ES2939133T3 - Método y dispositivo para la cuantificación de gases en penachos por detección remota - Google Patents

Abstract

Método y dispositivo para cuantificar los ingredientes de una pluma. En una realización, el método incluye la dirección de barrido de un haz de luz a través de la pluma a una superficie sobre la que se dispersa el haz de luz, adquiriendo la luz dispersada dispersada desde la superficie y procesando la luz dispersada adquirida para determinar una cantidad de ingredientes de el penacho En una realización, la altura de la parte trasera del vehículo se mide como la parte superior del penacho para calcular la masa total por distancia del penacho. En otra realización, comparando el espectro de absorción del penacho y el espectro de absorción de fondo del que no existe penacho, se pueden cuantificar los hidrocarburos distintos del metano (NMHC) del penacho emitido por un vehículo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método y dispositivo para la cuantificación de gases en penachos por detección remota

Referencia cruzada a solicitudes de patente relacionadas

Esta solicitud PCT reivindica la prioridad y el beneficio de la solicitud de patente de EE. UU. con número de serie 13/689,406, presentada el 29 de noviembre de 2013, que a su vez es una continuación en parte de la solicitud de patente de EE. UU. con número de serie 12/883,621, presentada el 16 de septiembre de 2010, publicada como US 2011/038507 A1, titulada "DEVICE AND METHOD FOR QUANTIFICATION OF GASES IN PLUMES BY REMOTE SENSING", por J. Stewart Hager, ahora patente número 8,330,957 B2, que a su vez es una continuación en parte de la solicitud de patente de EE. UU. con número de serie 12/493,634, presentada el 29 de junio de 2009, titulada "DEVICE FOR REMOTE SENSING OF VEHICLE EMISSION", por J. Stewart Hager, ahora Patente de EE.UU. número 8,134,711 B2.

Algunas referencias, que pueden incluir patentes, solicitudes de patente y publicaciones diversas, se citan y analizan en la descripción de esta invención. La cita y/o el análisis de dichas referencias se proporciona simplemente para aclarar la descripción de la invención y no es una admisión de que dicha referencia sea "técnica anterior" a la invención descrita en la presente memoria.

Campo de la invención

La invención se refiere en general a la detección remota de emisiones y, más particularmente, a un método y un dispositivo que utilizan masas ópticas para cuantificar los componentes de un penacho emitido por un vehículo.

Antecedentes de la invención

Se sabe que las emisiones de los vehículos contribuyen en gran medida a la contaminación atmosférica. Con el fin de identificar los vehículos que liberan emisiones contaminantes excesivas, muchos países exigen inspecciones anuales de emisiones de los vehículos. Para ello se han desarrollado diversos sistemas de inspección de emisiones de vehículos. Generalmente, estos sistemas pueden ser muy costosos y su operación puede requerir una gran cantidad de trabajo y habilidad. Además, los sistemas de inspección de emisiones se han operado tradicionalmente en estaciones de prueba donde las emisiones se miden cuando el vehículo de prueba está al ralentí o funcionando en condiciones de carga artificiales. Si bien dichas mediciones brindan información de referencia general sobre las emisiones y el estado de reparación de un vehículo, no son necesariamente representativas de las condiciones de circulación del "mundo real".

Recientemente se han desarrollado sistemas de detección remota de emisiones para detectar emisiones de vehículos mientras circulan por la carretera. Por ejemplo, las patentes de EE. UU. número 5,319,199 A y número 5,498,872 A de Stedman et al. da a conocer un sistema de detección remota en el que la fuente 1110 de luz y el detector 1130 están situados de frente a frente a ambos lados de la carretera 1101, respectivamente, como se muestra en la Figura 6(a). Para una disposición de este tipo, un haz 1115 de luz generado por la fuente 1110 pasa a través de un penacho 1140 de escape emitido por un vehículo 1105 que circula por la carretera 1101, transportando así una señal de absorción asociada con los componentes y concentraciones del penacho 1140 de escape. El haz 1115 es recogido por el detector 1130 para analizar los componentes y concentraciones del penacho 1140 de escape. Alternativamente, como se muestra en la Figura 6 (b), la fuente 1110 de luz y el detector 1130 están situados en el mismo lado de la carretera 1101. Y dos reflectores 1150 situados en el lado opuesto de la carretera 1101 se usan para reflejar el haz 1115 generado desde la fuente 1110 hasta el detector 1130 con dos pasadas a través del penacho 1140 de escape del vehículo, lo que aumenta la señal de absorción. Este sistema mide solo una parte del penacho y tiene que relacionar las mediciones de CO² con todos los demás contaminantes para obtener valores relativos. No mide la cantidad dejada atrás ni valores absolutos.

Sin embargo, para dichos sistemas de detección remota de emisiones, la fuente, el detector y los reflectores se montan a ambos lados de la carretera y se debe tener mucho cuidado durante su instalación y mantenimiento. Además, dicho sistema es difícil de operar con más de un carril de tráfico, en particular cuando más de un vehículo pasa por el detector simultáneamente. En otras palabras, si varios vehículos están presentes en el lugar de detección, el penacho de escape de cada vehículo puede contribuir por igual a la medición de emisiones. Por lo tanto, en una carretera de un solo carril, como las vías de entrada y salida, los sistemas de detección remota existentes no pueden detectar más de un penacho de escape a la vez.

Además, con los sistemas de detección remota actuales, la precisión de la medición también puede depender de la posición del haz de luz que cruza la carretera, ya que la ubicación de uno o más tubos de escape del vehículo puede variar de un vehículo a otro. La precisión de las emisiones medidas variará dependiendo de si el haz está a la altura del tubo de escape, o más abajo o más arriba donde el escape tiene tiempo de diluirse antes de la detección. Con una disposición de este tipo también es posible pasar por alto el penacho de escape por completo.

En última instancia, el principal inconveniente de la detección remota de emisiones actual consiste en que, dado que solo mide una parte de un penacho de escape, solo puede determinar los gases constituyentes de un penacho y sus concentraciones relativas. Si bien dichos resultados pueden indicar si un vehículo necesita reparación, los sistemas existentes no pueden medir cantidades absolutas de componentes de emisión. La medición de cantidades absolutas de componentes es importante, ya que un exceso puede provocar una grave contaminación atmosférica. Es por esta razón que muchos países limitan por ley la cantidad de gases contaminantes permitidos en las emisiones. De hecho, las normas estatales y federales sobre emisiones de vehículos y los requisitos de control se expresan en "gramos por milla" (1 gramo por milla es aproximadamente 6,2137 x 10-7 kg/m). Con los sistemas existentes, este valor debe extrapolarse de las proporciones informadas al identificar la marca y el modelo del vehículo y hacer suposiciones sobre si el vehículo está funcionando con alto o bajo consumo, la carga del vehículo, etc.

Se han patentado técnicas de obtención de imágenes cuantitativas de emisiones de gases. Por ejemplo, la patente de EE. UU. número 5,319,199 A describe un sistema complicado que utiliza radiación de autoemisión de gas y celdas llenas de gas. Desafortunadamente, la complejidad de este método es innecesaria y de costo prohibitivo.

Por lo tanto, existe una necesidad no abordada hasta ahora en la técnica para abordar las deficiencias e insuficiencias anteriormente mencionadas.

Compendio de la invención

En un aspecto, la invención se refiere a un método para cuantificar los componentes de un penacho tal como se define en la reivindicación 1 adjunta. En una realización, el espesor l del penacho corresponde a una altura de la parte trasera del vehículo que emite el penacho. La masa total por distancia del penacho satisface la siguiente relación:

donde xi es una masa óptica en cada haz de luz que pasa a través del penacho.

En una realización, la etapa consistente en dirigir un haz de luz por barrido desde la fuente de luz se realiza con un galvanómetro.

En una realización, la luz dispersa adquirida se procesa en términos de un espectro de absorción del penacho. Además, el método también puede incluir la etapa consistente en obtener un espectro de absorción de fondo del cual no existe penacho. Al comprender la etapa de comparación del espectro de absorción del penacho y el espectro de absorción de fondo, se cuantifican los hidrocarburos no metánicos (NMHC, por sus siglas en inglés) del penacho. En otro aspecto, la invención se refiere a un dispositivo para cuantificar los componentes de un penacho tal como se define en la reivindicación 8 adjunta. El espesor l del penacho corresponde a una altura de la parte trasera del vehículo que emite el penacho. La masa total por distancia del penacho satisface la siguiente relación:

N

d T o ta l ~ W í ' X i

donde xi es una masa óptica en cada haz de luz que pasa a través del penacho.

En una realización, el procesador está configurado para realizar la función consistente en obtener un espectro de absorción del penacho. Al comparar el espectro de absorción del penacho y un espectro de absorción de fondo del cual no existe penacho, se pueden cuantificar los hidrocarburos no metánicos (NMHC) del penacho.

En una realización, el dispositivo también tiene una óptica de posicionamiento para dirigir el haz de luz por barrido a través del penacho hacia la superficie sobre la que se dispersa el haz de luz. En una realización, la óptica de posicionamiento comprende un galvanómetro.

En una realización, la fuente de luz comprende una o más fuentes de luz coherentes. La fuente de luz comprende un láser sintonizable.

Estos y otros aspectos de la invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción de la realización preferida tomada junto con los siguientes dibujos, aunque pueden efectuarse variaciones y modificaciones sin apartarse del alcance de la invención definido por las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos adjuntos ilustran una o más realizaciones preferidas de la invención y, junto con la descripción escrita, sirven para explicar los principios de la invención. Siempre que sea posible se utilizan los mismos números de referencia a lo largo de los dibujos para hacer referencia a elementos iguales o similares de una realización, en donde:

la Figura 1 ilustra esquemáticamente un método para cuantificar cantidades absolutas de componentes de un penacho muestreado con un número discreto de haces de luz paralela infinitesimalmente delgados y espaciados de modo uniforme;

la Figura 2 ilustra esquemáticamente un método para cuantificar cantidades absolutas de componentes de un penacho muestreado con rayos de un haz de luz según una realización de la invención;

la Figura 3 muestra esquemáticamente un vehículo y un penacho emitido por el mismo;

la Figura 4 muestra los espectros de absorción de metano e hidrocarburos no metánicos en un penacho emitido por un vehículo;

la Figura 5 muestra esquemáticamente un dispositivo para escanear un láser a través de la calzada según una forma de realización de la invención; y

la Figura 6 muestra esquemáticamente un dispositivo convencional para la detección remota de emisiones de vehículos.

Descripción detallada de la invención

La invención se describe más particularmente en los siguientes ejemplos, que pretenden ser únicamente ilustrativos ya que para los expertos en la técnica serán evidentes numerosas modificaciones y variaciones. A continuación se describen en detalle diversas realizaciones de la invención. Con referencia a los dibujos, los números similares indican componentes similares en todas las vistas. Tal como se utiliza en la descripción de la presente memoria y en las reivindicaciones que siguen, el significado de "un", "una", "el" y “la” incluye una referencia en plural a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Además, a continuación se definen más específicamente algunos términos utilizados en esta memoria descriptiva.

Los términos usados en esta memoria descriptiva generalmente tienen sus significados comunes en la técnica, dentro del contexto de la invención y en el contexto específico en el que se usa cada término. A continuación se analizan determinados términos que se utilizan para describir la invención, o en otra parte de la memoria descriptiva, para proporcionar orientación adicional al profesional con respecto a la descripción de la invención. El uso de ejemplos en cualquier parte de esta memoria descriptiva, incluidos ejemplos de cualquier término analizado en la presente memoria, es solo ilustrativo y de ninguna manera limita el alcance y el significado de la invención o de cualquier término ejemplificado. Asimismo, la invención no se limita a diversas realizaciones indicadas en esta memoria descriptiva. El alcance de la invención está limitado y definido por las reivindicaciones adjuntas.

Tal como se utilizan en la presente memoria, "alrededor de", sustancialmente o "aproximadamente" generalmente significarán dentro del 20 por ciento, preferiblemente dentro del 10 por ciento, y más preferiblemente dentro del 5 por ciento de un valor o intervalo dado. Las cantidades numéricas indicada en la presente memoria son aproximadas, lo que significa que las expresiones "alrededor de", "más o menos", sustancialmente o "aproximadamente" se puede inferir si no se indican expresamente.

Tal como se utiliza en la presente memoria, el término "LIDAR" es un acrónimo o abreviatura de "detección y alcance de la luz", y es una tecnología de detección remota óptica que mide las propiedades de la luz dispersa para encontrar el alcance y/u otra información de un objetivo distante. El sistema LIDAR de absorción diferencial (DIAL) es una técnica comúnmente utilizada para medir la abundancia de gases en columnas en la atmósfera.

Tal como se utiliza en la presente memoria, el término "EDAR" es un acrónimo o abreviatura de "detección e informe de emisiones", y es una tecnología de detección de emisiones que mide las propiedades de las emisiones para encontrar el alcance y/u otra información de una emisión distante.

Tal como se utiliza en la presente memoria, la expresión "masa óptica" es una medida del número total de moléculas absorbentes por unidad de área que se producen a lo largo de la dirección de propagación de la radiación en una muestra de gas.

Tal como se utilizan en la presente memoria, las expresiones "que comprende", "que incluye", "que tiene", "que contiene", "que implica" y similares deben entenderse como abiertos, es decir, que significan que incluye pero no se limita a.

La descripción se llevará a cabo en relación con las realizaciones de la invención junto con los dibujos adjuntos en las Figuras 1-5. De acuerdo con los propósitos de esta invención, como se incorpora y se describe en líneas generales en la presente memoria, esta invención, en una realización, se refiere a un método y un sistema que utiliza la tecnología EDAR para detectar las emisiones de un vehículo, así como la cantidad de contaminantes emitidos por el vehículo.

Con el sistema EDAR, el haz de luz emitido por una fuente se dirige hacia abajo, pasando a través del penacho de escape, hacia la superficie de un carril de tráfico de una carretera por la que circula el vehículo. La luz transmitida se dispersa luego en la superficie del carril de tráfico. El sistema EDAR recoge la luz dispersa de la superficie del carril de tráfico para que la reciba el detector. Debido a la geometría de la configuración de detección remota, el sistema EDAR siempre está orientado hacia abajo sobre todo el penacho. Esto permite que el sistema EDAR detecte de forma remota todo el penacho a la vez. Además, la masa óptica de cada medición a través del penacho se puede utilizar para calcular valores absolutos. En una realización, la altura de la parte trasera del vehículo se mide como la parte superior del penacho para calcular la masa total por distancia del penacho. En otra realización, mediante la comparación del espectro de absorción del penacho y el espectro de absorción de fondo del cual no existe penacho, se pueden cuantificar los hidrocarburos distintos no metánicos (NMHC) del penacho emitido por un vehículo.

Calcular el valor absoluto de un penacho a partir de la masa óptica en una columna (o cilindro) de gas es sencillo, ya que es la producción de la masa óptica multiplicada por el área de la columna perpendicular a la dirección del haz. Por ejemplo, si la masa óptica está en unidades de moléculas/cm2, y el área perpendicular a una columna circular es pr2 cm2. Por lo tanto, la cantidad de moléculas y la columna es solo una masa óptica multiplicada por pr2.

Como se muestra en la Figura 1, si se muestrea un penacho 110 con un número discreto de haces infinitesimalmente delgados y espaciados de modo uniforme de luz paralela 121, la masa por distancia, d, asociada con un haz se estima tomando su masa óptica medida, x, y multiplicándola por la distancia entre haces, w,

d=W -X , (1)

x = C- — -l. (2)

V

Después se determina la masa total por distancia del penacho combinando cada valor de d como suma de Reimann:

Sin embargo, en el sistema EDAR, escanea la carretera desde un punto por encima de la carretera. Esto, a su vez, crea una geometría de tipo cono de un haz de luz, como se muestra en la Figura 2. Calcular los valores absolutos del penacho usando conos en lugar de columnas (cilindros) puede volverse problemático porque el área perpendicular a la propagación del haz es diferente dependiendo de dónde se encuentre en el cono. Sería más fácil si se conociera la parte superior del penacho 110. Entonces se podría encontrar el área perpendicular media del cono. El área media se elegiría en ese punto y se podría calcular el valor absoluto. De acuerdo con la invención se elige un área media en algún lugar en el medio del penacho 110.

Como se muestra en la Figura 2, el mismo penacho 110 se muestrea con rayos de luz 125 procedentes de un foco (fuente de luz) 101. Un valor efectivo del espaciado del haz o la anchura del área de la sección transversal w está adaptado para multiplicar la masa óptica medida x, para obtener la masa por distancia del penacho 110 que debe ser la misma que, como se expresa en la ecuación (1), en el haz de luz paralelo que se muestra en la Figura 1.

En la realización ejemplar que se muestra en la Figura 2, la masa por distancia d para el penacho 110, que es en su mayor parte uniforme a lo largo de la longitud l del recorrido, se obtiene multiplicando la densidad del gas por el área (restando sectores de un círculo) entre los rayos 125 que está ocupada por el penacho 110.

d = w- x = C-- - 0 - { r í f - —8 - r 2 (3)

V 2 K 2

La inserción de la masa óptica x de la ecuación (2) en la ecuación (3) da como resultado las siguientes relaciones:

y

1

w = — e-(2r l)

2 (4)

En consecuencia, la anchura efectiva w es la anchura entre los rayos 125 a una distancia del foco 101 a la mitad de la distancia entre las extensiones del penacho 110.

Como ejemplo, suponiendo que

9 = 0,68 mrad,

r = 4,2672 m (14 pies),

t = 10,16 cm (4 pulgadas),

entonces

w = 0,29464 cm (0,116 pulgadas),

si r = 3,9624 m (13 pies), w = 2,7432 mm (0,108 pulgadas), Aw = -7 %,

si r = 4,572 m (15 pies), w = 3,1242 mm (0,123 pulgadas), Aw = 7 %,

, r A r - r A r

Aw = ---------------= ------r r

Por lo tanto, para minimizar el error, la fuente 101 de luz debe estar sustancialmente lejos del penacho 110.

Además, el aire que fluye sobre un vehículo 190 crea un vórtice 180 detrás del vehículo 190, como se muestra en la Figura 3. Este vórtice 180 mezcla el penacho 110 de escape. Se sabe que la parte superior del penacho 110 no puede ser mucho más alta que la parte superior del maletero o el techo del vehículo, justo cuando pasa el vehículo 190. Según una realización de la invención, la altura de la parte trasera del vehículo 180 se utiliza como una aproximación de la distancia l desde la superficie de la carretera 108 hasta la parte superior del penacho 110.

En un aspecto, la invención se refiere a un método para cuantificar los componentes de un penacho tal como se define en la reivindicación 1 adjunta.

En una realización, el espesor l del penacho corresponde a una altura de la parte trasera del vehículo que emite el penacho. La masa total por distancia del penacho satisface la siguiente relación:

N

¿ T o ta l = Y J W r X >

donde x¡ es una masa óptica en cada haz de luz que pasa a través del penacho.

En una realización, la etapa consistente en dirigir un haz de luz por barrido desde una fuente de luz se lleva a cabo con un galvanómetro.

Además, si se conoce el valor absoluto de una franja del penacho perpendicular a la dirección de desplazamiento, se puede suponer que las cantidades absolutas de las moléculas objetivo estuvieron una vez en el tubo de escape al mismo tiempo. Entonces se puede usar la ecuación de gas ideal con la temperatura ambiente (o la temperatura aproximada del tubo de escape) y la presión para calcular la densidad y, por lo tanto, el número de moléculas por unidad de volumen del aire. Las cantidades absolutas podrían usarse para calcular las concentraciones del tubo de escape utilizando un tubo de escape típico de 5,08 cm (2 pulgadas) de diámetro. Por lo tanto, las concentraciones del tubo de escape podrían calcularse sin usar ecuaciones estequiométricas, que son empleadas por dispositivos de detección remota convencionales para rastrear las concentraciones del tubo de escape.

Dado que ya existe una gran cantidad de metano en la atmósfera terrestre y que las concentraciones naturales pueden ser elevadas en determinadas áreas, es importante separar el metano de los demás hidrocarburos que salen del penacho de escape de un vehículo. En un aspecto, la invención proporciona un método para calcular los hidrocarburos no metánicos en un penacho emitido por un vehículo resolviendo las líneas de metano en la parte superior de las características generales de los hidrocarburos más pesados en los espectros de absorción del penacho.

Lo que hace que la detección remota con láseres sea tan sensible es que la anchura de línea estrecha de una línea láser es capaz de diseminar líneas individuales de una transición de rotación y vibración molecular. La diferencia de energía entre dos transiciones de rotación adyacentes es proporcional al inverso del momento de inercia de la molécula a través del eje de rotación. Por lo tanto, cuanto menor sea el momento de inercia alrededor del eje de rotación, mayor será la separación entre las líneas de rotación.

En una realización, la luz dispersa adquirida se procesa en términos de un espectro de absorción del penacho. Además, el método también puede incluir la etapa consistente en obtener un espectro de absorción de fondo del cual no existe penacho. Al comprender la etapa de comparación del espectro de absorción del penacho y el espectro de absorción de fondo, se cuantifican los hidrocarburos no metánicos (NMHC) del penacho.

La Figura 4 es el espectro de absorción de un penacho emitido por un vehículo, que ilustra la diferencia entre las moléculas de hidrocarburos ligeros, como el metano, y las moléculas de hidrocarburos pesados, como el heptano. Las líneas estrechas 420 de metano se asientan sobre la característica 430 de absorción amplia de la molécula de hidrocarburos más pesados. La característica 430 de absorción amplia se puede utilizar como referencia para la absorción de metano sin pérdida de precisión. Solo si la molécula más pesada tiene una característica nítida contribuiría a la absorción de la línea de metano. Esto sería físicamente imposible porque el momento de inercia alrededor de cualquier eje de la molécula pesada es grande y, por lo tanto, las líneas de rotación estarían tan juntas que serían irresolubles sin importar la resolución de un instrumento. En consecuencia, un aspecto de la invención se refiere a un método que utiliza el hecho de la física molecular para cuantificar hidrocarburos no metánicos (NMHC). En una realización, el método incluye las siguientes etapas: en primer lugar, la señal de fondo se mide durante períodos sin tráfico. Esto da como resultado una absorción 410 sin aportes de moléculas de hidrocarburos pesados, lo que corresponde al espectro de absorción del metano que existe en la atmósfera terrestre y en concentraciones naturales.

Después se mide la señal 450 de absorción de un penacho de escape emitido por un vehículo cuando pasa el vehículo. A continuación, la señal 410 sin tráfico y la señal 450 de un penacho de escape se comparan para cuantificar los NMHC que existen en el penacho de escape emitido por el vehículo. Como se muestra en la Figura 4, la línea 410 de metano se mide para cuantificar los NMHC del penacho de escape. En las mediciones de los espectros 410 y 450 de absorción, un láser barre un cruce de la carretera por la que circula el vehículo, a aproximadamente 20 Hz, después se muestrea el gas de escape escaneando la longitud de onda del láser a 20 KHz. En una realización, a medida que el láser barre, emana desde un punto en el espejo del galvanómetro, creando así la parte superior de un cono. El galvanómetro recoge la luz dispersa y la dirige hacia el espejo de recogida. Las moléculas de hidrocarburo más ligeras que provienen de los escapes de los vehículos incluyen etano, etileno y acetileno. Las características nítidas de estas moléculas se pueden medir por separado o de forma aproximada. El método anterior es esencialmente el mismo método utilizado con filtros de ancho de banda estrecho, tal como se describe en la Solicitud de Patente número 12/883,621, publicada como US 2011/0038507 A1.

Con referencia a la Figura 5, en ella se muestra un dispositivo 100 para cuantificar hidrocarburos no metánicos en un penacho de escape según una realización de la invención. El dispositivo 100 incluye fuentes de luz coherentes o láseres 103, o un láser sintonizable, y un detector 112 de un solo elemento. Una o más fuentes 103 de luz coherentes que emiten en diferentes longitudes de onda seleccionadas son moduladas en el tiempo en el controlador de señal láser y el controlador TEC 102 por un controlador 101'. En el caso de los láseres de diodo sintonizables, las longitudes de onda se pueden seleccionar ajustando la temperatura de cada láser 103 con un dispositivo 104 de enfriamiento correspondiente. En una realización, las fuentes 103 de luz coherentes son los láseres de onda continua DFB que escanean un rango pequeño de longitudes de onda normalmente a 20 KHz. Por lo tanto, se realiza una medición cada 1/1000 de un barrido. El dispositivo 104 de enfriamiento es el TEC para enfriar los láseres 103. Los haces de luz modulados en el tiempo resultantes se combinan con divisores de haz y/o espejos 105, y se envían a través de la óptica 107 de posicionamiento. En una realización, la óptica 107 de posicionamiento es un galvanómetro con un espejo en la parte superior que barre la carretera 108 normalmente a 20 Hz. El galvanómetro también está adaptado para recoger la luz dispersa y la dirige hacia el espejo colector 111. El haz 106 de luz posicionado pasa a través de un penacho gaseoso 110, reflejándose en algún material 109 sustancialmente reflectante. El haz 106 de luz reflejado pasa a través de la óptica 111 de detección y se enfoca en un detector optoelectrónico 112. La señal eléctrica del detector 112 pasa a un amplificador 113 de bajo ruido. Tanto el detector 112 como el amplificador 113 se pueden disponer en un mecanismo 114 de enfriamiento para aumentar la sensibilidad y la estabilidad de la detección. La señal resultante pasa después a un convertidor 116 de analógico a digital. Finalmente, la medición es digitalizada y procesada por el controlador 101'. Los resultados pueden mostrarse o registrarse localmente, así como transmitirse a una ubicación remota mediante algún mecanismo 117 de comunicación.

El controlador 101' puede ser un dispositivo informático, como un ordenador integrado, junto con una electrónica digital de aplicación específica, como una Matriz de Puertas Programables in Situ (FPGA, por sus siglas en inglés).

Las fuentes coherentes 103 generalmente se enfrían mediante un mecanismo 104 de enfriamiento. El mecanismo 104 de enfriamiento suele ser un enfriador termoeléctrico junto con un dispositivo de medición de temperatura como un termistor, que permite que la temperatura de la fuente 103 se controle electrónicamente con precisión con un sistema de control de retroalimentación, por ejemplo. Ajustar la temperatura permite sintonizar algunos láseres para la longitud de onda. Controlar la temperatura tiene el beneficio adicional de evitar la deriva de temperatura, que puede modular inadvertidamente la fuente 103. Si la fuente 103 es sustancialmente estable en una longitud de onda deseada, el mecanismo 104 de enfriamiento puede omitirse, lo que simplifica el diseño y reduce su costo.

Dado que las longitudes de onda de los láseres sintonizables se pueden barrer sobre muchos picos de absorción, el controlador 101' puede elegir un pico, lo que maximiza la relación señal/ruido. Por lo general, será una longitud de onda con la absorción más grande y la sensibilidad a la temperatura más baja para el gas medido sin coincidir con ningún otro gas presente. Además, el sistema puede elegir una longitud de onda diferente en caso de que detecte algún tipo de interferencia en la longitud de onda existente.

La potencia de salida de cada fuente coherente 103 también se puede regular. Esto se puede llevar a cabo con un sistema de retroalimentación de corriente o un sistema de retroalimentación de fotodiodo o una combinación de los dos.

Las fuentes pueden ser moduladas por estimulación eléctrica directa 102 o mecánicamente utilizando un obturador controlado eléctricamente tal como una rueda de paletas o un obturador de cristal líquido. Un método para modular la fuente 103 de luz en el dominio del tiempo consiste en usar una forma de onda de frecuencia constante tal como una onda sinusoidal o una onda cuadrada así como otros patrones ortogonales más complejos. También son posibles otras técnicas de modulación en el dominio del tiempo, como cambiar la fase entre dos fuentes en 90 grados.

La modulación en el tiempo de las fuentes de luz coherentes permite que el sistema ignore las señales de fondo o el ruido al seleccionar una modulación que evita las fuentes de luz externas. Esto no solo incluye cualquier fuente de luz ambiental, sino también cualquier luz emitida por el propio penacho gaseoso caliente. La transmisión de luz a través de un penacho se puede medir de forma consistente independientemente de la temperatura del penacho. La modulación en el tiempo también permite el uso de un solo detector 112 situando cada señal de luz en su propia banda de frecuencia, que se puede separar electrónicamente mediante un mecanismo 115 de demodulación. Esto reduce la complejidad física del diseño y sustituye materiales de detección de luz exóticos de alto costo por electrónica de demodulación o computación digital de bajo costo. Además, la modulación de tiempo aumenta la sensibilidad del detector 112 al operar en una banda en la que el ruido 1/f es más bajo.

Si las fuentes 103 de luz coherentes no se modulan por separado en el dominio del tiempo, se pueden usar otros medios para detectar cada fuente. Por ejemplo, el sistema puede usar múltiples detectores, cada uno sintonizado a una longitud de onda óptica específica, uno para cada fuente coherente. Un método consiste en usar un filtro óptico junto con cada detector o incluso usar el ancho de banda natural del detector para discriminar cada fuente de luz. Otro método consiste en cambiar la polarización de cada fuente y usar detectores junto con filtros de polarización.

La función del combinador óptico 105 consiste en formar los haces coherentes separados de las fuentes 103 en un solo haz 106 de luz. El combinador óptico 105 puede ser un conjunto fusionado de fibras ópticas o un divisor de haz inverso, por ejemplo. El combinador óptico se puede eliminar si solo se desea una longitud de onda de medición o si las fuentes ya están en un solo haz o si se usan detectores 112 separados para cada fuente 103.

Normalmente, la óptica 107 de posicionamiento consiste en un espejo giratorio u oscilante conectado a un motor de velocidad controlada, como un galvanómetro. La frecuencia del escaneo determina la rapidez con la que se escanea el haz de luz sobre un área de interés. Además, la amplitud de un espejo oscilante determina el campo de visión. Además, el galvanómetro está sincronizado inherentemente con los circuitos de detección. El escaneo puede ser una sola línea o una serie de líneas en algún patrón, que se puede usar para detectar de forma remota las propiedades del penacho gaseoso de interés. Explorando el haz 106 de luz, se puede determinar la posición del penacho gaseoso 110. Dado que se controla la velocidad del aparato 107 de escaneo, el dispositivo 101' de control puede correlacionar la medición del detector 112 con la posición del haz 106.

El reflector 109 puede estar hecho de diversos materiales. Se puede usar, por ejemplo, cinta o pintura retrorreflectante. Alternativamente, en la calzada se puede disponer una serie de cubos de esquina con espejo. Otros aspectos sobre la elección del material implican si la instalación es temporal o permanente. El reflector adicional 109 se puede omitir si la calzada 108 u otra característica de fondo preexistente es sustancialmente reflectante, de modo que se logre una relación señal-ruido adecuada con el penacho 110 de interés. La superficie reflectante 109 se puede omitir por completo si la fuente y el detector se separan de modo que el penacho 110 quede entre los dos. Esto requiere dos controladores 101' separados y posiblemente un bucle de bloqueo de fase u otros medios para sincronizar los dos dispositivos.

Dado que la superficie reflectante 109 está en una calzada 108 o en alguna otra área no controlada debido al desgaste ambiental, es razonable suponer que el reflejo no será uniforme sobre el área de la superficie. Dado que esta invención divide la región medida en haces 106 sustancialmente pequeños, la reflexión sobre cualquier haz 106 será mayormente constante. Además, dado que las mediciones se pueden realizar en relación con una medición de referencia, las fuentes constantes de atenuación se dividirán fuera de los cálculos.

Dado que esta realización utiliza una superficie reflectante externa 109, tanto las fuentes moduladas 103 como el detector 112 pueden estar físicamente juntos 118 y controlados por un único controlador 101'.

Una ventaja de este esquema consiste en que, dado que las fuentes moduladas y el detector pueden controlarse centralmente, las fuentes moduladas pueden sincronizarse con la electrónica del detector. Esto elimina la necesidad de un bucle de bloqueo de fase u otro mecanismo de sincronización en la electrónica del detector.

La sección de detección de esta realización incluye una óptica 111 de enfoque, así como un detector electro-óptico 112 conectado a un amplificador 113 de bajo ruido. La óptica 111 de enfoque permite que la realización tome imágenes de un área grande, preferiblemente lo suficientemente grande como para ver todo el penacho 110 de interés. El detector 112 puede ser un fotodiodo semiconductor o una termopila o cualquier dispositivo de detección sensible. El detector está hecho de un material que puede detectar luz en las longitudes de onda deseadas. El amplificador 113 de bajo ruido puede consistir en cualquier electrónica de procesamiento de señales analógicas adecuada capaz de extraer adecuadamente la señal de interés del detector 112.

Convencionalmente se utilizan fuentes de luz paralelas para medir penachos gaseosos, lo que resulta desventajoso porque requiere que el sistema de medición sea tan grande como el propio penacho. Esto puede ser poco práctico si el penacho es muy grande, como el de una chimenea. Esta realización de la invención utiliza luz enfocada que permite que todo el sistema 118 sea sustancialmente más pequeño que el propio penacho 110 o la región de interés y encaje en un espacio compacto y práctico. Esto hace que el dispositivo sea potencialmente discreto y portátil.

El detector optoelectrónico 112, así como el amplificador 113 de bajo ruido, pueden enfriarse 114 para aumentar la sensibilidad de la detección. El control de la temperatura tiene el beneficio adicional de hacer que el detector 112 sea más estable, eliminando la deriva no deseada en la señal medida. Son posibles varias técnicas de enfriamiento, incluyendo enfriadores termoeléctricos, un matraz Dewar que contiene algún líquido criogénico o un motor Stirling. Si el elemento detector 112 existente y el amplificador 113 de bajo ruido son sustancialmente lo suficientemente sensibles, el mecanismo 114 de enfriamiento puede omitirse por completo ahorrando costos y simplificando el diseño.

Si bien es deseable usar un solo detector 112 de banda ancha para que el sistema sea simple, se puede usar una serie de detectores de banda estrecha o de banda limitada si no hay ningún detector práctico con banda contigua que contenga todas las longitudes de onda de interés.

En resumen, la divulgación, entre otras cosas, menciona un dispositivo de detección remota que utiliza la tecnología EDAR. Las reivindicaciones independientes 1 y 8 definen el alcance más amplio de la invención. El haz de luz emitido por una fuente se dirige hacia abajo, transmitiéndose a través del penacho de escape, hacia la superficie de un carril de tráfico de una carretera por la que circula el vehículo. La luz transmitida se dispersa luego en la superficie del carril de tráfico. Se utiliza una óptica colectora para recoger la luz dispersa de la superficie del carril de tráfico. La luz recogida se suministra al detector para analizar los componentes y proporcionar una cantidad del componente determinado del penacho de escape. En una realización, la altura de la parte trasera del vehículo se mide como la parte superior del penacho para calcular la masa total por distancia del penacho. En otra realización, mediante la comparación del espectro de absorción del penacho y el espectro de absorción de fondo del cual no existe penacho, se pueden cuantificar los hidrocarburos no metánicos (NMHC) del penacho emitido por un vehículo.

La descripción anterior de las realizaciones ejemplares de la invención se ha presentado únicamente con fines ilustrativos y descriptivos y no pretende ser exhaustiva ni limitar la invención a las formas precisas descritas. Dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas son posibles muchas modificaciones y variaciones a la luz de la enseñanza anterior.

Las realizaciones se eligieron y describieron para explicar los principios de la invención y su aplicación práctica para animar a otros expertos en la técnica a utilizar la invención y diversas realizaciones y con diversas modificaciones según convenga al uso particular contemplado. Las realizaciones alternativas serán evidentes para los expertos en la técnica a la que pertenece la invención sin apartarse del alcance definido por las reivindicaciones. En consecuencia, el alcance de la invención está definido por las reivindicaciones adjuntas en lugar de por la descripción anterior y los ejemplos de realización descritos en ella.

Claims (16)

REIVINDICACIONES

1. Un método para cuantificar los componentes de un penacho (110) emitido por un vehículo (190), teniendo dicho penacho (110) una parte superior, que comprende las etapas de:

(a) dirigir un haz (125, 106) de luz por barrido desde una fuente (101, 103) de luz a través del penacho hacia una superficie (108) de la carretera sobre la que se dispersa el haz (125, 106) de luz;

(b) adquirir la luz dispersa dispersada desde la superficie (108) de la carretera; y

(c) procesar la luz dispersa adquirida para determinar una cantidad de componentes del penacho (110); caracterizado por que

la dirección de un haz (125, 106) de luz por barrido desde la fuente (101, 103) de luz es desde un punto por encima de la superficie (108) de la carretera y crea una geometría de tipo cono de un haz (125, 106) de luz, en donde el volumen de un cono de la geometría de tipo cono de un haz (125, 106) de luz está definido por dicho punto y un área que tiene una anchura w perpendicular a la propagación del haz (125, 106) de luz a una distancia de dicho punto, y por que la etapa de procesamiento para determinar una cantidad de componentes del penacho (110) comprende la etapa de calcular una anchura efectiva, w/, de cada haz (125, 106) de luz por barrido, en donde la anchura efectiva w satisface la siguiente relación:

en donde 9¡ es un ángulo del haz (125, 106) de luz en relación con una dirección perpendicular a la superficie (108) de la carretera, r¡ es una distancia entre la fuente (101) de luz y la parte superior del penacho (110), y l es un espesor del penacho (110).

2. El método de la reivindicación 1, en donde el espesor l del penacho (110) corresponde a una altura de la parte trasera del vehículo (190) que emite el penacho (110).

3. El método de la reivindicación 2, en donde la masa total por distancia del penacho (110) satisface la siguiente relación:

en donde x/ es una masa óptica en cada haz (125, 106) de luz que pasa a través del penacho (110).

4. El método de la reivindicación 1, en donde la etapa consistente en dirigir un haz (125, 106) de luz por barrido desde la fuente (101) de luz se realiza con un galvanómetro (107).

5. El método de la reivindicación 1, en donde la luz dispersa adquirida se procesa en términos de un espectro de absorción del penacho (110).

6. El método de la reivindicación 5, que comprende además la etapa consistente en obtener un espectro de absorción de fondo del cual no existe penacho (110).

7. El método de la reivindicación 6, que comprende además la etapa consistente en comparar el espectro de absorción del penacho (110) y el espectro de absorción de fondo para cuantificar los hidrocarburos no metánicos, NMHC, de un penacho (110).

8. Un dispositivo para cuantificar los componentes de un penacho (110) emitido por un vehículo (190), teniendo dicho penacho (110) una parte superior, que comprende:

(a) una fuente (101, 103) de luz para emitir un haz (106) de luz por barrido a través del penacho (110) hacia una superficie (108) de la carretera sobre la que se dispersa la luz;

(b) un detector (112) para adquirir la luz dispersa dispersada desde la superficie (108) de la carretera; y (c) un procesador (101') para procesar la luz dispersa adquirida para determinar una cantidad de componentes del penacho (110);

caracterizado por que

la fuente (101,103) de luz está dispuesta para emitir un haz de luz (125, 106) por barrido desde un punto por encima de la superficie (108) de la carretera y de tal manera que crea una geometría de tipo cono de un haz (125, 106) de luz, en donde el volumen de un cono de la geometría de tipo cono de un haz (125, 106) de luz está definido por dicho punto y un área que tiene una anchura w perpendicular a la propagación del haz (125, 106) de luz a una distancia de dicho punto,

y por que, para determinar una cantidad de componentes del penacho (110), el procesador (101') está configurado para realizar la función consistente en calcular una anchura efectiva, w¡, de cada haz de luz (125, 106) por barrido,

en donde la anchura efectiva wi satisface la siguiente relación:

en donde 9¡ es un ángulo del haz (125, 106) de luz en relación con una dirección perpendicular a la superficie (108) de la carretera, n es una distancia entre la fuente (101,103) de luz y la parte superior del penacho (110), y l es un espesor del penacho (110).

9. El dispositivo de la reivindicación 8, en donde el grosor l del penacho (110) corresponde a una altura de la parte trasera del vehículo (109) que emite el penacho (110).

10. El dispositivo de la reivindicación 9, en donde la masa total por distancia del penacho (110) satisface la siguiente relación:

en donde x/ es una masa óptica en cada haz (125, 106) de luz que pasa a través del penacho (110).

11. El dispositivo de la reivindicación 8, en donde el procesador (101') está configurado para realizar la función consistente en obtener un espectro de absorción del penacho (110).

12. El dispositivo de la reivindicación 11, en donde el procesador (101') está configurado para realizar la función consistente en comparar el espectro de absorción del penacho (110) y un espectro de absorción de fondo del cual no existe penacho (110), para cuantificar hidrocarburos no metánicos, NMHC, de un penacho (110).

13. El dispositivo de la reivindicación 8, que comprende además una óptica (107) de posicionamiento para dirigir el haz (125, 106) de luz por barrido a través del penacho (110) hacia la superficie (109) de la carretera sobre la que se dispersa el haz (125, 106) de luz.

14. El dispositivo de la reivindicación 13, en donde la óptica (107) de posicionamiento comprende un galvanómetro.

15. El dispositivo de la reivindicación 8, en donde la fuente (101, 103) de luz comprende una o más fuentes de luz coherentes.

16. El dispositivo de la reivindicación 15, en donde la fuente (101, 103) de luz comprende un láser sintonizable.