ES2976505T3 - Célula de sensor óptico de alta precisión autoalineada - Google Patents
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Abstract
La presente invención proporciona una celda de sensor óptico autoalineado de alta finura para analizar una muestra gaseosa usando espejos ópticos altamente reflectantes con una fuente de luz y un detector acoplados en cada extremo de la celda, que tiene flexibilidad y/o capacidad de servicio para autoalinear los espejos reflectantes a la célula óptica sin manipulación mecánica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Célula de sensor óptico de alta precisión autoalineada
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a una célula de sensor óptico de alta precisión para espectroscopia de absorción de gases.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las tecnologías espectroscópicas mejoradas por cavidad, típicamente la Espectroscopia de Anillo Descendente por Cavidad (CRDS) y sus variaciones, son tecnologías robustas para medir concentraciones de moléculas objetivo en fase gaseosa a longitud(es) de onda de luz conocidas.
Todas las tecnologías de mejora de la cavidad requieren una cavidad óptica alineada con gran precisión.
Esto ha supuesto un reto para el desarrollo de instrumentación de campo robusta que debe hacer frente a las variaciones de vibración, caída y presión cuando se trata de la alineación geométrica y óptica de los espejos y la cavidad de la muestra con la fuente de luz. Las cavidades ópticas comerciales existentes suelen estar prealineadas por el fabricante, por lo que suelen ser complejas, si no imposibles, de realinear por un usuario.
La Patente Estadounidense n.° 5.528.040 A divulga un aparato para la detección y medición de especies traza en un gas de muestra que comprende una célula de cavidad anular en la que los espejos altamente reflectivos (HR) que constituyen las ventanas de entrada y salida de la célula óptica están prealineados o los espejos HR pueden colocarse en bridas ajustables o montajes que están sellados con fuelles herméticos al vacío para permitir el ajuste de la alineación óptica de la célula, teniendo así un requisito rígido para una célula óptica alineada con precisión.
La Publicación de Solicitud de Patente de EE.UU. n.° 2007/0133001 A1 divulga un sensor de detección de fluido que comprende un bloque de forma triangular que tiene una trayectoria óptica en forma de bucle cerrado/anillo (para la propagación de la luz) definida por una pluralidad de orificios conectados de extremo a extremo en el bloque. El sensor de esta solicitud de patente requiere una complicada disposición de espejos HR para lograr la trayectoria óptica deseada.
La Publicación de Solicitud de Patente EE.UU. n.° 2014/110599 A1 divulga un conjunto de célula óptica ajustable, que incluye un cuerpo hueco que define una cavidad óptica lineal y un primer espejo y un segundo espejo opuesto fijados rígidamente dentro de la cavidad. Un primer actuador está configurado para aplicar una fuerza a una superficie externa del cuerpo hueco suficiente para deformar elásticamente al menos una porción del cuerpo hueco, de forma que se modifique una de las distancias y una orientación relativa entre el primer espejo y el segundo espejo.
La patente de EE.UU. n.° 9.709.491 B1 divulga un sistema para medir especies traza en un gas de muestra, en el que se utiliza una configuración de camino abierto que incluye una célula óptica con espejos en cada extremo, una varilla larga ranurada con orificios en el extremo para que pase un haz óptico, y un tubo ranurado que rodea la varilla ranurada de tal manera que el aire puede pasar a través de la varilla en una dirección transversal cuando las ranuras están alineadas. El sistema incluye además una configuración de flujo para purgar el gas de muestra de la célula óptica, y limpiar los espejos, con aire calibrado o cero a través de las entradas situadas delante de cada espejo.
Por lo tanto, existe la necesidad de células de sensores ópticos simples que puedan asegurar automáticamente la alineación del espejo HR y de la cavidad óptica, permitiendo que los espejos HR sean fácilmente cambiados o reparados sin necesidad de manipulaciones mecánicas del haz láser y/o de los espejos HR de la cavidad de alta finura.
Estos antecedentes se proporcionan con el fin de dar a conocer información que el solicitante considera de posible relevancia para la presente invención. No se pretende necesariamente admitir, ni debe interpretarse, que cualquiera de las informaciones precedentes constituya un estado de la técnica contrario a la presente invención.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Un objeto de la presente invención es proporcionar una célula de sensor óptico autoalineada de alta finura para analizar una muestra gaseosa utilizando una fuente de luz.
De acuerdo con un aspecto de la presente invención se proporciona una célula de sensor óptico de alta finura para analizar una muestra gaseosa utilizando una fuente de luz, que comprende una carcasa que define una cavidad óptica lineal, que tiene un eje óptico que se extiende entre una primera porción de extremo abierto y una segunda porción de extremo abierto de la carcasa. La primera porción de extremo abierto de la carcasa está provista de un primer conjunto de espejos, y la segunda porción de extremo abierto de la carcasa está provista de un segundo conjunto de espejos.
La carcasa comprende además un primer juego de geometría de contacto situado adyacente a un primer extremo de la cavidad óptica, y un segundojuego de geometría de contacto situado adyacente a un segundo extremo de la cavidad óptica, en el que al menos el primer juego de geometría de contacto es radialmente simétrico con respecto al eje óptico, y en el que el primer juego de geometría de contacto define una superficie de contacto plana que es perpendicular al eje óptico de la cavidad óptica, estando el primer y segundo extremos de la cavidad óptica situados dentro de la primera y segunda porciones de extremo abierto de la carcasa, respectivamente, y un puerto de entrada y un puerto de salida para transportar la muestra gaseosa dentro y fuera de la cavidad óptica.
El primer conjunto de espejo HR comprende un primer espejo HR que tiene una superficie reflectante cóncava; y una primera cubierta de extremo configurada para cubrir el extremo abierto de la primera porción de extremo abierto y para mantener la superficie cóncava del primer espejo HR en contacto con el primer juego de geometría de contacto. La cubierta de primer extremo también tiene una abertura para recibir un haz de luz entrante coincidente con el eje óptico. El segundo conjunto de espejo HR comprende un segundo espejo HR que tiene una superficie reflectante. La segunda cubierta de extremo está configurada para cubrir el extremo abierto de la segunda porción de extremo abierto y mantener la superficie reflectante del segundo espejo HR en contacto con el segundo juego de geometría de contacto. La cubierta de segundo extremo también tiene una abertura para emitir el haz de luz a un detector coincidente con el eje óptico. El centro de curvatura del primer espejo HR cóncavo está alineado (coincide) con el eje óptico de la cavidad óptica.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un sistema de sensor, que comprende una célula de sensor como se describe en el presente documento, una fuente de luz para proporcionar un haz de luz entrante que se dirige a la cavidad óptica y a lo largo del eje óptico, y un detector para detectar la luz que sale de la cavidad óptica a lo largo del eje óptico.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La invención se describirá ahora mediante realizaciones ejemplares con referencia a los dibujos simplificados, diagramáticos y no a escala que se acompañan. En los dibujos:
La figura 1A ilustra una vista en sección transversal de una célula de sensor de acuerdo con una realización de la presente invención.
La figura 1B ilustra una vista parcialmente en despiece de la célula de sensor de la figura 1A.
La figura 2 ilustra una vista en sección transversal de una célula de sensor de acuerdo con otra realización de la presente invención.
La figura 3 ilustra una vista en sección transversal de una célula de sensor de acuerdo con otra realización de la presente invención.
La figura 4 ilustra una vista en sección transversal de una célula de sensor de acuerdo con la realización de las figuras 1Ay 1B, mostrando un espejo en una posición sesgada.
La figura 5 ilustra una vista en sección transversal de una célula de sensor de acuerdo con otra realización de la presente invención, con un espejo geométricamente imperfecto en una posición sesgada.
La figura 6 ilustra una vista en sección transversal de una célula de sensor de acuerdo con otra realización de la presente invención, con un espejo geométricamente imperfecto.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Definiciones
A menos que se defina lo contrario, todos los términos técnicos y científicos usados aquí tienen el mismo significado que se entiende comúnmente por un experto ordinario en la técnica a la que pertenece la invención.
Tal como se utiliza en el presente documento, el término "espejo altamente reflectante (HR)" se refiere a un espejo que tiene un valor de reflectividad de al menos el 99,00 %.
Tal como se utiliza aquí, el término "aproximadamente" se refiere a una variación de /-10 % del valor nominal. Debe entenderse que tal variación está siempre incluida en un valor dado proporcionado aquí, tanto si se hace referencia a ella específicamente como si no.
La presente invención se refiere a una célula óptica para espectroscopia, en la que la geometría de los componentes que registran/contactan los espejos HR (es decir, la geometría de contacto) asegura la alineación del espejo HR y la célula (o cavidad óptica) sin requerir ningún ajuste mecánico.
Dado que las realizaciones de la presente invención que se describen en el presente documento obvian la necesidad de manipulaciones mecánicas de los espejos HR y/o de la cavidad óptica para lograr la alineación necesaria que permita una cavidad óptica de alta precisión, la célula óptica de la presente invención es más fácil de fabricar, montar y mantener (es decir, cambiar y/o limpiar los espejos y otras piezas). En particular, la célula óptica de la presente invención puede repararse fácilmente sobre el terreno sin necesidad de enviarla a un laboratorio de servicio.
La presente invención proporciona una célula de sensor óptico de alta finura para analizar una muestra gaseosa utilizando una fuente de luz. La célula de sensor comprende una carcasa que define una cavidad óptica lineal, con un eje óptico, que se extiende entre un primer extremo abierto y un segundo extremo abierto de la carcasa. Un primer juego de geometría de contacto se encuentra adyacente aun primer extremo de la cavidad óptica, y un segundo juego de geometría de contacto se encuentra adyacente a un segundo extremo de la cavidad óptica. El primer y segundo extremos de la cavidad óptica están situados dentro de la primera y segunda porciones de extremo abiertas de la carcasa. Al menos el primer juego de geometría de contacto es radialmente simétrico con respecto al eje óptico, y el primer juego de geometría de contacto se encuentra en un plano para proporcionar una superficie de contacto plana que es perpendicular al eje óptico de la cavidad óptica. La carcasa también incluye un puerto de entrada y un puerto de salida para transportar la muestra gaseosa dentro y fuera de la cavidad óptica.
La célula de sensor está provista de un primer conjunto de espejo en la primera porción de extremo abierto de la carcasa, y un segundo conjunto de espejo en la segunda porción de extremo abierto de la carcasa.
El primer conjunto de espejo comprende un primer espejo altamente reflectante (HR) que tiene una superficie reflectante cóncava, y una primera cubierta de extremo configurada para cubrir el extremo abierto de la primera porción de extremo abierto de la carcasa y para mantener la superficie cóncava del primer espejo HR en contacto con el primer juego de geometría de contacto. La cubierta del primer extremo también tiene una abertura para recibir un haz de luz entrante coincidente con el eje óptico. El centro de curvatura del primer espejo HR cóncavo está alineado (coincide) con el eje óptico de la cavidad óptica.
El segundo conjunto de espejo comprende un segundo espejo HR que tiene una superficie reflectante, y una segunda cubierta de extremo configurada para cubrir el extremo abierto de la segunda porción de extremo abierto de la carcasa y para mantener la superficie reflectante del segundo espejo HR en contacto con el segundo juego de geometría de contacto situado adyacente al segundo extremo de la cavidad óptica dentro de la segunda porción de extremo. La tapa del segundo extremo también tiene una abertura para emitir el haz de luz a un detector coincidente con el eje óptico.
En realizaciones preferidas, las geometrías de contacto están integradas en la carcasa.
En algunas realizaciones, las geometrías de contacto se proporcionan en la periferia del respectivo primer y segundo extremos de la cavidad óptica.
En algunas realizaciones, la carcasa comprende un miembro anular proporcionado en la periferia del primer extremo y, opcionalmente en el segundo extremo de la cavidad óptica.
En algunas realizaciones, la carcasa comprende un miembro anular proporcionado en la periferia del primer extremo de la cavidad óptica.
En algunas realizaciones, el primer juego de geometría de contacto se compone de al menos tres puntos coplanares proporcionados en una superficie exterior/extrema y/o una superficie de borde del miembro anular, y los al menos tres puntos coplanares están adaptados para entrar en contacto con la superficie cóncava del primer espejo HR.
En algunas realizaciones, el primer juego de geometría de contacto es toda la superficie de borde del miembro de anillo proporcionado en la periferia del primer extremo de la cavidad óptica. En algunas realizaciones, el primer juego de geometría de contacto es toda la superficie exterior/extremo del miembro de anillo proporcionado en la periferia del primer extremo de la cavidad óptica.
En algunas realizaciones, el segundo espejo HR tiene una superficie reflectante plana, y el segundo juego de geometría de contacto posiciona la superficie reflectante plana del espejo HR perpendicular al eje de la cavidad óptica.
En algunas realizaciones, el segundo juego de geometría de contacto se compone de al menos tres puntos proporcionados en una superficie exterior de un miembro anular proporcionado en la periferia del segundo extremo de la cavidad óptica, y los al menos tres puntos, están adaptados para entrar en contacto con la superficie plana del segundo espejo h R.
En algunas realizaciones, el segundo espejo HR tiene una superficie reflectante cóncava. En tales realizaciones, el segundo juego de geometría de contacto es radialmente simétrico con respecto al eje óptico, y el segundo juego de geometría de contacto se encuentra en un plano para proporcionar una superficie de contacto plana que es perpendicular al eje óptico de la cavidad óptica, de tal manera que el centro de curvatura del segundo espejo HR cóncavo está en alineación (coincidente) con el eje óptico de la cavidad óptica.
En algunas realizaciones, la carcasa comprende un miembro anular proporcionado en la periferia del segundo extremo de la cavidad óptica. En algunas realizaciones, el segundo juego de geometría de contacto está compuesto por al menos tres puntos coplanares proporcionados en una superficie exterior y/o una superficie de borde del miembro de anillo, en donde al menos tres puntos coplanares están adaptados para hacer contacto con la superficie cóncava del segundo espejo HR.
En algunas realizaciones, el segundo juego de geometría de contacto es toda la superficie de borde del miembro de anillo proporcionado en la periferia del segundo extremo de la cavidad óptica.
En algunas realizaciones, el segundo juego de geometría de contacto está definido por toda la superficie exterior/extrema del miembro anular proporcionado en la periferia del segundo extremo de la cavidad óptica, y, la superficie exterior del miembro anular tiene una superficie convexa, que está adaptada para coincidir con la superficie cóncava del espejo HR.
En algunas realizaciones la cavidad puede incorporar más de dos espejos HR, tales como disposiciones de trayectoria de haz plegado.
En algunas realizaciones, se proporcionan uno o más miembros de sellado entre la superficie exterior del miembro anular y el espejo HR en ubicación(es) diferente(s) a la(s) ubicación(es) de las geometrías de contacto. En algunas realizaciones, el uno o más miembros de sellado se proporcionan en una ubicación radialmente hacia el interior de las geometrías de contacto. En algunas realizaciones, el uno o más miembros de sellado se proporcionan en una ubicación radialmente hacia el exterior de las geometrías de contacto.
En algunas realizaciones, al menos la primera cubierta de extremo está configurada para una fijación desmontable a la primera porción de extremo abierto de la carcasa.
En algunas realizaciones, tanto la primera como la segunda tapa de extremo están configuradas para ser fijadas de forma desmontable a las respectivas porciones abiertas de extremo de la carcasa.
En algunas realizaciones, al menos el primer conjunto de espejo comprende un miembro elástico de presión del espejo entre el espejo HR y una superficie interior de la cubierta de extremo.
En algunas realizaciones, ambos primer y segundo conjuntos de espejo comprenden un miembro resiliente de prensado de espejo entre el espejo HR respectivo y una superficie interior de la cubierta de extremo respectiva. Ejemplos no limitativos de dichos miembros elásticos son los muelles de compresión, las juntas tóricas y las juntas.
En algunas realizaciones, el miembro elástico es una junta tórica hecha de un material elástico. Ejemplos no limitativos de materiales elásticos adecuados son el caucho y la esponja.
En otro aspecto, la presente invención se refiere a un sistema sensor, que comprende la célula de sensor tal como se define en el presente documento, una fuente de luz para proporcionar un haz de luz entrante que se dirige a la cavidad óptica y a lo largo del eje óptico, y un detector para detectar la luz que sale de la cavidad óptica a lo largo del eje óptico.
En realizaciones preferidas, el haz de luz entrante coincide con el eje óptico.
En algunas realizaciones, la fuente de luz para el haz de luz entrante es una fuente láser.
La fuente láser puede ser una fuente de luz láser sintonizable, como un láser de diodo, un láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL) u otro tipo de láser sintonizable. El láser sintonizable puede variar su longitud de onda para detectar y analizar diversos fluidos. La longitud de onda puede preprogramarse o variar en tiempo real durante la detección y el análisis.
En algunas realizaciones, el sistema comprende además un circuito de adquisición y análisis de datos conectado al detector.
En algunas realizaciones, el sensor comprende además una electrónica de control conectada al láser.
Un pulso láser es introducido a través de un espejo HR y es reflejado de vuelta por otro espejo HR, resultando en una onda óptica estacionaria generada entre los espejos h R. Tras un periodo de tiempo, el detector externo a uno de los espejos HR se utiliza para medir las características de la onda estacionaria en descomposición.
Todos los componentes ópticos y mecánicos del sistema sensor están configurados para emitir una señal eléctrica en respuesta a una intensidad de radiación electromagnética que incide sobre uno de los componentes ópticos (espejos HR individuales). Una molécula absorbente de la radiación presente en la sección hueca de la cavidad atenúa un componente de la luz que llega al segundo espejo HR. Un dispositivo sensor se alinea detrás del segundo espejo HR para transportar los fotones que salen del segundo espejo HR y transformarlos en una señal eléctrica. La señal eléctrica es transmitida y procesada por un ordenador para generar información útil para determinar los niveles de molécula(s) objetivo absorbente(s) dentro de la trayectoria de la luz en la cavidad.
La carcasa y las geometrías de contacto para los espejos HR de la célula de sensor de la presente invención garantizan que los centros de curvatura de las superficies de espejo(s) HR curvo(s) estén alineados/coincidentes con el eje óptico, independientemente de la inclinación posicional del espejo HR y/o de las condiciones imperfectas de la geometría del espejo, tales como las tolerancias de fabricación del espejo de cuña y centrado, siempre que la superficie cóncava del espejo sea esférica.
Para comprender mejor la invención descrita en el presente documento, se exponen los siguientes ejemplos. Se entenderá que estos ejemplos pretenden describir realizaciones ilustrativas de la invención y no pretenden limitar el ámbito de la invención en modo alguno.
EJEMPLOS
La figura 1A ilustra una vista en sección transversal de una célula de sensor ejemplar 110 de la presente invención, que comprende una carcasa alargada 112 que tiene una primera porción de extremo abierto 114 y una segunda porción de extremo abierto 116. La carcasa define una cavidad óptica lineal 118 que se extiende entre las dos porciones de extremo abierto. La cavidad óptica 118 tiene un primer extremo 120 y un segundo extremo 122, y un eje óptico 124.
En la realización representa en las figuras 1A y 1B, la carcasa tiene un primer miembro anular 126 y un segundo miembro anular 128 formados en los extremos opuestos de la cavidad óptica 118.
En esta realización, un primer juego de geometría de contacto está definido/proporcionado por la superficie de borde 134 del primer miembro anular 126, y una segunda geometría de contacto está definida/proporcionada por la superficie de borde 136 del segundo miembro anular 128. Un primer conjunto de espejo HR que comprende un primer espejo HR 138 y una primera cubierta/tapa final 140 se proporciona en la primera porción de extremo abierto 114 de la carcasa. En la segunda porción abierta del extremo 116 de la carcasa se dispone un segundo conjunto de espejo HR que comprende un segundo espejo HR 146 y una segunda cubierta/tapa 148.
La cubierta de primer extremo tiene una abertura 142 para recibir un haz de luz entrante coincidente con el eje óptico, y la cubierta de segundo extremo tiene una abertura 150 para emitir el haz de luz a un detector coincidente con el eje óptico. Cada conjunto de espejo HR comprende también una junta tórica de caucho 144, 152 entre el espejo HR y la cubierta de extremo para presionar elásticamente la superficie exterior respectiva del espejo HR a fin de asegurar el contacto de la cara cóncava de los espejos con las geometrías de contacto respectivas. Los bordes del primer y segundo espejos tienen una separación radial 162 y 164, respectivamente, de la superficie interior de la pared de la carcasa adyacente.
En esta realización, tanto el primer como el segundo espejo HR son espejos HR curvos, y las superficies de borde 134 y 136 de los miembros anulares 126 y 128 definen la primera y segunda geometrías de contacto, que son radialmente simétricas con respecto al eje óptico 124, y cada una proporciona una superficie de contacto plana que es perpendicular al eje óptico de la cavidad óptica. Cuando los espejos HR se colocan en contacto con sus respectivas geometrías de contacto/superficies de borde, el centro de curvatura 154 del primer espejo HR cóncavo y el centro de curvatura 156 del segundo espejo HR cóncavo se alinean/coinciden con el eje óptico 124 de la cavidad óptica.
La carcasa comprende además un puerto de entrada 158 y un puerto de salida 160 para transportar la muestra gaseosa dentro y fuera de la cavidad óptica.
La figura 1B representa una vista en despiece parcial del sensor de la figura 1A. Como se desprende de esta vista, las porciones de extremo abiertas 114 y 116 definen las cavidades 130 y 132, respectivamente. Los extremos 120 y 122 de la cavidad óptica 118 están situados dentro de sus respectivas cavidades.
La figura 2 ilustra una vista en sección transversal de otra realización de una célula de sensor ejemplar 210 de la presente invención, que comprende una carcasa alargada 212 que tiene una primera porción de extremo abierto 214 y una segunda porción de extremo abierto 216. La carcasa define una cavidad óptica lineal 218 entre las dos porciones de extremo. La cavidad óptica 218 tiene un primer extremo 220 y un segundo extremo 222, y un eje óptico 224. La carcasa tiene un primer miembro anular 226 y un segundo miembro anular 228 formados en los extremos opuestos de la cavidad óptica 218.
Un primer juego de geometría de contacto está definido/proporcionado por la superficie de borde 234 del primer miembro anular 226, y una segunda geometría de contacto está definida/proporcionada por la superficie de borde 236 del segundo miembro anular 228. Un primer conjunto de espejo HR que comprende un primer espejo HR 238 y una primera cubierta/tapa de extremo 240 se proporciona en la porción de extremo abierto 214 de la carcasa. Un segundo conjunto de espejo HR que comprende un segundo espejo HR 246 y una segunda cubierta/tapa final 248 se proporciona en la porción final 216 de la carcasa. La cubierta de primer extremo tiene una abertura 242 para recibir un haz de luz entrante coincidente con el eje óptico, y la cubierta de segundo extremo tiene una abertura 250 para emitir el haz de luz a un detector coincidente con el eje óptico. Cada conjunto de espejo HR comprende también una junta tórica de goma de presión de espejo HR 244, 252 entre el espejo HR y la cubierta de extremo para presionar elásticamente la superficie exterior respectiva del espejo HR a fin de asegurar el contacto de la cara cóncava de los espejos con las geometrías de contacto respectivas.
En esta realización, tanto el primer como el segundo espejo HR son espejos HR curvos, y las superficies de borde 234 y 236 de los miembros anulares 226 y 228 definen las geometrías de contacto, que son radialmente simétricas con respecto al eje óptico 224, y cada una proporciona una superficie de contacto plana que es perpendicular al eje óptico de la cavidad óptica.
En esta realización, los miembros de sellado 245, 253 se proporcionan en las superficies extremas 235, 237 de los miembros anulares 226 y 228, respectivamente. Los miembros de sellado se colocan radialmente hacia el interior de la superficie del borde respectivo 234, 236, para asegurar el acoplamiento entre la superficie exterior del miembro de anillo respectivo y la cara cóncava del espejo HR.
Los bordes laterales del primer y segundo espejos tienen una separación radial 262 y 264, respectivamente, de la superficie interior de la pared de la carcasa adyacente. La carcasa comprende además un puerto de entrada 258 y un puerto de salida 260 para transportar la muestra gaseosa dentro y fuera de la cavidad óptica.
La figura 3 ilustra una vista en sección transversal de otra realización de una célula de sensor 310 ejemplar de la presente invención, que comprende una carcasa alargada 312 que tiene una primera porción de extremo abierta 314 y una segunda porción de extremo abierta 316. La carcasa define una cavidad óptica lineal 318 entre las dos porciones de extremo. La cavidad óptica 318 tiene un primer extremo 320 y un segundo extremo 322, y un eje óptico 324. La carcasa tiene un primer miembro anular 326 y un segundo miembro anular 328 formados en los extremos opuestos de la cavidad óptica 318.
Un primer conjunto de espejo que comprende un primer espejo HR 338 y una primera cubierta/tapa final 340 se proporciona en la primera porción de extremo abierto 314 de la carcasa. En la segunda porción abierta del extremo 316 de la carcasa se dispone un segundo conjunto de espejo HR que comprende un segundo espejo HR 346 y una segunda cubierta/tapa 348.
En esta realización, un primerjuego de geometría de contacto se define/proporciona por la superficie esférica convexa 335 del miembro anular 326 mecanizado para coincidir exactamente con la superficie esférica cóncava del espejo 338. Una segunda geometría de contacto está definida/provista por la superficie del borde 336 del segundo miembro anular 328.
La cubierta de primer extremo tiene una abertura 342 para recibir un haz de luz entrante coincidente con el eje óptico, y la cubierta de segundo extremo tiene una abertura 350 para emitir el haz de luz a un detector coincidente con el eje óptico. Cada conjunto de espejos comprende también las respectivas juntas tóricas 344, 352 entre el espejo HR y la cubierta de extremo para presionar elásticamente la respectiva superficie exterior del espejo HR a fin de asegurar el contacto de la cara cóncava de los espejos con las respectivas geometrías de contacto. Los bordes del primer y segundo espejos tienen una separación radial 362 y 364, respectivamente, de la superficie interior de la pared adyacente de la carcasa.
En esta realización, tanto el primer como el segundo espejo HR son espejos HR curvos. Las geometrías de contacto son proporcionadas por la superficie convexa 335 del miembro anular 326, y la superficie del borde 336 del miembro anular 328. Cuando los espejos HR se colocan en contacto con sus respectivas geometrías de contacto/superficies de borde, el centro de curvatura 354 del primer espejo HR cóncavo y el centro de curvatura 356 del segundo espejo HR cóncavo se alinean/coinciden con el eje óptico 324 de la cavidad óptica. La carcasa comprende además un puerto de entrada 338 y un puerto de salida 360 para transportar la muestra gaseosa dentro y fuera de la cavidad óptica.
Las realizaciones representadas en las figuras 1A, 2 y 3, tienen espejos HR con geometrías perfectas o casi perfectas. La presente invención también garantiza la alineación independientemente de la inclinación posicional del espejo HR y/o en condiciones de geometría de espejo imperfecta, como se ilustra en las figuras 4 a 6.
La figura 4 representa una célula de sensor similar a la representada en la figura 1A, con la diferencia de que, aunque tiene espejos HR izquierdo y derecho geométricamente perfectos, el espejo HR derecho está sesgado posicionalmente.
La figura 5 representa una célula de sensor similar a la representada en la figura 1A, con la diferencia de que tiene un espejo HR izquierdo geométricamente perfecto y no inclinado, y un espejo HR derecho geométricamente imperfecto (es decir, tolerancia de cuña), como se representa por el ángulo "A" con desviación mostrada de 90° en comparación con el ángulo del espejo HR izquierdo geométricamente perfecto.
La figura 6 representa una célula de sensor similar a la representada en la figura 1A, con la diferencia de que tiene un espejo HR izquierdo geométricamente perfecto y no sesgado y un espejo HR derecho geométricamente imperfecto con respecto a la tolerancia de centrado, mostrada como espesor de borde variable representado por los caracteres de referencia T1 y T2.
Como se muestra en las figuras 4 a 6, cuando los espejos HR se colocan en contacto con sus respectivas geometrías de contacto/superficies de borde, el centro de curvatura del primer espejo HR cóncavo y el centro de curvatura del segundo espejo HR cóncavo se alinean/coinciden con el eje óptico de la cavidad óptica, independientemente del sesgo opcional y/o en condiciones de geometría de espejo imperfecta.
En las figuras 1A, 3, y 4 a 6, la letra "R" representa el radio del espejo.
Aunque la invención se ha descrito con referencia a ciertas realizaciones específicas, varias modificaciones de estas serán evidentes para los expertos en la materia sin apartarse del ámbito de la invención tal como se define en las reivindicaciones siguientes.
Claims (15)
1. Una célula de sensor óptico de alta finura (110) para analizar una muestra gaseosa utilizando una fuente de luz, que comprende:
una carcasa (112) que define una cavidad óptica lineal (118), que tiene un eje óptico (124) que se extiende entre una primera porción de extremo abierto (114) y una segunda porción de extremo abierto (116) de la carcasa, la carcasa que comprende:
un primer juego de geometría de contacto (134) situado adyacente a un primer extremo (120) de la cavidad óptica, y un segundo juego de geometría de contacto (136) situado adyacente a un segundo extremo (122) de la cavidad óptica, en el que al menos el primer juego de geometría de contacto es radialmente simétrico con respecto al eje óptico, y en el que el primer juego de geometría de contacto define una superficie de contacto plana que es perpendicular al eje óptico de la cavidad óptica, estando el primer y segundo extremos de la cavidad óptica situados dentro de la primera y segunda porciones de extremo abierto de la carcasa, respectivamente, y
un puerto de entrada (158) y un puerto de salida (160) para transportar la muestra gaseosa dentro y fuera de la cavidad óptica;
un primer conjunto de espejos de alta reflexión (HR) que comprende:
un primer espejo HR (138) con una superficie reflectante cóncava; y
una primera cubierta de extremo (140) configurada para cubrir el extremo abierto de la primera porción de extremo abierto y mantener la superficie reflectante cóncava del primer espejo HR en contacto con el primer juego de geometría de contacto (134), teniendo la primera cubierta de extremo una abertura (142) para recibir un haz de luz entrante coincidente con el eje óptico,
un segundo conjunto de espejo HR que comprende:
un segundo espejo HR (146) con una superficie reflectante; y
una segunda cubierta de extremo (148) configurada para cubrir el extremo abierto de la segunda porción de extremo abierto (116) y mantener la superficie reflectante del segundo espejo HR en contacto con el segundo juego de geometría de contacto (136), teniendo la segunda cubierta de extremo una abertura (150) para emitir el haz de luz a un detector coincidente con el eje óptico,
en el que el centro de curvatura (154) de la superficie reflectante cóncava del primer espejo HR (138) se encuentra en el eje óptico (124) de la cavidad óptica.
2. La célula de sensor de la reivindicación 1, en la que el primer juego de geometría de contacto se compone de al menos tres puntos coplanares proporcionados en una superficie exterior y/o una superficie de borde de un miembro anular (126) proporcionado en la periferia del primer extremo de la cavidad óptica, en la que los al menos tres puntos coplanares están adaptados para entrar en contacto con la superficie cóncava del primer espejo HR.
3. La célula de sensor de la reivindicación 1, en la que el primer juego de geometría de contacto es toda la superficie del borde (134) de un miembro anular (126) proporcionado en la periferia del primer extremo de la cavidad óptica, o el primer juego de geometría de contacto es toda la superficie exterior (335) de un miembro anular (126) proporcionado en la periferia del primer extremo de la cavidad óptica.
4. La célula de sensor de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el segundo espejo HR tiene una superficie reflectante plana, y el segundo juego de geometría de contacto posiciona la superficie plana del espejo HR perpendicular al eje de la cavidad óptica.
5. La célula de sensor de la reivindicación 4, en la que el segundo juego de geometría de contacto se compone de al menos tres puntos proporcionados en una superficie exterior de un miembro anular (128) proporcionado en la periferia del segundo extremo de la cavidad óptica, en la que los al menos tres puntos están adaptados para entrar en contacto con la superficie plana del segundo espejo HR.
6. La célula de sensor de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en la que:
el segundo espejo HR tiene una superficie reflectante cóncava,
el segundo juego de geometría de contacto es radialmente simétrico con respecto al eje óptico, y,
el segundo juego de geometría de contacto define una superficie de contacto plana que es perpendicular al eje óptico de la cavidad óptica;
en el que el centro de curvatura (156) de la superficie reflectante cóncava del segundo espejo HR (146) se encuentra en el eje óptico (124) de la cavidad óptica.
7. La célula de sensor de la reivindicación 6, en la que el segundo juego de geometría de contacto se compone de al menos tres puntos coplanares proporcionados en una superficie exterior y/o una superficie de borde de un miembro anular proporcionado en la periferia del segundo extremo de la cavidad óptica, en la que los al menos tres puntos coplanares están adaptados para entrar en contacto con la superficie cóncava del segundo espejo HR.
8. La célula de sensor de la reivindicación 6, en la que el segundo juego de geometría de contacto es toda la superficie del borde de un miembro anular (128) proporcionado en la periferia del segundo extremo de la cavidad óptica o el segundo juego de geometría de contacto es toda la superficie exterior de un miembro anular proporcionado en la periferia del segundo extremo de la cavidad óptica.
9. La célula de sensor de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en la que la primera cubierta de extremo está configurada para fijarse de forma desmontable a la primera porción abierta del extremo de la carcasa, y/o en la que la segunda cubierta de extremo está configurada para fijarse de forma desmontable a la segunda porción abierta del extremo de la carcasa.
10. La célula de sensor de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que al menos el primer conjunto de espejo comprende un miembro elástico que presiona el espejo entre el espejo Hr y una superficie interior de la cubierta extrema.
11. El aparato de la reivindicación 13, en el que el miembro elástico es un muelle, o una junta tórica (144) hecha de un material elástico.
12. Un sistema de sensores, que comprende:
una célula de sensor como la definida en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11;
una fuente de luz para proporcionar un haz de luz entrante que se dirige a la cavidad óptica y a lo largo del eje óptico; y
un detector para detectar la luz que sale de la cavidad óptica a lo largo del eje óptico.
13. El sistema sensor de la reivindicación 12, en el que el haz de luz entrante coincide con el eje óptico.
14. El sistema sensor de la reivindicación 12 o 13, en el que la fuente de luz para el haz de luz entrante es una fuente láser.
15. El sistema sensor de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, comprende además un circuito de adquisición y análisis de datos conectado al detector, y opcionalmente comprende además electrónica de control conectada al láser.
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