cloruro de hidrógeno, boruro de hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, amoniaco, CO, CO_{2}, NO, NO_{2} y SF_{6}.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, por el que dicha fuente de luz consiste en un diodo láser.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, por el que dicha fuente de luz consiste en un diodo fotoemisor.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, por el que dicho conjunto de control térmico incluye una fuente de frío en comunicación térmica con dicha fuente de luz, incluyendo dicha fuente de frío un disipador de calor por el que fluye dicha corriente de gas de muestra.

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, por el que dicho instrumento de detección adopta la forma de célula multipaso de tipo Herriot.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, por el que dicho haz de luz emitido por dicha fuente de luz se divide, llegando parte de dicho haz de luz, directamente, a un fotodetector, que entrega una señal de referencia empleada para medir la absorción de dicho haz de luz por parte de dicha corriente de gas de muestra en dicha zona de prueba limitada.

8. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, por el que dicho haz de luz, después de haber pasado por dicha corriente de gas de muestra, impacta en un fotodetector que proporciona una señal eléctrica usada para medir la absorción de dicho haz de luz.