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Calibración experimental de un radiómetro en el rango NIR utilizando un BlackBody (LandCal
(Universidad de Concepción, 2014) Bello Reinoso, Pablo Andrés; Arias Parada, Luis Emiliano
Trabajo de memoria de t tulo consistente en realizar la calibraci on experimental de un radi ometro (NIR 512 Ocean Optics) en el Rango NIR Utilizando un BlackBody (LandCal). En este caso la calibraci on corresponde a asignar variables radi ometricas a la salida cruda del instrumento (cuentas digitales). Adem as considerando lo anterior se proceder a a obtener el modelo del espectro calibrado del equipo, mediante el uso de un vector de calibraci on el cual relacionar a la salida del equipo con la realidad f sica observada Los objetivos de este trabajo ser an alcanzados con equipamiento disponible en SP&R (radi ometro, lentes colimadores, bra optica, mes on de trabajo). Adem as se utiliza un black body LandCal, dispuesto por mi empleador para dicho objetivo. Para obtener el modelo del equipo se realizan mediciones experimentales en laboratorio. El black body como fuente de radiaci on conocido ser a el encargado de entregar diversas muestras a diferentes longitudes de onda dentro del rango de operaci on del radi ometro. Estas muestras ser an almacendas para su posterior procesamiento, con el objetivo de encontrar el vector de calibraci on para el equipo en cuesti on. Como resultado principal se obtiene el vector de calibraci on del equipo. Los resultados obtenidos en el desarrollo de este trabajo puedr an ser utilizados para evaluar el estado actual del equipo en lo que re ere a la precisi on de sus mediciones. Adem as permite realizar cuadros de comparaci on hist oricos del equipo con los que ser a posible analizar la evoluci on en el tiempo del comportamiento del equipo.
Concepto del circuito IF para los receptores heterodinos de primera luz del radiotelescopio LCT.
(Universidad de Concepción, 2022) Escalona Fica, Camilo Alejandro; Reeves Díaz, Rodrigo Andrés; Sobarzo Guzmán, Sergio Kendrick; Arias Parada, Luis Emiliano
Este trabajo presenta el estudio de una de las opciones a utilizar para el desarrollo del diseño del circuito IF del proyecto LCT. Dicha opción corresponde al sub muestreo de señales mediante el concepto de zonas de Nyquist y como esto afecta al diseño de un circuito IF que por entrada tiene dos señales en la banda de 0-10[GHz] y por salida debe cumplir con ocho señales en diferentes bandas de 2.5[GHz] de ancho de banda para ser muestreadas cada una a una tasa de 5[GSPS]. Para el desarrollo del proyecto se realiza el estudio del diseño actual del procesador IF y se exponen las razones por las cuales los nuevos requerimientos establecidos para el proyecto no son superados por el circuito actual. Luego de esto se realiza un análisis acerca de las características que debe tener el nuevo procesador IF para cumplir con dichos requerimientos y cuáles son las opciones disponibles para establecer un diseño conceptual que cumpla con la función de acondicionamiento de las señales de entrada de forma correcta. Como se mencionó, también se lleva a cabo un estudio del concepto de zonas de Nyquist y como este se aplica a este proyecto en específico, además de una actividad experimental que tiene por objetivo la obtención y análisis de resultados reales a partir de la digitalización de señales análogas bajo esta configuración. Finalmente, en base a este concepto se propone un diseño conceptual del procesador IF en base a etapas de amplificación, división y filtrado de señales y se verifica su funcionamiento mediante simulación.
Correlación de eficiencia cuántica de emisión y absorción para el análisis de celdas solares de silicio a través de imágenes en la banda del infrarrojo cercano.
(Universidad de Concepción, 2023) Jara Olave, Valentina Fernanda; Arias Parada, Luis Emiliano
En la actualidad hablar de eficiencia en paneles solares es bastante común, debido a que estos pueden presentar anomalías con facilidad, las cuales hasta el momento se detectan mediante el rendimiento de corriente en respuesta a la luz absorbida. Este método es bastante ineficiente debido a la gran cantidad de paneles solares que tiene una planta solar. Por lo tanto, esta memoria de título propone comprobar un método para analizar el estado de células solares de silicio mediante imágenes por electroluminiscencia. Estas imágenes serán comparadas con representaciones del estado del panel solar, las cuales se realizarán mediante la medición de salidas de voltaje, utilizando luces láser y luz halógena a diferentes potencias, las cuales serán las encargadas de excitar cada celda. De esta forma se comparan las zonas de menor eficiencia con las imágenes por Electroluminiscencia, para verificar que estas últimas reflejan las anomalías. Además, se presentarán patrones similares de emisión y absorción del panel, según la cantidad de corriente aplicada y luz absorbida. Por otro lado, en esta memoria de título se ejecutará el procedimiento mencionado en 2 paneles fotovoltaicos de silicio, uno de tipo comercial y otro construido exclusivamente para este trabajo, el cual no cuenta con recubrimiento de vidrio, con el fin de reducir la reflexión y minimizar el error del método. Finalmente, se podrá concluir que las imágenes en el infrarrojo cercano a través de electroluminiscencia son un buen método para establecer el estado de celdas solares, ya que representan fielmente las zonas con menor eficiencia de absorción mediante intensidades de electroluminiscencia bajas y zonas con alta eficiencia con electroluminiscencia de mayor intensidad.
Desarrollo de Espectrómetro de bajo costo mediante Arduino.
(Universidad de Concepción, 2023) Maban Ruíz, Gonzalo Andrés; Arias Parada, Luis Emiliano
La presente memoria de titulo tiene por finalidad mostrar que es posible la construcción de un Espectrómetro Óptico de bajo costo, a partir del uso de un Arduino UNO, un sensor de color TCS3472 y una aplicación desarrollada en MATLAB que realiza las técnicas de recuperación espectral para llama al quemar un material orgánico y en colores ya que esta es una herramienta básica, económica y de manipulación accesible para el usuario. También se debe precisar que si bien esta memoria mantiene el enfoque cuantitativo su desarrollo está centrado en aspectos propios de la experimentación, por lo que la metodología esta basada en el estudio del dispositivo, como la comprensión del funcionamiento del sensor, identificando los bits de cuantización, cantidad de canales de datos a recibir, la conexión con el computador y el formato de los datos recibidos además de una aplicación en MATLAB mediante la plataforma de guide. A partir de los resultados se puede observar que es factible el uso de este espectrómetro desarrollado para la recuperación de espectros de llama, debido a que los porcentajes de fiabilidad entregados por el GFC son muy cercanos al 100% y no es factible realizar la recuperación de espectro de color ya que el porcentaje de goodness-of-fit coefficient (GFC) es inferior al 90 %, lo cual se debe a que la cantidad de canales ópticos entregados por el sensor son 4 y la cantidad de canales mínimos para realizar recuperación espectral de colores es de 7 canales ópticos.
Desarrollo de modelo de colorimetría en el SWIR.
(Universidad de Concepción, 2024) Puentes Espinoza, Matías Ignacio; Arias Parada, Luis Emiliano
En el contexto del avance del desarrollo de imágenes en el espectro infrarrojo y la ciencia de la colorimetría, se identificó la oportunidad de aprovechar las propiedades del SWIR, a través de la colorimetría. En el presente informe para Memoria de Título “Desarrollo de modelo de colorimetría en el SWIR” se estudiaría a fondo la colorimetría, donde se buscará obtener un modelo para conseguir color en el SWIR, aprovechando de esta manera las características de este espectro, tales como visión en condiciones de neblina, visión del contenido de recipientes de algunos materiales, análisis del estado de agricultura, entre otros. Para abordar esta investigación, primero se estudiará de forma exhaustiva cada concepto de colorimetría, donde luego se montará un set-up óptico para obtener imágenes en el espectro estudiado. Con esto se realizarán diferentes experimentos, analizando y procesando estas imágenes. Como resultado, se logró desarrollar un modelo de colorimetría en el SWIR, lo que permitió reconstruir, a partir de imágenes monocromáticas en el SWIR, imágenes a color mediante Síntesis Aditiva de Color, obteniendo así propiedades destacadas de Colorimetría e Infrarrojo. Las imágenes obtenidas correspondieron a elementos cuya reflectancia en el SWIR difiere del rango VIS, cuyo color se obtuvo del diagrama de cromaticidad calculado para el sistema óptico diseñado. Lo expuesto en este trabajo y sus resultados muestran un avance metodológico en la evolución de la obtención de imágenes a color, a partir de imágenes en el infrarrojo.
Desarrollo de sistemas de adquisición multiespectral para el monitoreo y caracterización de procesos industriales.
(Universidad de Concepción, 2014) Toro Navarrete, Carlos Andrés; Arias Parada, Luis Emiliano
En esta tesis fueron diseñados y probados dos sistemas de adquisición multiespectral. El primero está basado en el escaneo del plano focal usando un filtro óptico de cristal líquido electrónicamente sintonizable junto con una cámara monocromática. Los resultados preliminares con este sistema lo descartan como herramienta de evaluación de procesos u objetos con comportamientos no estáticos o con dinámicas mayores a los 10(Hz). Para el desarrollo del segundo sistema se propuso un procedimiento basado en el uso de técnicas de reconstrucción espectral y adquisición de imágenes con cámaras a color. Con este procedimiento se lograron reconstruir imágenes espectrales con una resolución espectral aproximada de 0.4(nm). El segundo sistema fue aplicado al censado de llamas en bancos de ensayo de laboratorio. Se lograron reconstruir los perfiles de radiación continua por pixel y los mapas con la distribución de temperatura correspondiente. Los resultados mostraron ser comparables a otros encontrados en la literatura. Esto constituye un aporte al conocimiento en el campo de la combustión dada su versatilidad y relativo bajo costo de calibración e implementación.
Desarrollo de un sensor fotónico para la medición de temperatura de llamas en procesos de combustión, usando técnicas espectrales avanzadas
(Universidad de Concepción, 2012) López Avendaño, Jaime Eduardo; Arias Parada, Luis Emiliano
En esta memoria de título se explican los fundamentos, se entrega el diseño, la secuencia de la programación y la implementación para el funcionamiento de un sistema fotodetector para la medición de temperatura de llamas, el cual es hecho de manera no invasiva, con una etapa óptica para la separación de la luz y su capturación utilizando filtros en el azul, rojo y en todo el espectro visible, fotodiodos de silicio, un microcontrolador y una interfaz computacional para el despliegue de los datos obtenidos y su análisis. Para obtener la temperatura se utiliza el método two-wavelength method aplicado sobre el espectro recuperado mediante el álgoritmo lineal de recuperación espectral Maloney-Wandell, el que requiere una matriz de entrenamiento para su funcionamiento. Es posible ver todas las etapas de desarrollo del proyecto y en el que se obtiene un prototipo funcional con resultados satisfactorios, teniendo correlaciones de los espectros medidos superior al 0.99 y con un error en los valores de temperatura entre el 1,31% y el 7,63 %, al comparar las mediciones con un instrumento patrón.
Diseño de sistema hiperespectral para identificación de muestras geológicas.
(Universidad de Concepción, 2022) Valdebenito Gavilán, Nicolás Ignacio; Arias Parada, Luis Emiliano
Este trabajo tiene como finalidad entregar una herramienta útil y alternativa al uso de cámaras hiperespectrales para el análisis de muestras geológicas. Esta herramienta consiste en el uso conjunto de una cámara multiespectral y un método de reconstrucción espectral, a partir del cual se amplió la resolución espectral de ésta. El método consiste en la utilización de espectros de entrenamiento de alta resolución espectral, la spectral sensitivity de la cámara multiespectral y las respuestas ópticas de los canales de la cámara multiespectral frente a muestras geológicas. Los espectros de entrenamiento de alta resolución espectral se obtuvieron a partir de una imagen hiperespectral en la que fueron registradas muestras geológicas, estos espectros fueron sometidos al análisis de componentes principales (PCA) para reducir su dimensionalidad. La spectral sensitivity utilizada consiste en cuatro spectral sensitivities simuladas en el software Matlab. Las respuestas ópticas de los canales fueron estimadas a partir de los datos contenidos en la imagen hiperespectral y las spectral sensitivities simuladas. Una vez realizadas las reconstrucciones espectrales, se compararon los espectros reconstruidos obtenidos de cada simulación con los espectros originales mediante métricas GFC y RMSE, para así evaluar el rendimiento de las reconstrucciones de cada simulación. Se puso especial énfasis en la cuarta simulación, ya que esta se realizó a partir de la curva de spectral sensitivity de un sensor de InGaAs y curvas de transmitancia de filtros ópticos pasivos.
Estimación de eficiencia cuántica en celdas de silicio usando mecanismo de electroluminiscencia NIR.
(Universidad de Concepción, 2023) Ortega Villablanca, Catalina Fernanda; Arias Parada, Luis Emiliano
En este trabajo, se muestran los resultados obtenidos mediante la implementación de un set-up óptico, para estimar la eficiencia cuántica de las celdas solares de un panel fotovoltaico, primero se procedió a polarizar dicho panel fotovoltaico, en polarización directa, produciendo así una emisión espectral en la banda cercana a las 1100nm, con distintos niveles de corriente (entre 0.94 hasta 3[A]), y se procedió a medir esa emisión con un espectrofotómetro NIR512 (Oceanlnsight) y una cámara SWIR Acuros1920. Se realizó un análisis bibliográfico para tener un correcto conocimiento de los componentes a utilizar, teoría física que describe su comportamiento y principalmente para entender la importancia de lo que se intenta lograr en la realización de este proyecto. Como resultado se obtuvo el set-up óptico, con el cual se llevó a cabo las mediciones correspondientes a la emisión de radiación de los paneles fotovoltaicos y con ello se logró medir la potencia óptica emitida 1305235.254[uW] entregando diferentes voltajes de salida, dependiendo de la celda medida, por lo que se logró determinar la eficiencia cuántica, en unidades de medida de [Uw/mV].
Estimación de temperatura de llamas a hidrocarburos usando mediciones espectrales en el SWIR y Ley de Desplazamiento de Wien.
(Universidad de Concepción, 2022) Montalba Vásquez, Víctor Ignacio; Arias Parada, Luis Emiliano
En la presente memoria de título se desarrolla un método para estimar temperatura de una llama a hidrocarburos a través de su espectro de emisión en el rango del SWIR, 1050-2500 nm, utilizando la ley de desplazamiento de Wien. Esto, como un método alternativo y más confiable al método de dos longitudes de onda. El método se basó en que el peak de emisión de una llama a hidrocarburos sucede en el rango del SWIR por lo que, a través de la ley de desplazamiento de Wien que, relaciona la temperatura en la que se encuentra un cuerpo con la longitud de onda donde sucede su peak de emisión, es posible determinar la temperatura a la que se encuentra la llama. Para la adquisición de espectros se utilizó el spectrofotómetro ATP 8000 de Optosky y como target, la llama generada a gasóleo por el quemador de un sobrecalentador perteneciente al laboratorio de Termofluídos, de ingeniería mecánica. Los espectros adquiridos fueron calibrados y procesados para el posterior cálculo de temperatura con la aproximación de la curva adquirida con la curva de cuerpo negro con la métrica GFC a través de Matlab. Los resultados fueron comparados con espectros adquiridos en el visible con un espectrómetro flame de Ocean optics y posterior cálculo de temperatura con el método de dos longitudes de onda.
Estimación de temperatura, radiación local y global de diferentes flujos másicos de llama utilizando el método de recuperación espectral Maloney-Wandell.
(Universidad de Concepción, 2022) Castillo Rivera, Fernando Antonio; Arias Parada, Luis Emiliano; Garcés Hernández, Hugo Omar
Actualmente, se buscan nuevas técnicas de control y censado de combustión de llama para aumentar la eficiencia de este proceso y disminuir las emisiones contaminantes. Una de las técnicas que está siendo ampliamente utilizada en estos procesos, es la espectroscopia de llama, esta se usa ampliamente en el análisis de procesos de combustión industrial. Una llama emite energía sobre una amplia región espectral y sus espectros asociados contienen componentes continuos y discontinuos. En la literatura hay modelos, basados en la ley de Planck o de Wien, para representar el comportamiento espectral de la llama bajo diferentes parámetros de combustión; sin embargo, la naturaleza no lineal de estos modelos, sumada a la alta dimensión de los datos espectrales y la superposición entre las emisiones espectrales continuas y discontinuas, complican el análisis teórico de los procesos de combustión y hacen que sea necesarios métodos más complejos para obtener valiosa información para el control y la optimización de la llama. En esta tesis se analiza la emisión espectral de la llama emitida por el Gas licuado del petróleo (LPG) bajo distintos puntos de operación respecto de la relación aire/combustible de un mechero Bunsen. Para analizar la emisión espectral de la llama, utilizamos en primer lugar el método de recuperación espectral de Maloney-Wandell en imágenes de llama. De esta manera, obteniendo los espectros recuperados píxel por píxel, se procede a estimar distintos parámetros como la temperatura de llama (en K), radianza local (en µW/cm2 , localizada espacialmente) y radianza global (en µW/cm2 ). Para desarrollar el algoritmo de recuperación espectral de Maloney-Wandell fue necesaria la medición previa de la emisión espectral de la llama con el espectrofotómetro Thorlabs CCS200. La implementación del algoritmo se hizo con distintas cámaras tricromáticas (Basler acA 1920-50gc, Basler scA1390-17gc y Basler acA 1920-150uc), realizando estas mediciones en el rango visible (400 a 700 [nm]). Posteriormente se realizó el análisis de datos obtenidos a partir i de los instrumentos, realizando diversos métodos de procesamiento de señales e imágenes para la eliminación de ruido, donde se introdujo un umbral a partir de la métrica de recuperación espectral (Goodness of Fit Coefficient (GFC)) como método para la validación de píxel y finalmente se procedió a realizar la recuperación espectral de Maloney-Wandell, obteniendo un cubo hiperespectral de espectros recuperados. A partir de este cubo, se estimó la temperatura por el método de dos longitudes de onda, realizando su respectiva validación en base a la temperatura obtenida a partir de los espectros de un espectrofotómetro calibrado, obteniendo un error del 4 %. También a partir del cubo se calculó la radiación local y un ´índice de radiación global. A partir de estos ´índices, se construyó distintos mapas, píxel a píxel, de temperatura de la llama y de radiación de la llama. Se analizaron 100 imágenes de llama, donde se obtuvieron cubos hiperespectrales y a partir de estos cubos se calculó la temperatura media y los ´índices de radiación global para distintos flujos másicos en distintos puntos operacionales. Los resultados muestran que el enfoque de este estudio puede desempeñar un papel esencial en la detección de llamas, proporcionando así una herramienta importante para el seguimiento o control de los procesos de combustión, que nos permita evitar una mala combustión y por lo tanto una disminución de los contaminantes atmosféricos.
Estudios de la emisión espectral atómica de Na y K (sodio y potasio) en árboles de eucaliptus para analizar la pertenencia de una zona de cultivo.
(Universidad de Concepción, 2023) Oñate Mardones, Cristopher Alexander; Arias Parada, Luis Emiliano
El robo de madera en Chile ha sido un problema destacado, generando preocupación tanto por su naturaleza delictiva como por la dificultad para determinar la procedencia de la madera robada. Este desafío ha llevado a la búsqueda de métodos tecnológicos para identificar objetiva y experimentalmente si trozos de madera pertenecen en sí a un bosque, esto de una forma rápida y no invasiva para los árboles/bosques. Hoy existen algunos métodos químicos y de marcas que permiten hacer un seguimiento a la madera, pero estos requieres de laboratorios de alta especialización, de varios días de investigación o bien, de una marca preexistente. En virtud de lo existente, se abre la puerta a encontrar patrones intrínsecos en los árboles preexistentes de forma natural, en particular, observados en su llama de combustión, dado que esta contiene información sobre la madera de fácil acceso con un sensor óptico, es así como una aproximación explorada es la relación entre los elementos/nutrientes en un árbol y su concentración en el suelo circundante, esta se observa a través de la llama, la que revela información en el espectro electromagnético sobre su proceso, especialmente en relación con el sodio (Na) y el potasio (K), identificables con un espectrómetro. El análisis presentado en el estudio es pionero en esta área y este propósito, por lo que sienta bases para futuros estudios y análisis, además de ser innovador, abriendo nuevas preguntas no solo buscando patrones para procedencia, sino incluso el análisis de los componentes químicos en la llama para analizar aspectos como la salud del árbol, posibles parásitos u hongos, su estado de crecimiento, y si se extiende este estudio a otras bandas, el nivel de hidratación, algunos indicadores de calidad de madera o incluso edades. La metodología adoptada incluye la obtención de muestras, análisis estadísticos y análisis exploratorio de Machine Learning para identificar patrones y similitudes, lo que permitió obtener conclusiones valiosas, entre ellas el hecho de que, en un árbol de Eucaliptus Globulus, a lo largo de todo su tronco, en la zona de la albura, en algunos casos existe un patrón definido de relación K/Na, es decir, la albura guarda esta proporción a lo largo del tronco, y esta es distinta a otros árboles. Contrario a lo anterior, no se encontró una clara relación entre dos árboles plantados en un mismo entorno cercano, es decir, a pesar de la cercanía y de compartir un suelo con los mismos nutrientes, la relación K/Na en ambos arboles varía en la mayoría de los casos.
Implementación de sistema multimodal para la detección y caracterización de lesiones por presión sobre pacientes del hospital Guillermo Grantt Benavente.
(Universidad de Concepción, 2021) Ortiz Pino, Jorge Eduardo; Godoy Medel, Sebastián Eugenio; Arias Parada, Luis Emiliano
Hoy en día las lesiones por presión (LPP) son un grave problema de salud en Chile y el mundo que se ve asociado a la calidad del cuidado por parte del personal de enfermería, quienes poseen protocolos que buscan prevenir el desarrollo de este tipo de lesiones en el paciente. Parte de estos protocolos indica la aplicación de escalas de valoración de riesgo, sin embargo, como no existe una escala de valoración ´única de aplicación, se hace difícil comparar entre pacientes a los que se le aplicaron las distintas escalas, debido a que no existen puntajes de corte de comparación entre estas, permitiendo que pacientes categorizados como alto riesgo en una escala, no lo sean en otra. Además, ninguna ha demostrado ser mejor que otra. Por otro lado, estas escalas no incluyen factores de riesgo declarados como claves y de impacto según los ´últimos estudios epidemiológicos. Lo anterior, debido al confuso panorama que existe en cómo se pueden evaluar estos factores de riesgo en el entorno clínico, ya que hay una falta de estudios en esta ´área. Para contribuir a la solución de este problema, en esta tesis se propone una metodología clara y replicable para evaluar en el entorno clínico la capacidad de factores de riesgo declarados como claves y de impacto que no considerados en la escala de valoración de Branden y que tienen una gran capacidad descriptiva. Dicha capacidad permite detectar y clasificar eritemas de piel sana, detección temprana de zonas de riesgo de lesión y clasificación de pacientes en grupos de riesgo. Así entonces, este sistema permite caracterizar de forma no invasiva, rápida y sin contacto lesiones por presión a partir de sensores ´ópticos, con técnicas de recolección de información tales como: espectroscopia de reflexión difusa y termografía pasiva. Esto ´ultimo, aplicado sobre pacientes evaluados con mediano y alto riesgo por el sistema de evaluación vigente en las unidades de medicina y cirugía adulto del Hospital Guillermo Grantt Benavente. En este estudio se observa que el detector de eritemas propuesto logra una sensibilidad del 97 % ± 0.02 y que el clasificador de pacientes logra un rendimiento del 100 %. Además, esta tesis destaca el potencial que posee la información entregada por la cámara en LWIR para detectar zonas de riesgo próximas a generar una LPP, así como también la importancia que posee como característica al momento de clasificar a los pacientes en distintos grupos de riesgo. Por lo tanto este sistema destaca como una potencial herramienta que permite detectar de forma temprana lesiones por presión, no solo impidiendo el desarrollo de estas lesiones, sino que además se podría evitar la aparición de lesiones profundas, las cuales son de más difíciles de manejar y tienen mayor tendencia a complicarse. Junto con lo anterior, con esta herramienta se podrá hacer un seguimiento fácil y eficaz de los pacientes y sus tratamientos.
Medición de la información espectral global : nueva técnica para fotodetección de llama y control del proceso de combustión, usando un arreglo basado en fotodiodos = Global spectral information's measurement of flame : a new measurement technique by using a photodiode based sensor for flame sensing and combustion process control.
(Universidad de Concepción, 2009) Arias Parada, Luis Emiliano; Torres Inostroza, Sergio
Un sensor no intrusivo de bajo costo, basado en photodiodos de silicio ha sido diseñado y construido para medir la información espectral contenida en llamas de hidrocarburos. El sensor construido permite monitorear la formación y comportamiento de los radicales libres CH¤ (432nm) y C2 ¤ (514.5nm) en el proceso de combustión. Este fue validado por pruebas en el laboratorio de optoelectrónica y mediante la realización de diferentes experimentos en llamas confinadas y no confinadas. Los modelos de radiación espectral de llamas han sido revisados y los parámetros espaciales asociados al proceso de detección han sido incluidos en estos modelos. La dependencia espectral y espacial de estos modelos han sido simulados para diferentes temperaturas de llamas y largo del camino óptico dentro de la llama. Adicionalmente, la incidencia de la temperatura en la intensidad del espectro local ha sido medida con el sensor construido y con radiómetro. Así la distribución espacial de la información espectral a lo largo del perfil axial y radial de la llama ha sido demostrado y cómo esta distribución espacial afecta a las señales medidas por el sensor. La radiación axial de una llama a petróleo ha sido medida con el sensor y un radiómetro, y sus señales fueron altamente correlacionadas. Por otro lado, esta distribución espacial de la información espectral ha sido corroborada utilizando una cámara CCD. Con lo obtenido hasta ahora, la técnica de Medición de Radiación Espectral Global (GSRM) ha sido definido de manera de medir la contribución total de la información espectral desde la parte posterior de la llama. Esta nueva metodología ha sido probada por medio de dos experimentos: la señal on-line correspondiente a la intensidad local del radical CH¤ en una llama de gas natural ha sido medida con el sensor desde el costado de ´esta y la intensidad global de este radical desde la parte posterior de la llama. Con estos resultados ha sido demostrado que por medio de la técnica GSRM la dispersión de la señal es al menos 23% menor a la obtenida por métodos de medición local. Para llama confinada, la razón entre las señales correspondientes a los radicales C2 ¤ y CH¤ fue exitosamente correlacionada con el rendimiento de la caldera y las emisiones contaminantes de CO. Estos resultados entregan información adicional sobre cómo prevenir la combustión incompleta mediante la detección global de la radiación espectral. Importantes similitudes fueron obtenidas entre los resultados para llams a gas y las observaciones hechas por Gaydon [16], estimando el máximo del rendimiento de la combustión cercana a la estiquiometría. La baja dispersión de las señales medidas con el método GSRM, así como rápida respuesta del sensor, su carácter de no-intrusivo y la medición instantánea de la radiación espectral ha permitido implementar avanzadas estrategias como Gradient y Self-tuning para realizar control de combustión. El bajo costo de construcción del sensor así como la identificación de solo dos bandas espectrales es una considerable ventaja sobre los radiómetros comerciales. Todos estos resultados y ventajas hacen tanto del sensor como de la técnica de medición propuesta un elemento clave para el control del proceso de combustión y su uso en calderas y hornos industriales.
Modelación radiométrica de la combustión de especies minerales y concentrado de cobre.
(Universidad de Concepción, 2019) Marín Seguel, Milton Felipe; Arias Parada, Luis Emiliano
En esta tesis se propone el desarrollo de un trabajo experimental que permita obtener una caracterización espectral fenomenológica en el rango visible del proceso de combustión de concentrado de cobre en hornos flash bajo diferentes condiciones de operación: tipo de concentrado, razón S/Cu, tamaño de partículas y porcentaje de oxígeno presente en la atmosfera de combustión. La caracterización espectral permitirá plantear un modelo matemático que sea capaz de predecir las variables involucradas en el proceso a partir de la información contenida en el espectro de emisión. Como trabajo previo, ya se determinó la existencia de relaciones directas entre la intensidad de los espectros medidos y las variables de operación asociadas al proceso, por lo que ahora se recurre a estimar curvas a partir de los datos, usando como indicador la radiación total estimada a través del cálculo del ´área bajo la curva. Esto da pie a un estimador en tiempo real de la razón S/Cu, la cual se presenta como una variable de interés para el operador del horno. Se presenta la teoría asociada que permite plantear un modelo de emisividad para las partículas de concentrado de cobre, llegando a plantear una función que describe radiométricamente la radiación emitida de acuerdos a 6 variables independientes que tienen injerencia directa en el proceso de combustión. Finalmente, se presenta un análisis de componentes principales, el cuál es capaz de entregar una clasificación visual de concentrado de cobre y/o especies puras de acuerdo a una gráfica, entregando así un posible nuevo indicador de interés para este proceso.
Modelo matemático de componentes principales de espectros de un cuerpo negro para estudio y diseño de canales ópticos
(Universidad de Concepción, 2016) Ramos Concha, Francisco Javier; Arias Parada, Luis Emiliano
En este trabajo se propone el desarrollo de funciones ortogonales que modelen vectores bases obtenidas a través de análisis de componentes principales, PCA, para optimizar el proceso de recuperación espectral de espectros de cuerpo negro, como base para otros tipos de procesos. Según algunos autores, al utilizar las bases ortogonales como sensibilidades espectrales en canales ópticos, permiten excelentes estimaciones a través de métodos como pseudoinversa. No obstante, debido a que el cálculo de las bases entrega como resultado datos numéricos, se hace necesario proponer modelos para construirlos como canales ópticos, ya que esta propuesta es sensible si no se conoce con exactitud el componente principal que se usará como canal. Se usó el modelo matemático de las funciones ortogonales para utilizarlo en métodos de estimación modernos y también en expansiones ortogonales de la ecuación de Planck, con la cual se podría construir un espectro sumando solo unas pocas funciones con sus pesos correspondientes. En este último caso, los resultados no entregaron coeficientes de peso analíticos, por lo que no son factibles en la práctica. Como consecuencia de este trabajo, se pudo encontrar y proponer un nuevo algoritmo para estimar espectros a partir de los canales ópticos óptimos propuestos en un estudio realizado por los profesores Luis Arias y Daniel Sbárbaro. Este método mejora las métricas de GFC y NRMSE en comparación con el propuesto de pseudoinversa y otros como Maloney-Wandell. Al realizar simulaciones con presencia de ruido electrónico, se pudo notar una sensibilidad al ruido de este algoritmo con un decaimiento en GFC de 99.9000 a 72.8485 y un empeoramiento en NRMSE de 1.3557 a 21.8887, en el peor de los casos (SNR=26 dB). En adición, se intentó dar explicación a interrogantes (definidas en la sección 1.2.5) relacionadas a cuerpos negros y otros fenómenos observados, los cuales podrían ayudar a optimizar el problema de recuperación espectral.
Screening test para la identificación del queratocono
(Universidad de Concepción, 2018) Rebolledo Wegner, Felipe Edgardo; Arias Parada, Luis Emiliano
El queratocono es una enfermedad degenerativa de la córnea de difícil diagnóstico en primeras instancias, la cual genera una pérdida sustancial de agudeza visual. Los estudios se han enfocado en la inclusión de algoritmos de Machine Learning para incrementar la detección de la enfermedad, logrando excelentes resultados al ser implementado con datos de pacientes que se someten a exámenes especializados de vanguardia como la topografía corneal Pentacam o equivalentes. No obstante, la detección del queratocono sigue siendo engorrosa para aquellos individuos que por distintos motivos no se han estudiado con estos equipos oftalmológicos avanzados. Es por esto que el propósito del presente trabajo es ayudar a la detección de la patología en lugares donde los equipos de imágenes corneales no son de fácil acceso, desarrollando un screening test. Para esto, se adquieren mediciones de 123 ojos (42 queratoconos y 81 muestras de control), compuestas de 23 características provenientes de los siguientes equipos oftalmológicos: autorefractómetro, queratómetro, paquímetro y topógrafo corneal. Se propone la utilización de las 7 características más simples y disponibles para entrenar un algoritmo de clasificación supervisada de tipo Support Vector Machine. El modelo propuesto consistirá en la afinación del algoritmo que logre los mejores resultados en términos de sensibilidad, especificidad y precisión. Esta afinación corresponde a la selección de un kernel apropiado y a la selección de valores de penalización ‘C’ y ‘cw’. Luego, se evalúa la funcionalidad como screening test del modelo propuesto al comparar rendimientos con un modelo SVM de referencia que utiliza las 23 características adquiridas, incluyendo las características topográficas. El mejor resultado para el modelo propuesto de 7 características fue logrado con un kernel lineal, ‘C’ = 10 y ‘cw’ = 1.9; alcanzando una sensibilidad de 0.9, especificidad de 0.96 y precisión de 0.93. Comparando rendimientos con el modelo de referencia, el modelo propuesto difiere en solo un 5% en sensibilidad, 3% en especificidad y 5% en precisión. Los resultados validan la utilización del modelo propuesto como screening test, cumpliendo el objetivo propuesto. El trabajo futuro incluye validar el modelo con un número mayor de muestras, realizar clasificación multiclase para las distintas categorías de queratocono y combinar el modelo con variables categóricas de tamizaje.
Uso de espectrofotómetros en el SWIR para estimación de temperatura usando Ley de desplazamiento de Wien.
(Universidad de Concepción, 2022) Eriz Aguilera, Pedro Andrés; Arias Parada, Luis Emiliano
En la presente memoria de título se realiza una evaluación de rendimiento de los radiómetros NIR 512 de Ocean Optics y el ATP 8000 de Optosky para la adquisición de espectros de llamas de biomasa con el fin de estimar temperatura utilizando la Ley de desplazamiento de Wien. La técnica implementada para estimar temperatura es comparada por el método de dos longitudes de ondas aplicado en el rango VIS, el cual debido a la existencia de bandas de emisión y absorción predominantes, resulta no ser un método apropiado. La ley de desplazamiento de Wien relaciona la temperatura de un cuerpo negro, con la longitud de onda donde ocurre el máximo peak de emisión. El espectro en el short wave infrared (SWIR) emitido por una llama al quemar biomasa posee un comportamiento similar a un cuerpo negro, con máximos de radiación entre los 1600-2000 [nm], pese a la emisividad y a la presencia de bandas de absorción y emisión. Por lo tanto, en este trabajo se propone realizar un ajuste de curva de cuerpo negro ideal, sobre los espectros medidos en el SWIR con dos instrumentos (NIR512 de Ocean Optics y ATP8000 de Optosky). De esta manera se aplica la ley de desplazamiento de Wien para estimar temperatura de llama de biomasa. La comparación de equipos comtempló la medición del ruido base del radiómetro y la adquisición de señal proveniente de la combustión de madera. Experiencia donde el NIR 512, de menor rango espectral presentó un mejor rendimiento, ya que el radiómetro de Optyosky mostró una alta sensibilidad al ruido provocado por la temperatura de la combustión.

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